(57)【要約】      （修正有）【課題】濡れ・乾燥等の路面状況を検出する路面水分センサーは、降雪センサー等により路面状況に応じた路面温度の自動制御により省力制御を行っているロードヒーティング制御装置おいて、重要なセンサーである。一般的に使用されている電極式路面水分センサーは、車両による感知面への損傷事故や、不適切な施工による水分誤検出や、感知面を暖める補助ヒーターの熱による乾燥誤検出等が課題となっている。【解決手段】路面に埋設した熱流束センサー２にて、発熱体４から道路表面６へ流れる実熱流束を求め、図２に示す演算器９にて、各気象センサーと路面温度センサー１とからの入力信号から、路面の乾燥時、濡れ時に必要となる推定熱流束を演算する。そして前記実熱流束と前記推定熱流束とから判別器１０にて道路表面６の乾燥・濡れ等の路面状態を判別する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱線、温水パイプ等の発熱体を埋設したロードヒーティング設備において、発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーにより求めた実熱流束と、外気温度センサーや降雪センサー等の気象センサーにより計測した気象条件と路面温度センサーより計測した路面温度とから、濡れ・乾燥等の路面状態で必要となる熱流束を演算器により求めた推定熱流束とを、比較して濡れ・乾燥等の路面状態の判別を行うロードヒーティング制御装置。
【請求項２】
請求項１において、発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、垂直方向に離して配置した２点の路面温度センサーにて測定した温度差と、前記２点の路面温度センサー間の熱伝導率と、前記２点の路面温度センサー間の距離とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置。
【請求項３】
請求項１において、路面温度を一定の温度に保つ制御器を具備し、且つ発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、発熱体への通電時間と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置。
【請求項４】
請求項１において、路面温度を一定の温度に保つ制御器を具備し、且つ発熱体か
ら路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、発熱体の温水パイプの入口温度と、前記温水パイプの出口温度と、前記温水パイプの温水流量等と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置。
【発明の詳細な説明】
【００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱体を埋設し、当該発熱体による発熱を利用して道路等の表面の雪氷を融解し除去するためのロードヒーティングの制御装置に関するものである。
【従来の技術】
【００２】
【特許文献１】特公  第２６４０３０３号
【特許文献２】特公平７‐１１１０４２号
【特許文献３】特公  第３０４４５４０号
融雪や凍結の防止を行うロードヒーティング制御装置は、消費エネルギーや管理人員の節約のために、降雪検知センサーと外気温度センサーと路面温度センサーと路面水分センサーにより、路面状況に応じた路面温度の自動制御を行っている。つまり、路面に雪氷がある場合には、路面温度を高くして雪氷の溶融を行う融雪運転を行い、路面が濡れている場合には、路面を氷結温度より高い温度に保持して水分の凍結を防止する凍結防止運転を行っている。
【００３】
また、寒冷地で路面乾燥により運転を停止しておくと、外気温度と同程度に低下した路面温度を融雪が可能な温度にするのに、路面の熱容量による時間遅れのため数時間かかり、降雪による融雪制御に支障が発生する。このため、路面が過度の低温にならないように予熱運転を行っている。
例えば、従来の寒冷地におけるロードヒーティング制御装置は、路面温度が低いほど消費される発熱量も減少するため、路面に雪氷または水分が検出された場合、路面温度を＋３℃から＋０℃に保持して融雪運転，凍結防止運転を行ない、路面が乾燥している場合、路面温度を−２℃に保持して予熱運転を行っている。特許文献１は、降雪確率予報を利用して予熱運転の路面温度を低く設定することで消費エネルギーの低減を図る参考例である。
【００４】上記のように濡れ・乾燥等の路面状況を検出する路面水分センサーは、ロードヒーティング制御装置の重要なセンサーと言える。路面水分センサーは、感知面を路面と水平になるように設置し、感知面の電極対間の水による抵抗値を測定する電極式路面水分センサーと、路表面に赤外線等を照射して反射光の特性から水分の有無を判別する非接触式路面水分センサーが知られている。
【発明が解決しようとする課題】
【００６】前記電極式路面水分センサーは、特許文献２で示される検出子２のように、感知面に電極対を配置し、電極間を絶縁用の樹脂を充填して、電極間の抵抗をロードヒーティング制御装置にて測定する単純な構造のため、重車両の過重・振動に強く、一般的に使用されている。
しかしながら前記電極式路面水分センサーは、路面と水平になるように施工するのが難しく、検知面が路面より低く施工され検知面に融雪水が溜まる事例や、感知面の樹脂が経年劣化により濡れ状態と同じ抵抗値近くまで低下する事例が多く発生して、実際の路面が乾燥でも電極式路面水分センサーで濡れを検知する誤検知時間が多くなり、当初計画の省エネルギー効果を発揮できなくなっている。反対に電極式路面水分センサーは、検知面が路面より高く施工された場合や、感知面の凍結防止のためセンサー内にある感知面を暖める補助ヒーターの熱などにより、路面と比べ感知面が乾燥しやすくなる課題もある。また、路表面に感知面を露出している電極式路面水分センサーは、除雪車のドーザや重量車両のチエーン等で損傷を受ける事例が多く、前記事例も含め道路管理者にとって運用管理上問題となっている。
【００７】また非接触路面水分センサーは、高価なため特別な場合を除き、ロードヒーティング用として、ほとんど使用されていない。
【００８】特許文献３の熱流束の変化を計測するセンサーと温度センサー等からなる先行技術は、降雪時にセンサー検知面で急激な熱流束の変化が発生した場合の水分の検知が可能であるが、計測した熱流束の値が路面に水分がある場合の値なのか、路面乾燥の場合の値なのか判別する機能がないので、路面水分センサーとして使用できない。
【課題を解決するための手段】
【００９】本発明は、上述の課題を解決するもので、道路若しくはその類似物の表面近傍に発熱線、温水パイプ等の発熱体を埋設したロードヒーティング設備において、発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーにより求めた実熱流束と、外気温度センサーや降雪センサー等の気象センサーにより計測した気象条件と路面温度センサーより計測した路面温度とから、濡れ・乾燥等の路面状態で必要となる熱流束を演算器により求めた推定熱流束とを、比較して濡れ・乾燥等の路面状態の判別を行うロードヒーティング制御装置を、第１発明とする。
【０１０】
第１発明において、発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、垂直方向に離して配置した２点の路面温度センサーにて測定した温度差と、前記２点の路面温度センサー間の熱伝導率と、前記２点の路面温度センサー間の距離とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置を、第２発明とする。
【０１１】
第１発明において、路面温度を一定の温度に保つ制御器を具備し、且つ発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、発熱体への通電時間と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置を、第３発明とする。
【０１２】
第１発明において、路面温度を一定の温度に保つ制御器を具備し、且つ発熱体から路表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーが、発熱体の温水パイプの入口温度と、前記温水パイプの出口温度と、前記温水パイプの温水流量等と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様とを入力した演算器で行う構成のロードヒーティング制御装置を、第４発明とする。
【発明の実施の形態】
【０１３】以下本発明の実施の形態を実施例に基づいて詳細に説明する。なお、各図は発明を理解できる程度に各構成成分の形状、大きさおよび配置関係を概略的に示してあるに過ぎず、したがってこの発明を図示例に限定するものではない。
図１及び図２は第１発明のロードヒーティング制御装置の一実施例の概念図で、図１は路面の構造例、図２はロードヒーティング制御装置の説明図である。
【０１４】図１は、舗装材３、発熱体４、路盤５からなる道路のロードヒーティングの断面構造を示し、舗装材３内の熱流束を検知する熱流束センサー２と、路面温度を測定する路面温度センサー１が配置されている。熱流束センサー２は、発熱体４から道路表面６へ流れる熱流束を検知して、実熱流束を計測する。
【０１５】また、図２に示す演算器９は、降雪センサー７、外気温度センサー８等の気象センサーからの入力信号と、前記路面温度センサー１からの入力信号とから、路面の乾燥時、濡れ時の道路表面６で必要となる推定熱流束を演算する。
【０１６】以下に推定熱流束の演算例の一つとして風速を固定した事例を示す。
雪の顕熱をＱｓ、融解熱をＱｎ、自由面積比（融雪面積／加熱面積）Ａｒ、融雪水の気化熱Ｑｅ、対流輻射熱Ｑｉ、外気温度Ｔａ、単位面積降雪重量Ｍとすると、道路表面６で必要となる熱流束Ｑ０は、
Ｑ０＝Ｑｓ＋Ｑｎ＋Ａｒ×（Ｑｅ＋Ｑｉ）
Ｑｓ＝（０−Ｔａ）×０．５×Ｍ  、  Ｑｎ＝８０×Ｍ
降雪により雪が路面を覆っている条件では、Ａｒ×（Ｑｅ＋Ｑｉ）＝０として省略できるため、外気温度と降雪センサーで検知した降雪重量からＱｓとＱｎを求め、融雪時の道路表面６で必要となる推定熱流束Ｑ０を演算できる。
また、Ａｒ＝１とした路面の乾燥時、濡れ時の場合の道路表面６で必要となる熱流束ｑは、
ｑ＝α（Ｑｅ＋Ｑｉ）（Ｔｍ−Ｔａ）
として示される。尚、αは固有定数、Ｔｍは路面温度を示す。
従って、外気温度センサー、路面温度センサーで検知した信号と、予め定めたＱｅ、Ｑｉから、道路表面６で必要となる推定熱流束ｑが演算できる。
また、燥路面の場合Ｑｅ＝０として演算する。
【０１７】図２に示す判別器１０は、熱流束センサー２からの実熱流束と、演算器９からの推定熱流束とから、道路表面６の乾燥・濡れ等の路面状態を判別する。
【０１８】路面状態の判別の方法例を、説明しやすいように路面温度を＋２℃、気象条件を外気温度に特定し、外気温度に対する熱流束を直線の特性ラインとして簡略表現した図３にて説明する。
例えば道路表面６が乾燥している場合、路面で必要となる推定熱流束は、乾燥特性ライン１４の特性となる。また、道路表面６に融雪水等により水膜ができるほど濡れている場合、路面で必要となる推定熱流束は、路面乾燥時に比べて水の気化熱や、水表面の対流輻射熱等による放熱が加算されるため、濡れ特性ライン１２のような特性となる。図３は、路面の半乾燥状態を考慮して、乾燥特性ライン１４の近傍に判別ライン１３を按分して設定している。
路面の濡れ乾燥の判別方法は、熱流束センサー２で求めた実熱流束が判別ライン１３より上にくる（大きい）場合、路面濡れと判別し、反対に熱流束センサー２で求めた実熱流束が判別ライン１３より下にくる（小さい）場合、路面乾燥と判別する方法例である。
また濡れ特性ライン１２、乾燥特性ライン１４及び判別ライン１３は、倍率調整や、非直線調整等の調整が可能で、個々のロードヒーティング面の特性にチューニングできる。
【０１９】図２に示した気象センサー以外に、風力センサー、日射量センサー、放射量センサー等の気象センサーを演算器９に接続して、前記道路表面６で必要となる推定熱流束の補正情報として利用できる。
また、降雪センサーや外気温度センサー等の気象センサーにより検出した気象条件は、当該ロードヒーティング設備とは別の場所に設置された場所から、通信回線等を通して演算器９に接続し、推定熱流束を演算することもできる。
【０２０】路面温度制御器１１は、路面温度センサー１、降雪センサー７、外気温度センサー８からの信号、及び判別器１０からの路面状態の信号により融雪運転、凍結防止運転、予熱運転を判定し、最適な路面温度に保つ制御運転を行う。
【０２１】
次に、第２発明の実施例について説明する。図４は、路面の構造例、図５はロードヒーティング制御装置の説明図である。
図４は、舗装材３、発熱体４、路盤５からなる道路のロードヒーティングの断面構造を示し、舗装材３内の２点の路面温度を測定する温度センサー１５と温度センサー１６が垂直方向に配置されている。温度センサー１５，温度センサー１６には、測温抵抗体，サーミスター，熱電対等の温度センサーが使用可能で、また温度センサー１５には、放射温度計も使用できる。
【０２２】寒冷地のロードヒーティング路面は、路面状態に応じて一定の路面温度になるように制御されているため、発熱体４から道路表面６へ向かって熱流が発生する。また、一般的に熱伝導特性が悪いアスファルト、コンクリート及びレンガ等が、舗装材として使用されているため、前記熱流により垂直方向に配置された温度センサー１５，温度センサー１６の２点間の温度差が容易に計測できる。
【０２３】従って第２発明の熱流束を検出するセンサーは、図５に示す温度センサー１５，温度センサー１６から入力された温度信号の温度差と、施工時の情報から温度センサー間の距離と舗装材の熱伝導特性データを基に、演算器１７が発熱体４から道路表面６へ流れる実熱流束を演算して求める構成となる。
但し、舗装材の熱伝導特性がわからない場合、ロードヒーティング制御装置が融雪運転等の全発熱量で運転をした時に計測した温度差や、類似事例から熱伝導特性を求めて、この値を演算器１７の補正情報として入力し、実熱流束の演算を行うことも可能である。
【０２４】また、図５に示す演算器９は、降雪センサー７、外気温度センサー８の気象センサーからの入力信号と、路面温度センサー１からの入力信号から路面の乾燥時、濡れ時の道路表面６で必要となる推定熱流束を演算する。
【０２５】図５に示す判別器１０は、演算器１７からの実熱流束と、演算器９からの推定熱流束とから、道路表面６の乾燥・濡れ等の路面状態を判別する。
【０２６】路面温度制御器１１は、路面温度センサー１、降雪センサー７、外気温度センサー８からの信号、及び判別器１０からの路面状態の信号により融雪運転、凍結防止運転、予熱運転を判定し、最適な路面温度に保つ制御運転を行う。尚、路面温度センサー１は、温度センサー１５で路面温度センサー１の機能を代用することで、省略することも可能である。
【０２７】
次に、第３発明の実施例について説明する。
第３発明は、図６に示す実施例のように発熱体から表面へ熱伝導している熱流束を検出するセンサーを、発熱体の通電時間などの発熱量情報と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様１８から演算器１９にて実熱流束を演算して求める構成にしたものである。路面温度センサー１、降雪センサー７、外気温度センサー８、演算器９、判別器１０、路面温度制御器１１は、図５と同様の機能である。また、路面の断面構造は、図４から温度センサー１５、温度センサー１６を削除した構造となる。
【０２８】実施例の原理について説明する。
路面が一定の路面温度になるようにロードヒーティング制御装置にて制御されている時、図４の道路表面６から放熱される熱流束は、発熱体４の発熱量による発熱体４から道路表面６への熱流束と平衡状態となっている。すなわち、前記平衡状態より発熱体４の発熱量が道路表面６から放熱される熱流束より大きい場合は、路面温度が上昇し、反対に、発熱体４の発熱量が道路表面６から放熱される熱流束より小さい場合は、路面温度が低下する特性により、路面が一定の路面温度になるようにロードヒーティング制御装置にて制御されている時は、発熱体４の発熱量と発熱体４から道路表面６への熱流束の間に相関関係がある。
【０２９】またロードヒーティングでは、例えば外気温度−５℃で路面が濡れ状態の場合、路面凍結を防止するため路面温度を０℃になるように図４の発熱体４を加熱しているため、発熱体４から道路表面６への熱流と、発熱体４から路盤側への熱流が発生する。しかしながら、路盤５の深部温度が経験上０℃とみなすことができるため、発熱体４から路盤側への熱流は、路盤５の発熱体４近傍までの範囲に蓄積する熱量を考慮すればよい。従って、一定の路面温度に制御している場合、路盤５の発熱体４近傍までの範囲が蓄熱したあとの熱流は、ほとんど発熱体４から道路表面６への熱流となる。
【０３０】上記のように、ロードヒーティング制御装置が一定の路面温度になるように制御する場合、発熱体４の通電時間などの発熱量情報と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様から発熱体４の発熱量とを、演算器１９に入力して、発熱体４から道路表面６へ流れる実熱流束を演算できる。
この演算器１９で求めた実熱流束と、演算器９で求めた推定熱流束とから路面の乾燥・濡れ等の路面状態を判別器１０で判別する。路面温度制御器１１の機能は、第２発明と同様に発熱体４を制御する。
【０３１】
次に、第４発明を、図７の温水パイプ式のロードヒーティング制御装置による実施例で説明する。
熱流束を検出するセンサー部分は、温水パイプの流量センサー２０、入口温度センサー２１、出口温度センサー２３と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様１８と、演算器１９から構成される。またヒーティング部は、温水を作るボイラー２４、温水を循環するポンプ２５、路面を加熱するための発熱部２２からなり、融雪制御部は、路面温度センサー１、降雪センサー７、外気温度センサー８、演算器９、判別器１０、路面温度制御器１１から構成され、各機能は、図５と同様である。
【０３２】第３発明の原理と同様に、ロードヒーティング制御装置が一定の路面温度になるように制御する場合、路盤５の発熱体４近傍までの範囲が蓄熱したあとの発熱体４の熱流は、ほとんど発熱体４から道路表面６への熱流となる。従って、ロードヒーティング制御装置が一定の路面温度になるように制御する場合、入口温度センサー２１と出口温度センサー２３との温度差と、流量センサー２０からの流量と、単位面積当りの発熱量等の発熱仕様１８から発熱部２２での発熱量とを、演算器１９に入力して、発熱体４から道路表面６へ流れる実熱流束を演算できる。
この演算器１９で求めた実熱流束と、演算器９で求めた推定熱流束とから路面の乾燥・濡れ等の路面状態を判別器１０で判別する。路面温度制御器１１の機能は、第２発明と同様に発熱体４を制御する。
前記流量センサー２０は、ポンプの運転時間から温水の流量を計算することで、省略することもできる。
【０３３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明請求項１によれば、感知面の経年劣化や、不適切な施工による感知面に融雪水がたまる事例や、センサー内にある感知面を暖める補助ヒーターによる実際の路面との乾燥上体の差異による誤検出等の弊害があった、路面の水分を直接検知する電極式路面水分センサーと異なり、前記補助ヒーターもなく、路面に埋設した熱流束を検出するセンサーにより測定した路面の実熱流束と、気象条件と路面温度とから計算した推定熱流束とから、間接的に濡れ・乾燥等の路面状態を判別するようにしたため、感知面の劣化もなく、重量車両による感知面への損傷事故も無くなり、及び不適切な施工による弊害等が除去される効果がある。
また本発明の請求項２によれば、高価な非接触式路面水分センサーを使用しなくても、安価な温度センサーで熱流速を検知するセンサーを構築できる。
【０３４】また、本発明の請求項３、４によれば、既設ロードヒーティング設備でも、使用中の道路の改善工事を行わないで、路面の濡れ・乾燥等の路面状態を判別できるロードヒーティング制御装置に交換可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】「第１発明の路面の構造例」
【図２】「第１発明のロードヒーティング制御装置の説明図」
【図３】「路面状態の判別の方法例」
【図４】「第２発明の路面の構造例」
【図５】「第２発明のロードヒーティング制御装置の説明図」
【図６】「第３発明のロードヒーティング制御装置の説明図」
【図７】「第４発明のロードヒーティング制御装置の説明図」
【符号の説明】
１：路面温度センサー
２：熱流束センサー
３：舗装材
４：発熱体
５：路盤
６：道路表面
７：降雪センサー
８：外気温度センサー
９：演算器
１０：判別器
１１：路面温度制御器
１２：濡れ特性ライン
１３：判別ライン
１４：乾燥特性ライン
１５：温度センサー
１６：温度センサー
１７：演算器
１８：発熱仕様
１９：演算器
２０：流量センサー
２１：入口温度センサー
２２：発熱部
２３：出口温度センサー
２４：ボイラー
２５：ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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