(57)【要約】【課題】消費電力を抑えることができる融雪装置を提供すること。【解決手段】融雪装置１は、表面層を構成する高熱伝導層としての表面材１０と、この表面材１０の裏面側に配置され、床や壁、屋根等に設けられる土台２０と、土台２０と表面材１０との間に、表面材１０に直接接合するように設けられ、自身の温度上昇に応じて発熱量を減少させ、かつ自身の温度低下に応じて発熱量を増加させる自己温度制御型ヒータ３０とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に付着した雪や氷を融かすための融雪装置であって、
表面層を構成する高熱伝導層と、
この高熱伝導層の裏面側に設けられた基層と、
前記高熱伝導層と前記基層との間に、前記高熱伝導層に直接接触するように設けられ、自身の温度の上昇に応じて発熱量を減少させる自己温度制御型ヒータとを備えることを特徴とする融雪装置。
【請求項２】
請求項１に記載の融雪装置において、
前記高熱伝導層は、無機物粒体４０〜６５体積％と、金属３５〜６０体積％とを含んでなる複合材であることを特徴とする融雪装置。
【請求項３】
請求項２に記載の融雪装置において、
前記金属は、アルミニウム合金であることを特徴とする融雪装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の融雪装置において、
前記無機物粒体は、ガラス発泡体であることを特徴とする融雪装置。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれかに記載の融雪構造において、
前記自己温度制御型ヒータは、電源に接続され互いに離間する２本の導線と、これらの導線に接続された、カーボン粉末および電気絶縁物を混合したカーボン混合物と、前記２本の導線および前記カーボン混合物を被覆する耐熱性および電気絶縁性を有する筐体とを備えることを特徴とする融雪装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれかに記載の融雪装置において、
前記基層は、コンクリートや、モルタル、ケイカル板、蓄熱モルタル等の断熱性を有する材料により構成されていることを特徴とする融雪装置。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の融雪装置において、
前記高熱伝導層の表面側には、アルミニウム単体層が設けられていることを特徴とする融雪装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれかに記載の融雪装置において、
前記自己温度制御型ヒータの周囲には、蓄熱モルタル層が設けられていることを特徴とする融雪装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、融雪装置に関し、特に消費電力を抑えることができる融雪装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、降雪地方における屋根等の雪降し作業は、重労働であるとともに、危険を伴う作業である。そこで、屋根等の下地に電熱線を設置して、この電熱線を発熱させることにより積雪を融かしたり、凍結を防止する方法が用いられている。しかしながら、雪や氷の融解には多量の電力を必要とするため、ランニングコストが高くなるという問題がある。そこで、特許文献１には、電力を用いることなく、建築物の屋根や屋上、道路、橋などに積もった雪を融かすことを目的として、太陽光エネルギーを利用して蓄熱材で熱を蓄え、この蓄えた熱で積雪を融解する方法が開示されている。また、特許文献２には、電力で発熱する２種類の発熱体を使用して、いずれの発熱体を発熱させるか制御することにより、融雪能力を低下させずに、消費電力を抑えることができる融雪装置が開示されている。
【特許文献１】特開２００３−２０７２１２号公報
【特許文献２】特開平５−１７１６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１による方法では、電力を使用することなく安価に融雪できるものの、１回の蓄熱ではその蓄熱量に限界があり、降雪地方の連続した降雪には十分に対応できないという問題がある。また、特許文献２による方法では、外気温の変化や降雪量、降雪スピードの変化に迅速に対応した効率的な融雪ができず、結局は、消費電力が大きくなるという問題がある。
本発明の目的は、多量の雪や氷等にも対応できて、かつ消費電力を抑えることができる融雪装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、表面に付着した雪や氷を融かすための融雪装置であって、表面層を構成する高熱伝導層と、この高熱伝導層の裏面側に設けられた基層と、前記高熱伝導層と前記基層との間に、前記高熱伝導層に直接接触するように設けられ、自身の温度の上昇に応じて発熱量を減少させる自己温度制御型ヒータとを備えることを特徴とする。なお、本発明の融雪装置は、例えば、床や壁、屋根等に設けられる。
【０００５】
本発明において、高熱伝導層に自己温度制御型ヒータが直接接合されているため、ヒータの発熱を迅速に高熱伝導層の表面に伝導でき、また、積雪や外気による高熱伝導層の表面の冷熱をヒータ側に迅速に伝導できる。つまり、高熱伝導層により、高熱伝導層の表面とヒータとの熱伝導を素早く行うことができる。
また、自己温度制御型ヒータは、ヒータの温度が上昇した場合に発熱量を減少させ、ヒータの温度が低下した場合に発熱量を増加させるものである。従って、外気温の変化や、降雪の有無、降雪量の変化、降雪スピードの変化に応じて、ヒータの発熱量がコントロールされる。
このように、本発明によれば、外気温等の環境の変化に応じて素早く応答してヒータの発熱量をコントロールできるので、必要最低限の発熱量で表面に付着した多量の積雪や氷等を融かすことができ、自己温度制御型ヒータに用いる消費電力を抑えることができる。  
【０００６】
ここで、前記高熱伝導層には、無機物粒体４０〜６５体積％と、金属３５〜６０体積％とを含んでなる複合材を適用することが好ましく、より好ましくは、無機物粒体５０〜５２体積％と、金属４８〜５０体積％とを含んでなる複合材を適用することである。
前記無機物粒体には、周囲への熱拡散を防止するために、熱伝導率が小さくて、蓄熱性や断熱性を有するものが好ましく、例えば、ガラス発泡体や、ガラスビーズ、石の粒子、熱伝導率の低いセラミック粒子等を採用でき、これらの中ではガラス発泡体粒子がより好適である。
また、前記金属には、アルミニウム合金や、銅合金、マグネシウム合金等の比較的熱伝導率の高い金属を採用でき、この中でも、より熱伝導率の高いアルミニウム合金が好ましい。このように熱伝導率の高い金属を用いることにより、高熱伝導層とヒータとの間の熱伝導をスムーズに行うことができる。また、前記金属は、前記無機物粒体の間の間隙に含浸されて連続層を形成していることが好ましい。
【０００７】
無機物粒体の配合割合が４０体積％未満である場合には、無機物粒体による断熱作用が低下して、高熱伝導層の表面以外の周囲への熱拡散が大きくなって、高熱伝導層の表面に迅速に熱伝導ができなくなり、また、ヒータ表面に冷熱を迅速に伝導できなくなる。つまり、高熱伝導層とヒータとの間の熱伝導性が低下する。一方、無機物粒体の配合割合が６５体積％を超える場合には、無機物粒体による断熱作用が大きくなりすぎて、高熱伝導層とヒータとの間の熱伝導性が低下する。
【０００８】
また、金属の配合割合が３５体積％未満である場合には、高熱伝導層とヒータとの間の熱伝導の機能が低下する。一方、金属の配合割合が６０体積％を超える場合には、高熱伝導層の表面以外の周囲への熱拡散が大きくなって、高熱伝導層の表面への迅速な熱伝導ができなくなる。
【０００９】
以上の融雪装置において、前記自己温度制御型ヒータは、電源に接続された２本の導線と、これらの導線の間に接続された、カーボン粉末および電気絶縁物を混合したカーボン混合物と、前記２本の導線および前記カーボン混合物を被覆する耐熱性および電気絶縁性を有する筐体とを備える構成を採用できる。
このような構成によれば、２本の導線およびカーボン混合物が耐熱性および電気絶縁性を有する筐体により被覆されているため、電源に接続された２本の導線の間では、カーボン混合物を通って確実に電気が流れることになる。このように２本の導線間に電気が流れると、カーボン混合物を構成する電気絶縁物による電気抵抗によりカーボン混合物が発熱するが、しばらくすると、カーボン混合物の発熱によって電気絶縁物が膨張し、カーボン混合物におけるカーボン粉末の密度が粗くなり実質的な電気抵抗が大きくなる。このため、カーボン混合物に流れる電気の量が小さくなり発熱が抑えられる。従って、ヒータの温度変化に応じて発熱量が自動的に増減し、自己温度制御型ヒータとしての機能を実現できる。
【００１０】
ここで、前記基層としては、コンクリートや、モルタル、ケイカル板、蓄熱モルタル等の断熱性を有する材料により構成されてもよく、熱容量が大きくて、かつ断熱性を有する材料が好ましい。このような材料で基層を構成することにより、ヒータの発熱が高熱伝導層以外へと逃げることを防止でき、ヒータの発熱を高熱伝導層の表面方向へと確実に向かわせることができる。
【００１１】
以上の融雪装置において、前記高熱伝導層の表面側には、アルミニウム単体層が設けられていてもよい。このような構成によれば、熱伝導率の高いアルミニウム単体層を高熱伝導層の表面に設けることにより、高熱伝導層におけるヒータから離れた位置への熱伝導を効率良く行うことができ、高熱伝導層の表面温度を均一にできる。なお、アルミニウム単体層の表面に凹凸を設けて表面積を拡大することにより、熱伝導をより一層効率よく行わせてもよい。
また、以上の融雪装置において、前記自己制御型ヒータの周囲には、蓄熱モルタル層が設けられた構成を採用できる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の融雪装置によれば、多量の雪や氷等にも対応できて、かつ消費電力を抑えることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る融雪装置１を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る融雪装置１を模式的に示す縦断面図である。図２は、融雪装置１を模式的に示す平面図である。図１，図２に示すように、融雪装置１は、例えば平面視矩形の板状として構成され、例えば、建築物の床や壁、屋根等に設けられる。融雪装置１は、表面層を構成する高熱伝導層としての表面材１０と、表面材１０の裏面側に配置される基層としての平面視矩形状の土台２０と、表面材１０と土台２０との間に設けられ、表面材１０に直接接合する例えば３本の自己温度制御型ヒータ３０とを備えている。なお、図示を省略するが、表面材１０と土台２０とは、例えば、その端縁同士をビス止め等することにより、互いに着脱可能な構成となっている。
【００１４】
表面材１０は、ガラス発泡体５２体積％と、アルミニウム合金４８％とを含んでなる高熱伝導性を有する複合材により、例えば、厚さ１０ｍｍ、幅３００ｍｍ、奥行８００ｍｍの矩形板状に構成されている。このような表面材１０に用いる複合材としては、例えば、「アルセライト（株式会社内外テクノス製など）」を好適に採用できる。アルセライトは、ガラス発泡体に廃ガラスを、アルミニウム合金に再生アルミニウムを用いるため、表面材１０をアルセライト製とすることにより表面材１０のリサイクル化や低コスト化を図ることができる。
土台２０は、例えばコンクリートにより構成され、その上面には、自己温度制御型ヒータ３０を設置するための凹部２０Ａが形成されている。なお、凹部２０Ａと自己温度制御型ヒータ３０との間に隙間が生じる場合には、この隙間に熱伝導性の良いセメントや蓄熱モルタル、コーキング剤等の充填剤が充填される。
【００１５】
図２に示すように、自己温度制御型ヒータ３０は、例えば長さ１ｍのコード状に形成され、表面材１０や土台２０の辺と平行となるように配置されている。なお、ヒータ３０の長さや配置方法は、これに限定されるものではない。
図３は、自己温度制御型ヒータ３０の要部を拡大して示す模式図である。図３に示すように、自己温度制御型ヒータ３０は、電源に接続され互いに離間する２本の導線３１と、これらの２本の導線３１に接続されたカーボン混合物としてのカーボン発熱体３２と、２本の導線３１およびカーボン発熱体３２を被覆する、耐熱性および電気絶縁性を有する筐体としての絶縁ジャケット３３と、絶縁ジャケット３３を被覆して内側を保護する金属製保護網３４と、金属製保護網３４を被覆する保護カバー３５とを備えている。カーボン発熱体３２は、カーボン粉末と、電気絶縁物の粉末とを混練して固形状としたカーボン固形物である。
【００１６】
この自己温度制御型ヒータ３０は、例えば出力２８Ｗ／ｍ（１０℃）であり、ヒータ温度が高くなると電流が小さくなって発熱が小さくなる特性を有し、最高温度を６５℃として電流を制御するものである。なお、最高温度が６５℃以外の温度になるように設定されたものを使用してもよい。
この自己温度制御型ヒータ３０では、電源に接続された２本の導線３１にカーボン発熱体３２が接続され、さらに、２本の導線３１およびカーボン発熱体３２が絶縁ジャケット３３によって被覆されているため、カーボン発熱体３２を通って２本の導線３１の間に確実に電気が流れることになる。このように２本の導線３１間に電気が流れると、カーボン発熱体３２に添加された電気絶縁物の電気抵抗によってカーボン発熱体３２が発熱する。そして、カーボン発熱体３２が６５℃に近づくと、このカーボン発熱体３２の発熱によって電気絶縁物が徐々に膨張して、カーボン発熱体３２におけるカーボン粉末の密度が粗くなり、カーボン発熱体３２の実質的な電気抵抗が大きくなる。このため、カーボン発熱体３２に流れる電気の量が小さくなって発熱が抑えられる。従って、カーボン発熱体３２の温度変化に応じて、カーボン発熱体３２の発熱量が自動的に増減し、自己温度制御型のヒータとして機能する。
【００１７】
このような融雪装置１では、自己温度制御型ヒータ３０が、カーボン発熱体３２の発熱量を自動的に増減させることにより、表面材１０の表面温度がおよそ１０℃以上に保たれるように構成されている。これにより、表面材１０の表面に付着した雪や氷を融かすことができる。
【００１８】
本実施形態の融雪装置１では、次のような効果がある。
表面材１０が高熱伝導性を有していることから、表面材１０の表面とカーボン発熱体３２との熱伝導を素早く行うことができる。このため、表面材１０の表面の冷熱が素早くカーボン発熱体３２に伝導してカーボン発熱体３２の温度が低下すると、カーボン発熱体３２の発熱量が素早く増加し、また、カーボン発熱体３２の温度が一定温度（例えば６５℃）より高くなると、カーボン発熱体３２の発熱量が素早く減少するため、外気温の変化や、降雪の有無、降雪量の変化、降雪スピードの変化に応じてカーボン発熱体３２の発熱量がコントロールされることになる。従って、必要最低限の発熱量で、表面材１０の表面に付着した多量の積雪や氷等を融かすことができ、自己温度制御型ヒータ３０に用いる消費電力を抑えることができる。また、土台２０をコンクリート製としたので、カーボン発熱体３２による発熱が表面材１０以外へ逃げることを防止でき、カーボン発熱体３２による発熱を表面材１０の表面側へ確実に向かわせることができる。
【００１９】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されない。例えば、図４に示すように、表面材１０の表面側にアルミニウム単体層４０を設けて、表面材１０のカーボン発熱体３２から離れた位置への熱伝導を効率良く行うことができる利点がある。また、図４に示すように、アルミニウム単体層の表面に凹凸を設けて表面積を拡大することにより、熱伝導をより一層効率よく行わせてもよい。
【００２０】
また、前記実施形態では、土台２０の上面に凹部２０Ａを形成して、この凹部２０Ａに自己温度制御型ヒータ３０を配置する構成としたが、例えば、図５に示すように、表面材１０の下面に凹部１０Ａを形成して、この凹部１０Ａに自己温度制御型ヒータ３０を配置する構成としてもよい。この場合には、自己温度制御型ヒータ３０と表面材１０とができるだけ多く接触することが好ましい。
【００２１】
また、図６に示すように、図５に示すような凹部１０Ａが形成された２つの表面材１０を、各表面材１０の凹部１０Ａ同士の位置が合致するようにして、互いに向き合わせ、これらの表面材１０を土台２０の上面に配置する構成としてもよい。
なお、図５，図６に示すのいずれの構成においても、凹部１０Ａと自己温度制御型ヒータ３０との間に隙間が生じる場合には、この隙間に、熱伝導性の良いセメントや蓄熱モルタル、コーキング剤等の充填剤が充填される。
【００２２】
前記実施形態では、表面材１０にガラス発泡体を用いたが、例えば、ガラス発泡体や、ガラスビーズ、石の粒子、熱伝導率の低いセラミック粒子等の無機物粒体を用いてもよく、また、これらの混合物であってもよい。また、前記実施形態では、表面材１０にアルミニウム合金を用いたが、銅合金、マグネシウム合金等の比較的熱伝導率の高い他の金属を用いてもよい。また、前記実施形態では、ガラス発泡体５２体積％と、アルミニウム合金４８％とを含んでなる複合材で表面材１０を構成したが、高熱伝導性を有していれば、この配合には特に限定されない。
【００２３】
前記実施形態では、土台２０をコンクリートにより構成したが、例えば、モルタル、ケイカル板、蓄熱モルタル等の断熱性を有する他の材料により構成してもよい。
また、土台２０と表面材１０との間で自己温度制御型ヒータ３０の周囲に蓄熱モルタル層を設けて、蓄熱モルタル層にカーボン発熱体３２からの熱を蓄積させてもよい。
前記実施形態では、土台２０と表面材１０とを例えばビス止めしたが、取り付け方法はビス止めに限定されない。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例を用いて本発明をより詳しく説明する。
下記の融雪装置を、２００３年１２月２３日から２００４年１月８日まで豪雪地帯に設置して、表面材の表面の状況を把握するとともに、そのカーボン発熱体に流れた電流値（Ａ）と、表面材の裏面温度（℃）と、外気温度（℃）とを測定した。なお、上記期間では、積雪量が９０〜１３０ｃｍであったことが別のデータにより確認されている。
【００２５】
＜融雪装置の構成＞
・表面材：アルセライト，株式会社内外テクノス製
・土台：エコベトン，株式会社ショックベトン・ジヤパン製
・自己温度制御型ヒータ：自己制御型コードヒーターＴＬＴ型，日本ヒーター株式会社製・充填剤：熱伝セメントＨＴＣ型，日本ヒーター株式会社製
【００２６】
＜結果＞
表面材の表面には雪や氷が全く存在せず、融雪効果が十分であることが分かった。
ここで、図７は、時間（日）と、電流値（Ａ）、表面材の裏面温度（℃）および外気温度（℃）との関係を示す図である。図７に示すように、外気温度と表面材の裏面温度とは、非常によく連動しており、外気温度が下がると表面材の裏面温度も下がり、また、外気温度が上がると表面材の裏面温度も上がっていた。また、電流値は、表面材の裏面温度が上がると減少し、表面材の裏面温度が下がると増加していた。なお、表面材の裏面温度はカーボン発熱体の温度よりも若干低くなると考えられるが、温度変化の動きについては、表面材の裏面温度とカーボン発熱体温度が非常に連動するものと考えることができる。従って、外気温度の変化に応じて、カーボン発熱体の発熱量が適切に制御されていると分かった。
【００２７】
また、表面材の表面に雪や氷が付着していれば、表面材の裏面温度が略零度、外気温度によっては零度以下になると考えられる。従って、表面材の裏面温度の経時変化を調べることにより、雪や氷の融解の様子を把握できると考えられる。
そこで、図７を見てみると、２００３年１２月２５日から２００３年１２月２６にかけて、表面材の裏面温度が零度近辺で推移していた。このことは、表面材の表面に雪が積ったり融けたりした状態であると考えることができる。また、この時期では、電流値が大きく増加しており、カーボン発熱体が表面材表面の積雪を迅速に融かしていることが分かった。なお、２００４年１月６日から２００４年１月８日にかけても同様であった。
以上の測定結果より、外気温度の変化や降雪に対して、カーボン発熱体が自動的に発熱量を制御して、消費電力を最小限に抑えつつ、融雪していることが分かった。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係る融雪装置を模式的に示す縦断面図である。
【図２】前記融雪装置を模式的に示す平面図である。
【図３】前記融雪装置の自己温度制御型ヒータの要部を拡大して示す模式図である。
【図４】前記融雪装置の表面側にアルミニウム単体層を設けた様子を示す縦断面図である。
【図５】本発明の変形例に係る融雪装置を模式的に示す縦断面図である。
【図６】本発明の他の変形例に係る融雪装置を模式的に示す縦断面図である。
【図７】本発明の実施例において、時間と、電流値、表面材の裏面温度および外気温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１      融雪装置
１０      表面材（高熱伝導層）
１０Ａ，２０Ａ      凹部
２０      土台（基層）
３０      自己温度制御型ヒータ
３１      導線
３２      カーボン発熱体（カーボン混合物）
３３      絶縁ジャケット（筐体）
３４      金属製保護網
３５      保護カバー
４０      アルミニウム単体層
【図１】
2005350975.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005350975.tif 000006
【図５】
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【図６】
2005350975.tif 000008
【図７】
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