JP4237168B2

JP4237168B2 - ヒーティング設備および路面ヒータ

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Publication number: JP4237168B2
Application number: JP2005226503A
Authority: JP
Inventors: 英雄高橋; 明今井
Original assignee: T Net Japan Co Ltd
Current assignee: T Net Japan Co Ltd
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2025-08-04
Also published as: JP2007040010A

Description

本発明は、ヒーティング設備および路面ヒータに関する。さらに詳しくは、道路や種々の面状物の凍結防止や融雪等のために用いられるヒーティング設備および路面ヒータに関する。

従来の路面ヒータとしては、カーボンフアイバーで格子状に織った網状体、あるいはカーボンフアイバーと耐熱性繊維との混紡糸で格子状に織った網状体の両面を熱可塑性樹脂で被覆し、網状体に通電して発熱せしめる路面ヒータがある（特許文献１）。

路面ヒータの発熱量は供給電力量で制御するが、供給電力量の制御技術としては、つぎの交流電力調整装置が一般的である（非特許文献１）。
負荷に供給される交流電力を調整するための基本回路は、図９（Ａ）のようにサイリスタを逆並列接続したものである。サイリスタを二つ使う代りに、サイリスタとダイオードを逆並列接続したものや、トライアックや逆導通素子を１個使う方式もある。
同図（Ｂ）に示すように、素子に流れる電流は、交流電源電圧の極性の移り変わりによって自然に零になる。したがって、サイリスタはこの時ターンオフになる。このように、サイリスタの電流の自然消滅（自然消弧）の作用を利用して、負荷の交流電力を位相制御またはオンオフスイッチング制御すると、電力波形の山の一つ一つを部分的に切り取ることができ、切り取り量に応じて供給電力量を増減することができる。

ところが、上記のような交流電力調整技術は、図５（Ｂ）に示すように、負荷電流の山が飛々になる。この場合、負荷電流の山と山の間でヒータの温度が低下することになるので、その低下分を上昇させることが必要となり、結局は消費電力が多くなり、維持費（電気料金）が高くなるという問題がある。

特開平７‐３４４２５号カラー版電気百科事典362頁昭和57年8月10日 (株)オーム社

本発明は上記事情に鑑み、より一層消費電力が少なくてすむ道路ヒーティング設備および路面ヒータを提供することを目的とする。

第１発明の路面ヒータは、ヒーティング設備を構成する路面ヒータであって、該路面ヒータを、複数本の第１発熱線材と複数本の第２発熱線材とを互いに直交するように配置して構成し、前記第１発熱線材には、一定電力を供給し、前記第２発熱線材には加温目標温度からの温度低下を防止するに必要な電力のみ供給する電力制御装置を備えており、該電力制御装置は、路面の目標温度と検出温度の差である差動電圧を求め、該差動電圧を、０Ｖを基準に、０Ｖより下廻った電圧を極性反転させた反転増幅電圧を出力し、該反転増幅電圧と交流電源を整流した脈流整流とを比較し、前記反転増幅電圧が前記脈流整流を超える部分でのみ、比較出力を出力し、前記比較出力が出力されている間でのみ、負荷電力として脈流整流を供給することを特徴とする。
第２発明の路面ヒータは、ヒーティング設備を構成する路面ヒータであって、該路面ヒータを、複数本の第１発熱線材と複数本の第２発熱線材とを互いに直交するように配置して構成し、前記第１発熱線材および前記第２発熱線材に、加温目標温度に路面の検出温度を一致させるのに必要な電力を供給する電力制御装置を備えており、該電力制御装置は、路面の目標温度と検出温度の差である差動電圧を求め、該差動電圧を、０Ｖを基準に、０Ｖより下廻った電圧を極性反転させた反転増幅電圧を出力し、該反転増幅電圧と交流電源を整流した脈流整流とを比較し、前記反転増幅電圧が前記脈流整流を超える部分でのみ、比較出力を出力し、前記比較出力が出力されている間でのみ、負荷電力として脈流整流を供給することを特徴とする。

第１発明によれば、路面ヒータを構成する発熱線材のうち一部の発熱線材で温度制御することになるので、供給電力の変動幅が小さくなり、電力消費量も小さくなる。また、昇温制御する際に、検出温度が低いときほど、検出温度が高いときに比べて、通電時間帯が広くなる。なぜなら、検出温度が低いときは、反転増幅電圧が高くなり脈流整流の山と交差する位置が高くなって、谷間の幅が広がり、電力供給量が多くなる。これに対し、検出温度が高目のときは、逆に通電時間帯が狭くなり、電力供給量が少なくなる。このように、検出温度が目標温度より下廻っているときでも、下廻る度合いに比例させて通電時間を増減しているので、昇温に無駄な電力を使うことなく滑らかな温度制御が可能となる。
第２発明によれば、路面ヒータを構成する発熱線材の全部で温度制御するので、昇降温速度が早く、目標温度を維持しやすい。また、昇温制御する際に、検出温度が低いときほど、検出温度が高いときに比べて、通電時間帯が広くなる。なぜなら、検出温度が低いときは、反転増幅電圧が高くなり脈流整流の山と交差する位置が高くなって、谷間の幅が広がり、電力供給量が多くなる。これに対し、検出温度が高目のときは、逆に通電時間帯が狭くなり、電力供給量が少なくなる。このように、検出温度が目標温度より下廻っているときでも、下廻る度合いに比例させて通電時間を増減しているので、昇温に無駄な電力を使うことなく滑らかな温度制御が可能となる。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
（路面ヒータの構成）
図１は本実施形態の路面ヒータ１０の平面図である。同図に示すように、本実施形態の路面ヒータ１０は、長方形であり、上下の短辺に電極１，１が設けられ、左右の長辺に電極２，２が取付けられたものである。電極１，２は、例えば真鋳であるが、銅板や銅箔あるいはアルミニウム製のもの等であってもよい。

上下の電極１，１の間には第１発熱線材３が適数本、例えば１０本が並列に取付けられている。左右の電極２は、その長さが前記電極１の３倍の長さである。なお、この電極２は電極１と同じものを３本直列につないだものでもよく、３倍の長さの１本物でもあってもよい。そして、電極２，２の間には、第２発熱線材４が適数本、例えば３０本が並列に取付けられている。各発熱線材３，４は、その交点において接着剤や圧着、融着等により互いに接着されている。このように、交点で互い違いに重ね合わされ、かご編されているので、ばらばらに分かれるのを防止できる。なお、各発熱線材３，４は、かご編されていなくても、単に重ね合わされたものであってもよい。
交差する発熱線材３，３と発熱線材４，４とで囲まれた井桁状の空間は、路面に施工する際に路面基材と表層材を接着する接着用間隙として機能する。

上記の路面ヒータ１０の幅と長さは、前記電極１，２の長さと数にほぼ比例するので、短辺の幅Ｗが１ｍ、長辺の長さＬが３ｍとなっている。これは、道路の幅が、一般に3.5ｍであることに合わせたもので、短辺の幅１ｍであると、３枚の路面ヒータ１０を並列に並べると片側車線の設置が可能だからである。長辺が３ｍとしたのは、路面への施工の便宜上である。余り短いと施工工数が増えるだけだし、長すぎると扱いに不便であり、湾曲した道路への適用が困難になる。

路面ヒータ１０の施工対象としては、舗装道路のほか、舗装駐車場、舗装駐輪場、コンクリート壁、建築床、建築壁材、屋根材、鋼材、看板、標識など、種々の路面物をとくに制限なく採択しうる。また、これらの適用対象に合わせて、路面ヒータ１０の縦横の長さや第１，第２発熱線材３，４の本数を任意に変えるとよい。

（発熱線材）
前記第１，第２発熱線材３，４は、いずれも通電により遠赤外線を放射する極細の炭素繊維を束ねた発熱線材である。炭素繊維は、例えば１本が７μｍのものであって、これを５万本近く束ねたものが、本発明の発熱線材３，４として用いられる。この炭素繊維には、一方向に整流した脈流電流を流して発熱させる。すなわち、炭素繊維は、逆方向に電流を流すと分子の流れが一定にならないため発熱しにくい特性があるので、交流ではなく整流して脈流を使う必要がある。

前記各発熱線材３，４は、炭素繊維の束の周りを、ビニル樹脂等の合成樹脂の保護膜で被覆している。この被覆は、砕石等から保護するためであり、保護膜は例えばゴム等が使える。なお、物理的特性としては、引張力に対して非常に強く、路面に敷設した後、自動車の走行による衝撃を受けても切れにくいという利点がある。

第１発熱線材３は、炭素繊維の束の周りをニッケル、錫、銅、アルミニウム等の金属膜で被膜している。この場合、金属膜により電気抵抗が低くなるので、長さは第２発熱線材４の３倍あるが、金属膜被覆をしていない第２発熱線材４と同レベルの抵抗値にできる。このように抵抗値を同レベルにすることで、同一電流を流すのに、同一電圧を印加することでよいので、同一電源が使え、設備が簡単となる。

（給電系統）
縦方向の第１発熱線材３と横方向の第２発熱線材４とは、別個独立した電力制御装置CD1，CD2で給電される。
第１発熱線材３の電極１，１には、第１電力制御装置CD1を介して電源１３がつながれており、第１発熱線材３には一定電圧が供給され、一定の発熱量を路面に与えるようになっている。
第２発熱線材４の電極２，２には、第２電力制御装置CD2を介して電源１３がつながれている。第２電力制御装置CD2は、天候や外気温の変動により生ずる実際の路面温度の上下に合わせて供給電力量を加減し、一定温度に保つよう調整するようになっている。すなわち、加温目標温度からの温度低下を防止するのに必要な電力を供給する。

（電力制御装置）
つぎに、温度調整を行う電力制御装置CD2を説明する。
図２は電力制御装置CD2のブロック図である。温度センサ３１は、実際の路面温度を検出温度Ｂとして検出するものである。この温度センサ３１は、検出対象である舗装道路等の表面などに設けられる。電源１３は、電池やソーラー、風力発電などが用いられ、電源の種類には、特に限定はない。
本実施形態の電力制御装置CD2は、温度センサ３１で検出した検出温度Ｂと設定された目標温度Ａとの間の差が０になるように、路面ヒータ１０に印加する電圧を制御して、供給電力を加減する制御装置である。

図２に示すように、電力制御装置CD2は、差動増幅器４１、反転増幅器４２、整流同期回路４３、比較回路４５および電力制御素子４６から構成されたものである。電力制御素子４６は、サイリスタや電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor ）等、種々のトランジスタにより構成される。

以下、図２に図３および図４を併せ参照しながら説明する。
差動増幅器４１には、設定された目標温度Ａと、温度センサ３１で検出された検出温度Ｂ（図３（Ｉ）参照）が入力される。そして、差動増幅器４１は、以下の演算により目標温度Ａを超えた部分と検出温度との差を差動電圧Ｃとして出力する（図３（II）参照）。
差動電圧Ｃ＝（検出温度Ｂ−目標温度Ａ）
なお、凍結防止のための路面等の設定温度（目標温度Ａ）は、一般的に５℃位に設定される。したがって、実際の路面温度が２℃〜６℃の間で変動すると、差分温度−３〜＋１℃位の間で制御することになる。

反転増幅器４２は、前記差動増幅器４１より出力される差動電圧Ｃを、０Ｖを基準に、０Ｖより下廻った電圧を極性反転させた反転増幅電圧Ｅを出力する（図３（III）参照）。

整流同期回路４３は、電源１３から交流電圧Ｆ（図４(IV)参照）の供給を受け、一方向へ流れるように整流した脈流整流Ｇ（図４（Ｖ）参照）を出力するものである。この結果、炭素繊維が発熱しやすい同一方向の電流を供給できることになる。

比較回路４５は、前記反転増幅器４２より出力される反転増幅電圧Ｅと、前記整流同期回路４３より出力される脈流整流Ｇとを対比し（図４(VI)参照）、以下の演算により比較出力Ｉを出力するものである。
反転増幅電圧Ｅが脈流整流Ｇを超える部分では、比較出力Ｉを矩形波で出力（ＯＮ）し、反転増幅電圧Ｅが脈流整流Ｇより下廻る場合には、比較出力Ｉを０（ＯＦＦ）とする。この結果、比較出力Ｉの幅は、反転増幅電圧Ｅが脈流整流Ｇを超えている時間に一致する。換言すれば、比較出力が０の時間は、反転増幅電圧Ｅが脈流整流Ｇを下廻っている時間に一致する（図４（VII）参照）。

電力制御素子４６は、前記比較回路４５より出力される比較出力Ｉと、前記整流回路４３より出力される脈流整流Ｇとから、次の演算により負荷電圧Ｊを出力するものである。
比較出力ＩがＯＮのときには、負荷電圧Ｊを供給し、比較出力ＩがＯＦＦのときには、負荷電圧Ｊを出力しない（図４（VIII）参照）。
上記のように制御された結果、反転増幅電圧Ｅが脈流整流Ｇを上廻っているときは、路面ヒータ１０に電力を供給し、路面の実際温度が目標温度に一致するように制御する。そして、負荷電力の供給は、脈流の山の途中ではなく、隣り合う山のすそ野同士の部分（図４（VIII）参照）で電力供給することになる。

（温度制御方法）
つぎに、温度制御方法を説明する。
図４（VIII）において、Ｈｉは、実際の検出温度Ｂが目標温度Ａを上廻っている領域を示し、Ｌｏは検出温度が目標温度を下廻っている領域を示している。そして、符号ａは電力供給時間帯を示し、符号ａの付いていない領域は非供給時間帯を示している。
検出温度Ｂが目標温度Ａを上廻っている領域Ｈｉでは、電力は全く供給しないので、路面ヒータ１０の発熱量は減少していき、路面温度も追随して下降していく。そして、目標温度Ａに落ち着くことになる。
なお、目標温度Ａより下廻ってくると、つぎのように昇温制御される。

検出温度Ｂが目標温度Ａより下廻っているときは、符号ａで示す時間帯に電力が供給され、路面ヒータ１０の発熱量が増大していき、路面温度も上昇していき、ついには目標温度Ａに到達することになる。
また、このように昇温制御する際に、検出温度Ｂが低いときほど、検出温度Ｂが高いときに比べて、通電時間帯ａ（θａ〜θｂに相当）が広くなる。なぜなら、検出温度Ｂが低いときは、反転増幅電圧Ｅが高くなり脈流整流Ｇの山と交差する位置が高くなって、谷間の幅が広がるからである。この場合、電力供給量が多くなる。
このことは、検出温度Ｂが高目のときは、逆に通電時間帯ａが狭くなることを意味する。この場合電力供給量が少ない。
このように、検出温度Ｂが目標温度Ａより下廻っているときでも、下廻る度合いに比例させて通電時間を増減しているので、昇温に無駄な電力を使うことなく滑らかな温度制御が可能となる。

本発明の制御方法は、つぎの利点がある。
１）利点１
第１発熱線材３には通常の電力制御装置CD1によって一定量の電力を定常的に供給しておき、温度差が生ずると、第２発熱線材４に前記実施形態の温度制御装置CD2によって、保温調整を行えばよい。このように、路面ヒータ１０を構成する発熱線材のうち一部の発熱線材のみで温度制御をしているので、供給電力量の変動幅が小さくなる。このため電力消費量の変動が小さくなって、省エネルギー化が可能となる。
しかし、本発明ではこのタイプに限らず、第１発熱線材３と第２発熱線材４の両方を、前記実施形態の温度制御装置CD2によって保温調整するようにしてもよい。

２）利点２
本発明の制御によると、ヒータの温度低下を防止しやすいという利点がある。図５の（Ａ）図は本発明による給電状態を示し、（Ｂ）図は従来技術の制御による給電状態を示し、いずれもハッチング部が給電時間帯である。
（Ｂ）図に示すように、従来技術の制御であれば、非給電帯ｂの間隔が広く、この非給電帯ｂの間にヒータ自体あるいは路面の温度低下が起こりやすい。これに対し、（Ａ）図に示すように、本発明の制御では、給電帯ａ自体が隣り合う二つの山に分けられているが、電力波形の前半の山が下って、０電圧になっても、すぐ後半の山が、電力供給を再開している。この場合、電力供給が０になった瞬間でも温度そのものは０には低下せず、ある程度の温度を保っており、その温度に再度後半に加温することになるので、大きく温度低下してから加温するよりも、電力消費量が少なくて済むという利点がある。よって本発明によれば、電気料金を安くすることができ、省エネルギー化が可能である。

３）利点３
同期電圧Ｈとの比較を、差動電圧Ｃそのものにせず、あえて反転増幅電圧Ｅとしたのは、つぎの理由からである。
図６に示すように、正弦波を描く同期電圧Ｈと、差動電圧Ｃと比較すると、目標温度を超えているときほど、差動電圧Ｃが高くなり、隣り合う正弦波の間の谷の幅が広がる（（VI）参照）ので、比較出力Ｉの幅が広がり（（VII）参照）、余計に電力を供給することになる。このため、目標温度へ下降しないで、ますます温度差が広がることになる。これに対し、本発明のように反転増幅電圧Ｅを同期電圧Ｈに重ねると、すそ野付近で交差する（（VI）参照）ので、谷の幅が狭くなり比較出力Ｉの幅が狭くなる（（VII）参照）。このため、検出温度Ｂが目標温度Ａを超えている程度が高いほど、比較出力Ｉの幅が狭くなる。このため、目標温度へ下降させることができ、結果として、使用電力量の低減が計れる。

（道路用ヒーティング設備）
図７に示すように、本発明の路面ヒータ１０は、複数枚、例えば３枚が、道路面の幅ＲＷ方向において並列に設置される。
また、道路の長さ方向には、同じ要領で、路面ヒータ１０が繰返して設置され、所望の距離にわたって融雪道路を形成することができる。

（通電順序制御）
図７に示すような並列設置した路面ヒータ１０の群、例えば、No.1からNo.3の３枚の路面ヒータ１０には、通電順序制御を行うことが好ましい。
図８は通電順序制御の制御回路を示している。電力制御装置CD2の基本構成は図２と変わらず、符号Ｋで示す回路が付加されている。
電力制御素子４６は、３枚の路面ヒータ１０（No.１〜No.３）のそれぞれの第１，第２発熱線材３，４に合わせて、６個が設けられている。また、この電力制御素子４６は、比較回路４５からの出力に対し、ＡＮＤ回路４８を介して並列に設けられている。整流同期回路４３と各ＡＮＤ回路４８の間には、リングカウンタ４７が介装されている。リングカウンタ４７は整流脈流Ｇの一山一山を区切って、個別の路面ヒータ１０に送る機能を有している。すなわち、整流脈流Ｇの最初の山をNo.１路面ヒータ１０に送り、２番目の山をNo.２路面ヒータ１０に送り、３番目の山をNo.３路面ヒータ１０に送り、以後この順を繰返す機能を有している。
ＡＮＤ回路４８は、比較出力Ｉ（図４のVII参照）と負荷電力Ｊ（図４のVIII参照）を同期させるため設けている。この同期があることにより、大電力を有効に取り出すことができる。

上記の構成により、No.1からNo.3の路面シート１０に順次に、かつ間欠的に電力が供給される。例えば、No.1に電力供給し、供給を断つと直ちに次のNo.2に供給し、そのNo.2への供給を断つと、直ちに次のNo.3に電力供給する。このNo.3への供給を断つと、再度No.1への供給が開始され、次後はこの動作を繰返す。
供給時間は、商用電源の５０Hz地域では１回当たり10msec、６０Hz地域では１回当たり8.33msecである。

以上のように順次通電しても、道路面は直ちに温度低下することがないので、路面温度を維持することができる。よって、電力消費量が少なくなり経済的である。

本発明の一実施形態に係る路面ヒータの概略平面図である。本発明の一実施形態に係る路面ヒータの電力制御装置の回路図である。図１の電力制御装置による制御動作Ｉ〜IIIの説明図である。同電力制御装置による制御動作IV〜VIIIの説明図である。本発明の電力制御と従来の電力制御を対比した説明図である。本発明において、反転増幅電圧を使った場合と使わない場合の対比説明図である。本発明の路面ヒータの道路面への配置パターンの説明図である。通電順序制御回路の回路図である。従来の交流電力調整装置の説明図である。

符号の説明

１電極
２電極
３第１発熱線材
４第２発熱線材
１０路面ヒータ
１３電源
CD1 第１電力制御装置
CD2 第２電力制御装置
４１差動増幅器
４２反転増幅器
４３整流同期回路
４５比較回路
４６電力制御素子
４７リングカウンタ
４８ＡＮＤ回路

Claims

ヒーティング設備を構成する路面ヒータであって、
該路面ヒータを、複数本の第１発熱線材と複数本の第２発熱線材とを互いに直交するように配置して構成し、
前記第１発熱線材には、一定電力を供給し、
前記第２発熱線材には加温目標温度からの温度低下を防止するに必要な電力のみ供給する電力制御装置を備えており、
該電力制御装置は、
路面の目標温度と検出温度の差である差動電圧を求め、
該差動電圧を、０Ｖを基準に、０Ｖより下廻った電圧を極性反転させた反転増幅電圧を出力し、
該反転増幅電圧と交流電源を整流した脈流整流とを比較し、前記反転増幅電圧が前記脈流整流を超える部分でのみ、比較出力を出力し、
前記比較出力が出力されている間でのみ、負荷電力として脈流整流を供給する
ことを特徴とする路面ヒータ。
ヒーティング設備を構成する路面ヒータであって、
該路面ヒータを、複数本の第１発熱線材と複数本の第２発熱線材とを互いに直交するように配置して構成し、
前記第１発熱線材および前記第２発熱線材に、加温目標温度に路面の検出温度を一致させるのに必要な電力を供給する
電力制御装置を備えており、
該電力制御装置は、
路面の目標温度と検出温度の差である差動電圧を求め、
該差動電圧を、０Ｖを基準に、０Ｖより下廻った電圧を極性反転させた反転増幅電圧を出力し、
該反転増幅電圧と交流電源を整流した脈流整流とを比較し、前記反転増幅電圧が前記脈流整流を超える部分でのみ、比較出力を出力し、
前記比較出力が出力されている間でのみ、負荷電力として脈流整流を供給する
ことを特徴とする路面ヒータ。