JP2002352940A

JP2002352940A - 面状発熱装置

Info

Publication number: JP2002352940A
Application number: JP2001156655A
Authority: JP
Inventors: Junichi Mizawa; 順一見沢; Reikou Mitsusaka; 令光三坂; Katsuhiro Endo; 克宏遠藤; Yusuke Mizawa; 祐輔見沢; Takao Koyama; 貴生小山
Original assignee: MISAKA KK; Misawa Shokai Co Ltd
Current assignee: MISAKA KK; Misawa Shokai Co Ltd
Priority date: 2001-05-25
Filing date: 2001-05-25
Publication date: 2002-12-06

Abstract

(57)【要約】【課題】凍土の解凍や寒冷地や積雪地域におけるコンク
リートの養生に適した面状発熱装置を提供する。【解決手段】面状発熱装置は、炭素繊維を発熱抵抗体と
する面状の発熱体と、前記発熱体の両面に設けられた絶
縁性合成樹脂フィルム層と、前記合成樹脂フィルム層の
少なくとも一つの層に設けられ、反射層を有する合成樹
脂フィルム層とを備えている。高効率で赤外線を放射す
る炭素繊維を発熱抵抗体として用いるとともに、被加熱
体と対向する側に反射層を配置することにより、赤外線
の放射量を実質的に増加し、効率的に被加熱体を加熱す
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】この発明は、面状発熱体に関
し、特に寒冷地における凍結土の解凍やコンクリート養
生に好適な面状発熱体に関する。

【０００２】

【従来の技術】寒冷地、積雪地域においては、長期にわ
たり凍土減少が発生するため、寒中での道路工事や建設
基礎工事などは基本的には施工できないという問題点が
ある。また凍土は、その融解時において種々の被害の原
因となる。すなわち地中の凍土が外気温と地熱によりい
っせいに解け、路床が過含水になると、支持力を失い、
交通車両の重量、振動、建物の重量等に絶えられず破壊
され、道路においては交通不能や建物においては倒壊等
を生じることになる。

【０００３】このような凍土による被害を低減するため
や、凍土発生時の道路工事等を可能にするため種々の工
法が採用されている。例えば、1）凍土を凍結している
深さまで掘り起こし、凍結しにくい材料に置き換える路
床材料の置換工法、２）板状の発泡ポリスチレン等の断
熱材を路床に埋設する断熱工法、3）塩化ナトリウム、
塩化カルシウム等を凍結性の土に適当量混合する安定化
処理工法等が行われる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
工法には以下のような問題がある。まず１）の路床材料
の置換工法では、凍土を生じにくい材料には限界があ
り、また掘り出した凍結土の廃棄場所や工期、費用等に
問題がある。２）の断熱工法では、断熱材である発泡ポ
リスチレンの耐荷重性、耐久性、経済性に問題がある。
３）の安定化処理工法では、凍結性は著しく減少する
が、不凍結剤である塩化ナトリウム等が雨水等によって
流されやすく、効果の持続性が低いという問題がある。

【０００５】また寒冷地や積雪地域における道路工事や
建設基礎工事においては、上述した凍土の問題に加え、
コンクリートの養生が困難になるという問題がある。す
なわち、これら基礎工事において流し込まれたコンクリ
ートは適切な温度で養生する必要があるが、寒冷地域で
は養生に必要な条件を確保することが困難なため、耐寒
剤を用いて発熱させたり、コンクリート全体を覆い熱風
を供給する方法などがとられている。

【０００６】しかし、薬剤を添加した場合には、コンク
リートの耐久性が低下するという問題があり、また熱風
を供給する方法では莫大な設備と手間、時間を要すると
いう問題があった。

【０００７】そこで本発明は、寒冷地や積雪地域におい
て、容易な施工手法で且つ比較的安価に凍土発生の効果
的に防止できるとともに、コンクリートの耐久性を損な
うことなくコンクリート養生を可能にする面状発熱装置
を提供することを目的とする。また本発明は、防水性、
絶縁性、耐薬品性に優れ、上述した凍土発生防止等のみ
ならず、種々の環境下で使用することが可能な面状発熱
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の面状発熱装置は、炭素繊維を発熱抵抗体とする面状
の発熱体と、前記発熱体の両面に設けられた絶縁性合成
樹脂フィルム層と、前記合成樹脂フィルム層の少なくと
も一つの層に設けられ、反射層を有する合成樹脂フィル
ム層とを備えたことを特徴とする。

【０００９】本発明の面状発熱装置は、高効率で赤外線
を放射する炭素繊維を発熱抵抗体として用いているの
で、面状発熱装置から発生する熱を効率よく凍結防止や
コンクリートの養生に利用することができる。また一般
に赤外線の放射量は、被加熱対象との距離の二乗に反比
例するが、被加熱体と対向する側に反射層を配置するこ
とにより、放射量は被加熱体との距離に反比例すること
となる。従って、本発明の面状発熱装置は、絶縁性合成
樹脂フィルムの外側に反射層を有する合成樹脂フィルム
層を設けたことにより、赤外線の放射量を実質的に増加
し、効率的に被加熱体を加熱することができる。

【００１０】本発明の面状発熱装置において、発熱体
は、第１の方向およびこれと交差する第２の方向に織り
込まれたガラス繊維と、前記第１の方向にあって前記ガ
ラス繊維の折り目に所定間隔ごとに織り込まれた炭素繊
維と、前記第２の方向であって前記第１の方向の両端部
に織り込まれた電極用導体とを含む。

【００１１】また反射層は、アルミニウム蒸着層であ
る。

【００１２】本発明の面状発熱装置は、その好適な態様
において、絶縁性合成樹脂フィルム層は、少なくとも一
層のポリエチレンフィルム層（以下、ＰＥ層という）と
少なくとも一層のポリエチレンテレフタレートフィルム
層（以下、ＰＥＴ層という）を有する多層フィルム層か
らなる。

【００１３】面状発熱体を路床内に敷設したりコンクリ
ートに接触させた場合、アルカリ性または酸性環境に曝
され、また急激な温度変化を受ける可能性があるが、耐
薬品性に優れたＰＥ層と耐熱性に優れたＰＥＴ層を備え
た多層フィルムを用いることにより、このような環境に
おいても耐久性のある面状発熱体が得られる。またこの
ような多層フィルムを用いることにより、ピーホールの
発生やそれにより発熱体のショートや損傷を防止するこ
とができる。

【００１４】また本発明の面状発熱装置は、さらに外層
に防水性シートを有することを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の面状発熱装置の実
施形態を説明する。

【００１６】図１は、本発明の面状発熱装置の一実施形
態を示す平面図、図２はその断面図である。図示するよ
うに、本実施形態の面状発熱装置１は、面状の発熱体10
と、その両面に設けられた絶縁性合成樹脂フィルム層2
0、21と、アルミ蒸着層31を有する合成樹脂フィルム層3
0とを積層してなる平面状の構造を有し、端部に、発熱
体10に電力を供給するための端子部40が形成されてい
る。

【００１７】発熱体10は、さらに図３に示すように、発
熱部となる炭素繊維11と、絶縁材であるガラス繊維12
と、炭素繊維11に電力を供給するための銅線などからな
る導体13とを紡織して布状にしたものである。すなわ
ち、ガラス繊維12を縦糸および横糸として織り込み、縦
糸または横糸となるガラス繊維12を所定の間隔で炭素繊
維11で置換し、平行に配置するとともに、布の両端部に
おいて、炭素繊維11と交差する方向に織り込まれたガラ
ス繊維12を導体13で置換した構造を有している。このよ
うな構造によって、ガラス繊維12は、平行に配置された
炭素繊維11の各々を動かないように位置決めするととも
に絶縁している。

【００１８】布両端分に織り込まれた導体13は、図４に
示すように、炭素繊維11との交差部において炭素繊維11
と電気的に接続されるとともに、炭素繊維11の所定本数
（ｎ本）毎に、両側において交互に電気的切断部17Ａ〜
17Ｄが形成されている。これによって、炭素繊維11のｎ
/2本を単位とする発熱体回路（11Ａ〜11Ｄ）が直列につ
ながった発熱体が構成される。

【００１９】導体13は、発熱体10の端部において、端子
部40に接続されている。端子部40は、絶縁性材料からな
る端子台41によって保護されている。端子台41は、例え
ば、ガラス繊維12で織り上げられた布の端部（端子台を
設ける部分）にエポキシ樹脂等の絶縁性材料を含浸させ
て、加熱加圧による硬化させる工程を繰り返すことによ
り形成した積層絶縁板からなる。このような積層絶縁板
は、防水性、電気絶縁性、耐荷重性に優れ、過酷な環境
における使用に耐えることができる。

【００２０】このような構成において、端子部40を介し
て導体13間に電力が供給されると、導体13間に接続され
た各炭素繊維11が発熱し、赤外線を放出する。炭素繊維
11は、金属抵抗に比べ腐食することがなく、また赤外線
の放射効率に優れているので、効果的に被加熱体を加熱
することができる。さらに炭素繊維11およびガラス繊維
12は、ともに非常に耐久性に優れるため、人為的損傷を
与えない限り故障の原因となることがない。

【００２１】炭素繊維11としては、例えば、１本の直径
が７μｍの炭素繊維（CF-1000）を1000本束ねたものか
らなり、抵抗値444Ω/ｍのものを使用することができ
る。

【００２２】絶縁性合成樹脂フィルム層20は、発熱体10
を被覆し、本発明の発熱装置を種々の環境から保護する
ものであり、少なくとも一つの多層フィルムからなる。
この実施形態では、合成樹脂フィルム層としてＰＥ層／
ＰＥＴ層／ＰＥ層の三層からなる三層フィルム２枚を、
発熱体10の両側に設けるとともに、アルミ蒸着層を有す
る合成樹脂フィルム層30と反対の側には、さらにＰＥ層
／ＰＥＴ層からなる合成樹脂フィルム層21がＰＥＴ層が
最外層となるように設けられている。

【００２３】ＰＥＴは、耐熱性に優れているが、エステ
ル基を有しているため、加水分解を生じやすく、アルカ
リや酸などの薬品に対する耐性が低い。このようなＰＥ
Ｔ層を、耐熱性は低いが、耐アルカリ性、耐酸性等の耐
薬品性と電気絶縁性に優れているＰＥ層で挟んだ構造と
することにより、全体として耐薬品性、電気絶縁性に優
れ、しかも耐熱性に優れた発熱装置とすることができ
る。

【００２４】また合成樹脂フィルム層21において、ＰＥ
Ｔ層を最外層とすることにより、その表面に接着剤を介
して、シートやゴム板などの防水シートを容易に貼り付
けることができる。

【００２５】このような合成樹脂フィルム層20は、ＰＥ
層の熱溶融性を利用して、発熱体10に熱融着によって密
着させることができる。これによって発熱体10と合成樹
脂フィルム層20との間や、二枚の合成樹脂フィルム層と
の間に外部から水などが浸入し、発熱装置が劣化したり
発熱体が損傷を受けるのを防止することができる。

【００２６】絶縁性合成樹脂フィルム層20の外側に設け
られるアルミ蒸着層を有する合成樹脂フィルム層30は、
発熱体（炭素繊維）10が放射する赤外線を反射して効率
よく被加熱体に与えるためのものであり、発熱装置の被
加熱体に接触する側の反対側に設けられる。合成樹脂フ
ィルム層30を構成する合成樹脂フィルムとしては、耐薬
品性、耐久性に優れたポリエチレンフィルムや上述の合
成樹脂フィルム層20に用いたＰＥ/ＰＥＴ/ＰＥからなる
積層フィルムなどを用いることができる。なお、反射層
としてのアルミ蒸着層は、赤外線を反射するものであれ
ば、アルミニウム以外の材料を用いることも可能である
が、コスト的にはアルミニウムが有利である。

【００２７】なお、図示していないが、本発明の発熱装
置は、発熱体10の駆動をオンオフするためのスイッチや
駆動制御するための制御回路を設けることができる。こ
のようなスイッチや制御回路は、端子部40と電源との間
に設けられていればよく、導線を介して端子部40に接続
するようにしてもよい。制御回路は、例えば、被加熱体
の温度を一定に保つために、発熱体10を一定の間隔でオ
ンオフ制御したり、別途設けた温度センサーからの信号
に基づき所定の温度範囲でオンオフ制御したりする機能
を備えることができる。

【００２８】本実施例の発熱装置は、さらに図５に示す
ように、屋外の使用に際し、合成樹脂フィルム層30の外
側を防水性シート50で覆うことが好ましい。防水性シー
トとしては、いわゆるブルーシートやゴムシートなど一
般に防水性シートとして利用されているものを使用する
ことができる。防水シート50は、例えば発熱装置に接着
剤とカシメリングで装着することができる。カシメリン
グのリング部を利用して、図６に示すように、本発明の
発熱装置を接続して必要な大きさとすることができる。
またこのリング部によって発熱装置を構造物等に固定す
ることができ、これによって強風や吹雪等による飛散を
防止することができる。

【００２９】このような構成の発熱装置は、例えば図７
に示すように、コンクリート基礎工事等を施工しようと
する用地上に、防水シート51を介して、必要に応じて複
数枚を接続したものを設置し、さらに必要に応じて飛散
を防止するための重石（コンクリートパネル等）52を上
に設置する。そして端子部40を外部電源に接続し、発熱
体に通電する。通電時間は、設置される環境の温度や凍
土の深さ等によって異なるが、数時間から１日程度通電
することにより、凍土の解凍を行うことができる。

【００３０】或いは図８に示すように、打設したコンク
リートの上に、養生用のシートを介して本発明の発熱装
置を設置する。コンクリートの養生は、35℃以上の温度
になると急速に反応が進み急結を生じてしまい、一方０
℃以下になると必要な強度（耐久性、水密性）が得られ
なくなるので、10〜20℃の範囲に調整するのが最適であ
る。このため、コンクリートに温度センサーを埋設し、
温度を監視しながら発熱装置を駆動する。そして温度が
例えば最適温度範囲の上限になったら発熱体の駆動を停
止し、下限まで下がったら再度駆動を開始するという制
御を行う。このような制御は、マニュアルで行っても良
いが、前述したように発熱装置が制御回路を備える場合
には、制御回路に所定の温度範囲或いは間欠駆動する時
間間隔を設定することにより、制御回路により行うこと
ができる。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の発熱装置並びにそれを用いた
凍土解凍およびコンクリート養生の実施例を説明する。

【００３２】[実施例]炭素繊維を50本毎に１つ発熱体回
路（図４の11Ａ〜11Ｅ）を構成するように、ガラス繊維
で編みこまれた布に20ｍｍ間隔で織り込んで配置し、幅
900ｍｍ（炭素繊維の有効長さ800ｍｍ）、長さ5000ｍｍ
（発熱体回路５つ）の面状発熱体を作成した。この炭素
繊維１本の抵抗値は444Ω/ｍであり、発熱体回路全体と
しては36.5Ω（＝（444Ω×0.8ｍ）÷5０本×5回路）の
発熱体が得られた。

【００３３】この発熱体の両面に、ＰＥ/ＰＥＴ/ＰＥか
らなる積層フィルムを重ね、さらに一方の積層フィルム
にアルミ蒸着ＰＥフィルムを重ね、熱融着によって一体
化し、面状発熱装置を作成した。この面状発熱装置は、
供給電圧200Vとするとき、電流5.6A、出力1.12kw、ワッ
ト密度248w/m²となる。

【００３４】実施例で作成した発熱装置について、下記
の性能試験を行った。

【００３５】1. 水中耐電圧試験上記発熱装置を水中に２時間冠水した後に、水中にて15
00Ｖの電圧を１分間印加する耐電圧試験を行った。その
結果、絶縁抵抗値は無限大であり、漏洩電流は１mAであ
り実用上問題ないことが示された。

【００３６】2. 強度試験同じ面状発熱装置について、電気事業法、電気設備技術
基準に基づく耐荷重試験を行った。即ち、試験品を厚さ
10ｍｍ以上の表面が平らな台の上におき、底面形状が正
方形の荷重を置き、各部にひび、割れ、その他の異常が
生じないかを確認した。但し、過酷な環境下での使用を
考慮し、負荷はアムスラー型試験器を使用して10トンロ
ードセルを使用した。その結果、何ら異常が認められな
かった。

【００３７】また試験品を複数回折り曲げる曲げ試験を
行った結果、500回の折り曲げでも変形が見られなかっ
た。

【００３８】[使用例１]実施例で作成した面状発熱装置
を、凍結深度600ｍ〜800ｍの約70ｍ²のコンクリート基
礎工事用地の解凍に使用した。まず図７に示すように、
用地上に上記発熱装置17枚（合計面積76.5ｍ²）を並べ
て配線し、その上を保温のためにビニールシートで覆
い、さらに保温と重石を兼ねたコンクリートパネルを並
べた。一般商用電源が使用できない環境であったので軽
油を燃料とした自家用発電機を使用し、単相200Vの出力
で電力を供給した。本発熱装置１枚当たりの電気容量
は、1.12kwであるので、全体では19.04kwである。

【００３９】このように通電を開始してから24時間後の
解凍深度を測定した。その結果、350ｍ〜400ｍの解凍深
度を記録した。なお、通電開始時の気温は−8℃、風5ｍ
/ｓであり、24時間内の最高気温は−6℃、最低気温は−
15℃であった。

【００４０】このような環境下においては、面状発熱体
が発熱する発熱量の半分以上は外部にロスとして消費さ
れてしまうと推定されるが、この面状発熱装置は、炭素
繊維が高い効率で赤外線を放射するのに加え、反射層に
よる効果が高いため、比較的低いワット密度（約250w/m
²）であるにも拘わらず30時間足らずの通電時間で工事
可能な解凍効果を得ることができた。

【００４１】また24時間通電するために必要とした軽油
は130リットルであった。従って軽油の１リットル当た
りの価格を45円とすると、76.5ｍ²の解凍に要した金額
は5,850円、１ｍ²当たりの金額は約76.4円となり、コス
ト的にも十分実用可能であることが確認された。

【００４２】[使用例２]実施例で得られた面状発熱装置
を用いてコンクリート養生の際の加熱装置として用い
た。まず図８に示すように打設したコンクリート（14ｍ
³）表面を布状の養生シートで覆い、その上に面状発熱
装置を設置し、さらに使用例１と同様に保温用のビニー
ルシート及びコンクリートパネルを設置した。なお、コ
ンクリート内には温度監視用の温度センサーを埋設し
た。

【００４３】使用例1と同じ自家用発電機を電力源とし
て、発熱装置に通電した。コンクリート打設時の気温は
−4℃、コンクリート温度は5.8℃であった。コンクリー
トの養生は10℃〜20℃が最適であるため、コンクリート
の上限温度を15℃とし15℃に達したときに運転を停止
し、12℃まで下がったら運転を再開するという制御を行
いながら、4日間養生を行った。

【００４４】その結果、24時間経過後、コンクリートの
温度10℃で、コンクリートの状態は上水の混濁の程度が
軽く、締硬も良好で密度の高いコンクリートができた。
2日目は、悪天候で吹雪であったが、上記制御を続ける
ことにより、融雪と養生が同時に進行し、コンクリート
温度を効果させることなく水中養生の状態を保つことが
できた。最終的に非常に良質のコンクリートが得られ
た。

【００４５】本発明の面状発熱装置では、熱伝導による
熱のみならず赤外線放射を効果的に利用することができ
るので、このように良く締まった強固なコンクリートを
得ることができる。

【００４６】また養生に使用された燃料は、二日目を除
き130リットル/日、二日目は300リットル/日、合計690
リットル（31,050円）であり、コスト的にも実用的範囲
であることが確認された。

【００４７】

【発明の効果】本発明の面状発熱装置によれば、発熱体
として赤外線放射効率の高い炭素繊維を利用するととも
に、赤外線を反射する反射層を有する積層体としたこと
により、効率よく被加熱体を加熱することができ、広い
面積の加熱対象や低温下においても効果的且つ安価に加
熱を行うことができる。本発明の面状発熱装置は、特に
凍土の解凍やコンクリート養生に好適に利用することが
できるが、それ以外の用途であっても同様に適用するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の面状発熱装置の一実施形態を示す斜視
図

【図２】図１の面状発熱装置の要部断面を示す図

【図３】図１の面状発熱装置に内蔵される発熱体の一部
を示す図

【図４】図1の面状発熱装置に適用される発熱体を示す
図

【図５】本発明の面状発熱装置の他の実施形態を示す図

【図６】図５の面状発熱装置を複数連結した状態を示す
図

【図７】本発明の面状発熱装置の一使用例を示す図

【図８】本発明の面状発熱装置の他の使用例を示す図

【符号の説明】

10・・・発熱体 11・・・炭素繊維 12・・・ガラス繊維 13・・・導体 20、21・・・絶縁性合成樹脂フィルム層 30・・・反射層を有する合成樹脂フィルム層 40・・・端子部 50・・・防水性シート

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【手続補正書】

【提出日】平成１３年７月６日（２００１．７．６）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００２

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００２】

【従来の技術】寒冷地、積雪地域においては、長期にわ
たり凍土現象が発生するため、寒中での道路工事や建設
基礎工事などは基本的には施工できないという問題点が
ある。また凍土は、その融解時において種々の被害の原
因となる。すなわち地中の凍土が外気温と地熱によりい
っせいに解け、路床が過含水になると、支持力を失い、
交通車両の重量、振動、建物の重量等に絶えられず破壊
され、道路においては交通不能や建物においては倒壊等
を生じることになる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者遠藤克宏北海道札幌市西区発寒10条11丁目６−６ (72)発明者見沢祐輔東京都東久留米市幸町２丁目５番19号 (72)発明者小山貴生埼玉県所沢市大字坂ノ下245−１Ｆターム(参考） 2D051 AA04 AE04 AF03 AF06 AF10 AF13 AG03 AG15 AH02 CA04 2D053 AA09 AA16 AB01 AD01 2E172 EA06 3K034 AA05 AA12 AA25 BA08 BA13 BA17 GA01 GA10 HA09 JA04 JA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素繊維を発熱抵抗体とする面状の発熱体
と、前記発熱体の両面に設けられた絶縁性合成樹脂フィ
ルム層と、前記合成樹脂フィルム層の少なくとも一つの
層に設けられ、反射層を有する合成樹脂フィルム層とを
備えたことを特徴とする面状発熱装置。
【請求項２】前記発熱体は、第１の方向およびこれと交
差する第２の方向に織り込まれたガラス繊維と、前記第
１の方向にあって前記ガラス繊維の折り目に所定間隔ご
とに織り込まれた炭素繊維と、前記第２の方向であって
前記第１の方向の両端部に織り込まれた電極用導体とを
含むことを特徴とする請求項１記載の面状発熱装置。
【請求項３】前記反射層は、アルミニウム蒸着層である
請求項１または２に記載の面状発熱装置。
【請求項４】前記絶縁性合成樹脂フィルム層は、少なく
とも一層のポリエチレンフィルム層と少なくとも一層の
ポリエチレンテレフタレートフィルム層を有する多層フ
ィルム層からなることを特徴とする請求項１ないし３の
いずれか１項に記載の面状発熱装置。
【請求項５】請求項１ないし４のいずれか１項記載の面
状発熱装置であって、さらに外層に防水性シートを有す
ることを特徴とする面状発熱装置。
【請求項６】請求項１ないし５のいずれか1項記載の面
状発熱装置を用いた凍土の解凍方法。
【請求項７】請求項１ないし５のいずれか1項記載の面
状発熱装置を用いたコンクリートの養生方法。