JP2009155879A - 電気融雪器用ヒータ - Google Patents

Abstract

【課題】電気融雪器のヒータを極めて薄肉に構成し、且つ耐水性、耐候性及び耐蝕性に優れ、レールやその周辺部に設置して安全且つ安定的に作動させる。
【解決手段】細管からなるシース内に発熱体を通し無機材を封入してなるヒータ本体２を、ヒータ本体２の外径よりも薄肉な支持板３に形成されたスリット３１に嵌め込んで固定し、この支持板３の表裏両面を熱拡散材である熱伝セメント４で被覆して定着一体化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、寒冷地域の鉄道線路のポイント部付近において、分岐器の床板や基本レールに取り付けて床板やレールを直接加熱し、積雪や凍結などによるポイント部の作動不良を防止する電気融雪器のヒータの構造に関する。

電熱加熱式の電気融雪器として、ヒータを床板の側面に取り付けるタイプや床板の内側に挿入設置するタイプ、基本レールの側面や底面に装着設置するタイプのもの、或いは床板の上面に着脱自在なものなどが知られている。
これらの電気融雪器のヒータは、レールやその周辺部に取り付けられるため、列車走行の支障とならないように、薄く且つコンパクトな構成のものが用いられる。
例えば床板の上面に取り付けて使用される薄型のヒータとして、図１に示されるように、熱伝導率が良好な合成樹脂材からなる基材の中に発熱体を埋め込み、樹脂を硬化させて矩形板状に薄く形成した構成ものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−３０９５３５号公報

線路に沿って施設される電気設備は、防水・防滴構造で耐候性に優れることは無論、電気設備技術基準を満たし、且つ電路の絶縁及び接地の有無、外装や絶縁体の厚さなどといった構成及び給電回路について、鉄道事業者が定めた電気的・機械的な技術基準も満たす必要がある。施設された電気設備のトラブルが原因で列車の運行に支障が出たり、火災を引き起こしたりすることがあってはならない。
前記図示した従来のヒータは、その上部でレールを支持するものであるが、レールの下側で発熱体が左右のレールを横切るように配置してあるため、発熱体で左右のレールを電気的に短絡し、鉄道車両の運行に障害を引き起こす危険がある。図示したヒータは熱伝導が悪い材料で覆われているため、加熱パワーが小さく、実用性に乏しい。

また、ポイント部に取り付ける電気融雪器用ヒータの性能として、薄く発熱性能が良好で内部断線の虞れがなく耐久性に優れたものである必要がある。小型で良好な発熱性能を備えた既存のヒータの利用も考えられるが、既存のヒータは水気のない屋内での使用を前提として作られているため防水性が悪く、また、列車走行時の衝撃といった機械的外力によって劣化が起きないようにも作られてはいない。既存のヒータの機械的強度は小さい。
従って、既存のヒータをレールやその周辺部に取り付けて使用するためには、ヒータを密閉ケーシングで覆って防水・防滴対策を完全にし、断線や発火、漏電などの障害が起きないように外装を強固にして機械的強度を高め、さらに前記技術的基準満たす手段を施して構成する必要がある。そして、その場合に前記技術的基準に基づく制約から、ヒータは全体として太く厚肉な構成とならざるを得ず、ポイント部に取り付けるヒータの薄肉化は困難であった。

既存のヒータのうち、例えば液体加熱用としても用いられているシースヒータのような、管状シースの中に発熱体を封入した構成のものであれば防水性は確保できるが、シースヒータは線状に形成されているため加熱面が狭く、そのままではポイント部を効率的に加熱することができない。また、シース表面が剥き出しのままでは空焚きとなってヒータが過熱することから、シースヒータを直接ポイント部に取り付けることができない。
既存のシースヒータを電気融雪器のヒータとして利用する場合、ヒータの加熱面積が大きく確保されるように加工し、併せて熱を効率的に拡散させる手段を講じる必要がある。

本発明は従来技術の有するこのような問題点に鑑み、電気融雪器のヒータを極めて薄肉に構成し、且つ耐水性、耐候性及び耐蝕性に優れ、レール及びその周辺部に設置して安全且つ安定的に作動させることができるようにすることを課題とする。

前記課題を解決するため本発明の電気融雪器用ヒータは、細管からなるシース内に発熱体を通し且つ無機材を封入してなる線状ヒータ本体を、当該ヒータ本体の外径よりも薄肉に設けられた支持板の板面に形成されたスリットに沿って嵌め込むとともにヒータ本体の外周を支持板の表裏両面側へそれぞれ突出させて固定し、ヒータ本体の外周を含む支持板の表裏要面を熱拡散材で被覆して一体化させた構成を有することを特徴とする。

外径が数ミリの金属製細管シース内にＭｇＯなどの無機絶縁物によって発熱体をエアーギャップなく封入したシース型ヒータは、発熱体が細管シースで覆われているので防水性に優れて漏電の危険性が少なく、また、無機材によりシースと発熱体が絶縁されているので絶縁性に優れ、何よりも小径で極めて細いことから、ヒータの発熱源となるヒータ本体としての利用が好適である。

ヒータの熱伝導率を高めるには、被加熱体であるレールや床板とヒータとの接触面積を大きく確保し、被加熱体の表面にヒータを隙間なくぴったりと密着させて接触させることが肝要である。また、ヒータ本体としてシース型ヒータを用いる場合、発熱源である線状のヒータ本体を可能な限り長尺にヒータの中に組み込む必要がある。そこで、同一平面内に長尺なヒータ本体を適宜湾曲或いは屈曲させた状態で配置することにより、線状の発熱源を広い面状の発熱源に変換してヒータを構成した。

湾曲或いは屈曲させたヒータ本体を同一平面内に保持するには、例えば前記ヒータ本体を上下両方から鋼板で挟み込んで固定し、上下の鋼板を被加熱体との接触面としたり、或いは従来例のように合成樹脂製の基材の中に前記ヒータ本体を埋め込み一体化させたりすることが考えられる。しかし、ヒータ本体の上下に鋼板や樹脂材を重ね合わせたのでは、細いシース型ヒータを用いたとしてもヒータ全体では厚みが大きくなり、ヒータの薄型化は図れない。また、シース型ヒータを面状に曲げる場合に、その最小曲げ半径や、発熱体の配置間隔などといった前記技術基準の規定事項を考慮する必要がある。
そこで、ヒータ本体を支持する部材として一枚の鋼板を用い、この鋼製支持板の面内にヒータ本体の外周が嵌る太さのスリットを形成し、このスリットの中にヒータ本体を嵌め込み支持することで、ヒータ本体が支持板のスリットに沿った形状に保持されるように構成した。

支持板としては、ヒータ本体の外径よりも厚みの小さい鋼板であって、ステンレスやアルミニウムなどの熱伝導性が良好な鋼板を用いることが好ましい。
支持板に形成するスリットは、ヒータ本体の外周面が嵌合する幅、つまりヒータ本体の外径と略同じ太さの幅の開口であり、例えば支持板の一端を始点としてその板面に切り入り、支持板の周辺と中央付近を含む板面全体を通るように形成することができる。ヒータ本体の外径よりも薄肉な支持板を用いることにより、スリットに沿ってヒータ本体を嵌め入れた状態で、支持板の表裏両面側にヒータ本体の外周がそれぞれ突出する。
一本のヒータ本体を支持板に保持させる場合、スリットは支持板の板面に適宜に湾曲或いは屈曲させつつ板面全体に亘って張り巡らされた一筆書きの如きパターンに形成される。スリットは、例えばレーザ加工により形成することができ、ヒータ本体を嵌入固定させた状態で、支持板の全体にヒータ本体が張り巡らせるパターンに形成することが好ましい。支持板の板面に、その周辺と中央付近を通る複数本のスリットを形成し、それぞれのスリットにヒータ本体を嵌め込むことにより、一枚の支持板に複数のヒータ本体が固定されるように設けてもよい。
なお、支持板の板面に形成されるスリットの湾曲度合いや屈曲度合いは、電熱ボードなどの電熱ヒータが板材や躯体の中に面状に埋め込まれる電気設備に適用される技術基準、例えば電気設備技術基準などに従う。
ヒータ本体の取り付けは、支持板に形成されたスリットに沿ってヒータ本体を湾曲させながら嵌め込み、その後、スリットとヒータ本体外周との接合部をスポット溶接するなによって一体化することにより行うことができる。また、スリットに沿ってヒータ本体を嵌め込み、帯状の鋼板をスリットに交差させてヒータ本体に重ね合わせ、この帯状の鋼板と支持板を溶接一体化させて固定してもよい。

さらにヒータ本体の熱を拡散させるため、スリットに沿って露出したヒータ本体の外周を含む支持板の表裏両面に熱拡散材を塗布し、支持板の表裏両面全体を熱拡散材で被覆して一体化させる。熱拡散材としては、例えば熱伝セメントなど、好ましくはサーモンファーイスト社製の熱伝セメント「Ｔ−８５」を用いることができる。熱拡散材の塗布厚は、ヒータの薄型化を図るため、支持板から露出したヒータ本体の外周頂面が覆い隠れる程度とするのが好ましい。

このように構成される電気融雪器用のヒータは、小径のヒータ本体を支持板に形成されたスリットに嵌め込んでヒータ本体を支持板に一体に固定してあるので、ヒータ全体を嵩張らせることなく薄くコンパクトな構成となり、しかも堅牢な作りのものとなる。また、ヒータ本体は発熱体が無機材により絶縁された状態でシース内に封入して形成され、これを支持板に一体に支持させた状態で表面を熱拡散材で覆ってあるので、耐水性、耐候性及び耐蝕性に優れ、また、ヒータが発する熱をその表面を覆う熱拡散材で確実に拡散し、過熱状態となることなくヒータ内部の熱を外部へ伝導させることができる。

前記構成のヒータは、加熱対象である被加熱体の表面、例えばレールの外面に、その表裏何れかの側の面を接触させてぴったりと密着させ、他側の面には断熱材を重ね合わせた状態で、レール支持具などによって被加熱体に固定される。この場合に、ヒータの断熱材が重なった側では、ヒータの熱の逃げ場に通ずる伝導路が確保されていないと、熱負荷の集中によりヒータ内部に応力が生じてヒータ全体が変形し、被加熱体と接触する側の面に不陸を生じさせてヒータの熱の伝導率を低下させてしまう。
よって、ヒータ内部の熱を確実に消散させるため、前記ヒータの両側の面を伝熱材で接合し、断熱材で覆われた側の面の熱が伝熱材を介して、被加熱体と接触した他側の面側へと伝導するように構成することが好ましい。

ヒータの熱を被加熱体に接する側へ伝導させる場合、当該側の面内で熱の伝導が均一に行われるよう、熱伝導率や熱抵抗を考慮して熱設計する必要がある。例えば外周縁を伝熱材で被覆したヒータの面内に、支持板の表裏を貫通する孔を形成し、且つ孔の内周に伝熱材を設け、ヒータの外周縁の伝熱材を伝う熱と、孔の内周の伝熱材を伝う熱とが、被加熱体に接する側へむらなく移動するように設けることができる。この場合、ヒータの面内に設ける孔の位置や数は、ヒータの厚さや断面積、熱の伝導距離（ヒータ外形と孔との間隔）などに応じて適宜に選定される。
前記伝熱材としては、例えば熱伝導率が大きな金属材や合成樹脂材からなる、熱伝導グリスやアルミ板、アルミ合金部材、或いは前記熱伝セメントなどを用いることができる。

本発明の好適な実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明の電気融雪器用ヒータの一実施形態の平面図、図２は図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。なお、両図はヒータの構成のみを表し、電気融雪器及びこれと接続する配電ケーブル、コネクタ類、レールなどの被加熱体に固定するための支持具などは図示を省略してある。

図示した形態のヒータ１は、シース型ヒータからなる線状のヒータ本体２を、支持板３に形成されたスリット３１内に嵌め込んで支持板３に固定し、さらに支持板３の表裏両面に熱拡散材として熱伝セメント４を塗布し、養生定着一体化させて構成したものである。

より詳しくは、ヒータ本体２は、適宜な長さのシース型ヒータであり、図３に示されるように、ステンレス鋼などからなる金属製の細管シース２１内に、ニッケルクロム電熱線などの発熱体２２を通すとともに、ＭｇＯなどの無機材２３をエアーギャップがないように封入して形成してある。
ヒータ本体２は、外径が小さなマイクロヒータ、例えばシース３１の外径（Ｄ）が４．８ｍｍ、発熱体２２の外径（ｄ）が０．９５ｍｍ、シースの肉厚（ｔ）が０.４ｍｍ程度の寸法のものが用いられる。なお、図３に示したヒータ本体２は、二芯の発熱体２２、２２により構成してあるが、一芯の発熱体により構成されていてもよい。

支持板３は、前記ヒータ本体２の外径よりも薄肉、例えば厚さが１．０ｍｍ程度の矩形状のステンレス板により形成されており、その面内には図４に示されるように、当該支持板３の一端３ａを始点として切り込まれ、他端３ｂに向けて長手一半面内を波形に湾曲しながら伸び、且つ他端３ｂから折り返され、一端３ａに向けて長手他半面内を同様に波形に湾曲しながら伸びた、一筆書きの如く連続したスリット３１を形成してある。このスリット３１は、その全長に亘りヒータ本体２の外周が一杯に嵌る太さ、つまりシース２１の外径（Ｄ）と略同じ幅に設けてある。

ヒータ本体２は、その先端側から支持板３のスリット３１に沿って湾曲させながらスリット３１内に嵌め入れ、スリット３１の全長に亘ってヒータ本体２の外周面を嵌合させ、その後、スリット３１とヒータ本体２の外周との接合部を溶接一体化することにより、恰も支持板３内に埋め込まれた如く一体に取り付けられる。

そして、ヒータ本体２が一体化された支持板３の表裏両面には、当該表裏両面から突出したヒータ本体２の外周頂面が隠れる程度の厚みで熱伝セメント４が塗布され、その表面を平滑にして定着一体化させてある。支持板３の表裏両面に熱伝セメント４を定着させたヒータ１は、全体として厚さが６ｍｍ程度となり、薄くコンパクトな構成のものとなる。

また、図５は本発明の電気融雪器用ヒータの他の実施形態であって、熱伝セメント４を塗布する前の、ヒータ本体２が一体化された支持板３の平面図であり、前記形態とは支持板３のスリット３１の配置パターンを異ならせたものである。
すなわち、この形態では支持板３のスリット３１を、その一端３ａを始点として他端３ｂに向けて長手一半面内を直線状に伸び、他端３ｂにおいて湾曲させて折り返し、一端３ａに向けて長手他半面内を同様に直線状に延び、さらに一端３ａにおいて湾曲させて折り返され、前記スリットよりも内側で他端３ｂに向けて直線状に延び、またさらに他端３ｂにおいて湾曲させて折り返し、前記スリットよりも内側で他端３ｂに向けて直線状に伸びた、同心円を一筆書きした如きパターンで形成してある。そして、前記と同様に、このスリット３１にヒータ本体２を嵌め込み、スポット溶接により一体化した後、支持板３の表裏両面に熱伝セメント４を塗布し、定着一体化させてヒータ１が形成される。
なお、スリット３１に嵌め入れたヒータ本体２の固定は、ヒータ本体２の外周と支持板３とをスポット溶接する他に、例えば図６に示されるように、帯状の鋼板５をスリット３１と交差させてヒータ本体２に重ね合わせ、この鋼板５と支持板３とを溶接一体化し、支持板３に固着した鋼板５、５の間でスリット３１に嵌め入れたヒータ本体３を挟み込むようにして固定してもよい。

前記構成のヒータ１は、図７に示されるように、ヒータ１の一側の面１ａを被加熱体６の表面に密着接続し、他側の面１ｂに断熱材７を重ねて当該面に被せ、図示されない支持具で被加熱体６側へと押圧されて設置されるが、かかる設置状態において、ヒータ１の断熱材７が重なった側の面１ｂでは、ヒータ１の熱の逃げ場に通ずる伝導路が確保されていないと、ヒータ１の内部で熱負荷の集中による内部応力が生じ、ヒータ１が変形を来すことがある。
図８はこのようなヒータ１内部の熱エネルギーを消散させるためのヒータ１の構成を示しており、これは、ヒータ１の外周縁に伝熱グリスなどの伝熱材８を定着させてヒータ１の断熱材７が重なる他側の面１ｂと被加熱体６と接する一側の面１ａとを伝熱材８で接合し、ヒータ１の他側の面１ｂの熱が伝熱材８を介して一側の面１ａへと伝導するように設けたものである。
図９に示したヒータ１のように、支持板３の面内の適宜箇所にその表裏を貫通する孔３２を一つ又は複数設けるとともに、孔３２の内周に伝熱材８を設けて、ヒータ１の一側の面１ａの熱伝セメント４と他側の面１ｂの熱伝セメント４とを孔３２内の伝熱材８で接合した構成とし、ヒータ１の外周縁の伝熱材８を伝う熱と、孔３２内の伝熱材８を伝う熱とが、ヒータ１の被加熱体６と接する側の面１ａへと、むらなく移動するように設けてもよい。

本発明の電気融雪器用のヒータ１によれば、小径のヒータ本体２をこれよりも薄肉な支持板３に形成されたスリット３１に嵌め込んでヒータ本体２を支持板３に固定してあるので、ヒータ１全体が嵩張ることなく薄くコンパクトに形成され、また、ヒータ本体２は発熱体２２が無機材２３により絶縁された状態でシース２１内で封入され、さらにヒータ本体２が一体化した支持板３の表裏両面を熱伝セメント４で被覆してあるので、耐水性、耐候性及び耐蝕性に優れ、レールやその周辺部に取り付けて安全且つ安定的に作動させることが可能である。

なお、図示した形態は一例であり、支持板の大きさや形状、支持板に形成するスリットの配置パターンなど、使用条件や設置条件などに応じて適宜な形態に構成することが可能である。

本発明の電気融雪器用ヒータの一実施形態の平面図である。 図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。 図１のヒータにおけるヒータ本体の要部拡大断面図である。 図１のヒータにおける支持板の平面図である。 本発明の他の実施形態であって熱伝セメントを塗布する前のヒータ本体が一体化された支持板の平面図である。 帯状鋼板を用いてヒータ本体を支持板に固定する形態を示した図である。 本発明の電気融雪器用ヒータの設置状態を示す要部断面図である。 本発明の他の実施形態のヒータの要部断面図である。 本発明のさらに他の実施形態のヒータの要部断面図である。

符号の説明

１ ヒータ、１ａ ヒータの一側の面、１ｂ ヒータの他側の面、２ ヒータ本体、２１ シース、２２ 発熱体、２３ 無機材、３ 支持板、３ａ 一端、３ｂ 他端、３１ スリット、４ 熱伝セメント、５ 帯状鋼板、６ 被加熱体、７ 断熱材、８ 伝熱材

Claims (4)

1. 細管からなるシース内に発熱体を通し且つ無機材を封入してなるヒータ本体を、当該ヒータ本体の外径よりも薄肉に設けられた支持板の板面に形成されたスリットに沿って嵌め込むとともにヒータ本体の外周を支持板の表裏両面側へそれぞれ突出させて固定し、ヒータ本体の外周を含む支持板の表裏要面を熱拡散材で被覆して一体化させた構成を有する電気融雪器用ヒータ。
2. 一側の面を断熱材で覆い、他側の面を被加熱体に接触させて被加熱体に取り付けられる請求項１に記載の電気融雪器用ヒータにおいて、
   前記ヒータの一側の面と他側の面とを伝熱材で接合し、断熱材で覆われたヒータの一側の面の熱が伝熱材を介して被加熱面と接触した他側の面側へと伝導させるように構成された電気融雪器用ヒータ。
3. 支持板にその一端から切り入り、支持板の周辺と中央付近とを通る湾曲した一本のスリットを形成し、このスリットに線状ヒータ本体を嵌め込んで固定した構成を有する請求項１又は２に記載の電気融雪器用ヒータ。
4. 熱拡散材として熱伝セメントを用いてなる請求項１〜３の何れかに記載の電気融雪器用ヒータ。
   
   
   
   

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