JP2013067960A - コンクリート構造物の加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒーターで発生した熱をコンクリートに拡散させず効率的に被加熱部材へ投入できるコンクリート構造物の加熱装置を提供する。
【解決手段】少なくとも一部がコンクリート２に埋設された被加熱部材３と、被加熱部材３に接してコンクリート２内に配置されたヒーター４と、ヒーター４と被加熱部材３とを繋ぐ伝熱セメント５とを有するコンクリート構造物の加熱装置１であって、ヒーター４の被加熱部材３に接していない部分に、ヒーター４を被加熱部材３と共同して囲む断熱材６を設け、断熱材６の外側にコンクリート２を打設した。断熱材６によりヒーター４の熱がコンクリート２に拡散することを抑制できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、少なくとも一部がコンクリートに埋設された被加熱部材を、コンクリート内に設けられたヒーターによって加熱するコンクリート構造物の加熱装置に係り、特に、加熱効率を高めたコンクリート構造物の加熱装置に関する。

コンクリート構造物の加熱装置として、水門、道路、鉄塔又は橋梁等のコンクリート構造物の凍結防止部に被加熱部材を設け、被加熱部材をコンクリート内に配設されたヒーターによって加熱することにより、冬季や厳冬期における凍結防止部の凍結を防止する技術が知られている（特許文献１〜３参照）。これらコンクリート構造物の加熱装置は、例えば、水門設備に適用された場合、水門の扉体が戸当たり金物に氷着することを防止し、道路に適用された場合、車道面や歩道面を融雪して凍結を防止し、鉄塔や橋梁に適用された場合、冠雪や着雪を防止する。

従来の加熱装置は、少なくとも一部がコンクリート内に埋設された被加熱部材と、被加熱部材に接触されたヒーターと、ヒーターと被加熱部材とを繋ぐように塗布（施工）された伝熱セメントとを備えており、ヒーターを覆ってコンクリートを打設することで、コンクリート構造物の内部に設置されていた（特許文献３の図１８、図２０参照）。この構成によれば、ヒーターの熱が、ヒーターと被加熱部材との接触部のみならず、伝熱セメントを介しても被加熱部材に伝えられるため、ヒーターから被加熱部材への熱伝達の効率を高めることができる。

特公昭５７−６０６８４号公報 特開２００７−９５９４号公報 特開２００９−２５６９４２号公報

しかし乍ら、ヒーターの被加熱部材に接触していない側の部分（ヒーターの被加熱部材とは反対側の部分）において生じた熱は、ヒーターが埋設されたコンクリートに拡散してしまい、被加熱部材を加熱するために用いられないという問題があった。すなわち、ヒーターを発熱させるために投入した電力（エネルギー）の内、被加熱部材を加熱するのに使用されるエネルギーの割合（加熱効率）が低く、改善の余地が残されている。現状では、ヒーターにおいて発生した熱量の４０％程度が被加熱部材に伝導されず、周囲のコンクリートに拡散してしまっていた。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、ヒーターで発生した熱がコンクリートに拡散することを抑制でき、ヒーターの熱を効率的に被加熱部材に投入することができるコンクリート構造物の加熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するために創案された本発明は、少なくとも一部がコンクリートに埋設された被加熱部材と、被加熱部材に接してコンクリート内に配置されたヒーターと、ヒーターと被加熱部材とを繋ぐ伝熱セメントとを有するコンクリート構造物の加熱装置であって、ヒーターの被加熱部材に接していない部分に、ヒーターを被加熱部材と共同して囲むように設けられた断熱材と、断熱材の外側に打設されたコンクリートとを備えたことを特徴とする。

断熱材の外側に、断熱材を被加熱部材と共同して囲むようにして防水カバーを設け、防水カバーの外側に、コンクリートを打設してもよい。

断熱材が、繊維系断熱材であってもよい。

ヒーターが、被加熱部材に設置された管体と、管体に挿通された絶縁電線と、絶縁電線に接続された交流電源とを備え、交流電源によって絶縁電線に交流電流を通電することで管体に誘導電流を生じさせ、管体を発熱させるものであってもよい。

被加熱部材は、加熱が要求される本体部と、本体部に取り付けられた補強部とを有し、補強部に管体が配置され、少なくとも補強部の材質が磁性体であってもよい。

被加熱部材が、水門設備の凍結防止部に配設されてもよい。

本発明に係るコンクリート構造物の加熱装置によれば、ヒーターの被加熱部材に接していない部分に、ヒーターを被加熱部材と共同して囲むように断熱材を設けたので、ヒーターで発生した熱がコンクリートに拡散することを抑制でき、ヒーターの熱を効率的に被加熱部材に投入することができる。

本発明の第１実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置が備えられた水門設備（ローラーゲート）の側断面図である。 （ａ）は図１の要部を拡大した第１実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置の断面図、（ｂ）は対比のための従来例に係るコンクリート構造物の加熱装置の断面図である。 図２（ａ）に示す第１実施形態に係る加熱装置を上下逆として斜めから見た斜視図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置が備えられた水門設備（ラジアルゲート）の側断面図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線断面図である。 図４（ｂ）の要部を拡大した第２実施形態に係る加熱装置の断面図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置１を図１〜図３を用いて説明する。図１は第１実施形態に係る加熱装置１が組み込まれた水門設備（ローラーゲート）を示し、図２（ａ）は図１の要部を拡大した第１実施形態の加熱装置１を示し、図２（ｂ）は対比のための従来例の加熱装置１ｘを示し、図３は図２（ａ）に示す第１実施形態の加熱装置１を上下逆として斜めから見た様子を示す。

本実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置１は、水門設備の扉体８に設けられた止水シール８１が押し付けられる戸当たり水密板（後述する被加熱部材３の本体部３１）を加熱することで、その戸当たり水密板（本体部３１）に止水シール８１が氷着して扉体８が開閉不能となる事態を防止するものである。被加熱部材３は、止水シール８１が押し付けられる本体部３１の上面を除き、コンクリート２に埋設されている。なお、図１の４は被加熱部材３を加熱するヒーター、９は扉体８によって堰き止められた水、８２は扉体８を吊り上げるワイヤである。

図２（ａ）に示すように、本実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置１は、図２（ｂ）に示す従来例に係る加熱装置１ｘと同様に、少なくとも一部がコンクリート２に埋設された被加熱部材３と、被加熱部材３に接してコンクリート２内に配置されたヒーター４と、ヒーター４と被加熱部材３とを繋ぐ伝熱セメント５とを有する。更に、本実施形態に係る加熱装置１は、ヒーター４の被加熱部材３に接していない部分に、ヒーター４を被加熱部材３と共同して囲むようにして断熱材６を設け、断熱材６の外側に、断熱材６を被加熱部材３と共同して囲むようにして防水カバー７を設け、防水カバー７の外側にコンクリート２を打設して構成されている。

以下、第１実施形態に係る加熱装置１を構成要素毎に説明する。

（被加熱部材）
被加熱部材３は、加熱が要求される本体部（戸当たり水密板）３１と、本体部３１に取り付けられた補強部（戸当たり補強材）３２とを備えている。本体部３１は、例えば板厚１０〜２０ｍｍ程度の板状の部材からなり、補強部３２は、本体部３１と同様の板厚のＨ型鋼からなる。但し、補強部３２の板厚は本体部３１の板厚よりも厚くても薄くても構わない。補強部３２を成すＨ型鋼は、鉛直なウェブ３２ａとその上下端に水平に設けられたフランジ３２ｂとを有している。図２（ａ）において上方のフランジ３２ｂの上面には本体部３１が溶接等によって取り付けられ、そのフランジ３２ｂの下面にはヒーター４が配設されている。

本体部３１の材質には、防錆・コストを考慮して、ステンレス（例えばＳＵＳ３０４）が用いられている。ステンレスは非磁性体であるため、ヒーター（後述する鋼管発熱式ヒーター）４の絶縁電線４２に交流電流を通電しても、本体部３１に生起される誘導電流（渦電流）は小さく、本体部３１での直接的な発熱量は小さい。本体部３１を効率的に加熱するには、本体部３１が接する補強部３２のフランジ３２ｂに誘導電流を生じさせてそれを発熱させ、その熱で本体部３１を加熱する必要がある。このため、補強部３２の材質には、誘導電流が生じ易い材質として、磁性体であるＳＳ材（一般構造用圧延鋼材）、ＳＭ材（溶接構造用圧延鋼材）、ＳＮ材（建築構造用圧延鋼材）等の炭素鋼（例えばＳＳ４００）の他、コバルト、ニッケル等が用いられている。なお、本体部３１に防錆要求がなければ、本体部３１にも誘導電流が生じ易い磁性体（ＳＳ材等）を用いてもよい。

補強部３２は本体部３１を補強するものである。従って、本体部３１のみで十分な強度を発揮できる場合、補強部３２を省略してもよい。補強部３２を省略した場合、本体部３１の材質に誘導電流が生じ易い材質（ＳＳ材等の磁性体）を用い、本体部３１に直接ヒーター４を装着する。

（ヒーター）
図２（ａ）、図３に示すように、ヒーター４は、被加熱部材３のフランジ３２ｂに設置された管体４１と、管体４１に挿通された絶縁電線４２と、絶縁電線４２に接続された交流電源４３とを備えている。かかるヒーター４によれば、交流電源４３によって絶縁電線４２に交流電流を通電することで管体４１に誘導電流（薄電流）を生じさせ、管体４１を発熱させることができる。斯様な管体発熱式のヒーター４においては、管体４１に誘導電流を生起させる必要があるため、管体４１の材質には、誘導電流が生じ易い材質として、磁性体（ＳＧＰ、ＳＴＫ、ＳＴＫＮ等の炭素鋼の他、コバルト、ニッケル等）が用いられている。本実施形態では、管体４１に鋼管（ＳＧＰ管：配管用炭素鋼管）が用いられている。

管体４１は、図２（ａ）ではフランジ３２ｂの片側に５本並設され、図３では４本並設されていて数が異なっているが、これは作図上の都合によるものであり、本数は何本でも構わず、１本でもよい。管体４１に挿通される絶縁電線４２は、図３に示すように、１本の絶縁電線４２を複数の管体４１に折り返すように挿通する直列式としてもよいが、並列式としてもよい。並列式とする場合、並設された各管体４１に絶縁電線４２をそれぞれ挿通し、それら絶縁電線４２の両端部を纏め、交流電源４３に接続する。交流電源４３には、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの商用周波数の交流電源を用いてもよいが、これに限られるものではない。

絶縁電線４２は、コンクリート２に直接埋設されるのではなく、管体４１に挿通されている。これにより、絶縁電線４２は、水分や鋭利な突起等から防護される。加えて、絶縁電線４２は、管体４１に引き抜き可能に挿通されている。よって、絶縁電線４２は、数年から数十年毎に行われるメンテナンス時に、絶縁電線４２の端部を把持して牽引することで、管体４１から引き抜かれる。

絶縁電線４２には、耐熱絶縁電線（耐熱絶縁ケーブル）が用いられている。絶縁電線４２に交流電流を通電した際、管体４１が発熱するため、その熱によって絶縁電線４２が熱損傷することを回避する必要があるからである。なお、絶縁電線４２は、絶縁性を有しているため、交流電流を通電した際、その交流電流が絶縁電線４２から管体４１を介して被加熱部材３へ漏電することを防止できることは勿論である。

管体４１には、図３に示すように、並設された管体４１を架け渡すように配置された短絡板４４が、管体４１の長手方向に間隔を隔てて配設されている。短絡板４４は、並設された各管体４１を電気的に接続し、管体（鋼管）４１の外周面に発生する交流磁界を相殺する機能を発揮する。これにより、誘導電流が管体４１の外周面から漏電することを回避できる。また、短絡板４４は、補強部（Ｈ型鋼）３２のウェブ３２ａに溶接等によって固定されており、管体４１を支持するサポート材としての機能も発揮する。

（伝熱セメント）
ヒーター４の管体４１は、被加熱部材３を構成する補強部３２のフランジ３２ｂに接するように配置された状態で、溶接によってフランジ３２ｂに仮止めされており、管体４１と被加熱部材３との隙間には、伝熱セメント５が充填されている。伝熱セメント５は、粉末状の炭素、セラミック、珪酸ソーダ、カルシウムシリケイト等から構成されており、管体４１と被加熱部材３とを繋ぐことで、誘導電流により発熱した管体４１の熱を効率よく被加熱部材３に伝導する。

伝熱セメント５は、本実施形態では、図２（ａ）、図３に示すように、ヒーター４を構成する各管体４１の全周を覆って各管体４１が一塊りとなるように塊状に施工されているが、各管体４１と被加熱部材３（補強部３２のフランジ３２ｂ）とを繋ぐように、図２（ａ）において各管体４１の上部のみに施工されてもよい。なお、溶接を省略し、管体４１を伝熱セメント５によって被加熱部材３（補強部３２のフランジ３２ｂ）に取り付けるようにしてもよい。

（断熱材）
ヒーター４は、断熱材６によって覆われている。詳しくは、断熱材６は、ヒーター４を構成する各管体４１の被加熱部材３（補強部３２のフランジ３２ｂ）に接していない部分に、各管体４１を被加熱部材３と共同して囲むようにして設けられている。断熱材６は、ヒーター４で発生した熱がコンクリート２に拡散することを防止し、ヒーター４の熱を効率的に被加熱部材３に投入するために設けられる。

断熱材６には、ロックウールやグラスウール等の繊維系断熱材が用いられている。繊維系断熱材は、ポリウレタンフォームやポリスチレンフォーム等の発泡系断熱材と比べて廉価である上、変形性に優れており、発泡系断熱材のように二次加工する必要がなく、施工コストが安い。

断熱材（繊維系断熱材）６は、本実施形態では、図２（ａ）に示すように、各管体４１の下面を覆う第１繊維系断熱材６１と、幅方向外側の管体４１の側面を覆う第２繊維系断熱材６２とから構成されている。第１及び第２繊維系断熱材６１、６２には、夫々、マット状に成形されたロックウール又はグラスウール（以下ロックウール等）を複数積層したものが用いられている。

第１繊維系断熱材６１は、マット状のロックウール等を図２（ａ）の上下方向に積層して成り、幅がウェブ３２ａから幅方向外側の管体４１の径端までの寸法に成形されている。第２繊維系断熱材６２は、マット状のロックウール等を図２（ａ）の左右方向に積層して成り、高さが本体部３１から第１繊維系断熱材６１の幅端までの寸法に成形されている。第１及び第２繊維系断熱材６１、６２は、それぞれ、接着剤等によって被加熱部材３や伝熱セメント５等に固定されてもよい。

（防水カバー）
断熱材６は防水カバー７によって覆われている。詳しくは、防水カバー７は、断熱材６（第１及び第２繊維系断熱材６１、６２）の外側に、断熱材６を被加熱部材３と共同して囲むようにして設けられている。防水カバー７は、その外側にコンクリート２を打設する際にコンクリート２の水分が断熱材（繊維系断熱材）６に進入することを防止し、断熱材６の空気層（繊維空気層）が浸水して断熱材６の性能が低下してしまうことを防止するために設けられる。

本実施形態では、防水カバー７は、主として第１繊維系断熱材６１の下面を覆うように長方形の板状に形成された第１防水カバー７１と、第２繊維系断熱材６２の側面を覆うように長方形の板状に形成された第２防水カバー７２とから構成されている。なお、第１及び第２防水カバー７１、７２を一体としたものを防水カバー７としてもよい。防水カバー７には、防錆を考慮してステンレス板（例えばＳＵＳ３０４製）を用いることが好ましいが、鋼板（例えばＳＳ４００製）でもよい。

図２（ａ）に示すように、第１防水カバー７１の幅方向の一端は被加熱部材３のウェブ３２ａに溶接され、第２防水カバー７２の上端は被加熱部材３の本体部３１に溶接され、第２防水カバー７２の下端は第１防水カバー７１に溶接されている。これら第１及び第２防水カバー７１、７２は、被加熱部材３と共同して断熱材を水密に覆っている。よって、第１及び第２防水カバー７１、７２の外側にコンクリート２を打設した際、コンクリート２の水分が断熱材６（第１及び第２繊維系断熱材６１、６２）に進入することが防止される。なお、各防水カバー７１、７２の接続部（溶接部）等に、シリコン系やウレタン系等のシーリング剤やコーキング剤を塗布し、水密性を高めてもよい。

図３に示す防水カバー７の長手方向の端部には、内部の断熱材６を覆うように略Ｌ字状に形成された蓋（図示せず）が装着されており、外部のコンクリートの水分が端部から内部の断熱材６に進入しないようになっている。なお、蓋は、伝熱セメント５の部分をも覆うようにしてもよく、この場合、蓋の形状は、防水カバー７の端部にて断熱材６及び伝熱セメント５を覆う略長方形の板から、管体４１の断面形状に相当する部分を切除した形状となる。

（コンクリート）
図１、図２（ａ）に示すように、防水カバー７の外側には、コンクリート２が打設されている。コンクリート２は、被加熱部材３の本体部（戸当たり水密板）３１の上面（止水シール８１の当たり面）を除き、被加熱部材３及び防水カバー７が埋設されるように打設される。コンクリート２には、伝熱セメント５のように特殊なものではなく、通常のもの（普通コンクリート）が用いられる。

（作用・効果）
本実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置１においては、図２（ｂ）に示す従来例とは異なり、図２（ａ）に示すように、ヒーター４を構成する管体４１の被加熱部材３に接していない部分に、管体４１を被加熱部材３と共同して囲むように断熱材６を設けている。この断熱材６により、管体４１で発生した熱がコンクリート２に拡散することを抑制でき、管体４１で生じた熱（発熱量）を効率的に被加熱部材３に投入することができる。

また、断熱材６の外側に、断熱材６を被加熱部材３と共同して囲むように防水カバー７を設けたので、防水カバー７の外側にコンクリート２を打設する際、コンクリート２の水分が断熱材６に進入することを防止でき、断熱材６の空気層が浸水して断熱材６の性能が低下してしまうことを防止できる。殊に、本実施形態のように断熱材６に繊維系断熱材（廉価で変形性に優れている）を用いた場合、打設されるコンクリート２の水分が断熱材６の繊維空気層に進入すると、断熱材６の性能が極端に低下してしまうが、防水カバー７がコンクリート２の水分の断熱材（繊維系断熱材）６への進入を防止することで、断熱材６の性能低下を防止できる。

なお、防水カバー７は、ヒーター４からコンクリート側に輻射（放射）される熱（電磁波）を被加熱部材３（本体３１）側に反射する熱反射材としても機能し得る。このため、防水カバー７の内面を白色や銀色等として熱反射率を高めてもよい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係るコンクリート構造物の加熱装置１１を図４、図５を用いて説明する。図４（ａ）は第２実施形態に係る加熱装置１１が組み込まれた水門設備（ラジアルゲート）の側断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のｂ−ｂ線断面図であり、図５は図４（ｂ）の要部を拡大した第２実施形態に係る加熱装置１１の断面図である。

本実施形態に係る加熱装置１１は、図１〜図３を用いて説明した第１実施形態に係る加熱装置１と基本的な構成要素は同一であり、組み込まれる水門設備の扉体開閉方式が異なる点が第１実施形態と相違する。よって、第１実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の加熱装置１１が組み込まれる水門設備は、河川等の底部に間隔を隔てて立設されたコンクリート製のポスト９１と、各ポスト９１に回動可能に取り付けられたアーム９２と、隣り合うポスト９１のアーム９２同士を架け渡して設けられた扉体９３とを備えており、アーム９２を図示しないジャッキ等のアクチュエータで回動軸９４回りに回動させることで、扉体９３を昇降させて開閉するものである。なお、図４の矢印９５は水流の方向を示す。

ポスト９１には、扉体９３の幅方向の端部が嵌り込む段差部９６が形成されており、段差部９６内のコンクリート２には、加熱装置１１が埋設されている。加熱装置１１は、冬季や厳冬期に、扉体９３の幅方向端部が対向する段差部９６を加熱することで、扉体９３が段差部９６に氷着して開閉不能となる事態を防止する。なお、この第２実施形態に係る加熱装置１１の構成及び作用効果は、第１実施形態と同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

例えば、ヒーター４は、鋼管発熱式ヒーターに限られず、温水・温風・温油・不凍液循環式ヒーターや電気加熱式ヒーター等でもよい。また、本発明に係る加熱装置１をコンクリート製の道路に適用し、車道面や歩道面を融雪して凍結を防止する場合には、車道面や歩道面の下方のコンクリートに、被加熱部材３の全てが埋設される。

本発明は、少なくとも一部がコンクリートに埋設された被加熱部材と、被加熱部材に接してコンクリート内に配置されたヒーターと、ヒーターと被加熱部材とを繋ぐ伝熱セメントとを有するコンクリート構造物の加熱装置に利用できる。

１ コンクリート構造物の加熱装置
１１ コンクリート構造物の加熱装置
２ コンクリート
３ 被加熱部材
３１ 本体部
３２ 補強部
４ ヒーター
４１ 管体
４２ 絶縁電線
４３ 交流電源
５ 伝熱セメント
６ 断熱材
７ 防水カバー

Claims (6)

1. 少なくとも一部がコンクリートに埋設された被加熱部材と、該被加熱部材に接して前記コンクリート内に配置されたヒーターと、該ヒーターと前記被加熱部材とを繋ぐ伝熱セメントとを有するコンクリート構造物の加熱装置であって、
   前記ヒーターの前記被加熱部材に接していない部分に、前記ヒーターを前記被加熱部材と共同して囲むように設けられた断熱材と、
   該断熱材の外側に打設されたコンクリートと
   を備えたことを特徴とするコンクリート構造物の加熱装置。
2. 前記断熱材の外側に、前記断熱材を前記被加熱部材と共同して囲むようにして防水カバーを設け、該防水カバーの外側に、前記コンクリートを打設した請求項１に記載のコンクリート構造物の加熱装置。
3. 前記断熱材が、繊維系断熱材である請求項１又は２に記載のコンクリート構造物の加熱装置。
4. 前記ヒーターが、前記被加熱部材に設置された管体と、該管体に挿通された絶縁電線と、該絶縁電線に接続された交流電源とを備え、該交流電源によって前記絶縁電線に交流電流を通電することで前記管体に誘導電流を生じさせ、前記管体を発熱させるものである請求項１から３の何れか１項に記載のコンクリート構造物の加熱装置。
5. 前記被加熱部材は、加熱が要求される本体部と、該本体部に取り付けられた補強部とを有し、該補強部に前記管体が配置され、少なくとも前記補強部の材質が磁性体である請求項４に記載のコンクリート構造物の加熱装置。
6. 前記被加熱部材が、水門設備の凍結防止部に配設された請求項１から５の何れか１項に記載のコンクリート構造物の加熱装置。

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