JP6108634B2 - 電気加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、ジュール熱で発熱する長尺の発熱線を有し、融雪装置や床暖房装置等として使用される電気加熱装置に関する。

従来より、電気により融雪等を行う電気加熱装置として、例えば特許文献１に示されているように、ニクロム線等のジュール熱で発熱する発熱線を用いた電熱線が使用されている。このような従来の電熱線は、発熱線を電気絶縁性のポリマーにより被覆したものであった。

特開２００１−４０８３３号公報

しかしながら、前記従来の一般的な電熱線により融雪等を行おうとする場合、融雪等を十分良好に行うために、発熱線に対する通電量を大きくすると、被覆が溶けてしまう一方、被覆が溶けてしまわないように通電量を小さくすると、融雪等を十分良好に行うことができないという問題があった。

理論的には、通電量を適切に制御しさえすれば、被覆を溶かしてしまうことなく、十分な加熱を行えそうであるが、現実にはそうではない。その理由は次のように考えられる。通電時の被覆内面の各部の温度は、電熱線の引き回し位置（特許文献１に示されているように、電熱線は蛇行状に長く引き回されることが多い）や、被覆内面と発熱線との密着度（電熱線全体において均一ではなく、不均一である）等に依存するので、温度ムラの発生は避けられない。特に融雪等のための電熱線の場合、多くの場合、全長数十メートル以上と非常に長尺となるので、この温度ムラの発生は甚だしく顕著になりがちである。したがって、全体として融雪等を十分に行える程度まで発熱線に対する通電量を大きくすると、被覆が溶けてしまう部分が生じる一方、電熱線の被覆のどの部分も溶けてしまわないように通電量を小さくすると、融雪等を十分に行えないという問題が生じていたのである。

なお、発熱線の被覆として、融点（または軟化点）の高い材料を用いれば、上述のような問題を解消できるが、その場合にはコストが非常に高くなり、融雪等のための加熱装置としては、事実上、経済的に使用不可能となる上、発火事故を発生させる虞が生じてしまう。

本発明は、このような従来の事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的の一つは、発熱線を囲む融点または軟化点が低いポリマーを溶かしたり、軟化させてしまうことなく、外部に十分な量の熱を放出し、融雪等を十分良好に行うことができる電気加熱装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、製造コストの安価な電気加熱装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、以下の説明から明らかになろう。

本発明による電気加熱装置は、
ポリマーからなる管体と、
前記管体内に収容された空気と、
前記管体内に、該管体の長さ方向に沿って延びるように収容された、通電されることによりジュール熱で発熱する長尺の発熱線とを有してなり、
前記管体の内面と前記発熱線との間に前記空気が介在されており、
前記管体を構成する材料の融点または軟化点は、前記発熱線への通電による該発熱線の最高発熱温度より低いものである。

なお、本願において、「軟化点」とは、融点が明確でなく、測定が困難であるポリマーや、融点が存在しないポリマーに対するものであって、ポリマーが軟化して基本的な機能を果たせなくなる温度を言うものとする。

本発明の電気加熱装置においては、従来の電熱線の被覆とは異なり、管体が発熱線によって直接加熱されるのではなく、空気を介して加熱されることになる。従来の技術常識から言えば、本発明のように、熱伝導率が小さい物質である空気を発熱源（発熱線）と加熱対象（管体外部）との間に介在させるのは、発熱源から加熱対象への熱伝達をわざわざ阻害することになるので、非常識極まりない設計ということになるであろう。

しかしながら、本発明はそのような技術常識を打ち破るものである。すなわち、最終的に融雪等を十分に行える程度まで発熱線に対する通電量を大きくすると、《管体内かつ管体の内面からある程度以上離れた部分の空気》の温度は管体の融点または軟化点より高い温度となる。しかしながら、不必要なほど通電量を過大としない限り、管体の内面が溶けたり軟化してしまうことはない。何故ならば、空気は熱伝導率および比熱が小さく、かつ管体は外部から冷却されているので、通電中においても、《管体内面に接触する空気》の温度は、《管体内かつ管体の内面からある程度以上離れた部分の空気》の温度よりかなり低くなり、管体の融点または軟化点より低い温度となるからである（これは、９０〜１００℃もの温度があるサウナで、入浴者が火傷しないのと同様の原理である）。

そして、発熱線と管体内面との間に空気が介在されていることにより、管体内面に温度ムラが発生するのを防止できる。このため、例えば管体外面の温度を検出し、この検出温度に基づいて発熱線に対する通電量を制御する等により、発熱線に対する通電量、ひいては発熱線の発熱量を適切に制御することにより、管体を溶かしたり、軟化させてしまうことなく、外部に十分な量の熱を放出し、融雪等を十分良好に行うことができるのである。

本発明の電気加熱装置は、
（イ）発熱線を収容している管体を溶かしたり、軟化させてしまうことなく、外部に十分な量の熱を放出し、融雪等を十分良好に行うことができる、
（ロ）管体を構成するポリマーとして融点または軟化点の低い材料を使用でき、装置の製造コストを安価とすることができる、
等の優れた効果を得られるものである。

本発明の電気加熱装置の一実施例を真直ぐな状態で示す縦断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線における端面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線における断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線における断面図である。 前記実施例の電気加熱装置を板金屋根の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。 図５の屋根融雪における管体外面の温度を検出する温度センサの設置状態の一例を示す断面図である。 前記実施例の電気加熱装置を瓦屋根の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。 前記実施例の電気加熱装置を床暖房に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。 前記実施例の電気加熱装置を路面の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。

以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて説明する。

図１〜４は本発明の電気加熱装置１の一実施例を示している。電気加熱装置１は、シラン架橋ポリエチレンからなる長尺の管体２を有しており、この管体２は図２〜４に示されるように横断面円形で、外径１０ｍｍ、内径６．８ｍｍ、肉厚１．６ｍｍの大きさとされている。この管体２は可撓性を有している。また、この管体２の融点は１４０℃程度である。

前記管体２の両端部には樹脂カラー３，４がそれぞれ嵌合されている。前記樹脂カラー３，４の中心部には、それぞれ管体２の内外に延びるように、被覆されたリード線５，６が軸方向に挿通されている。前記管体２内において、リード線５，６の管体２内側の端部にはニクロム線からなる発熱線７の両端部がそれぞれ圧着接続端子８，９により電気的および機械的に接続されている。これにより、発熱線７は、管体２内に、該管体２の長さ方向に沿って延びるように収容されている。

前記発熱線７は、図２に示されているように、横断面細長い矩形状とされている。発熱線７の横断面がなす矩形の短辺の長さは０．１６ｍｍ、長辺の長さは３．２ｍｍとされている。また、発熱線７は、圧着接続端子８，９に圧着接続されている部分を除いて、図２に示されているように、シリコーン樹脂、シリコーンゴム等からなる融点または軟化点の高い被覆材１０により被覆されている。前記圧着接続端子８，９の外面は絶縁伸縮チューブ１１により被覆されている。

前記管体２内には、空気１２が収容されており、これにより、管体２の内面と発熱線７との間には空気１２が介在されている。前記管体２の内面と樹脂カラー３，４の外周面との間およびリード線５，６の外周面と樹脂カラー３，４のリード線５，６挿通部との間には防水処理剤１３が施されており、これにより外部から管体２内への水の浸入が阻止されるとともに、前記空気１２が管体２内に実質的に密封されている。

図５は、本実施例の電気加熱装置１を板金屋根の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。板金材１４を一旦剥ぎ、垂木１５上に配置された野地板１６上にアスファルトフェールト１７を貼り、さらにこのアスファルトフェールト１７上に複数のパネル材１８および電気加熱装置１を載置する（このとき、多数のパネル材１８間に電気加熱装置１が延びるように電気加熱装置１を蛇行させて引き回して配設する）。また、図６に示されるように、電気加熱装置１の適当な部分において、管体２の外面に温度センサ１９をテープ（図示せず）を巻いて装着し、管体２の外面に温度センサ１９が接触している状態とする。そして、パネル材１８の上面および電気加熱装置１の管体２にアルミテープ２０を貼付した後、その上に板金材１４を設置し直す。

この電気加熱装置１においては、リード線５，６を介して発熱線７に電流を流すことにより、発熱線７を発熱させる。そして、図５の屋根融雪の例では、制御装置（図示せず）を用いて、温度センサ１９により検出される管体２外面の温度に基づき、発熱線７に対する通電を制御することにより、電気加熱装置１の発熱を制御する。具体的には、管体２外面の温度が７０℃に維持されるように発熱線７に対する通電を制御する。

この電気加熱装置１においては、管体２が発熱線７によって直接加熱されるのではなく、管体２内の空気１２を介して加熱される。そして、上述のように管体２外面の温度が７０℃に維持されるように発熱線７に対する通電を制御すると、《管体２内かつ管体２の内面からある程度以上離れた部分の空気１２》の温度は、管体２の融点より高い１５０〜２００℃程度となる。しかしながら、管体２の内面が溶けてしまうことはない。何故ならば、空気１２は熱伝導率および比熱が小さく、かつ管体２は外部から冷却されているので、通電中においても、《管体２の内面に接触する空気１２》の温度は、前記《管体２内かつ管体２の内面からある程度以上離れた部分の空気１２》の温度よりかなり低くなり、管体２の融点より低い温度となるからである（これは、９０〜１００℃もの温度があるサウナで、入浴者が火傷しないのと同様の原理である）。

なお、本実施例では、発熱線７自体の温度を測定することは困難であったため、測定を行っていないが、通電時の発熱線７の最高発熱温度は、当然、前記《管体２内かつ管体２の内面からある程度以上離れた部分の空気１２》の温度以上となる。

そして、この電気加熱装置１においては、発熱線７と管体２の内面との間に空気１２が介在されていることにより、管体２の内面に温度ムラが発生するのを防止できる。このため、管体２外面の温度が７０℃に維持されるように発熱線７に対する通電量、ひいては発熱線７の発熱量を制御することにより、管体２を溶かしてしまうことなく、外部に十分な量の熱を放出し、板金屋根の温度を１５℃程度として、融雪を十分良好に行うことができる。

従来の発熱線をポリマーで被覆してなる電熱線では、被覆が溶けてしまわない範囲内で通電するとすると、被覆の外面の温度が４０℃程度までにしか上昇しない一方、それ以上発熱線を発熱させると、被覆が溶けてしまっていた。このため、融雪を十分行うことができなかったのである。

なお、この電気加熱装置１においては、管体２外面の温度を７０℃よりさらに温度を上昇させて９０℃程度としても管体２が溶けてしまうことない。しかし、管体２外面の温度を７０℃とすれば融雪を十分良好に行うことができ、それより温度を上げても電気代が無駄になるだけなので、管体２外面の温度を７０℃に設定しているのである。

また、本実施例において発熱線７に被覆されている被覆材１０は、従来技術において発熱線に被覆されていた被覆材とは全く異なる性格を有するものである。従来技術において発熱線に被覆されていた被覆材は、電熱線外部に対し発熱線を電気絶縁するとともに発熱線を機械的に保護するためのものであるが、本実施例の被覆材１０の一つの役割は、安全確保を厳重に行うため、万一管体２が破損した場合に備え、管体２の電気絶縁に加えて発熱線７の電気絶縁を二重に行うことである。被覆材１０のもう一つの役割は、管体２の内面に対する発熱線７の接触に対する対策である。すなわち、管体２を湾曲させると、発熱線７も湾曲するので、基本的には管体２を湾曲させても発熱線７は管体２の内面に接触しないが、接触してしまう場合もある。しかし、この接触は、点的な接触であってかつ軽く緩い接触である上、管体２は外部から冷却されているので、被覆材１０を設けておき、発熱線７が被覆材１０を介して管体２の内面に接触するようにしておけば、管体２が溶けてしまう（または軟化してしまう）のを確実に防止できる。そして、被覆材１０には、従来の電熱線の被覆材の場合のように発熱線７を機械的に保護する機能は持たせる必要はないので、比較的薄い層とすることができるため、高融点（または高軟化点）の材料を使用してもコストはあまり増大しない。なお、本発明においては、必要ない場合は、発熱線を本実施例の被覆材１０と同様の被覆材で被覆しなくてもよい。

上述のようにして、この電気加熱装置１によれば、発熱線７を囲む融点が低いポリマー（管体２）を溶かしてしまうことなく、外部に十分な量の熱を放出し、融雪を十分良好に行うことができる。

また、外部に対し発熱線７を電気絶縁するとともに発熱線７を機械的に保護する機能を果たす管体２として融点または軟化点が低いポリマーを使用できるので、製造コストを安価にすることがてきる。

図７は、本実施例の電気加熱装置１を瓦屋根の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。瓦２１を一旦剥ぎ、垂木１５上に配置された野地板１６上に発泡ポリエチレンシート２２を敷き、さらにこの発泡ポリエチレンシート２２上に、電気加熱装置１を蛇行させて載置するとともにモルタル２３を塗布し、モルタル２３内に電気加熱装置１が埋め込まれるようにする。また、前記図６の場合と同様に、電気加熱装置１の適当な部分において、管体２の外面に温度センサ１９をテープ（図示せず）を巻いて装着し、管体２の外面に温度センサ１９が接触している状態としておく。そして、モルタル２３上に瓦２１を置き直す。

この場合も、前記図５の板金屋根の場合と同様にして、管体２外面の温度が７０℃に維持されるように発熱線７に対する通電を制御することにより、融雪を十分良好に行うことができる。

図８は、本実施例の電気加熱装置１を床暖房に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。下地材２４上に複数のパネル材１８および電気加熱装置１を載置する（このとき、多数のパネル材１８間に電気加熱装置１が延びるように電気加熱装置１を蛇行させて引き回して配設する）。また、前記図６の場合と同様に、電気加熱装置１の適当な部分において、管体２の外面に温度センサ１９をテープ（図示せず）を巻いて装着し、管体２の外面に温度センサ１９が接触している状態としておく。そして、パネル材１８の上面および電気加熱装置１の管体２にアルミテープ２０を貼付した後、その上に貼り床材２５を設置する。

この床暖房の場合は、管体２外面の温度が３０℃に維持されるように発熱線７に対する通電を制御することにより、床暖房を十分良好に行うことができる。

図９は、本実施例の電気加熱装置１を道路の路面の融雪に用いる場合の設置状態の一例を示す断面図である。符号２６は道路の砕石層を示している。この砕石層２６の上面にコンクリート層２７の下層側を打ち込んだ後、その上にワイヤーメッシュ２８を載置し、さらにこのワイヤーメッシュ２８上に電気加熱装置１を蛇行させた状態で載置する。次に、コンクリート層２７の上層側を打ち込み、コンクリート層２７内に電気加熱装置１が埋め込まれた状態とする。路面（コンクリート層２７の上面）の上方に赤外線温度センサ１９を設置し、路面の上方から管体２の外面の温度を検出する。

この場合は、管体２外面の温度が３０℃に維持されるように発熱線７に対する通電を制御することにより、路面の温度を５℃程度として、路面の融雪を十分良好に行うことができる。

なお、前記実施例においては、管体２を構成する材料としてシラン架橋ポリエチレンを使用しているが、本発明においては、管体を構成する材料として、他の種のポリマーを用いてもよい。

また、本発明における管体を構成するポリマーとしては、融点が明確でなく、測定が困難であるポリマーや、融点が存在しないポリマーも使用することができ、その場合は融点の代わりに軟化点を考えればよい（本願において、「軟化点」とは、ポリマーが軟化して基本的な機能を果たせなくなる温度を言うものとする）。

また、前記実施例においては、管体２は可撓性を有しているが、本発明においては、管体は必ずしも可撓性を有していなくてもよい。ただし、一般的には可撓性を有している方が、蛇行状等に湾曲や屈曲させることにより、管体を面的に使用できるので有利である。

また、本発明においては、前記実施例の場合のように、管体内の空気は管体内に実質的に密閉されることが好ましい。密閉されていないと、熱が空気とともに管体の開放された部分から管体外に失われてしまうので、熱を外部の所望の部分に十分伝達することができなくなる虞があるからである。

また、本発明における管体の横断面形状は、前記実施例のように円形でなくてもよく、例えば横断面矩形とすることも可能である。

また、本発明における発熱線の横断面形状および大きさは、前記実施例のそれらに限定されることはなく、例えば横断面円形とすることもできる。ただし、発熱線の横断面形状を前記実施例の場合のように細長い矩形状とすれば、発熱線が管体の内面に接触してしまっても、その接触をより接触面積が小さい接触とすることができる（特に、管体の横断面形状が円形等の場合）。

また、本発明における発熱線としては、ニクロム線以外の材料も使用することができる。

以上のように本発明による電気加熱装置は、長尺の発熱線を有し、融雪装置や床暖房装置等として使用される電気加熱装置として有用である。

１ 電気加熱装置
２ 管体
３，４ 樹脂カラー
５，６ リード線
７ 発熱線
１０ 被覆材
１２ 空気
１３ 防水処理剤

Claims (6)

1. ポリマーからなる管体と、
   前記管体内に収容された空気と、
   前記管体内に、該管体の長さ方向に沿って延びるように収容された、通電されることによりジュール熱で発熱する長尺の発熱線とを有してなり、
   前記管体の内面と前記発熱線との間に前記空気が介在されており、
   前記管体を構成する材料の融点または軟化点は、前記発熱線への通電による該発熱線の最高発熱温度より低い電気加熱装置。
2. 前記空気は前記管体内に実質的に密封されている請求項１記載の電気加熱装置。
3. 前記管体は可撓性を有している請求項１または２記載の電気加熱装置。
4. 前記発熱線を被覆しており、電気絶縁性を有するとともに前記発熱線への通電による該発熱線の最高発熱温度より高い融点または軟化点を有する被覆材をさらに有する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気加熱装置。
5. 前記発熱線は横断面細長い矩形状とされている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気加熱装置。
6. 前記発熱線はニクロム線からなる請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気加熱装置

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