JP7102016B2

JP7102016B2 - 発熱ブロック

Info

Publication number: JP7102016B2
Application number: JP2020143078A
Authority: JP
Inventors: 洋介伊藤; 伸二河邊; 慧大羽
Original assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Current assignee: Nagoya Institute of Technology NUC
Priority date: 2020-08-27
Filing date: 2020-08-27
Publication date: 2022-07-19
Anticipated expiration: 2036-05-16
Also published as: JP2020197117A

Description

特許法第３０条第２項適用発行日：平成２８年２月１日（学会発表日は２月２２日）刊行物：日本建築学会東海支部研究報告集第５４号（ＣＤ－ＲＯＭ）

本発明は、電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムの発熱ブロックに関する。

ここで、非特許文献１には、電波発振器、電波漏洩伝送体、および発熱ブロックを有する発熱システム（以下、発熱システムという。）の例として、降雪地域の融雪に対応する融雪装置および発熱ブロックが記載されている。

現状の降雪地域では、公道は自治体が除雪を行い、または融雪装置を設置して降雪の対策がなされている。一方、私有地である個人の敷地内では住民が行なわなければならず、特に家屋と公道までの通路が長い場合、住民にとって大きな負担となっている（図１７参照）。
融雪手段として、融雪剤の散布、電熱線または地下水を用いた融雪がある。しかし、融雪剤はコンクリートや植物への塩害や鉄骨への腐食の原因となる。また、電熱線を用いた融雪装置は、断線や漏電の恐れ、メンテナンス性、消費電力の大きさ、立ち上がりの遅さなどの問題がある。地下水による融雪は、地盤低下の恐れや地下水に含まれる鉱物による路面の汚損などの問題がある。
この発熱システムを用いた融雪装置は、降雪地域の降雪対策として提案されている。

特許文献１には、夏季には温度上昇を抑え、快適な歩行感を保持しつつ、降雪時にはマイクロ波の照射により効果的に融雪を行なうことが可能な融雪ブロックが記載されている。この融雪ブロックは、セメントを主成分としたコンクリート系の基盤層の上に、ゴムチップにバインダーを混合させて表層ゴム部を形成した融雪ブロックである。基盤層と表層ゴム部の境界部分または表層ゴム部に電磁波吸収骨材が散在されている。

本発明におけるモルタルとは、モルタルの他、一般的なコンクリート、セメントペーストを含むものとし、普通ポルトランドセメントよるものの他、アスファルト等や一般的に使われているセメント等を含むものとする。以下、本発明の効果は同等なので、全てをモルタルと記載する。

特開２００８－１２７７９６号公報

日本建築学会構造系論文集、第５８６号、１－５、２００４年１２月

発熱ブロックを構成する発熱体は、吸水すると電波吸収特性が変化し、電波吸収性能が低下する場合がある。よって、発熱能力の低下により融雪性能が低下する問題がある。この際、電波遮蔽性能の低下により電波が漏洩し、ブロック上を歩行する人に多量の電波が直接照射される恐れもある。

発明１は、電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムにおいて、発熱ブロックは、載置面方向から、基材部、発熱体を層状に有し、発熱体には防水処理が施されていることを特徴とする発熱ブロックである。
発明２は、基材部は、電波を吸収する材料が混入されていないことを特徴とする発明１に記載する発熱ブロックである。
発明３は、防水処理として、発熱体に防水剤を添加されたことを特徴とする発明１または２に記載する発熱ブロックである。
発明４は、防水処理として、発熱体の表面に防水層を有することを特徴とする発明１乃至３に記載する発熱ブロックである。
発明５は、記基材部には防水剤が添加されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載する発熱ブロックである。
発明６は、発熱ブロックは表面の少なくとも一部に防水シーラが塗布されたことを特徴とする発明１乃至５のいずれか１つに記載する発熱ブロックである。
発明７は、発熱ブロックは、載置面方向から、基材部、発熱体、反射材を層状に有していることを特徴とする発明１乃至６のいずれか１つに記載する発熱ブロックである。
発明８は、防水層を基材部と発熱体の界面に施さないことを特徴とする発明４に記載する発熱ブロックである。
発明９は、電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムにおいて、発熱ブロックは、載置面方向から、基材部、発熱体を層状に有し、基材部には防水処理が施されていることを特徴とする発熱ブロックである。
発明１０は、防水処理として、基材部には防水剤が添加されたことを特徴とする発明９に記載する発熱ブロックである。
発明１１は、防水処理として、発熱体の表面に防水層を有することを特徴とする発明９に記載する発熱ブロックである。

本発明は以下の効果がある。
（１）発熱体１１に防水処理を行い、発熱体１１への水の侵入を低減することができる。
（２）発熱ブロックの基材部等に防水処理を行い、発熱体１１への水の侵入を低減することができる。
（３）発熱ブロックの間に目地が設けられ、目地に防水処理を行い、発熱体１１への水の侵入を低減することができる。
本発明の発熱ブロックは、寒冷地において融雪用の発熱システムに用いることができる。発熱ブロックは多量に被水するが、発熱体には浸水しにくいので吸水による電波吸収特性の変化を小さくできるため、外部環境への電波漏洩防止効果の低下がやわらげられる。よって、発熱ブロック上を歩行する人に直接電波が照射される量を減らし、安全性が向上すると共に、発熱能力の低下をやわらげることができる。

発熱システムを示す。発熱ブロックを示す。第１実施形態を示す。第２実施形態を示す。第３実施形態を示す。第４実施形態を示す。第５実施形態を示す。電気炉酸化スラグの組成を示す。周波数２．４５ＧＨｚにおけるモルタルとスラグの混合体の混合比率（質量比）ごとの反射減衰量示す。発熱体１１の例としてモルタルとスラグ等の混合比率を示す。防水剤２１の組成の混合比率を示す。基材部１３の例として砂とモルタルの混合体の混合比率を示す。フランジにスラグモルタル（発熱体１１）、砂モルタル（基材部１３）を充填した状態を示す。電波吸収特性の測定装置を示す。スラグモルタル（発熱体１１）おける調合と周波数、反射減衰量の関係示す。スラグモルタル（発熱体１１）と砂モルタル（基材部１３）の重ね合わせにおける周波数、反射減衰量の関係を示す。降雪地域の融雪の現状を示す。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１は、発熱システム１を示す。電波発振器３は、特定の周波数（例：２．４５ＧＨｚ）の電波を出力する。電波漏洩伝送体５は、電波を伝送する。電波漏洩伝送体５の上部には、スリット５－１があり、上部へ電波を漏洩させる。複数の発熱ブロック７は、電波漏洩伝送体５の上部に載置される。発熱ブロック７は、電波漏洩伝送体５から漏洩された電波を吸収して発熱する。

図２は、発熱ブロック７の例を示す。
図２（ａ）に示す発熱ブロック７は、外形寸法が、３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形で、厚みが４０ｍｍである。発熱ブロック７は、載置面より、基材部１３、発熱体１１、反射材１５、及び基材部１３を層状に積層されて構成されている。発熱体１１の厚みは、８ｍｍである。
ここで、電波漏洩伝送体５の幅は１００ｍｍである。漏洩された電波は発熱体１１に吸収され、熱エネルギーに変換される。その熱は伝導されるので、上面の外形寸法３００ｍｍ×３００ｍｍの発熱ブロック７を、電波漏洩伝送体５の中心線に対して左右対称に載置すると、発熱ブロック７の表面は電波漏洩伝送体５の中心線の直上から左右に広がって温度上昇する。
また、発熱ブロックの形状は、３００ｍｍ×３００ｍｍの正方形に限定されない。例えば、３０００ｍｍ×２０００ｍｍや需要に合わせたこれ以上の大きさであって良く、発熱体、基材、反射材の厚さ、および発熱ブロックの総厚さは材料の特性によって随時最適な厚さに調整することができる。この際、電波漏洩伝送体５は、発熱ブロック上面全体の温度が上昇するように複数設置される。
発熱体１１は、電波を磁性損失により吸収するスラグと非磁性損失材であるモルタルが混合されている。
基材部１３は、モルタルで構成される。
反射材１５は、導電性の細線を特定の周波数を反射するピッチに配置した金網等が用いられる。
発熱体１１は、発熱ブロック７の側面に一部が露出している。
図２（ｂ）に示す発熱ブロック７は、発熱体１１の端部が、発熱ブロック７の側面に露出していない。すなわち、発熱体１１は、発熱ブロック７の側面から内側に約８ｍｍオフセットされおり、発熱ブロックのオフセットされた部位には基材１３が充填されている。その他の寸法、材料等の仕様は、図２（ａ）と同じである。
また、寸歩、材料等の仕様は一例である、他の寸法、材料等でも良い。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態の発熱ブロック７を示す。
図３（ａ）は、図２（ａ）の発熱ブロック７の発熱体１１に防水剤２１を添加させ、図３（ｂ）は、図２（ｂ）の発熱ブロック７の発熱体１１に防水剤２１を添加させている。
発熱体１１の防水処理として、発熱体１１に防水剤２１を加えることで、発熱体１１への水の侵入を低減することができる。防水剤２１には、例えば高級脂肪酸塩等の混合物や重合油アルミニウム、脂肪酸アルミニウムなどが含まれるモルタル、コンクリート用の防水剤を用いることができる。これらの防水剤２１は、モルタル等の多孔質体に添加されるとモルタル等の撥水性を向上させ水の侵入を低減する。

（第２実施形態）
図４は、第２実施形態の発熱ブロック７を示す。
図４（ａ）は、図２（ａ）の発熱ブロック７の発熱体１１の表面に防水層２３を有している。
図４（ｂ）は、図２（ｂ）の発熱ブロック７の発熱体１１の表面に防水層２３を有している。
防水層２３は、防水性のあるシリコン系、変成シリコン系、ウレタン系、酢酸ビニル系、アクリル系などの樹脂性シーラやシーリング剤等を発熱体１１の表面に塗布されて構成される。これらの材料は、多孔質体では無いので水の侵入を低減させることができる。
また、防水層２３は、モルタルに防水剤２１を添加したものでもよい。
発熱体１１の防水処理として、発熱体１１の表面に防水層２３を有することで、発熱体１１への水の侵入を低減することができる。

（第３実施形態）
図５は、第３実施形態の発熱ブロック７を示す。
図５（ａ）は、図２（ａ）の発熱ブロック７の基材部１３に防水剤２１が添加され、図５（ｂ）は、図２（ｂ）の発熱ブロック７の基材部１３に防水剤２１が添加されている。
基材部１３に防水剤２１を加えることで、発熱体１１への水の侵入低減性能を更に向上させることができる。

（第４実施形態）
図６は、第４実施形態の発熱ブロック７を示す。
図６（ａ）は、図２（ａ）の発熱ブロック７の表面に防水シーラ２５が塗布され、図６（ｂ）は、図２（ｂ）の発熱ブロック７の表面に防水シーラ２５が塗布されている。
防水シーラ２５には、防水性のあるシリコン系、変成シリコン系、ウレタン系、酢酸ビニル系、アクリル系などの樹脂性シーラやシーリング剤等が用いられる。これらの材料は、多孔質体では無いので水の侵入を低減させることができる。
また、防水剤２１を添加したモルタルを、発熱ブロック７の表面に塗布してもよい。図６（ａ）および図６（ｂ）では全面にシーラが塗布されているが、側面など、一部に塗布するだけでも良い。
発熱ブロック７の表面に防水シーラ２５が塗布されていることで、発熱体１１への水の侵入低減性能を更に向上させることができる。

（第５実施形態）
図７は、第５実施形態の発熱ブロック７を示す。すなわち、図３（ａ）の発熱ブロック７を複数、隙間（以下、目地という）を設けて配置し、目地にバックアップ材２７を詰め、その上に防水目地材２９を施工している。
バックアップ材２７には、スポンジや木材等が用いられる。
防水目地材２９には、防水性のあるシリコン系、変成シリコン系、ウレタン系、酢酸ビニル系、アクリル系などの樹脂性シーリング剤等が用いられる。防水剤２１が添加されたモルタルを防水目地材２９として用いてもよい。
発熱ブロック７を設置する際、目地に防水目地材２９が施工されていることで、発熱体１１への水の侵入低減性能を更に向上させることができる。

以上、第１実施形態乃至第５実施形態により、発熱ブロック７の発熱体１１が防水機能を有する。

（実施例）
発熱体１１は、モルタルとスラグを混合して構成（以下、混合体という）される。スラグは鉄を生産する際に生じる電気炉酸化スラグなどの産業廃棄物を用いることが好適であるが、フェライトやカーボンなどの磁性吸体、導電性磁性体、誘電性磁性体などの電波吸収材料を用いてもよい。発明者は、粒度０．３ｍｍ以下、絶乾密度３．５２～３．８９ｇ／ｃｍ^３の電気炉で酸化させたスラグを用いた。図６に、スラグの組成を示す。スラグは多数の酸化金属を含むが、中でも鉄の酸化物を多く含む。

図９は、周波数２．４５ＧＨｚにおけるモルタルとスラグの混合体の質量比による混合比率（質量比を指す。以下同じ。）ごとの反射減衰量示す。混合体の厚みは、１０ｍｍである。混合比率（モルタル：スラグ）１０：０～５：５においては、スラグの混合比率の増加に対応して、反射減衰量は緩やかに増加している。しかし、混合比率５：５～０：１０においては、反射減衰量量は急激に増加している。よって、電波吸収量とスラグの混合比率の関係は、比例関係にならない。すなわち、セメントとスラグの混合粉体によって、一定の電波吸収特性を得るためには、少なくともスラグの混合比率が6割を超える必要がある。可能な限りスラグの混合比率を高くすることで好適な電波吸収特性が得られると考える。

図１０は、発熱体１１のモルタルとスラグ等の混合比率を示す。
混合体の混合比率は６種類であり、モルタルとスラグを混合比率２：８～７：３まで、スラグを１/１０ずつモルタルに置換している。ここで、計融雪用の発熱ブロック７の発熱体１１として、寒冷地において使用することを想定する。よって、多量の吸水による電波吸収特性変化を低減するため、防水剤２１をモルタルに対して３％添加する。また、施工性向上のため調合２：８のみ高性能ＡＥ減水剤をセメントに対して０．７％添加する。

図１１は、防水剤２１の混合比率による組成を示す。
防水剤２１は、高級脂肪酸塩の混合物を３０～３５％、界面活性剤を２％以下、水を６４～６９％を混合させている。界面活性剤としては、ポリ（オキシエチレン）=ノニルフェニルエーテルを用いている。
基材部１３や発熱体１１に防水剤２１を添加することにより、基材部１３や発熱体１１の防水性能が向上させている。これは多孔質体であるモルタルの防水機能は、素材のもつ撥水性により水滴の表面張力による。防水剤２１は、モルタルに添加されることにより撥水性を高め水滴の表面張力を大きくしている。

図１２は、基材部１３の例として砂とモルタルの混合体の混合比率を示す。モルタルが１に対して砂が３、水が０．４５、および防水剤２１が０．０３となるように混合されている。防水剤２１をくわえたのは、発熱体１１と同様、多量の吸水による電波吸収特性変化を低減するためである。

図１３（ａ）に、フランジにスラグモルタル（発熱体１１）、図１３（ｂ）に、砂モルタル（基材部１３）を充填した状態を示す。
スラグモルタルのフランジは、混合比率モルタル４に対してスラグ６、厚さ８ｍｍを供試体として用いた。厚さは１ｍｍごと、４～１４ｍｍまでの金属製のフランジにスラグモルタルを充填して、硬化後に表面を研磨する。気中養生１日、水中養生５日の後、１００℃の恒温恒湿器で２４時間乾燥させた。
砂モルタルのフランジは、厚み４～１４ｍｍまでの金属製のフランジに充填して、硬化後に表面を研磨し、気中養生１日、水中養生５日の後、１００℃の恒温恒湿器で２４時間乾燥させた。砂モルタルのフランジは組み合わせることで、砂モルタルの厚さを４～４１ｍｍまで変更できる。
なお、データは省略するが、砂モルタルはスラグモルタルと異なり、スラグのように電波を吸収する材料が混入されていないため、単独ではほとんど電波を吸収することができない。

図１４は、電波吸収特性の測定装置を示す。上から、同軸導波管変換機、砂モルタル（基材部１３）が充填された砂モルタルフランジ、スラグモルタル（発熱体１１）が充填されたスラグモルタルフランジ、短絡のための反射板の順に重ねる。この状態でＳパラメータ測定法による反射減衰量測定を行うと、ネットワークアナライザから出力された電波は、砂モルタル（基材部１３）、発熱体であるスラグモルタル（発熱体１１）を通じて反射板で反射されることになる。よって、発熱ブロック７に電波が照射された場合を想定した測定ができる。
発熱ブロック７の構成を想定し、発熱体１１であるスラグモルタルと発熱体１１下部を支持する基材部１３である砂モルタルを重ねた状態で、電波吸収特性を評価し、砂モルタルの厚さが電波吸収特性に及ぼす影響を確認する。評価はＳパラメータ測定法により求められる反射減衰量によって行う。

図１５は、スラグモルタル（発熱体１１）おける調合と周波数、反射減衰量の関係示す。スラグモルタルの厚みは８ｍｍである。
図１４に示す電波吸収特性の測定装置において、砂モルタルフランジを無くし、スラグモルタルフランジのみを設定して測定した。
反射減衰量には、ピークが存在する。ピークは供試体が厚くなるほど低周波側に移動する。また、モルタルとスラグの混合比が４：６の時に他の調合のピークと比較して反射減衰量が最も高くなる。よって、スラグモルタルは、調合におけるスラグの割合と充填厚みを制御することで、任意の周波数における反射減衰量を高めることができる。また、混合粉体と異なり、必ずしもスラグが多いほど反射減衰量は高くなっていないこともわかる。

図１６は、スラグモルタル（発熱体１１）と砂モルタル（基材部１３）の重ね合わせにおける周波数、反射減衰量の関係を示す。
スラグモルタルの厚みは８ｍｍ、モルタルとスラグの混合比は、４：６を用いた。
砂モルタルは、フランジ厚４～４１ｍｍとした。
測定範囲内において、特定の供試体厚で特定の周波数に電波吸収のピークが存在する。このピークは砂モルタルが厚くなるほど低周波側に移動する。よって、砂モルタルは単独ではほとんど電波を吸収することができないが、スラグモルタルと重ね合わせる場合、その電波吸収特性に著しい影響を及ぼすと言える。
砂モルタルの厚さが増しても、ピークの反射減衰量に顕著な減少傾向は見られない。よって、砂モルタルの厚さを制御することで、スラグモルタルと砂モルタルを重ね合わせた際の、スラグモルタルの電波吸収性能の顕著な低下を防ぐことができる。２．４５ＧＨｚにおいては、厚さ２９ｍｍで最も高い反射減衰量が得られる。
ピークは砂モルタル厚１５ｍｍを境に測定範囲内に存在しなくなり、２１ｍｍを境にもう一度現れ始めている。よって、ピークは砂モルタルの厚みに対して周期性を有する可能性がある。この周期性は、入射波が形成する定在波の波長と供試体厚の関係に起因すると考える。周期性を有する場合、周期に合わせて発熱モルタルブロックの設計を行えば、要求される強度を満足する厚さの発熱ブロック７を設計できる。
なお、砂モルタルの厚みが一定量増すごとにピークが移動する割合は、砂モルタルが厚くなるほど小さくなっている。

本発明の発熱ブロック７は、寒冷地において融雪用の発熱システム１に用いることができる。発熱ブロック７は多量に被水するが、発熱体１１には浸水しないので電波吸収特性の変化を低減できるため、外部環境への電波漏洩防止効果の劣化がなくなる。よって、発熱ブロック７上を歩行する人に直接電波が照射される量を減らし、安全性が向上すると共に、発熱能力の低下をやわらげることができる。
発熱システム１は、発熱ブロック７により、防水性があるので、屋外だけでなく、屋内に暖房器具として、特に被水の可能性がある厨房等に展開することが可能となる。

１発熱システム
３電波発振器
５電波漏洩伝送体
５－１スリット
７発熱ブロック
１１発熱体
１３基材部
１５反射材
２１防水剤
２３防水層
２５防水シーラ
２７バックアップ材
２９防水目地材

Claims

電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、前記電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムにおいて、前記発熱ブロックは、載置面方向から、吸水を期待しない基材部、電波を吸収し発熱する発熱体を層状に有し、前記発熱体には防水処理が施されていることを特徴とする発熱ブロック。
前記防水処理として、前記発熱体に防水剤を添加されたことを特徴とする請求項１に記載する発熱ブロック。
前記防水処理として、前記発熱体の表面に防水層を有することを特徴とする請求項１または２に記載する発熱ブロック。
前記基材部には防水剤が添加されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載する発熱ブロック。
前記発熱ブロックは表面の少なくとも一部に防水シーラが塗布されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載する発熱ブロック。
前記発熱ブロックは、載置面方向から、前記基材部、前記発熱体、反射材を層状に有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載する発熱ブロック。
前記防水層を前記基材部と前記発熱体の界面に施さないことを特徴とする請求項３に記載する発熱ブロック。
電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、前記電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムにおいて、前記発熱ブロックは、載置面方向から、吸水を期待しない基材部、電波を吸収し発熱する発熱体を層状に有し、前記基材部には防水処理が施されていることを特徴とする発熱ブロック。
前記防水処理として、前記基材部には防水剤が添加されたことを特徴とする請求項８に記載する発熱ブロック。
前記防水処理として、前記発熱体の表面に防水層を有することを特徴とする請求項８に記載する発熱ブロック。
前記防水処理として、前記基材部の表面に防水層を有することを特徴とする請求項８に記載する発熱ブロック。
電波を出力する電波発振器と、電波を伝送する電波漏洩伝送体と、前記電波漏洩伝送体からの電波を吸収して発熱する発熱ブロックと、を有する発熱システムにおいて、前記発熱ブロックは載置面方向から、吸水を期待しない基材部と電波を吸収し発熱する発熱体を直接接するように層状に有し、前記発熱体には防水処理が施されていることを特徴とする発熱ブロックであって、前記防水処理として、前記発熱体の表面に防水層を有し、前記防水層を前記基材部と前記発熱体の界面に施さないことを特徴とする発熱ブロック。