JP2004257172A

JP2004257172A - 融雪装置

Info

Publication number: JP2004257172A
Application number: JP2003051169A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nakamura; 浩中村; Tsuneaki Yuki; 常明結城; Hiroshi Ota; 皓士大田
Original assignee: MITSUI KOZAN MATERIAL KK; ABC Trading Co Ltd
Current assignee: MITSUI KOZAN MATERIAL KK; ABC Trading Co Ltd
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2023-02-27
Also published as: JP3692355B2

Abstract

【課題】製作及び施工が簡単で、安価に設置することができる融雪装置を提供する。
【解決手段】地中５の熱を採取する集熱部２、地表付近で熱を放散する放熱部３、及び集熱部２と放熱部３とを連結する熱伝導部４で構成される融雪装置１であって、集熱部２、放熱部３及び熱伝導部４を何れも１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する伝熱材料で構成する。集熱部２で地中の広範囲から採取した熱は、熱伝導部４によって放熱部３に輸送され、放熱部３において広範囲に放散され、放熱部３上の雪を溶かす。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、寒冷地で発生する雪害又は路面凍結等を防止する融雪装置に関し、
特に、地熱等の地下熱源を利用する除雪装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
寒冷地における冬季の除雪、融雪、路面凍結防止等を行う方法として、除雪車による除雪、地下水等の散水、電熱ヒーター又は温水等を用いた路面加熱等が一般に知られている。しかし、これらの方法は多大なエネルギーの供給を必要としたり、地下水の汲み上げに起因する地盤沈下を起こす等の多くの問題を備えている。
【０００３】
一方、上記のものに代わる方法として、ヒートパイプを使用して地熱を利用するように構成した融雪方法が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−８１７１２号公報
【特許文献２】
特開昭６３−４０００２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、特許文献１及び特許文献２に記載されている融雪方法は、ヒートパイプが管状であるために長距離に渡って効率の良い熱輸送を実現することができる。従って、地下熱源が例えば地表から１０〜２０ｍの非常に深い場所に限られるような場合には有効な手段と考えられる。
【０００６】
しかし、地下熱源が地表から比較的浅い場所で得られる場合には、必ずしも有効な手段ではない。熱源から地表への熱輸送よりも、高温部（蒸発部）での熱採取における熱移動や、低温部（凝縮部）から地表への熱放散における熱移動の方が重要な問題となるからである。
【０００７】
ヒートパイプを利用する融雪方法に使用される装置は、３つの要素で構成されると考えられる。即ち、地中の熱を採取する集熱部、地表付近で熱を放散する放熱部、及び集熱部と放熱部とを連結する熱輸送部である。
【０００８】
放熱部は、道路等のように広い面積を対象として熱を放散しなければならないが、土壌やコンクリート等は熱伝導率が非常に低いので、地表付近に１本のヒートパイプを埋設しただけでは、広範囲に熱を伝えることができない。そこで、多数のヒートパイプを並行して並べる等の方策が必要となる。集熱部も同様に、広い範囲から熱を採取するための方策が必要となる。従って、熱輸送部にヒートパイプを使用する装置では、その設置に要する費用が熱輸送部の距離に殆ど影響されず、距離が短い場合には効果的でない。また、ある程度の維持管理も必要であり、安全性の確保も問題となる。
【０００９】
本発明は、上記のような従来の問題を解決したものであって、比較的浅い場所に地下熱源が得られる場合に有効であって、製作及び施工が簡単で、安価に設置することができる融雪装置を提供することを目的とするものである。また、エネルギーの供給が不要であり、安全性が高く、維持管理を行う必要がない融雪装置を提供することも目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記のような課題を解決するために、本発明の請求項１に係る融雪装置は、地中の熱を採取する集熱部、地表付近で熱を放散する放熱部及び集熱部と放熱部とを連結する熱伝導部で構成される融雪装置であって、前記集熱部、放熱部及び熱伝導部が、何れも１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する伝熱材料で構成される手段を採用している。
また、請求項２に係る融雪装置は、請求項１に記載の融雪装置において、前記放熱部の伝熱材料が、板状又はシート状である手段を採用している。
さらに、請求項３に係る融雪装置は、請求項１又は２に記載の融雪装置において、前記熱伝導部の伝熱材料が、炭素又は黒鉛を主体とする手段を採用している。
さらに、請求項４に係る融雪装置は、請求項１〜３の何れかに記載の融雪装置において、前記熱伝導部の伝熱材料が、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する手段を採用している。
さらに、請求項５に係る融雪装置は、請求項１〜４の何れかに記載の融雪装置において、前記熱伝導部の伝熱材料が、シート状である手段を採用している。
さらに、請求項６に係る融雪装置は、請求項１〜５の何れかに記載の融雪装置において、前記集熱部の伝熱材料が、前記熱伝導部と同一の伝熱材料である手段を採用している。
さらに、請求項７に係る融雪装置は、請求項１〜６の何れかに記載の融雪装置において、前記放熱部の伝熱材料が、前記熱伝導部と同一の伝熱材料である手段を採用している。
【００１１】
【作用】
本発明は、上記のような手段を採用したことにより、高熱伝導率の伝熱材料からなる集熱部によって地中の広範囲から熱が採取され、この採取された熱は高熱伝導率の伝熱材料からなる熱伝導部を介して放熱部に輸送され、高熱伝導率の伝熱材料からなる放熱部を介して広範囲に放散され、放熱部上の雪が溶かされることになる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明者等は、地表から、比較的浅い場所に地下熱源が得られる場合の融雪装置について鋭意検討の結果、熱輸送部に高熱伝導率を有する伝熱材料を使用することにより、熱伝導による熱輸送が実用的となることを見出した。また、熱輸送部と同様に、集熱部及び放熱部にも高熱伝導率の伝熱材料を使用することにより、広い範囲からの熱採取と、広い範囲への熱放散が効果的となることを見出した。更に、融雪確認試験を繰り返し行った結果、実用性の高いことを確認し、本発明に到達した。本発明の融雪装置は、製作及び施工が簡単であり、安価に設置することができる。また、エネルギーの供給が不要であり、安全性が高く、維持管理を行う必要のない装置とすることができる。
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１には、本発明による融雪装置の一実施の形態が示されていて、この融雪装置１は、地熱等の地下熱源を利用して、高熱伝導率を有する伝熱材料を用いて熱輸送を行うものであって、地中５の熱を採取する集熱部２、地表付近で熱を放散する放熱部３、及び集熱部２と放熱部３とを連結する熱伝導部４で構成されている。
【００１４】
利用する地下熱源としては、地表から比較的浅い場所で得られる熱源が好ましい。例えば、地表から３〜１０ｍの深さに存在する１０〜１５℃の地熱を利用することができる。その他の地下熱源としては、地下に埋設された水道管、下水道管、ガス管等が挙げられる。また都市圏における地下鉄や共同溝を利用することもできる。
【００１５】
地中５における土壌の熱伝導率は、通常０．５Ｗ／ｍＫ程度である。例えば、地表から５ｍの深さにおける地中５の温度が１０℃であるとして、積雪時に地表へ送られる熱量を考えると、０℃の地表１ｍ^２当たり約１Ｗである。この熱量は、一見すると融雪に対して非常に少ないように思われるが、１日当たり約０．２５ｋｇの融雪能力である。本発明は、伝熱材料を設置することにより、この天然の融雪能力を２倍以上に強化し、２Ｗ／ｍ^２以上の融雪能力とするものである。
【００１６】
融雪能力を２倍以上とするためには、熱伝導部４での熱輸送量を土壌と同等以上とし、かつ、熱伝導部４の断面積を土壌に対して無視できる程度にすることが必要である。土壌に対して無視できる断面積を１／２０と考えると、熱伝導部４における伝熱材料の熱伝導率は、土壌の熱伝導率の２０倍以上が必要となる。従って、熱伝導部４における伝熱材料の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、５０Ｗ／ｍＫがより好ましく、１００Ｗ／ｍＫが更に好ましい。
【００１７】
更に、集熱部２及び放熱部３では、小さな温度差で広範囲にわたる熱移動が必要となるので、熱伝導部４と同等の熱伝導率であることが好ましい。従って、集熱部２及び放熱部３における伝熱材料の熱伝導率は、１０Ｗ／ｍＫ以上が好ましく、５０Ｗ／ｍＫがより好ましく、１００Ｗ／ｍＫが更に好ましい。
【００１８】
熱伝導部４に用いる伝熱材料の形状や材質は特に限定されない。しかし、５０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する伝熱材料を使用する場合には、長さに対してその断面積が小さくなるので、破損しないように注意が必要である。このため、柔軟性の高いケーブル状又はシート状であることが好ましい。
【００１９】
材質としては、耐食性を備えた銅やアルミニウム等の金属、金属繊維を樹脂で固めてケーブル状にしたもの、金属繊維金網を樹脂で固めてシート状にしたものを用いることができる。金属以外の材質では、炭素、黒鉛、炭素−炭素繊維複合体、又は炭素繊維ＦＲＰ等のように炭素又は黒鉛を主体とする材料が好ましい。炭素又は黒鉛を主体とする材料は、金属よりも軽量であり、かつ金属と同等以上の熱伝導率を備えることが可能である。また、炭素繊維又は黒鉛を用いて樹脂で成形したシートは、繊維又は黒鉛を配向させることにより、一方向に特に熱伝導率の高い材料とすることができる。
【００２０】
放熱部３に用いる伝熱材料は、融雪を必要とする路面等を全体的に覆うことが好ましく、形状としては板状又はシート状であることが好ましい。材質としては、前記の炭素又は黒鉛を主体とする材料、耐食性を備えた金属材料又は金属複合体材料、或いは炭化珪素又は窒化アルミニウム等のセラミック材料等を使用することができる。また、熱伝導部４及び放熱部３において、共にシート状伝熱材料を使用する場合には、同一材料を連続して使用すると簡便に施工することができる。
【００２１】
集熱部２に用いる伝熱材料の形状や材質は特に限定されない。上述の材料を適宜使用することができる。熱源として地中５に埋設された水道管等を利用する場合には、熱伝導部４の伝熱材料を延長して、水道管などの外表面に直接密着させることが好ましい。特に、熱伝導部４に使用する伝熱材料がシート状である場合には、簡便に施工することができる。なお、集熱部２と熱伝導部４との境界等において、伝熱材料の接合が必要となる場合には、接着剤による接着、嵌合、ネジ込み等を適宜採用することができる。
【００２２】
熱伝導部４の伝熱材料は、必要に応じて断熱することが好ましい。例えば、地表から熱源までの距離に対して融雪すべき路面等の幅が狭い場合には、伝熱材料から土壌への放熱が、融雪すべき範囲からはずれた方向に放散する可能性があるので、断熱が必要となる。しかし、地表から熱源までの距離に対して融雪すべき路面等の幅が広い場合には、断熱を必要としないことが多い。その理由は次の通りである。
▲１▼ 熱源から地表に至るまでの伝熱材料の温度分布は、土壌における温度分布と大きな差を生じないこと。
▲２▼ 土壌の熱伝導率が低いこと。
▲３▼ 伝熱材料から土壌への放熱があったとしても、その熱は地表へ向かうことになるので、融雪に対して無駄にならないこと。
また、放熱部３の下面については原則として断熱を行わないが、熱の放散が明らかに考えられる場合には断熱を行う。
【００２３】
この実施の形態による融雪装置１は、地下熱源を利用することを原則とするが、エネルギーを供給して融雪することを併用することも可能である。例えば、放熱部３の伝熱材料の下に伝熱ヒーター等（図示せず）を設置してもよい。この場合においても、何ら無駄とはならないからである。なお、このような場合には、熱の放散と断熱について十分に検討を行う必要がある。
【００２４】
＜実施例１＞
伝熱材料として炭素板、及び炭素繊維を一方向に配向してエポキシ樹脂を含浸させたシート材を用意し、次の条件で融雪装置を形成した。

集熱部を地下５ｍ、温度１３・６℃の地中に埋めて融雪試験を行った。炭素板と炭素繊維シートとの接合は、エポキシ樹脂を用いて接着した。また、放熱部の炭素板は、その上面に歩道用の滑り止めシートを接着し、その下面は発泡ポリスチレン及び発泡ポリエチレンを用いて断熱した。このように試験装置では、地表から熱源までの距離に対して放熱部の面積が小さいために、断熱を行う必要がある。一昼夜放置して試験の結果、外気温度−１０℃で新雪約３０ｍｍの積雪があったが、放熱部では完全な融雪が確認された。
【００２５】
＜実施例２＞
伝熱材料として炭素板、銅板、及び樹脂被覆撚銅線を用意し、次の条件で融雪装置を形成した。

集熱部を地下４ｍ、温度１０．５℃の地中に埋めて融雪試験を行った。放熱部の銅板は、全表面に２００μｍの無機ガラスコーティングを施工し、耐食性を備える材料とした。また、銅板の上面には歩道用の滑り止めシートを接着し、その下面は発泡ポリスチレン及び発泡ポリエチレンを用いて断熱した。二昼夜放置して試験の結果、外気温度−５℃で、こしまり雪（１００ｋｇ／ｍ^３）約５０ｍｍの積雪があったが、放熱部では完全な融雪が確認された。
【００２６】
＜実施例３＞
伝熱材料として炭素板、及び黒鉛を一方向に配向させた厚さ１ｍｍの黒鉛シートを２０枚積層したシート材を用意し、次の条件で融雪装置を形成した。

集熱部の伝熱材料は、熱伝導部の伝熱材料を延長して使用し、地下７ｍに埋設された直径約５００ｍｍの下水道管に、長さ５００ｍｍを巻き付けて接着した。下水道管の表面温度は１４．３℃であった。炭素板と黒鉛シートとの接合は、エポキシ樹脂を用いて接着した。また、放熱部の炭素板は、その上面に歩道用の滑り止めシートを接着し、その下面は発泡ポリスチレン及び発泡ポリエチレンを用いて断熱した。一昼夜放置して試験の結果、外気温度−１０℃で新雪（６０ｋｇ／ｍ^３）約２０ｍｍの積雪があったが、放熱部では完全な融雪が確認された。
【００２７】
以上の結果、本発明の融雪装置は、降雪強度１ｍｍ／ｈの場合でも、地下熱源を効率よく利用して昼夜連続して融雪することが可能であり、また凍結を防止することが確認された。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は、前記のように構成したことにより、高熱伝導率の伝熱材料からなる集熱部によって広範囲から熱を採取し、この採取した熱を高熱伝導率の伝熱材料からなる熱伝導部によって効率良く放熱部に輸送し、この熱を高熱伝導率の伝熱材料からなる放熱部によって広範囲に放散させることができることになる。従って、地表から比較的浅い場所の地熱等を地下熱源として利用する場合であっても、十分な融雪能力が得られることになる。
また、集熱部、熱伝導部、及び放熱部をシート状とすることにより、製作及び施工が簡単となるので、設置費用を安価に抑えることができることになる。
さらに、エネルギーの供給が不要で、安全性が高く、維持管理を行う必要がないので、ランニングコストを安く抑えることができ、経済的に有利なものを提供することができることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による融雪装置の一実施の形態を示した概略図である。
【符号の説明】
１……融雪装置
２……集熱部
３……放熱部
４……熱伝導部
５……地中

Claims

地中の熱を採取する集熱部、地表付近で熱を放散する放熱部及び集熱部と放熱部とを連結する熱伝導部で構成される融雪装置であって、前記集熱部、放熱部及び熱伝導部が、何れも１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する伝熱材料で構成されることを特徴とする融雪装置。
前記放熱部の伝熱材料が、板状又はシート状であることを特徴とする請求項１に記載の融雪装置。
前記熱伝導部の伝熱材料が、炭素又は黒鉛を主体とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の融雪装置。
前記熱伝導部の伝熱材料が、１００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の融雪装置。
前記熱伝導部の伝熱材料が、シート状であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の融雪装置。
前記集熱部の伝熱材料が、前記熱伝導部と同一の伝熱材料であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の融雪装置。
前記放熱部の伝熱材料が、前記熱伝導部と同一の伝熱材料であることを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の融雪装置。