JP4010642B2 - 原位置地盤凍結用冷媒の循環装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原位置地盤凍結サンプリング法の実施に使用される地盤凍結用冷媒の循環装置（地盤凍結装置）の技術分野に属し、更に云えば、冷媒にエタノールを使用し、この冷媒を閉回路システムで強制的に循環させるエタノール法循環装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、砂質または礫質地盤の地盤調査のために高品質の乱されない試料を採取する手段として、例えば本出願人が所有する特許第１７０９０２９号（特公平３ー８０２３７号）、特許第１７６８５４９号（特公平４ー５２８０３号）、特許第１７６８５５０号（特公平４ー５２８４０号）公報に開示した、原位置地盤を凍結する凍結サンプリング方法が公知であり、実用に供されている。
【０００３】
上記凍結サンプリング方法の実施にあたり、地盤凍結用の冷媒としては、（１）液体窒素、（２）エタノールとドライアイスの混合液、（３）ブライン、の３種類が一般的に使用される。
上記（１）の液体窒素は、マイナス１９６℃と前記３種類の冷媒中でもっとも低温の冷媒物質であるが、液体窒素の単価は高く、法規により管理者の常駐義務が課せられており、タンクローリーの常駐費用等の負担もあって、凍結コストが高い欠点がある。
上記（３）のブラインは、マイナス３０℃程度の冷媒で、液体窒素に比して凍結所要時間（工期）が大幅に長引くと共に冷媒循環装置を運転するための電源の確保、及び保守管理の人件費が嵩む欠点がある。
上記（２）のエタノールとドライアイスの混合液は、冷媒としての循環温度がマイナス７０℃前後で、液体窒素には劣るものの、ブラインに対しては数倍に高い冷却能力がある。しかも冷媒として使用する、エタノール（又はメタノールでも可）とドライアイスの混合液は安価であるため、全体の凍結コストを大幅に節約できる。
【０００４】
そこで従来、上記のように安価に、手軽に（法的規制を受けることなく）入手して使用できる「エタノールとドライアイスの混合液」を原位置地盤凍結用の冷媒に使用した循環装置を、本出願人所有の実用新案登録第１９８０５３９号（実開平４ー４７３３３号）公報に開示している。
前記循環装置を簡単に説明すると、図４に例示したように、原位置地盤１の地中に埋設された「凍結管」を構成する往路側の凍結用内管２の上端はガス抜き用に大気に開放されている。同凍結用内管２とは下端部で連通する復路側の凍結用外管５の上端部は地上に設置した冷媒受け槽６と接続し、地盤の冷却に供した後の戻り冷媒を一時的に貯める構成とされている。地上の前記冷媒受け槽６よりも高い位置に設けた冷媒供給槽４と、前記凍結用内管２の上部とが供給管３で接続されている。前記の冷媒受け槽６と冷媒供給槽４とは、中間に循環ポンプ１１を設けた冷媒戻し管１０で接続されている。冷媒戻し管１０と冷媒供給槽４との接続位置は、冷媒供給槽４に収容された冷媒７の液面よりも十分に高い位置とし、エタノールとドライアイスの混合液中のドライアイスが発生するガスを分離可能としている。そして、冷媒供給槽４内の冷媒液面と、冷媒受け槽６内の冷媒液面との液面差Ｈを利用した重力作用で冷媒を凍結管へ循環させ、凍結管の外周に一定厚さの凍結土１´を形成する構成である。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】
従来の図４に示したエタノールとドライアイスの混合液を冷媒とする循環装置は、冷媒供給槽４と冷媒受け槽６のそれぞれに収容した冷媒７の液面差Ｈを動力源として冷媒を循環させ地盤の凍結を進める構成であるが、前記の液面差Ｈは冷媒７の循環流動を伴うため定常的ではなく、むしろ不安定に大小に変化する傾向がある。その結果、冷媒の循環流量も変化するので、凍結管による地盤の凍結能力も変化して設計通りに地盤凍結を達成できない場合があり、現場における手順が乱れ工期が長引く問題がある。
【０００６】
しかも冷媒戻し管１０に設置した循環ポンプ１１は、もともと低温流体であると送給能力が半分ぐらいまで低下する上に、冷媒受け槽６へ回帰した冷媒７、即ち、液体としてのメタノールと、固体であるドライアイス、及びドライアイスが発生するガスの所謂３種混合液を送る条件で運転され、当該ポンプの負荷が大きいため、規定通りの流量を送ることができず、ひいては前記の液面差Ｈが不安定に変動する要因にもなっている。
【０００７】
従って、本発明の目的は、冷媒は純粋に液体のみ（エタノール）の循環であり、この冷媒を循環ポンプにより強制的に必要流量を安定的に凍結管へ送る構成であり、よって設計したとおりの冷却能力を発揮せしめ、ひいては凍結所要時間（工期）を短縮できる原位置地盤凍結用冷媒の循環装置を提供することである。
本発明の次の目的は、冷却槽の大きさ、または数量の調整が容易に可能で、冷媒の流量及び冷媒温度の調整が容易に可能な原位置地盤凍結用冷媒の循環装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するための手段として、請求項１記載の発明に係る原位置地盤凍結用冷媒の循環装置は、
地盤凍結用冷媒としてエタノールを用いること、
原位置地盤中に埋設された凍結管Ａにおける凍結用外管５の上端部は密閉構造とされ、同凍結用外管５の上部に接続された冷媒の戻り管１２は断熱構造容器で中継用の補助タンク１３と接続され、同補助タンク１３に接続した吸い揚げ管１４ａを通じて冷媒としてのエタノールを吸い揚げて循環させる循環ポンプ１４の吐出側配管１５は、冷媒冷却槽１６内に設けた冷却コイル１７を経て、前記凍結管Ａの凍結用内管２と接続されていること、
前記冷媒冷却槽１６の中には、冷却コイル１７内を流通するエタノールの冷却剤１８として、エタノールとドライアイスの混合液が投入されており、
前記冷媒冷却槽１６には、冷却剤１８を構成するドライアイスを、当該冷却剤１８の温度を検出する温度センサー２２の測定値に基いて一定量投入する供給手段が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置において、
冷媒冷却槽１６の開閉自在な蓋１６ａの上にドライアイスボックス１９が設けられ、該ドライアイスボックス１９と直下の冷却槽内との境界部位に開閉自在な仕切板２１が設置されており、前記仕切板２１を開くことでドライアイスボックス１９内のドライアイス２３が冷却槽１６内へ投入されること、
ドライアイスボックス１９内には、１回分相当量のドライアイスが、又は複数回分のドライアイス２３が区分けして用意されていることを特徴とする。
請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置において、
仕切板２１を開閉駆動する電動機構２０が設置されており、冷媒冷却槽１６内に設置した温度センサー２２の測定値に基き、制御装置による前記電動機構２０の駆動制御により、前記仕切板２１を開いてドライアイスボックス１９内のドライアイス２３が自動投入されることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置において、循環ポンプは、水分を含まない不凍性流体の圧力を動力源として駆動されるダイアフラム型ポンプであることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態及び実施例】
次に、図示した本発明の実施形態及び実施例を説明する。
図１には、請求項１記載の発明に係る原位置地盤凍結用冷媒の循環装置の回路図を示している。
原位置地盤１中に埋設された凍結管Ａを構成する凍結用外管５はその上端部を完全に密閉され、同上部に接続された冷媒の戻り管１２は断熱構造容器として構成された中継用の補助タンク１３における第１槽部１３ａと接続されており、回帰した冷媒（エタノール）は第１槽部１３ａへ次々と放流される。前記補助タンク１３の第１槽部１３ａとは溢流堰１３ｃで仕切られた隣の第２槽部１３ｂに循環ポンプ１４の吸い揚げ管１４ａが接続され、同循環ポンプ１４が冷媒としてのエタノールを吸い揚げ強制的に循環させる。同循環ポンプ１４の吐出側の配管１５は、冷媒の冷却槽１６内の冷却コイル１７を経て、前記原位置地盤１中に埋設された凍結管Ａの凍結用内管２と接続され、冷媒循環の閉回路が構成されている。冷媒としてのエタノールは、前記の循環ポンプ１４の能力にしたがって強制的に凍結管Ａを循環され、地盤１の凍結が急速に行われる。
【００１２】
本発明の場合、冷媒としてのエタノールは、冷媒冷却槽１６内の冷却コイル１７を通過する間に、同冷媒冷却槽１６に収容された冷却剤１８によりマイナス約７０℃の温度に冷却されてから、地盤の凍結に供される。冷媒冷却槽１６の中には、冷却コイル１７の冷却剤１８としてエタノールとドライアイスの混合液が投入され使用されている。従って、凍結用内管２へはおよそマイナス７０℃程度の冷媒が供給される。同冷媒が地盤の凍結作用を終えて凍結外管５から補助タンク１３へ回帰した冷媒温度はおよそマイナス４０℃ぐらいまで上昇している。このような次第で、冷媒冷却槽１６内の冷却剤１８の温度も次第に上昇するので、規模によっては数日に及ぶ地盤の凍結工期の間は、冷却剤１８の温度を計測しつつ、１日当たり２回ぐらい昼夜を問わずドライアイスを供給して冷却剤温度の維持を図る管理者の存在が必要となる。
【００１３】
そこで上記した地盤凍結期間中の管理者の常駐を必要なくする手段として、図２および図３に詳細を示したように、冷媒冷却槽１６の構造を次のように構成した。
この冷媒冷却槽１６は、高さが１２０センチメートルぐらいの大きさで、その開閉自在な蓋１６ａの上にドライアイスボックス１９を一体的に設け、このドライアイスボックス１９と直下の冷媒冷却槽内との境界部分に、電動機構２０で開閉される仕切板２１が設置されている。また、冷媒冷却槽１６内の上下の複数箇所に冷却剤１８の温度を計測する温度センサー２２が設置されている。
図示を省略した制御装置の働きにより、冷却剤１８の温度を検出した温度センサー２２の測定値が許容範囲以上（例えばマイナス６５℃ぐらい）に上昇すると、電動機構２０が作動して仕切板２１が全開とされ、ドライアイスボックス１９内に収容したドライアイス２３を直下の冷媒冷却槽１６内へ自動投入する供給手段が付設されている。
ドライアイスボックス１９内へ１回分相当量のドライアイス２３を投入しておけば、１/２日分の常駐管理は無用となる。或いはドライアイスボックス１９内に、複数回分のドライアイスを区分けして投入しておけば、更に長期間の有人管理が無用となる。また、電動機構２０による仕切板２１の開閉動作に際し、同時に加振機構を連動させ、もってドライアイス２３の落下を振動の付与によって確実にする工夫も好ましい。温度センサー２２による冷却剤温度の計測のバラツキを未然に防止するため、冷却槽１６の中には、タイマーにより一定時間おきに作動する対流ポンプ２５が設置されている。図２中の符号２４はドライアイスが発生する炭酸ガスを放出するため蓋１６ａに設けた孔である。また、図３中の符号１７ａ、１７ｂは冷却コイル１７への出入口（管継手）である。
【００１４】
いずれにしても本発明の場合、循環ポンプ１４は、メタノール（液体）のみから成る冷媒を強制循環させるので、それが低温物質であるという負担はあるとしても、従来のような気体、液体、固体の３種混合液を送る場合の負荷に比較すれば遙かに小さい負荷で運転することができ、その分循環ポンプ１４は本来の能力を発揮して大量の冷媒を循環させ、地盤を急速に凍結して凍結所要時間（工期）の短縮を達成できる。循環ポンプ１４の吐出側の配管１５を複数の冷却槽１６の冷却コイル１７と直列又は並列に接続し、又は前記接続態様をバルブの操作等によって調整することにより、冷媒の流量、温度の調整を広範に行うことができ、地盤の凍結を制御可能である。
【００１５】
次に、前記の地盤凍結用冷媒の循環ポンプ１４には、本出願人が所有する特許第２７１９６１４号の発明に係るダイアフラム型ポンプが好適に使用される。のみならず、当該循環ポンプ１４の動力源としては、旧来の圧縮空気に代えて、水分を一切含まない窒素ガスを圧縮したものが好適に使用される（請求項４記載の発明）。何故なら、多かれ少なかれ必ず水分が含まれている圧縮空気を動力源に使用すると、前記特許発明のように肝心な部分を面状ヒータの如き加温手段で暖めてもなお、マイナス４０℃以下の冷媒の循環に長らく使用すると、水分の凍結による弊害を避けられず、ポンプの能力低下は必至である。この点、水分を含まない窒素ガスを使用すると、水分凍結の弊害は無いに等しいのである。
【００１６】
【本発明が奏する効果】
請求項１〜４記載の発明に係る原位置地盤凍結用冷媒の循環装置によれば、冷媒を循環ポンプにより閉回路内で強制循環させるので、同循環ポンプの能力ないしその制御として、地盤凍結を確実に操作できる。しかも、冷媒はエタノール単独であるため、循環ポンプの負担が少なく、大量の冷媒を強制循環して、地盤凍結の所要時間（工期）を短縮できる。
【００１７】
また、冷却槽の大きさ、数量を調整することにより、冷媒の温度、流量を調整することが容易に可能であり、この意味でも地盤凍結の設計及び制御を広範に可能ならしめる。
その上、冷却槽にドライアイスを一定量自動投入する供給手段を付設することにより、凍結期間中の管理者の常駐の必要をなくし、省人化によるコストダウンを図ることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明に係る循環装置の回路図である。
【図２】冷却槽の垂直断面図である。
【図３】冷却槽の蓋を開いた側面図である。
【図４】従来の循環装置を示した断面図である。
【符号の説明】
Ａ 凍結管
５ 凍結用外管
１２ 戻り管
１３ 補助タンク
１４ａ 吸い揚げ管
１４ 循環ポンプ
１５ 吐出側配管
１６ 冷却槽
１７ 冷却コイル
２ 凍結用内管
１８ 冷媒（エタノールとドライアイスの混合液）
２２ 温度センサー
１９ ドライアイスボックス
２０ 電動機構
２１ 仕切板

Claims (4)

1. 地盤凍結用冷媒としてエタノールを用いること、
   原位置地盤中に埋設された凍結管における凍結用外管の上端部は密閉構造とされ、同凍結用外管の上部に接続された冷媒の戻り管は断熱構造容器で中継用の補助タンクと接続され、同補助タンクに接続した吸い揚げ管を通じて冷媒としてのエタノールを吸い揚げて循環させる循環ポンプの吐出側の配管は、冷媒冷却槽内に設けた冷却コイルを経て、前記凍結管の凍結用内管と接続されていること、
   前記冷媒冷却槽の中には、冷却コイル内を流通するエタノールの冷却剤として、エタノールとドライアイスの混合液が投入されており、
   前記冷媒冷却槽には、冷却剤を構成するドライアイスを、当該冷却剤の温度を検出する温度センサーの測定値に基いて一定量投入する供給手段が設けられていることを特徴とする、原位置地盤凍結用冷媒の循環装置。
2. 冷媒冷却槽の開閉自在な蓋の上にドライアイスボックスが設けられ、該ドライアイスボックスと直下の冷却槽内との境界部位に開閉自在な仕切板が設置されており、前記仕切板を開くことでドライアイスボックス内のドライアイスが冷却槽内へ投入されること、
   ドライアイスボックス内には、１回分相当量のドライアイスが、又は複数回分のドライアイスが区分けして用意されていることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置。
3. 仕切板を開閉駆動する電動機構が設置されており、冷媒冷却槽内に設置した温度センサーの測定値に基き、制御装置による前記電動機構の駆動制御により、前記仕切り板を開いてドライアイスボックス内のドライアイスが自動投入されることを特徴とする、請求項１又は２に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置。
4. 循環ポンプは、水分を含まない不凍性流体の圧力を動力源として駆動されるダイアフラム型ポンプであることを特徴とする、請求項１に記載した原位置地盤凍結用冷媒の循環装置。

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