JP6337405B2 - 地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット - Google Patents
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Description
本発明は、地下水及び地下ガスの状況を継続的に監視することを可能にする、地中の気液混合流体の観測装置に用いるのに好適なガス精製・排出ユニットに関する。
従来から、地殻変動特に地震予知に関する研究は各方面において盛んに行われているが、地震予知の難しさは未だ克服されていないのが実情である。
ところで、これらの研究成果の一つとして、観測井から採取した各種のガス及びイオン（水素ガス,ヘリウムガス,一酸化炭素,二酸化炭素,水素イオン及び炭酸水素イオンなど）の観測値が震源の浅い地震に対して応答した場合、それらの発生量が地震性破壊に伴う破壊表面積および破壊に伴う間隙率の増加に関係あることが分っている。また、近年、温泉水等の化学組成及びガス組成の変動も地震との関連が明らかにされてきた。
本件出願人は、この研究成果に基づいて、地震予知等のために、地下水及び地下ガスの継続的な監視を行うことを可能にする装置として、次の特許文献１に記載の地中の気液混合流体の観測装置を提案している。
図３は特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置の全体構成例を示す概略図である。
特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置は、水とガスとの混合流体を汲み上げる揚水手段（採取管Ｐ１及びチュービングポンプＣＰ）と、汲み上げられた水とガスとを分離する気液分離手段と、気液分離手段により分離された水の量と水質を測定する水量及び水質測定手段（流量計ＦＭ及び水質測定機ＷＭ）と、気液分離手段により分離されたガスの分析測定手段（質量分析計ＱＭＳ）と、水量及び水質測定手段と分析測定手段による測定データを記録する記録手段（記録装置ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３）とを備えている。
気液分離手段は、揚水手段の吐出側に接続されていて赤外線透過材料よりなる分離筒本体Ｂと、分離筒本体Ｂに接続されていて分離した水を水量及び水質測定手段に輸送するための水輸送管Ｐ２と、分離筒本体Ｂに接続されていて分離したガスを分析測定手段に輸送するためのガス輸送管Ｐ３と、ガス輸送管Ｐ３に設けられた電磁弁ＥＶと、所定位置で分離筒本体Ｂを横切るように赤外光を射出する赤外光射出装置Ｅと、赤外光射出装置Ｅから射出された赤外光を受光する赤外光受光装置Ｒとを有するガス水分離筒ＣＹとを含み、分離筒本体Ｂ内の水位が所定位置よりも上がり、赤外光が遮断されたときに電磁弁ＥＶを閉弁し、所定位置よりも水位が下がり赤外光の遮断が解除されたときに電磁弁を開弁させるように構成されている。図３中、Ｈは掘削孔内に打ち込まれたスリット管、ＰＤＭは差圧計、ＣＴはコールドトラップ、ＰＭは差圧計である。
特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置は、水とガスとの混合流体を汲み上げる揚水手段（採取管Ｐ１及びチュービングポンプＣＰ）と、汲み上げられた水とガスとを分離する気液分離手段と、気液分離手段により分離された水の量と水質を測定する水量及び水質測定手段（流量計ＦＭ及び水質測定機ＷＭ）と、気液分離手段により分離されたガスの分析測定手段（質量分析計ＱＭＳ）と、水量及び水質測定手段と分析測定手段による測定データを記録する記録手段（記録装置ＲＣ１、ＲＣ２、ＲＣ３）とを備えている。
気液分離手段は、揚水手段の吐出側に接続されていて赤外線透過材料よりなる分離筒本体Ｂと、分離筒本体Ｂに接続されていて分離した水を水量及び水質測定手段に輸送するための水輸送管Ｐ２と、分離筒本体Ｂに接続されていて分離したガスを分析測定手段に輸送するためのガス輸送管Ｐ３と、ガス輸送管Ｐ３に設けられた電磁弁ＥＶと、所定位置で分離筒本体Ｂを横切るように赤外光を射出する赤外光射出装置Ｅと、赤外光射出装置Ｅから射出された赤外光を受光する赤外光受光装置Ｒとを有するガス水分離筒ＣＹとを含み、分離筒本体Ｂ内の水位が所定位置よりも上がり、赤外光が遮断されたときに電磁弁ＥＶを閉弁し、所定位置よりも水位が下がり赤外光の遮断が解除されたときに電磁弁を開弁させるように構成されている。図３中、Ｈは掘削孔内に打ち込まれたスリット管、ＰＤＭは差圧計、ＣＴはコールドトラップ、ＰＭは差圧計である。
そして、特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置では、装置の作動開始により、採取管Ｐ１を介してチュービングポンプＣＰにより汲み上げられたスリット管Ｈ内の水とガスの混合流体は、ガス水分離筒ＣＹ内部でガスと水とに分離しながら、水位が上昇する。ガス水分離筒ＣＹ内部の水位が所定水位に達すると、赤外光射出装置Ｅから赤外光受光装置Ｒへ達していた赤外光が遮断されて、電磁弁ＥＶが閉弁する。そして、水は水輸送管Ｐ２により流量計ＦＭを経て水質測定機ＷＭへ、ガスはガス水分離筒ＣＹ上部と電磁弁ＥＶに至るまでのガス輸送管Ｐ３内に溜まって行く。ガス水分離筒ＣＹ上部のガス圧が上昇し、その差圧が差圧計ＰＤＭで計測され、予め設定されている所定圧に達すると、差圧計ＰＤＭから信号が出力され、その出力信号に基づいて電磁弁ＥＶが開弁する。ガス水分離筒ＣＹ上部に貯留されていたガスは、ガス輸送管Ｐ３によりコールドトラップＣＴを経て質量分析計ＱＭＳへ送られ、周知の方法で組成が分析されて、その結果は記録装置ＲＣ３に記録される。また、流量計ＦＭで計測された水量は記録装置ＲＣ１に、水質測定機ＷＭにより計測された値は周知の方法で記録装置ＲＣ２にそれぞれ記録される。
また、電磁弁ＥＶが開弁すると、ガス水分離筒ＣＹ上部のガス圧が徐々に減少し、ガス水分離筒ＣＹ内部の水位が徐々に上昇する。ガス水分離筒ＣＹ内部の水位が所定水位に達すると、赤外光射出装置Ｅから赤外光受光装置Ｒへ達していた赤外光が遮断されて、電磁弁ＥＶが閉弁する。
このようにして作動の一サイクルが終了し、再び上記の作動が開始されて、このサイクルが繰り返される。
また、電磁弁ＥＶが開弁すると、ガス水分離筒ＣＹ上部のガス圧が徐々に減少し、ガス水分離筒ＣＹ内部の水位が徐々に上昇する。ガス水分離筒ＣＹ内部の水位が所定水位に達すると、赤外光射出装置Ｅから赤外光受光装置Ｒへ達していた赤外光が遮断されて、電磁弁ＥＶが閉弁する。
このようにして作動の一サイクルが終了し、再び上記の作動が開始されて、このサイクルが繰り返される。
このため、特許文献１に記載の装置によれば、長期に亘る地下ガス成分及び地下水の水質の監視が可能となり、得られた記録データから、研究成果を参照しながら、地震等の地殻変動を予知したり、温泉の変化等を適確に把握したりすることができる。
しかるに、本件出願人は、更なる研究の結果、特許文献１に記載の装置においては、揚水手段で混合流体を汲み上げ、汲み上げられた混合流体を気液分離手段で水とガスとに分離させた後の、ガスがガス輸送管Ｐ３、コールドトラップＣＴを経て質量分析計ＱＭＳへ送られる構成において、装置の継続運転、分析対象となるガスのノイズ成分、装置の寿命に関する点で、改善の余地があることがわかった。
本発明は、上記従来の課題を解決するために提案されたものであり、装置を継続的に無人運転させることが可能であり、また、分析対象のガスに含まれるバックグラウンドノイズ成分の少ない高精度な分析が可能であり、しかも装置の寿命を延ばすことが可能な地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットを提供することを目的としている。
上記目的を達成するため、本発明による地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットは、水とガスとの混合流体を汲み上げ、汲み上げた混合流体を所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、分離した水の量と水質を測定するとともに、分離したガスの分析測定を行い、これらの測定データを記録する地中の気液混合流体観測装置に用いるガス精製・排出ユニットであって、夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構で連結された第１及び第２の乾燥容器と、気密性を保持しながら、前記混合流体から分離したガスを拡散させて、前記第１の乾燥容器内部に導入するガス導入バルブ機構と、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、前記第１の乾燥容器内部に導入された前記ガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部と、気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離された前記ガスを拡散させて、ガス分析測定手段が備えられた前記第２の乾燥容器内部に移送する前記ガス移送バルブ機構と、高温空気を生成する高温空気生成部と、前記高温空気生成部が生成した高温空気を前記第１の乾燥容器内部、外部に通流させて前記第１の乾燥容器内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構と、前記第２の乾燥容器内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構と、前記ガス導入バルブ機構、前記ガス移送バルブ機構、前記水蒸気排出バルブ機構、前記真空化ポンプバルブ機構の作動を制御するポンプバルブ制御手段とを備えたことを特徴としている。
また、本発明の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットにおいては、さらに、気密性を保持しながら、前記混合流体から分離し拡散したガスのうち前記第１の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス導入バルブ機構が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出する余剰ガス排出ポンプバルブ機構と、気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部から拡散して移送されたガスのうち前記第２の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス移送バルブ機構が備えられている配管内部に残存するガスを排出する第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構と、気密性を保持しながら、前記ガス導入バルブ機構と前記ガス移送バルブ機構との間の配管内部及び前記第１の乾燥容器内部に残存するガスを排出する第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構を備え、前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記余剰ガス排出ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構、前記第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構の作動を制御するのが好ましい。
また、本発明の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットにおいては、ポンプバルブ制御手段は、前記水蒸気排出バルブ機構が水蒸気を排出している間に、前記真空化ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構を作動させてもよい。
また、本発明の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットにおいては、さらに、排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器を有し、前記真空化ポンプバルブ機構が、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスの一部を前記第３の乾燥容器内部に一時的に導く一時的貯留バルブ機構と、前記第３の乾燥容器内部に一時的に貯留されたガスを排出する第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構と、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスを排出する第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を有し、前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記一時的貯留バルブ機構と、前記第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに前記第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するのが好ましい。
本発明によれば、装置を継続的に無人運転させることが可能であり、また、分析対象のガスに含まれるバックグラウンドノイズ成分の少ない高精度な分析が可能であり、しかも装置の寿命を延ばすことが可能な地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットが得られる。
実施例の説明に先立ち、本発明を想到するに至った経緯及び本発明の作用効果について説明する。
本件出願人は、特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置を製作し、現場での試験作動を繰り返した。その結果、揚水手段で混合流体を汲み上げ、汲み上げられた混合流体を気液分離手段で水とガスとに分離させた後の構成に関し、次のような改善すべき課題があることが判明した。
本件出願人は、特許文献１に記載の地中の気液混合流体観測装置を製作し、現場での試験作動を繰り返した。その結果、揚水手段で混合流体を汲み上げ、汲み上げられた混合流体を気液分離手段で水とガスとに分離させた後の構成に関し、次のような改善すべき課題があることが判明した。
特許文献１に記載の装置では、気液分離手段により混合流体から分離されたガスが、ガス輸送管Ｐ３によりコールドトラップＣＴを経由して質量分析計ＱＭＳに送り込まれる構成となっている。
混合流体から分離したガスには水蒸気が含まれており、そのままガスを分析測定すると、水蒸気がノイズ成分となってガスの分析精度が悪くなる。高精度なガスの分析を行うためには、質量分析計に送り込む前に混合流体から分離したガスから水蒸気を除去する必要がある。
コールドトラップは、内部を通過するガスに含まれる水蒸気を、冷却し凍結等することによって、ガスから分離させる装置である。コールドトラップとしては、例えば、液体窒素等の冷却媒体を用いたものや、ペルティエ素子を用いて電子冷却するものが知られている。
コールドトラップは、内部を通過するガスに含まれる水蒸気を、冷却し凍結等することによって、ガスから分離させる装置である。コールドトラップとしては、例えば、液体窒素等の冷却媒体を用いたものや、ペルティエ素子を用いて電子冷却するものが知られている。
ところで、コールドトラップは、ガスから分離させた氷等の物質を内部に溜め込む構成となっているため、所定時間経過後には、内部に溜め込んだ氷をヒータで加熱して除去する等、コールドトラップを再生するためのメンテナンス処理が必要となる。
一般に、コールドトラップを再生するためのメンテナンス処理は、コールドトラップをガスの配管から取り外して行われる。
一般に、コールドトラップを再生するためのメンテナンス処理は、コールドトラップをガスの配管から取り外して行われる。
しかし、メンテナンスの際に、コールドトラップをガスの配管から取り外したのでは、作業が煩雑化する上、メンテナンス作業が終了したコールドトラップをガスの配管に取り付け終えるまでに多くの期間を要する。
しかも、液体窒素等の冷却媒体を用いたコールドトラップでは、ガスに含まれる水蒸気を冷却・凍結してガスから分離させる処理を長期間行うことができない。
このため、液体窒素等の冷却媒体を用いたコールドトラップを特許文献１に記載の装置に用いた場合、装置の継続的な無人運転を行うことができない。
また、コールドトラップの冷却媒体として液体窒素を用いるとコスト高となる上、取り扱いが不便で使用上の安全性に支障を来たし易い。しかも、コールドトラップの再生処理において、氷を除去するまでに長時間を要する。
しかも、液体窒素等の冷却媒体を用いたコールドトラップでは、ガスに含まれる水蒸気を冷却・凍結してガスから分離させる処理を長期間行うことができない。
このため、液体窒素等の冷却媒体を用いたコールドトラップを特許文献１に記載の装置に用いた場合、装置の継続的な無人運転を行うことができない。
また、コールドトラップの冷却媒体として液体窒素を用いるとコスト高となる上、取り扱いが不便で使用上の安全性に支障を来たし易い。しかも、コールドトラップの再生処理において、氷を除去するまでに長時間を要する。
また、ペルティエ素子を用いて電子冷却するコールドトラップでは、ペルティエ素子自体の放熱量が大きく冷却のための電力効率が悪い。本件出願人がペルティエ素子を用いたコールドトラップを地中の気液混合流体観測装置に設けて作動試験をしたところ、排熱処理が難しく、吸熱部で十分な低温が供給できず、ガスに含まれる水蒸気を凍結するための処理に困難を来たした。
また、コールドトラップの再生処理においてペルティエ素子が高温に晒されることで、素子自体が破損や焼損し、或いは早期に劣化して素子の寿命が短くなるおそれがある。
また、コールドトラップの再生処理においてペルティエ素子が高温に晒されることで、素子自体が破損や焼損し、或いは早期に劣化して素子の寿命が短くなるおそれがある。
また、観測装置の配管内部に水蒸気が残存していると、配管内部に錆が生じて装置の寿命が短くなる。装置の寿命を延ばすためには、配管内部に残存する水蒸気を排出することが必要となる。
加えて、ガスの分析精度をより一層高精度なものにするには、観測装置の配管全域における水蒸気以外の不純物も除去することが望ましい。
加えて、ガスの分析精度をより一層高精度なものにするには、観測装置の配管全域における水蒸気以外の不純物も除去することが望ましい。
地中の気液混合流体観測装置を用いた観測は、長期間継続的に行うことが求められる。このため、観測装置を継続的に無人運転させ続けることができ、しかも、上述したようなメンテナンス作業を行う際も、極力人手をかけずに簡単に切り替えることができるようにすることが望まれる。
本件出願人は、上記課題を解消すべく、試行錯誤を重ねた結果、本発明の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットを想到するに至った。
本発明の地中の気液混合流体観測装置用精製・排出ユニットは、水とガスとの混合流体を汲み上げ、汲み上げた混合流体を所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、分離した水の量と水質を測定するとともに、分離したガスの分析測定を行い、これらの測定データを記録する地中の気液混合流体観測装置に用いるガス精製・排出ユニットであって、夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構で連結された第１及び第２の乾燥容器と、気密性を保持しながら、前記混合流体から分離したガスを拡散させて、前記第１の乾燥容器内部に導入するガス導入バルブ機構と、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、前記第１の乾燥容器内部に導入された前記ガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部と、気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離された前記ガスを拡散させて、ガス分析測定手段が備えられた前記第２の乾燥容器内部に移送する前記ガス移送バルブ機構と、高温空気を生成する高温空気生成部と、前記高温空気生成部が生成した高温空気を前記第１の乾燥容器内部、外部に通流させて前記第１の乾燥容器内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構と、前記第２の乾燥容器内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構と、前記ガス導入バルブ機構、前記ガス移送バルブ機構、前記水蒸気排出バルブ機構、前記真空化ポンプバルブ機構の作動を制御するポンプバルブ制御手段とを備える。
本発明の地中の気液混合流体観測装置用精製・排出ユニットは、水とガスとの混合流体を汲み上げ、汲み上げた混合流体を所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、分離した水の量と水質を測定するとともに、分離したガスの分析測定を行い、これらの測定データを記録する地中の気液混合流体観測装置に用いるガス精製・排出ユニットであって、夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構で連結された第１及び第２の乾燥容器と、気密性を保持しながら、前記混合流体から分離したガスを拡散させて、前記第１の乾燥容器内部に導入するガス導入バルブ機構と、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、前記第１の乾燥容器内部に導入された前記ガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部と、気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離された前記ガスを拡散させて、ガス分析測定手段が備えられた前記第２の乾燥容器内部に移送する前記ガス移送バルブ機構と、高温空気を生成する高温空気生成部と、前記高温空気生成部が生成した高温空気を前記第１の乾燥容器内部、外部に通流させて前記第１の乾燥容器内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構と、前記第２の乾燥容器内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構と、前記ガス導入バルブ機構、前記ガス移送バルブ機構、前記水蒸気排出バルブ機構、前記真空化ポンプバルブ機構の作動を制御するポンプバルブ制御手段とを備える。
スターリングエンジンは、密閉された容器内の気体を外部から加熱・冷却し、膨張・収縮させることによって、仕事のエネルギーを得る外燃機関である。スターリグエンジンを用いた冷却機構は、スターリングエンジンにおけるエンジン本体を他のエネルギー源を用いて駆動することで、冷却側を冷却器として用いたものである。
しかるに、本発明のガス精製・排出ユニットのように、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、第１の乾燥容器内部に導入されたガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部を備えれば、液体窒素やペルティエ素子を用いたコールドトラップを設けずに済む。その結果、液体窒素を用いたコールドトラップを設けた場合と比べて、加熱して氷を除去するまでに時間や消費電力が少なくて済む。しかも、液体窒素と比べてコストが抑えられ、取り扱いやすく作業上の安全性も確保できる。また、ペルティエ素子を用いて電子冷却するコールドトラップを設けた場合のような素子自体が破損や焼損することがない。さらに、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備えたガス冷却部によれば、液体窒素等を用いたコールドトラップとは異なり、作動のＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことによって、ガスに含まれる水蒸気の分離を長期間継続して行うことができるため、観測装置の継続的な無人運転を行うことができる。しかも、スターリングエンジンを用いた冷却機構は、小型で、十分に低温を供給できる。
しかるに、本発明のガス精製・排出ユニットのように、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、第１の乾燥容器内部に導入されたガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部を備えれば、液体窒素やペルティエ素子を用いたコールドトラップを設けずに済む。その結果、液体窒素を用いたコールドトラップを設けた場合と比べて、加熱して氷を除去するまでに時間や消費電力が少なくて済む。しかも、液体窒素と比べてコストが抑えられ、取り扱いやすく作業上の安全性も確保できる。また、ペルティエ素子を用いて電子冷却するコールドトラップを設けた場合のような素子自体が破損や焼損することがない。さらに、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備えたガス冷却部によれば、液体窒素等を用いたコールドトラップとは異なり、作動のＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことによって、ガスに含まれる水蒸気の分離を長期間継続して行うことができるため、観測装置の継続的な無人運転を行うことができる。しかも、スターリングエンジンを用いた冷却機構は、小型で、十分に低温を供給できる。
また、本発明のガス精製・排出ユニットのように、上記のガス冷却部とともに、夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構で連結された第１及び第２の乾燥容器と、気密性を保持しながら、混合流体から分離したガスを拡散させて、第１の乾燥容器内部に導入するガス導入バルブ機構と、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離されたガスを拡散させて、ガス分析測定手段が備えられた第２の乾燥容器内部に移送するガス移送バルブ機構と、高温空気を生成する高温空気生成部と、高温空気生成部が生成した高温空気を第１の乾燥容器内部、外部に通流させて第１の乾燥容器内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構と、ガス導入バルブ機構、ガス移送バルブ機構、水蒸気排出バルブ機構の作動を制御するポンプバルブ制御手段を備えれば、混合流体から分離したガスの第１の乾燥容器内部への導入からガス分析測定手段が備えられた第２の乾燥容器２内部への移送までのガスの配管内にポンプを設けることなく、バルブ機構に備わるバルブの開閉制御のみで、混合流体から分離したガスの第１の乾燥容器内部への導入〜第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離されたガスのガス分析測定手段が備えられた第２の乾燥容器内部への移送と、液化又は固化した第１の乾燥容器内部の水蒸気の排出を行うことができる。このため、ポンプ等から入り込む空気を起因とした、ガス分析測定手段で測定したときのガスに含まれるバックグラウンドノイズ成分がなく、高精度にガスを分析できる。また、配管内部に残存する水蒸気が排出されることにより、装置の寿命を延ばすことができる。しかも、第１の乾燥容器を再生するためのメンテナンス作業の際に、ガス冷却部を取り外さずに済み、メンテナンス作業も極力無人化状態で運転できるようになる。
また、本発明のガス精製・排出ユニットのように、第２の乾燥容器内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構を備えれば、第２の乾燥容器内部を真空にすることで、第１の乾燥容器から水蒸気を除去されて送られてくるガスに対し、バックグラウンドノイズ成分を混在させることなくガス分析測定手段で測定させることができ、より高精度にガスの分析ができるようになる。
また、本発明のガス精製・排出ユニットにおいては、さらに、気密性を保持しながら、前記混合流体から分離し拡散したガスのうち前記第１の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス導入バルブ機構が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出する余剰ガス排出ポンプバルブ機構と、気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部から拡散して移送されたガスのうち前記第２の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス移送バルブ機構が備えられている配管内部に残存するガスを排出する第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構と、気密性を保持しながら、前記ガス導入バルブ機構と前記ガス移送バルブ機構との間の配管内部及び前記第１の乾燥容器内部に残存するガスを排出する第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構を備え、前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記余剰ガス排出ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構、前記第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構の作動を制御するのが好ましい。
このようにすれば、ガスの分析精度をより一層高精度なものにするための、観測装置の配管全域における水蒸気以外の不純物の除去も、観測装置の継続的な無人運転により自動的に行うことができる。
このようにすれば、ガスの分析精度をより一層高精度なものにするための、観測装置の配管全域における水蒸気以外の不純物の除去も、観測装置の継続的な無人運転により自動的に行うことができる。
また、本発明のガス精製・排出ユニットにおいては、前記ポンプバルブ制御手段は、前記水蒸気排出バルブ機構が水蒸気を排出している間に、前記真空化ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるようにしてもよい。
また、本発明のガス精製・排出ユニットにおいては、さらに、排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器を有し、前記真空化ポンプバルブ機構が、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスの一部を前記第３の乾燥容器内部に一時的に導く一時的貯留バルブ機構と、前記第３の乾燥容器内部に一時的に貯留されたガスを排出する第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構と、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスを排出する第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を有し、前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記一時的貯留バルブ機構と、前記第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに前記第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するのが好ましい。
真空化ポンプバルブ機構に備わる第２の乾燥容器内部を真空化するためのポンプは、ターボ分子ポンプで構成される。
ターボ分子ポンプは、高速回転するタービン翼と静止した固定翼とを多段に組み合わせて構成され、タービン翼を高速回転させて気体分子を弾き飛ばすことによりガスを排気することで、容器を真空化することを可能にしたポンプである。しかるに、ターボ分子ポンプは、効率的に排気しないとターボ分子ポンプの下流が高密度になって熱変形が生じ、また、圧力が急激に変化すると破損するおそれがある。このため、一般にターボ分子ポンプを用いる場合には、排気を補助するための補助ポンプとしてロータリーポンプが用いられる。
しかし、ターボ分子ポンプは、動作圧力に制限があり、第２の乾燥容器内部に貯留するガスの濃度が高い場合等、ガスの抵抗が大きいと負荷が大きくなりすぎタービン翼が高速で作動しない。
ターボ分子ポンプは、高速回転するタービン翼と静止した固定翼とを多段に組み合わせて構成され、タービン翼を高速回転させて気体分子を弾き飛ばすことによりガスを排気することで、容器を真空化することを可能にしたポンプである。しかるに、ターボ分子ポンプは、効率的に排気しないとターボ分子ポンプの下流が高密度になって熱変形が生じ、また、圧力が急激に変化すると破損するおそれがある。このため、一般にターボ分子ポンプを用いる場合には、排気を補助するための補助ポンプとしてロータリーポンプが用いられる。
しかし、ターボ分子ポンプは、動作圧力に制限があり、第２の乾燥容器内部に貯留するガスの濃度が高い場合等、ガスの抵抗が大きいと負荷が大きくなりすぎタービン翼が高速で作動しない。
しかるに、本発明のように、さらに、排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器を有し、真空化ポンプバルブ機構が、第２の乾燥容器内部に貯留されたガスの一部を第３の乾燥容器内部に導く一時貯留バルブ機構と、第３の乾燥容器内部に一時的に貯留されたガスを排出する第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構を有し、ポンプバルブ制御手段が、さらに、一時貯留バルブ機構と、第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するようにすれば、第２の乾燥容器内部の貯留されたガスを少しずつ排出することができ、その少しずつのガスの排出を繰り返すことによって、急激な圧力の変化を抑えながら第２の乾燥容器内部のガスの濃度を低減することができ、ガスの濃度が十分に低減化された後に、第２の乾燥容器内部をターボ分子ポンプの作動により真空化させることができ、ターボ分子ポンプを損傷させずに済む。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものではない。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態は特許請求の範囲に係る本発明を限定するものではない。
実施形態
図１は本発明の一実施形態にかかる地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットの構成を示す説明図、図２は図１のガス精製・排出ユニットの要部の配管構成を示す説明図である。
本実施形態のガス精製・排出ユニットは、第１乾燥容器１と、第２乾燥容器２と、ガス導入バルブ機構３と、ガス冷却部４と、ガス移送バルブ機構５と、高温空気生成部６と、水蒸気排出バルブ機構７と、真空化ポンプバルブ機構８と、ポンプバルブ制御手段９とを備えている。なお、図１中、Ｌ１はガス導入ライン、Ｌ２はガス冷却ライン、Ｌ３はガス測定ライン、Ｌ４は排気ライン、Ｌ５はガス加熱ライン、Ｖ００〜Ｖ１２は電磁バルブ、ＴＭＰはターボ分子ポンプ、ＲＰ１、ＲＰ２はロータリーポンプ、ＰＧ１、ＰＧ２は圧力計、ＱＭＳは四重極質量分析計、１３は排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器、１４は高温空気を貯留する容器、１５は気液分離筒である。
図１は本発明の一実施形態にかかる地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットの構成を示す説明図、図２は図１のガス精製・排出ユニットの要部の配管構成を示す説明図である。
本実施形態のガス精製・排出ユニットは、第１乾燥容器１と、第２乾燥容器２と、ガス導入バルブ機構３と、ガス冷却部４と、ガス移送バルブ機構５と、高温空気生成部６と、水蒸気排出バルブ機構７と、真空化ポンプバルブ機構８と、ポンプバルブ制御手段９とを備えている。なお、図１中、Ｌ１はガス導入ライン、Ｌ２はガス冷却ライン、Ｌ３はガス測定ライン、Ｌ４は排気ライン、Ｌ５はガス加熱ライン、Ｖ００〜Ｖ１２は電磁バルブ、ＴＭＰはターボ分子ポンプ、ＲＰ１、ＲＰ２はロータリーポンプ、ＰＧ１、ＰＧ２は圧力計、ＱＭＳは四重極質量分析計、１３は排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器、１４は高温空気を貯留する容器、１５は気液分離筒である。
第１の乾燥容器１、第２の乾燥容器２は、夫々、内部が気密性を保持するように構成されている。また、第１の乾燥容器１と第２の乾燥容器２は、電磁バルブＶ０９、Ｖ０６を介して連結されている。
ガス導入バルブ機構３は、電磁バルブＶ１２、Ｖ００、Ｖ０２を有してなり、これらの電磁バルブの開閉により、気密性を保持しながら、気液分離筒１５内部で混合流体から分離したガスを拡散させて、第１の乾燥容器１内部に導入するように構成されている。
ガス冷却部４は、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、第１の乾燥容器１内部に導入されたガスに含まれる水蒸気を、露点以下の温度に下げることによって液化又は固化して、ガスから分離させるように構成されている。
ガス移送バルブ機構５は、電磁バルブＶ０９、Ｖ０６を有してなり、これらの電磁バルブの開閉により、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部の水蒸気が分離されたガスを拡散させて、ガス分析測定手段である四重極質量分析計ＱＭＳが備えられた第２の乾燥容器２内部に移送するように構成されている。
高温空気生成部６は、例えば電気ヒータ等の加熱手段を用いて、容器１４内部に導入された空気を加熱することで高温の空気を生成するように構成されている。
水蒸気排出バルブ機構７は、電磁バルブＶ１０、Ｖ０８、Ｖ０７、Ｖ１１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁により、高温空気生成部６が生成した高温空気を対流させ、さらにはロータリーポンプＲＰ２が牽引してガス冷却ラインＬ２に導き、第１の乾燥容器１内部の液化又は固化した水蒸気を蒸発させて排出するように構成されている。
真空化ポンプバルブ機構８は、電磁バルブＶ０３、Ｖ０４、Ｖ０５、Ｖ０６と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開閉及びポンプの作動により、第２の乾燥容器２内部を真空にするように構成されている。
ポンプバルブ制御手段９は、ガス導入バルブ機構３、ガス移送バルブ機構５、水蒸気排出バルブ機構７、真空化ポンプバルブ機構８の作動を制御するソフトウェアを備えた演算処理装置で構成されている。なお、便宜上、ポンプバルブ制御手段９は図示を省略してある。
ガス導入バルブ機構３は、電磁バルブＶ１２、Ｖ００、Ｖ０２を有してなり、これらの電磁バルブの開閉により、気密性を保持しながら、気液分離筒１５内部で混合流体から分離したガスを拡散させて、第１の乾燥容器１内部に導入するように構成されている。
ガス冷却部４は、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、第１の乾燥容器１内部に導入されたガスに含まれる水蒸気を、露点以下の温度に下げることによって液化又は固化して、ガスから分離させるように構成されている。
ガス移送バルブ機構５は、電磁バルブＶ０９、Ｖ０６を有してなり、これらの電磁バルブの開閉により、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部の水蒸気が分離されたガスを拡散させて、ガス分析測定手段である四重極質量分析計ＱＭＳが備えられた第２の乾燥容器２内部に移送するように構成されている。
高温空気生成部６は、例えば電気ヒータ等の加熱手段を用いて、容器１４内部に導入された空気を加熱することで高温の空気を生成するように構成されている。
水蒸気排出バルブ機構７は、電磁バルブＶ１０、Ｖ０８、Ｖ０７、Ｖ１１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁により、高温空気生成部６が生成した高温空気を対流させ、さらにはロータリーポンプＲＰ２が牽引してガス冷却ラインＬ２に導き、第１の乾燥容器１内部の液化又は固化した水蒸気を蒸発させて排出するように構成されている。
真空化ポンプバルブ機構８は、電磁バルブＶ０３、Ｖ０４、Ｖ０５、Ｖ０６と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開閉及びポンプの作動により、第２の乾燥容器２内部を真空にするように構成されている。
ポンプバルブ制御手段９は、ガス導入バルブ機構３、ガス移送バルブ機構５、水蒸気排出バルブ機構７、真空化ポンプバルブ機構８の作動を制御するソフトウェアを備えた演算処理装置で構成されている。なお、便宜上、ポンプバルブ制御手段９は図示を省略してある。
また、本実施形態のガス分離・生成ユニットは、さらに、余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０と、第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１と、第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２を備えており、ポンプバルブ制御手段９は、これらのガス排出ポンプバルブ機構１０〜１２の作動も制御するように構成されている。
余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０は、電磁バルブＶ０１、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、混合流体から分離し拡散したガスのうち第１の乾燥容器１内部に導入されずにガス導入バルブ機構３が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出するように構成されている。
第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１は、電磁バルブＶ０５、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部から拡散して移送されたガスのうち第２の乾燥容器２内部に導入されずにガス移送バルブ機構５が備えられている配管内部に残存するガスを排出するように構成されている。
第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２は、電磁バルブＶ０９、Ｖ０５、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、ガス導入バルブ機構３とガス移送バルブ機構５との間の配管内部及び第１の乾燥容器１内部に残存するガスを排出するように構成されている。
余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０は、電磁バルブＶ０１、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、混合流体から分離し拡散したガスのうち第１の乾燥容器１内部に導入されずにガス導入バルブ機構３が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出するように構成されている。
第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１は、電磁バルブＶ０５、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部から拡散して移送されたガスのうち第２の乾燥容器２内部に導入されずにガス移送バルブ機構５が備えられている配管内部に残存するガスを排出するように構成されている。
第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２は、電磁バルブＶ０９、Ｖ０５、Ｖ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、これらの電磁バルブの開弁及びポンプの作動により、気密性を保持しながら、ガス導入バルブ機構３とガス移送バルブ機構５との間の配管内部及び第１の乾燥容器１内部に残存するガスを排出するように構成されている。
また、図１のガス分離・生成ユニットでは、真空化ポンプバルブ機構８は、一時的貯留バルブ機構と第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構と、第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を有している。なお、便宜上、それらの機構の符号表示は省略する。
一時的貯留バルブ機構は、電磁バルブＶ０５を有してなり、電磁バルブＶ０５の開閉により、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスの一部を第３の乾燥容器１３内部に一時的に導くように構成されている。
第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構は、電磁バルブＶ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、電磁バルブＶ０４の開閉及びポンプの作動により、第３の乾燥容器１３内部に一時的に貯留されたガスを排出するように構成されている。
第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構は、電磁バルブＶ０３と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスを排出するように構成されている。
そして、ポンプバルブ制御手段９は、さらに、一時的貯留バルブ機構と、第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するように構成されている。
一時的貯留バルブ機構は、電磁バルブＶ０５を有してなり、電磁バルブＶ０５の開閉により、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスの一部を第３の乾燥容器１３内部に一時的に導くように構成されている。
第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構は、電磁バルブＶ０４と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、電磁バルブＶ０４の開閉及びポンプの作動により、第３の乾燥容器１３内部に一時的に貯留されたガスを排出するように構成されている。
第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構は、電磁バルブＶ０３と、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を有してなり、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスを排出するように構成されている。
そして、ポンプバルブ制御手段９は、さらに、一時的貯留バルブ機構と、第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するように構成されている。
さらに、電磁バルブ１２は、気液分離筒１５内部で分離したガスを、ガス導入ラインＬ１の配管内に導入する時に開弁するとともに、気液分離筒１５内部に導入された水が、所定の水位を超えた場合に自動的に閉鎖して、ガス導入ラインＬ１の配管内への水の浸入を防ぐように、ポンプバルブ制御手段９により制御されている。
また、電磁バルブＶ１１は、気液分離筒１５内部で分離したガスをガス導入ラインＬ１の配管内に導入するときに閉弁するように、ポンプバルブ制御手段９により制御されている。
また、気液分離筒１５は、例えば、図２に示すように、耐水電磁バルブの開弁により内部に地下水を導入して、所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、水位センサ（第１及び第２の赤外線センサ）が計測した水位に基づき、水を外部に排出するとともに、電磁バルブＶ１２の開閉作動を介してガス導入ラインＬ１にガスを導入するように構成されている。なお、気液分離筒１５は、図２の構成に限定されるものではなく、地下水を汲み上げて所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離してガス導入することができれば、どのような構成であってもよい。
また、電磁バルブＶ１１は、気液分離筒１５内部で分離したガスをガス導入ラインＬ１の配管内に導入するときに閉弁するように、ポンプバルブ制御手段９により制御されている。
また、気液分離筒１５は、例えば、図２に示すように、耐水電磁バルブの開弁により内部に地下水を導入して、所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、水位センサ（第１及び第２の赤外線センサ）が計測した水位に基づき、水を外部に排出するとともに、電磁バルブＶ１２の開閉作動を介してガス導入ラインＬ１にガスを導入するように構成されている。なお、気液分離筒１５は、図２の構成に限定されるものではなく、地下水を汲み上げて所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離してガス導入することができれば、どのような構成であってもよい。
このように構成された本実施形態のガス精製・排出ユニットでは、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ１２、Ｖ００が開弁すると、気液分離筒１５に溜まっていたガスが、脱水準備領域（ガス導入ラインＬ１における電磁バルブＶ００と電磁バルブＶ０２の間の配管部分）に取り込まれる。脱水準備領域に取り込まれたガスが所定の圧力に到達したことを圧力計ＰＧ１が計測したとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ００が閉弁し、電磁バルブＶ０２が開弁する。電磁バルブＶ０２が開弁すると、脱水準備領域のガスが拡散してガス冷却ラインＬ２に移動し、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部に導入される。その後、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０２はすぐに閉弁する。次いで、ガス冷却部４のスターリングエンジンを用いた冷却機構の作動がＯＮとなり、第１の乾燥容器１内部に導入されたガスは、ガス冷却部４により冷却され、ガスに含まれる水蒸気が、露点以下の温度に下げられて液化又は固化し、ガスから分離して第１の乾燥容器１の内壁に付着する。また、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０２の閉弁後に電磁バルブＶ０１が開弁する。そして、ガス冷却ラインＬ２に導入されずに脱水準備領域に残存する余剰ガスは、電磁バルブＶ０１を通り、排気ラインＬ４の第３の乾燥容器１３に一時的に貯留される。また、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０４が開弁し、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１が作動し、第３の乾燥容器１３の余剰ガスは排出される。
排気ラインＬ４を経由した余剰ガスの排出が終了したとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０１、Ｖ０４が閉弁する。
排気ラインＬ４を経由した余剰ガスの排出が終了したとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０１、Ｖ０４が閉弁する。
ガス冷却ラインＬ２でのガスの冷却が終了後、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０９が開弁する。すると、第１の乾燥容器１内部の、冷却されて水蒸気が分離されたガスは、拡散して電磁バルブＶ０９を通り、ガス測定ラインＬ３における電磁バルブＶ０６と電磁バルブＶ０９の間に移送される。この間、圧力計ＰＧ２が移送されたガスの圧力を計測する。その後、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０９が閉弁し、ガス冷却部４のスターリングエンジンを用いた冷却機構の作動がＯＦＦとなる。
その後、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０６が開弁し、ガスが拡散して電磁バルブＶ０６を通り、第２の乾燥容器２内部に貯留され、四重極質量分析計ＱＭＳを介して組成が分析され、分析結果が図示しない記録装置に記録される。
その後、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０６が開弁し、ガスが拡散して電磁バルブＶ０６を通り、第２の乾燥容器２内部に貯留され、四重極質量分析計ＱＭＳを介して組成が分析され、分析結果が図示しない記録装置に記録される。
ガスの分析測定が終了後、ガス測定ラインＬ３内のガスを排出する。詳しくは、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０６が閉弁するとともに、電磁バルブＶ０３、Ｖ０４、Ｖ０５が開弁する。これにより、第２の乾燥容器２内部に貯留されていたガスは、電磁バルブＶ０３、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。また、ガス測定ラインＬ３におけるバルブＶ０６とバルブＶ０９の間に残存するガスは、電磁バルブＶ０５、第３の乾燥容器１３、電磁バルブＶ０４、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰを経て排出される。
なお、第２の乾燥容器２の容量が大きい場合は、ガスの分析測定が終了後、ポンプバルブ制御手段９の制御により、一旦、電磁バルブＶ０５が開弁して第２の乾燥容器２に貯留されているガスの一部を第３の乾燥容器１３内部に移す。第３の乾燥容器１３内部への一部のガスの移送直後に、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０５が閉弁、電磁バルブＶ０４が開弁し、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て第３の乾燥容器１３内部に貯留されているガスを排出する。第３の乾燥容器１３内部に貯留されているガスの排出直後に、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０４が閉弁する。このポンプバルブ制御手段９による、電磁バルブＶ０５の開弁から電磁バルブＶ０４の閉弁までの電磁バルブＶ０５、Ｖ０４の開閉の時分割切り替え制御は、瞬時に行われ、第２の乾燥容器２内部に貯留されているガスは、少量ずつ分割して排出される。また、ポンプバルブ制御手段９の電磁バルブＶ０５、Ｖ０４の開閉の時分割切り替え制御による、第２の乾燥容器２内部に貯留されているガスの分割排出処理は、第２の乾燥容器２内部に貯留されているガスの量が所定量に減ったことを圧力計ＰＧ２が計測するまで繰り返される。
そして、第２の乾燥容器２内部に貯留されているガスの量が所定量となったことを圧力計ＰＧ２が計測したとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０６が閉弁するとともに、電磁バルブＶ０３が開弁する。これにより、第２の乾燥容器２内部に貯留されていたガスは、電磁バルブＶ０６から第２の乾燥容器２までの配管内に残存するガスと共に、電磁バルブＶ０３、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。また、このとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０５、Ｖ０４が開弁し、ガス測定ラインＬ３における電磁バルブＶ０６と電磁バルブＶ０９の間に残存するガスは、電磁バルブＶ０５、第３の乾燥容器１３、電磁バルブＶ０４、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。
そして、第２の乾燥容器２内部に貯留されているガスの量が所定量となったことを圧力計ＰＧ２が計測したとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０６が閉弁するとともに、電磁バルブＶ０３が開弁する。これにより、第２の乾燥容器２内部に貯留されていたガスは、電磁バルブＶ０６から第２の乾燥容器２までの配管内に残存するガスと共に、電磁バルブＶ０３、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。また、このとき、ポンプバルブ制御手段９の制御により、電磁バルブＶ０５、Ｖ０４が開弁し、ガス測定ラインＬ３における電磁バルブＶ０６と電磁バルブＶ０９の間に残存するガスは、電磁バルブＶ０５、第３の乾燥容器１３、電磁バルブＶ０４、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。
次いで、ガス冷却ラインＬ２に残存しているガスを排出する。詳しくは、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブＶ０９を開弁すると、ガス冷却ラインＬ２に残存するガスは、電磁バルブＶ０９、Ｖ０５、第３の乾燥容器１３、電磁バルブＶ０４、ターボ分子ポンプＴＭＰ、ロータリーポンプＲＰ１を経て排出される。
ガス冷却ラインＬ２に残存しているガスの排出が完了後、ポンプバルブ制御手段９の制御により全ての電磁バルブを閉鎖する。
これにより、ガスの分析測定のための作動の一サイクルが終了し、再び上記の作動が開始されて、このサイクルが繰り返される。
ガス冷却ラインＬ２に残存しているガスの排出が完了後、ポンプバルブ制御手段９の制御により全ての電磁バルブを閉鎖する。
これにより、ガスの分析測定のための作動の一サイクルが終了し、再び上記の作動が開始されて、このサイクルが繰り返される。
次に、ガス冷却部４により冷却されることにより第１の乾燥容器１内部で液化又は固化した水蒸気を除去するメンテナンス工程を説明する。なお、本実施形態のガス精製・排出ユニットでは、メンテナンス工程は、ガスの分析測定のための作動のサイクルとは別個に稼動させることもできるように構成されている。その場合、メンテナンス工程は、例えば、１〜数ヶ月に一回の頻度で稼動させるようにする。また、メンテナンス工程を、ガスの分析測定のための作動のサイクルにおいて稼動させる場合は、ガスの分析測定が終了後に稼動させる。
まず、ポンプバルブ制御手段９の制御により電磁バルブ１０が開弁し、外気を容器１４内部に取り込む。次いで、高温空気生成部６の電気ヒータの作動がＯＮし、容器１４内部に取り込んだ空気を加熱して高温の空気を生成する。次いで、電磁バルブＶ０８、Ｖ０７、Ｖ１１が開弁する。すると、生成された高温の空気が熱対流さらにはロータリーポンプＲＰ２の牽引によって電磁バルブＶ０８を通り、ガス冷却ラインＬ２の第１の乾燥容器１内部に流れ込み、電磁バルブＶ０７、Ｖ１１を経由して外部へ排出される。このとき、高温空気は第１の乾燥容器１内部において液化又は固化していた水蒸気を気化する。これにより、第１の乾燥容器１内部の水蒸気が除去される。
本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、第１の乾燥容器１内部に導入されたガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部４を備えたので、液体窒素やペルティエ素子を用いたコールドトラップを設けずに済む。その結果、液体窒素を用いたコールドトラップを設けた場合と比べて、加熱して氷を除去するまでに時間や消費電力が少なくて済む。しかも、液体窒素と比べてコストが抑えられ、取り扱いやすく作業上の安全性も確保できる。また、ペルティエ素子を用いて電子冷却するコールドトラップを設けた場合のような素子自体が破損や焼損することがない。さらに、スターリングエンジンを用いた冷却機構を備えたガス冷却部によれば、液体窒素等を用いたコールドトラップとは異なり、作動のＯＮ・ＯＦＦを繰り返すことによって、ガスに含まれる水蒸気の分離を長期間継続して行うことができるため、観測装置の継続的な無人運転を行うことができる。しかも、スターリングエンジンを用いた冷却機構は、小型で、十分に低温を供給できる。
また、本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、ガス冷却部４とともに、夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構５（電磁バルブＶ０９、Ｖ０６）で連結された第１及び第２の乾燥容器１、２と、気密性を保持しながら、混合流体から分離したガスを拡散させて、第１の乾燥容器１内部に導入するガス導入バルブ機構３と、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部の水蒸気が分離されたガスを拡散させて、ガス分析測定手段（四重極質量分析計ＱＭＳ）が備えられた第２の乾燥容器２内部に移送するガス移送バルブ機構５と、高温空気を生成する高温空気生成部６と、高温空気生成部６が生成した高温空気を第１の乾燥容器１内部、外部に通流させて第１の乾燥容器１内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構７と、ガス導入バルブ機構３、ガス移送バルブ機構５、水蒸気排出バルブ機構７の作動を制御するポンプバルブ制御手段９を備えたので、混合流体から分離したガスの第１の乾燥容器１内部への導入からガス分析測定手段が備えられた第２の乾燥容器２内部への移送までのガスの配管内にポンプを設けることなく、バルブ機構に備わるバルブの開閉制御のみで、混合流体から分離したガスの第１の乾燥容器１内部への導入〜第１の乾燥容器１内部の水蒸気が分離されたガスのガス分析測定手段が備えられた第２の乾燥容器２内部への移送と、液化又は固化した第１の乾燥容器１内部の水蒸気の排出を行うことができる。このため、ポンプ等から入り込む空気を起因とした、ガス分析測定手段で測定したときのガスに含まれるバックグラウンドノイズ成分がなく、高精度にガスを分析できる。しかも、第１の乾燥容器１を再生するためのメンテナンス作業の際に、ガス冷却部４を取り外さずに済み、メンテナンス作業も極力無人化状態で運転できるようになる。
また、本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、第２の乾燥容器２内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構８を備えたので、第２の乾燥容器２内部を真空にすることで、第１の乾燥容器１から水蒸気を除去されて送られてくるガスに対し、バックグラウンドノイズ成分を混在させることなくガス分析測定手段で測定させることができ、より高精度にガスの分析ができるようになる。
また、本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、さらに、気密性を保持しながら、混合流体から分離し拡散したガスのうち第１の乾燥容器１内部に導入されずにガス導入バルブ機構３が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出する余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０と、気密性を保持しながら、第１の乾燥容器１内部から拡散して移送されたガスのうち第２の乾燥容器２内部に導入されずにガス移送バルブ機構５が備えられている配管内部に残存するガスを排出する第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１と、気密性を保持しながら、ガス導入バルブ機構３とガス移送バルブ機構５との間の配管内部及び第１の乾燥容器１内部に残存するガスを排出する第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２を備え、ポンプバルブ制御手段９が、さらに、余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０、第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１、第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２の作動を制御するようにしたので、ガスの分析精度をより一層高精度なものにするための、観測装置の配管全域における水蒸気以外の不純物の除去も、観測装置の継続的な無人運転により自動的に行うことができる。
また、本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、ポンプバルブ制御手段９が、水蒸気排出バルブ機構７が水蒸気を排出している間に、真空化ポンプバルブ機構８、第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１を作動させるようにしたので、ガス測定ラインのメンテナンス作業を時間的に効率よく行うことができる。
また、本実施形態のガス精製・排出ユニットによれば、さらに、排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器１３を有し、真空化ポンプバルブ機構８が、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスの一部を第３の乾燥容器１３内部に導く一時貯留バルブ機構と、第３の乾燥容器１３内部に一時的に貯留されたガスを排出する第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構を有し、ポンプバルブ制御手段９が、さらに、一時貯留バルブ機構と、第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、第２の乾燥容器２内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御するようにしたので、第２の乾燥容器２内部の貯留されたガスを少しずつ排出することができ、その少しずつのガスの排出を繰り返すことによって、急激な圧力の変化を抑えながら第２の乾燥容器２内部のガスの濃度を低減することができ、ガスの濃度が十分に低減化された後に、第２の乾燥容器２内部をターボ分子ポンプＴＭＰの作動により真空化させることができ、ターボ分子ポンプＴＭＰを損傷させずに済む。
なお、本実施形態のガス精製・排出ユニットにおけるポンプバルブ制御手段９による、ガス導入バルブ機構３、ガス移送バルブ機構５、水蒸気排出バルブ機構７、真空化ポンプバルブ機構８（さらには、分割排出ポンプバルブ機構（一時的貯留バルブ機構、第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構）、第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構）、余剰ガス排出ポンプバルブ機構１０、第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構１１、第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構１２の作動制御は、上述した制御に限られるものではなく、装置を継続的に無人運転させることができ、また、分析対象のガスに含まれるバックグラウンドノイズ成分の少ない高精度な分析ができ、しかも装置の寿命を延ばすことができれば、どのような制御であってもよい。
本発明の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニットは、地下水及び地下ガスの状況を継続的に監視することが求められる分野に有用である。
１ 第１の乾燥容器
２ 第２の乾燥容器
３ ガス導入バルブ機構
４ ガス冷却部
５ ガス移送バルブ機構
６ 高温空気生成部
７ 水蒸気排出バルブ機構
８ 真空化ポンプバルブ機構
９ ポンプバルブ制御手段
１０ 余剰ガス排出ポンプバルブ機構
１１ 第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構
１２ 第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構
１３ 第３の乾燥容器
１４ 高温空気を貯留する容器
１５ 気液分離筒
Ｌ１ ガス導入ライン
Ｌ２ ガス冷却ライン
Ｌ３ ガス測定ライン
Ｌ４ 排気ライン
Ｌ５ ガス加熱ライン
Ｖ０１〜Ｖ１２ 電磁バルブ
Ｈ スリット管
Ｐ１ 採取管
ＣＰ チュービングポンプ
ＣＹ ガス水分離筒
ＦＭ 流量計
ＲＣ１,ＲＣ２,ＲＣ３ 記録装置
Ｐ２ 水輸送管
ＷＭ 水質測定機
ＰＤＭ 差圧計
ＥＶ 電磁弁
Ｐ３ ガス輸送管
ＣＴ コールドトラップ
ＰＭ 圧力計
ＱＭＳ 質量分析計
Ｂ ガス水分離筒の本体
Ｅ 赤外光射出装置
Ｆ フロート
Ｒ 赤外光受光装置
２ 第２の乾燥容器
３ ガス導入バルブ機構
４ ガス冷却部
５ ガス移送バルブ機構
６ 高温空気生成部
７ 水蒸気排出バルブ機構
８ 真空化ポンプバルブ機構
９ ポンプバルブ制御手段
１０ 余剰ガス排出ポンプバルブ機構
１１ 第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構
１２ 第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構
１３ 第３の乾燥容器
１４ 高温空気を貯留する容器
１５ 気液分離筒
Ｌ１ ガス導入ライン
Ｌ２ ガス冷却ライン
Ｌ３ ガス測定ライン
Ｌ４ 排気ライン
Ｌ５ ガス加熱ライン
Ｖ０１〜Ｖ１２ 電磁バルブ
Ｈ スリット管
Ｐ１ 採取管
ＣＰ チュービングポンプ
ＣＹ ガス水分離筒
ＦＭ 流量計
ＲＣ１,ＲＣ２,ＲＣ３ 記録装置
Ｐ２ 水輸送管
ＷＭ 水質測定機
ＰＤＭ 差圧計
ＥＶ 電磁弁
Ｐ３ ガス輸送管
ＣＴ コールドトラップ
ＰＭ 圧力計
ＱＭＳ 質量分析計
Ｂ ガス水分離筒の本体
Ｅ 赤外光射出装置
Ｆ フロート
Ｒ 赤外光受光装置
Claims (4)
- 水とガスとの混合流体を汲み上げ、汲み上げた混合流体を所定気圧下で気液平衡状態の水とガスとに分離させ、分離した水の量と水質を測定するとともに、分離したガスの分析測定を行い、これらの測定データを記録する地中の気液混合流体観測装置に用いるガス精製・排出ユニットであって、
夫々の内部が気密性を保持するとともに、ガス移送バルブ機構で連結された第１及び第２の乾燥容器と、
気密性を保持しながら、前記混合流体から分離したガスを拡散させて、前記第１の乾燥容器内部に導入するガス導入バルブ機構と、
スターリングエンジンを用いた冷却機構を備え、前記第１の乾燥容器内部に導入された前記ガスに含まれる水蒸気を露点以下の温度に下げて該ガスから分離させるガス冷却部と、
気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部の水蒸気が分離された前記ガスを拡散させて、ガス分析測定手段が備えられた前記第２の乾燥容器内部に移送する前記ガス移送バルブ機構と、
高温空気を生成する高温空気生成部と、
前記高温空気生成部が生成した高温空気を前記第１の乾燥容器内部、外部に通流させて前記第１の乾燥容器内部の液化又は固化した水蒸気を排出する水蒸気排出バルブ機構と、
前記第２の乾燥容器内部を真空にする真空化ポンプバルブ機構と、
前記ガス導入バルブ機構、前記ガス移送バルブ機構、前記水蒸気排出バルブ機構、前記真空化ポンプバルブ機構の作動を制御するポンプバルブ制御手段とを備えたことを特徴とする地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット。 - さらに、
気密性を保持しながら、前記混合流体から分離し拡散したガスのうち前記第１の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス導入バルブ機構が備えられている配管内部に残存する余剰ガスを排出する余剰ガス排出ポンプバルブ機構と、
気密性を保持しながら、前記第１の乾燥容器内部から拡散して移送されたガスのうち前記第２の乾燥容器内部に導入されずに前記ガス移送バルブ機構が備えられている配管内部に残存するガスを排出する第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構と、
気密性を保持しながら、前記ガス導入バルブ機構と前記ガス移送バルブ機構との間の配管内部及び前記第１の乾燥容器内部に残存するガスを排出する第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構を備え、
前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記余剰ガス排出ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構、前記第２の残存ガス排出ポンプバルブ機構の作動を制御することを特徴とする請求項１に記載の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット。 - 前記ポンプバルブ制御手段は、前記水蒸気排出バルブ機構が水蒸気を排出している間に、前記真空化ポンプバルブ機構、前記第１の残存ガス排出ポンプバルブ機構を作動させることを特徴とする請求項２に記載の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット。
- さらに、
排気用のガスを一時的に貯留するための第３の乾燥容器を有し、
前記真空化ポンプバルブ機構が、
前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスの一部を前記第３の乾燥容器内部に一時的に導く一時的貯留バルブ機構と、前記第３の乾燥容器内部に一時的に貯留されたガスを排出する第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構とからなる、ガス分割排出ポンプバルブ機構と、
前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスを排出する第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を有し、
前記ポンプバルブ制御手段が、さらに、前記一時的貯留バルブ機構と、前記第１の貯留ガス排出ポンプバルブ機構の作動を時分割で切り換え、且つ、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達するまで、該作動の時分割切り換えを繰り返すように制御するとともに、前記第２の乾燥容器内部に貯留されたガスが所定量以下に到達したときに前記第２の貯留ガス排出ポンプバルブ機構を作動させるように制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016009786A JP6337405B2 (ja) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | 地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016009786A JP6337405B2 (ja) | 2016-01-21 | 2016-01-21 | 地中の気液混合流体観測装置用ガス精製・排出ユニット |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2017129487A JP2017129487A (ja) | 2017-07-27 |
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|---|---|---|---|
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| JP4805680B2 (ja) * | 2006-01-06 | 2011-11-02 | 田中 秀実 | 地中の気液混合流体観測装置 |
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