(57)【要約】【課題】  本発明の目的は、地層の発熱や機器の発熱が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合でも、簡便で冷却効率が高い冷却機能を備えた地下環境計測装置及び地下環境計測方法を提供することにある。【解決手段】  地下環境計測装置において、計測機器の上部に冷却機構を配置し、計測機器の収納容器の一部または全部を二重管構造とする。二重管構造は、計測機器の発熱時に、計測機器の収納容器内に空気の循環流が発生するように構成する。【選択図】図１
2008268039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却機構を備え、ボーリング孔内で計測を行う地下環境計測装置において、
計測機器の上部に冷却機構を配置し、前記計測機器を収納する容器の一部または全部が二重管構造を有することを特徴とする地下環境計測装置。
【請求項２】
請求項１において、前記計測機器の発熱時に、前記計測機器を収納する容器内に空気の循環流が発生するように、前記二重管構造を構成したことを特徴とする地下環境計測装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記冷却機構の放熱部位が二重管構造を有することを特徴とする地下環境計測装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかにおいて、前記冷却機構にヒートポンプを用いることを特徴とする地下環境計測装置。
【請求項５】
ボーリング孔内に冷却機構を有する地下環境計測装置を設置して、地下環境の計測を行う地下環境計測方法において、
前記冷却機構を計測機器の上部に配置した地下環境計測装置を用いて、前記計測機器を収納する容器の二重管構造によって前記計測機器を収納する容器内に空気の循環流を発生させ、地下環境の計測を行うことを特徴とする地下環境計測方法。
【請求項６】
請求項５において、前記空気の循環流を前記冷却機構で冷却することにより、前記計測機器を収納する容器内を冷却することを特徴とする地下環境計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボーリング孔内で計測を行う地下環境計測装置に係わり、特に、冷却機構を有する地下環境計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ボーリング孔を利用して地下環境を計測する従来技術としては、孔壁に設けた流路にトレーサーを通液し、その濃度変化を測定することで固相中のトレーサー移行特性を評価する方法（特許文献１）、トレーサーを水中に浮遊させ、その流動状態を監視することで地下水の流速と流向を計測する方法（特許文献２）、パッカーにより孔内空間を隔離し、地下水を採取する方法（特許文献３）がある。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３１５６０７号公報
【特許文献２】特開２００５−１７２５７４号公報
【特許文献３】特開平９−２５７８３号公報  これらの従来技術で用いる地下環境計測装置は、冷却機構を有していない。これは、従来のボーリング孔内における計測が比較的地温が低い浅い地層深さを対象としており、計測機器の発熱も小さく、計測機器が高温に晒されることはなく、特に冷却機構を必要としなかったためである。
【０００４】
一方、異なる技術であるが、ボーリング孔内を冷却する手段として、岩掘削時の発熱に対して、地表から泥水等を掘削部位に注入することが行われている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の地下環境計測装置では、構成機器数が少なく、かつ発熱量も比較的小さいものが多く、計測機器内の発熱は問題にならなかった。しかし、現在は、地下環境でも高度な分析技術が求められている。例えば、地下水中の硫化物イオン濃度や二価鉄イオン濃度などは、放射性廃棄物処分時の環境を評価する際に非常に重要な指標であり、これらの濃度を深地層のボーリング孔内の環境下でリアルタイムにモニタリングする技術が必要とされている。
【０００６】
これを実現するためには、従来、地上の実験室で行っていた分析を地下のボーリング孔内に持ち込む必要がある。例えば、吸光光度法により分析する場合には、ハロゲンランプ等の発熱性の機器を計測装置に組み込む必要があり、また、分析試薬の混合等に非常に多くのバルブやポンプ，制御回路を組み込む必要がある。このため、第一に環境計測装置自身の発熱性が問題となる。
【０００７】
次に、より深い地層を対象とする計測では、地層の温度（地温）が上昇する問題がある。地温は深さ百ｍにつき数℃上昇することが知られており、１０００ｍ級の地層では、地温は地表に比べて３０℃程度高くなる場合がある。このため、第二に地層の発熱性が問題となる。
【０００８】
以上の二つの発熱性は、地下環境計測装置における計測機器類の耐熱性の観点で問題となり、機器の損傷やＩＣチップ等の制御基板の誤動作の原因となる。従って、このような場合には、地下環境計測装置に冷却機構を設ける必要がある。
【０００９】
しかし、地下環境計測装置は地下深くに設置されるため、地表からの冷却は困難である。例えば、地表から冷媒等を送液しても、途中で冷媒の温度が上昇するなどの問題が生じ、冷却効率が非常に低くなる。
【００１０】
また、計測装置の近傍に小型の冷却機構を設置する対策も考えられる。しかし、計測装置はボーリング孔内という狭い空間に長い距離にわたって気密に配置されるため、狭い空間に機器と配線が混在し、有効な冷却が困難となる問題がある。
【００１１】
本発明の目的は、地層の発熱や機器の発熱が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合でも、簡便で冷却効率が高い冷却機能を備えた地下環境計測装置及び地下環境計測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の地下環境計測装置は、計測機器の上部に冷却機構を配置し、計測機器の収納容器の一部または全部を二重管構造とする。二重管構造は、計測機器の発熱時に、計測機器の収納容器内に空気の循環流が発生するように構成する。
【００１３】
本発明の地下環境計測方法は、冷却機構を計測機器の上部に配置した地下環境計測装置を用いて、計測機器の収納容器の二重管構造によって収納容器内に空気の循環流（対流）を発生させ、地下環境の計測を行う。冷却機構で空気の循環流を冷却することにより、収納容器内を冷却する。
【００１４】
本発明は、発明者らが、冷却機構を有する地下環境計測装置において、計測機器を収納する容器の一部または全部を二重管構造とすることで、地下環境計測装置内を効率良く冷却できることを見出したことに基づく。
【００１５】
発明者らは、まず、地下環境計測装置の計測機器の上部に冷却装置を配置することにより、計測装置を冷却する試験を実施した。図２に、４つの計測機器６を収納容器(収納管)７内に配置して冷却装置４による冷却効果を測定した例を示す。（ａ）は収納容器７が一重管構造の場合、（ｂ）は収納容器７が二重管構造の場合である。（ｂ）では、収納容器７の内側に内側容器８を設置した。試験では、発熱性の計測機器６を配置した収納容器７（円筒形状）の中心軸に沿って、冷却装置４の作動後の定常温度（安定化した温度）を測定した。
【００１６】
（ａ）に示すように、一重管構造の場合、冷却装置の近傍（高さが０近傍）では温度は下がるが、冷却装置から離れた場所（高さが１.５ 〜２ｍ）では局所的に温度が上昇する部分（最大９０℃）が生じることが判った。図中の高さは、収納容器７の中心軸上で、冷却装置４からの下方向の距離を意味する。
【００１７】
一方、（ｂ）に示すように、二重管構造の場合、一重管構造のような局所的な温度上昇が抑制され、冷却装置から離れた場所（高さが１.５ 〜２ｍ）でも最大で５０℃に冷却できることが確認できた。これは、計測機器６からの発熱により内側容器８内の空気が暖められて上昇流が生じ、この温度の高い空気が上部の冷却装置４によって効率的に冷やされる効果によるものである。冷却装置４で冷却された空気は、外側の収納容器７に沿って下に流れ、再び内側容器８内に流入する。これを繰り返すことにより、収納容器７内に自然対流が生じ、計測装置全体の温度が均質化（均一化）し、局所的な温度上昇を抑制する効果が得られる。
【００１８】
このことから、計測機器を収納する容器を二重管構造とすることにより、収納容器内の空気の流れが改善し、計測機器を効率良く冷却できることが判った。これにより、計測機器全体の温度むらを低減できるので、計測機器が安定し、計測精度が向上する効果も得られる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、地層の発熱や機器の発熱が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合でも、地下環境計測装置内を効率良く冷却でき、安定した地下環境計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（実施例１）
以下、本発明による地下環境計測装置の第１実施例を、図１を用いて説明する。図１は、第１実施例の地下環境計測装置の概略構成図である。本実施例は、ボーリング孔内において地下水中の硫化物イオン濃度を計測する例である。ボーリング孔１の中には地下水２が満たされている。図１のように、地下環境計測部（地下環境計測プローブ）３，冷却装置４，放熱装置５を備える地下環境計測装置を、ボーリング孔１内の地下１０００ｍまで挿入する。この位置における周囲の地層温度は約６０℃、地下環境計測部３内の計測機器の耐熱温度は約７０℃である。
【００２１】
この状態で、周辺の地下水を地下環境計測部３内に連続的に採取し、ハロゲンランプ等の計測機器６を用いて、吸光光度法により地下水中の硫化物イオン濃度を計測する。冷却装置４による冷却をしない場合に、計測機器６が作動することによる地下環境計測装置内の温度上昇を、発熱量等の計算により求めた結果、約１５℃となることが判った。このため、計測時には、冷却装置４を運転した。
【００２２】
計測機器６は収納容器（外側容器）７と内側容器８からなる二重管内に配置されているため、計測機器６の発熱により暖められた空気は内側容器８内を上昇する。この空気は、上部の冷却装置４によって冷やされ、外側の収納容器７に沿って下に流れ、再び内側容器８内に流入する。計測中は、このような空気の循環流が収納容器７内で繰り返される。
【００２３】
本実施例では、収納容器７内を簡便な二重管構造として、収納容器７内の空気の循環流（対流）を利用することにより、冷却装置４は、局所的な温度上昇なしに効率良く計測機器６を冷却できる。このため、地下環境計測装置内の最高温度を６０℃以下に保つことができた。このように、地下環境計測装置の温度を、計測対象である地層の温度と同等の温度にできたため、精度の高い測定が実現（実施）できた。
【００２４】
収納容器７を一重容器で構成し、収納容器内を強制的に冷却した比較例と比べた結果、本実施例の方が、計測装置内の温度がより均質（均一）になり、計測精度がより向上する効果が得られた。
【００２５】
本実施例によれば、地層温度や計測機器の発熱の影響が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合でも、簡便な構造で、地下環境計測装置内を効率良く冷却でき、安定した（高精度な）地下環境計測が可能となる。
【００２６】
尚、本実施例では、収納容器７の全部（全周）を二重管構造としたが、上記した収納容器内の水の循環流（対流）を発生できれば、収納容器７の一部（全周の一部）を二重管構造としても同様な効果を得ることができる。
【００２７】
（実施例２）
次に、本発明による地下環境計測装置の第２実施例を、図３を用いて説明する。図３は、第２実施例の地下環境計測装置の概略構成図である。本実施例は、ボーリング孔内において地下水中の鉄イオン濃度を計測する例である。
【００２８】
ボーリング孔９の中には地下水１０が満たされている。地下環境計測部１１，冷却装置１２，放熱装置１３を備えた地下環境計測装置を、ボーリング孔９内の地下１０００ｍに挿入する。この位置における周囲の地層温度は約８０℃、地下環境計測部１１内の計測機器の耐熱温度は約７０℃である。この状態で、周辺の地下水を地下環境計測部１１内に連続的に採取し、ハロゲンランプ等の計測機器を用いて、吸光光度法により鉄イオン濃度を計測する。
【００２９】
冷却装置１２による冷却をしない場合に、計測機器６が作動することによる地下環境計測装置内の温度上昇を、発熱量等の計算により求めた結果、約１５℃となることが判った。これを考慮して、本実施例では、地下環境計測装置を７０℃以下にするように冷却を工夫している。
【００３０】
本実施例でも、第１実施例と同様に、収納容器（外側容器）７内を内側容器８との二重管構造としている。これにより、収納容器７内の空気の循環流（対流）を利用して、冷却装置１２は、局所的な温度上昇なしに効率良く計測機器６を冷却できる。ただし、冷却の目標温度が地層温度よりも低いため、放熱方法を改良している。
【００３１】
本実施例では、放熱装置１３にも二重管構造を採用している。放熱装置１３は、放熱チューブ１４，内側容器１５，外側容器１６を備えている。放熱チューブ１４は、その一端が冷却装置１２に接続（接触）し、らせん状の形状をして、内側容器１５内に配置されている。このため、冷却装置１２からの放熱は、内側容器１５内の放熱チューブ１４に伝えられ、その発熱によって暖められた地下水１０は、内側容器１５内を上昇する。地層温度は上の方が低いため、地下水１０は、内側容器１５内を上昇するに伴って徐々に冷却される。冷却された地下水１０は、放熱装置１３の最上部で内側容器１５と外側容器１６の間を通って下に流れ、再び内側容器１５の下側から流入し、放熱チューブ１４に循環される。放熱装置１３の最上部は開放されていても、閉鎖されていても良い。
【００３２】
本実施例の地下環境計測装置を用いて、地下水中の鉄イオン濃度の計測を行った結果、地下環境計測部１１の温度を約６５℃まで冷却することが可能となり、精度の高い測定を実現できた。即ち、放熱装置１３も二重管構造とすることにより、地下環境計測部１１を効率的に冷却できることが判った。
【００３３】
本実施例でも、地層温度や計測機器の発熱の影響が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合に、簡便な構造で、地下環境計測装置内を効率良く冷却でき、安定した（高精度な）地下環境計測が可能となる。
【００３４】
（実施例３）
次に、本発明による地下環境計測装置の第３実施例を、図４を用いて説明する。図４は、第３実施例の地下環境計測装置の概略構成図である。本実施例は、ボーリング孔内において地下水中のコロイド濃度を計測する例である。
【００３５】
ボーリング孔１７の中には地下水１８が満たされている。地下環境計測部１９，冷却装置２０，放熱装置２１を備える地下環境計測装置を、ボーリング孔１７内の地下１０００ｍに挿入する。この位置における周囲の地層温度は約７０℃、地下環境計測部１９の構成機器の耐熱温度は約７０℃である。
【００３６】
この状態で、周辺の地下水１８を地下環境計測部１９内に連続的に採取し、ハロゲンランプ等の計測機器６を用いて、吸光光度法によりコロイド濃度を計測する。冷却装置２０による冷却をしない場合に、計測機器６が作動することによる地下環境計測装置内の温度上昇を、発熱量等の計算により求めた結果、約１５℃となることが判った。このため、計測時には、冷却装置２０を運転した。
【００３７】
冷却装置２０は、コンプレッサー２２と減圧膨張弁２３を有するヒートポンプ方式を採用した。ヒートポンプは、ガス状の冷媒をコンプレッサー２２で圧縮して高温・高圧状態にし、その後、放熱チューブ等を通して放熱を行い、更に減圧膨張弁２３から放出することで断熱膨張現象によりガスを冷却する。この冷却したガスを冷却チューブや冷却板中を通すことにより、冷却を行う。
【００３８】
このヒートポンプは、装置の小型化が容易であり、地表からの電力供給により遠隔冷却が可能となる。また、距離の離れた箇所（位置）で放熱と冷却ができるため、放熱の影響を受けずに効率の良い冷却が可能となる。
【００３９】
この冷却装置２０を用いて地下水中のコロイド濃度を計測した結果、計測機器６の発熱を抑制して、地下環境計測装置を目標管理温度である７０℃以下に制御（調整）することができた。この結果、精度の高い測定が実現できた。
【００４０】
本実施例でも、地層温度や計測機器の発熱の影響が、地下環境計測装置内の構成機器の耐熱性を上回る場合に、簡便な構造で、地下環境計測装置内を効率良く冷却でき、安定した（高精度な）地下環境計測が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、ボーリング孔内で計測を行う地下環境計測装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第１実施例の地下環境計測装置の概略構成図。
【図２】収納容器内の冷却装置による冷却効果を測定した例を示す図で、（ａ）は収納容器が一重管構造の場合、（ｂ）は収納容器が二重管構造の場合。
【図３】本発明の第２実施例の地下環境計測装置の概略構成図。
【図４】本発明の第３実施例の地下環境計測装置の概略構成図。
【符号の説明】
【００４３】
１，９，１７  ボーリング孔
２，１０，１８  地下水
３，１１，１９  地下環境計測部
４，１２，２０  冷却装置
５，１３，２１  放熱装置
６  計測機器
７  収納容器
８，１５  内側容器
１４  放熱チューブ
１６  外側容器
２２  コンプレッサー
２３  減圧膨張弁
【図１】
2008268039.tif 000003
【図２】
2008268039.tif 000004
【図３】
2008268039.tif 000005
【図４】
2008268039.tif 000006