建設機械施工 Vol.69

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No.3 March

2017

地球温暖化対策，環境対策

高性能ボーリングマシンの低騒音化・自動化
再生可能エネルギー熱の普及に向けた取組み
伊藤春彦

福島第一原発事故後において，国内では冷暖房や融雪等で使用する地中熱ヒートポンプシステム設置件数が前年比 20％で増加し続けている。地中熱ヒートポンプシステムの普及では，コスト高（熱交換井設置工，ヒートポンプ設置工，室内空調施設設置工）が課題となっており，コスト削減への取組みが急務となっている。弊社では平成 26 年度より導入コスト 20％削減を目標に NEDO（国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）との共同研究を実施している。共同研究では熱交換井設置工（深さ 100 m掘削）で使用するバイブレーションタイプの高性能ボーリングマシンの低騒音化技術開発と自動化技術開発を進め，掘削費用を従来技術（「ロータリードリル トリコンビット」工法，「パーカッションドリル 二重管」工法）と比べ 36.4％コスト削減することを目標としている。
以下では，共同研究の最終年となる平成 28 年度の 10 月時点での開発成果を報告する。
キーワード：再生可能エネルギー，地中熱，低騒音化，自動化，ソニックドリル

1．はじめに2．開発目標福島第一原発事故後に策定された第 4 次エネルギー

研究開発対象機は，平成 14 年度～平成 15 年度に実基本計画は，再生可能エネルギー導入の拡大と省エネ施した NEDO 事業を基に開発したソニックドリルの強化（ZEB・ZEH への取組み等）を図ると同時に，（175 馬力エンジンを搭載）をベースとしている。

多層的なエネルギー需給を目指すなど，新たな長期的本研究開発での目標を以下に示す。

エネルギー政策の構築に向け重要な役割を果たすものである。再生可能エネルギー導入の拡大では，地中熱（1）低騒音化技術開発

や下水・工場排水夏など温度差熱利用の再生可能エネ

ソニックドリルは地層によっては 1 日で 100 m のルギー熱を含め，環境への負荷が少ない純国産のグ掘削を可能とするが，都市部での地中熱ヒートポンプリーンエネルギーの確保と経済の活性化が期待されてシステムの構築では，生活環境保全（騒音）の要求にいる。しかし，新たなエネルギー導入では低コストでより，機械能力（打撃エネルギー換算）の約 46％でのエネルギー供給を図り，継続的な経済成長を実現さの地中熱採熱孔の掘削を強いられている。従って，低せることが不可避であり，導入コストや運用コスト削騒音化技術開発では機械の騒音レベルを 6 dB（A）減のための研究開発が急務となる。

低減を目標とし，機械能力の約 81％での掘削を可能

地中熱の利用においても，地中熱ヒートポンプシスとする。

テム導入時でのコスト高が課題となっている。その中でも掘削コスト（熱交換井設置工）の大幅な削減を図（2）自動化技術開発るため，バイブレーションタイプの高性能ボーリング

地中熱採熱孔の掘削では，5 人体制（オペレータ 1マシン（以下「ソニックドリル」と略す）の低騒音化

人，泥水管理 1 人，ロッド継ぎ足し等の作業 3 人）となっ技術開発と自動制御技術開発への取組み状況を報告すているが，3 人体制に削減する。これは，オペレータるものである。

を若手技術者で対応を可能とし，遠隔操作により技術者の作業範囲を拡大すると同時に，ロッド（1 本：長さ 3 m，質量 100 kg）の継ぎ足し作業専用のロッドチェンジャを導入することで，技術者数の削減を実現する。

建設機械施工 Vol.69 No.3 March 201767

3．低騒音化技術開発
低騒音化の評価は，国土交通省が低騒音型建設機械の可否を決定する際の騒音測定条件（以下「静的状態」と略す）と，掘削作業を想定して静的条件にバイブレーション起振力を最大にした時の騒音を加えた測定条件（以下「動的状態」と略す）で実施している。なお，従来のソニックドリルの同機種での騒音測定では，動的状態での A 特性補正音圧レベル（以下「騒音レベル」と略す）は静的状態と比較して 5 dB（A）高くなることが分かっている。

図─ 1

主な発生騒音源（1）騒音・振動測定方法
騒音・振動測定は一般社団法人 日本建設機械施工協会 施工技術総合研究所（以下「施工総研」と略す）のテストフィールドを使用し，同位置で継続的に測定を実施している。騒音・振動測定方法を表─ 1 に示す。
表─ 1

騒音・振動測定方法

測定方法

対象

音響パワーレベル測定

騒音指向性測定

騒音

機械側（部位）測定
音響カメラ測定

騒音振動
騒音解析手法
1/3 オクターブ分析
1/3 オクターブ分析
FFT（高速フーリエ変換）による狭帯域分析
1/3 オクターブ分析
ビームフォーミング解析

写真─ 1

従来機

（b）騒音シミュレーションによる騒音特性
騒音シミュレーション（ISO 9613-2 に準拠）は機械（2）従来機の発生騒音側（部位）測定結果を基に作成したものであり，発生従来機となるソニックドリルの騒音特性は以下とな

騒音部位の寄与レベルや防音材選定（吸音，遮音，防る。

振，制振）で利用する。なお，本シミュレーション結（a）指向性測定による騒音特性

果は音響パワーレベル測定および指向性測定結果と比指向性測定では，機械中心より半径 16 m の円弧上較して，静的条件で誤差平均値 0.7 dB（A），動的条で，30°毎に高さ 1.5 m の位置で騒音レベルを測定す

件で測定を誤差平均値 0.8 dB（A）と 1.0 dB 未満に収る。本測定より得られた従来機の騒音特性は以下となまっており有効と判断する。
静的・動的状態で共通して騒音レベルが大きい 30°

る。
①‌静的状態では 30 ～ 150°
，動的状態では 330 ～ 60°
での騒音レベルが突出しており，機械部位測定結に着目すると，「スイベルヘッド」，「エンジンカバー」，「油圧ユニット」での騒音寄与レベルが大きい。

果からも静的状態ではエンジン部（Engine），動（c）振動加速度測定による騒音特性的状態ではスイベルヘッド（Swivel head）が主動的状態で最も寄与レベルの高いスイベルヘッドにな騒音発生部位となっている（図─ 1，写真─ 1）。

対して振動加速度測定を実施し，振動分布より防音対‌なお，スイベルヘッドは穿孔装置とも呼ばれ，掘策箇所を選定する。本装置では振動加速度の大きい箇

削時にボーリングロッドに対して振動，回転，給所が水平方向で帯状に存在する。

進を与える装置となり，静的状態では稼働していない。

（3）低騒音化対策②‌周波数特性では，静的状態で 250 Hz 付近，動的従来機の発生騒音特性により，表─ 2 に示す低騒状態では 315 ～ 630 Hz 付近での騒音レベルが大音化技術の適用を検討した。なお，これらの技術の適きい。

用に応じて，オイルポンプおよびオイルクーラーの仕建設機械施工 Vol.69

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表─ 2No.3 March2017（b）消音装置

低騒音化技術

低騒音化技術エンジン部

スイベルヘッド部

消音装置は低周波数領域（50 Hz ～ 250 Hz）の騒音

吸音対策

適用

適用

遮音対策

－

適用

に対して，低減したい騒音と正反対の強弱波形となる

防振対策

－

適用

制振対策

適用

適用

消音対策

適用

－

構造対策 A

適用－

構造対策 B

適用－

構造対策 C

適用－

音波をスピーカより放射して打ち消す技術となる。本装置は，エンジン排気口を覆うダクト，制御用スピー
カ，冷却ファン，エラーマイク，制御装置で構成される。エンジン排気音対策として，軽量・コンパクト化を念頭に改造している（図─ 2）。
（4）性能照査結果

注）構造対策はエンジンルーム内に限定

性能照査時での機械仕様概要を表─ 4 に示す。な様，エンジンルーム内の換気位置，マフラー構造，エお，表中での方向を示す「前・右・後・左」は，図─ 1

ンジン排気口方向等の変更も行っている。

で示した「0°，90°，180°，270°」を指し，タイプ名（a）熱流調査は仕様の差異を示すための標記となる。

エンジンルーム内の雰囲気温度は，気温 40 ℃時で（a）指向性80 ℃以内を目標としている。エンジンルーム内の 18

静的状態での指向性測定結果を，騒音レベル 30 dB

箇所にセンサー（熱電対，熱戦風速計等）を設置し，（A）範囲内でのレーダチャートで表示したものを図

エンジンルーム内の発熱量（空気の受熱量）を推定す

─ 3 に示す。低騒音化対策は Model Ⅲ以降で全方向ることで雰囲気温度を算定する（表─ 3）。

において有効に働いている。
（b）振動加速度表─ 3従来機（Model1）と Model4 でのスイベルヘッド

エンジンルーム内の雰囲気温度算定例

項目

記号単位to℃

外気温に着目した振動加速度測定結果例を表─ 5 に示す。

夏場想定

なお，Model4 ～ 6 でのスイベルヘッドは同じ構造と

40
31.127

空気の密度

ρkg/m

空気の比熱

cpkJ/kgK

1.008

換気空気の質量流量

Mkg/s

1.88

換気空気の体積流量

V

3m /s

1.67

換気入口温度tin℃

40

換気出口温度

tex℃

85.2

温度上昇

⊿t℃

⊿45.2

エンジンルーム内発熱量（空気受熱量）

Q

kW

85.7

ECU 近傍の温度℃

75.5

コントローラ近傍の温度℃

78.1なる。

注）Q ＝ M × cp ×（tex－tin）

図─ 2
表─ 4

適用技術

性能照査時での機械仕様概要

オイルポンプ

オイルクーラModel
静的状態

動的状態Type台数

Type台数

ラジエータファン

回転数
回転数
Type
（min － 1）（min － 1）

K32

LH

12,890PG

2LD

13,060PG

4LH

11,480PV

2LD

13,060PG

4LH

12,000PV

2LD

13,060LD

23,060LD

23,060LD

23,0601

従来機

2吸音，防振構造対策 A，B

適用なし

3吸音，防振構造対策 A ～ C

適用なし

4

Model3 ＋ 制振5Model3 ＋ 制振・消音

AS

6

6

Model3 ＋ 制振

吸音，遮音，防振，制振

消音装置（参考図）

エンジンルーム
換気位置

方向

マフラー構造（Type）

排気口
方向

CA

1,100

後

上SD

上CA

1,100

前

前

MA後

TA

1,000前前MA後上方TA11,000前

右MA

TA

1,500

後
後上方

建設機械施工 Vol.69 No.3 March 201769
表─ 6Model

測定日

23

性能照査結果

騒音レベル低減量 dB（A）
静的状態

動的状態

2015 年 4 月

8－2015 年 7 月

1274

2016 年 8 月

11105

2016 年 8 月

12106

2016 年 9 月

1110

静的状態で 11 dB（A），動的状態で 10 dB（A）の騒音レベル低減を達成している。したがって，目標とする 6 dB 低減を満足すると同時に，「低騒音型建設機械」
図─ 3

指向性測定結果表─ 5

加速度測定結果例

Model4
従来機
測定点
2（m/s ） （m/s2）へ該当することは確実となる。

従来機
Model4
測定点2（m/s ） （m/s2）

4．自動制御技術開発
自動制御システムでのアプリケーション開発では，①58.0

61.6⑨63.1

108.6

②

103.1

3.2

⑩36.2

35.2

③203.7

4.2

⑪92.4

3.7

④198.4

4.4

⑫

159.2

4.7

⑤40.9

39.2

⑬109.1

6.3

⑥

39.6

19.6

⑭91.1

134.2

自動掘削では掘削技術者のノウハウを分析した初期⑦179.2

7.5

⑮68.0

13.7

設定値を出発点として，掘削時にリアルタイムで速度⑧192.2

17.2

国際標準規格（IEC61131-3）に準拠したソフトウェアである CoDeSys（Code Development System）を用い，ストラクチャード・テキスト（ST 言語）によりプログラムを作成している。

を上昇させていくアルゴリズムの完成を目指している。自動掘削テスト状況を写真─ 3 に，主なアプリケー
ション概要を以下に示す。

写真─ 2振動加速度測定状況

測定点①，⑨，⑭では Model4 での振動加速度が大写真─ 3

自動掘削テスト状況（2016.10.28）

きくなっているが，低騒音化対策により振動加速度は大幅に低減されている（写真─ 2）。

①エンジン回転数制御（c）騒音レベル

オイルポンプ圧力を圧力センサーで感知して，エン施工総研で実施した騒音レベル測定結果を，従来機ジン回転数を制御する。さらに，一定時間で圧力変動からの騒音レベル低減量として表─ 6 に示す。なお，が認められない場合は，アイドリング状態へ移行する。

Model4 および Model5 では，エンジンルーム内の雰②姿勢制御

囲気温度が，気温 40 ℃時で 81.1 ℃となることが予想

ポストフレームに設置した XY 角度センサーよりされ，目標温度である 80 ℃以内を満足していない。

ブーム起伏／マスト左右操作を油圧制御し，マストの熱流調査結果も踏まえ，現況では従来機と比較して鉛直度を確保する。

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2017③掘削開始・停止制御
起動／停止時の操作を，各制御のタイムラグもしくはラップタイムを考慮して効率的に作動させる。
④掘削速度制御
フィードストロークセンサーにより掘削速度の計測を行い，大幅な地層変化，および地盤内の空洞に遭遇した場合でのロッドおよびヘッドの速度異常を検知し制御する。
⑤循環水制御循環水ラインに電磁流量計を設置し，循環水の送り写真─ 4

モニタリング画面例量を一定量に確保できるように監視制御する。
⑥逸水監視制御⑬データ記録・活用

掘削口元に電磁流量計を設置し，循環水の戻り量を時系列データとして，「ビット荷重」，「スピンドル監視し，透水層での逸水が生じた場合には表示画面にトルク」，「スピンドル回転数」，「循環水量（送水）」，警告表示する。

「循環水量（戻水）」，「オシレータ圧力」，「深度」，「掘⑦掘削負荷制御

削時間」，「日時と時間」等の記録を行う。

循環水ポンプ圧力を測定し，粘土・シルトによるロッド内の詰まりを検知する。検知後は，ヘッドおよび掘5．おわりに削ツールスを孔底から引き上げることで，設定ポンプ圧力まで低減する。

低騒音化技術開発では目標を大幅に上回る結果が既⑧危険回避制御にえられている。また，自動制御技術開発でも社内実各センサーの負荷データ（トルク，圧力，速度等）

地掘削を 11 月より開始する予定であり，平成 26 年度を移動平均値に換算し，設定条件値と比較することでに提案を行った共同研究開発の実施計画目標を達成す地層判断し，孔内洗浄作業を指令する。

ることは確実である。来年度（平成 29 年度）では，⑨孔内洗浄制御

多くの層（砂，シルト，泥岩，岩盤，玉石，礫）での危険制御による指令で，ヘッドおよび掘削ツールス

掘削データを収集し，事前に地層が判明していない場を孔底からの上下運動（指定距離・回数）での掘削に合での自動制御を可能とする。また，自動制御での信切り替える。さらに，循環水の速度を上げて，掘削屑頼レベルを向上させるためには，多くのサンプリングの迅速な回収を図る。

数が必要となるため，機械学習を付加した制御技術の⑩オシレータ周波数制御
掘削速度をモニタリングし，掘削速度が確保できる構築を図りたい。
オシレータ周波数の増減制御を行う。
⑪ロッド分離制御
ロッド分離作業時を，各制御のタイムラグもしくはラップタイムを考慮して効率的に作動させる。
⑫モニタリング（データグラフィック機能付）「ビット荷重」，「回転トルク」，「循環水送水圧力」，《参 考 文 献》
1）経済産業省，エネルギー白書，㈱ウィザップ，104-138，2014 年 8 月
2）北海道大学 地中熱利用システム工学講座，「地中熱ヒートポンプシス
テム」，㈱オーム社，32-33 ，2007 年 9 月
3）内野・宮崎・井上・石橋・吉岡，「重機等の排気低周波音低減用アクティ
ブ消音器の開発」，公益社団法人日本騒音制御工学会秋季研究発表会
講演論文集，133-136，2014 年 9 月「オシレータ圧力」，「エンジン回転数」，「掘削速度」，「スピンドル回転数」，「ポスト傾斜角度」を常時監視する（写真─ 4）。

［筆者紹介］
伊藤 春彦（いとう はるひこ）㈱東亜利根ボーリング代表取締役