特許 7638045 土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-02-20

(45)【発行日】2025-03-03

(54)【発明の名称】土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 25/18 20060101AFI20250221BHJP

【ＦＩ】

G01N25/18 G

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2024201442

(22)【出願日】2024-11-19

【審査請求日】2024-11-19

(31)【優先権主張番号】202311790571.5

(32)【優先日】2023-12-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】520154254

【氏名又は名称】江蘇科技大学

【氏名又は名称原語表記】ＪＩＡＮＧＳＵ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．２ Ｍｅｎｇｘｉ Ｒｏａｄ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２１２００３，Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000291

【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】呉 涛

(72)【発明者】

【氏名】陳 成

(72)【発明者】

【氏名】陳 冠年

(72)【発明者】

【氏名】張 雷

(72)【発明者】

【氏名】徐 浩青

(72)【発明者】

【氏名】李 小娟

(72)【発明者】

【氏名】竺 明星

(72)【発明者】

【氏名】王 麗艶

(72)【発明者】

【氏名】王 炳輝

【審査官】前田 敏行

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－１３２９１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１４５２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２６３９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２３／２０１１２３（ＷＯ，Ａ２）

【文献】中国特許出願公開第１０６８４１２９１（ＣＮ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１７－００１２６５５（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２５／００－２５／７２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置であって、
土壌内に垂直に挿入された断熱プローブ（５）と、断熱プローブの端部に位置する環状加熱管（６）と、環状加熱管の端部に位置する断熱貫入ヘッド（８）と、環状加熱管の外壁に位置し且つある点での土壌温度を測定するための温度センサ（７）と、環状加熱管に一定の加熱電力を供給するための電源（１）と、温度センサが測定した温度数値を受信し且つ環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数を計算するための温度収集システム（２）とを含み、
前記電源（１）により出力された一定の加熱電力はＰ_１であり、前記温度収集システム（２）により計算された環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数λは下記通りであり、

【数5】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、Ｐ_１は環状加熱管の加熱電力値であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であり、Ｔ_０は加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値であり、Ｔ_１は加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値である、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項2】

前記電源（１）は加熱電力範囲が０～１５Ｗで、制御精度が±０．５％のＦＳの直流定圧電源である、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項3】

前記断熱プローブ（５）及び断熱貫入ヘッド（８）の表面には熱伝導遮断型断熱塗料で製造される断熱塗布層が塗布され、断熱塗布層の熱伝導係数は０．０３Ｗ／（ｍ・℃）以下である、請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項4】

前記環状加熱管（６）の外径と高さは等しく、環状加熱管の高さは５ｃｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項5】

前記断熱プローブ（５）、環状加熱管（６）及び断熱貫入ヘッド（８）は剛性体を構成して土壌に挿入され、環状加熱管（６）は土壌における熱伝導係数に必要な測定深さにある、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項6】

前記電源（１）は断熱プローブを貫通する電源線（３）を介して環状加熱管（６）に接続され、前記温度収集システム（２）は断熱プローブを貫通するデータ線（４）を介して温度センサ（７）に接続される、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項7】

前記断熱プローブ（５）及び断熱貫入ヘッド（８）の外径は環状加熱管（６）の外径と同じであり、断熱貫入ヘッド（８）の端部はテーパ状である、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項8】

前記温度センサ（７）の測定範囲は２０～１５０℃であり、精度は±０．５℃である、ことを特徴とする請求項１に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置。

【請求項9】

温度センサを環状加熱管の外壁に取り付け、断熱プローブ、環状加熱管及び断熱貫入ヘッドを順に剛性体として接続し、電源線を介して環状加熱管と電源とを接続し、データ線を介して温度センサと温度収集システムとを接続するステップと、
環状加熱管をテストすべき土壌目標深さに垂直に挿入するステップと、
温度収集システムの示度が安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_０を記録するステップと、
電源をオンにし、環状加熱管に出力する加熱電力を一定電力値Ｐ_１に制御するステップと、
温度収集システムの示度が再安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_１を記録するステップと、
環状加熱管の一定の加熱電力値Ｐ_１、加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_０及び加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_１を以下の式に代入して土壌の熱伝導係数λを得、

【数6】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であるステップとを含む、ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は地質検出技術分野に関し、特に土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

岩石・土壌の熱伝導係数はその熱物理特性を反映する重要な指標の１つであり、その大きさは土壌の熱伝導能力を特徴づけている。土壌の熱伝導係数は地球の重要な地域における汚染物質の移動、水分と熱伝送及び温度情報の変化の重要な影響要素であり、土壌の熱伝導係数を正確に測定するのは、一方では浅層地熱エネルギーの開発、土壌汚染の管理及び寒冷地工事の建設にサービスし、他方では土壌中の水熱変化理論とモデルの研究に助力し、土壌の含水率と汚染物含有量などのパラメータを間接的に取得することができる。土壌の熱伝導係数は主に土壌の質、含水率、温度、空隙率と塩含有量などの要素の影響を受ける。

【0003】

現在、土壌の熱伝導係数を取得する方法は主に室内試験法、その場テスト法、予測モデル法がある。室内試験法は主にその場で土サンプルを取得し、それから実験室内に移して保護熱板法（例えば特許ＣＮ１０７５８９１４７Ａ）によって土サンプルに熱伝導係数試験を行い、この方法の限界はサンプリングと輸送の過程に時間と労力がかかり、しかも全過程が土サンプルに摂動を与えやすく、試験結果に大きな誤差が生じることである。その場テスト法は主に熱線法（例えば特許ＣＮ１０９８８４１１５ＡとＣＮ１０７７２７６８７Ａ）とその場熱応答試験法（例えば特許ＣＮ１０２７２１７２２Ａ）によって土壌に熱伝導係数のその場テストを行い、この２種類のテスト方法の基本原理はいずれも無限長さの瞬間線熱源理論であり、線熱源を用いて土壌を加熱することによってその影響範囲が大きく、この範囲内の土壌の平均熱伝導係数しか得られず、土壌のある深さでのある点の熱伝導係数を得ることができず、土壌の不均質な影響を受けて誤差が大きい。予測モデル法（例えば特許ＣＮ１１３０７５２５０ＡとＣＮ１０９１１７４５２Ａ）は経験モデル又は理論モデルに基づいて土壌の熱伝導係数を推定し、土壌の基本物理指標を対応する予測モデルに代入すればその熱伝導係数を得ることができるが、予測モデルの計算が複雑で、使用コストが高いとともに、異なるタイプの土壌の物理組成の違いが大きく、予測モデル法の適用範囲が小さく、予測結果の誤差が大きい。

【0004】

そのため、上記問題を早急に解決する必要がある。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

発明目的：本発明の第１目的は、その場土壌のある点での熱伝導係数を便利で正確に取得できない技術課題を解決するために、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置を提供することである。

【0006】

本発明の第２目的は、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

技術案：以上の目的を実現するために、本発明は、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置であって、土壌内に垂直に挿入された断熱プローブと、断熱プローブの端部に位置する環状加熱管と、環状加熱管の端部に位置する断熱貫入ヘッドと、環状加熱管の外壁に位置し且つある点での土壌温度を測定するための温度センサと、環状加熱管に一定の加熱電力を供給するための電源と、温度センサが測定した温度数値を受信し且つ環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数を計算するための温度収集システムとを含む土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置を開示する。

【0008】

電源により出力された一定の加熱電力はＰ_１であり、前記温度収集システムにより計算された環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数λは下記通りであり、

【数1】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、Ｐ_１は環状加熱管の加熱電力値であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であり、Ｔ_０は加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値であり、Ｔ_１は加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値である。

【0009】

好適には、前記電源は加熱電力範囲が０～１５Ｗで、制御精度が±０．５％のＦＳの直流定圧電源である。

【0010】

また、断熱プローブ及び断熱貫入ヘッドの表面には熱伝導遮断型断熱塗料で製造される断熱塗布層が塗布され、断熱塗布層の熱伝導係数は０．０３Ｗ／（ｍ・℃）以下である。

【0011】

さらに、環状加熱管の外径と高さは等しく、環状加熱管の高さは５ｃｍ以下である。

【0012】

好適には、断熱プローブ、環状加熱管及び断熱貫入ヘッドは剛性体を構成して土壌に挿入され、環状加熱管は土壌における熱伝導係数に必要な測定深さにある。

【0013】

また、電源は断熱プローブを貫通する電源線を介して環状加熱管に接続され、前記温度収集システムは断熱プローブを貫通するデータ線を介して温度センサに接続される。

【0014】

さらに、断熱プローブ及び断熱貫入ヘッドの外径は環状加熱管の外径と同じであり、断熱貫入ヘッドの端部はテーパ状である。

【0015】

好適には、温度センサの測定範囲は２０～１５０℃であり、精度は±０．５℃である。

【0016】

本発明は、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法であって、
温度センサを環状加熱管の外壁に取り付け、断熱プローブ、環状加熱管及び断熱貫入ヘッドを順に剛性体として接続し、電源線を介して環状加熱管と電源とを接続し、データ線を介して温度センサと温度収集システムとを接続するステップと、
環状加熱管をテストすべき土壌目標深さに垂直に挿入するステップと、
温度収集システムの示度が安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_０を記録するステップと、
電源をオンにし、環状加熱管に出力する加熱電力を一定電力値Ｐ_１に制御するステップと、
温度収集システムの示度が再安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_１を記録するステップと、
環状加熱管の一定の加熱電力値Ｐ_１、加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_０及び加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_１を以下の式に代入して土壌の熱伝導係数λを得、

【数2】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であるステップとを含む、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法を開示する。

【0017】

発明原理：本発明は環状加熱管を球状熱源と見なし、フーリエ熱伝導法則とエネルギー保存法則に基づいて、土壌定常状態熱伝導下の環状加熱管の外壁における土壌の温度が加熱電力と土壌の熱伝導係数だけと関係があることを発見する。

【発明の効果】

【0018】

有益な効果：従来技術と比較して、本発明は以下の顕著な利点を有する。

【0019】

（１）従来のその場テスト技術では、線熱源理論に基づいて土層の平均熱伝導係数しか測定できない問題に対して、本発明は球状熱源の土壌中の定常状態熱伝導モデルに基づいて、土壌中のある点での熱伝導係数を測定でき、より広い応用範囲を持ち、地熱資源開発、土壌中汚染対策及び寒地工事建設により正確なテストパラメータを提供することができる。

【0020】

（２）本発明は土壌中のある点での加熱前及び加熱が安定した後の土壌温度及び対応する加熱電力を測定するだけで、計算によって熱伝導係数を得られ、従来のその場テスト技術がフィッティング実験データを選択する時間帯による分析誤差を回避することができる。

【0021】

（３）本発明は小さいサイズの環状加熱管を通じて土壌を加熱し、その加熱影響範囲が従来のその場テスト技術によって採用される線熱源より著しく小さく、土壌の不均質によるテスト誤差を著しく低減する。

【0022】

（４）本発明は断熱プローブ及び断熱貫入ヘッドを採用し、装置自身の熱伝導が土壌の熱伝導係数テストに対する干渉を回避する。

【0023】

（５）本発明は製造コストが低く、操作が簡単で、携帯に便利で、サンプリングして実験室に移してテストする煩雑で時間がかかる過程を回避するだけでなく、巨額の費用をかけて現場にテスト施設を建設する必要もない。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の構造概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図面を用いて本発明の技術案についてさらに説明する。

【0026】

図１に示すように、本発明は、電源１、温度収集システム２、電源線３、データ線４、断熱プローブ５、環状加熱管６、温度センサ７及び断熱貫入ヘッド８を含む土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置を開示する。電源１は加熱電力範囲が０～１５Ｗで、制御精度が±０．５％のＦＳの直流定圧電源であり。電源１は、電源線３を介して環状加熱管６に一定の加熱電力を提供し、電源線３は断熱プローブ５の頂部に突入し且つ貫通して環状加熱管６に接続され、環状加熱管６の頂部及び底部はそれぞれ断熱プローブ５及び断熱貫入ヘッド８にねじで接続され、環状加熱管６はチタン合金ステンレス鋼材料で製作され、外径と高さが同じであり、高さが４ｃｍである。断熱プローブ５及び断熱貫入ヘッド８は鋳鉄材料で製作され、断熱プローブ５及び断熱貫入ヘッド８の外径は環状加熱管６の外径と同じであり、断熱貫入ヘッド８の端部はテーパ状であり、断熱プローブは設計深さに応じて調整することができ、１本の断熱プローブを使用することを含むが、これに限らず、複数本の断熱プローブをねじで接続してもよい。断熱プローブ５及び断熱貫入ヘッド８の表面には熱伝導遮断型断熱塗料で製造される断熱塗布層が塗布され、断熱塗布層の熱伝導係数は０．０３Ｗ／（ｍ・℃）以下である。温度収集システム２は温度センサ７が測定した温度数値をデータ線４を介して読み取り、データ線４は断熱プローブ５の頂部に突入し且つ貫通し、そして断熱プローブ５の側壁から突出した後に温度センサ７に接続され、温度センサ７は環状加熱管６の外壁に取り付けられ、測定範囲が－２０～１５０℃であり、精度が±０．５℃である。温度収集システム２は計算機能を有する機器である。断熱プローブ５、環状加熱管６及び断熱貫入ヘッド８からなる剛性体は土壌に垂直に挿入され、環状加熱管６は土壌における熱伝導係数に必要な測定深さにある。

【0027】

電源１により出力された一定の加熱電力はＰ_１であり、前記温度収集システム２により計算された環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数土壌の熱伝導係数λは下記通りであり、

【数3】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、Ｐ_１は環状加熱管の加熱電力値であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であり、Ｔ_０は加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値であり、Ｔ_１は加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値である。

【0028】

本発明は、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法であって、
温度センサを環状加熱管の外壁に取り付け、断熱プローブ、環状加熱管及び断熱貫入ヘッドを順に剛性体として接続し、電源線を介して環状加熱管と電源とを接続し、データ線を介して温度センサと温度収集システムとを接続するステップと、
環状加熱管をテストすべき土壌目標深さ（深さが１．５メートルである）に垂直に挿入するステップと、
温度収集システムの示度が安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_０（Ｔ_０＝２２℃である）を記録するステップと、
電源をオンにし、環状加熱管に出力する加熱電力を一定電力値Ｐ_１（Ｐ_１＝５Ｗである）に制御するステップと、
温度収集システムの示度が再安定した後、この時に温度センサが測定した土壌温度値Ｔ_１（Ｔ_１＝３４℃である）を記録するステップと、
環状加熱管の一定の加熱電力値Ｐ_１、加熱前に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_０及び加熱が安定した後に温度センサが測定した土壌の温度値Ｔ_１を以下の式に代入して土壌の熱伝導係数λを得、

【数4】

式において、λは土壌の熱伝導係数であり、ｄ_０は環状加熱管の外径値であるステップとを含む、土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置の測定方法を開示する。

【0029】

この上記実施から明らかなように、本発明は、テスト過程が簡単で迅速で、土壌のある点の加熱前と及び加熱が安定した後の土壌温度と対応する加熱電力を測定するだけで、簡単な計算によってこの点の土壌の熱伝導係数を得ることができ、本発明は、従来技術と比較して、コストが低く、操作が簡単で、テスト結果が信頼できるなどの特徴を有し、極めて高い工事応用価値を有する。

【0030】

以上、本発明の好適な実施形態について詳述したが、本発明の設計構想はこれに限定されるものではなく、本発明の技術構想の範囲内で、本発明の技術構想に対して多種の同等変換を行うことができ、これらの同等変換はすべて本発明の保護範囲に属する。

【要約】      （修正有）

【課題】土壌のある点での熱伝導係数のための貫入式その場測定装置及び測定方法を開示する。
【解決手段】この装置は、土壌内に垂直に挿入された断熱プローブと、断熱プローブの端部に位置する環状加熱管と、環状加熱管の端部に位置する断熱貫入ヘッドと、環状加熱管の外壁に位置し且つある点での土壌温度を測定するための温度センサと、環状加熱管に一定の加熱電力を供給するための電源と、温度センサが測定した温度数値を受信し且つ環状加熱管の位置する深さでの土壌の熱伝導係数を計算するための温度収集システムとを含む。本発明は、その場土壌のある点での熱伝導係数を便利で正確に取得できない従来技術の技術課題を解決する。
【選択図】図１

【図1】