JPH0925785A - 電気加熱器およびそれを使用する凍土の強制解凍法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 解凍速度が大きく、小型設備で施工できる、
凍土の強制解凍。 【解決手段】 解凍管に直接交流電流を通電して、解凍
管を加熱する方式の電気加熱器を使用しこの電気加熱器
を凍土に埋設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は電気加熱器および、
シールド工法において凍結工法を採用した際に生成され
る凍土のシールド工事終了後の電気加熱器による強制解
凍法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シールド工法の一つとして地山の止水や
強度増加などのために凍結工法が採用されている。工事
終了後、凍土を自然解凍させると氷解時の体積減少によ
り構築した躯体（セグメントにより構築したトンネル）
が沈下するので、人為的に解凍速度を調整しながら強制
解凍し、氷解時の体積減少分に相当するモルタルなどを
注入するのが一般的である。そして、この強制解凍方法
としては、解凍場所をボーリングして解凍管を埋設し、
地上部に設けた温水タンクより温水を解凍管に供給・循
環させる方法が一般的である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の解凍管を温水に
より加熱して凍土を解凍する方式では、解凍管付近の水
温は安全と操作上から６０°Ｃ程度となり、解凍速度が
遅く、解凍に数か月を要している。また、解凍管に温水
を循環させるため、加熱装置やタンク、配管、ポンプな
どを必要とし、トンネル内設備としては大掛かりになら
ざるを得ないという問題がある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の温
水循環加熱方式の諸欠点は、解凍管の表面加熱エネルギ
ー密度を容易に大きくし得る電気加熱方式、特に、解凍
管自体を発熱体として利用する直接加熱方式を採用する
ことによって、設備の小型化も含めて一挙に解消し得る
筈であると考え、検討の結果、本発明を完成するに至っ
た。

【０００５】即ち、本発明の請求項１記載の発明は、
（Ａ）先端が底板で閉塞された筒状導電性強磁性体であ
る解凍管と、（Ｂ）解凍管内部に同心状に収納され、そ
の先端は解凍管の底板に電気的に連結されているが、そ
の他の部分は解凍管と電気的に絶縁されており、周壁に
複数の穿孔を有し、内部に水平方向の均圧孔付き仕切板
を有する筒状導電体とから構成され、解凍管に下式を満
足する条件下で交流電流を流すことを特徴とする電気加
熱器にかかるものであり、

【０００６】

【数１】

【０００７】（ｔ(cm)は解凍管の壁厚、Ｓ(cm)は交流電
流が流れる解凍管の表皮を内表面から半径方向に測った
厚さで、次式で与えられる。

【０００８】

【数２】

【０００９】ここで ρ：解凍管の抵抗率（オーム・c
m），μ：解凍管の比透磁率，ｆ：交流電源の周波数（H
z） ）請求項２
記載の発明は、請求項１記載の発明の筒状導電体に代え
て柱状導電体を使用して構成した電気加熱器にかかるも
のである。

【００１０】そして、請求項８記載の発明は、かかる電
気加熱器を凍土の所定の場所に埋設し、この電気加熱器
に交流電流を通電し、解凍管には下式を満足する条件下
で交流電流を流すことを特徴とする凍結工法における凍
土の強制解凍法である。

【００１１】

【数１】

【００１２】（ｔ(cm)は解凍管の壁厚、Ｓ(cm)は交流電
流が流れる解凍管の表皮を内表面から半径方向に測った
厚さで、次式で与えられる。

【００１３】

【数２】

【００１４】ここで ρ：解凍管の抵抗率（オーム・c
m），μ：解凍管の比透磁率，ｆ：交流電源の周波数（H
z） ）導電体に
交流電流が流れる場合、よく知られているように表皮効
果によって、交流電流は導電体の表面近くに偏った交流
表皮電流となって流れ、その表皮の深さは上式（数２）
で与えられ、その導電体の材質と交流電源の周波数とに
よって決められる。つまり、抵抗率ρが小さくなる程、
比透磁率μおよび周波数ｆが大きくなる程、表皮の深さ
Ｓは小さくなり、表皮効果は著しくなる。

【００１５】本発明で使用する電気加熱器はこの表皮効
果を巧みに利用したものであり、商用周波数電源を使用
する場合、筒状導電体である解凍管として表皮効果の著
しい強磁性体の筒管を使用し、その内側に柱状または筒
状の導電体を同心状に収納した構成として両筒管に交流
電流を流し、その電流を解凍管の内表面に沿って交流表
皮電流として集中的に流し、解凍管の外表面には実用上
流さないようにし、人畜への感電の危険も無くなるよう
にしたものである。

【００１６】導電体が強磁性体であれば、Ｓ＝１mm程度
（ちなみに、非磁性体である銅ではＳ＝１cm程度）であ
るので、電気加熱器の大きさ、重量、機械的強度、安全
性などを考慮して解凍管として壁厚数mm程度以上の強磁
性体の筒管を使用すれば、Ｓは解凍管の壁厚の１／２未
満となり解凍管の外表面を絶縁しなくても電流が凍土側
に流れる心配も感電の危険も全くない。

【００１７】かかる強磁性体の筒管としては、価格、強
度などの面から通常の鋼管が好ましく使用される。

【００１８】交流電流は表皮効果により解凍管の内表面
に交流表皮電流として集中して流れ解凍管での発熱量は
同じ大きさの直流電流が流れる場合より大きくなる。

【００１９】解凍管の内部に収納する柱状または筒状の
導電体は強磁性体、非磁性体の何れでもよい。この柱状
または筒状の導電体での発熱を期待する場合は強磁性体
を使用し、期待しない場合は非磁性体を使用する。柱状
または筒状の導電体が強磁性体である場合は、解凍管の
場合と同様に交流電流は表皮効果により柱状または筒状
の導電体の外表面に交流表皮電流として集中して流れ、
発熱量は同じ大きさの直流電流が流れる場合より大きく
なる。しかし、柱状または筒状の導電体が非磁性体であ
る場合は、表皮効果は殆ど現れず、発熱量は同じ大きさ
の直流電流が流れる場合と同等である。

【００２０】柱状または筒状の導電体での発熱を期待す
る場合、柱状または筒状の導電体全体を磁性体とする代
わりに、非磁性体である内柱または内管と、外周に放熱
フィンを有する強磁性体である外管との二重構造として
もよい。この場合は交流電流は表皮効果により放熱フィ
ンの表面に交流表皮電流として集中して流れ、発熱量は
より大きくなり、放熱フィンのない場合の数倍にするこ
ともできる。

【００２１】なお、以上の説明は商用周波数の交流電流
の場合を例にとったが、高周波の交流電流の場合、柱状
または筒状の導電体が強磁性体のときは勿論、非磁性体
であっても表皮効果が著しくなり、同様に作用する。

【００２２】本発明の電熱加熱器の解凍管は口径に比し
て、軸長が かに長く、強制解凍に使用するときには縦
長の形で凍土中に埋設される。そのため、発熱時には解
凍管内部に生ずる流体の自然対流による伝熱により上下
の温度差が大きくなり、電熱加熱器としての性能が損な
われることになる。

【００２３】そこで、解凍管の温度均一化のため、柱状
または筒状の導電体の周りには、解凍管と導電体の発熱
量、解凍管内部の流体の種類に応じて、軸方向に所定の
間隔で導電体と解凍管との間の空間を上下に仕切る仕切
板を取付けておく。この仕切板には上下に貫通する孔
（均圧孔）を設けておいてもよい。この仕切板は解凍管
による導電体の支持を兼ねている。

【００２４】導電体が筒状の場合には、さらに、軸方向
に所定の間隔であり、かつ、円周方向に所定の個数の穿
孔を周壁に設けるとともに、管内を上下に仕切る均圧孔
付き仕切板を所定の間隔で設けておく。

【００２５】この結果、導電体が柱状の場合、筒状の場
合の何れの場合でも、一続きであった筒状導電体の内部
空間および導電体と解凍管との間の空間は上下に複数に
仕切られる形となり流体の自然対流も部分的な複数の自
然対流となり、解凍管の上下の大きな温度差は解消さ
れ、解凍管の温度は均一化され、解凍管全長にわたる均
一な解凍が図られる。

【００２６】柱状または筒状の導電体を発熱体として期
待せず、発熱量の殆どを解凍管に期待する場合には解凍
管内部の流体は空気の儘でよいが、導電体を発熱体とし
て期待し、その発熱量が解凍管に匹敵するか、 かに超
える場合には、流体として絶縁性耐熱液体を充填するこ
とにより、導電体の温度上昇が低減され、かつ、その発
熱の解凍管への伝熱速度を向上させることができる。

【００２７】この絶縁性耐熱液体としては通常の鉱油や
シリコンオイルなどが使用される。

【００２８】本発明の電熱加熱器は一個の電熱加熱器を
単相交流電源に接続して使用してもよいが、通常は複数
個の電熱加熱器群を一単位として使用し、その複数個の
電熱加熱器群をできるだけ平衡負荷として多相交流電源
接続して使用するのが電気設備の運用上好ましい。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の電気加熱器の例について、商用周波数電流を使用する
場合を説明する。高周波の交流電流の場合も同様に説明
できるのは勿論である。

【００３０】図１〜図４は本発明の電気加熱器の各実施
例を示す縦断面図である。

【００３１】先ず、図１について説明する。

【００３２】解凍管１は導電性のある強磁性体（例えば
鋼鉄）であり、その先端には鋼板である底板８が溶着さ
れ閉塞されている。筒状導電体２は周壁に複数の穿孔６
を有し、内部に均圧孔付き仕切板３^' を有する非磁性体
（例えば銅、アルミニウム、ステンレス）であり、解凍
管１の中に同心的に収納され、その先端９は底板８に溶
着されて電気的、機械的に固定されている。筒状導電体
２の周壁は解凍管１の周壁に絶縁体３，４を介して支持
され、機械的には固定されているが電気的には絶縁され
ている。この絶縁体３，４により解凍管１内部の空間は
複数（図１では三つ）に仕切られている。

【００３３】解凍管１および円筒状導電体２を交流電源
端子２１に接続し、交流電流を流すと、電流は解凍管１
では内表面に集中して、交流表皮電流３１として流れ、
筒状導電体２では略一様に流れる。この結果、解凍管１
で大きく発熱し、筒状導電体２で付加的な発熱が起こ
る。解凍管１内部の空気は図示するように、仕切られた
空間内で穿孔６を通過する複数の部分的自然対流を起こ
し伝熱するので、解凍管１の上下での温度差は小さい。

【００３４】解凍管１よりの放熱により、周囲の凍土は
解凍されて行く。

【００３５】図２に図示する例は、図１の筒状導電体２
に代えて、柱状導電体２^' を使用した例である。この場
合も図１の場合と同様に交流電流は解凍管１では内表面
に集中して、交流表皮電流３１として流れ、柱状導電体
２^' では略一様に流れる。この結果、解凍管１で大きく
発熱し、柱状導電体２^' で付加的な発熱が起こる。解凍
管１内部の空気は図示するように、仕切られた空間内で
部分的自然対流を起こし伝熱するので、解凍管１の上下
での温度差は小さい。

【００３６】図３に図示する例は、筒状導電体２の材質
として、非磁性体ではなく解凍管１と同様の導電性強磁
性体（例えば鋼鉄）を使用した例である。この場合は筒
状導電体２においても交流電流は外表面に集中して、交
流表皮電流４１として流れ、筒状導電体２でも解凍管１
に匹敵する量の発熱が起こる。この大量の発熱を速やか
に解凍管１に伝熱させるため、解凍管１内部の空間に絶
縁性耐熱液体として鉱油１１を充填してある。

【００３７】図４に図示する例は、筒状導電体２全体の
材質を強磁性体とする代わりに、非磁性体である内管
（例えば銅管）と、外周に放熱フィン１０を有する強磁
性体（例えばニッケル・クロム合金）製の外管とから構
成される二重管とした例である。筒状導電体２において
は交流電流は放熱フィン１０の表面に集中して、交流表
皮電流４１として流れ、磁性体材質の相違、表面積の相
違により筒状導電体２での発熱量は図３の例より大きく
なり、解凍管１を凌駕する量の発熱が起こる。この大量
の発熱を速やかに解凍管１に伝熱させるため、図３の例
と同様に解凍管１内部の空間に絶縁性耐熱液体として鉱
油１１を充填してある。

【００３８】

【発明の効果】本発明は表皮効果を利用した電気加熱に
より解凍管を加熱するもので、従来の温水加熱に比較し
て解凍管はより高温に加熱され、凍土の解凍速度は速く
なり、工期は短縮される。そして、加熱設備も解凍管へ
の通電設備のみでよいので、小型となる。また、凍結に
使用した鋼管を解凍管として再使用可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電気加熱器の実施例を示す縦断面図で
ある。

【図２】本発明の電気加熱器の他の実施例を示す縦断面
図である。

【図３】本発明の電気加熱器の他の実施例を示す縦断面
図である。

【図４】本発明の電気加熱器の他の実施例を示す縦断面
図である。

【符号の説明】 １・・解凍管、２・・筒状導電体、２^' ・・柱状導電
体、３，４，５・・絶縁体、３^' ・・均圧孔付き仕切
板、６・・穿孔、７・・めくらプラグ、８・・底板、９
・・導電体先端、１０・・放熱フィン、１１・・鉱油、
２１・・交流電源端子、３１，４１・・交流表皮電流。

フロントページの続き (72)発明者 太田 勝矢 東京都調布市飛田給２丁目19番１号 鹿島 建設株式会社技術研究所内 (72)発明者 樋口 安夫 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 白石 康信 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 神尾 正博 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 亀井 良至 東京都港区元赤坂１丁目２番７号 鹿島建 設株式会社内 (72)発明者 高木 英明 千葉県千葉市中央区新町３丁目13番 チッ ソエンジニアリング株式会社内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （Ａ）先端が底板で閉塞された筒状導電
   性強磁性体である解凍管と、（Ｂ）解凍管内部に同心状
   に収納され、その先端は解凍管の底板に電気的に連結さ
   れているが、その他の部分は解凍管と電気的に絶縁され
   ており、周壁に複数の穿孔を有し、内部に水平方向の均
   圧孔付き仕切板を有する筒状導電体とから構成され、解
   凍管に下式を満足する条件下で交流電流を流すことを特
   徴とする電気加熱器。 【数１】 （ｔ(cm)は解凍管の壁厚、Ｓ(cm)は交流電流が流れる解
   凍管の表皮を内表面から半径方向に測った厚さで、次式
   で与えられる。 【数２】 ここで ρ：解凍管の抵抗率（オーム・cm），μ：解凍
   管の比透磁率，ｆ：交流電源の周波数（Hz）
   ）
2. 【請求項２】 （Ａ）先端が底板で閉塞された筒状導電
   性強磁性体である解凍管と、（Ｂ）解凍管内部に同心状
   に収納され、その先端は解凍管の底板に電気的に連結さ
   れているが、その他の部分は解凍管と電気的に絶縁され
   ている柱状導電体とから構成され、解凍管に下式を満足
   する条件下で交流電流を流すことを特徴とする電気加熱
   器。 【数１】 （ｔ(cm)は解凍管の壁厚、Ｓ(cm)は交流電流が流れる解
   凍管の表皮を内表面から半径方向に測った厚さで、次式
   で与えられる。 【数２】 ここで ρ：解凍管の抵抗率（オーム・cm），μ：解凍
   管の比透磁率，ｆ：交流電源の周波数（Hz）
   ）
3. 【請求項３】 筒状導電体が強磁性体である請求項１記
   載の電気加熱器。
4. 【請求項４】 筒状導電体が、非磁性体である内管と、
   外周に放熱フィンを有する強磁性体である外管との二重
   構造である請求項１記載の電気加熱器。
5. 【請求項５】 柱状導電体が強磁性体である請求項２記
   載の電気加熱器。
6. 【請求項６】 柱状導電体が、非磁性体である内柱と、
   外周に放熱フィンを有する強磁性体である外管との二重
   構造である請求項２記載の電気加熱器。
7. 【請求項７】 解凍管内部の空間に絶縁性液体を充填し
   た請求項１乃至請求項６記載の電気加熱器。
8. 【請求項８】 請求項１乃至請求項７記載の電気加熱器
   を凍土の所定の場所に埋設し、この電気加熱器に交流電
   流を通電し、解凍管に下式を満足する条件下で交流電流
   を流すことを特徴とする凍土の強制解凍法。 【数１】 （ｔ(cm)は解凍管の壁厚、Ｓ(cm)は交流電流が流れる解
   凍管の表皮を内表面から半径方向に測った厚さで、次式
   で与えられる。 【数２】 ここで ρ：解凍管の抵抗率（オーム・cm），μ：解凍
   管の比透磁率，ｆ：交流電源の周波数（Hz）
   ）