JP2000161198A - 地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流体循環装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課 題】 地中の地熱流体貯留層に存在している地熱
流体を直接利用することなしに、地熱エネルギーを有す
る地中に通された密閉型の流体循環装置内に地上から流
体を供給してその流体を地熱エネルギーによって熱水と
蒸気の混合体としてその混合体からクリーンな蒸気を得
るようにした密閉型流体循環装置の装置本体の内部を熱
効率の良い構造とする。 【解決手段】 密閉型流体循環装置１の装置本体２の内
部に、給水側上部流路７と、給水側下部流路８と、下部
内管１５の外壁と漏斗状の巻き込み分離装置１６の内壁
とからなる巻き込み戻り流路９と、上昇側下部流路１０
と、給水側上部流路７の内側を通る上昇側上部流路１１
とを形成し、給水側上部流路７と給水部３とを連通結合
し、上昇側上部流路１１と蒸気取り出し部４とを連通結
合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地熱を利用して流体
を熱水と蒸気の混合体とし、その混合体から蒸気を得
て、その蒸気を発電用蒸気タービン等に供給することを
目的とした蒸気の採取設備に関し、特に地中の地熱流体
貯留層に存在している地熱流体を直接利用することなし
に蒸気を採取しようとする蒸気採取用の密閉型流体循環
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、発電用として地熱エネルギー
が開発利用されている。従来の蒸気採取方法は、地下深
部で蒸気と熱水とが高圧下で地熱流体となって共存して
いる地熱流体貯留層を地上から狙って坑井を掘削して地
熱流体を地上へ自噴させ、その地熱流体を気水分離器に
導入して蒸気と熱水とに分離し、蒸気を地熱発電用とし
て利用していた。

【０００３】しかしながら、地熱発電の場合には数万Ｋ
Ｗの発電のために多量の蒸気を必要とするので、一般に
は１０本以上、あるいは数十本に及ぶ蒸気採取井を掘削
することが必要になる。その上、蒸気採取にあたっては
これら各採取井から配管によって一地点に集めるための
配管を敷設する必要があり、山間部に点在する採取井か
らの配管は長距離となることが普通であり、多大の建設
費を必要とするという欠点があった。

【０００４】さらに、自噴した地熱流体を気水分離器に
導入して、蒸気と熱水とに分離し、蒸気は地熱発電用に
利用し、熱水は地熱流体の枯渇防止及び地核変動防止の
ために最終的には再び地下に還元してやることが必要と
なり、そのための還元坑井も掘削して置く必要があっ
た。

【０００５】また、高温高圧下の地熱流体中にはかなり
のアルカリ土類金属が溶解しており熱水中のアルカリ土
類が炭酸塩となって析出し、スケールとなって採取井や
還元井に付着し、採取井や還元井を閉塞状態にしてしま
う恐れがあるために、坑井内へ薬注管を挿入する等、ス
ケール防止対策にも注意を払わなければならないという
煩わしさもあった。また、場所によっては地熱流体に有
害な物質が含まれていることもあり、公害対策の点でも
相当の注意を払わなければならなかった。

【０００６】そして、これらの欠点を解決することを目
的に本発明者は先に特開平９−１１２４０７号公報によ
り、密閉型の流体循環装置の熱交換部を地熱エネルギー
を有する地中に通し、その熱交換部に地上より流体を供
給し、供給された流体を地熱によって昇温し、蒸気と熱
水を発生させて清浄で安全な蒸気を得ることができる蒸
気の採取装置を提案している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
特開平９−１１２４０７号公報に示した従来の技術にお
いては地熱エネルギーにより高温に昇温された流体は外
管の内壁と内管の外周面とによって形成された上昇側流
路に沿ってそのまま一気に上昇して行くために地層浅部
の低温地層域で冷やされた流体も一緒に取水部を通して
気水分離器へ送り出されてしまうので熱効率が低下して
しまうという問題があった。

【０００８】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、従来の蒸気採取設備用の密閉型流体循環装置と
比較して熱効率が極めて優れている地熱を利用した蒸気
採取用の密閉型流体循環装置を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記の課題を達成するた
め、本発明の請求項１に係る地熱を利用した蒸気採取用
の密閉型流体循環装置は、外部に設けてある高圧給水装
置と連通し、該高圧給水装置から供給される流体を取り
入れる給水部と、地熱によって昇温されて熱水と蒸気の
混合体となった流体より蒸気を取り出す蒸気取り出し部
と、互いにそれぞれ順次連通している給水側上部流路と
給水側下部流路と上昇側下部流路と上昇側上部流路とを
内部に備え、下側が熱交換部とされた装置本体とからな
り、該装置本体の該熱交換部を地熱エネルギーを有する
地中に通すことによって前記高圧給水装置により内部に
供給された流体を地熱によって昇温し、昇温されて熱水
と蒸気の混合体となった該流体から蒸気を採取するよう
にした地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流体循環装置
において、前記装置本体は、下部が地熱エネルギーを有
する地中まで通され、上部で前記給水部と前記蒸気取り
出し部に連通している密閉長尺円筒状の外管と、該外管
の内壁と、該外管の内部天井から該外管の内部垂直下方
の所定の位置まで延在している上部内管の外壁と、該上
部内管の下端部外周側に設けられたリング状の底板とに
よって形成された密閉二重筒状の給水側上部流路と、該
給水側上部流路の該リング状の底板の下部に設けられて
いる少なくとも２本の連通管に連通し、前記外管と同心
状に該外管内部の垂直下方に延在して、その先端が該外
管の底部近傍まで延びている少なくとも１つからなる下
部内管の内側に形成された給水側下部流路と、該給水側
下部流路を形成している該下部内管の外側に該下部内管
と同心状に上下方向に連続接近して複数設けられた漏斗
状の巻き込み分離装置と該下部内管の外壁とにより形成
された巻き込み戻り流路と、該巻き込み戻り流路を形成
している複数の漏斗状の巻き込み分離装置の外壁と前記
外管の内壁とにより形成された上昇側下部流路と、前記
密閉二重筒状の給水側上部流路を形成している前記上部
内管の内側に形成された上昇側上部流路とからなり、外
部に設けてある前記高圧給水装置と連通している前記給
水部が前記装置本体の前記給水側上部流路と連通結合さ
れ、地熱により昇温された前記流体から蒸気を取り出し
外部の設備に蒸気を供給する前記蒸気取り出し部が前記
装置本体の前記上昇側上部流路と連通結合されている構
成とする。

【００１０】地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流体循
環装置を前記のように構成し、外部に設けてある高圧給
水装置により給水部から装置本体内部に所定の水位にな
るまでの流体を順次供給してやることにより、供給され
た流体は地熱エネルギーを有する地中に通されている装
置本体の熱交換部で昇温され、熱水と蒸気の混合体とな
る。そしてその混合体からは水分を多く含んだ蒸気が装
置本体内の空間に放出され、放出された蒸気は上昇側下
部流路を上昇して行く。

【００１１】そして、水分を多く含んだ蒸気中の水分は
上昇側下部流路を上昇して行く過程で外管の内壁と下部
内管の外壁との温度差と上昇する蒸気の上昇気流の気圧
差による渦流によって漏斗状の巻き込み分離装置により
徐々に巻き込み戻り流路側に巻き込まれ巻き込み戻り流
路を下降し、下部の流体と一緒になり再度地熱エネルギ
ーにより昇温される。一方、上昇を続ける蒸気は水分が
十分に除かれた蒸気となり更に地熱によって加熱されな
がら高温高圧の蒸気となって上昇側下部流路を上昇し、
上昇側上部流路を経て蒸気取り出し部へと向かう。

【００１２】次に、本発明の請求項２に係る蒸気採取用
の密閉型流体循環装置は、請求項１における蒸気採取用
の密閉型流体循環装置の巻き込み戻り流路が、給水側下
部流路を形成している下部内管の外側で該下部内管と同
心状に上下に連続して設けられた中管の内壁と該下部内
管の外壁とによって形成され、該中管の外側には上下方
向に複数の切頭円錐状の巻き込み分離装置用つばが開き
側を上にして接合されており、該中管の該巻き込み分離
装置用つばの接合部の上側には該巻き込み分離装置内に
巻き込まれた熱水が前記巻き込み戻り流路に流れ込むた
めの熱水戻り用孔が円周に沿って複数穿設されている構
成とする。

【００１３】請求項２に係る当該発明は、基本的には請
求項１に係る発明と同じであるが、請求項１に係る発明
においては下部内管の外側に同心状に上下方向に連続接
近して複数設けられていた漏斗状の巻き込み分離装置
を、上下に連続して設けた中管に複数の切頭円錐状の巻
き込み分離装置用つばを開き側を上に向け閉じ側内周縁
で密着接合し、その接合部の上側に複数の熱水戻り用孔
を穿設することにより上下に一体構造としたものであ
る。

【００１４】次に、本発明の請求項３に係る蒸気採取用
の密閉型流体循環装置は、請求項１及び、請求項２にお
ける蒸気採取用の密閉型流体循環装置の装置本体を構成
している外管の熱交換部以外の管と上部内管と連通管と
下部内管、及び、蒸気取り出し部を構成している管をそ
れぞれ断熱管により構成するものとする。

【００１５】請求項３に係る当該発明は、請求項１、及
び請求項２に係る発明をより具体的にした発明であり、
蒸気取り出し部を構成している管と、装置本体を構成し
ている外管の熱交換部を除く部分、即ち低温地層部に接
する部分の外管と、給水側の各流路と上昇側の各流路と
をそれぞれ隔てている上部内管と、連通管と、下部内管
とを例えば二重管式断熱管とすることにより熱損失が少
なく、効率の良い流体循環装置としたものである。

【００１６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら詳細に説明する。図１において符号１は密閉型
流体循環装置であり、その密閉型流体循環装置１の長さ
は下側の熱交換部６が地中の地熱エネルギーを有する地
層Ａまで及ぶ長さとされ、掘削によって地中に設けられ
た穴に通されている。

【００１７】密閉型流体循環装置１は、上部に設けられ
た給水部３と蒸気取り出し部４と密閉長尺円筒状の装置
本体２とにより構成され、給水部３は地上の所定の位置
に設けてある高圧給水装置２０と連通結合されており、
その高圧給水装置２０から装置本体２内に流体Ｗが供給
されるようになっている。また蒸気取り出し部４は同じ
く地上の所定の位置に設けてある発電用タービン２１な
どと連通結合されており、装置本体２の熱交換部６で地
熱エネルギーによって昇温されて熱水と蒸気の混合体と
なった流体から放出される湿った蒸気から、渦流を利用
して蒸気から水分を分離回収するための巻き込み分離装
置１６によって水分が十分に取り除かれた高温高圧の蒸
気を取り出し、取り出した蒸気を蒸気取り出し部４の先
端近傍に設けてある圧力調整装置２２によって所定圧の
蒸気として発電用タービン２１へと供給し、発電用ター
ビン２１を回す。その後、蒸気は冷却装置２３により熱
水に変えられて熱水貯留槽２７に戻される。

【００１８】一方装置本体２は密閉長尺円筒状の外管５
により外壁が形成され、その外管５は下側の熱交換部６
が地中の地熱エネルギーを有する地層Ａまで届くに十分
な長さとされ、地熱エネルギーを有する地層深部まで掘
削された穴に通されている。尚、図１において、符号２
５は注水装置を示し、雨水や河川水等を引き込んだ貯水
槽２６や直接河川等から流体を追加補充するための装置
であり、符号２４は硬水軟化装置を示し、それぞれ蒸気
採取設備の一部を構成している。

【００１９】装置本体２の外管５の内部天井からはその
外管５の内部垂直下方に向かって所定長さの上部内管１
２が延びており、その上部内管１２の下端部外周側には
リング状の底板１３が上部内管１２の下端部外周と外管
５の内壁とにそれぞれ密着して一体になるように設けら
れて密閉状の有底二重筒状の給水側上部流路７を形成
し、その上部で給水部３と連通結合されている。そして
上部内管１２の内側は上昇側上部流路１１とされ、その
上部で蒸気取り出し部４と連通結合されている。

【００２０】また、上部内管１２の下端部外周と外管５
の内壁と密着一体とされているリング状の底板１３には
下方に向かって少なくとも２本の連通管１４が設けてあ
り、その連通管１４は、外管５の軸心近傍の所定の位置
で一体とされその下部に設けられた下部内管１５と連通
している。下部内管１５は上部内管１２の下方で外管５
と同心状に垂直下方に延在し、その下端部が外管５の底
部近傍まで延びてその内側が給水側下部流路８を形成し
ている。そして給水部３から高圧給水装置２０によって
装置本体２の内部に所定の水位を維持するように順次供
給される流体Ｗは給水側上部流路７を通り、連通管１４
を経て給水側下部流路８に送られて装置本体２の底部近
傍まで送られ装置本体２の下部に蓄えられる。

【００２１】一方、下部内管１５と外管５の間には複数
の漏斗状の巻き込み分離装置１６が下部内管１５の外周
面か、外管５の内壁、またはその両方にリブ状の取り付
け板等（図示せず）によって移動不能に固定されてい
る。そして、下部内管１５の外壁と上下に複数設けられ
ている漏斗状の巻き込み用分離装置１６の内壁によって
巻き込み戻り流路９が形成され、巻き込み用分離装置１
６の外壁と外管５の内壁とによって上昇側下部流路１０
が形成されているので、外管５の底部近傍まで送られ所
定の水位で蓄えられた流体Ｗは外管５の熱交換部６を介
して地熱エネルギーによって加熱昇温され、熱水と蒸気
の混合体となる。そして、装置本体２内部の流体が所定
の水位に保たれてその上部が空間とされているので、そ
の空間に向けてその混合体から水分を多く含んだ蒸気が
放出され、その水分を多く含んだ蒸気は上昇側下部流路
１０を上昇し、上部内管１２の内側の上昇側上部流路１
１へと向かう。

【００２２】この時、蒸気中の水分は外管の内壁と下部
内管の外壁との温度差と上昇する蒸気の上昇気流の気圧
差によって生じる渦流によって漏斗状の巻き込み分離装
置の方に吸い込まれるため水分を多く含んだ蒸気は上昇
するにつれて乾いた蒸気となって上部内管１２の内側の
上昇側上部流路１１を経て蒸気取り出し部４に至り、発
電用タービン２１へと送られる。また、蒸気取り出し部
４の先端近傍には圧力調整装置２２が設けられており、
装置本体２の内部の圧力が所定の圧力に設定されること
によって内部に蓄えられている流体が一気に蒸気となっ
てしまうことが回避される。

【００２３】次に、図２は本発明の別の実施の形態を示
す図であり、装置本体２内部の巻き込み分離装置１６を
別の構成とした密閉型流体循環装置１である。図におい
て、給水側下部流路８を形成している下部内管１５の外
側にはその下部内管１５と同心状に上下に連続した中管
１７が下部内管１５の外周面か、外管５の内壁、または
その両方にリブ状の取り付け板等（図示せず）によって
移動不能に設けてありその中管１７の外側には上下方向
に複数の切頭円錐状の巻き込み分離装置用つば１８が開
き側を上に向け閉じ側内周縁が中管１７の外周に密着接
合されている。そして、中管１７には巻き込み分離装置
用つば１８が密着接合されているすぐ上側に円周に沿っ
て複数の熱水戻り用孔１９が開けられている。

【００２４】この構成によって、下部内管１５の外壁と
中管１７の内壁により巻き込み戻り流路９が形成され、
外管５の内壁と下部内管１５の外壁との温度差と上昇す
る蒸気の上昇気流の気圧差により生じる渦流によって巻
き込み分離用つば１８を介して巻き込み戻り流路９側に
巻き込まれた蒸気中の水分は熱水戻り用孔１９を通って
巻き込み戻り流路９へと導かれ、その巻き込み戻り流路
９を下降して下部に蓄えられている流体や順次供給され
る流体と一緒になって再度地熱エネルギーにより昇温さ
れる。

【００２５】次に、図１及び図２で説明した密閉型流体
循環装置１において、蒸気取り出し部４を構成している
管と、装置本体２を構成している外管５の熱交換部６以
外の部分を構成している管と、上部内管１２と、連通管
１４と、下部内管１５とを、例えば、二重管式断熱管に
よって構成することにより、熱損失が少なくなり、熱効
率が極めて優れた密閉型の流体循環装置となる。

【００２６】また、図１及び図２においては、上部内管
１２の下端部外周と外管５の内壁と密着一体とされてい
るリング状の底板１３から下方に向かって設けられた少
なくとも２本の連通管１４は外管５の軸心近傍の所定の
位置で一体とされ、その下部に設けられた１本の下部内
管１５と連通している構成について説明したが、下部内
管１５の本数を連通管１４の本数と同数とし、それぞれ
の連通管１４と下部内管１５を連通結合させ、その少な
くとも２本とした下部内管１５を一体に束ねて複数の給
水側下部流路８を構成してもよい。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本願発明の地熱を
利用した蒸気採取用の密閉型流体循環装置によれば、地
熱エネルギーにより十分に昇温されて熱水と蒸気の混合
体となった流体から放出される高温の蒸気は上昇側下部
流路を上昇して行く過程で漏斗状の巻き込み分離装置に
よって水分が十分に取り除かれるので蒸気の温度低下が
防止され、その結果圧力の高い蒸気のままで上部の蒸気
取り出し部へと向かって上昇して行く。

【００２８】また、蒸気が上昇して行く途中でその一部
が低温地層域により冷やされる前に蒸気は装置本体の中
央部にある上昇側上部流路へと向かうようになってお
り、この上昇側上部流路を囲んでいる給水側上部流路に
は常に１００℃前後の熱水が外部から供給されるように
なっているので、低温地層域の範囲を通過する場合でも
蒸気の温度の低下は僅かなものに抑えられ、この部分で
の熱損失も極めて少ないものとなる。

【００２９】一方、巻き込み分離装置によって分離回収
された熱水は巻き込み戻り流路に沿って下降し、装置本
体の下部に蓄えられている流体や順次高圧給水装置によ
って供給される流体と一体となり、地層深部の地熱エネ
ルギーによって再度昇温されて上昇側下部流路を上昇し
て行く。そしてこの繰り返しによって、上昇側上部流路
には十分に昇温されて高圧となった蒸気のみが送られる
ことになるので極めて効率の良い、しかも極めてクリー
ンな蒸気を得ることができる。

【００３０】また、装置本体を構成している外管の熱交
換部以外の部分を構成している管、即ち低温地層部に接
する部分の外管や、給水側の各流路と上昇側の各流路と
を隔てている上部内管や、連通管、そして下部内管を断
熱管とすることにより更に熱効率の良い地熱を利用した
蒸気採取用の密閉型流体循環装置となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態を示す概略系統図である。

【図２】別の実施の形態の一部分を示す概略一部断面図
である。

【符号の説明】

１ 密閉型流体循環装置 ２ 装置本体 ３ 給水部 ４ 蒸気取り出し部 ５ 外管 ６ 熱交換部 ７ 給水側上部流路 ８ 給水側下部流路 ９ 巻き込み戻り流路 １０ 上昇側下部流路 １１ 上昇側上部流路 １２ 上部内管 １３ 底板 １４ 連通管 １５ 下部内管 １６ 巻き込み分離装置 １７ 中管 １８ 巻き込み分離用つば １９ 熱水戻り用孔 ２０ 高圧給水装置 ２１ 発電用タービン ２２ 圧力調整装置 ２３ 冷却装置 ２４ 硬水軟化装置 ２５ 注水装置 ２６ 貯水槽 ２７ 熱水貯留槽

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 流体を地熱によって昇温し熱水と蒸気の
   混合体とし、その混合体より蒸気を得るようにした密閉
   型の流体循環装置であって、 外部に設けてある高圧給水装置と連通し、該高圧給水装
   置から供給される流体を取り入れる給水部と、 地熱によって昇温されて熱水と蒸気の混合体となった流
   体より蒸気を取り出す蒸気取り出し部と、 互いにそれぞれ順次連通している給水側上部流路と給水
   側下部流路と上昇側下部流路と上昇側上部流路とを内部
   に備え、下側が熱交換部とされた装置本体とからなり、 該装置本体の該熱交換部を地熱エネルギーを有する地中
   に通すことによって前記高圧給水装置により内部に供給
   された流体を地熱によって昇温し、昇温されて熱水と蒸
   気の混合体となった該流体から蒸気を採取するようにし
   た地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流体循環装置にお
   いて、 前記装置本体は、下部が地熱エネルギーを有する地中ま
   で通され、上部で前記給水部と前記蒸気取り出し部に連
   通している密閉長尺円筒状の外管と、 該外管の内壁と、該外管の内部天井から該外管の内部垂
   直下方の所定の位置まで延在している上部内管の外壁
   と、該上部内管の下端部外周側に設けられたリング状の
   底板とによって形成された密閉二重筒状の給水側上部流
   路と、 該給水側上部流路の該リング状の底板の下部に設けられ
   ている少なくとも２本の連通管に連通し、前記外管と同
   心状に該外管内部の垂直下方に延在して、その先端が該
   外管の底部近傍まで延びている少なくとも１つからなる
   下部内管の内側に形成された給水側下部流路と、 該給水側下部流路を形成している該下部内管の外側に該
   下部内管と同心状に上下方向に連続接近して複数設けら
   れた漏斗状の巻き込み分離装置と該下部内管の外壁とに
   より形成された巻き込み戻り流路と、 該巻き込み戻り流路を形成している複数の漏斗状の巻き
   込み分離装置の外壁と前記外管の内壁とにより形成され
   た上昇側下部流路と、 前記密閉二重筒状の給水側上部流路を形成している前記
   上部内管の内側に形成された上昇側上部流路とからな
   り、 外部に設けてある前記高圧給水装置と連通している前記
   給水部が前記装置本体の前記給水側上部流路と連通結合
   され、 地熱により昇温された前記流体から蒸気を取り出し外部
   の設備に蒸気を供給する前記蒸気取り出し部が前記装置
   本体の前記上昇側上部流路と連通結合されていることを
   特徴とする地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流体循環
   装置。
2. 【請求項２】 巻き込み戻り流路が、給水側下部流路を
   形成している下部内管の外側で該下部内管と同心状に上
   下に連続して設けられた中管の内壁と該下部内管の外壁
   とによって形成され、該中管の外側には上下方向に複数
   の切頭円錐状の巻き込み分離装置用つばが開き側を上に
   して接合されており、該中管の該巻き込み分離装置用つ
   ばの接合部の上側には該巻き込み分離装置内に巻き込ま
   れた熱水が前記巻き込み戻り流路に流れ込むための戻り
   用孔が円周に沿って複数穿設されていることを特徴とす
   る請求項１記載の地熱を利用した蒸気採取用の密閉型流
   体循環装置。
3. 【請求項３】 装置本体を構成している外管の熱交換部
   以外の管と上部内管と連通管と下部内管、及び、蒸気取
   り出し部を構成している管とがそれぞれ断熱管からなる
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地熱を利
   用した蒸気採取用の密閉型流体循環装置。