JP2016031023A - 伝熱用輸送管及び地熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】地熱帯の熱を効率よく熱交換用液体に伝達できる伝熱用輸送管及び地熱交換器を提供すること。【解決手段】本発明の地熱交換器１００は、少なくとも地熱帯に配置される外周に伝熱用突起部を有する伝熱用輸送管１０と、前記伝熱用輸送管の上方に配置され、前記伝熱用輸送管の外径より大きな内径を有する輸送管５０と、が一部重なるように配置されており、境界部分が滑らかになるようにセメント、モルタル又は地熱セメント等の硬化剤によって密閉領域６１を作製する。【選択図】図１

Description

本発明は、伝熱用輸送管及び地熱交換器に関する。

本発明者らは、地熱交換器に関し、高圧給水ポンプによって加圧された熱交換用液体が供給され、熱交換用液体を下降させる液体下降用管と、地熱帯からの熱によって熱せられた熱交換用液体を、蒸気を含まない状態で上昇させる液体上昇用管と、を有しており、液体上昇用管から取り出された熱交換用液体を蒸気発生器に送り、蒸気発生器内で蒸気のみとして取り出してなる地熱交換器を提案している。この地熱交換器は、液体下降用管が液体上昇用管の外周側に配置されており、熱交換用液体は液体下降用管の下部に設けられた導入坑を通って、液体上昇用管に移る構造を有している。

かかる地熱交換器は、使用する蒸気によって不純物が装置に付着することがないという効果に加え、地下から取り出される高温・高圧の熱水から蒸気を得ることができるため、熱効率に優れた熱交換が可能であり、地熱帯付近における環境に及ぼす影響がとても小さい地熱交換器を提供するものとして有効な発明である。

特開２０１３−１６４０６２号公報

本発明は、従来技術にかかる熱交換器をさらに発展させ、さらに熱効率のよい地熱交換器を提供することを課題とする。

本発明は、上述の目的を達成するために、以下の手段を採用している。

本発明にかかる伝熱用輸送管は、
地熱井に埋設され、内側に熱交換用液体を流すための伝熱用輸送管において、
伝熱用輸送管の外表面に延出して設けられる伝熱用突起部を設けたことを特徴とする。

かかる構成を採用することによって、伝熱用輸送管の外表面の表面積を大きくすることができるので、より地熱の熱を効率的に伝熱用輸送管に移動させることができ、内側を流れる熱交換用液体に効率よく熱を伝えることができる。

また、本発明にかかる伝熱用輸送管において、前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の長手方向に沿って形成されることを特徴とするものであってもよい。かかる構成を採用することによって、長い棒材を溶接することで伝熱用突起部を容易に作製することができるので、ドット状に溶接する場合と比較して迅速かつ安価に伝熱用突起部を作製することができる。

さらに、前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の長手方向に沿って平行に形成されることを特徴とする。かかる構成を採用することによって、伝熱性輸送管を埋設する際に埋設方向と平行に長尺の伝熱用突起部が形成されることになるので、埋設する際の摺動抵抗を小さくすることができる。

さらに、本発明にかかる伝熱用輸送管において、前記伝熱用突起部の長手方向に対する垂直断面は、略半円、略四角形又は略台形であることを特徴とするものであってもよい。かかる断面は、角鋼、丸棒、六角鋼を長手方向に半分に切断すれば作製することができるので、これら切断した部材を溶接等で接合することで容易に伝熱用輸送管の長手方向と平行の伝熱用突起部を作製することができる。

さらに、本発明にかかる伝熱用輸送管において、前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の外表面を削った後に溶接してあることを特徴とするものであってもよい。溶接する際に予め伝熱用輸送管の外表面を削ることによって、伝熱用輸送管と伝熱用突起部の溶接強度を強くすることができる。

さらに、本発明にかかる伝熱用輸送管において、前記伝熱用輸送管又は前記伝熱用突起部の少なくともいずれかの外表面には、伝熱性の高い金属でメッキ又は溶射してあることを特徴とするものであってもよい。前記伝熱用輸送管又は前記伝熱用突起部の外表面にメッキ又は溶射することによって、腐食防止、摩耗防止、高温対策等の効果を奏することができる。特に銅メッキをすることによって、伝熱性の向上を図ることができる。

本発明にかかる地熱交換器は、少なくとも地熱帯に配置される前述した伝熱用輸送管と、
前記伝熱用輸送管の上方に配置され、前記伝熱用輸送管の外径より大きな内径を有する輸送管と、が一部重なるように配置されており、
前記伝熱用輸送管と前記輸送管との間をセメント等の硬化剤によって密閉してあることを特徴とする。かかる構成を採用することによって、地熱帯から効率的に熱を受領することができる地熱交換器を提供することができる。

また、本発明にかかる地熱交換器において、前記伝熱用輸送管の最下端は、半球状又は半楕円球状の底部によって閉鎖されており、
前記伝熱用輸送管の内側には、液体上昇用管を備えてなり、
液体上昇用管と伝熱用輸送管との間が、液体下降流域を形成し、
液体上昇用管の内側が液体上昇流域を形成してなることを特徴とするものであってもよい。かかる構成を採用することによって、熱交換用液体を循環させて熱を得ることができる循環型の地熱交換器を提供することができる。

図１は、実施形態にかかる伝熱用輸送管１０を使用した地熱交換器１００を示す断面図である。 図２は、実施形態にかかる伝熱用輸送管１０を示す斜視図である。 図３は、伝熱用輸送管１０の別実施形態を示す斜視図である。 図４は、実施形態にかかる伝熱用輸送管１０及び地熱交換器１００を使用した地熱発電設備１１０を示す概略図である。

本発明にかかる伝熱用輸送管１０、地熱交換器１００の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態及び図面は、本発明の実施形態の一部を例示するものであり、これらの構成に限定する目的に使用されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜変更することができる。なお、各図において対応する構成要素には同一又は類似の符号が付されている。また、図２又は図３以外の図においては、伝熱用突起部１０ａは省略して記載されている。なお、明細書又は特許請求の範囲において、「地熱帯」とは、概ね１５０°以上の温度域を有する地下層を指す。

第１実施形態にかかる地熱交換器１００は、図１に示すように、主として深い地下の地熱帯に配置される伝熱用輸送管１０、伝熱用輸送管１０の上方であって、主に地熱帯以外に配置される輸送管５０、伝熱用輸送管１０及び輸送管５０の内側に配置される液体上昇用管１２と、を備えており、これらの管は、熱交換用液体を地上から地熱帯に運搬し、地熱帯から熱を受領した熱交換用液体を地上に運ぶためのものである。

伝熱用輸送管１０は、地熱交換器１００のうち、主として地熱帯において最外層に配置される最外管であり、地熱から直接熱を受領して内部を流れる水、アンモニアが含有した水等の熱交換用液体に熱を伝える機能を有する。

伝熱用輸送管１０は、伝熱性の高い鋼管を複数連結して作製されており、外表面には、図２に示すように、突出して形成された伝熱用突起部１０ａが設けられている。この伝熱用突起部１０ａは、伝熱用輸送管１０の表面の面積を大きくして、より地熱の熱を受領しやすくするためのものである。伝熱用突起部１０ａの形態としては、図２に示すように略半球状の突起の他、略半楕円球又は直方体の形態であってもよい。また、図２のようなドット状のものに限らず、図３Ａに示すように、伝熱用輸送管１０の長手方向に平行となるように長尺状に形成してもよい。前記伝熱用突起部の長手方向に対する垂直断面は、特に限定するものではないが、垂直断面形状が略半円（図３Ａ）、略四角形（図３Ｂ）又は略台形（図３Ｃ）に形成することによって、市販されている角鋼、丸棒、六角鋼等の鋼材を半分に切断することによって作製することができるので、これら切断した部材を溶接等で接合することで容易に伝熱用輸送管の長手方向と平行の伝熱用突起部を作製することができる。このように、伝熱用輸送管１０の長手方向に対して平行となるように長尺状に形成すれば、地熱井に伝熱用輸送管１０を埋設する際に抵抗となりにくいため好適である。伝熱用突起部１０ａを設ける方法としては、円形パイプに溶接等によって取り付けてもよいし、鋼管作製の圧延時に形成してもよい。溶接する場合には、溶接する部位を研磨又は削ることによって表面を粗面にした後に溶接するとより高い強度を保つことができる。さらに、伝熱用輸送管１０の外表面には、伝熱効率の向上、腐食防止、摩耗防止、高温対策等のため、銅、アルミニウム、亜鉛等のメッキ又は溶射をしてもよい。

地熱交換器１００に使用される伝熱用輸送管１０のうち、最下端に配置される最下端用伝熱用輸送管１１は、図１に示すように、内側に配置される液体上昇管１２に熱交換用液体を移動させて上昇させるために底面部１１ａが閉鎖して形成されている。なお、熱交換用液体がスムーズに液体上昇管１２に移ることができるように、底面部１１ａは、半球形又は半楕円球形等の湾曲面に形成するとよい。

輸送管５０は、円形のパイプ状の鋼管からなり、例えば、油井管等を使用することができる。輸送管４０は、伝熱用輸送管１０の外径より大きい内径を有しており、輸送管４０を埋設した後に、伝熱用輸送管１０を内部に挿入して地下に設置することができる。輸送管は、地熱帯以外の地層に配置されるので、周囲に断熱層を形成するとよい。

液体上昇用管１２は、図１に示すように、伝熱用輸送管１０又は輸送管５０の内側に、アニュラースペースが設けられるように配置され、伝熱用輸送管１０又は輸送管５０との間に形成されたこのアニュラースペースが熱交換用液体を下降させる液体下降流域９０を形成し、液体上昇用管１２内が熱交換用液体を上昇させる液体上昇流域９１を形成する。液体上昇用管１２としては、金属製の鋼管の他、樹脂製の管を使用することもできる。液体上昇用管１２の断面積（液体上昇流域９１の断面積）は、伝熱用輸送管１０のうち、液体下降流域９０の断面積（伝熱用輸送管１０の断面積−液体上昇用管１２の断面積）と同一又は小さくなるように設けることが好ましい。かかる構成を採用することによって、下降する熱交換用液体の流速に対して、上昇する熱交換用液体の流速を速くすることができ、管内を流れる時間を短くすることができ、上昇する熱交換用液体の熱損失を低減することができる。

以上のように作製された地熱交換器１００は、以下のようにして設置される。まず、地熱井を予定している場所に対して、地熱帯に達するまで掘削する。そして、掘削した坑井に対して伝熱用輸送管１０の外径よりも内径の大きい輸送管５０を埋設する。埋設された輸送管５０の外周側は坑井に固定するために、セメントによってセメンチング６０される。上方部分は比較的大きな坑井が形成されるので、さらに広経の油井管等を多重に配設して固定される。その後、埋設した輸送管５０の先端部の地下をさらに深く掘削し、地熱井を形成する。そして、輸送管５０の内径より小さい外径を有する伝熱用輸送管１０を挿入する。そして、最下端用伝熱用輸送管１１が最下端に配置されるように埋設していき、伝熱用輸送管１０が輸送管５０の下端部まで達し一部重なるようにした段階で、外周側はセメンチングによって伝熱用輸送管１０を固定する。さらに、伝熱用輸送管１０と輸送管５０との境界部分を密閉するとともに、境界部分が滑らかになるようにセメント、モルタル又は地熱セメント等の硬化剤によって密閉領域６１を作製する。こうして最外層を形成する管の埋設が完成する。そして、さらに内側に液体上昇用管１２を設置して地熱交換器１００が完成する。

地熱交換器１００は、熱交換用液体が高圧ポンプ１０１で加圧されて液体下降流域９０に供給される。加圧された熱交換用液体は液体下降流域９０を下降する。下降する熱交換用液体は、伝熱用輸送管１０を通過する際に地熱によって加熱されながら加工する。前述したように伝熱用輸送管１０は、伝熱用突起部１０ａを有しているので、効率よく地熱の熱を熱交換用液体に伝達することができる。そして、最下端部で液体下降流域９０から液体上昇流域９１に移動し、上昇し、取水される。

こうして完成した地熱交換器１００は、図４に示すように、高圧ポンプ１０１、蒸気発生器１０２、加熱器１０３、タービン１０４、発電機１０５、凝縮器１０６等と組み合わされて、地熱発電設備１１０をなす。本実施形態にかかる地熱発電設備１１０は、地上より熱交換用液体を高圧ポンプ１０１によってバルブ１０１ａを介して導入し、地熱交換器１００内を流れる間に地熱の熱によって熱せられた熱交換用液体を取り出して熱を受領し、この熱を利用して発電させる設備である。すなわち、高圧で地熱交換器１００に熱交換用液体を導入し、地熱によって熱せられた熱交換用液体を取水して、蒸気発生器１０２で減圧沸騰させて蒸気を発生させる。発生した蒸気は加熱器１０３でさらに加熱して、高温、高圧の蒸気としてタービン１０４へ送られ、タービン１０４の回転によって発電機１０５で発電する。タービン１０４で消費された蒸気は、凝縮器１０６で復水されて、復水された熱交換用液体は、再び高圧ポンプ１０１へ送られ、再度、地熱交換器１００によって地熱を受領する。こうして、本発明にかかる地熱発電設備１１０は、熱交換用液体を循環させることによって地熱を取り出し、発電させることができる。なお、地熱発電設備１１０は、上述した構成に限定するものではなく、その他の構成機器を設けても構わない。

なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本実施形態において、伝熱用輸送管は、熱交換用液体を地熱帯に流出することなく、循環させる循環型の地熱交換器１００を用いて説明したが、本発明にかかる伝熱用輸送管１０は、バイナリー型の地熱交換器等、地熱井に埋設される管にすべて使用することができる。

上述した実施の形態で示すように、地熱発電用の熱交換器として利用することができる。

１０…伝熱用輸送管、１０ａ…伝熱用突起部、１１…最下端用伝熱用輸送管、１１ａ…底面部、１２…液体上昇用管、４０…輸送管、５０…輸送管、６０…セメンチング、６１…密閉領域、９０…液体下降流域、９１…液体上昇流域、１００…地熱交換器、１０１…高圧ポンプ、１０１ａ…バルブ、１０２…蒸気発生器、１０３…加熱器、１０４…タービン、１０５…発電機、１０６…凝縮器、１１０…地熱発電設備

Claims (9)

1. 地熱井に埋設され、内側に熱交換用液体を流すための伝熱用輸送管において、
   伝熱用輸送管の外表面に延出して設けられる伝熱用突起部を設けたことを特徴とする伝熱用輸送管。
2. 前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の長手方向に沿って形成されることを特徴とする請求項１記載の伝熱用輸送管。
3. 前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の長手方向に平行に形成されることを特徴とする請求項１又は２記載の伝熱用輸送管。
4. 前記伝熱用突起部の長手方向に対する垂直断面は、略半円、略四角形又は略台形であることを特徴とする請求項２又は３に記載の伝熱用輸送管。
5. 前記伝熱用突起部は、前記伝熱用輸送管の外表面を削った後に溶接してあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の伝熱用輸送管。
6. 前記伝熱用輸送管又は前記伝熱用突起部の少なくともいずれかの外表面には、伝熱性の高い金属でメッキ又は溶射してあることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の伝熱用輸送管。
7. 前記金属は、銅であることを特徴とする請求項６に記載の伝熱用輸送管。
8. 少なくとも地熱帯に配置される前記請求項１から７のいずれか１項に記載の伝熱用輸送管と、前記伝熱用輸送管の上方に配置され、前記伝熱用輸送管の外径より大きな内径を有する輸送管と、が一部重なるように配置されており、
   前記伝熱用輸送管と前記輸送管との間をセメント等の硬化剤によって密閉してあることを特徴とする地熱交換器。
9. 前記伝熱用輸送管の最下端は、半球状又は半楕円球状の底部によって閉鎖されており、
   前記伝熱用輸送管の内側には、液体上昇用管を備えてなり、
   液体上昇用管と伝熱用輸送管との間が、液体下降流域を形成し、
   液体上昇用管の内側が液体上昇流域を形成してなることを特徴とする請求項８に記載の地熱交換器。
   
   
   

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