JP2581630B2 - 析出スケール除去装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、地熱水の析出スケール
除去に係り、特に給湯管のスケール量を減少させるのに
好適な析出スケール除去装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に地熱水のような地下の高温・加圧
の溶液は、地質の鉱物を多量に溶解しており、地上に汲
み上げられて大気圧になると、過飽和状態となって金属
イオンが析出し易くなる。図８はこの状態を示し、図の
Ａ点からＢ点へ温度降下又はＡ点からＣ点へ濃度を増大
させて溶解度曲線に達すると、溶液中に含まれている金
属イオンが固体として析出する。さらに破線で示す限界
過飽和濃度に達すると、溶液中の陰陽イオンが互いに集
まって結晶核が形成される。さらに結晶核はその回りに
陰陽イオンを集めてコロイド粒子となり次第に目に見え
る程の粒子へと成長する。限界過飽和濃度以下でも、溶
液中に存在する微細な粒子同志や流体の器壁などとの摩
擦により、異質核が形成される。地熱水の場合は大部分
がこの異質核の形成が結晶核となって、給湯管の内壁な
どにスケールとして成長する。

【０００３】溶液から析出するスケール粒子の大きさ
は、結晶核の発生と結晶核の成長という二つの現象の相
対速度によって大きく支配され、von Ｗeimarn（Ｃhemi
calＲeview Ｖol.2 Ｐ217(1925)；“Ｄie Ａllgemeinhe
it des Ｋolloiden Ｚustandes”Ｔheoder Ｓteinkopt,
Ｄresden(1935)）は（１）式に示すように沈澱生成（ス
ケール生成）の初期速度ｖは、相対過飽和度に比例する
としている。

【０００４】Ｖ＝Ｋ(Ｑ−Ｓ)／Ｓ …………（１） ここにＱは沈澱物質の沈澱生成直前の過飽和濃度、Ｓは
沈澱の溶解度、Ｋは比例定数である。Ｑ−Ｓは沈澱（ス
ケール）が生じ始めるときの過飽和度でＱ−Ｓ／Ｓが相
対過飽和度である。

【０００５】（１）式からスケールが析出する条件は、 温度、pＨにより金属イオンの含有量の増大。

【０００６】異質核を成長し易くする流体と器壁の摩
擦が大きい。

【０００７】局部的な温度変化及び流束の変化が大き
い。

【０００８】などが考えられる。

【０００９】は、地熱水の特質として地下の高温・加
圧下で、地下水が溜水されたものであるから、多くの場
合pＨは低く酸性側にある。そのため地下水が溜水する
過程では、地中の鉱物質を高濃度に溶解しており、これ
が地熱水質を形成するもとになっている。この温泉水が
地上に汲み上げられ空気に触れると、温度は地中にある
時よりは低下し、陽イオンは酸化され易い雰囲気となっ
て過飽和に近い濃度までに濃縮されることになるため、
の条件が加わると図８に示すように陽イオンは容易
に析出するようになる。

【００１０】従来は、地熱水を利用した温泉を例にとる
と、温泉湯本から浴槽までの給湯管の長さがほぼ１Ｋｍ
に達し、しかも公道に埋設されており、給湯管内に載積
する析出スケールによって湯量が減少するため、ほぼ６
ヶ月〜２年ごとに給湯管の清掃などの保守作業が必要で
あるが、析出スケールによる閉塞箇所も明らかでなく、
その保守作業が容易ではなかった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来は、湯量が減少し
ても給湯管の析出スケールによる閉塞箇所が不明であ
り、また給湯管が公道に埋設されているため、給湯管を
容易に清掃または新替できず、保守作業が困難であると
ともに、不経済である問題点があった。

【００１２】本発明の目的は、地熱水に含まれる金属イ
オンを固体として析出させて除去し、給湯管内の析出ス
ケールを抑制することができる析出スケール除去装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
め、本発明に係る析出スケール除去装置は、地熱水の貯
湯槽に接続する入口室と、入口室に連通し地熱水の析出
スケールを付着させる少なくとも一つの反応管と、それ
ぞれの反応管に接続し少なくとも一つの出口管を有する
出口室とを備えた析出スケール除去装置において、それ
ぞれの反応管を、入口室及び出口室に着脱自在に接続し
た内管と、内管に着脱自在に挿着した少なくとも一つの
ブラシとによりブラシエレメントに形成し、それぞれの
ブラシを、線状の合成繊維を放射状に密集しかつ軸方向
に積層して形成するとともにそれぞれの軸方向を地熱水
の流れ方向と交差する方向に配列してなり、それぞれの
出口管のうちのいずれか一つの出口管に析出スケールを
検知するモニター管を着脱自在に付設した構成とする。

【００１４】

【作用】本発明によれば、温泉水などの地熱水がブラシ
エレメントとして設けた繊維状のブラシ表面で微細な乱
流現象を生じるため、地熱水に含まれている物質は過飽
和状態となって金属イオンが微細な固体となって析出す
る。これが結晶核となって時間の経過とともに樹氷状に
付着量が増大していく。温泉の場合は、温泉水中の約３
０％（総合濃度）の陽イオンを析出することにより、給
湯管内に載積する析出スケールが著しく減少し、しかも
温泉水の泉質を損うことがない。スケール量はモニター
管で検知し、ブラシエレメントの清掃又は新替を行うこ
とにより、湯量が常にほぼ一定に維持される。

【００１５】

【実施例】本発明の一実施例を図１及び図２を参照しな
がら説明する。図１及び図２に示すように、地熱水例え
ば温泉水の貯湯槽１に接続して設けられ、温泉水を流入
させる一つ以上の入口管２とを有する入口室３と、入口
室３に連通し一つ以上の反応管４と、各反応管４に挿着
され温泉水に溶解している物質を析出させて付着させ複
数のブラシ５とブラシを収納する内管６とよりなるブラ
シエレメント７と、各ブラシエレメント７と接続する一
つ以上の出口管８を有する出口室９とを備えてなり、各
出口管８のうちの一つの出口管８に析出スケールを検知
するモニター管１０を着脱自在に付設した構成とする。

【００１６】反応管４、内管６、入口室２及び出口室９
などは、例えばアクリル樹脂などの材料で形成され、温
泉水の温度を所定温度低下させて温泉水に溶解している
金属イオンを析出し易くするため、所定の厚さが選定さ
れるものとする。また反応管及び入口室または出口室と
の間は洩水を防止する構造とし、入口室及び出口室の下
端に支持機構（図示しない）が設けられている。

【００１７】ブラシエレメントのブラシは、図２に示す
ように、例えばポリプロピレン製の直径０．３ｍｍで長
さ５０ｍｍ程度の合成繊維５ａを放射状に密集しかつ軸
方向にピッチ２〜４ｍｍでほぼ平行または螺旋状に積層
し、それらをワイヤー５ｂなどで固縛して互いに連結し
一つのブラシ５を形成している。そして複数のブラシ５
は、軸方向を互いに直交させかつ内管６の長さ方向（温
泉水の流れ方向）と交叉して内管６内に収納されてい
る。また各ブラシ５は内管６に固定されていて内管６と
ともに新品と交換される構造であるが、内管６に取外し
自在に設けられ付着した析出スケールを清掃できる構造
でもよい。内管の内面積に対するブラシの占める面積の
選定が重要な要素であり、ブラシ面積を大きくして不必
要に温泉の成分を除去しないようにすることが肝要であ
る。

【００１８】本実施例は、温泉中に含まれる陽イオン
（金属イオン）を温泉質の機能を損わない程度に除去す
ることにより、給湯管に載積する析出スケールの付着を
防止する装置であって、装置の特徴は装置内に多数の合
成繊維を放射状に取り付け、この合成繊維表面で温泉水
が微細な乱流現象を生じることにより、温泉水中に含ま
れている物質が合成繊維表面で過飽和状態となり、金属
イオンが微細な固体として析出する。これが結晶核とな
って時間の経過とともに樹氷状に付着量が増加し、この
間温泉水中の約３０％（総合濃度）の陽イオンが析出さ
れ、給湯管内に載積する析出スケールが著しく減少し、
しかも温泉水の泉質を全く損うことがない。

【００１９】本実施例による実験結果を図３を参照しな
がら説明する。

【００２０】温泉中に含まれる金属イオンを析出させる
ため、最も効率のよいブラシエレメントとして、どのよ
うな形状を有しているものがよいかについて予備実験を
行った結果、流体との接触面積が最大となる形式のもの
が最も効率的であることが解り、実用的なものとして図
２に示すような合成繊維（０.３ｍｍφ、ｌ５０ｍｍ、
ポリプロピレン製）をブラシ状にして取り付けたものを
使用した。

【００２１】ブラシエレメントは、実験後このエレメン
トに付着したスケール量を測定するため、１個ずつの取
外しができるようにアクリル樹脂製の反応管内に取り付
け、ブラシエレメントの天地が、温泉水の流れ方向に対
して直角になるように取り付けた。このように取り付け
ることにより、繊維表面では微細な乱流現象が生じ、温
泉水中の溶質の濃度勾配が生じ易いようにした。併せて
反応管内では、これらのブラシエレメントが図２のよう
に天地が交互になるように配置し、この反応管を図３に
示すように実験地の地面に対して水平に取り付けて実験
を行った。

【００２２】反応管の前後には、モニター管（直径５０
ｍｍ，長さ１００ｍｍ塩ビ管）を取り付け、所定時間毎
に取り外し、モニター管内に付着したスケール量を直接
重量法により測定した。モニター管の取り付け位置は図
３に示したとおりである。

【００２３】実験場所は、温泉地の湯本タンク付近で行
い、実験装置の取付け位置及び配管要領は図３のとおり
である。

【００２４】実験期間は下記のとおりである。

【００２５】 平成３年７月５日〜７月１９日………１４日間（前期） 平成３年７月１９日〜８月２日………１２日間（後期） 温泉水の成分は、％単位でＮａ：２.７、Ｋ：０.１、Ｃ
ａ：２.６、Ｆｅ：０.３などを含み、pＨ値は４.３であ
る。

【００２６】実験結果 ブラシエレメントを、内管とともに試験前後に直接重量
を測定し、その時の増量をスケール付着量とした。な
お、装置から取り外した各試験体は、何れも（モニター
管を含む）２週間室温で風乾後に重量を測定した。測定
結果は、図４にブラシエレメントに付着した量及び付着
率を示し、図５には、試験体の前後に取り付けたモニタ
ー管内に付着したスケール量及び付着率を示した。図４
に示す測定結果の中から、反応管Ｎｏ.１０のエレメン
トについて測定内容を示すと次のとおりである。

【００２７】 (ブラシエレメント単体重量)１３gr＋(アクリル樹脂内
筒重量)１００.５８gr＝(初期重量)１１３.５８０gr ａ：スケールが付着しているブラシエレメントの重量 ………１１１.５０８gr(実測値) ｂ：試験前のブラシエレメントの重量……………………１３.０gr ｃ：付着したスケール量……………………………………９８.５０８gr ｄ：スケール付着のままのアクリル樹脂内筒重量……１０９.７８４gr ｅ：アクリル樹脂内筒試験前の重量……………………１００.５８０gr ｆ：内筒に付着したスケール重量……………………………９.２０４ｇｒ ｇ：試験体の保存袋中に脱落していたスケール量 Ｎｏ．１０エレメントの４ｗ後の重量は２２６.３５２grであるから、 ２２６.３５２−(１１１.５０８−１０９.７８４)＝５.０６gr （袋内に脱落していたスケール量） 故に、ｃ＋ｆ＋ｇ＝９８.５０８＋９.２０４＋５.０６＝１１２.７７２gr （ブラシエレメントに付着したスケール量） すなわち、ブラシエレメント１個に付着するスケール量
は、４週間で少なくても１００gr以上あることが解っ
た。

【００２８】次に反応管前後に付したモニター管のスケ
ール付着量の差から、実際に湯本タンクから浴槽に至る
給湯管内に付着したスケール量を試算してみると次のと
おりである。ただし、湯本タンクから浴槽までの給湯管
の長さは１ｋｍと仮定する。

【００２９】（１）析出スケール除去装置を使用しない
場合の付着量 図５に示すモニター管Ｎｏ．８、９を例とする。

【００３０】１３.７４６ｇ＋１２.９２３ｇ≒２６．７
ｇ/２０ｃｍ/Ｍ＝１３４ｇ/１ｍ/Ｍ＝１３４ｋｇ/ｋｍ/
Ｍ＝１.６０８ｔ/ｋｍ/Ｙ （２）析出スケール除去装置を使用した場合 図５に示すモニター管Ｎｏ．１４、１５を例とする。

【００３１】９.７７２ｇ＋８.９９７ｇ＝１８．８ｇ/
２０ｃｍ/Ｍ＝９４ｇ/１ｍ/Ｍ＝９４ｋｇ/ｋｍ/Ｍ＝１.
１２８ｔ/ｋｍ/Ｙ （３）析出スケール除去装置の効果 {(１)−(２)}／(１)×１００＝{１.６０８−１.１２８}
／１.６０８×１００≒３０％ すなわち、本装置を使用することにより、給湯管内に載
積するスケール量は毎年３０％軽減されることになる。
このことは、温泉水としての泉質・効能を損うことな
く、給湯管のスケール載積量を軽減させることができる
ため、現在のように短日時で給湯管が目詰りすることな
く、効率よく温泉水を湯本タンクから浴槽まで給湯する
ことが可能であることを実証することができた。なお、
析出スケールの成分は、％単位でＦｅ：４８.５、Ｃ：
１.７８、Ｓ：１.８９、Ｋ：０.２１、Ｎａ：０.４７、
Ｓｉ：０.０７２、Ａｌ：０.５９、Ｍｇ：０.７６、
Ｖ：０.５４などであった。

【００３２】本発明の他の実施例を図６及び図７を参照
しながら説明する。図６及び図７に示すように、温泉水
を流入させる入口管１１を有する入口室１２と、入口室
１２の一方側の側壁に一端を挿通し固定する複数の反応
管１３と、反応管１３の他端を挿通し固定する他方側の
側壁を有する出口室１６と、出口室１６の高さ方向のほ
ぼ中央及び所定高さＨの位置に設けた複数の出口管１５
と、反応管１３に収納される図２に示すブラシエレメン
ト７とよりなる構成とする。

【００３３】反応管１３は、水平方向に配設されて内部
に複数のブラシ５を収納したブラシエレメントを挿着し
ており、両端を除き例えば着脱自在なジョイント２４な
どにより取外し可能であり、ブラシエレメントの交換が
できる構造である。そして各反応管１３は、ジョイント
２４の着脱に必要な間隔を保ち、例えば図７に示すよう
に、温泉水の流れ方向に２列、高さ方向に３列の千鳥状
に配列され、上部に小径のオーバフロー点検管１７が設
けられている。また入口室１２と出口室１６との間に固
定シャフト１８を設けて固定し、それぞれの室１２、１
６の側壁にブラシ５の点検窓１９を設け、盲蓋２０を螺
着している。さらに各室１２、１６の上端に空気抜２
１、下端にドレン抜２２及び固定ボルト２３などが設け
られている。所定高さＨに設けた出口管１５は、下部の
ブラシエレメント７ａ〜７ｃが析出スケールで閉塞され
た際に、開放して上部のブラシエレメント７ｄ〜７ｆに
温泉水を通水させ、本装置の保守期間の延長を図って設
けるもので、所定高さＨは析出スケールの量に応じて決
定するものとする。そして例えば下部の出口管１５に、
図１に示すような着脱自在なモニター管１０を付設し、
装置の新設後に一定期間ごとに取外して例えば管内面の
析出スケールを重量測定等で検知し、ブラシエレメント
の定期的な開放時期を決定しておくことにより、保守が
容易となる。この場合は上部の出口管１５で給湯を継続
することができる。

【００３４】本実施例は温泉を例にとって説明したが、
鉱泉または地熱エネルギー利用プラントにおける地熱水
の貯湯槽に接続させて用いることにより本実施例と全く
同様の効果を得ることができる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、着脱自在な内管に着脱
自在にブラシを挿着した複数のブラシエレメントを設け
たため、地熱水の接触面積と流束の変化とが増加してブ
ラシエレメントへの析出スケールの付着量が増大し、給
湯管内のスケール付着を抑制できるとともに、ブラシエ
レメントを新替できるため、給湯管の保守作業が低減さ
れて常にほぼ一定の湯量を確保することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。

【図２】図１の要部を示す一部拡大図である。

【図３】本実施例の実験装置を示す図である。

【図４】本実施例の実験によるスケール付着量を示す図
である。

【図５】実験によるモニター管のスケール付着量を示す
図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す側面断面図である。

【図７】図６の正面断面図である。

【図８】溶質析出の温度と濃度の影響との関係を示す図
である。

【符号の説明】

１ 貯湯槽 ２ 入口管 ３ 入口室 ４ 反応管 ５ ブラシ ６ 内管 ７ ブラシエレメント ８ 出口管 ９ 出口室

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地熱水の貯湯槽に接続する入口室と、該
   入口室に連通し前記地熱水の析出スケールを付着させる
   少なくとも一つの反応管と、それぞれの反応管に接続し
   少なくとも一つの出口管を有する出口室とを備えた析出
   スケール除去装置において、それぞれの反応管を、前記
   入口室及び前記出口室に着脱自在に接続した内管と、該
   内管に着脱自在に挿着した少なくとも一つのブラシとに
   よりブラシエレメントに形成し、それぞれのブラシを、
   線状の合成繊維を放射状に密集しかつ軸方向に積層して
   形成するとともにそれぞれの軸方向を前記地熱水の流れ
   方向と交差する方向に配列してなり、それぞれの出口管
   のうちのいずれか一つの出口管に前記析出スケールを検
   知するモニター管を着脱自在に付設したことを特徴とす
   る析出スケール除去装置。