JPS6042358B2 - 地熱エネルギ−の回収方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電気エネルギーその他の動力を発生させるた
めの地熱エネルギー回収方法および装置に、より詳しく
は地表面で利用される熱エネルギーを移行させるため地
熱井の下部に設けられる熱交換要素およびポンプ装置を
使用するようにした上記の地熱エネルギー回収方法およ
び装置に関する。

米国特許第３８２４７９３号および同第３８９８０２０
号に．は、水蒸気と高温の地熱水との混合物を供給する
地熱井を利用する形式の従来の地熱エネルギー回収装置
に見られる水蒸気一地熱水の分離およびそれに付随する
腐食の問題がなく、きわめて少数の乾燥水蒸気地熱源に
限定されない地熱発電方式が・記載されている。

これらの米国特許による方式は本願明細書に第１図およ
び第３ａ図と第３ｂ図について説明されている。これら
の米国特許に記載された地熱利用発電方式を更に改良し
た技術は、米国特許第３９０５１９６号、同第３９０８
３８吋および同第３９１００５鰻に記載されている。

これら５件の米国特許に記載された地熱エネルギー回収
装置においては、地表面から注入される清浄水から過熱
蒸気を生成させるために、溶質を含む高温の地熱井の地
熱水に蓄えられた熱エネルギーが利用される。

過熱蒸気は高温の地熱水を常に液体の状態で地表面に圧
送するために地熱井中・のタービン駆動されるポンプを
作動させるのに用いられる。地熱水の熱は発電のため複
式閉ループの熱交換器一蒸気タ−ビンー交流発電機組合
わせ装置に伝達される。残りの地熱水は地中にポンプに
より返却され、地表面に設けた設備により再生した低温
の清浄水は、水蒸気の発生およびタービン駆動されるポ
ンプ装置を支持する流体軸受の潤滑のために地熱井の深
い個所のポンプ装置に返却される。後者の３件の米国特
許には、熱力学的なラジアル軸受およびスラスト軸受と
与圧された液”体による軸受潤滑装置が用いられている
と共に、小形の逆流式の地熱井水蒸気タービンおよび地
表面の制御および発電設備も開示されている。本発明は
これらの米国特許による地熱エネルギー回収方式を改良
したものである。本発明によれば地熱エネルギー回収装
置の設備費および操業費が著しく少なくなり、地表面上
および地熱井中のいくつかの装置要素が不要になり、全
体の回収装置の構造が簡略になり、効率が著しく改善さ
れる。更に以下の説明によつて明らかになるように従来
技術のいくつかの難点が解消される。本発明の地熱エネ
ルギー回収方式においては、溶質を含む地熱井の高温の
地熱水に蓄えられた熱エネルギーは、直線状に延長した
熱交換要素を通つて地表面までポンプ送りされる間に、
下方に流れる有機作業流体を連続的に加熱するために用
いられる。

有機作業流体に付加されたエネルギーは、溶質を含む高
温の地熱井を高圧下にまた常に液体の状態で地表面にポ
ンプ送りするためのタービン駆動されるポンプを作動さ
せる目的で地熱井中で用いられる。地熱水はその後に地
表面から再注入井により地中に再注入される。上方に流
れる地熱水と下方に流れる有機作業流体との間の温度差
は地熱井中に延長する直線状の熱交換要素の全長に沿つ
て所定の形態で有限の値に保たれる。有機作業流体は地
熱井中のタービン駆動されるポンプを駆動した後に断熱
導管を通つて過臨界状態で地表面に上昇し、地表面に設
けた発電設備を作動させた後、地熱井に返却され、直線
状の熱交換要素を通つて下降する間に再加熱される。次
に本発明による地熱エネルギー回収方法および装置を図
面について一層詳細に説明する。

第１図は上記米国特許第３８２４７９３号および同第３
８９８２（４）号に記載された従来の地熱エネルギー回
収装置の一般的な構造および特性を示している。この回
収装置は、地表に設置したエネルギー変換装置と、それ
と共働する地熱エネルギー抽出装置とを具えており、該
地熱エネルギー抽出装置は地表面のはるか下方の好まし
くは高圧下にある著しい高温の地熱水が確実に多量に供
給されるような深さに位置した地層中に延長する深い地
熱井中に浸漬している。地熱エネルギー抽出装置は大体
において公知の構造の地熱井ケーシング５１中に配装さ
れた作動ポンプ構造を有する。第１図に示した回収装置
は、一部が地表面５０の上方に位置ｑていて下方に延長
する地熱井上端部４９を有する。地熱井ケーシング５１
の延長部は地下の高温高圧水の供給源のレベルまたはそ
の上方において調整一蒸気発生器入力部７５に接合され
る。それよりも更に深部には蒸気発生部７６、蒸気ター
ビン部７７、支持回転軸受部７８および地熱水ポンプ部
７９が共働関係で順次設けられている。地熱井ケーシン
グ５１は地表面５０から下方に延長し、銅製の内管５３
をほぼ同心状に包囲している。内管５３は比較的低温の
清浄水の流れを矢印５６の方向に地熱井の下端部に供給
するための内部通路を形成している。比較的大径の第２
の内管５２は内管５３を包囲し、地熱井上端部４９から
タービン部７７まて延長する通路５５を形成している。
タービン部７７からの排出蒸気は矢印５７の方向に地表
面５０まで流れた後、延長管２４を経て凝縮器２３に流
入する。凝縮した蒸気は普通の形式の地表面のポンプ２
１により配管２２を経て内管５３から地熱井に移送され
る。第１図かられかるように、比較的低温の清浄水は内
管５３を通つてチーズ７０の領域まで圧送され、チーズ
７０のところで２つの分岐通路に分流する。

前記米国特許に詳細に記載されているように、第１の分
岐通路は支持回転軸受部７８の軸受装置を潤滑するため
に潤滑用の清浄水を内管５３および分岐管７１より供給
し、第２の分岐通路は第２の内管５２と管体５９とのほ
ぼ同心の管壁の間の環状室として形成された蒸気発生器
８０の入口マニホルド７４に圧力調整器７２および分配
管７３を経て清浄水の一部を給送する。そのため高圧水
蒸気が生成し、タービン部７７中の蒸気タービンを駆動
するためそれに供給される。タービン部７７に設けられ
支持回転軸受部７８の回転軸受装置により支持される前
記蒸気タービンの機能は、ポンプ部７９に設けた地熱井
ポンプを駆動することである。高温高圧の地熱水はそれ
によりポンプ軸の回転円錐端部８２とそれに組合わされ
たポンプシユラウド８３との間において回転ポンプ羽根
８１により上方に排除される。地熱水は第２の内管５２
と地熱井ケーシング５１との間の環状通路５４中におい
て高速で矢印５８の方向に上方にポンプ送りされ、地熱
エネルギーを地表面上で利用するために用いられる。高
温の地熱水は通常は塩水の形て地表面５０まで上方にポ
ンプ送りされ、常にフラッシュ蒸発による蒸気の発生を
阻止するのに十分な圧力の下にあるため、どの潜在的な
フラッシュ蒸発点にも溶存塩が沈着することはない。地
熱水が上方に圧送される間にその熱が第２の内管５２の
管壁を経て伝達され、エネルギーを有する乾燥蒸気が生
成する。環状通路５４を経て地表面５０へとポンプ送り
される高温の地熱水は、通常の形式の熱交換器１５の熱
交換要素１６に配管１９により供給される。

地下水の熱は熱交換要素１６と共働する通常の形式の熱
交換器１５の熱交換要素１４を通過する有機流体により
抽出される。冷却された地熱水は配管２０を経て再注水
井ケーシング１８により地中の深部までポンプ１７を介
して返却される。ケーシング１８により形成される再注
入井は地熱回収井のケーシングから遠隔の場所に設けて
も良いが、再注入された地熱水が地熱回収井により地熱
源の方に矢印８４に示すように透過性地層を通つて流れ
るような位置に設けることが特に望まし”い。複式の地
表エネルギー変換装置は、地表面５０に設けた通常の形
式の蒸気タービン１を作動させるため熱交換器１５から
エネルギーを除去する。

増強ランキンサイクル操作を提供する通常の有機流体は
この目的のためポンプ１２により配管１３を経て熱交換
器１５の熱交換要素１４に供給され、そこでエネルギー
を有する蒸気に変えられる。蒸気は配管４を経て通常の
多段式タービン１の入力段に供給される。タービン１に
おいて有用な仕事をした後のタービン１の排出蒸気は配
管５と熱交換器９の熱交換要素１０とを経て凝縮された
液として配管１１からポンプ１２に再循環使用のために
給送される。凝縮器９は図示しない冷却塔と配管６と熱
交換要素８および配管７を通つて循環する冷却水の流れ
により冷却される。従つて有機蒸気駆動される地表面５
０上のタービン１により回転される普通の交流発電機２
の端子３に電力を効率的に発生させるために、第１図の
地熱エネルギー回収装置を介して、地下深くの地熱井中
のエネルギーを利用することができる。第１図に示した
従来技術による地熱回収装置は次の３つの操作ループを
具えている。

（１）環状通路５牡熱交換器１５の熱交換要素１６、ポ
ンプ１７、再注入井１８および地熱井と再注入井１８と
の底部を連結する透過性地層８４から成る地熱水ループ
。

（２）熱交換器１５の熱交換要素１牡タービン１、熱交
換器９の熱交換要素１０、ポンプ１２および配管１３か
ら成る複式の１次エネルギー変換流体ループ。

（３）内管５３、圧力調整器７２、蒸気発生器８０、タ
ービン部７７の蒸気タービン、通路５５、配管２牡凝縮
器２３、ポンプ２１および配管２１を通る清浄水流を含
む地熱井ポンプ駆動ループ。

地熱井ポンプ駆動ループにおいては、地熱により加熱さ
れた塩水（地熱水）は通常は地表面５０の下方約６００
０フィート（約１８００ｒｒ！．）の場所においてポン
プ部７９のはるか下方に流入する。

その時の塩水の温度は標準的には３００′Ｆであり、ま
たその圧力は、回転ポンプ羽根８１のところでキャビテ
ーションおよびフラッシュ蒸発が起きるのを阻止するの
に十分な飽和圧以上の超過圧で塩水を少なくとも地表面
５０の下方約１０００フィート（約３００Ｔｒ１，）に
到達させる程度の高圧値である。ポンプ部７９は、地熱
井の塩水が地表面５０より上方に揚水された時に再注入
井１８のポンプ１７へ移行経路内においてキャビテーシ
ョンあるいはフラッシュ蒸発が生じないような飽和圧力
以上の十分な圧力をもつようにするための、おそらくは
２００ｐＳｉ（約１４ｋ９１ｃ１ｔ）程度の圧力を付加
する。塩水がこの移行経路を通過する間に地熱井ポンプ
駆動ループの蒸気発生器８０にはタービン部７７のター
ビンを駆動するのに十分な熱が移行する。次に地熱水は
例えば２８０′Ｆの温度で熱交換器１５に到達する。

ポンプ１７は標準的には１３０゜Ｆの温度で地熱水を熱
交換要素１６よりおそらくは約２５０ＰＳ１（約１７．
５ｋ９１ｃＩｔ）の圧力で遠隔地点にある再注入井１８
中に送りこむのに十分なエネルギーを地熱水に付加する
。再注入井１８は上述したように実際には透水性地層８
４により地熱井の下部に連結されているので塩水はそれ
により再加熱されて連続的に再循環する。１次エネルギ
ー変換流体ループは、圧力ｐをエンタルピーｈに対しプ
ロットした第３図の普通の過臨界状態にある有機作業流
体のランキンサイクルによつて表わされる。

第３図において曲線１４２により限定される領域１４１
は有機作業流体の２相領域（双フェーズ領域）である。
即ち有機作業流体はサイクルの大部分を通じて２相領域
１４１の外側にあつて且つそれから隔たつており、過臨
界状態にある。以下第１図の従来技術による装置の操作
と関連して第３ａ図および第３ｂ図を説明する。なお第
３ｂ図は熱交換器１５の内部を向流関係で通過する塩水
と有機作業流体のそれぞれの温度を示す線図である。破
線１４６は熱交換器１５に対する有機作業流体の入口と
塩水の出口を、また、破線１４７は熱交換器１５に対す
る有機作業流体の出口と塩水の入口とをそれぞれ示して
おり、従つて第３ｂ図の横軸は熱交換器１５に沿う長さ
を示している。第３ａ図および第３ｂ図の経路屈は、比
較的わずかであるが相補状のエンタルピーおよび温度の
変化を伴なう圧力の増大を示している。

この圧力の増大は経路ＢＣにおいて有機流体に熱が伝達
される時に有機流体を２相領域１４１より高い領域に高
めるのに十分な圧力を付加するポンプ１２によつて行な
われる。ポンプ１２の固有の性質のため相当大きなエネ
ルギー損失が生ずる。経路？はわずかな流量および圧力
損失を伴なう有機作業流体の熱交換器１５の熱交換要素
１４の通過を表わしている。エンタルピーおよび温度は
著しく増大する。経路ＣＤはタービン１においての有機
蒸気の膨脹を表わしている。

点Ｄまでの対応の圧力減少中に相当のエンタルピーが減
少する。点Ｄは２相境界を示す曲線１４２に近接してい
ることが望ましい。点Ｄが曲線１４２の内側にあると液
滴による浸蝕とエネルギー損失とが生じ、点Ｄが曲線１
４２より相当外側にあると効率が無用に減少する。２相
領域１４１内において実質的に一定の圧力経路に沿つて
エンタルピーｈを元の値に下降させる凝縮器（熱交換器
）９の作用に対応する経路ＤＡによつてサイクルが閉止
される。

この熱力学的過程を要約すると、Ａ−Ｂポンプ１２の仕
事 Ｂ−Ｃ塩水から有機作業流体への熱の移行Ｃ−Ｄ ター
ビン１内ての有機作業流体の膨脹Ｄ−Ａ有機作業流体の
凝縮Ｇ−Ｈ長さの１次その他の関数である曲線に沿
う塩水からの熱抽出損失分を見込んだ場合、標準的であ
るが単に例示的な１組の操作条件の下では、第３ａ図お
よび第３ｂ図のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｇ，Ｈの各点での圧力
および温度は次表１に示すようになる。

温度差ΔＴ（Ｈ−Ａ）３ＴＦ１ΔＴ（Ｈ−Ａ）は４７゜
Ｆ１ΔＴ（Ｇ−Ｃ）２０゜Ｆである。

平均有効温度差は２０′Ｆてある。また第１図の地熱回
収装置において有機作業流体の熱容量ＤＱＩｄｔは有機
作業流体温度のこくわずかな増大関数である。他方ては
第１図の地熱エネルギー回収装置において塩水の有効熱
容量は操作温度範囲を通じてほとんど一定である。この
ような特別の熱特性は、熱交換器においてしばしば存在
する周知のピンチ効果に関連して第１図の地熱回収装置
の設計上いろいろの妥協的選択を行なうことを必要とす
るような設計上の制限を招来する。ピンチ効果は後述す
るように第３ｂ図の矢印２０５で囲んだ温度差が零にな
つた時に熱交換器を不作動にする。第２図に示した本発
明による地熱重力液頭形の地熱エネルギー回収装置はこ
のような設計上の問題も克服するようにしたものである
。

第２図には構造がより簡単でより効率的な地熱エネルギ
ー抽出装置およびそれと共働する地表面上のエネルギー
変換装置が示してある。地熱エネルギー抽出装置は地熱
により加熱された比較的高温の水を多量に供給する地層
の内部に延長している深い地熱井中に配装されている。
地熱井装置はフラッシュ蒸発が起こるべきレベルよりも
下方に設けた地熱井ケーシング１２５中に配設された塩
水ポンプ装置を具えている。第２図に示した地熱エネル
ギー回収装置は地表面１３１上に一部が第１のステーシ
ョンとして突出している地熱井上端部１４９を有し、残
りの部分が第２のステーションとして地中に延長してい
る熱交換要素を備えている。地熱井上端部１４９は配管
延長部により地熱源の方向にタービン部１７０、支持回
転軸受部１７１および地熱水ポンプ部１７２にこの順序
で連結されている。地表面ヘッダプレート１２０から下
方に延長している地熱井ケーシング１２５は、常に液体
の状態にある高温の地熱水を上方に通過させるための環
状通路１２６を共同して形成する比較的大径の中間管１
２３をはほ同心関係に包囲している。

タービン部１７０の有機作業流体タービンを駆動するた
め過臨界状態にある有機作業流体を下方に通過させる環
状通路１２４は中間管１２３と内管１２１との間に形成
される。有機作業流体タービンを駆動した後の冷却され
部分的に過臨界状態にある有機作業流体は、内管１２１
の内部通路１２２を通つて相変化なく上方に返却される
。上方に流れる高温の地熱水と環状通路１２４を下方に
流れる有機作業流体との間に中間管１２３の管壁を通つ
て広汎な熱交換が生じ、有機作業流体はそれにより過臨
界状態に加熱される。

他方では環状通路１２４内部の加熱された有機作業流体
と内部通路１２２内部の有機作業流体との間の熱の流れ
は著しく減少させる。この目的のため内管１２１のごく
一部のみ鋼製とし、内管１２１の主要部は断熱材料製と
する。このような断熱材料製の内管部分１２７はネジ継
手１２８により地熱井の上端部の金属製の内管部分１２
「に接合してある。断熱材料製の内管部分１２７は第１
３図について後述するようにタービン部１７０の内部の
金属製内管部分１３０にネジ継手１２９に主り同様に接
合しても良い。内管部分１２７は適当な結合剤と共に一
体成形した耐火材料の成形体とし、ガラスやアスベスト
または同種の繊維を含んでいても良い。別の方法として
その円筒面のいずれか一方または両方に粒状断熱材料層
を噴射塗布その他の方法で接合した鋼製管としても良い
。操作温度スケールの下端では強化プラスチックス製の
管体が好適てある。地熱水ポンプ部１７２のポンプが作
動している時には地熱水はタービン部１７０の有機作業
流体タービンにより軸１７３を介して駆動される回転ポ
ンプ羽根１７４により常に液体の状態で環状通路１２６
を通つて上方に給送される。

地熱水が環状通路１２６の内部を上昇すると、中間管１
２３の管壁を経て、環状通路１２４の内部の下降中の作
業流体との間に、広汎な熱交換作用−が生ずる。地熱水
は環状通路１２６を上方に流れて地表面１３１において
分岐排出管１３２よりかなり冷却された形て第１図の再
注入井１８と同様の再注入井１３３に導かれる。そのた
めエネルギー抽出サイクルを反復実施することができる
。地表面１３３の分岐管１１８により環状通路１２４に
導かれる有機作業流体は熱伝導性の中間管１２３と断熱
性の内管部分１２７との間において地熱井中に大量に流
下する。

そのため地熱エネルギーの大部分は過臨界状態の有機作
業流体がタービン部１７０の有機作業流体タービンに到
達するまてに有機作業流体に伝達される。有機作業流体
タービンと塩水ポンプの軸１７３および回転ポンプ羽根
１７４を駆動するエネルギーを供給した後、部分的に冷
却された有機作業流体は、内部通路１２２を通つて相変
化（フェーズ変化）を受け．ることなく上方に過臨界状
態で移行し、直列に配設した分岐管１１９，１０４を経
て普通の多段式蒸気タービン１０１の入力部に供給され
る。そのため地表面１３３に設置した交流発電器１０２
を駆動し出力端子１０３に電力を供給するための工・ネ
ルギーが、蒸気タービン１０１の入口ノズルに生成する
蒸気により供給される。蒸気タービン１０１の出力段に
生ずる蒸気は配管１０５を通過して凝縮器１０９の凝縮
要素１１０の作用により再び液体に変えられる。

凝縮器１０９は図示しない冷却塔から配管１０６、凝縮
器コイル１０８および配管１０７を経て冷却塔に返却さ
れる水流により冷却される。通常の操作時には有機作業
流体は配管１１１，１１２と開放した弁１１４およびチ
ーズ１１７を経て再循環のため分岐管１１８へと流れる
。弁１１４は装置始動時のような特別の状態においての
み閉弁される。その場合には弁１１６がその代りに開弁
し、配管１１３、ポンプ１１５、弁１１６およびチーズ
１１７を経て流体を給送するためにポンプ１１５が作動
し、タービン部１７０の有機作業流体タービンを始動す
るのに十分な圧力が供給される。その後は弁１１６を閉
止、弁１１４を再開放して、通常の操作が続けられる。
なお、凝縮器１０９および配管１１１乃至１１３、弁１
１４ならびに１１６、それにポンプ１１５を含めて供給
手段と称する。

本発明による地熱エネルギー回収装置は、第１″図と第
３ａ図および第３ｂ図について説明した公知装置とは対
照的に、次の２つの操作ループを具えているに過ぎない
。

（１）環状通路１２６、配管１３２、再注入井１３３お
よび再注入井１３３と地熱井との下端部を連結している
透水性地層８４から成る地熱水ループ。

（２）配管１１１，１１２，１１８、環状通路１２４、
有機作業流体のタービン部１７０のタービン、内部通路
１２２、配管１１９，１０牡蒸気タービン１０１および
熱交換器（凝縮器）１１０を通る有機作業流体流の別の
ループ（以下「有機作業流体ループ」と称する）。

地熱水ループは次のように作動する。

塩水（地熱水）はポンプ部１７２の塩水ポンプを経て地
熱井ケーシング１２５の下端部から上方にポンプ送りさ
れ、圧力がそれに付加され、地表面１３１の上方に移行
する。塩水は第１図の従来装置とは異なつてその有用熱
の大部分を長い中間管１２３の管壁から有機作業流体ル
ープの環状通路１２４中の有機作業流体に伝達する。有
機作業流体は有機作業流体のタービン部１７０の有機作
業流体タービンを駆動した後、地熱源の温度が約３００
゜Ｆの場合、例えば１２０゜Ｆ〜１５０′Ｆの比較的低
温で地表面１３１に到達する。有機作業流体の温度は通
常のように最終的な熱溜めの温度に依存する。環状通路
１２６中の塩水の温度は、上昇する塩水が実質的にその
初温度を維持する従来装置の場合とは異なつて、塩水の
上昇に伴なつて絶えず不降する。また塩水の圧力も絶え
ず下降するので、フラッシュー蒸発を防ぐために相当な
圧力をポンプ部１７２のポンプにより付加する必要がな
くなり、ポンプ部１７２の仕事は単に流動摩擦損に打ち
かつことに費やされる。また塩水ポンプ部１７２のポン
プの仕様を第１図の公知装置の場合と実質的に同じにし
ても、第１図のポンプ１７は不要になる。更に第１図の
熱交換器１５の機能は環状通路１２４，１２６により形
成される比較的簡単で一層効率的な熱交換要素（中間管
１２３）により受けもたれるので、熱交換器１５も不要
となり、操業コストおよび当初コストが減少する。環状
通路１２４，１２６は塩水および有機作業流体を搬送す
るため本来的に存在すべきものであるから、これらを熱
交換器として用いるのはきわめて合理的である。次に第
４ａ図および第４ｂ図について第２図の，有機作業流体
ループの作用を説明する。第４ａ図と第４ｂ図はそれぞ
れ第３ａ図と第３ｂ図に対応する線図てある。有機作業
流体ループは第４ａ図にＡＣＦＥＤＡのループとして示
してある。有機作業流体は、第４ａ図の点Ａに対応する
凝縮器１１０の凝縮要素１１０の出口から始まつて、中
間管１２３と内管部分１２７との間の環状通路１２４を
下方に流れる。環状通路１２４中の重力液頭圧力は深さ
と共に増大する。また有機作業流体は環状通路１２４を
通過する間常に地熱水から熱を受けるため有機流体の温
度およびエンタルピーも絶えす上昇する。環状通路１２
４中の流体は曲線１４８に沿う単一相（単フェーズ）の
過臨界状態にあり、普通は第４ａ図の２相領域１４１を
限定する曲線１４２のすぐ外側にある。環状通路１２４
中の流体は点Ｃにより表わした最高温度、最高圧力およ
び最高熱容量（エンタルピー）においてタービン部１７
０の有機作業流体タービンに到達する。実際には曲線１
４８は後述するようにごくわずかだけ２相領域（双フェ
ーズ領域）１４１内に入りこんても良い。曲線１４２の
形状はもちろん有機流体の物理的性質により限定あるい
は規定されるが、曲線１４８の形状は本発明によれば容
易に操作できる。第４ａ図においては曲線１４８の形状
は第３ａ図においてなされているように定圧の有機作業
流体中に熱が供給されないように調整される。第４ａ図
においては経路ＡＣに沿つて圧力および温度が共に増大
するので過臨界状態の流体の比熱ＤＱ／ＤＴは実質的に
一定の圧力の下に温度が増大する第３ｂ図のサイクルよ
りも温度に対して一定に近くなる。

この比較的一定の比熱特性は、イソブタン、プロパン、
プロピレン、ジフロロメタン（ＣＨ２Ｆ２）およびハロ
ゲン置換炭化水素またはクロロフルオロカーボン型の他
の常用される高分子量の冷却剤例えばＣＣｌＦ２−ＣＣ
ＩＦ２、ＣＣｌ３ＦまたはＣＣｌＦ２−ＣＦ３を含む熱
力学系に用いられる広範囲の有機作業流体において実現
される。本発明の有機作業流体について要求される基本
的な特性は、地熱水の実質的に一定の比熱特性にその比
熱特性が実質的に整合されていることである。

本発明によればこのような要求が選定された有機流体に
課せられた状態の下で、環状通路１２６中を上昇する塩
水と環状通路１２４中を下降する有機作業流体との温度
差が中間管１２３の全長に沿つてわずかな理想的な且つ
実質的に一定の値となるようにすることができる。この
ような構成によれば、第１図に示した従来の地熱エネル
ギー回収装置の塩水ループのポンプ１７や熱交換器１５
に固有の難点が解消され、タービン部１７０に入る有機
作業流体の最高温度を一層高温にすることができる。更
に塩水（地熱水）からより多くの熱を抽出してそれを一
層低温にすることができ、・ピンチ効果が完全にではな
くとも相当程度除去できる。過臨界状態の流体はタービ
ン部１７０を通過する時に膨張し、経路ＣＦを通過する
時に少量の圧力およびエンタルピーを放出する。

経路ＣＦを通・過する時に相変化は生じないので過臨界
状態の流体は断熱内管部分１２゛７を通つて上方にわず
かな膨張を伴ないつつ実質的に一定の高温で移行する。
第４ａ図の対応経路ＦＥにおいて流体はわずかな流量損
失を受け、地表面１３１に到達してかノらはガスとして
タービン１０１から排出され、その利用可能な熱エネル
ギーの残留主要部分を放出する。第４ａ図の対応経路Ｅ
Ｄは損失分特に経路ＥＤの多少の方向上の偏よりをもた
らすタービン１０１の羽根による損失分を除いては一定
エンドロピーの経路となるであろう。第４ａ図の経路Ｅ
Ｄは、第３ａ図の経路ＣＤと同様に、所望の際には図示
のようにする代りに２相領域１４１の多少外側あるいは
多少内側に位置させてもよい。凝縮器１０９の作用によ
リサイクルは定圧経路ＤＡにおいて完成し、それから上
述したように反復される。第２図の変換装置においては
第３ａ図の点Ａと点Ｃとの間の圧力差を提供するための
第１図のポンプ１２は不要である。

所望の圧力差の一部は環状通路１２４中の有機作業流体
の温度従つて密度により、従つて中間管１２３と断熱内
管部分１２７との間の液柱の増大した圧力液頭により生
成する。中心通路１２２中の有機作業流体の膨張液柱は
密度の減少をもたらすので圧力差が生じ、矢印１３４，
１３５の方向に有機作業流体がタービン部１７０を経て
循環する。比較的大容積の環状通路１２４，１２６およ
び中心通路１２２を使用して摩擦による流量損失を最小
にすれば十分なエネルギーが回収できる。地熱井ケーシ
ング１２５を現用の油井用ケーシングより大径にする必
要はあつても、例えは約２０００フィート（約６０６７
ｎ．）の深さまで大径の地熱井および配管を設けるのに
必要な付加コストは、第１図の地熱エネルギー変換装置
の１次エネルギー変換流体ループのポンプ１２、熱交換
器１５、駆動ループの凝縮器２３とポンプ２１および地
熱水ループのポンプ１７を設けた場合のコストよりはる
かに少なくなるであろう。更に与えられた塩水源の温度
および流率に対して発生する電力量も第２図の重力液頭
形の地熱，エネルギー変換装置においては著しく大きく
なる。第４ａ図および第４ｂ図に示した本発明による変
換装置の熱力学的過程を要約すると（Ａ−Ｃ）・・・・
有機作業流体への熱の移動。

（Ｃ−Ｆ）・・・・・塩水のポンプ送り。（Ｆ上）・・
・・有機作業流体を地表まて押上げる際になされる仕事
。

（Ｅ−Ｄ）・・・・・タービン１０１での有機作業流体
の膨張。

（Ｄ−Ａ）・・・・有機作業流体の凝縮。

（Ｇ−Ｈ）・・・・・塩水からの熱の抽出と有機作業流
体への熱伝達。

（１−Ｊ）・・・・（Ｆ上）の仕事の熱としての回収。

表１に対応する標準的な操作条件については、第２図の
装置では、第４ａ図および第４ｂ図の点Ａ，Ｃ，Ｆ，Ｅ
，Ｄ，Ｇ，Ｈでの圧力および温度は次表■に示すように
なる。温度差ΔＴ（Ｇ−Ｃ）は１８゜Ｆ１ΔＴ（Ｈ−Ａ
）は２０′Ｆ１平均有効温度差は２０′Ｆであるが、ピ
ンチ効果が現出する危険が除かれるのは好都合である。

温度と共に一定の熱容量によりピンチ効果の発生が不可
能となるものであり、温度差ΔＴ（Ｇ・−Ｃ）、ΔＴ（
Ｈ−Ａ）は常に正の有限値である。本発明により実現さ
れる理想的な状態においては地熱水と有機作業流体との
間の中間管１２３の全長に沿つて有限でほぼ一定の温度
差が存在する。

本発明の一実施例によれは有機作業流体の曲線は塩水の
曲線から下方に曲げられるという望ましい傾向が生ずる
ので、比較的わずかな所望の一定の温度差が容易に実現
される。このように２つの曲線がピンチ点即ち第３ｂ図
の矢印２０５により示した最小離間個所において接触す
ることがないように有機作業流体の状態が選定される。
２つの曲線は少なくとも第４ｂ図に示すように大体平行
とし、その間にごくわずかな間隔を保ち、実質的に同じ
一定の傾斜をもつようにすることが望ましい。

これは地熱水と有機作業流体との比熱を同じ値にするこ
とが望ましいことを表わしている。実際には熱交換が完
全に停止する２つの曲線の接触が生じない限り比熱値を
ほぼ互いに整合させれば十分である。しかし効率の点で
は損失が生ずる。第１図の従来技術により地熱エネルギ
ー回収装置においては望ましくないピンチ効果の対策と
して困難な設計上の選択の必要が生じ、熱交換器１５の
寸法および有機作業流体の最大温度の減少と塩水の再注
入温度の増大とについての条件が不利になり、その結果
として有機作業流体へのエネルギーの移動が減少し、変
換効率の低下を来たしていたが、本発明によればこのよ
うな効率の低下とコスト上の問題が実質的に回避される
。第２図に示した重力液頭による地熱エネルギー回収装
置は、本来応用性が高く、第５ａ図および第５ｂ図に示
すようなサイクルに従つて作動させることができる。

このサイクルにおいては有機作業流体は後述するように
わずかに負の熱係数をもつた熱容量を有する。このサイ
クルを示す第５ａ図においては経路１４３は曲線１４２
により限定される２相領域１４１にわずかだけ入りこん
でいる。この点を除けば熱力学的過程は第４ａ図および
第４ｂ図のサイクルとほぼ同様である。この場合にも向
流として流れる２種の流体の間の熱交換のみが考慮され
る。第３ｂ図、第４ｂ図および第５ｂ図の線図から、塩
水が流入し有機作業流体が流出する内管１２１の高温端
側１４７で温度差が大きくても有機作業流体は最終的に
その最高可能な温度に到達せず、サイクル効率が低下す
ることが明らかになる。低温端側１４６て温度差を大き
くすると排出される塩水の温度が高くなるので有機作業
流体に移行する熱が減少する。しかし熱の移行量は内管
１２１の内外の平均有効温度差に比例し、その温度差が
大きいほど所要の全熱交換面は少なくなる。従つて高温
端側１４７および低温端側１４６での温度差は可及的に
小さくし、内管１２１のその他の個所ての温度差を可及
的に大きくすることが望ましい。第３ｂ図、第４ｂ図お
よび第５ｂ図においては点Ａでの温度（凝縮器排出温度
）が常に８０゜Ｆとなるように比較上の目的から操作条
件を選定した。

即ち第３ｂ図では第１図のポンプ２１の入口での温度は
８０゜Ｆてあり、第４ｂ図および第５ｂ図では環状通路
１２４への入口管１１８の温度は８０゜Ｆである。第３
ａ図および第３ｂ図の普通のランキンサイクルではポン
プ２１の仕事は有機作業流体の温度を上昇させ、塩水と
有機作業流体との間の与えられた温度差において塩水の
排出温度が上昇するため、塩水から有機作業流体に移行
する熱量が減少する。第４ｂ図および第５ｂ図において
点Ａ，Ｈの間の温度差は第３ｂ図の対応の温度差よりも
相当小さい。第３ｂ図において温度差が大きくなるのは
、第３ｂ図の経路ＡＢに沿つて望ましくない温度の上昇
が起きることと、ピンチ効果を減少させる必要とによる
ものてある。第２図に示した重力液頭形の地熱エネルギ
ー回収装置においてはポンプの押上げ仕事は中間管１２
３の全長に沿つてエンタルピーを増大させるため返却さ
れるため、一層多くの熱が高収率で塩水から抽出される
。第３ａ図および第３ｂ図に関連して説明したピンチ効
果は、第１図の熱交換器１５の全温度範囲にわたつて塩
水の熱容量ＤＱ／ＤＴがほぼ一定であるのに、第３ａ図
のランキンサイクルの定圧経路に沿う有機作業流体の熱
容量が低温においてよりも高温において相当に高くなる
ことに基因する。

第３ｂ図の曲線により示されるこの熱容量の差はランキ
ンサイクルの定圧過程による有機作業流体からの熱の付
加によつてはさほど変更されない。第５ａ図および第５
ｂ図には第２図の装置による一層有利なサイクルが示し
てある。このサイクルの利点は有機作業流体の熱容量曲
線の形状を事実上負の熱係数をもつように変更すること
により達成される。その目的のため、選択された可変圧
経路に沿つて熱が付加される。このような熱の付加は重
力液頭形のサイクルにより環状通路１２４，１２６にお
いて熱交換を行なうことによつて可能になる。第５ａ図
および第５ｂ図に示した曲線形状は内管１２１の熱交換
領域の分布を系統的に変えることにより達成される。即
ち有機作業流体は任意に選択可能な温度にお゜いて各々
の連続する圧力領域を通過するようにされる。

熱係数零の熱容量曲線は第４ｂ図に示すようにピンチ効
果の機会を消失させ、熱交換要素（中間管１２３）の高
温端１４６および低温端１４７ての塩水と有機作業流体
との温度差を小さく−し、熱交換器を横切る平均有効温
度差を所望のように大きくする。そのため熱交換領域の
所要面積も減少し、資本投下も少なくなる。熱係数を負
にして第５ｂ図に示すような温度プロフィルを実現する
とピンチ効果が一層確実に防止され、従来技ノ術の他の
問題も発生しなくなる。このような重力液頭サイクルは
環状通路１２４，１２６の間の中間管１２３の管壁を通
る有効熱移動を変更することにより実現される。

そのためには第６図から第１１図に示した付加的な熱交
換要素が用いられる。第６図ないし第９図には第２図の
中間管１２３の連続した異なるレベルでの横断面形状が
示してある。中間管１２３はタービン部１７０との接合
個所では付属要素のない単純な熱交換管として形成され
る。タービン部１７０の上方の任意距離において中間管
１２３の一側あるいは両側に第１と第２のテーパつき直
立フィン９０が取付けられている。第９図においては直
立フィン９０のテーパ部分はすでに終わつており、直立
フィン９０は第８図ないし第６図に示すように地熱井の
上端部１４９まで延長している。直立フィン９０と共働
する内面フィン９１も同様にテーパつきであり、地熱井
の上端部１４９まで延長している。第９図に示した直立
フィン９２，９３は第９図のレベルにおいてそのテーパ
部分が開始しているため、第８図ないし第６図の直立フ
ィン９２，９３に比較して長さが短かい。第９図の次に
高いレベルの横断面図である第８図ではテーパ部分はす
でに終了し、直立フィン９２，９３はその全サイズとな
つて地熱井の上端部１４９まで延長している。

第８図のレベルでは更に別のテーパつき直立フィン９４
，９５が現出される。直立フィン９４，９５はその断面
積が小さいことかられかるように第８図のレベルではそ
の幅が増大しつつある。第７図のレベルでは更に別のや
はりテーパつきの直立フィン９６，９８が現出される。
テーパつき直立フィン９０，９１，９２，９３，９４，
９５，９６は中間管１２３に熱交換関係で接合され、第
６図に示すように地熱井の上端部１４９まで延長してい
る。多くのテーパ．つき直立フィンの形状の熱交換要素
を熱交換器技術において周知の形態で使用し得る。第１
１図に示した部分円形の円筒体９０ａのような周知の伝
熱部材を使用し、環状通路１２４を下方に流れる有機流
体と環状通路１２６を上方に流れる塩水と６の間の熱伝
導率が当該技術において周知のように地熱井のどの高さ
レベルにおいても容易に定められるようにすれば、ピン
チ効果の干渉が除かれる。なお第６図から第９図および
第１１図には内管部分１２７および地熱井ケーシング１
２５は図く面を簡略にするため省略されている。第６図
ないし第１１図に示した熱交換要素は地熱井下部のポン
プ１７２から地表面１３１上のステーションまで滑らか
に増大する熱伝達が行なわれるように設計することがで
きる。

他方では連続するテーパが重複しなければ増分的変化に
よつて所望の効果が得られる。第１２図および第１３図
の実施例は熱伝達率にステップ状に増大する変化をもた
らすようにしたものである。第１２図においては普通の
多量管形の直列に連結された各別の熱伝達ユニット２５
０，２５２，２６０，２６２，２６６等が用いられてい
る。

上昇する塩水は地熱井ケーシング１２５中に形成しノた
環状通路１２６を通つて地表面１３１に到達し、そこで
配管１３２から流出する。冷却した有機作業流体は配管
１１８を経て地表面１３１にある地熱井の入口に供給さ
れ、そこから各別の熱伝達ユニット２５０〜２６６を通
つて流下する。有．機作業流体はタービン部１７０のタ
ービンを駆動した後断熱内管部分１２１の内部通路１２
２を経て地表面１３１に戻される。上昇する塩水から下
降する有機作業流体への熱交換速度は、各々の連続する
熱交換ユニットの熱゛交換管の数を上記のように逐次増
すことによつて、第１２図の地熱井の下端部から上端部
の方に徐々に増大させることができる。

第１２図の最も下方に断片的に示した熱交換ユニット２
６６は２個の熱交換管２６７を有するだけである。これ
らの熱交換管２６７を通る液体は第１３図について後に
説明する環状マニホルド２６５から供給される。環状マ
ニホルド２６１から環状マニホルド２６５に供給する熱
交換ユニット２６２は熱交換ユニット２６６より多数の
熱交換管２６３（この実施例ては３個）を有するため熱
伝達特性が高くなる。やはり断片的に示した熱交換ユニ
ット２６０は環状マニホルド２６１に供給するもので、
熱交換ユニット２６２よりも多数の熱交換管２５９を有
し、その分だけ多くの熱を伝達する。このように熱交換
管の数および熱交換領域の面積を地熱井の上端まで各々
の熱交換ユニットごとに増大させる。最終段の熱交換ユ
ニット２５０は入ロマニホルド２４９から環状マニホル
ド２５６に供給し、最大数の熱交換管２５１を有するこ
とにより最大の熱交換面を具えている。環状マニホルド
２５６は熱交換ユニット２５０よりも低い熱交換特性を
有する熱交換ユニット２５７に供給する。熱交換ユニッ
ト２５０，２５７にはそれぞれ９個と５個の熱交換管が
図示されている。当業者には容易に理解されるように、
これらの熱交換管は同心円状あるいは正放射状に配列し
たり、また所望の熱交換作用の漸増が実現されるように
各々の熱交換管の大きさを変更したりすることができる
。第１３図には環状マニホルド２５６およびその入口側
と出口側の交換管が示してある。

熱交換ユニット２５０を形成する熱交換管２５１の環状
列を有する環状マニホルド２５６は、複数の熱交換管２
５８より成る次に下段の熱交換ユニット２５７に、下方
に流れる有機作業流体を供給するために用いられる。環
状マニホルド２５６は断熱内管部分１２１を包囲するよ
うに地熱井ケーシング１２５（第１３図には図示しない
）中に設けられている。断熱内管部分１２１は内部通路
１２２を形成し、図示しない断熱材のライニングを有す
る。内管部分１２１，１２「の界面には普通のすベリ継
手２７７が設けられている。すベリ継手２７７には普通
の封止機構を形成することができる。環状マニホルド２
５６はネジ継手２７５により連結した別々の部分から成
り、その下方部分は、熱交換ユニット２５７の熱交換管
２５８を受けいれるための孔あけしたヘッダ２７２を具
えている。ヘッダ２７２は熱交換管１２１に液密に連結
されている。同様に環状マニホルド２５６の上方部分は
熱交換ユニット２５０の熱交換管２５１を受けいれるた
め熱交換管１２１に連結した孔あけしたヘッダ２７１と
、円筒形の外殼２７５のネジ部と整合するネジ部を有す
る外殻２７３とを有する。従つて有機作業流体は熱交換
ユニット２５０の比較的多数の熱交換管２５１から熱交
換ユニット２５７の比較的少数の熱交換管２５８中に流
入する。ピンチ効果の干？（４地熱井の下部から上部へ
と徐々に増大する熱交換作用を提供する一連の熱交換ユ
ニット２５０〜２６０によつて除去される。第１４図な
いし第１８図には第２図に示したタービン部１７０の熱
力学的に駆動されるタービンの詳細な構造が示してある
。

本発明によるタービンは上述の米国特許第３９０８３８
皓に用いられているものと類似した形状を有するが、有
機作業流体ループに適合するように変形され、特に過臨
界状態にある大容積の有機作業流体の流れを受け入れる
ようになつている。この有機作業流体の流れはラジアル
軸受およびスラスト軸受の潤滑用にも用いられる。ラジ
アル軸受およびスラスト軸受は、第１４図および第１８
図に示すように、高価な有機作業流体が地熱水中に流入
することによる損失を防止するように構成されている。
中心通路１２２および環状通路１２４，１２６は特に第
１４図に示すようにタービン部１７０まで延長している
。

環状通路１２４を流れる加熱された過臨界状態の流体は
、周知の設計の注入ノズル１５１に流入する。注入ノズ
ル１５１は第１７図の展開図に一層詳細に示してあり、
過臨界状態の多量の有機作業流体をタービン羽根１５２
に差向けるために通常のように用いられる。タービン羽
根１５２の環状列を支持するリングホルダ１５３はリム
１５５に通常のように固定されている。リム１５５は１
組のスポーク１５６およびハブ１６１を更に有するター
ビン羽根車１５５の一部をなしている。ハブ１６１はタ
ービン羽根車１５５の回転中に軸部分１６０，１６４，
１９４を回転させる。ハブ１６１はワッシャ１５９によ
り軸部分１６０に固定されており、軸部分１６０のネジ
つき延長部分１５７にはナット１５８が固定されている
。タービン部１７０は、まだ臨界状態にある有機作業流
体を断熱内管部分１２１の内部の中心通路１２２に上方
に差向けるように構成されている。

タービン本体ブ七ツク１９０はこの目的のために滑らか
に湾曲した円環状の通路１６３を具えている。通路１６
３はタービン羽根１５２の環状列から軸部分１６０の方
向に半径方向内方に延長して・おり、有機作業流体の流
れの方向を上方に変えるようになつている。通路１６３
は本体ブロック１９０に一体に鋳造した適当な湾曲面１
６５とそれに対向する環状ガイド１６２の表面とにより
形成される。環状ガイド１６２は有機作業流体の方向・
を変えてその速度ベクトルが大体垂直になるように環状
ガイド１６２と共働する半径方向の羽根１８０の環状列
により支持する。そのため過臨界状態の有機作業流体の
滑らかな円環状通路１６３が形成され、タービン羽根１
５２を離れて膨張中の）有機作業流体はタービン羽根車
１５５のスポークを通過するように案内される。スポー
クの間を有機作業流体が通過するのは本願とほぼ同様の
タービン羽根車を通る蒸気の流れに関連して上記米国特
許第３９０８３（１）号に記載されているように容易に
行なわれる（第１５図および第１６図参照）。またスポ
ーク１５６はリム１５５の回転方向に対して各別に傾斜
させてあるので、選択された回転速度においてのスポー
ク１５６の効果は本質的に中性になる。有機作業流体の
流れの方向に対するスポーク１５６の入射角は、中心通
路１２２を通つて上方に流れる流体の流れにスポーク１
５６によつてエネルギーが付加されたりそれからエネル
ギーが取出されたりすることがないように定められてい
る。そのためタービン部１７０の外側に上方に指向する
かさばつた導管を余分に設ける必要がなくなる。第１４
図および第１８図には本体ブロック１９０の内部に軸部
分１６０およびタービンを支持するための軸受装置が図
示してある。

この軸受装置は上部のラジアル軸受（第１４図参照）、
スラスト軸受（第１８図参照）および下部のラジアル軸
受から成つている。上部のラジアル軸受（第１４図）は
従来の周知の構造としても良いが、軸部分１８９をそれ
に固着した酸化アルミニウム製の中空円筒体１９１によ
り包囲した前記米国特許第３９０５１９６号による傾動
バッド形の軸受としても良い。図示の実施例では３個の
別々の傾動バッド軸受面は中空円筒体１９１の支承面と
共働するように配置されている。本体ブロック１９０の
内孔中一に位置されるバッド位置決め軸２０３を含む締
着装置が用いられており、バッド位置決め軸２０３は半
径方向に調節可能なネジ部分１９８の設定に従つて位置
される。バッド位置決め軸２０３はもみ下げ孔中に部分
的に位置された硬質鋼製の球体．１９６を有し、球体１
９６は本体ブロック１９０の内部に入りこんでいて、軸
受支持ブロック１９３の凹部に当接している。軸受支持
ブロック１９３の円弧状の内面には酸化アルミニウム製
の円弧状の扇形部材１９２が固着してある。扇形部材１
９２と中空円筒体１９１とは連続した支承面を有し、そ
れらの支承面の間には有機作業流体が後述するように薄
い潤滑剤フィルムとして収容される。実際には３個の同
様の傾動バッド軸受が軸部分１８９の実際の位置を完全
に確立するためにラ４ジアル軸受に用いられる。軸部分
２１５、中空円筒体２１６、扇形部材２１７、軸受支持
ブロック２１８、球体２２１およびバッド位置決め軸２
２２を有する第１８図の下方ラジアル軸受は第１４図の
ラジアル軸受とほぼ同じ構造を有する。軸受部分１８９
，２１５を含む２つのラジアル軸受の間には第１８図に
破線で示したスラスト軸受が配設してある。そのスラス
ト軸受は前述の米国特許第３９０５１９６号に記載され
たスラスト軸受と同様に形成しても良い。図示のスラス
ト軸受は傾動バッドスラスト軸受であり、水平位置の界
面要素２１１を有する膨大テーパ部分２１０を有する。
界面要素２１１の下端スラスト面は平たんなノセラミツ
クリング２０９により構成し、セラミックリング２０９
は、界面要素２１１の下方支承面と共働する複数のセラ
ミック支承面を有する米国特許第３９０５１９６号の多
重傾動バッドスラスト軸受として形成される。界面要素
２１１の支承面と傾・動バッドの水平軸受面とは米国特
許第３９１００５０号にも記載されているように軸部分
１９４，２１４，２１５の上下方向の位置を定めるよう
に共働する。有機作業流体は上述の軸受装置を潤滑する
ため−にも用いられる。

高価な有機作業流体がポンプ部１７２から上昇する地熱
水中に失なわれたり地熱水が軸受装置に入りこんだりし
ないことは給送装置により保証される。第１４図におい
てサンプリングチャンネル１７９は通路１６３と連通し
、タービン羽根１５２を通過した有機作業流体を環状マ
ニホルド１８２に給送する。環状マニホルド１８２は環
状シート１８１により形成され、第１８図の下部ラジア
ル軸受の本体ブロック１９０に形成した半径方向のチャ
ンネル２３０に連通している。有機作業流体は下部ラジ
アル軸受の軸部分２１５を包囲する凹部２２０にチャン
ネル２３０を経て流入する。中空円筒体２１６と軸受バ
ッド２１７との界面は有機作業流体により潤滑される。
有機作業流体はチャンネル２１３を経てセラミックリン
グ２０９、膨大テーパ部分２１０および界面要素２１１
を有するスラスト軸受に流入し、直列チャンネル２１３
，２１２，２００を通過する間にスラスト軸受面を潤滑
する。有機作業流体は第１４図の軸部分１９４の回りを
経て環状チャンネル２００を通つて上方に流れ、軸部分
１８９において上部ラジアル軸受を包囲する凹部１９９
に入り、中空円筒体１９１と扇形部材１９２との間の接
触面を潤滑する。

次に有機作業流体は環状チャンネル１８４を通つて上方
にネジ部１８３により押上げられ、中心通路１２２を通
り上方に地表面１３１へと向けられる膨張状態の有機作
業流体中に放出される。このようにして各々の軸受が潤
滑されるので軸受装置の長い使用寿命が保証される。高
価な有機作業流体の損失および本体ブロック１９０内部
への腐食性地熱水の侵入は軸部分２１５の下方の封止面
によつて阻止される（第１８図参照）。

軸部分２１５の下面２１９は孔あきリング２３０の上面
に当接している。孔あきリング２３０は軸部分１８２の
円筒面と係合するＯリング２３１を有し、軸部分１８２
と一体に回動する傾向を有する。孔あきリング２３０は
固定封止部材２３３の上面２３２と共に普通の圧力平衡
封止部を形成する。有機作業流体の下方への移動はＯリ
ング２３４により阻止される。Ｏリング２３４は本体ブ
ロック１９０の溝部中に拘束され、封止部材２３３の円
筒面と係合している。下端部を本体ブロック１９０の下
面２３７に固着したラセンバネ２３６は封止部材２３３
の底面２３５にその上端部が固定されているため、孔あ
きリング２３０と封止部材２３３とは位置的に連続した
関係に保たれ、その界面を形成する上面２３２において
有機作業液体により潤滑される。ラセンバネ２３６の代
りに下面２３５，２３７に液密に固定したベロー形のバ
ネを使用しても良く、この場合にはＯリング２３４は場
合により不要になる。以上に説明した本発明の地熱エネ
ルギー回収装置によれは、直線状に延長した熱交換要素
を経て地表面に圧送される溶質を含む地熱井の高温の地
熱水に蓄えられている熱エネルギーを利用して、過臨先
状態にある下方に流れる有機作業流体が連続的に加熱さ
れる。

有機作業流体の増大したエネルギーは、溶質を含む地熱
井の高温の地熱水を高圧て常に液体の状態で地表面まで
圧送するため、熱力学的なタービンにより駆動されるポ
ンプを地熱井の深部において駆動するのに用いられる。
地表面に圧送された地熱水は再び地中に再注入される。
上方に流れる地熱水と下方に流れる有機作業流体との間
の温度差は地下に延長する熱交換要素に沿つて所定の形
態て制御される。有機作業流体は地熱井の深部において
タービン駆動されるポンプを駆動した後に断熱内管部分
を経て地表面に上昇し、地表面上で発電装置を駆動した
後に地熱井に返却され、地熱井中に延長する熱交換要素
を通過する間に再加熱される。本発明による重力液頭形
の地熱エネルギー回収装置の地熱井下部に設けられる装
置は従来技術による同様の装置に比較して著しく簡略化
され、地熱井下部の圧力調整器および蒸気発生器は不要
になる。

地熱井を通つて上昇する高温の地熱水は直線状に延長す
る熱交換要素において一層有効に熱交換するために直接
利用され、定圧の２相流体に熱が移動することがない。
本発明によれば直線状に延長する熱交換要素の全長に沿
つて地熱水と有機作業流体との間に理想的なわずかでほ
ぼ一定の温度差が実現される。そのため従来技術におい
ては単に導管として用いられた中間管が効率の良い直線
状の熱交換要素としても用いられる。地熱井下部のポン
プは地熱井の通過する環状通路内部でのわずかな摩擦損
に打勝つだけで良く、与えられた地熱水源温度および地
熱水の流量に対して地表面上で発生する電力量は著しく
多くなる。地熱水およびそれと共働する選定された有機
作業流体との熱特性は効率の良い熱交換がなされるよう
に整合される。また設備費と操業費が軽減され、従来装
置の多くの装置部分が不要になるため地表設備も簡略化
される。本発明は上述の実施例に限定されず、当業者に
とつて自明な各種の設計上の変更はすべて本発明の範囲
に包含される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来技術による地熱エネルギー回収装゛置およ
びそれと共働する地表面の発電装置を示す一部断面によ
り表わした側面図、第２図は本発明による地熱エネルギ
ー回収装置を示す一部断面により表わした側面図、第３
ａ図、第３ｂ図、第４ａ図、第４ｂ図、第５ａ図および
第５ｂ図は本発明の詳細な説明するための線図、第６図
ない第９図は第２図の地熱エネルギー回収装置の異なる
レベルでの断面形状を示す横断面図、第１０図は第６図
ないし第１０図に示したテーパつき直立フィンの側面図
、第１１図はテーパつきフィンの別のｊ実施例を示す横
断面図、第１２図は直線状の熱交換要素の別の実施例を
示す一部断面により表わした立面図、第１３図は第１２
図の実施例による熱交換要素の一部を示す一部断面によ
り表わした立面図、第１４図は第２図の地熱エネルギー
回収装置の一部を示す一部断面により表わした立面図、
第１５図は第１４図に示したタービン車の平面図、第１
６図は第１５図の１６−１６線に沿つて切断して示した
部分的な断面図、第１７図は第１４図に示したタービン
部の一部の展開図、第１８図は第２図の地熱エネルギー
回収装置の別の部分を示す一部断面により表わした立面
図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （イ）地表面に近接した第１のステーションから地
   中の第２のステーションに、最初に比較的低温の状態に
   ある第１の流体を給送し、（ロ）地中の内部の高温領域
   からの熱エネルギーを利用して、前記第１のステーショ
   ンから第２のステーションに移動する間に前記第１の流
   体を過臨界状態に変換し、（ハ）過臨界状態の前記第１
   の流体を使用して前記第２のステーションのポンプを駆
   動し、（ニ）前記高温領域から第２の流体を前記第１の
   ステーションにそれが常に液体の状態に保たれる圧力に
   おいて前記ポンプにより圧送し、（ホ）前記ポンプを駆
   動した後の過臨界状態の該第１の流体を前記第２の流体
   に対し断熱された状態で前記第１のステーションに移送
   し、（ヘ）前記第１のステーションに過臨界状態で供給
   された前記第１の流体から有用な仕事を行なうための熱
   エネルギーを抽出する各段階から成り、地中内部の高温
   領域から熱エネルギーを回収して地表面の近くでそれを
   利用することを特徴とする地熱エネルギーの回収方法。 ２ 前記第１の流体と前記第２の流体の比熱をほぼ同じ
   にして第１の圧力−エンタルピー線図（第４ａ図）上の
   閉ループのサイクルに従って熱エネルギーを回収するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の地熱エネル
   ギーの回収方法。 ３ 前記第１の流体が僅かに負の熱係数となるようにし
   て第２の圧力−エンタルピー線図（第５ａ図）上の閉ル
   ープのサイクルに従つて熱エネルギーを回収することを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の地熱エネルギー
   の回収方法。 ４ （イ）地表面近くの第１のステーションから地中の
   第２のステーションまで延長し、最初は比較的低温の状
   態にある第１の流体を該第１のステーションから該第２
   のステーションに搬送し、その間に前記第１の流体を第
   ２のステーションにおいて動力装置駆動のための過臨界
   状態に変換するための熱交換要素と、（ロ）第２の流体
   を前記高温領域からそれが常に液体の状態に保たれるよ
   うな圧力で圧送するため前記動力装置に応動するように
   前記第２のステーションに設けたポンプ装置と、（ハ）
   前記ポンプ装置から前記第１のステーションまで前記第
   ２の流体を搬送するため前記熱交換要素との熱交換関係
   において設置した導管と、（ニ）過臨界状態にある前記
   第１の流体を該動力装置から該第１のステーションに前
   記第２の流体に対し断熱された関係で搬送するための断
   熱導管と、（ホ）過臨界状態にある前記第１の流体から
   該熱エネルギーの一部を抽出して有用な仕事を行なうた
   め前記第１のステーションに設けた熱エネルギー伝達手
   段と、（ヘ）比較的低温の状態にある前記第１の流体を
   前記第１のステーションにおいて前記熱交換要素に供給
   するため該熱エネルギー伝達手段の出力側に連結された
   供給手段とを有し、地中の内部の高温領域から熱エネル
   ギーを地表面の近くで利用するように熱エネルギーを回
   収することを特徴とする地熱エネルギーの回収装置。 ５ 熱交換要素、動力装置、断熱導管、供給手段および
   熱エネルギー伝達手段が閉ループに構成され、前記第１
   の流体と第２の流体の比熱をほぼ同じにして圧力−エン
   タルピー線図（第４ａ図）によるサイクルにしたがつて
   熱の回収が行なわれることを特徴とする特許請求の範囲
   第４項記載の地熱エネルギーの回収装置。 ６ 熱交換要素、動力装置、断熱導管、供給手段および
   熱エネルギー伝達手段が閉ループに構成され、前記第１
   の流体が僅かに負の熱係数となるようにして第２の圧力
   −エンタルピー線図（第５ａ図）によるサイクルにした
   がつて熱の回収が行なわれることを特徴とする特許請求
   の範囲第４項記載の地熱エネルギーの回収装置。