JPWO2016035770A1 - 地熱交換器、液体輸送管、液体上昇用管、地熱発電設備及び地熱発電方法 - Google Patents

Abstract

地下深部で加熱された熱水を地上に運ぶ際に、非地熱帯に熱を奪われることを低減でき、熱効率の高い地熱交換器を提供すること。本発明の地熱交換器（１００）は、加圧された熱交換用液体が供給される液体下降用管（１１）と、前記液体下降用管（１１）の内側又は外側に配置され、地熱帯まで下降した熱交換用液体が下方から移動し、前記地熱帯から熱が供給されて生成された熱水からなる熱交換用液体を蒸気が含まない状態で上昇させる液体上昇用管（１２）と、を備えた液体輸送管（１０）と、前記液体輸送管（１０）の外側であって、地表側から前記地熱帯に至るまでの間の一部又は全部に外側断熱層（３０）を有することを特徴とする。

Description

本発明は、地熱交換器、液体輸送管、液体上昇用管、地熱発電設備及び地熱発電方法に関する。

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。

本発明にかかる地熱帯に埋設される地熱交換器は、地熱帯に埋設される地熱交換器において、
加圧された熱交換用液体が供給され、前記熱交換用液体を下降させる液体下降用管と、前記液体下降用管の内側又は外側に配置され、前記地熱帯まで下降して前記地熱帯の熱によって熱せられた熱交換用液体を上昇させる液体上昇用管と、を備えた液体輸送管と、
前記液体輸送管の外側であって、少なくとも地表側から前記地熱帯に至るまでの間の一部又は全部に外側断熱層を有することを特徴とする。

本発明にかかる地熱交換器は、地熱帯によって加熱された熱交換用液体を取水する地熱交換器であり、地熱交換器の外側に地表側から前記地熱帯に至るまでの一部又は全部に外側断熱層を有しているので、温度の低い非地熱帯を通過する際に熱が地中に伝導することを防止することができる。これにより、地下深部で加熱された熱水を地上に運ぶ際に、非地熱帯に熱を奪われることを低減でき、熱効率の高い地熱交換器を提供することができる。また、供給する熱交換用液体が地熱帯以外の場所の温度より高い場合に温度が下がることを防止することができる。

また、本発明にかかる地熱交換器において、前記外側断熱層は、少なくとも下降する熱交換用液体の温度と前記地熱帯の温度とが同一となる点に至るまで設けられていることを特徴とするものであってもよい。下降する熱交換用液体の温度が上昇する熱水により加熱され、地熱帯と同じ温度となる地点より下方は、逆に地熱帯から熱を受領することができる。従って、それより下方には外側断熱層はない方が効率が良い。よってそれより上方にのみ外側断熱層を設けることとしたものである。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記液体輸送管の外側に外側断熱管が配置されてなり、前記外側断熱層は、前記液体輸送管と前記外側断熱管との間に形成された空間であ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、前記液体輸送管と前記外側断熱管との間に形成された空間に挿入する部材によって、様々な断熱効果を有する断熱層を設けることができる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記外側断熱層の中には、１．０〜２．０気圧の気体が封入されていることを特徴とするものであってもよい。外側断熱層は、内部を流れる熱交換用液体からの圧力を受け、外側断熱管は周囲の地熱帯から地熱圧を受けることになる。そこで、外側断熱層内を加圧することによって、それぞれの内圧又は外圧に対抗させることができる。これにより、設置する管の厚さを薄くすることができる。この際に封入する前記加圧気体としては、空気又は窒素であることを特徴とするものであってもよい。空気又は窒素を採用することで、内部気体を容易に交換することができるため、温度調節等をおこないやすくなる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記外側断熱層の中には、低圧又は真空に形成されていることを特徴とするものであってもよい。これにより、さらに効果的に液体輸送管から地中への熱伝導を低減することができる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記外側断熱層の中に、断熱材が封入してあることを特徴とするものであってもよい。かかる手段を採用することによって、封入する断熱材を選択することによって、様々な効果を有する断熱層を形成することができる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記外側断熱層は、前記液体輸送管の外周に直接断熱材が設けられてい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、液体輸送管と外側断熱管とで二重構造にすることなく、容易に外側断熱層を形成することができる。外側断熱層の材料として、断熱材を被覆する手段を採用したものである。被覆する手段としては、断熱材を巻き付ける方法、断熱材を吹き付ける方法、塗布する方法等が挙げられる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記液体下降用管と前記液体上昇用管との間に内側断熱層を有することを特徴とするものであってもよい。液体上昇用管の材料にたとえ断熱管を使用したとしても現実に完全なる断熱はありえないので、上昇する熱水からなる熱交換用液体の熱を下降する熱交換用液体によって奪われることを低減するために、これらの間に内側断熱層を設けたものである。これにより、上昇する熱交換用液体の温度が下がることを低減することができる。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記内側断熱層は、液体上昇用管の外側に形成された内側断熱管との間に形成され、前記内側断熱管の中は低圧又は真空に形成されてなることを特徴とするものであってもよい。また、前記内側断熱管の中は、１．０〜２．０気圧の気体が封入されていることを特徴とするものであってもよい。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記液体輸送管の外周には、フランジが設けられていることを特徴とするものであってもよい。液体輸送管の外周にフランジを設けることによって、液体輸送管の振動を抑える支持部として機能させたり、空間で形成される外側断熱層を複数の空間に分割したりすることができる。

また、本発明にかかる地熱発電設備は、上述した地熱交換器を使用し、さらに高圧ポンプと、蒸気発生器と、発電機と、を備えたことを特徴とするものである。かかる構成を採用することによって、前述した効果を同一の効果を有する地熱発電設備を提供することができる。

また、上述した地熱発電設備を使用して
（１）高圧ポンプで高圧の熱交換用液体を地熱交換器に導入する工程
（２）地熱交換器を通過することによって前記熱交換用液体に地熱の熱によって熱せられた熱交換用液体を単相のまま取水する工程
（３）取水した地熱交換器から蒸気発生器によって蒸気を得る工程
（４）蒸気発生器により得た蒸気によってタービンを回転させる工程
によって、効率のよい地熱発電方法を提供することができる。

本発明にかかる地熱帯に埋設される液体輸送管は、地熱帯に埋設される地熱交換器に使用される液体輸送管において、
加圧された熱交換用液体が供給され、前記熱交換用液体を下降させる液体下降用管と、
前記液体下降用管の内側又は外側に配置され、前記下降した熱交換用液体を上昇させるための液体上昇用管と、
前記液体輸送管の外側に外側断熱層を有することを特徴とする。

本発明にかかる液体輸送管は、熱交換用液体を地熱帯によって加熱させた後、取水するまで熱交換用液体が地熱帯に直接接することのない閉鎖系の熱交換器を作製するための液体輸送管であり、少なくとも液体下降用管と液体上昇用管とで、液体下降流域と液体上昇流域を設けることができる。さらに、この液体輸送管の外側には、外側断熱層を有しているので、温度の低い非地熱帯域に配置すれば、熱交換用液体が非地熱帯を通過する際に熱が地中に拡散することを防止することができる。これにより、地下深部で加熱された熱交換用液体を地上に運ぶ際に、非地熱帯に熱を奪われることを低減でき、熱効率のよい地熱交換器を作製することができる。

また、本発明にかかる液体輸送管において、前記外側断熱層は、前記液体輸送管の外側に形成された外側断熱管を備えていることを特徴とするものであってもよい。外側断熱層を形成する際に、外側断熱管を形成した三重管構造とすることによって、内部に断熱材を挿入することができ、効果的な断熱効果を発揮することができる。さらに、密閉性を有するように作製することで、液体の断熱材を使用することができたり、外側断熱管の中を低圧又は真空に形成したりすることによって効果的な断熱効果を奏することができ、液体輸送管から地中への熱伝導を低減することができる。また、外側断熱管の中に１．０〜３．０気圧の加圧気体が封入することもできる。かかる構成を採用することによって、液体輸送管は内部を流れる熱交換用液体からの圧力を受け、外側断熱管は周囲の地熱帯から地熱圧を受けることになる。しかし、外側断熱層内を加圧することによって、それぞれの内圧又は外圧に対抗させることができる。これにより、設置する管の厚さを薄くすることができる。この際に封入する前記加圧気体としては、空気又は窒素等を使用することができる。空気又は窒素を採用することで、内部気体を容易に交換することができるため、温度調節等を行いやすくすることができる。水より比熱の小さい空気又は窒素を採用することで、内部空気を循環させたり、交換させたりする際において、急激に熱交換用液体の温度が変化することを防止でき、単相状態から気液二相状態に変化することを低減することができる。このように、三重管構造とすることで、断熱方法を種々選択することが可能となる。

さらに、本発明にかかる液体輸送管において、前記液体上昇用管と液体下降用管のうち、内側に配置された管の外側には、断熱材が配置されていることを特徴とするものであってもよい。内側に配置された管にも断熱材を配置することによって、下降する熱交換用液体と上昇する熱交換用液体との熱交換が抑えられる。そのため、上昇する熱交換用液体の温度が低下することを防止することができる。

さらに、本発明にかかる液体輸送管において、前記液体上昇用管と液体下降用管のうち、内側に配置された管の外側には内側断熱管が配置されていることを特徴とするものであってもよい。内側に配置された管の外側の断熱を内側断熱管とし、内側断熱管内部を低圧又は真空にしたり、１．０気圧から３．０気圧の気体層を形成したりできるようにしたものである。

さらに、本発明にかかる地熱交換器において、前記液体輸送管の外周には、フランジが設けられてい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、外側断熱層のさらに外側に断熱層を設けることができる。

本発明にかかる液体上昇用管は、地熱帯に埋設される地熱交換器に使用される液体輸送管の一部であって、熱交換用液体を下降させる液体下降用管の内側に配置され、下端部が開口されて前記液体下降用管から移動した前記熱交換用液体を上昇させるための液体上昇用管において、
前記液体上昇用管の下端部には、切欠部が形成されてい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、下降した熱交換用液体が液体上昇用管に移動して上昇する際に、螺旋を描くような流れを導くことができるため、乱流や不規則な渦が発生することを防止することができる。そのため、摩擦損失によって流れを妨げることを防止することができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記切欠部は、前記液体上昇用管の水平面に対して勾配を有する辺を有するように形成されていることを特徴とするものであってもよい。効率よく上昇する熱交換用液体を螺旋状に回転させるためには、下降した液体が液体上昇用管に流れ込む際に、流れこむ位置に差がある必要がある。そこで、勾配を有する辺を切欠部に設けたものである。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記切欠部は、液体上昇用管の水平面に対して垂直な辺を有するように形成されていることを特徴とするものであってもよい。両側に勾配を有すると、互いに逆回転するように流れ込み、回転の力を相殺してしまう可能性がある。そこで、垂直な辺を有するように設けることによって、反対の回転の流れを形成することを極力抑えることとしたものである。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記切欠部は、直角三角形であることを特徴とするものであってもよい。切欠部の形態として直角三角形とすることで、最も効率よく上昇する熱交換用液体を螺旋状に回転させることができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記液体上昇用管の下端部は、切欠部の間を架設するように形成されたリング状部材を有す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で、液体上昇用管の下端部が折れたり、曲がったちする可能性を低減することができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記液体上昇用管の外周には整流板が設けられてい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、熱交換用液体が液体上昇用管の外側を流れる際に、乱流や不規則な渦が発生することを低減して、スムーズな流れとすることができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記整流板は、液体上昇用管の軸方向に対して平行に設けられていることを特徴とするものであってもよい。特に、乱流や不規則な渦が発生しやすい場所に、液体上昇用管の軸に平行な整流板を設けておくことで、熱交換用液体の流れを軸方向へ整流することができ、よりスムーズな流れとすることができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記整流板は、液体上昇用管の軸方向に対して斜めに設けられてい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、下降する熱交換用液体も螺旋状に回転させることができ、乱流や不規則な渦が発生することを防止することができる。そのため、摩擦損失によって流れを妨げることを防止することができる。

さらに、本発明における液体上昇用管において、前記整流板は、液体下降用管を支持するための支持部材として機能す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、液体上昇用管と液体下降用管との相対的な位置を固定することができ、振動の発生を防止することができる。

さらに、本発明は、前記液体上昇用管と、前記液体上昇用管の外側に設けられた前記液体下降用管と、を備え、前記液体下降用管の底面部は、半球状又は半楕円形状であることを特徴とする液体輸送管を提供する。かかる構成を採用することによって、下降してきた熱交換用液体をスムーズに液体上昇用管に移動させることができる。

図１は、第１実施形態にかかる地熱発電設備１１０を示す模式図である。 図２は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００を示す断面図である。 図３は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００の液体下降用管１１を示す側面図である。 図４は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００の液体下降用管１１にフランジを設けるフランジ部材を示す斜視図である。 図５は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００の液体上昇用管１２を示す側面図である。 図６は、第１実施形態にかかる液体輸送管１０の一部断面図であり、図６Ｂは、一部透過斜視図である。 図７は、第１実施形態にかかる液体上昇用管１２の別実施形態を示す斜視図である。 図８は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００をバイナリー発電に応用した例を示す模式図である。 図９は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００の別実施形態を示す断面図である。 図１０は、第２実施形態にかかる地熱交換器１００の断面図である。 図１１は、第２実施形態にかかる地熱交換器１００の別実施形態を示す断面図である。 図１２は、第３実施形態にかかる地熱交換器１００の断面図である。

本発明にかかる地熱交換器１００、液体輸送管１０、液体上昇用管１２、地熱発電設備１１０及び地熱発電方法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。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかる地熱発電設備１１０及び地熱交換器１００について、図１及び図２に沿って詳細に説明する。図１は、第１実施形態にかかる地熱発電設備１１０を示す模式図であり、図２は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００を示す断面図である。

第１実施形態にかかる地熱発電設備１１０は、主として、地熱交換器１００、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等を備えている。本実施形態にかかる地熱発電設備１１０は、地熱交換器１００を地熱帯８０に設けられた坑井８５に埋設した地熱交換器１００に、熱交換用液体を高圧ポンプ１０１によって導入し、地熱交換器１００内を流れる間に地熱の熱が熱交換用液体に伝熱されて高温となった熱交換用液体から熱を取り出して発電させる設備である。すなわち、地熱交換器１００に高圧の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。発生した蒸気は必要であれば加熱器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、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。このように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て地熱を取り出す閉鎖循環型の地熱発電設備である。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追加で設けても構わない。

第１実施形態にかかる地熱交換器１００は、図２に示すように、主として、地熱帯でない場所は、液体下降用管１１と液体上昇用管１２を有する液体輸送管１０と、この液体輸送管１０の外側に設けられた外側断熱層３０を構成する外側断熱管４０とからなる三重管構造をなしており、地熱帯８０においては、液体下降用管１１と液体上昇用管１２を有する液体輸送管１０のみの二重管構造をなしている。さらに、地熱交換器１００には、種々のデータを測定するためのセンサー１７を取り付ける等、他の手段を設けることは除外するものではない。

液体輸送管１０は、内側に配置された液体上昇用管１２と、外側に配置される液体下降用管１１によって二重管構造となっている。液体上昇用管１２と液体下降用管１１との間にできる空間が熱交換用液体を地上から地熱帯８０まで運ぶための液体下降流域９０をなし、液体上昇用管１２の内側の空間が熱せられた熱交換用液体を地上に戻すための液体上昇流域９１をなす。液体下降用管１１は下端部が閉塞されており、液体上昇用管１２は下降端が開放されて形成されている。液体輸送管１０は、最下端部において、液体下降流域９０と液体上昇流域９１とが連通しており、熱交換用液体が液体下降流域９０を加熱されながら下降し、最下端部で液体上昇用管１２内に導入されて、液体上昇流域９１を上昇して地上に運ばれる。

液体下降用管１１は、複数のパイプを接続して作製されている。使用するパイプとしては、油井管等の金属管の他、セラミック系複合材料や炭素系材料等のパイプを使用することもできる。上方の地熱帯８０でない場所に配置される上方の液体下降用管１１ａと地熱帯８０に配置される下方の液体下降用管１１ｂとは異なる材料を使用してもよい。また、下方の液体下降用管１１ｂは、地熱帯から熱を受領する管であるので、熱伝導面積を大きくするためにパイプの表面に凹凸を設けたり、銅等の金属をメッキ又は溶射したりしてもよい。

液体下降用管１１の最下端に配置される下端液体下降用管１１ｃは、図３ｃに示すように、下端部が閉鎖して形成される。好ましくは、熱交換用液体がスムーズに液体上昇用管１２に流れこむように、下端面が半球体又は半楕円球体のように形成するとよい。

また、上方の液体下降用管１１ａの下端部であって、三重管構造と二重管構造の境目では、図２に示すように、フランジ７３が設けられていて外側断熱管４０と液体下降用管１１ａとで形成される外側断熱層３０を密閉している。これにより、外側断熱層３０に地熱帯８０又は地熱帯８０以外の場所から水、その他の物質が外側断熱層３０に入り込むことを防止することができる。フランジ７３を設ける方法としては、図４Ａに示すように、フランジ７３を設けたい場所の液体下降用管１１の接続場所に、上方の液体下降用管１１ａと下方の液体下降用管１１ｂとの間に、それぞれと螺合可能であってフランジ７３が形成されたフランジ部材７０を間に挟むことによって設けることができる。また、図４Ｂに示すように、液体下降用管１１の接続部でない場所に設ける場合には、液体下降用管１１の外周に嵌合可能な円筒形の嵌合部７１にフランジ７３を設けたフランジ部材７０を用いることによって設けることができる。勿論、単純に液体下降用管１１にフランジ７３を溶接したものであってもよい。なお、フランジ７３は、図２に示すように、フランジの大きさを調整することによって、上方の液体下降用管１１ａ及び下方の液体下降用管１１ｂの途中に設けることもできる。上方の液体下降用管１１ａの途中にフランジ７３を設けることで、外側断熱層３０を複数に分割することができて、外側断熱層３０を構成する管が一部故障したとしても、残りの外側断熱層を保持することができる。また、上方及び下方の液体下降用管１１のいずれにおいても、フランジ７３を設けることで、このフランジが液体輸送管１０の位置決め機能を有し、水の流れによる振動等を抑えることができる。

液体上昇用管１２は、液体下降用管１１の内部に配置されるパイプ状の部材であり、液体上昇用管１２と同様に複数のパイプを接続して形成される。金属製のパイプでもよいが、地熱帯８０で受領した熱を外部に奪われないように断熱性の高い樹脂管プを用いるとよい。例えば、ポリイミド管、テフロン（登録商標）管、ケブラー（登録商標）管又はフッ素樹脂管等が挙げられる。

液体上昇用管１２の断面積（液体上昇流域９１の断面積）は、液体下降流域９０の断面積（液体下降用管１１の断面積から液体上昇用管１２の断面積を引いた断面積）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して液体上昇流域９１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。

液体上昇用管１２は、下方端部が開口している。先端の開口部は、単に円形の断面となるように作製してもよいが、好ましくは、図５に示すように、液体上昇用管１２の最下端を形成する下端液体上昇用管１２ａの開口部は、切欠部１２ｂを有するように形成するとよい。切欠部１２ｂを設けることによって、液体上昇用管１２を液体下降用管１１の底面に直接設置するように配置することができるので、上方で液体上昇管１２を吊り下げておく必要がなくなる。切欠部１２ｂの形態は特に限定するものではないが、切欠部１２ｂは、上下で下降してきた熱交換用液体が内側の液体上昇用管１２内に流れていく際に流れ込むスピードが変わるようにすることによって、図６に示すように、液体上昇用管１２内で上方に螺旋を描くように流れさせることができる。かかる構成を採用することで、液体上昇用管１２内で乱流や無秩序な渦が発生して摩擦損失による熱交換用液体の流れが妨げられることを低減させることができる。具体的には、図６Ａにおいて、切欠部１２ｂのうち最も高い位置にある部分αからは高い圧力で液体上昇用管１２の内部に流れ込もうとし、最も低い部分βは、低い圧力で流れこむ。そのため、この圧力差によって、流れこむ熱交換用液体は、螺旋状に流れていくことになる。切欠部１２ｂは、左右非対称の形態であればどのような形態であっても構わないが、より強い渦を発生させるためには、水平面に対して勾配を有する辺１２ｃを有する切欠部１２ｂが好適である。一方で、両側の辺（１２ｃ、１２ｄ）が勾配を有すると反対方向に回転する螺旋を描くような流れを作製してしまうことになるため、一方の辺は垂直な辺（１２ｄ）とすることが好ましい。よって、図６Ａに示すように、直角三角形の切欠部１２ｂとするとよい。勿論、筒状の管であるので、厳密な意味では三角形ではなく、視認した際に三角形に見えるように切欠部１２ｂが作製されているものも含む。なお、勾配を有する辺１２ｃは、直線にかぎらず、曲線であってもよい。さらに、液体上昇管１２の先端の強度を保持するために、図７に示すように、切欠部１２ｂを構成する先端片１２ｄ同士を連結するように架設部材１２ｆを設けても良い。ｓ１２ｆは、先端片１２ｄとでリング状となるように設けるとよい。かかる架設部材１２ｆを設けることによって、先端片１２ｄが折れたり、曲がったりする可能性を低減することができる。また、液体上昇用管１２の先端の切欠部１２ｂは、図５に示すように、螺合により取り外しが可能なアタッチメント式にして交換可能に設けても良い。

上述したように、切欠部１２ｂを設けた先端を有する液体上昇用管１２は、周囲に切欠部１２ｂが設けられているので、底面に接するように配置しても問題なく熱交換用液体を液体下降流域から液体上昇流域に移動させることができるため、液体下降用管１１内の底面に接するように配置することができる。

さらに、液体上昇用管１２の外周には、整流のための整流板１３を設けてもよい。整流板１３は液体上昇用管１２の軸に対して平行に、すなわち鉛直方向に設ければ、熱交換用液体を真っ直ぐ下降するように整流することができる。一方、図５及び図６に示すように、液体上昇用管１２の軸に対して斜め方向に整流板１３を設けることによって、下降する熱交換用液体を螺旋状に回転しつつ下降させることができる。この整流板１３は、平面で作製もよいし、曲面で作製してもよい。整流板１３の幅を液体上昇用管１２と液体下降用管１１との隙間の幅と同様の幅に形成することによって、これら液体上昇用管１２と液体下降用管１１の互いの位置関係を支持するための支持部材１５（図２参照）として機能させることもできる。

外側断熱管４０は、液体輸送管１０の外側に空間を設けて空気による外側断熱層３０を形成する管であり、第１実施形態においては、ケーシングを兼ねた外側断熱管４０となっている。外側断熱管４０は、特に限定するものではなく、通常の油井管等を使用してもよい。なお、外側断熱層３０は、下降する熱交換用液体の熱が地中に移動することを防止するためであるので、下降する熱交換用液体の温度と地中の温度とが同じ温度になるところまで設ければ十分である。それより下方においては、地熱によって熱を受領することになるため、外側断熱層３０は設けない方が、効率が良い。

熱交換用液体は、大気圧において、沸点が１５０℃以下、例えば、水、アンモニアが溶解した水等の低沸点液体が好ましい。

以上説明した地熱交換器１００の埋設方法につき、図２の実施形態を例に説明する。なお、以下に説明する大きさや長さの記載は、あくまで一つの例であり、これらの大きさや長さに限定するものではない。まず、地熱井を予定している場所を掘削して坑井８５を設ける。坑井８５は地下の地熱帯８０に設けられる坑井８５ａの直径より、地熱帯以外の場所に設けられる坑井８５ｂの直径が細くなるように掘削する。例えば、地下５００ｍまでの地熱帯以外の場所には、直径３５ｃｍの坑井８５ｂが形成され、地下５００ｍ〜１５００ｍまでの地熱帯８０には直径２８ｃｍの坑井８５ａが形成される。この際に、まず、はじめに地下５００ｍまで掘削し、坑井８５ａには外側断熱管４０として油井管が配置される。外側断熱管４０と坑井８５ｂとの間には、流動化土、セメント又は発泡ウレタン等が流し込まれた外層８８が設けられ、外側断熱管４０を固定するとともに、さらなる断熱層として機能する。そして、さらに、地下１５００ｍまでの坑井８５ｂの掘削が完了した後、坑井８５ｂの底部に液体輸送管１０を載置する支持台９５を設置する。そして、下端液体下降用管１１ｃに切欠部１２ｂが形成された液体上昇用管１２の先端を配置した後、それぞれ液体下降用管１１と液体上昇用管１２を連結しながら、液体輸送管１０の長さを延長しつつ、坑井８５内に落としこんでいく、そして、１５００ｍの長さまで達成した時点で、液体下降用管１１にフランジ部材７０を取り付けておく。これにより、外側断熱層３０に地熱帯８０又は非地熱帯から水その他の物質が外側断熱層３０に入り込むことを防止することができる。さらに、液体下降用管１１及び液体上昇用管１２を延長して、地上まで連結した液体輸送管１０とし、地熱交換器１００が完成する。なお、適宜、フランジ部材７０を設けて、下方の液体下降用管１１ｂと坑井８５ａとの間、又は上方の液体下降用管１１ａと坑井８５ｂとの間にフランジ７３を設けても良い。

こうして作製された地熱交換器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、地熱帯以外の場所においては液体上昇流域９１を上昇してくる加熱された熱交換用液体の熱によって加熱されながら下降していく。この時点においては液体輸送管１０の外側に外側断熱層３０が設置してあるので、下降する熱交換用液体の熱が地中に伝導していくのを低減することができ、熱損失を抑えることができる。熱交換用液体がさらに下降していくに従って地熱帯８０に近づいていき、熱交換用液体の温度と地熱帯８０の温度が同様の温度になる。この地点近傍で外側断熱層３０がなくなるので、その後は地熱帯８０の熱によって加熱されながら下降する。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、上昇に転じる。この際に、熱交換用液体は、大気圧下における沸点以上の温度に上昇させられる。好ましくは、２５０℃以上である。そして、熱交換用液体は、上述したように液体上昇用管１２を介して一部の熱を下降する熱交換用液体に伝導させながら上昇していくことになる。なお、この際に、加える圧力を調整することによって、熱交換用液体は、少なくとも最下部から液体上昇用管１２を介して取水されるまでの間、高温状態かつ高圧状態を維持し、蒸気を含まない単相の状態で上端から取水することも可能である。

こうして熱せられた熱交換用液体は、上述したように、取水され蒸気発生器１０２で減圧され、高温・高圧の水蒸気が生成され、発電に利用される。

なお、本発明にかかる地熱交換器１００によって、単相の高温・高圧の熱交換用液体で取り出した場合には、蒸気発生器１０２の設定によって単相の熱交換用液体から効率よく単相の水蒸気を得ることができる。そのため、大容量で熱効率に優れた熱交換を行なうことが可能となる。なお、単相の水蒸気として取り出すことでタービン１０４に導入される前の段階で気水分離器を設置しなくても効率よくタービン１０４を可動させることができる。勿論、より効率アップのため気水分離器を設けても構わない。液相の単相流の熱伝達率は、気液二相流の流体の熱伝達率と比較して小さいので、地熱帯８０で得られた熱を地上に運ぶ際に熱効率の向上を図ることができる。

また、地熱交換器１００内において、気液二相流として流動させる場合においては、非常に複雑な流動特性、伝熱特性を有し、地下深部において地下圧が加わった場合の気液二相流の挙動は複雑かつ不安定なものとなるが、単相流とすればより安定したものとすることができる。特に非常に長い流路を有し、かつ二重管又は三重管に構成される本実施形態にかかる地熱交換器１００においては、気液二相流の蒸気による振動が問題になるおそれがあるが、こうした問題を低減することができ、しいては地熱交換器１００の損傷を低減させることができる。

本実施形態における地熱交換器１００によれば、例えば、地熱帯の温度が２５０℃の深さ８００ｍの地熱井において、液体下降用管１１の内径が２５０ｍｍ、液体上昇用管１２の内径２００ｍｍの二重管を使用し、外側断熱管３００ｍｍで内部に空気を封入した断熱層を形成した地熱交換器１００を使用した場合に、圧力１．２ＭＰａ、液量３５．２０ｍ^２／ｈ、熱交換用液体として１４５℃の水を使用した場合、圧力０．７９ＭＰａ、液量３５．２０ｍ^２／ｈ、１８５℃の水を受領でき、約８０ＫＷの発電容量を有する発電機を可動できる計算である。

また、上述した実施形態においては、単相の高温・高圧の熱交換用液体を直接蒸気として取り出す方法を例として説明したが、各実施形態にかかる地熱交換器は、バイナリー方式の地熱発電設備としてもよい。バイナリー方式とは、熱交換用液体より沸点の低い低沸点媒体を加熱・蒸発させてその蒸気でタービンを回す方式であり、熱交換用液体の系統と、低沸点媒体の系統との２つの熱サイクルを有するものである。具体的には、図８に示すように、熱交換用液体が循環する熱交換用液体用循環サイクル１０７と、低沸点媒体用循環サイクル１０８とを有する。熱交換用液体用循環サイクル１０７は、主として、地熱交換器１００と、低沸点媒体を加熱するための蒸発器１０８内との間を高圧ポンプ１０１によって循環する。低沸点媒体循環サイクル１０８は、蒸発器１０８によって加熱されて蒸気を発生させ、得られた蒸気でタービン１０４を回し、発電器１０５は発電する。発電に使用した低沸点液体は、復水器１０９で冷却され、再度、循環ポンプ１１１で蒸発器に送られる。

こうしたバイナリー方式においても、本実施形態は、熱交換用液体及び低沸点媒体のいずれにも地中水が含まれることがないため、スケール等の不純物が含まれることがない。そのため、装置全体のメンテナンスの軽減を図ることができ、設備の寿命を延ばすことができる。

また、バイナリー発電においても上述した直接蒸気を得る場合と同様に、気液二相流で流動させる場合と比較して、挙動が安定する効果や、熱効率の向上といった効果を得ることができる。

なお、上述した第１実施形態においては、外側断熱層３０は、管により空間を形成して空気層による断熱層としたが、内部に挿入する気体は、空気以外、例えば窒素等であってもよい。また、液体輸送管１０と外側断熱管４０との間の空間を低圧又は真空にする方法や、液体輸送管１０と外側断熱管４０との間に加圧された窒素、空気等の断熱用気体を封入する方法、さらに、液体又は固体の断熱材を投入する方法等を採用してもよい。特に、加圧された断熱用気体を封入する手段を採用した場合、外側断熱管４０には地熱帯８０からの地熱圧が働き、一方で内側の液体下降用管１１にはポンプによる加圧された熱交換用液体からの圧力がかかるが、加圧された断熱用気体によってこれらの圧力に対抗する力を与えることができる。そのため、加圧されていない気体を挿入した場合と比較して、外側断熱管４０又は液体下降用管１１の管厚を薄くすることができる。好ましくは、１．０気圧より大きく３．０気圧以下、より好ましくは１．２気圧から２．０気圧の加圧された断熱用気体を挿入するとよい。

また、第１実施形態においては、外側断熱管４０を設け、液体下降用管１１と二重管構造にして断熱層を設けるものとしたが、図９に示すように、管を埋設する前に外側に断熱材を設けてもよい。外側に断熱材を設ける方法としては、例えば、以下の例が挙げられる。例えば、シート状の断熱材を巻回したり、貼り付けたりする方法又は断熱材を吹き付けたり、塗布したりする方法等のように断熱材を液体輸送管１０に直接被覆する方法を採用してもよい。断熱材を液体輸送管１０に被覆する方法のうち断熱材を巻回する方法としては、耐熱型のポリイミドシート、ガラスファイバーやセラミックファイバー等でできたシート、グンゼエコカバー（グンゼエンジニアリング社製）等のシート状の断熱材を巻き付ける方法が挙げられる。断熱材を吹き付けたり、塗布したりする方法としては、例えば、モルタル等を塗布したり、アルミナファイバー又はセラミックファイバーをアルミナ及びアルミナセメント等で結合させた耐熱材等を吹き付けたりする方法が挙げられる。勿論、これらに限定するものではない。

（第２実施形態）
第２実施形態にかかる地熱交換器１００が図１０及び図１１に示されている。図１０及び図１１は、第２実施形態にかかる地熱交換器１００の断面図である。

第２実施形態にかかる地熱交換器１００は、第１実施形態に対して、液体下降流域９０と液体上昇流域９１との間に内側断熱層６０を有している点が異なる。その他の点は第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。

内側断熱層６０は、液体上昇用管１２の外側に形成された断熱層である。断熱層を作製する方法としては、図１０に示すように、シート状の断熱材を巻回したりする方法が挙げられる。使用する断熱用のシートは外側断熱層３０と同様のものが使用可能であるが、流れる熱交換用液体に対する耐性が必要である。また、図１１に示すように、液体上昇用管１２の外側に内側断熱管１６が設けて、全体として４重管構造の液体輸送管１０としてもよい。この液体上昇用管１２と内側断熱管１６との間の内側断熱層６０は、液体下降流域９０と液体上昇流域９１とは異なる閉鎖系で形成される。この内側断熱層６０内には前述した断熱材を挿入してもよいし、真空又は低圧に形成してもよい。また、空気、窒素等の断熱用気体を加圧して、又は加圧しないで封入してもよい。内側断熱管１６は、下降する熱交換用液体の圧力が加わり、液体上昇用管１２は上昇する熱交換用液体の圧力が加わるため、加圧された断熱用気体を封入することで、これらの圧力に対抗する力を与えることができる。そのため、加圧されていない気体を挿入した場合と比較して、外側断熱管４０又は液体下降用管１１の管厚を薄くすることができる。好ましくは、地表面において１．０気圧から３．０気圧、より好ましくは、１．２気圧から２．０気圧の加圧された断熱用気体を挿入するとよい。

内側断熱層６０を設けることによって、上昇する熱交換用液体の熱が下降する熱交換用液体に伝導することをかなり低く抑えることができる。しかしながら、現実に完全なる断熱というのはありえないため、いくらかの熱量が下降する熱交換用液体に移動することになる。しかし、液体輸送管１０の外側に外側断熱層３０が設置してあるので、下降する熱交換用液体の熱が非地熱帯に伝導していくのを低減することができ、熱損失を抑えることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態にかかる地熱交換器１００が図１２に示されている。図１２は、第３実施形態にかかる地熱交換器１００の断面図である。第３実施形態にかかる地熱交換器１００は、第１実施形態にかかる地熱交換器１００に対し、液体下降用管１１と液体上昇用管１２の配置が逆に配置された二重管構造となっている。すなわち、液体上昇用管１２が外側に、液体下降用管１１が内側に配置されている。液体輸送管１０は、最下端部において液体下降用管１１と液体上昇用管１２が連通しており、外側の液体下降用管１１と液体上昇用管１２の間に形成される液体下降流域９０を通って加圧された熱交換用液体が下降し、下降中に地熱帯８０で熱せられた熱交換用液体が最下端で液体上昇用管１２内の液体上昇流域９１に流れて上昇し、地上に運ばれる。それ以外の構成は第１実施形態と同様である。

第３実施形態においては、加熱された熱交換用液体が外側を上昇していくので、より非地熱帯における地熱の影響を受けやすいため、本実施形態にかかる外側断熱層３０はより効果的に作用しうる。

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。

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…液体輸送管、１１，１１ａ，１１ｂ…液体下降用管、
１１ｃ…下端液体下降用管、１２…液体上昇用管、
１２ａ…下端液体上昇用管、１２ｂ…切欠部、１２ｃ…辺、
１３…整流板、１５…支持部材、１６…内側断熱管、１７…センサー、
３０…外側断熱層、４０…外側断熱管、６０…内側断熱層、
７０…フランジ部材、７１…嵌合部、７３…フランジ、８０…地熱帯、
８５，８５ａ，８５ｂ…坑井、８８…外層、
９０…液体下降流域、９１…液体上昇流域、９５…支持台、
１００…地熱交換器、１０１…高圧ポンプ、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 (32)

1. 地熱帯に埋設される地熱交換器において、
   加圧された熱交換用液体が供給され、前記熱交換用液体を下降させる液体下降用管と、前記液体下降用管の内側又は外側に配置され、前記地熱帯まで下降して前記地熱帯の熱によって熱せられた熱交換用液体を上昇させる液体上昇用管と、を備えた液体輸送管と、
   前記液体輸送管の外側であって、少なくとも地表側から前記地熱帯に至るまでの間の一部又は全部に外側断熱層を有することを特徴とする地熱交換器。
2. 前記外側断熱層は、少なくとも下降する熱交換用液体の温度と前記地熱帯の温度とが同一となる点に至るまで設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地熱交換器。
3. 前記液体輸送管の外側に外側断熱管が配置されてなり、前記外側断熱層は、前記液体輸送管と前記外側断熱管との間に形成された空間であることを特徴とする請求項１又は２に記載の地熱交換器。
4. 前記外側断熱層の中には、１．０〜２．０気圧の気体が封入されていることを特徴とする請求項３に記載の地熱交換器。
5. 前記外側断熱層の中は、低圧又は真空に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の地熱交換器。
6. 前記外側断熱層の中に、断熱材が封入してあることを特徴とする請求項３に記載の地熱交換器。
7. 前記外側断熱層は、前記液体輸送管の外周に直接断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の地熱交換器。
8. 前記液体下降用管と前記液体上昇用管との間に内側断熱層を有することを特徴とする請求項１に記載の地熱交換器。
9. 前記内側断熱層は、液体上昇用管の外側に形成された内側断熱管との間に形成され、前記内側断熱管の中は低圧又は真空に形成されてなることを特徴とする請求項８に記載の地熱交換器。
10. 前記内側断熱管の中は、１．０〜２．０気圧の気体が封入されていることを特徴とする請求項９に記載の地熱交換器。
11. 前記液体輸送管の外周には、フランジが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の地熱交換器。
12. 請求項１に記載の地熱交換器と、
    高圧ポンプと、蒸気発生器と、発電機と、を備えたことを特徴とする地熱発電設備。
13. 請求項１２に記載の地熱発電設備を使用した地熱発電方法において、以下の工程からなることを特徴とする地熱発電方法。
    （１）高圧ポンプで高圧の熱交換用液体を地熱交換器に導入する工程
    （２）地熱交換器を通過することによって前記熱交換用液体に地熱の熱によって熱せられた熱交換用液体を単相のまま取水する工程
    （３）取水した地熱交換器から蒸気発生器によって蒸気を得る工程
    （４）蒸気発生器により得た蒸気によってタービンを回転させる工程
14. 地熱帯に埋設される地熱交換器に使用される液体輸送管において、
    加圧された熱交換用液体が供給され、前記熱交換用液体を下降させる液体下降用管と、
    前記液体下降用管の内側又は外側に配置され、前記下降した熱交換用液体を上昇させるための液体上昇用管と、
    前記液体下降用管又は液体上昇用管の外側に形成された外側断熱層と、
    を有することを特徴とする液体輸送管。
15. 前記外側断熱層は、外側に形成された外側断熱管によって形成された空間であることを特徴とする請求項１４に記載の液体輸送管。
16. 前記外側断熱管は、内部を低圧又は真空にしたり、１．０気圧から３．０気圧の気体層を封入したりすることが可能な密封性を有することを特徴とする請求項１５に記載の液体輸送管。
17. 前記外側断熱層は、前記外側断熱管によって形成された空間に、断熱材が封入してあることを特徴とする請求項１５に記載の液体輸送管。
18. 前記外側断熱層は、断熱材であることを特徴とする請求項１４に記載の液体輸送管。
19. 前記液体上昇用管と前記液体下降用管のうち、内側に配置された管の外側には、断熱材が配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の液体輸送管。
20. 前記液体上昇用管と前記液体下降用管のうち、内側に配置された管の外側には内側断熱管が配置されていることを特徴とする請求項１９に記載の液体輸送管。
21. 前記内側断熱管の内部を低圧又は真空にしたり、１．０気圧から３．０気圧の気体層を形成したりできるように密封性を有することを特徴とする請求項１９に記載の液体輸送管。
22. 前記液体下降用管又は液体上昇用管の外周には、フランジが設けられていることを特徴とする請求項１４に記載の液体輸送管。
23. 地熱帯に埋設される地熱交換器に使用される液体輸送管の一部であって、熱交換用液体を下降させる液体下降用管の内側に配置され、下端部が開口されて前記液体下降用管から移動した前記熱交換用液体を上昇させるための液体上昇用管において、
    前記液体上昇用管の下端部には、切欠部が形成されていることを特徴とする液体上昇用管。
24. 前記切欠部は、前記液体上昇用管の水平面に対して勾配がある辺を有するように形成されていることを特徴とする請求項２３記載の液体上昇用管。
25. 前記切欠部は、前記液体上昇用管の水平面に対して垂直な辺を有するように形成されていることを特徴とする請求項２３又は２４に記載の液体上昇用管。
26. 前記切欠部は、直角三角形であることを特徴とする請求項２３に記載の液体上昇用管。
27. 前記液体上昇用管の下端部は、切欠部の間を架設するように形成されたリング状部材を有することを特徴とする請求項２３から２６のいずれか１項に記載の液体上昇用管。
28. 前記液体上昇用管の外周には整流板が設けられていることを特徴とする請求項２３に記載の液体上昇用管。
29. 前記整流板は、液体上昇用管の軸方向に対して平行に設けられていることを特徴とする請求項２８に記載の液体上昇用管。
30. 前記整流板は、液体上昇用管の軸方向に対して斜めに設けられていることを特徴とする請求項２８に記載の液体上昇用管。
31. 前記整流板は、液体下降用管を支持するための支持部材として機能することを特徴とする請求項２８記載の液体上昇用管。
32. 請求項２３から請求項３１のいずれか１項に記載の液体上昇管と、
    前記液体上昇用管の外側に設けられた前記液体下降用管と、を備え、
    前記液体下降用管の底面部は、半球状又は半楕円球形状であることを特徴とする液体輸送管。
    
    

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