(57)【要約】【目的】一定の限られた地上の領域（敷地）から極めて効率的かつ集中的に地熱を回収することができる高密度型地熱回収装置、特に地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置を提供する。【構成】地下において地熱が伝導される外管と内管を含み、流体が地中の前記外管及び／又は前記内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通するように構成されている地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されて成る高密度型地熱回収装置であって、前記複数の各地熱回収管は互いに水平方向に１〜３０ｍの間隔を介して地中に埋設されている高密度型地熱回収装置、特に地盤を強化する機能を有する外管を含む地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置である。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内に配置された内管であって上端部及び底部又はそれらの近傍部分に開口が形成されている内管又は各上端部又はその近傍部分が開口された略Ｕ字状の内管とを含み、流体が地中の前記の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通されるように構成されている地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されて成る高密度型地熱回収装置であって、前記複数の各地熱回収管は、互いに水平方向に１〜３０ｍの間隔を介して地中に埋設されている、高密度型地熱回収装置。
【請求項２】
地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内に配置された内管であって上端部及び底部又はそれらの近傍部分に開口が形成されている内管又は各上端部又はその近傍部分が開口された略Ｕ字状の内管とを含み、流体が地中の前記の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通されるように構成されている地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されて成る高密度型地熱回収装置であって、前記敷地内には、前記外管を含む地熱回収管が、３本以上、互いに水平方向に１〜３０ｍの間隔を介して地中に埋設されており、前記３本以上の各地熱回収管は、それぞれが地盤を強化する機能を有する外管を含んでいる、地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置。
【請求項３】
前記外管は、その外周面に多数の突部、凹部又は凹凸が形成されており、これにより、前記外管の外周面の周囲の地盤との摩擦抵抗が高められ、地盤強化機能がより高められている請求項２に記載の地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置。
【請求項４】
前記外管によりそれぞれ構成される各地熱回収管は、前記敷地に配置された１つ又は複数の発電設備であってそれぞれが蒸発器及びタービンなどを含む１つ又は複数の発電設備との間で、前記複数の地熱回収管内で地熱と熱交換された流体が循環的に流通可能に、前記各発電設備と流体移送用の配管で接続されている、請求項１から３までのいずれかに記載の高密度型地熱回収装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地熱発電システムなどに使用可能で且つ地滑り防止機能等をも有する、高密度型の地熱回収装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、地熱貯留層まで掘削した生産井から地熱による蒸気や熱水を採取して地上での発電に利用する地熱発電システムが実用化されている。図４はこのような従来の地熱発電システムの一例を示す図である。図４に示す従来例では、生産井１から取り出した熱水と地熱蒸気をセパレータ３により分離し、分離した蒸気によりタービン４を駆動して発電機５により発電を行い、発電に使用された後の蒸気は、復水器６において冷却水で冷却されて復水され、セパレータ３からの熱水と共に還元井２から地中に還元される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７０６７９号公報
【特許文献２】特許第４４８５４６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の図４に示すような従来の地熱発電システムにおいては、地熱貯留層からの熱水又は蒸気を生産井１のストレーナ（多数のスリット又は穴を有する部分）を通して生産井１の内部に直接取り入れ、これを地上に汲み上げて発電に使用する（一部は還元井２で地中に戻す）ようにしていたので、近くの温泉を枯渇させるなど地熱貯留層周辺の地下水系に悪影響を与えてしまう、地熱発電の過程で地熱貯留層からの熱水又は蒸気中の硫黄等の成分が地熱発電に使用する装置にスケールとして固着・堆積し配管等が劣化したりスケールを取り除くために多額のメンテナンス費用が発生してしまうなどの問題があった。
【０００５】
ところで、このような問題点を解決するために、図５に示すような、外部の温泉等に影響を与えない、循環型地熱回収装置を備えた循環型地熱発電システムが提案されている（特願２０１４−２３９２３６）。図５において、１１は地中の約３００〜６００ｍ深さ、例えば約５００ｍ深さの地熱貯留層１３まで埋設された例えばステンレス鋼製（良熱伝導性材料ならば他の素材でもよい）の外管（この外管１１は、地中に埋設された温泉井用管であって過去には温泉井用に使用されていたが現在は温泉井用として使用されていない温泉井用管の内部に配置されるものでもよい）、１２は前記外管１１内に配置される例えばステンレス鋼製の内管であってその底部１２ａ又はその近傍部分が開放されている内管である。図５において、前記外管１１は、内径が例えば８０ｍｍに形成され側方及び下方部分は全て閉塞されている。前記内管１２は、内径が例えば５０ｍｍに形成され上端側開口部１２ｂと底部（下端部）１２ａ又はその近傍部分が共に開口部となっている。前記内管１２の底部１２ａは、前記外管１１の底部１１ａ（又はその上面１１ａａ）の近傍の位置（例えば約１００ｍだけ上方の位置）に配置されている。
【０００６】
図５の地熱発電システムでは、流体、例えば工業用水（熱媒体でもよい）が、前記外管１１と内管１２との間の隙間１５内を下降させられ、前記内管１２の底部１２ａと前記外管１１の底部１１ａとの間の例えば約１００ｍの長さを有する底部近傍領域１４に送られて前記底部近傍領域１４の中を流動している間に、外部の地熱貯留層１３中の地熱と熱交換されて高温の熱水となった後、前記内管１２内を地上方向へ上昇する。
【０００７】
また図５のシステムにおいて、１６は、前記内管１２中を下降した後に前記外管１１内の底部近傍領域１４において地熱と熱交換されて前記内管１２内を地上まで上昇した熱水が前記内管１２の上端側開口部１２ｂを介して供給される蒸発器であって前記熱水を加熱（及び減圧）して蒸気を発生させる蒸発器、１７は前記蒸発器１６からの蒸気により駆動される発電用タービン、１７ａは前記タービン１７により駆動される発電機、１８は前記タービン１７の駆動に使用された蒸気を水に戻す復水器、１９ａは前記復水器１８からの水及び前記蒸発器１６において蒸気と分離された熱水をいったん貯留する貯水槽、１９は前記貯水槽１９ａからの熱水を外管１１と内管１２との間の隙間１５の上方の開口部１１ｂから前記隙間１５内に加圧注入する循環ポンプである。また図５の地熱発電システムにおいて、２０は、前記内管１２、前記外管１１内の底部近傍領域１４、前記内管１２と外管１１の隙間１５、前記蒸発器１６、前記タービン１７、前記復水器１８、及び前記貯水槽１９ａを繋ぐ閉流路であって、前記循環ポンプ１９により前記熱水が循環される閉流路又はこれを構成するパイプである。
【０００８】
ところで、前述のような循環型地熱発電システム（図５）においては、地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気そのものを地上に汲み上げることがないので近くの温泉を枯渇させるなど地熱貯留層１３周辺の地下水系に悪影響を与えることを避けることができる、地熱発電の過程で地熱貯留層１３中の熱水又は蒸気中に含まれている硫黄等の成分が装置にスケールとして固着・堆積してしまうことによる配管等の劣化やスケールを除去するためのランニングコストの増大化を防ぐことができるなどのメリットが存在する。しかし、このような循環型地熱発電システム（図５）に関しても、一定の限られた地上の領域（敷地）において地熱を効率的に回収して発電等の用途に利用できるようにすることが強く要請されていた。
【０００９】
本発明はこのような課題に着目して為されたものであって、一定の限られた地上の領域（敷地）において地中から地熱を効率的かつ集中的に回収することができる高密度型地熱回収装置、特に地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
以上のような課題を解決するための本発明による高密度型地熱回収装置は、地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内に配置された内管であって上端部及び底部又はそれらの近傍部分に開口が形成されている内管又は各上端部又はその近傍部分が開口された略Ｕ字状の内管とを含み、流体が地中の前記の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通されるように構成されている地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されて成る高密度型地熱回収装置であって、前記複数の各地熱回収管は、互いに水平方向に１〜３０ｍの間隔を介して地中に埋設されているものである。
【００１１】
また、本発明による地滑り防止機能等をも有する高密度型地熱回収装置は、地下において地熱が伝導される外管であって少なくとも底部を含む下方部分が閉塞されている外管と、前記外管内に配置された内管であって上端部及び底部又はそれらの近傍部分に開口が形成されている内管又は各上端部又はその近傍部分が開口された略Ｕ字状の内管とを含み、流体が地中の前記の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通されるように構成されている地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されて成る高密度型地熱回収装置であって、前記敷地内には、前記外管を含む地熱回収管が、３本以上、互いに水平方向に１〜３０ｍの間隔を介して地中に埋設されており、前記３本以上の各地熱回収管は、それぞれが地盤を強化する機能を有する外管を含んでいるものである。
【００１２】
また、本発明において、前記外管は、その外周面に多数の突部、凹部又は凹凸が形成されており、これにより、前記外管の外周面の周囲の地盤との摩擦抵抗が高められ、地盤強化機能がより高められているものであってもよい。
【００１３】
さらに、本発明において、前記外管によりそれぞれ構成される各地熱回収管は、前記敷地に配置された１つ又は複数の発電設備であってそれぞれが蒸発器及びタービンなどを含む１つ又は複数の発電設備との間で、前記複数の地熱回収管内で地熱と熱交換された流体が循環的に流通可能に、前記各発電設備と流体移送用の配管で接続されていてもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明においては、前記流体が、地熱と熱交換されながら、前記の地中の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を循環的に流通されるようにするための地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されており、且つ前記複数の各地熱回収管は互いに水平方向に１〜３０ｍという狭ピッチで地中に埋設されているので、限られた敷地内で複数の地熱回収管からそれぞれ地熱を回収することができ、限られた敷地内での効率的な地熱回収が可能になる。
【００１５】
また、本発明においては、前記流体が、地熱と熱交換されながら、前記の地中の外管及び／又は内管と地上の熱交換器等の負荷機器との間を循環的に流通されるようにするための地熱回収管が、複数本、敷地内に埋設されており、且つ前記複数の各地熱回収管は互いに水平方向に１〜３０ｍという狭ピッチで地中に埋設されているので、限られた敷地内での効率的な地熱回収が可能になると共に、当該敷地内の地盤中に複数の外管が埋設されることによる外管の外周面と周囲の地盤との摩擦作用などにより地盤が強化される効果（地滑り等の発生防止などの効果）が得られるようになる。
【００１６】
また、本発明において、前記外管の外周面に多数の突部、凹部又は凹凸を形成するようにしたときは、前記外管の外周面とその周囲の地盤との摩擦抵抗がより高められる結果、当該敷地の地盤がより一層強化される効果が得られるようになる。
【００１７】
さらに、本発明において、前記敷地上に、１つ又は複数の発電設備であって、それぞれが１つ又は複数の蒸発器及びタービンなどを含む１つ又は複数の発電設備と、前記複数の地熱回収管内で熱交換された流体を前記１つ又は複数の発電設備に移送する配管とを備えるようにしたときは、限られた敷地内で複数の地熱回収管から回収した地熱により発電を行うことができるので、限られた敷地内での効率的な地熱発電を実現できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係る高密度型地熱回収装置を示す概略図である。
【図２】本実施形態（高密度型地熱回収装置）を利用した地熱発電システムの一例を示す概略図である。
【図３】本発明の他の実施形態において使用される外管の形状の一例を示す側断面図である。
【図４】従来の地熱発電システムの一例を示す概略図である。
【図５】外部の温泉等に影響を与えない循環型地熱回収装置とこれを備えた循環型地熱発電システム（特願２０１４−２３９２３６）を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る高密度型地熱回収装置を図面を参照して説明する。図１において、１１は図５に示すような循環型地熱回収装置に使用される外管、１２は前記外管１１の中に挿入・配置される内管である。外管１１は例えば敷地２１から約５０〜１５００ｍの深さの地中まで挿入されている。上記外管１１及び内管１２などにより、地熱を回収するための地熱回収管１０が構成されている。
【００２０】
本実施形態では、限られた面積（例えば１００〜２００平方メートル）の敷地２１内に、多数個、例えば計１２個の各外管１１（それぞれの内部に内管１２が配置されている）が、互いに約１〜３０ｍ、例えば約５〜１０ｍの間隔を介して地中に埋設されている。
【００２１】
図５の循環型地熱回収装置に関して前述したように、例えば外部の水供給部（図示省略）から外管１１と内管１２との間の隙間１５に水（工業用水など）が圧入されると、その水が前記隙間１５内を下降する過程で、及び前記水が前記隙間１５内を下降した後に外管１１の底部１１ａの近傍の領域１４内を流動する過程で、地熱と熱交換され熱水となる。この地熱を含んだ熱水は、内管１２中を上昇して外部の発電設備（後述）などの負荷装置に供給される。本実施形態に係る地熱回収装置では、図１に示すように、外管１１及び内管１２などから構成される地熱回収管１０が、計１２個、互いに５〜１０ｍの間隔を介して埋設されて、それぞれから地熱が回収されるようになっている。
【００２２】
次に図２は、図１に示すような地熱回収装置を含む地熱発電システムの一例を示すものである。図２において、２２は前記敷地２１上に設置された、例えば計１２個の発電設備（図示省略）を内部に含む建屋、２３は前記各地熱回収管１０（外管１１及び内管１２などによる構成される）と前記建屋２２内の各発電設備との間においてそれぞれ熱水を循環させる配管である。なお、図２では、前記配管２３は、一本の配管として示しているが、実際には前記熱水の往路用と復路用との計２本の配管によるそれぞれ構成されている。
【００２３】
前記建屋２２内に設置されている各発電設備は、それぞれ、例えば、図５に示すような蒸発器１６、タービン１７、発電機１７ａ、復水器１８、貯水槽１９ａ、及び循環ポンプ１９などを含むものである（なお、前記蒸発器１６、復水器１８、貯水槽１９ａ、及び循環ポンプ１９は、発電以外の用途にも使用できるので、地熱回収管１０の一部を兼ねるものである）。
【００２４】
以上のように、本実施形態においては、限られた１つの敷地２１内に、水が地中の外管１１及び内管１２と地上の建屋２２内の各発電設備（熱交換器等の負荷装置）との間を地熱と熱交換される過程を含みながら循環的に流通する地熱回収装置が、計１２個、互いに水平方向に約１〜３０ｍ（例えば約５〜１０ｍ）の間隔などの狭ピッチで、地中に埋設されている。よって、本実施形態によれば、限られた敷地２１内で多数個（例えば計１２個）の地熱回収管１０からそれぞれ地熱を回収することができるので、限られた敷地２１内でも効率的な地熱回収が可能になる。
【００２５】
また、本実施形態においては、前記敷地２１の地盤中に、前記地熱回収管１０の外管１１が、計１２個、互いに水平方向に約１〜３０ｍ（例えば約５〜１０ｍ）の間隔を介して、埋設されているので、前記外管１１の外周壁面とその周囲の地盤との摩擦作用などにより、前記敷地２１の地盤が強化され（前記外管１１の有する、地盤強化用の摩擦抗又は支持杭などと同様の、周囲の地盤を強化する機能）、その結果、前記敷地２１（特に傾斜地の場合など）における地滑り等の発生を、防止することができる。
【００２６】
さらに、本実施形態においては、前記敷地２１上に、例えば計１２個の発電設備を含む建屋２２を建設し、前記建屋２２内の各発電設備と前記各地熱回収管１０（外管１１及び内管１２などから構成される）との間でそれぞれ水（熱水）を循環させる配管２３を備えるようにしたので、限られた敷地２１内で多数個の地熱回収管１０（外管１１及び内管１２）から集中的に地熱を回収して、限られた敷地２１内で極めて効率的に地熱発電を行えるようになる。
【００２７】
次に図３は本発明の他の実施形態において使用される外管の一例を示す側断面図である。この他の実施形態については、その基本的構成は前記実施形態（図１，２）と同様であるので、以下では異なる部分についてのみ説明する。この他の実施形態では、前記地熱回収管１０を構成する外管３１の外周面に、多数の凹凸３１ａが形成されている。この他の実施形態では、前述のように地熱回収管１０を構成する外管３１の外周面に多数の凹凸３１ａを形成するようにしたので、前記外管３１の外周面とその周囲の地盤との摩擦抵抗がより高められ、その結果、前記敷地２１（図１参照）の地盤がより一層強化される。よって、この他の実施形態によれば、例えば前記敷地２１が傾斜地などの場合でも、地熱を効率的・集中的に回収しながら同時に地滑り等の発生をより有効に防止できるようになる。
【００２８】
また前記他の実施形態（図３）では、外管１１の外周面に多数の凹凸３１ａを形成するとしたが、この多数の凹凸３１ａ（突部又は凹部でもよい）は、外管３１の外周面に互いに独立的に形成されたものに限られることなく、例えば前記外管３１の外周面に螺旋状（ネジ状）に形成された一本の溝により連続的に形成されるもの（このような場合でも側断面図で表すときは図３と略同様となる）であってもよい。また、前記他の実施形態（図３）における外管１１の外周面に形成される多数の凹凸３１ａ（突部又は凹部でもよい）は、例えば、多数のリング状部材を前記外管１１の外周面に所定ピッチ毎に溶接等で固定することにより形成する（この場合、リング状部材が前記外管１１の外周面から突出する突部となる）ようにしてもよい。さらに、この場合、前記各リング状部材そのものが、その外周面側に凹凸を有するものであってもよい。
【００２９】
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、様々な変更が可能である。例えば、前記各実施形態では、前記外管１１内に配置される内管１２を、図５に示すような１本の直線状のパイプとしたが、本発明ではこれに限られるものではなく、例えば、前記外管１１内に配置される内管を、（ａ）その内壁面に凹凸があるもの（内壁面の表面積が増大化されたもの）、（ｂ）１つ又は複数のＵ字状内管であって各上端部又はその近傍が開口されているもの、などとしてもよい。また、本発明においては、前記外管と内管１２との間の外管の内壁面側に複数の細管を配置し、その各細管中を水が流通するとき外管及び当該細管を介して前記水が効率的に地熱と熱交換されるように構成してもよい。
【００３０】
また前記実施形態では、それが適用される地熱発電システムについて、図２に関して説明したように、建屋２２内に設置する発電設備の個数を敷地２１内に配置される地熱回収管１０（地熱回収装置）の個数（１２個）と同じ個数（１２個）としたが、本発明ではこれに限られることなく、例えば前記敷地２１内に配置される地熱回収管１０（地熱回収装置）の個数を１２個としながら、前記建屋２２内に設置する発電設備の数を１個又は１２個以外の任意の複数個とすることも可能である（この場合は、前記熱水は、前記複数の地熱回収装置１０と前記１個又は１２個以外の任意の複数個の発電設備との間で、前記配管２３を介して循環される）。
【００３１】
また、例えば、前記実施形態では、地中に対して直接に外管１１を埋設した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、地中の例えば５００ｍ以上の深さまで埋設された温泉井用管であって過去には温泉井用に使用されていたが現在は温泉井用として使用されていない温泉井用管（その下方部分には、外部の地熱貯留層１３中の熱水及び蒸気を自ら（温泉井用管）の内部に導入するための多数のスリット又は穴を有するストレーナが形成されている）の内部に、前記外管１１などを配置するようにしてもよい。
【００３２】
また、前記図１の地熱回収装置が前提とする図５に示す循環型地熱回収装置（又はそれが適用される循環型地熱発電システム）の例では、前記外管１１中で地熱（地熱貯留層１３から外管１１に伝導され保持された地熱）と熱交換された熱水を地上に上昇させて前記蒸発器１６で蒸気化し、この蒸気により発電用タービン１７を駆動する方式を採用した例を示したが、本発明が適用可能な地熱発電システムはこれに限定されるものではなく、例えば、前記地熱と熱交換された熱水を地上に上昇させた後は、この熱水を低沸点の熱媒体を蒸気化する蒸発器の１次側に供給し、前記蒸発器の２次側から低沸点の熱媒体の蒸気を取り出し、この低沸点の熱媒体の蒸気により発電用タービンを駆動するバイナリー発電方式を採用することも可能である（このようにした場合は、前記外管１１の外側の地熱貯留層１３中に存在する地熱エネルギーが弱いため前記熱水に含まれる地熱エネルギーが比較的小さなものに止まるような場合でも、蒸発器により低沸点の熱媒体を蒸気化させることにより発電用タービンを駆動して発電することが容易に可能になる）。
【００３３】
また、前記図１の地熱回収装置が前提とする図５に示す循環型地熱回収装置（又はそれが適用される循環型地熱発電システム）の例では、前記循環ポンプ１９により圧入されて各外管１１内で流通されながら地熱と熱交換される流体を水としたが、本発明では他の様々な種類の流体（熱媒体を含む）を使用することができる。また、前記図１の地熱回収装置が前提とする図５に示す循環型地熱回収装置（又はそれが適用される循環型地熱発電システム）の例では、外管１１が地中の５０〜１５００ｍ、例えば５００ｍ程度まで埋設されている場合について説明したが、本発明においてはこのような場合に限られるものではなく、例えば外管１１が５０〜４００ｍ程度の深さに埋設される場合や６００〜１５００ｍの深さに埋設される場合でもよい。また、本発明による地熱回収装置は、典型的には図５に示すような循環型地熱発電システムに適用されることを予定しているが、これに限られるものではなく他の用途、例えば住宅の暖房システムなどにも適用できることは勿論である。
【符号の説明】
【００３４】
１０  地熱回収管
１１，３１  外管
１１ａ 外管の底部
１１ｂ 外管の上方の開口部
１２  内管
１２ａ 内管の底部
１２ｂ 内管の上端側開口部
１３  地熱貯留層
１４  外管内の底部近傍領域
１５  外管と内管との間の隙間
１６  蒸発器
１７  発電用タービン
１７ａ 発電機
１８  復水器
１９  循環ポンプ
１９ａ 貯水槽
２１  敷地
２２  建屋
２３  配管
３１ａ 外管の外周面の凹凸
【図１】
2017211171.tif 000003
【図２】
2017211171.tif 000004
【図３】
2017211171.tif 000005
【図４】
2017211171.tif 000006
【図５】
2017211171.tif 000007