特許 5855291 発電システム用の熱交換器および該熱交換器を含むバイナリー発電システム、並びに発電システム用の熱交換器の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5855291

(24)【登録日】2015年12月18日

(45)【発行日】2016年2月9日

(54)【発明の名称】発電システム用の熱交換器および該熱交換器を含むバイナリー発電システム、並びに発電システム用の熱交換器の制御方法

(51)【国際特許分類】

   F01K 25/10 20060101AFI20160120BHJP

   F28F 19/00 20060101ALI20160120BHJP

   F03G 4/00 20060101ALI20160120BHJP

   C02F 1/46 20060101ALI20160120BHJP

【ＦＩ】

   F01K25/10 V

   F01K25/10 R

   F28F19/00 501Z

   F03G4/00 511

   F03G4/00 551

   C02F1/46 Z

【請求項の数】12

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2015-18293(P2015-18293)

(22)【出願日】2015年2月2日

【審査請求日】2015年3月3日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 地熱発電技術研究開発／地熱発電の導入拡大に資する革新的技術開発委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】505476216

【氏名又は名称】イノベーティブ・デザイン＆テクノロジー株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000419

【氏名又は名称】特許業務法人太田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】田中 博

(72)【発明者】

【氏名】酒井 文香

【審査官】 佐藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４４４４００１（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特許第４３３４２０５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０１４−１７３８００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１４４２７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−０６９３６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４９９９０３０（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 特開２００２−０１８４４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４６３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２４６３７８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｋ ２５／００−２５／１０

Ｆ２８Ｆ １９／００−１９／０６

Ｆ２８Ｄ １／００−１３／００

Ｃ０２Ｆ １／４６− １／４８

Ｃ０２Ｆ ５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１流体が流通可能な第１流路と、前記第１流体との間で熱交換を行う第２流体が流通する第２流路を有し、電源から所定の電位が付与される陽極板と陰極板により前記第１流路および前記第２流路の少なくとも一部が区画された電解槽と、
前記陽極板と前記陰極板に対して通電を開始して前記所定の電位を付与した後に当該所定の電位とは極性が反転した電位を付与し、その後に前記通電を解除する洗浄処理を、所定の周期毎に繰り返す制御を行う制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記所定の電位及び前記極性が反転した電位を付与する期間よりも、前記通電を解除した後に再び通電を開始して前記所定の電位を付与するまでの期間の方が長くなるように、前記陽極板と前記陰極板に対してそれぞれ電位を付与する制御を行うことを特徴とする発電システム用の熱交換器。

【請求項2】

前記電解槽内では前記陽極板と陰極板が対向して交互に複数配置される請求項１に記載の発電システム用の熱交換器。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の発電システム用の熱交換器と、
前記電源を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、所定のタイミングで前記陽極板と前記陰極板の極性を反転させることを特徴とするバイナリー発電システム。

【請求項4】

前記陽極板と前記陰極板の間を流れる電流を計測する電流計を備え、
前記制御装置は、前記電流計の計測値に基づいて前記極性を反転させる請求項３に記載のバイナリー発電システム。

【請求項5】

前記第２流体から生じる蒸気の圧力を計測する圧力計を備え、
前記制御装置は、前記圧力計の計測値に基づいて前記極性を反転させる請求項３又は４に記載のバイナリー発電システム。

【請求項6】

前記電解槽へ流入する前記第１液体の温度と、前記電解槽から流出した前記第１液体の温度とを検出する温度計を備え、
前記制御装置は、前記温度計の計測値に基づいて前記極性を反転させる請求項３〜５のいずれか一項に記載のバイナリー発電システム。

【請求項7】

前記第２流体が蒸発して生じた媒体蒸気によって駆動される第１蒸気タービンと、
前記第１蒸気タービンと、前記陽極板および前記陰極板とを電気的に接続する電力供給系とを備え、
前記制御装置は、前記第１蒸気タービンにより発電された電力の少なくとも一部を前記電源として利用する請求項３〜６のいずれか一項に記載のバイナリー発電システム。

【請求項8】

前記第１流体を減圧して水蒸気と熱水に分離する減圧気液分離器と、
前記減圧気液分離器により分離された前記水蒸気によって駆動される第２蒸気タービンと、をさらに含む請求項７に記載のバイナリー発電システム。

【請求項9】

前記熱交換器又は前記熱交換器を経た前記第１流体が流通する第１配管に接続されるとともに、前記陽極板と前記陰極板の極性が反転した後の前記第１流体が流通可能な排出管をさらに備える請求項３乃至８のいずれか一項に記載のバイナリー発電システム。

【請求項10】

前記排出管と前記第１配管とを切り替えるバルブを備え、
前記制御装置は、前記陽極板と前記陰極板の極性を反転させるときに前記バルブを切り替えて前記熱交換器に導入された前記熱流体を前記排出管へ流入させる制御を行う請求項９に記載のバイナリー発電システム。

【請求項11】

前記第１流体は、ミネラル分又は硫黄分を含む地熱水である請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載のバイナリー発電システム。

【請求項12】

電源から所定の電位が付与される陽極板と陰極板が配置された熱交換器内へ、前記陰極板と接触するように第１配管を介して第１流体を流通させることと、
前記熱交換器内で前記第１流体とは隔離されるように、前記第１流体と熱交換を行う第２流体を前記熱交換器内へ第２配管を介して流通させることと、
前記陽極板と前記陰極板に対して通電を開始して前記所定の電位を付与した後に当該所定の電位とは極性が反転した電位を付与し、その後に前記通電を解除する洗浄処理を、所定の周期毎に繰り返すことと、
を含み、
前記所定の電位及び前記極性が反転した電位を付与する期間よりも、前記通電を解除した後に再び通電を開始して前記所定の電位を付与するまでの期間の方が長くなるように、前記陽極板と前記陰極板に対してそれぞれ電位が付与されることを特徴とする発電システム用の熱交換器の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱交換器およびこの熱交換器を用いたバイナリー発電システムおよびその熱交換器の制御方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

世界的な地球環境保護の高まりを受け、地熱や産業製品の生産過程から生じる産業排熱を利用した発電は、二酸化炭素の排出量が極めて少ないことから注目度が増している。
このうち地熱発電方式では、以下の２つの方式が存在する。すなわち、１つ目の方式は、地下深部で加圧・加熱された気液二相状態の熱流体を用い、この熱流体を地上へ井戸を介して噴出させたときの地熱蒸気をタービンに導いて発電を行うフラッシュサイクル方式である。また、２つ目の方式は、熱流体を熱交換器にいったん導いてこの熱交換器で作動流体と熱交換を行い、この熱流体で加熱された作動流体の蒸気をタービンに導いて発電を行うバイナリーサイクル方式である。

【0003】

バイナリーサイクル方式を用いた発電では、近年では熱流体の一例として例えば温泉水などの地熱水を用いたバイナリー発電システムの開発が進められている。
地熱水は地下においても相対的に浅い深度に存在することが多く、従来の地熱発電に比して発電システムの導入コストやリスクが高くないといった利点がある。なお地熱水は通常１００℃以下の温度を有するものも多く存在するため、沸点が低い代替フロン（ＨＦＥ）やペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）、あるいはアンモニア等のような低沸点媒体が作動流体として用いられている。

【0004】

このバイナリー発電システムにおいては、地熱水を地上に備えられた熱交換器へ導入し、別途この熱交換器へ導入された低沸点媒体と熱交換を行って低沸点媒体の蒸気を発生させる。そしてこの低沸点媒体の蒸気を蒸気タービンに導入してタービンを回転させ、この回転を利用して発電機で発電が行われる。
蒸気タービンから排出された低沸点媒体の蒸気は、凝縮器において冷却されて液化された後に、再び熱交換器に送られて地熱水により加熱されて低沸点媒体の蒸気として蒸気タービンに導入されることが繰り返される。

【0005】

上記したバイナリー方式の発電システムについては、下記特許文献１に例示されるごとき熱流体が持つエネルギーの利用効率を高めることに着目された技術が提案されている。
例えばこの特許文献１によれば、熱流体の蒸発温度などを変えたり、蒸発器と予熱器等の組み合わせを変えたり、あるいは作動流体にアンモニアと水の混合液を用いるなどして、発電システムの効率を高めることが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平１１−３５０９２０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、地熱水を用いた場合には以下の課題が生ずることが想定される。すなわち温泉水にはカルシウムなどのミネラル分や硫黄分などの成分が含まれており、熱交換器を含んだ循環系における配管の内壁や熱交換器内部に析出する。この析出物が例えば熱交換器表面に付着した場合、熱流体（地熱水）と作動流体（ペンタンなど）の熱交換効率を著しく低下させてしまい、最悪のケースでは配管の詰まりや熱交換器の故障に繋がる恐れもある。

【0008】

一方で熱交換器や配管を定期的に人海戦術で清掃すれば配管の詰まりや熱交換器の故障は低減されることになるが、そのためのコストが上昇することでバイナリー発電の利点が損なわれてしまうことは避けねばならない。
また、薬剤を熱交換器や配管に導入して洗浄することも考えられるが、近年では環境汚染防止という観点からこのような薬剤の使用が自粛されるようになっている。
なお、この問題は不純物を含む熱流体に留まらず熱交換器等に流入する流入液体に等しく生じ得ることであり、如何にしてコストを抑制しつつ流体間のエネルギー伝達効率を低下させないかが今後重要となってくる。

【0009】

本発明は、上記した問題を鑑みて、たとえ不純物を含有する流入液体が用いられたとしても、低コストで高効率な発電を持続することが可能な熱交換器などの浄化システム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】

上記課題を解決するため、本発明の一実施形態にかかる発電システム用の熱交換器は、第１流体が流通可能な第１流路と、前記第１流体との間で熱交換を行う第２流体が流通する第２流路を有し、電源から所定の電位が付与される陽極板と陰極板により前記第１流路および前記第２流路の少なくとも一部が区画された電解槽と、前記陽極板と前記陰極板に対して通電を開始して前記所定の電位を付与した後に当該所定の電位とは極性が反転した電位を付与し、その後に前記通電を解除する洗浄処理を、所定の周期毎に繰り返す制御を行う制御部と、を含み、前記制御部は、前記所定の電位及び前記極性が反転した電位を付与する期間よりも、前記通電を解除した後に再び通電を開始して前記所定の電位を付与するまでの期間の方が長くなるように、前記陽極板と前記陰極板に対してそれぞれ電位を付与する制御を行うことを特徴とする。

【0011】

なお、前記した熱交換器においては、前記電解槽内では前記陽極板と陰極板が対向して交互に複数配置されることが好ましい。
また、上記課題を解決するため、本発明の一実施形態にかかるバイナリー発電システムは、前記した熱交換器と、前記電源を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、所定のタイミングで前記陽極板と前記陰極板の極性を反転させることを特徴とする。

【0012】

なお、前記したバイナリー発電システムでは、前記陽極板と前記陰極板の間を流れる電流を計測する電流計を備え、前記制御装置は、前記電流計の計測値に基づいて前記極性を反転させることが好ましい。
また、前記した各バイナリー発電システムでは、前記第２流体から生じる蒸気の圧力を計測する圧力計を備え、前記制御装置は、前記圧力計の計測値に基づいて前記極性を反転させることが好ましい。
また、前記電解槽へ流入する前記第１液体の温度と、前記電解槽から流出した前記第１液体の温度とを検出する温度計を備え、前記制御装置は、前記温度計の計測値に基づいて前記極性を反転させることが好ましい。

【0013】

また、前記した各バイナリー発電システムでは、前記第２流体が蒸発して生じた媒体蒸気によって駆動される第１蒸気タービンと、前記第１蒸気タービンと、前記陽極板および前記陰極板とを電気的に接続する電力供給系とを備え、前記制御装置は、前記第１蒸気タービンにより発電された電力の少なくとも一部を前記電源として利用することが好ましい。
また、前記したバイナリー発電システムでは、前記第１流体を減圧して水蒸気と熱水に分離する減圧気液分離器と、前記減圧気液分離器により分離された前記水蒸気によって駆動される第２蒸気タービンと、をさらに含むことが好ましい。

【0014】

また、前記した各バイナリー発電システムでは、前記熱交換器又は前記熱交換器を経た前記第１流体が流通する第１配管に接続されるとともに、前記陽極板と前記陰極板の極性が反転した後の前記第１流体が流通可能な排出管をさらに備えることが好ましい。
また、前記したバイナリー発電システムでは、前記排出管と前記第１配管とを切り替えるバルブを備え、前記制御装置は、前記陽極板と前記陰極板の極性を反転させるときに前記バルブを切り替えて前記熱交換器に導入された前記熱流体を前記排出管へ流入させる制御を行うことが好ましい。

【0015】

また、前記した各バイナリー発電システムでは、前記第１流体として、ミネラル分又は硫黄分を含む温泉水が適用可能である。
また、上記課題を解決するため、本発明の一実施形態にかかる発電システム用の熱交換器の制御方法は、電源から所定の電位が付与される陽極板と陰極板が配置された熱交換器内へ、前記陰極板と接触するように第１配管を介して第１流体を流通させることと、前記熱交換器内で前記第１流体とは隔離されるように、前記第１流体と熱交換を行う第２流体を前記熱交換器内へ第２配管を介して流通させることと、前記陽極板と前記陰極板に対して通電を開始して前記所定の電位を付与した後に当該所定の電位とは極性が反転した電位を付与し、その後に前記通電を解除する洗浄処理を、所定の周期毎に繰り返すことと、を含み、前記所定の電位及び前記極性が反転した電位を付与する期間よりも、前記通電を解除した後に再び通電を開始して前記所定の電位を付与するまでの期間の方が長くなるように、前記陽極板と前記陰極板に対してそれぞれ電位が付与されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明によれば、発電システムなどに流入する流入液体としての第１液体に含まれて能力低下の原因となる成分（カルシウムイオン、マグネシウムイオンなどのミネラル分など）を除去することができ、これにより例えば発電能力の低下を抑制しつつ熱交換処理などを実行できる。さらに、このような電解処理によって、環境負荷の大きな薬液を使用することなく第１液体が流れる配管などの汚染も防止でき、低コストで高効率なシステムを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ１の全体構成図である。

【図2】図２は、本発明の一実施形態に係る熱交換器の構成図である。

【図3a】図３ａは本発明の一実施形態に係る熱交換器の浄化作用を説明する図である。

【図3b】図３ｂは各電極における具体的な洗浄処理時間と反転処理との関係を示す図である。

【図4】図４は、本発明の第２実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ２の全体構成図である。

【図5】図５は、本発明の第３実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ３の全体構成図である。

【図6a】図６ａは本発明の第４実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ４の全体構成図である。

【図6b】図６ｂはバイナリー発電システムＢＥＳ４の洗浄装置１０１に係る構成図である。

【図7】図７は本発明の第５実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ５の全体構成図である。

【図8】図８は、本発明に係るバイナリー発電システムの変形例１を説明する図である。

【図9】図９は、本発明に係るバイナリー発電システムの変形例２を説明する図である。

【図10】図１０は、本発明に係るバイナリー発電システムの変形例３を説明する図である。

【図11】図１１は、本発明に係るバイナリー発電システムの変形例４を説明する図である。

【図12】図１２（ａ）は本発明に適用可能な平板状電極板の斜視図であり、図１２（ｂ）は蛇行する曲面を持った波面状電極板の斜視図であり、図１２（ｃ）は凹部と凸部が連続して連なる凹凸状電極板の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明を実施するための実施形態を、バイナリー発電システムを一例にして説明する。なお、説明の便宜上、以下の説明中において適宜Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向をそれぞれ規定したが、本発明の権利範囲を減縮するものでないことは言うまでもない。

【0019】

≪第１実施形態≫
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係るバイナリー発電システム１Ａの全体構成図である。
本実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ１は、第１配管Ｌ_１、熱交換器（蒸発器）１、第２配管Ｌ_２、蒸気タービン２、発電機３、凝縮器４、および全体制御装置５を含んで構成されている。なお、以下で詳述する構成以外については、例えば特開２０１３−１７０５５３号等の公知の地熱発電システムを適宜参照してもよい。

【0020】

第１配管Ｌ_１は、地下に存在する熱流体源と熱交換器１、さらには熱交換器１と河川などとを結ぶパイプである。この第１配管Ｌ_１と、図示しないポンプなどを介して、熱流体源から熱流体を汲み上げて熱交換器１へ流通させるとともに、熱交換器１で熱交換された熱流体を河川などへ還元（排水）させる。なお、熱交換器１で熱交換された熱流体を排水せずに再び熱流体として再利用してもよい。

【0021】

後述する実施形態でも説明されるとおり、本発明が適用可能な「第１流体」は熱流体に限られないが、以下ではまず熱流体を一例として説明する。この熱流体としては種々適用が可能であるが、本実施形態では例えば５０℃〜１５０℃程度の温泉水を熱流体として用いる。なお、本実施形態で適用が可能な熱流体としては、温泉水以外にも例えば産業廃棄水（温水洗浄など工業生産の過程で生じた廃棄温水）や従来の地熱発電で用いられている高圧地下水など（これらを総称して適宜「熱水」と称する）がある。
熱交換器１は、電解槽１１、電極板１２、および制御部１３を含んで構成され、第１配管Ｌ_１を介して熱流体源から汲み上げられた熱流体と後述する作動流体との熱交換を行う。

【0022】

図２に熱交換器１の構成図を示す。電解槽１１は、熱流体を電解処理しつつ作動流体と熱流体とが熱交換されるための電解槽体であり、複数（４枚）の電極板１２が所定の距離だけ隔てて対向して配置される。そして、この電解槽１１中に配置される電極板１２には、図示しない電源から配線（ｅ１、ｅ２）を介して所定の電位が付与される。電源は公知の機器を使用することができ、例えば所定の電位として、電極板１２の間に例えば５０Ｖ以下の直流電圧を印加することができる。

【0023】

なお、必要に応じて電極間の距離を一定に保つための絶縁体を電極板１２の間に配置してもよい。
また、交互に配置される陰極板と陽極板は２枚ずつ計４枚配置する例に限られず、例えばそれぞれ３枚以上ずつを交互に配置してもよいし、１枚ずつそれぞれ配置してもよい。また、陰極板と陽極板を同数ずつ配置しなくともよく、例えば陰極板の枚数を陽極板よりも多くして交互に配置してもよい。

【0024】

そして電解槽１１内では、電解槽１１の壁面と電極板１２とによって熱流体又は作動流体が流通する流路が形成されている。図２においては、電解槽１１の壁面と陰極板１２_１、および陽極板１２_２と陰極板１２_３、陽極板１２_４と電解槽１１の壁面によって、それぞれ作動流体が流通する第２流路Ｒ２が形成されている。また、陰極板１２_１と陽極板１２_２、陰極板１２_３と陽極板１２_４によって、それぞれ熱流体が流通する第１流路Ｒ１が形成されている。このように、電源から所定の電位が付与される電極板１２（陽極板と陰極板）によって、熱流体または作動流体が流通する流路の少なくとも一部が電解槽１１内に区画される。

【0025】

これにより、熱流体と作動流体とが隔離されて熱交換器１内をそれぞれ流通することになる。
なお、図２においては、第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２をそれぞれ流れる流体の向きは互いに逆向きであるが、第１流路Ｒ１と第２流路Ｒ２をそれぞれ流れる流体の向きを同じ方向としてもよい。また、電解槽１１の壁面と電極板１２との境界に公知のシール材を介在させて、隣り合う流路間での流体漏出を防止してもよい。この場合、シール材の材質は、絶縁性樹脂などが好ましい。
制御部１３は、熱交換処理時に図示しない商用電源などから電極板１２へ所定の電位を付与する制御を行うとともに、陰極板（図２では陰極板１２_１と陰極板１２_３）表面の洗浄処理（後述）を行う。

【0026】

第２配管Ｌ_２は、「第２流体」の一例としての作動流体が流通する配管であり、本実施形態では熱交換器１内、蒸気タービン２内、凝縮器４内を作動流体が循環するために用いられる。すなわち、作動流体は、これらの装置間を閉ループとして循環する。なお、作動流体としては、熱流体よりも沸点が低い流体が用いられる以外に特に限定はなくブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）や代替フロン（ＨＦＥ）など種々の流体が適用可能である。本実施形態では、作動流体として沸点が約３６℃のペンタン（Ｃ_５Ｈ_１２）を用いている。
作動流体としてのペンタンは、熱交換器１内で温泉水から伝熱を受けて蒸発（気化）して作動気体に変換され、第２配管Ｌ_２を介して蒸気タービン２に導入される。

【0027】

蒸気タービン２は、第２配管Ｌ_２を介して熱交換器１と蒸気タービン２とに接続され、熱交換器１から第２配管Ｌ_２を介して導入された蒸気状態のペンタンを用いて仕事を行う。
発電機３は、蒸気タービンと接続されており、蒸気タービン２の仕事に応じて発電を行う。発電機３により発電された電力は、例えば図示しない変圧器を介して電力会社の変電所や家屋などへ供給される。
凝縮器４は、第２配管Ｌ_２を介して蒸気タービン２と熱交換器１に接続されている。そして凝縮器４では、水または空気などを用いて蒸気タービン２を経た蒸気状態のペンタンを凝縮して（熱交換を行って）液状のペンタンに変換する。そして変換した液状のペンタンを、作動流体として第２配管Ｌ_２や図示しないポンプなどを介して再び熱交換器１へ導入させる。

【0028】

＜熱交換器１内における析出について＞
本実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳでは、熱流体として熱水が第１配管Ｌ_１内および熱交換器１内の一部を流通している。
例えば熱水が温泉水の場合、通常、マグネシウム、カリウム、ナトリウム、カルシウムなどのミネラル分や、硫黄分などの成分が含まれている。

【0029】

例えばカルシウムを多く含む炭酸水素塩泉の場合、温度やｐＨなどの諸条件が変化すると、下記式１に示される化学反応によって温泉水内の溶解成分の一部が固形物（Ｃ_ａＣＯ_３など）となって第１配管Ｌ_１や熱交換器１内に析出する。

Ｃａ^２＋ ＋ ２ＨＣＯ^３− → ＣａＣＯ_３↓ ＋ Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２↑ ・・・（１）

したがって、本実施形態では、温泉水を熱流体として用いた地熱発電を長時間行う場合においても、上述した析出物による熱交換効率の低下が抑制できる機能を熱交換器１に備えることとした。

【0030】

＜熱交換時における浄化処理＞
すなわち本実施形態では、図３（ａ）および（ｂ）に示すとおり、熱交換器１の制御部１３は、所定のタイミングで陽極板と陰極板の極性を反転させる反転処理を行う。
より具体的には図３（ａ）に示される通り、制御部１３により陽極板と陰極板の極性が反転されると、陰極板に付着していた付着物（カルシウムなど）が洗浄水中に溶け出す。このとき陰極板となった電極板には新たにカルシウムなどの成分が付着し始めるが、反転処理を含めた洗浄処理を工夫することで陰極板に付着物が付着する量よりも相対的に洗浄水に溶け出す付着物の方を多くすることができ、トータルで見た場合に電極板は浄化されることになる。

【0031】

この反転処理の際、制御部１３は、第１配管Ｌ_１に設置された三方弁などのバルブＶｂを用いて温泉水から洗浄水へ供給系統を切り替え、熱交換器１へ洗浄水を供給する制御を行ってもよい。また、洗浄に使用した洗浄水は、熱交換器１に別途接続される排出管を介して河川等で排水してもよいし、温泉設備へ供給してもよい。所定期間だけ洗浄水を供給した後は、熱交換器１前後の第１配管Ｌ_１に設けられた三方弁等のバルブＶｂを元に戻して発電を再開する制御を行ってもよい。

【0032】

洗浄で用いた洗浄水は高濃度のミネラル分を含み、基本的には有害な物質が添加されるわけではないため、商用の温泉水として活用することや飲料水として使用してもよい。なお、洗浄水としては特に限定はないが、本実施形態では例えば水道水などの水を用いている。また、洗浄水を排出する排出管は省略が可能であり、この場合は上述した熱交換器１と河川などを結ぶ第１配管Ｌ_１をそのまま用いてもよい。

【0033】

また、所定のタイミングとしては、例えば１時間置き、１日置き、１週間置き、一カ月や半年置きなど任意のタイミングを設定してもよく、熱交換器１への温泉水の供給流量や流速なども考慮することが好ましい。例えば温泉水を約１ｍ／ｓの速度で第１配管Ｌ_１内に流した場合、およそ３０分で０．１ｍｍ厚の析出が確認された。
また、洗浄水の供給期間についても、所定のタイミングに応じて決定してもよく、反転処理の間が長期間空く場合は洗浄水の供給期間も長時間取ることが好ましい。

【0034】

一例として、各電極における具体的な洗浄処理時間と反転処理との関係を図３（ｂ）に示す。なお、図３（ｂ）では例えば陰極板１２_１における通電状態を示している。
図示されるとおり、本実施形態では陰極板には常時通電がなされておらず、消費電力削減と洗浄効率向上の観点から所定の周期Ｔ_１ごとに洗浄処理が行われる。なお周期Ｔ_１としては、上述した通り特に制限はないが、本例では例えば３時間毎として説明する。この例では一回の洗浄処理において、まず期間Ｔ_２だけ＋の電圧が陰極板１２_１に加わり、その後に極性が反転して期間Ｔ_３だけ−の電圧が陰極板１２_１に加わる。
なお本実施形態では、期間Ｔ_２および期間Ｔ_３は同じ３０秒間としているが、とくにその長さに制限はなく３０秒以外の時間でもよいし、期間Ｔ_２と期間Ｔ_３とで異なる時間を設定してもよい。また、期間Ｔ_２の後で直ちに期間Ｔ_３が開始されているが、これに限らず期間Ｔ_２と期間Ｔ_３の間に電圧が加わらない期間があってもよい。

【0035】

本実施形態によれば、熱交換器１の電極板１２へ付与する電位を制御して所望の電解処理を実行することで、温泉水から電極板表面に析出する量、電極板表面から洗浄水へ溶解する析出物の量、およびこれらが発生するタイミングを制御することができる。また、上記した析出物を特別な薬品を使用せずに安価な洗浄水で浄化することができる。したがって、温泉水を用いたバイナリー発電システムを低コスト且つ高効率で実現することが可能となる。

【0036】

≪第２実施形態≫
図４は、本発明の第２実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ２の全体構成図である。バイナリー発電システムＢＥＳ２は、上記第１実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ１に比べて発電機３と熱交換器１の構成が主として異なるので、以下相違点のみについて説明し、バイナリー発電システムＢＥＳ１と同じ構成及び機能を有する要素については第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

【0037】

図４に示すとおり、第２実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ２は、発電機３で発電した電力の一部を、配線ｅ３を介して熱交換器１へ導く。より具体的には、熱交換器１の制御部１３は、発電機３で発電した電力の一部を受けて電極板１２（陰極板と陽極板）の電位付与に用いる制御を行う。

【0038】

本実施形態によれば、熱交換器１の電極板１２への電位付与のため特別の電源を用意することなく発電機３で発電した電力を使用するので装置システムを簡略化できるだけでなく装置コストやエネルギーコストも抑制することが可能となる。

【0039】

≪第３実施形態≫
図５は、本発明の第３実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ３の全体構成図である。バイナリー発電システムＢＥＳ３は、上記第１実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ１および第２実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ２に比べ、減圧気液分離器６、蒸気加減弁７、第２蒸気タービン８および第２発電機９の構成が主として異なるので、以下相違点のみについて説明し、既述した各バイナリー発電システムと同じ構成及び機能を有する要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

【0040】

図５に示すとおり、第３実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ３は、いわゆるフラッシュ方式の地熱発電システムとバイナリー発電システムとを結合した発電システムとなっている。
より具体的には、第１液体としての熱流体を汲み上げる第３配管Ｌ_３が減圧気液分離器６に接続され、この減圧気液分離器６には更に第１配管を介して熱交換器１と、第４配管Ｌ_４を介して蒸気加減弁７が接続される。このうち、蒸気加減弁７は第４配管Ｌ_４を介して第２蒸気タービン８と接続される。

【0041】

また、第２蒸気タービン７は、第２発電機９、および排出管としての第４配管Ｌ_４にそれぞれ接続されている。なお、本実施形態では熱流体として地下の比較的深部に存在する高圧地下水を用いている。
まず第３配管Ｌ_３を介して減圧気液分離器６に供給された高圧地下水は、そこで減圧されて高圧水蒸気と高圧熱水とに分離される。減圧気液分離器６で分離した高圧水蒸気は、蒸気加減弁７を介して第２蒸気タービン８に送られて仕事を行うことにより第２発電機９で所望の電力が生成される。第２蒸気タービン８で仕事をした後の低圧蒸気は、配管などを介して河川等へ還元（排出）される。

【0042】

一方、減圧気液分離器６で分離した高圧熱水は、第１配管Ｌ_１を介して熱交換器１へ送られることで、上記各実施形態で説明したバイナリー発電が実行される。
蒸気加減弁７を介して第２蒸気タービン８に送られて仕事を行うことにより第２発電機９で所望の電力が生成される。発電機３で発電した電力の一部を、配線ｅ３を介して熱交換器１へ導く。より具体的には、熱交換器１の制御部１３は、発電機３で発電した電力の一部を受けて電極板１２（陰極板と陽極板）の電位付与に用いる制御を行う。

【0043】

本実施形態で用いる高圧地下水は、地下に存在するマグマの成分の一部がイオンとして存在していることもあり、上記した熱交換器１の電極１２表面でマグマに含まれるレアメタルが析出することも考えられる。
したがって、熱交換器１の電極１２表面でレアメタルなどの非鉄金属が析出する場合には洗浄水を用いて河川へ排出せずに、非鉄金属（レアメタル）が付着した陰極板を交換するとともに、採取したレアメタルを産業用途に利用してもよい。

【0044】

本実施形態によれば、洗浄のために特別な薬品を使用せずに熱交換器１や配管の詰まりを抑制できるので熱交換効率の低下を抑制できる。さらに、二段階の熱交換を用いた発電を行うので比較的大きな電力を生成することができる。また、場合によってはレアメタルなどの貴重な非鉄金属も採取することができる。

【0045】

≪第４実施形態≫
図６（ａ）は、本発明の第４実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ４を示す図である。バイナリー発電システムＢＥＳ４は、上記の各バイナリー発電システムに比べて洗浄装置が熱交換器１としてではなく別体としてバイナリー発電システムに組み込まれている点が異なっている。すなわち、上記各実施形態では熱交換器１が浄化機能を有していたが、本実施形態では熱交換器と浄化装置が別体で構成されて互いに接続されている。
よって、以下相違点のみについて説明し、既述したバイナリー発電システムと同じ構成及び機能を有する要素については第１実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。なお、本実施形態の洗浄装置が組み込まれるシステムは、バイナリー発電システム以外の発電システムでもよく、さらには発電システム以外の流体を用いる他の公知のシステムを適用してもよい。

【0046】

図６（ａ）に示す通り、本実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ４は、熱交換器１００と、洗浄装置１０１を含んで構成されている。このうち熱交換器１００には、第１流体として例えば地下から吸い上げた地熱水が第１配管Ｌ_１および洗浄装置１０１を介して流入される。換言すれば、第１配管Ｌ_１を介して接続される熱水源と熱交換器１００との間には洗浄装置１０１が介在しており、この洗浄装置１０１によって洗浄された第１流体（本例では地熱水）が熱交換器１００へと流入される。

【0047】

図６（ｂ）に本実施形態の洗浄装置１０１の詳細構成を示す。
洗浄装置１０１は、電解槽としての容器１０２内に、電極板１２ａおよび電極板１２ｂがそれぞれ配置されており、これら電極板１２ａおよび電極板１２ｂとにより地熱水が流通する流路の少なくとも一部が形成されている。このうち、初期状態では例えば電極板１２ａが陽極として、電極板１２ｂが陰極として機能している。そしてシステム稼働から所定時間が経過した後は、第１実施形態で説明した洗浄処理（電極の極性反転動作など）が実施される。なお、洗浄処理の際は、熱交換器１００へ地熱水を送出せずにバルブＶｂを介して系外に排出してもよい。また、洗浄処理の際は地熱水以外の水道水などを洗浄水として用いてもよい。また、本実施形態では２枚の電極板１２を用いたが、既述した上記各実施形態のように、例えば４枚など２枚以外の電極板１２を用いてもよいことは言うまでもない。

【0048】

≪第５実施形態≫
図７は、本発明の第５実施形態に係るバイナリー発電システムＢＥＳ５を示す図である。バイナリー発電システムＢＥＳ５は、上記の各バイナリー発電システムに比べ、熱交換器が一次熱交換器２００と二次熱交換器２０１の二段構成となっている点が主として異なっている。
よって、以下相違点のみについて説明し、既述したバイナリー発電システムと同じ構成及び機能を有する要素については第１実施形態と同一の符号を付して説明を適宜省略する。なお、本実施形態の二次熱交換器２０１を含むバイナリー発電システムは、公知のバイナリー発電システムをそのまま適用してもよく、さらにはバイナリー以外の他の公知のシステムを適用してもよい。

【0049】

図７に示すとおり、本実施形態の発電システムは、二次熱交換器２０１を含むバイナリー発電システムＢＥＳ５に加え、一次熱交換器２００をさらに有している。このうち、二次熱交換器２０１と一次熱交換器２００との間は、第６配管Ｌ_６を介して中間流体（例えば純水）が循環する構成となっている。この第６配管Ｌ_６は閉ループ構造となっているので、外部から異物などが混入しにくい。
また、二次交換機２０１には第２配管Ｌ_２を介して上述した第２流体（例えばペンタンなど）が流入され、第６配管Ｌ_６を流入する中間流体（純水）と第２流体（ペンタン）との間で熱交換が行われる。

【0050】

一方で、一次熱交換器２００の構造は、例えば図２において既述した熱交換器１１の構造を応用することができる。すなわち、例えば図２に示したように、第１配管Ｌ_１から流路Ｒ１に第１流体（地熱水など）が流れる一方で、電極１２_１〜１２_４で流路Ｒ１と区画された流路Ｒ２に第６配管Ｌ_６を介して中間流体（純水など）が流れる構造を採用してもよい。これにより、一次熱交換器２００内では、第１配管Ｌ_１を介して流入した第１流体（地熱水など）と、第６配管Ｌ_６を介して流入した中間流体（純水など）との間で熱交換が行われることになる。

【0051】

なお、第６配管Ｌ６内に流通させる中間流体は純水に限られず、少なくとも沸点が第２流体よりも高く第１流体より低い流体であれば適宜公知の他の液体や気体を用いてもよい。
また、電極１２_１〜１２_４を用いた洗浄処理については上述した洗浄処理と同様であるので、その説明は省略する。
また、本実施形態ではバイナリー発電システムＢＥＳ５と一次熱交換器２００とを別体として説明したが、一次熱交換器２００を含んではバイナリー発電システムＢＥＳ５と称してもよいことは言うまでもない。
本実施形態によれば、析出の可能性のある第１流体はバイナリー発電システムＢＥＳ５内を流通せずに、バイナリー発電システムＢＥＳ５内を流通する流体（本実施形態では純水およびペンタン）は常に清浄な状態が保たれている。よって、比較的小規模な一次熱交換器２００だけをクリーニングすればよいので、メンテナンス性の優れた発電システムを実現することができる。

【0052】

上記した各実施形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。以下、各実施形態に適宜適用が可能な変形例について説明する。なお、以下の変形例においては既述の構成と同じ機能・作用を奏するものは同じ参照番号を付し、その説明は適宜省略する。
≪変形例１≫
図８は変形例１を説明する図であり、熱交換器１内の電極１２を流れる電流を計測する電流計Ｉを備えている。この変形例１では、熱交換器１と制御部１３との間の配線上に電流計Ｉが設置されている。
そして全体制御装置５は、電流計Ｉにより計測される電流値をモニターしており、検出した電流値に基づいて熱交換器１の制御部１３を介して電極板１２の極性反転動作を制御する。

【0053】

例えば電流計Ｉで計測された計測値（電流値）が所定の閾値より低下した場合、全体制御装置５は電極板１２の極性を反転させる制御を行う。このとき、全体制御部５は、作動流体の流通を停止して上記した洗浄処理を行う制御も実行してもよい。
なお本変形例１では電流計を用いたが、陰極板と陽極板の間の電圧値を計測してこの電圧値に基づいて電極板１２の極性を反転させる制御を行ってもよい。

【0054】

≪変形例２≫
図９は変形例２を説明する図であり、熱交換器１から蒸気タービン２へ送られる作動流体の蒸気の圧力を計測する圧力計Ｐを備えている。この変形例２では、熱交換器１と蒸気タービン２との間の配管上に圧力計Ｐが設置されている。
そして全体制御装置５は、圧力計Ｐにより計測される圧力値をモニターしており、検出した圧力値に基づいて熱交換器１の制御部１３を介して電極板１２の極性反転動作を制御する。

【0055】

例えば圧力計Ｐで計測された計測値（圧力値）が所定の閾値（例えば凝縮器４から熱交換器１内へ流入する際の圧力値を基準とした値）より低下した場合、全体制御装置５は電極板１２の極性を反転させる制御を行う。このとき、全体制御部５は、作動流体の流通を停止して上記した洗浄処理を行う制御も実行してもよい。

【0056】

≪変形例３≫
図１０は変形例３を説明する図である。変形例３では、温度計ＴＧを用いて、熱交換器１に流入する第１流体（例えば熱水）の温度と、熱交換器１から出る第１流体（熱水）の温度とを検出する。全体制御装置５は、温度計ＴＧにより計測される圧力値をモニターしており、検出したそれぞれの温度を比較して、両者の差異が所定値以下となったときに熱交換器１の制御部１３を介して電極板１２の極性反転動作を制御する。

【0057】

より具体的には、図１０に示すとおり熱交換器１の前後における第１配管Ｌ_１上に温度計ＴＧが配置され、熱交換器１から見て上流側の温度計ＴＧと下流側の温度計ＴＧとの温度が比較される。
例えば下流側で検出された温度が、上流側で検出された温度に比してさほど降下していない場合、熱交換器１の熱交換効率が低下しているものと推測される。よって全体制御装置５は、上流側の温度計ＴＧと下流側の温度計ＴＧの温度計ＴＧでそれぞれ測った温度の差に応じて、熱交換器１の制御部１３を介して電極板１２の極性反転動作を制御する。例えばこの差分が所定の値以下であれば、電極板１２の極性反転動作を行って洗浄処理に入ってもよい。このとき、全体制御部５は、作動流体の流通を停止して上記した洗浄処理を行う制御も実行してもよい。
なお、本変形例３では第１流体の温度を検出する例を用いて説明したが、熱交換器１に流入して当該熱交換器１から流出する第２流体の温度を検出するようにしてもよい。

【0058】

≪変形例４≫
図１１は変形例４を説明する図であり、上述した第１実施形態のバイナリー発電システムＢＥＳ１に比べて凝縮器４の構成が異なっている。すなわち、変形例４の凝縮器４１は、上述した電極板１２_１〜１２_４に対応する電極板１２_５〜１２_８が電解槽としての容器内にそれぞれ配置されており、これらの電極板１２によって冷たい流体が流通する流路と作動流体（概ね気液二層状態となっている）が流通する流路がそれぞれ区画されている。
本変形例が上記実施形態あるいは変形例と大きく異なる点は、浄化処理に適用される液体（第１液体）が、凝縮器４に流入する冷たい流体（例えば冷水）であることである。すなわち本発明の「第１流体」には、比較的温度の高い流体（温水・熱水など）に限られず、比較的温度の低い流体も含まれる。

【0059】

凝縮器４に第５配管Ｌ_５を介して流入する冷たい液体は、バイナリー発電においては例えば冷却塔と凝縮器との間で循環される。この冷たい液体は、例えば冷水（冷却水）や公知の冷媒（ＨＦＥなど）が適用可能である。よって、使用する冷たい液体の種類によっては、何らかの成分が析出する可能性も想定できる。
したがって、本変形例によれば、凝縮器４に流入する冷たい液体に対しても浄化処理を行うことができ、システム全体の効率を更に押し上げることが可能となる。

【0060】

上述した各実施形態および各変形例では、熱交換器１内の少なくとも一部の流路を電極板によって形成したが、これに限られず例えば熱交換器１に接続される第１配管Ｌ_１をそのまま熱交換器１内に延伸させてもよいし、第１配管Ｌ_１よりも熱伝導性が高い材質の配管を熱交換器１内に配置してもよい。
また、電極板１２は図１２（ａ）に示すごとき平板状である必要は必ずしもなく、例えば図１２（ｂ）や図１２（ｃ）に示すような、蛇行する曲面を持った波面状の板でもよいし、凹部と凸部が連続して連なる凹凸状の板を電極板１２として適用してもよい。なお、図１２（ｂ）又は図１２（ｃ）に示す電極板１２を複数枚並べて採用する場合には、各々の電極間距離が、電極板１２の面内においてなるべく均一となるように同種・同形状の電極板１２を並行に配置することが望ましい。また、電極板１２の凹部や凸部が、第１流体や第２流体の流れの方向に沿って延びるように電極板１２が電解槽内に配置されることが望ましい。

【0061】

以上で説明した各実施形態および各変形例は適宜組み合わせて地熱発電システムを構成してもよい。
また、上記ではバイナリー発電システムを例にして説明したが、他の方式の地熱発電システムに本発明を適用してもよい。さらには地熱発電システムに留まらず、流体を用いて熱交換を行う他の発電方式に本発明を適用してもよい。

【産業上の利用可能性】

【0062】

以上説明したように、本発明の熱交換器および発電システムは、低コストで高効率なシステムを構築するのに適している。

【符号の説明】

【0063】

ＢＥＳ バイナリー発電システム
Ｉ 電流計
Ｐ 圧力計
ＴＧ 温度計
Ｌ_１〜Ｌ_６ 配管
ｅ_１〜ｅ_３ 配線
１ 熱交換器
２ 蒸気タービン（第１蒸気タービン）
３ 発電機（第１発電機）
４ 凝縮器
５ 全体制御装置
６ 減圧気液分離器
７ 蒸気加減弁
８ 蒸気タービン（第２蒸気タービン）
９ 発電機（第２発電機）
１１ 電解槽
１２ 電極板（陰極板または陽極板）
１３ 制御部
４１ 凝縮器
１００ 熱交換器
１０１ 洗浄装置
１０２ 容器
２００ 一次熱交換器
２０１ 二次熱交換器

【要約】

【課題】高効率で低コストな熱交換器およびこの熱交換器を用いた発電システムを提供する。
【解決手段】本発明の熱交換器は、第１流体が流通可能な第１流路と、前記第１流体との間で熱交換を行う第２流体が流通する第２流路を有し、電源から所定の電位が付与される陽極板と陰極板により前記第１流路および前記第２流路の少なくとも一部が区画された電解槽と、所定の周期毎に、前記陽極板と前記陰極板に前記所定の電位を付与するとともに前記電位を付与した後に前記陽極板と前記陰極板の極性を反転する制御を行う制御部と、を含むことを特徴とする。
【選択図】 図１

【図1】

【図2】

【図3a】

【図3b】

【図4】

【図5】

【図6a】

【図6b】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】