JP2010190471A

JP2010190471A - 熱交換パイプ

Info

Publication number: JP2010190471A
Application number: JP2009034016A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Ono; 雅敏小野; Shinji Yasue; 伸二安江; Kazuyasu Nakane; 和靖中根; Hiroyuki Nishimura; 浩之西村; Takeshi Kashiwagi; 猛柏木
Original assignee: Inoac Technical Center Co Ltd
Current assignee: Inoac Technical Center Co Ltd
Priority date: 2009-02-17
Filing date: 2009-02-17
Publication date: 2010-09-02

Abstract

【課題】熱交換効率の高い樹脂製熱交換パイプの提供。
【解決手段】流動する液体と外部との熱交換をするための熱交換パイプにおいて、樹脂と、前記樹脂中に分散しているマルチウォールカーボンナノチューブと、を含有し、前記カーボンナノチューブの平均直径が、２０ｎｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする、熱交換パイプ。
【選択図】なし

Description

本発明は、熱交換パイプに関し、特に、高い熱伝導率及び降伏点を有する熱交換パイプに関する。

ビル空調、一般家庭空調、融雪設備等の熱源として、地中の熱を利用したシステムは、地中熱交換システムと呼ばれている。地中熱交換システムは、熱交換パイプにより流路が形成されている地中熱交換器（パイプ）と、当該地中熱交換器と接続されたヒートポンプとからなり、当該地中熱交換器を地中に埋設して地中熱と熱交換する。当該システムは、ヒートポンプ内で熱交換された熱が地中熱交換器のパイプ内を流れる流体へ移動し、地中に埋設された熱交換パイプを循環する間に地中へ熱を放熱（又は採熱）するため、単に空気との熱交換を行なうよりも効率的に空調運転をすることが可能となる。空気よりも効率的になる理由は、地中温度が年間を通して１５〜１８℃と安定しており、外気温が夏期又は冬期の場合、地中温度と外気温度では差が大きく、空気と熱交換するよりも安定した熱源となりヒートポンプの負荷を低減できることによる。年間の空調負荷を低減できることで、ＣＯ２削減に繋がり、寒冷地などでは、灯油式暖房が主流であるが、より効率が高く、ＣＯ２排出量の少ないヒートポンプによる空調が可能となる（特許文献１）。

熱交換器に使用する熱交換パイプは従来、高密度ポリエチレン管を使用しており、深さ１０ｍ〜１００ｍの穴に挿入することで熱交換器として使用されている。管の構成は地中への往き管と戻り管が地中最深部でＵ字の継手で融着接合された管で、全てポリエチレンからなる材質である。システムの構成上、金属では腐食の恐れがあるため、熱交換器の材質は、樹脂であり、長期の耐久性を有する必要があり、水道用配水管に使用される高密度ポリエチレンが使用されている（材料の熱伝導率は０．３８Ｗ／ｍＫである。）。また、前記地中熱交換パイプの分野とは異なるものの、樹脂製のヒートパイプにおいて、カーボンナノファイバーを所定量含有させることにより、伝熱効果を向上させることが可能であることが記載されている（特許文献２）。

特開２００１−２８９５３３号公報特開２００４−１９８０９８号公報

特許文献１及び２の技術によれば、これらのパイプに使用される材料は熱伝導率が低いため熱交換効率に問題があった。そのため、例えば、地中熱交換器に使用する場合、熱負荷に対する必要な熱量を地中から得るために当該パイプを用いた流路長を長くする必要があり、それに伴う掘削費用等によりコストがかさむという問題を有していた。そこで、本発明は、更に、熱交換効率の高い樹脂製熱交換パイプを提供することを第一の目的とする。

また、地中熱交換システムの施工の際には、坑井の中に地中熱交換器（パイプ）を埋め込まなければならないが、この際にパイプが折れ曲がり変形したり、パイプに亀裂が入ってしまうという問題を有していた。そこで、本発明は、高い降伏点を有する樹脂性熱交換パイプを提供することを第二の目的とする。

本発明（１）は、流動する液体と外部との熱交換をするための熱交換パイプにおいて、
樹脂と、前記樹脂中に分散しているマルチウォールカーボンナノチューブと、を含有し、
前記カーボンナノチューブの平均直径が、２０ｎｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする、熱交換パイプである。

本発明（２）は、押出成形により製造された、前記発明（１）の熱交換パイプである。

本発明（３）は、前記熱交換パイプの表面に、絶縁層を有する、前記発明（１）又は（２）の熱交換パイプである。

本発明（４）は、前記熱交換パイプの内面に、乱流誘起手段が付されている、前記発明（１）〜（３）のいずれか一つの熱交換パイプである。

本発明（５）は、前記乱流誘起手段が、前記熱交換パイプの内面に形成されている蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面又はこれらの組合せである、前記発明（４）の熱交換パイプである。

本発明（６）は、前記熱交換パイプの外面が、起伏面を有する、前記発明（１）〜（５）のいずれか一つの熱交換パイプである。

本発明（７）は、前記起伏面が、蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面又はこれらの組合せである、前記発明（６）の熱交換パイプである。

本発明（８）は、内部にＵ字型流路を有する継手部と、前記継手により接続されている二本の熱交換パイプと、を有する地中熱交換器であって、
前記熱交換パイプのうち、少なくとも一本が、前記発明（１）〜（７）のいずれか一つの熱交換パイプであることを特徴とする、地中熱交換器である。

本発明（９）は、前記継手部が、Ｕ字流路内にＵ字管内乱流誘起手段を有する、前記発明（８）の地中熱交換器である。

本発明（１０）は、前記Ｕ字管内乱流誘起手段が、メッシュ、邪魔板又はこれらの組合せである、前記発明（９）の地中熱交換器である。

本発明（１１）は、前記発明（１）〜（７）のいずれか一つの熱交換パイプを含む、地中熱交換システムである。

本発明（１２）は、前記発明（８）〜（１０）のいずれか一つの地中熱交換器を含む、地中熱交換システムである。

本発明（１３）は、前記発明（１）〜（７）のいずれか一つの熱交換パイプを含む、高温排水熱回収システムである。

本発明（１）により、熱伝導率が顕著に高く、更に、高い降伏点を有する熱交換パイプを得ることができるという効果を奏する。また、クリープ性、ＥＳＣＲ性（環境亀裂防止性）が向上する効果を奏する。更に、本発明により、継手部分との熱融着強度が向上する効果を奏する。

本発明（２）より、熱交換パイプを構成する樹脂に含まれる、カーボンナノチューブが押し出し方向に配向するため、パイプの長軸方向の強度が特に増すという効果を奏する。

本発明（３）は、迷走電流の発生を防止するという効果を奏する。

本発明（４）、（５）は、熱交換パイプ内を流れる流体を乱流とすることにより、熱交換効率が高まるという効果を奏する。

本発明（６）、（７）は、熱交換パイプの外部の表面積が広くなるため、熱交換効率が向上するという効果を奏する。

本発明（８）により、熱交換効率の高い地中熱交換器を提供することができるという効果を奏する。

本発明（９）、（１０）により、熱交換器内を流れる流体が乱流となるため、熱交換効率が向上するという効果を奏する。

本発明（１１）、（１２）により、当該システムの施工時に掘削しなければならない坑井の総長を短くすることが可能であるため、掘削費用が低く抑えられるという効果を奏する。

本発明（１３）により、熱交換効率が高いだけでなく、高い耐腐食性を有し、更に、カーボンナノチューブがアンカー効果を発揮するため、流動体中に流出しにくくなるので黒水が発生しにくくなるという効果を奏する。

図１は、本最良形態に係る熱交換パイプの一部切断概略図である。図２は、本最良形態に係る熱交換パイプの一部切断概略図である。図３は、本最良形態に係る熱交換パイプの一部切断概略図である。図４は、本最良形態に係る継手部の概略図である。図５は、本最良形態に係る継手部の概略断面図である。図６は、本最良形態に係る地中熱交換システムの概略図である。図７は、本最良形態に係る地中熱交換システムのヒートポンプ部の概略図である。図８は、本最良形態に係る高温排水熱回収システムの概略図である。図９は、降伏性試験の結果を示す図である。

《熱交換パイプ》
組成
本最良形態に係る熱交換パイプは、樹脂と前記樹脂中に分散しているカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）とを含有する。ＣＮＴを配合することにより、熱伝導性の高い材料を得ることが可能となる。これらのＣＮＴは、樹脂中でアンカー効果を発揮するため、当該パイプ内を通過する流動体に溶出しにくい。前記成分の他に、任意で、酸化防止剤等の熱安定剤や、顔料等の着色剤や、無機フィラー等が含まれていてもよい。その他、熱交換パイプの表面に絶縁層が設けられていてもよい。以下、樹脂、カーボンナノチューブ、任意成分について順に詳細に説明し、熱交換パイプの形状について説明する。

本最良形態に係るカーボンナノチューブは、マルチウォールカーボンナノチューブ（ＭＷＣＮＴ）である。カーボンナノチューブの平均長さは、０．１〜１００μｍが好適であり、０．１〜５０μｍがより好適であり、０．１〜２０μｍが更に好適である。尚、当該チューブの平均長さは、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて、所定範囲内に存在する１００個以上の構造体について測定し、その平均値とする。カーボンナノチューブの平均直径は、２０ｎｍ〜１μｍが好適であり、５０〜５００ｎｍがより好適であり、８０〜２００ｎｍが更に好適である。このように、カーボンナノチューブとしてマルチウォールカーボンナノチューブを選択すると共に当該マルチウォールカーボンナノチューブの直径を所定範囲とすることにより、特に高い熱伝導率を有する熱交換パイプとなるとともに、高い降伏点を有する材料となる。尚、当該チューブの平均直径は、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）を用いて、所定範囲内に存在する１００個以上の構造体について測定し、その平均値とする。

また、カーボンナノチューブの合成法も特に限定されず、いかなる合成方法、例えば、電気放電法（C.Journet et al., Nature 388, 756(1997)及びD.S.Bethune et al., Nature 363, 605(1993))、レーザー蒸着法（R.E.Smally et al., Science 273, 483(1996)）、気相合成法（R.Andrews et al., Chem. Phys. Lett.,303,468, 1999)、熱化学気相蒸着法（W.Z.Li et al., Science, 274, 1701(1996)、Shinohara et al., Jpn.J.Appl.Phys. 37, 1257(1998))、プラズマ化学気相蒸着法（Z.F.Ren et al., Science. 282,1105(1998)）等により製造されたものでもよい。尚、合成に際し金属触媒が用いられた粗生成物に関しては、酸で処理して金属触媒を除去することが好適である。酸処理に関しては、例えば、特開２００１−２６４１０記載のように、酸水溶液としては硝酸溶液又は塩酸溶液を用い、例えば、硝酸溶液は５０倍の水に希釈された溶液を、塩酸溶液も５０倍の水に希釈された溶液を使用する手法を挙げることができる。そして、このように酸処理した後、洗浄し、フィルタリングし、カーボンナノチューブ水溶液とする。

本最良形態に係る樹脂としては、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルが挙げられる。これらの中でも、特にポリエチレンが好適であり、特に、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）が好適である。

その他、本最良形態に係る酸化防止剤としては、当業者に公知のいずれの酸化防止剤であってもよいが、例えば、１，３，５−トリメチル−２，４，６−トリス（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシベンジル）ベンゼンやペンタエリスリチル−テトラキス［３（３，５−ジ−ｔ−ブチル−４−ヒドロキシフェニル）プロピオネート］などが挙げられる。

本最良形態に係る顔料は、当業者に公知のいずれの顔料であっても使用可能であるが、例えば、無機顔料、例えば金属酸化物（酸化鉄、酸化亜鉛、および二酸化チタンなど）、混合金属酸化物、カーボンブラック、有機顔料、例えばアントラキノン、アントラロトン、アゾおよびモノアゾ化合物、アリールアミド、ベンズイミダゾロン、ＢＯＮＡレーキ、ジケトピロロ−ピロール、ジオキサジン、ジスアゾ化合物、ジアリリド化合物、フラバントロン、インダントロン、イソインドリノン、イソインドリン、金属錯体、モノアゾ塩、ナフトール、ｂ−ナフトール、ナフトールＡＳ、ナフトールレーキ、ペリレン、ペリノン、フタロシアニン、ピラントロン、キナクリドン、およびキノフタロン、並びにそれらの組み合わせが挙げられる。

本最良形態に係る無機フィラーとしては、針状、繊維状、板状、鱗片状のフィラーはいずれも使用可能であるが、例えば、タルク、マイカ、ゾノトライト、酸化チタン、硫酸マグネシウム、炭酸カルシウム、ワラストナイト、カオリン、ガラス繊維、ガラスフレーク、カーボンウィスカー、ウィスカー、グラファイト、カーボンブラック、導電性金属繊維等が挙げられる。

本最良形態に係る熱交換パイプは、表面に絶縁層（絶縁コーティング層）を設けることが好適である。当該絶縁層により、地中の迷走電流がパイプを導電して、パイプに装着されている金属継手の腐食の発生を防止することが可能となる。尚、絶縁層に用いられる材料の組成は、絶縁性を有すれば、特に限定されず、例えば、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル等が挙げられる。

本最良形態に係る熱交換パイプのカーボンナノチューブの含有量は、熱交換パイプの全質量を基準として１〜５０ｗｔ％が好適であり、３〜４０ｗｔ％がより好適であり、１０〜３０ｗｔ％が更に好適である。酸化防止剤の配合量は、樹脂の重量に対して０．０５〜０．６ｗｔ％が好適であり、０．１〜０．５ｗｔ％が更に好適である。顔料の含有量は、熱交換パイプの全質量を基準として、０．０１〜１０ｗｔ％が好適であり、０．１〜５ｗｔ％がより好適であり、０．２５〜２ｗｔ％が更に好適である。その他、無機フィラーの含有量は、熱交換パイプの全質量を基準として０．０１〜５０ｗｔ％が好適であり、０．０５〜３０ｗｔ％がより好適であり、０．１〜２０ｗｔ％が更に好適である。

本最良形態に係る熱交換パイプの熱伝導度は、０．８Ｗ／ｍＫ以上が好適であり、１．２Ｗ／ｍＫ以上がより好適であり、２．０Ｗ／ｍＫ以上が更に好適である。上限は特に制限がないが、通常は１０．０Ｗ／ｍＫ以下である。熱交換パイプの降伏性については、後述するが、脆性破壊しないのが好ましい。

形状
続いて、本最良形態に係る熱交換パイプの形状について説明する。本最良形態に係る熱交換パイプは、用途に合わせて適切な形状とすることが出来るが、例えば、直管状、コイル状とすることが可能である。

また、熱交換パイプの内面には、乱流誘起手段を付することが好適である。ここで、乱流誘起手段としては、パイプ内を流れる流体を乱流にすることが可能であれば特に限定されないが、後述する起伏面が挙げられる。パイプの内面に乱流誘起手段を付することにより、パイプ内を流動する流体が乱流となりやすくなる。乱流の場合、層流である場合と比較して、流体とパイプ外部との熱交換が効率よく行なわれる。図１は、乱流誘起手段の一例を示すために、パイプの一部を切断した概念図である。図１（ａ）に示すパイプは、その外面は平滑な管形状を有するが、その内面は蛇腹状起伏面となっている。当該蛇腹状起伏面により、パイプ内を流れる流体が乱流となりやすくなる。図１（ｂ）に示すパイプは、図１（ａ）のものと同様にその外面は平滑な管形状を有するが、その内面は、螺旋状起伏面となっている。螺旋状の起伏面を有することによっても、パイプ内を流れる流体が乱流となりやすくなる。その他、図１（ｃ）に示すように、内面にシボ状起伏面を設けることも好適である。

熱交換パイプの外面は、蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面であることが好適である。当該面を有することにより、接触面積が大きくなるため流体と外部との熱交換が効率的に行なわれる。例えば、図２（ａ）に示すように、熱交換パイプの内面は平滑な管形状であるが、外面のみが蛇腹状起伏面を有する形状とすることが好適である。また、前記熱交換パイプと同様に外面のみをシボ状面とすることも好適である｛図２（ｂ）｝。また、外面のみが上記の起伏面を有していてもよいが、熱交換パイプの内面及び外面の形状が、蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面であってもよい（図３）。また、図３（ａ）に示すように、内面が蛇腹状の起伏面である場合には、外面は内面と同様のピッチを有する蛇腹状の起伏面とすることが好適である。螺旋状の場合も同様に、図３（ｂ）に示すように、内面が螺旋状の起伏面である場合には、外面は内面と同様のピッチを有する螺旋状の起伏面とすることが好適である。当該構成とすることにより、パイプ内を流れる流体が乱流となりやすくなるとともに、流体と外部との熱交換が効率的に行なわれる。

《製造方法》
本最良形態に係る熱交換パイプの製造方法は、周知の方法を用いて製造することが可能であるが、特に、押出成形により製造されることが好適である。押出成形法により製造する場合、熱交換パイプを構成する樹脂に含まれる、カーボンナノチューブが押し出し方向に配向するため、パイプの長軸方向の強度が特に増す。このため、押出直後にもその形状を保持するので、冷却工程が必要なくなる。以下、押出成形について説明する。また、絶縁層は、周知の方法により設けることが可能であるが、例えば、２層成形の押出成形機にて一体押出しにて成形する方法や、後工程にてクロスヘッド押出機によりカバーリング成形する方法等が挙げられる。

《用途》
本最良形態に係る熱交換パイプは、特に限定されないが、例えば、地中熱交換用、温泉設備における高温排水熱回収用、地熱発電用として使用することが可能である。これらの中でも、地中熱交換用、温泉設備における高温排水熱回収用として使用することが特に好適である。以下、当該用途に係る地中熱交換システム及び高温排水熱回収熱交換システムについて詳述する。

地中熱交換システム
図６は、本最良形態に係る地中熱交換システムの実施形態を示す概略図である。本最良形態に係る地中熱交換システムＳ１は、ヒートポンプ部１００と、前記ヒートポンプ部１００と熱交換可能に接続されており、その一部が地中に埋設されている地中熱交換器２００とを有する。また、ヒートポンプ部１００の他端には、例えば、冷暖房装置３００が取り付けられている。図６において、地中熱交換器２００は、Ｕ字形状を有し、地中にほぼ鉛直方向に掘削された坑井Ｈ内に配設されている。また、地中熱交換器２００は、往路管路２０１と復路管路２０３と、内部にＵ字型流路を有し前記往路管路と復路管路とを接続するため継手部２０２とを含んだループ状の循環水路をなし、後述するように、ヒートポンプ部１００の熱交換器に熱的に結合される。

このような地中熱交換器２００は、本最良形態に係る熱交換パイプから構成されることが好適であるが、特に、往路管路２０１を構成する熱交換パイプが、本最良形態に係る熱交換パイプから構成されることが好適である。本最良形態に係る熱交換パイプを用いた場合、ＣＮＴが樹脂中に分散しているが、この物質はアンカー効果により熱交換パイプ内を流れる熱伝達媒体中に溶出しにくいという特性を有する。また、本最良形態に係る熱交換パイプは、高い熱伝導性だけでなく、材料の強度も高いため、当該熱交換パイプの肉厚を薄く形成しても十分な強度を有する。また、当該パイプの肉厚を薄く形成することにより、当該パイプ内を流動する熱交換媒体と地中との間の熱交換を更に効率よく行なうことが可能となる。また、本最良形態に係る熱交換パイプは、特に限定されないが、外径が２７〜５０ｍｍ、内径が２１〜４１ｍｍの配管２本をＵ字形の曲り管で接続したものを採用し、坑井Ｈ内に配置されるとともに、坑井Ｈ内に注入されたセメントやベントナイト等を固化することにより固定される。尚、坑井Ｈの深度は、坑井Ｈが位置する場所の地下温度分布によって異なる。このように、当該システムは地中に坑井Ｈを掘削し、熱交換パイプを挿入、埋設するが、当該掘削コストの高さが特に問題となる。従来はポリエチレン製の地中熱交換パイプを使用していたので、坑井Ｈの戸建住宅１軒あたり総長は、少なくとも１００ｍほど必要であった。また、地中からの採熱量が少ない場合や、建物の熱負荷が大きい場合には、更に、総長が長く必要となり、それに伴い掘削費用も高くなる。掘削長さの設計は、地中から採熱できる熱量（概ね３０〜４０Ｗ／ｍ）を設定して、建物の空調負荷との計算で長さを決定する。この際に、地中からの採熱量が多ければ、掘削の総長を削減することが可能となり、システムに要する費用も削減可能である。従来のポリエチレン製の管では熱伝導率が０．３８Ｗ／ｍＫと熱効率が低いが、本最良形態に係る熱交換パイプを使用することにより熱効率が高くなるため、１ｍあたりの熱量は増加する。従って、掘削しなければならない坑井の総長も短くすることが可能であるため、掘削費用が低く抑えられる。

図４は、本最良形態に係る継手部２０２の概略構成図である。ここで、継手部２０２は、内部にＵ字形状の流路Ｐを有する。また、継手部２０２の先端部分２０２ａは、地中に導入しやすいようにするため、幅が細く成形されている。また、本最良形態に係る継手２０２は、流路Ｐの一部にメッシュ、邪魔板等のＵ字管内乱流誘起手段が形成されている。図５は、継手部２０２のＡ−Ａ’断面概念図であり、流路Ｐの内部にメッシュ、邪魔板が設けられている様子を示している。ここで、使用可能なメッシュとしては、特に限定されないが、円状枠体と前記枠体の内部形成された格子状部材を有するメッシュ部材（例えば、図５中の２０２ｂ）や、円状枠体と前記枠体内部に形成された放射状部材を有するメッシュ部材（例えば、図５中の２０２ｃ）や、円板にパンチング穴を多数有するメッシュ部材（例えば、図５中の２０２ｄ）が挙げられる。また、メッシュ部材の配置される位置は、流路内であれば、特に限定されない。邪魔板としては、例えば、円弧を一部に有する形状の邪魔板を使用することが可能である（２０２ｅ）。邪魔板の配置としては、当該邪魔板を流路Ｐ内に対向して２つの邪魔板を配置することが好適である。また、当該邪魔板を複数組設けてもよく、例えば、対向する一組の邪魔板の下流に、前記邪魔板の対向する角度に対して９０°となるように対向する邪魔板をもう一組設けることが好適である（図５）。当該構成により、乱流を誘起しやすくなる。尚、図５には、例示した全てのメッシュ、邪魔板が設けられているが、これら全てが設けられている必要はなく、一部でも設けられていればよい。当該継手部材の製造方法については、特に限定されないが、特開２００５−３１３５号公報に記載されている。

地中熱交換器２００内で循環する熱伝達媒体としては、特に限定されないが、例えば、水、ブライン、エタノール等や、水とブライン又はエタノールとの混合溶液からなる不凍液が挙げられる。これらの中でも、特に、粘性や摩擦抵抗の観点から高濃度エタノールが望ましい。またこのような地中熱交換器２００内を循環する熱媒体の流速は、例えば、０．３６ｍ／ｓとなるように設定することが好適である。

本最良形態において、地中熱交換器２００に接続されているヒートポンプ部１００は、図７に示すように、地上側施設Ｉの冷暖房用配管３０１に熱的に結合されている。すなわち、地中から地表に現われた地中熱交換器２００の熱交換パイプは、ヒートポンプ部１００まで延長されて、その熱源側熱交換器１０１に熱的に結合され、一方、地上側施設Ｉの冷暖房用熱交換器としての配管３０１は、ヒートポンプ部１００の負荷側熱交換器１０３に熱的に結合され、これらの熱源側熱交換器１０１と負荷側熱交換器１０３は、圧縮器１０５と膨張弁１０７とを介して代替フロン等の冷媒が封入された冷媒管路１０９によって熱的に結合される。

次に、本最良形態に係る地中熱交換システムＳ１を地上側施設Ｉの冷暖房に適用する場合の動作について説明する。まず、坑井Ｈに配設した地中熱交換器２００内の熱媒体としての循環水を、図示しない循環ポンプによって循環させて、この循環水と地下熱源（地熱）との間で熱交換が行われ、熱交換によって熱を得た循環水は中温水となって、復路配管２０３を通じて地上に戻り、ヒートポンプ部１００の内部を通過し、その熱源側熱交換器１０１において代替フロン等の熱媒体との間で熱交換を行って低温水となり、往路配管２０１に流入する。

そして、ヒートポンプ部１００の熱源側熱交換器において、中温水から熱を吸収して蒸発した代替フロン等の熱媒体は、図７に示すように、圧縮機１０５において圧縮されると高温となり、負荷側熱交換器１０３に送られ、そこで地上側施設Ｉの冷暖房用配管内３０１を循環する熱媒体としての水との間で熱交換を行ない地上側施設Ｉの冷暖房装置３００に利用される。

一方、冷暖房用配管内３０１の水と熱交換した代替フロン等の熱媒体は冷却され、膨張弁１０７によって減圧されることによって、さらに低温となって熱源側熱交換器１０１に戻る。ここで、低温の代替フロン等の熱媒体は、地中熱交換器２００の復路配管２０３を通って再び熱源側熱交換器１０１に戻った中温水と熱交換を行なって、地上側施設Ｉの冷暖房用に利用される。

以上の説明は、地中熱交換システムＳ１で得られた熱を地上側施設Ｉの暖房に利用する場合を例示したが、代替フロン等の熱媒体を逆方向に循環させて熱源側熱交換器の熱交換を逆にすることにより、その熱エネルギーを冷房用として用いることもできる。

すなわち、熱交換パイプ部２００内の循環水と地下熱源（地熱）との間で熱交換が行われ、熱交換によって熱を得た循環水は中温水となって、復路配管２０３を通じて地上に戻り、地上側施設Ｉ内に設置されたヒートポンプ部１００の内部を通過し、その熱源側熱交換器１０１において代替フロン等の熱媒体との間で熱交換を行って高温水となり、往路配管２０１に流入する。

そして、ヒートポンプ部１００の熱源側熱交換器１０１において、中温水に熱を与えて凝縮した代替フロン等の熱媒体は、膨張弁１０７によって減圧されて低温となり、負荷側熱交換器１０３に送られ、そこで地上側施設Ｉの冷房用配管内３０１を循環する熱媒体としての水との間で熱交換を行ない、熱を失った水は冷水となって配管３０１内を循環し、地上側施設Ｉの冷房用に利用される。

一方、冷房用配管内３０１の水と熱交換した代替フロン等の熱媒体は、そこで吸熱して蒸発し、圧縮器１０５において圧縮されて高温となって熱源側熱交換器１０１に戻る。ここで、高温の代替フロン等の熱媒体は、地中熱交換器２００の復路配管２０３を通って再び熱源側熱交換器１０１に戻った中温水と熱交換を行なって、地上側施設Ｉの冷房用に利用されることになる。

尚、本最良形態に係る地中熱交換システムＳ１を、冷房用に利用する場合に、高温の代替フロン等の熱媒体と熱交換をして高温水となった循環水の熱エネルギーは、往路配管２０１を介して地中に放出されるが、この熱エネルギーを給湯やプールの温水造成に再利用することもでき、さらには、このような温水を道路の下に敷設した配管内に循環させて、道路の融雪や凍結防止に利用することもできる。また、上記の実施形態においては、地中熱交換器２００は地中にほぼ鉛直方向に配設されているが、配設方向はこれに限られるものではなく、例えば、地中に斜め方向に、又は地上に沿って水平方向に坑井が掘削された場合にも適用可能である。

高温排水熱回収システム
図８は、本最良形態に係る高温排水熱回収システムＳ２の概略構成図である。ここでは、温泉施設において使用する高温排熱回収システムについて説明する。浴場５００には浴槽５０１と真水温水を給水する複数個の蛇口５０２が設けられている。浴槽５０１は源泉Ｈからポンプ５０４によって温泉水が送水（圧送）される。温泉水の温度は４０℃〜９０℃程度である。源泉Ｈからの温泉水は後述するパイプ式熱交換器５０７で熱交換された温水と混合されて浴槽５０１に導かれる。

浴場５００から排出された温排水は温排水槽５０５に貯留される。温排水槽５０５は温排水に含まれる砂やカミソリの刃などの金属片を沈殿させる。温排水槽５０５に貯留された温排水はポンプ５０６によってパイプ式熱交換器５０７に送水される。

パイプ式熱交換器５０７にはポンプ５１２により汲み上げられた地下水（真水）Ｕが供給されている。地下水Ｕは熱交換器５０７で熱交換され温水となり浴槽５０１と温水器５０９に供給される。ここでパイプ式熱交換器に用いられる熱交換パイプは、本最良形態に係る熱交換パイプであることが好適である。また、熱交換パイプは、コイル形状を有することが好適である。流路長を確保して、十分な熱交換が行われるようにするためである。本最良形態に係る熱交換パイプを使用することにより、樹脂素材で構成されているため、パイプ内を温泉の水のような腐食性の高い流動体を通す場合であっても、十分な耐腐食性を有する。また、カーボンナノチューブは、熱伝導率を高めるだけでなく、更に、樹脂の中に混練されておりアンカー効果を発揮するため、流動体中に流出しにくくなるので黒水が発生しにくくなる。

ボール式洗浄装置５０８はパイプ式熱交換器５０７のパイプの一端から洗浄ボールを注入し他端まで移動するようにして洗浄する。ボール式洗浄装置５０８としては、例えば、特開２００１−３０３５１０号、特開２００２−３０２９２２号、特開２００３−０２７４１１号のようなものが用いられる。

パイプ式熱交換器５０７で熱交換した温排水はボール式洗浄装置５０８から図示しない河川に放流（排水）される。温水器５０９はパイプ式熱交換器５０７から供給される温水を加熱してポンプ５１０によって浴場５００の蛇口５０２に供給する。

この構成において、浴場５００から排出された温排水は温排水槽５０５に貯留される。温排水槽５０５に貯留された温排水はポンプ５０６によってパイプ式熱交換器５０７に送水される。パイプ式熱交換器５０７においてポンプ５１２により汲み上げられた地下水（真水）Ｕが熱交換され温水となり浴槽５０１と温水器５０９に供給される。

このように、河川に放流する温排水の温度を低下させることができる自然界への影響を抑制し、また、温排水の熱エネルギーを有効に利用することができる。

さて、このように温排水の熱エネルギーを熱交換して有効に利用するときに、ボール式洗浄装置５０８は定期的にパイプ式熱交換器５０７のパイプ一端から洗浄ボールを注入し他端まで移動するようにして洗浄する。

源泉Ｈの温泉水の水質や入浴者の頭髪、脂分などによってパイプ式熱交換器５０７のパイプが詰まるのを防止して熱交換が良好に行えるようにしている。

このようにして浴場から排出される温排水の廃熱を回収するのであるが、温排水をパイプに導入し真水を温水するパイプ式熱交換器を設け、このパイプ式熱交換器で熱交換された温水を浴場に真水温水を供給する温水器に供給するようにしているので、河川に放流する温排水の温度を低下させることができるとともに温排水の熱エネルギーを有効に利用することができる。

尚、上述の実施例はパイプ式熱交換器の洗浄装置としてボール式洗浄装置の例を挙げているが、他の洗浄装置でも同様な効果が得られることは明らかなことである。また、真水は地下水でなく高架水槽に溜めた水であってもよいことは勿論のことである。

表１に示すような、カーボンファイバー（ＣＦ）、カーボンマイクロファイバー（ＣＭＦ）、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴ）を、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）に混練し（ラボプラストミル、１７０℃、２分）、プレス成形（１５０℃、２分）した成型品（ＪＩＳ６号ダンベル）を用い、島津オートグラフにて引張試験（ヘッドスピード５０ｍｍ／ｍｉｎ）を行い、引張強度と降伏性を評価した。尚、熱伝導率は京都電子工業（株）ＱＴＭ−５００を用い、試料サイズ１０９×５０×２ｍｍの試験片を同様に作成して測定した。また、表中の強度変化率とは、材料の引張強度とベースポリマー（ＨＤＰＥ）の引張強度との比率を意味する。尚、ＨＤＰＥのみの場合の引張強度は、１９．５ＭＰａであった。結果、添加量5％の場合、実施例では高い熱伝導率を示すことがわかった。添加量20％の場合、比較例でも高い熱伝導率を示すが、降伏性が悪くなることがわかった。

降伏性：
図９に示すように、引張試験を行い、横軸に伸び、縦軸に引っ張り強度をとると、降伏性の良いものは強度ピークが過ぎても伸び続ける。それに対し、悪いものはピークが過ぎるとすぐに破断してしまう。これは、材料の「粘り」を示しており、単に強度だけでは比較できない割れにくさ（＝脆性破壊しにくい）の指標となる（引張強度はいずれも悪くなっていない）。この評価が悪いと、パイプとした場合に割れやすく、施工時や使用時に問題が生ずる。尚、図９において、ａは引張のピークまでの伸び（ｍｍ）であり、ｂは当該ピークを過ぎてから破断までの伸び（ｍｍ）である。ここで、○は引張試験時ピークを過ぎてもサンプルが伸び続けてすぐに破断しない（ピーク後破断までの伸びが５ｍｍ以上）、△はサンプルはある程度伸びてから破断する（同、２〜５ｍｍ、脆性破壊に近い）、×はピークを過ぎるとすぐに破断し、脆性破壊する（同、２ｍｍ以下）ことを示す。

Ｓ１：地中熱交換システム
１００：ヒートポンプ部
１０１：熱源側熱交換器
１０３：負荷側熱交換器
１０５：圧縮器
１０７：膨張弁
１０９：冷媒管路
２００：地中熱交換器
２０１：往路管路
２０３：復路管路
３００：冷暖房装置
３０１：冷暖房用配管
Ｈ：坑井
Ｉ：地上側施設
Ｓ２：高温排水熱回収システム
５００：浴場
５０１：浴槽
５０２：蛇口
５０４：ポンプ
５０５：温排水槽
５０６：ポンプ
５０７：パイプ式熱交換器
５０８：ボール式洗浄装置
５０９：温水器
５１０：ポンプ
５１２：ポンプ
Ｈ：源泉
Ｕ：地下水（真水）

Claims

流動する液体と外部との熱交換をするための熱交換パイプにおいて、
樹脂と、前記樹脂中に分散しているマルチウォールカーボンナノチューブと、を含有し、
前記カーボンナノチューブの平均直径が、２０ｎｍ〜１μｍの範囲であることを特徴とする、熱交換パイプ。
押出成形により製造された、請求項１記載の熱交換パイプ。
前記熱交換パイプの表面に、絶縁層を有する、請求項１又は２記載の熱交換パイプ。
前記熱交換パイプの内面に、乱流誘起手段が付されている、請求項１〜３のいずれか一項記載の熱交換パイプ。
前記乱流誘起手段が、前記熱交換パイプの内面に形成されている蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面又はこれらの組合せである、請求項４記載の熱交換パイプ。
前記熱交換パイプの外面が、起伏面を有する、請求項１〜５のいずれか一項記載の熱交換パイプ。
前記起伏面が、蛇腹状、螺旋状、シボ状の起伏面又はこれらの組合せである、請求項６記載の熱交換パイプ。
内部にＵ字型流路を有する継手部と、前記継手により接続されている二本の熱交換パイプと、を有する地中熱交換器であって、
前記熱交換パイプのうち、少なくとも一本が、請求項１〜７のいずれか一項記載の熱交換パイプであることを特徴とする、地中熱交換器。
前記継手部が、Ｕ字流路内にＵ字管内乱流誘起手段を有する、請求項８記載の地中熱交換器。
前記Ｕ字管内乱流誘起手段が、メッシュ、邪魔板又はこれらの組合せである、請求項９記載の地中熱交換器。
請求項１〜７のいずれか一項記載の熱交換パイプを含む、地中熱交換システム。
請求項８〜１０のいずれか一項記載の地中熱交換器を含む、地中熱交換システム。
請求項１〜７のいずれか一項記載の熱交換パイプを含む、高温排水熱回収システム。