CN104214471B

CN104214471B - 真空隔热材料以及隔热设备

Info

Publication number: CN104214471B
Application number: CN201410043643.4A
Authority: CN
Inventors: 嘉本大五郎; 荒木邦成; 越后屋恒; 寺内康人; 新井佑志
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Global Life Solutions Inc
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2014-01-29
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2034-01-29
Also published as: CN104214471A; KR101579878B1; JP2014234843A; KR20140141420A; JP6190165B2

Abstract

本发明提供真空隔热材料以及隔热设备，可提高真空隔热材料的隔热特性，本发明还提供使用了该真空隔热材料的冰箱以及热水器。一种真空隔热材料，其中，由具有气体阻隔性的外包材料将芯材和气体吸附剂包裹，该芯材是由包含1.0重量%以上5.0重量%以下的硼氧化物并且包含至少50重量%的硅氧化物的玻璃形成的纤维聚集体，将外包材料的内部进行减压而密封。

Description

真空隔热材料以及隔热设备

技术领域

本发明涉及真空隔热材料、使用了该真空隔热材料的隔热设备。

背景技术

作为本技术领域的背景技术，存在有日本特开2008-57745号公报(专利文献1)。在该公报中记载了“一种真空隔热材料1，其通过用具有气体阻隔性的外包材料4将由玻璃纤维形成的芯材2和水分吸附材3进行被覆，并将外包材料4的内部进行减压密闭而形成，玻璃纤维是碱硅酸玻璃，其组成为：包含ZrO₂、ZnO、TiO₂之中的至少任一成分，且在ZrO₂、ZnO、TiO₂的合计量按照重量%为0.5～13%的范围内进行包含”(参照摘要)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-57745号公报

发明内容

发明想要解决的课题

近年，从地球环境保护的观点或者节能化的观点考虑，正在研究家电制品和/或工业设备的隔热性的提高。作为在这种设备的隔热中使用的隔热材料，存在有树脂泡沫、有机纤维或者无机纤维，但在想要提高隔热性的情况下，需要使隔热材料的厚度变厚。然而，在隔热材料的厚度变厚了的情况下，设备整体的容积便会增大。对此，在使隔热材料变厚且不变更设备的容积的情况下，产生了可安装部件等的空间的比例变低等课题。

为了解决该课题，提出了相对于树脂泡沫、无机纤维等隔热性优异的真空隔热材料。关于真空隔热材料，通过将具有气体阻隔性的外包材料制成袋状，向该外包材料的内部放入由纤维聚集体形成的芯材以及气体吸附用的吸气剂(ゲッター剤)，然后对该外包材料的内部进行减压，然后将外包材料的端部密封，从而制作。真空隔热材料与以往的树脂泡沫、无机纤维等隔热材料相比，具有20倍至40倍的隔热性，因而即使使隔热材料的厚度变薄也可进行充分的隔热。

进一步，隔热材料的导热是由固体与气体成分之间的热传导、辐射以及对流热传输而引起的。另一方面，通过将外包材料的内部进行减压而制作的真空隔热材料对气体成分的热传导以及对流热传输方面影响小。进一步，关于真空隔热材料，在常温以下的温度区域使用时，也几乎完全没有辐射的作用，因而抑制固体成分的热传导是重要的。鉴于这种情况，作为隔热性能优异的真空隔热材料用的芯材，使用了例如玻璃纤维、陶瓷纤维、岩棉纤维等平均纤维直径为1.0μm～5.0μm的无机纤维等各种纤维材料。

而且，在上述专利文献1中，通过包含硼氧化物，增加了玻璃材料的强度并且提高了真空隔热材料的隔热特性。但是，硼氧化物相对于玻璃的浓度过高时，则玻璃的耐水性降低。另外，当耐水性降低时，则空气中的水分和/或二氧化碳便会化学性吸附于纤维化的、增加了表面积的玻璃的表面。进一步，所吸附的气体不容易通过在制作真空隔热材料时的减压而去除，并且在制作真空隔热材料之后缓慢地释放到外包材料内的空间，使得真空隔热材料中的真空度降低。即，由于真空隔热材料的隔热特性受到内部的真空度的影响，因此内部的真空度的降低会使得隔热特性降低。

因此，本发明提供一种可提高隔热特性的真空隔热材料、使用了该真空隔热材料的冰箱和/或热水器等隔热设备。

用于解决问题的方案

为了解决上述课题，本发明是一种真空隔热材料，其使用了由包含1.0重量%以上5.0重量%以下的硼氧化物并且包含至少50重量%的硅氧化物的玻璃形成的纤维聚集体。

发明的效果

本发明可提高在纤维聚集体中使用的玻璃的杨氏模量以及耐水性，可提高在用于真空隔热材料时的隔热特性。上述以外的课题、构成以及效果通过以下的实施方式中的说明而明确。

附图说明

图1是表示本发明的各实施例中的真空隔热材料的概略剖视图。

图2是表示具备有上述真空隔热材料的冰箱的概略剖视图。

图3是表示具备有上述真空隔热材料的热水器的概略剖视图。

图4是表示上述实施例1至实施例3以及比较例1至比较例3的纤维聚集体的玻璃的特性的表格。

图5是表示上述实施例1至实施例3以及比较例1至比较例3的硼氧化物(B₂O₃)的添加量与杨氏模量与耐水性的关系的曲线图。

附图标记说明

1真空隔热材料，2纤维聚集体，3外包材料，4吸气剂(气体吸附剂)，5冰箱，15热水器。

具体实施方式

如图1所示那样，本发明的真空隔热材料1通过如下形成：由具有气体阻隔性的外包材料3将由纤维聚集体2形成的芯材以及作为气体吸附用的气体吸附剂的吸气剂4包裹，此外，对包材料3的内部进行减压，然后将该外包材料3的开着口的端部3a密封。而且，真空隔热材料1中，形成纤维聚集体2的纤维是由包含1.0重量%以上5.0重量%以下的硼氧化物(B₂O₃)的玻璃组成形成的所谓玻璃棉。予以说明，硼氧化物优选为2.5重量%以上4.8重量%以下，更优选为2.65重量%以上4.79重量%以下。

具体而言，纤维聚集体2中使用的玻璃，只要由包含1.0重量%以上5.0重量%以下的硼氧化物并且形成玻璃状态的组成形成即可，但是特别是从通用性以及环境方面的观点考虑，优选为以硅氧化物(SiO₂)为主要成分的硼硅酸系玻璃。硅氧化物的含量减少会导致液相温度升高，因此与其它的成分量相比硅氧化物的含量按照重量%优选为最大，更优选包含至少50重量%的硅氧化物。另一方面，硅氧化物的含量增大会导致粘性变高，因而使得生产率降低，因此优选为70重量%以下。另外，该玻璃中，铝氧化物(Al₂O₃)增加会导致液相温度上升并且粘性变高，因此铝氧化物的含量优选为5.0重量%以下，更优选为2.0重量%以下。另一方面，铝氧化物的含量低时则材料强度降低，因而优选包含0.1重量%以上的铝氧化物。

进一步，该玻璃的钠氧化物(Na₂O)以及钾氧化物(K₂O)的添加量增加时则材料强度降低，因而它们的合计的添加量优选为15.0重量%以下。另一方面，减少添加量时则招致熔融温度的升高，因而它们的合计的添加量优选为10.0重量%以上。另外，关于镁氧化物(MgO)的添加量，从提高材料强度的观点考虑优选为2.0重量%以上。另外，从抑制液相温度的升高的观点考虑，镁氧化物的添加量优选为5.0重量%以下。

而且，在该玻璃中，从可提高材料强度的观点考虑，优选包含2.0重量%以上的钙氧化物(CaO)。另一方面，超过10.0重量%时则使液相温度升高，因而优选包含10.0重量%以下的钙氧化物。进一步，在该玻璃中，作为其它的成分，如果不足3.0重量%那么几乎完全没有对玻璃整体造成的影响，因而可使用包含杂质的天然原料或者组成不同的所谓回收碎玻璃(市中カレット)等。另外，在制作该玻璃时，例如可使用锑氧化物等澄清剂，通过使用澄清剂，可良好除泡(泡切れ)而提高生产率。

进一步，作为纤维聚集体2中使用的玻璃的形成方法，例如可使用熔融离心法、火焰法等，但是考虑纤维直径的均匀性、未纤维化的玻璃粒的混入时，则特别优选为熔融离心法。另外，该玻璃的纤维直径，例如可通过利用马克隆尼纤细度(micronaire fineness)或者扫描型电子显微镜等测定。关于基于扫描型电子显微镜的测定，例如，可通过在显微镜照片中测定多个部位例如50部位的纤维直径，利用统计处理而求出纤维直径(平均纤维直径)。考虑工业化的生产率时，则按照平均纤维直径优选为10μm以下，进一步优选为5μm以下。将通过上述的方法而纤维化的玻璃层叠絮集在带有抽吸功能的输送机(未图示)上而制成玻璃棉垫。将玻璃棉垫切断为规定形状而制成隔热材料，并且制成真空隔热材料1用的芯材。予以说明，对于该芯材，有时也在用于各用途之前，通过施加基于热压机的成型等工序，从而整理形状。

进一步，使用通过上述方法制成的纤维聚集体2作为真空隔热材料1的芯材的情况下，使用具有气体阻隔性的外包材料3。外包材料3包含例如表面保护层、气体阻隔层以及热熔敷层(未图示)，通过将这些表面保护层、气体阻隔层以及热熔敷层中的至少1种以上进行层叠而制成薄膜。具体而言，作为表面保护层，例如可使用聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚酰胺薄膜或者聚丙烯薄膜等的拉伸加工品。另外，作为气体阻隔层，例如可使用金属蒸镀薄膜、无机质蒸镀薄膜或者金属箔等。进一步，作为热熔敷层，例如可使用低密度聚乙烯薄膜、高密度聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚丙烯腈薄膜、无拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜或者直链状低密度聚乙烯薄膜等。

另外，可将用于吸附气体的吸气剂4与纤维聚集体2一同容纳于外包材料3中，吸气剂4吸收在将外包材料3的内部进行减压之后密封端部3a后的残存气体及水分，作为该吸气剂4，例如将分子筛、硅胶、氧化钙、合成沸石、活性炭、氢氧化钾、氢氧化钠或者氢氧化锂等单独使用或者组合使用。

进一步，作为使用真空隔热材料1的用途，存在有图2所示的冰箱5以及图3所示的热水器15等。此处，图2是具备有真空隔热材料的冰箱的概略剖视图。另外，图3是具备有真空隔热材料的热水器的概略剖视图。

具体而言，冰箱5是所谓的具有冷冻部的冷冻冰箱，如图2所示那样具备有位于外侧的冰箱外箱9、位于该冰箱外箱9的内侧的冰箱内箱7，在这些冰箱内箱7与冰箱外箱9之间贴附着真空隔热材料1。将该真空隔热材料1贴附于冰箱内箱7或者冰箱外箱9中的至少任一方，然后将这些冰箱内箱7与冰箱外箱9组合，向形成在这些冰箱内箱7与冰箱外箱9之间的间隙中注入隔热材料例如发泡聚氨酯6，从而制作冰箱箱体11。予以说明，关于冰箱5的可开闭的冰箱门12也可同样地制作。进一步，在冰箱箱体11内，安装有用于将该冰箱箱体11内冷却的压缩机8、热交换器(未图示)等部件。

另一方面，热水器15是热泵式的热水器，如图3所示那样具备有贮热水箱16。在该贮热水罐16的圆周面贴附着真空隔热材料1并且在圆周方向覆盖。将由热泵单元20加热的热水介由供热水配管19供给于贮热水罐16中进行储存。另外，储存于贮热水罐16的热水可介由供水管17向外部排水并且向规定部位供水。

以下，使用附图详细说明本发明的真空隔热材料的实施例和比较例。予以说明，这些实施例并非对发明进行限定。

实施例1

如图1所示那样，本实施例1的真空隔热材料1使用了纤维聚集体2作为芯材。纤维聚集体2中，将图4所示的组成的玻璃设为材料。此处，该图4中所示的各数值的单位是重量%。具体而言，构成纤维聚集体2的玻璃的硼氧化物(B₂O₃)的添加量为2.65重量%。进一步，关于纤维聚集体2，利用熔融炉将调整了组成的玻璃以约1200℃的温度进行熔融，然后利用使用了金属制旋转器的离心法进行纺丝。而后，将纺丝得到的纤维按照单位面积重量成为1400g/m²的方式收集于具有抽吸机构的输送机上。此处，关于单位面积重量，根据单位可知，其规定的是将收集了的纤维制成为1m²的尺寸时的重量。

另外，为了调查纺丝得到的纤维的粗细，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为4.9μm。将利用纺丝得到的纤维制作的纤维聚集体2(玻璃棉)切断为宽度500mm×长度1000mm的尺寸，然后利用200℃的干燥炉干燥30分钟，然后将2张的制成为单位面积重量1400g/m²的切断后的纤维聚集体进行层叠。而后，将纤维聚集体2与吸气剂4(UNION SHOWA K.K.制：分子筛5A)一同放入通过将3边缝合而制成袋状的外包材料3，利用一般的旋转式泵，将该外包材料3的内部以10分钟进行吸真空至低于大气压的规定压力，然后利用扩散泵进行吸真空10分钟，然后用热封将该外包材料3的开着口的一侧的端部3a进行密封而制成真空隔热材料1。

利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定该真空隔热材料1(厚度：约12mm)的隔热特性，结果隔热特性为98(指数)。该隔热特性由指数表示，该指数越变高则隔热特性越良好。因此，本实施例1的真空隔热材料1的隔热特性超过95，隔热性非常优异。另外，使用冲击法(バースト法)测定了组成与制作出纤维聚集体2的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为77.9GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而以规定时间将玻璃块(block)浸没于水，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量为少量，耐水性良好。

进一步，以同样的方法制作各种尺寸的真空隔热材料1，使用该真空隔热材料1而制作冰箱5并且测定耗电，结果为：与使用了后述的比较例1的组成的真空隔热材料的情况相比较而言低约5%。其结果可知，通过使用本实施例1的真空隔热材料1，可将设备的耗电抑制为低。

实施例2

本实施例2的真空隔热材料1使用了以图4所示的组成的玻璃为材料的纤维聚集体2。具体而言，构成该纤维聚集体2的玻璃的硼氧化物的添加量为4.65重量%。进一步，纤维聚集体2通过与上述实施例1同样的方法制作，为了调查纺丝得到的纤维的粗细，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为5.0μm。进一步，利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定容纳有该纤维聚集体2的真空隔热材料1(厚度：约12mm)的隔热特性，结果隔热特性为100(指数)。

其结果，本实施例2的真空隔热材料1的隔热特性超过95，隔热性非常优异。另外，使用冲击法而测定了组成与制作出纤维聚集体2的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为79.7GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而将玻璃块浸没于水中，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量为少量，耐水性为良好。

进一步，以同样的方法制作尺寸800mm×1200mm、厚度15mm的真空隔热材料1，使用该真空隔热材料1而制作出热水器15。此处，关于该热水器15的贮热水罐10中储存的热水，只要不使用，则该贮热水罐10内的热水温降低时需要进行重新烧沸，因而热水器15的成效系数(COP：Coefficient of Performance)降低。因此，将使用了本实施例2的真空隔热材料1的情况下与使用了历来使用的一般的发泡聚氨酯的情况下的COP进行了比较，结果可知，通过使用本实施例2的真空隔热材料1，从而可确认出约10%的改善，可将设备耗电抑制为低。

实施例3

本实施例3的纤维聚集体1使用了以图4所示的组成的玻璃为材料的纤维聚集体2。具体而言，构成该纤维聚集体2的玻璃的硼氧化物的添加量为4.79重量%。进一步，纤维聚集体2通过与上述的实施例1同样的方法制作，为了对纺丝得到的纤维的粗细进行调查，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为4.5μm。进一步，利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定容纳有该纤维聚集体2的真空隔热材料1(厚度：约12mm)的隔热特性，结果隔热特性为100(指数)。

其结果，本实施例3的真空隔热材料1的隔热特性超过95，隔热性非常优异。另外，使用冲击法测定了组成与制作出纤维聚集体2的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为78.7GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而将玻璃块浸没于水中，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量为少量，耐水性为良好。

比较例1

本比较例1的纤维聚集体中，使用了以图4所示的组成的玻璃为材料的纤维聚集体。具体而言，构成该纤维聚集体的玻璃的硼氧化物的添加量为0.16重量%。进一步，纤维聚集体通过与上述实施例1同样的方法制作，为了调查纺丝得到的纤维的粗细，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为5.1μm。进一步，利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定容纳有该纤维聚集体的真空隔热材料(厚度：约11mm)的隔热特性，结果隔热特性为94(指数)。

其结果，本比较例1的真空隔热材料的隔热特性低于95，隔热性低。另外，使用冲击法测定了组成与制作出纤维聚集体的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为76.6GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而将玻璃块浸没于水中，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量是微量的，耐水性为良好。其结果可知，在制成硼氧化物的含量为1.0重量%以下的纤维聚集体的情况下，玻璃的杨氏模量变低，无法耐受在制作真空隔热材料时所施加的大气压，因而隔热特性降低。

比较例2

本比较例2的纤维聚集体使用了以图4所示的组成的玻璃为材料的纤维聚集体。具体而言，构成该纤维聚集体的玻璃的硼氧化物的添加量为7.14重量%。进一步，纤维聚集体2通过与上述实施例1同样的方法制作，为了调查纺丝得到的纤维的粗细，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为5.1μm。进一步，利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定容纳有该纤维聚集体的真空隔热材料(厚度：约12mm)的隔热特性，结果隔热特性为94(指数)。

其结果，本比较例2的真空隔热材料的隔热特性低于95，隔热性低。另外，使用冲击法测定了组成与制作出纤维聚集体的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为81.4GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而将玻璃块浸没于水中，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量多，并且耐水性不良。其结果可知，制成硼氧化物的含量为5.0重量%以上的纤维聚集体的情况下，玻璃的杨氏模量变高，但是因耐水性的降低而导致水分等气体吸附于纤维表面，因此在制作出真空隔热材料之后气体扩散到空间中，使得真空度降低并且隔热特性降低。

比较例3

本比较例3的纤维聚集体使用了以图4所示的组成的玻璃为材料的纤维聚集体。具体而言，构成该纤维聚集体的玻璃的硼氧化物的添加量为4.45重量%，硅氧化物的添加量为48.50重量%。进一步，纤维聚集体通过与上述实施例1同样的方法制作，为了调查纺丝得到的纤维的粗细，测定了马克隆尼纤细度，结果平均纤维直径为6.4μm。进一步，利用热导率测定装置(英弘精机株式会社制：オートΛ)在10℃测定容纳有该纤维聚集体的真空隔热材料(厚度：约11mm)的隔热特性，结果隔热特性为92(指数)。

其结果，本比较例3的真空隔热材料的隔热特性低于95，隔热性低。另外，使用冲击法测定了制作出组成与纤维聚集体2的玻璃相同的玻璃的杨氏模量，结果为80.3GPa。进一步，为了评价该玻璃的耐水性，因而将玻璃块浸没于水中，测定了玻璃成分向水中的溶出量，结果向水中的溶出量为少量，耐水性为良好。其结果可知，即使在硼氧化物的含量为1.0重量%以上的情况下，在使硅氧化物的浓度为50重量%以下的纤维聚集体时，玻璃熔融时的粘度高，无法制成细径的玻璃棉，因此在制作出真空隔热材料的情况下的隔热特性降低。

作用效果

图5是表示上述实施例1至实施例3以及比较例1至比较例3的硼氧化物(B₂O₃)的添加量与杨氏模量与耐水性(指标)的关系的曲线图。在图5中，按照圆形的记号表示上述实施例1至实施例3以及比较例1至比较例3的杨氏模量以及硼氧化物的添加量、四方的记号表示上述实施例1至实施例3以及比较例1至比较例3的耐水性(指标)的方式进行绘图。另外，由虚线拉出的直线是圆形的记号的回归直线。即，如图5所示那样，纤维聚集体中使用的玻璃的杨氏模量与硼氧化物的含量(浓度)的升高成比例地增大。另外，玻璃的耐水性伴随着硼氧化物含量的升高而降低。而且，在这些杨氏模量以及耐水性与硼酸氧化物的含量的交点处，硼氧化物的含量为约5.0重量%。进一步，使得玻璃的杨氏模量超过77.0GPa的硼氧化物的含量为1.0重量%以上。

因此，通过使硼氧化物的含量为1.0重量%以上5.0重量%以下，优选为2.5重量%以上4.8重量%以下，更优选为2.65重量%以上4.79重量%以下，可抑制玻璃材料的耐水性的降低，可减低在通过纤维化而增加了的玻璃表面上所吸附的空气中的水分和/或气体的量。其结果，可抑制在制成后真空隔热材料1的内部的压力升高，可获得显示出良好的热导率的真空隔热材料。综上，可确保用作纤维聚集体2的玻璃纤维的机械强度和化学稳定性，可提高作为芯材而使用于真空隔热材料1时的隔热特性。

进一步，在将硼氧化物的含量设为上述数值范围的情况下，通过制成将硅氧化物设为含量多于50重量%的主要成分的纤维聚集体2，从而可制成细径的玻璃棉，可提高在制作出真空隔热材料1的情况下的隔热特性。另外，通过使得用作纤维聚集体2的玻璃纤维的平均纤维直径为10μm以下，更优选为5μm以下，从而可确保工业生产率。

综上，上述的实施例1至3中的真空隔热材料1可提高用作纤维聚集体的玻璃纤维的材料强度，可抑制因制作真空隔热材料1时的大气压缩应力而导致的芯材变形，且可减小玻璃纤维的变形量，因而可抑制各纤维间的接触面积的增大。

予以说明，本发明不受限于上述的实施例，包含各种各样的变形例。例如，上述的各实施例是为了使人容易理解本发明而进行详细说明的实施例，并不受限于具备有所说明的全部的构成的实施例。另外，可将某一实施例的构成的一部分置换为其它实施例的构成，另外，可对于某一实施例的构成的一部分进行其它构成的追加、删除、置换。

进一步，本发明的真空隔热材料1可适用于必需进行隔热的各种设备中，此外也可适用于建筑构件等特别是壁材料等中。

Claims

1.一种真空隔热材料，其特征在于，由具有气体阻隔性的外包材料将芯材和气体吸附剂包裹，该芯材是由包含2.5重量％以上4.8重量％以下的硼氧化物并且包含至少50重量％的硅氧化物的玻璃形成的纤维聚集体，将该外包材料的内部进行减压而密封。

2.根据权利要求1所述的真空隔热材料，其特征在于，所述纤维聚集体的平均纤维直径为10μm以下。

3.一种隔热设备，其特征在于，其具备有权利要求1或2所述的真空隔热材料。