JP2001132892A

JP2001132892A - 真空断熱装置

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Publication number: JP2001132892A
Application number: JP31265499A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Sugano; 俊行菅野; Takayuki Inuzuka; 隆之犬塚; Chisa Abe; 千佐安部; Sho Yamada; 祥山田; Yoshio Nishimoto; 芳夫西本; Shuichi Iwata; 修一岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-11-02
Filing date: 1999-11-02
Publication date: 2001-05-18

Abstract

(57)【要約】【課題】連続気泡を有する多孔性断熱材の内部に経時
的に発生する浸透・透過ガスを常に安定して効率よく除
去することによって、恒常的に優れた断熱特性を示す真
空断熱構造体を提供すること。【解決手段】断熱構造体の内部とゲッター剤を排気ノ
ズルで連結し、ゲッター剤の吸着能が飽和に近づき真空
度が劣化する度に、加熱手段と真空排気手段でゲッター
剤を再活性する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空断熱装置に関
し、特に消費電力のより低減化が求められている冷蔵庫
などに適した真空断熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】真空断熱構造は、二重構造を有する筐体
の内部に、形状保持のための構造材をかねた連続気泡を
有する多孔性の断熱コア材を封入し、内部を真空にした
ものである。断熱気泡性コア材内のガスによる熱伝導を
原理的にゼロに出来るため、従来から使用されてきてそ
の断熱性能向上に限界がある断熱ガス内封発泡ウレタン
構造の２倍以上の断熱性能が期待できる。

【０００３】その具体例には、ガス遮蔽性を有する外装
フィルム材からなる外殻内に断熱コア材として連続気泡
性ウレタンフォームを封入し、内部を真空にした真空断
熱パネルを、冷蔵庫などの断熱箱体の壁内に配設させた
後に、さらにこの周囲に発泡ウレタンを充填させた断熱
構造体（特開昭６０−２０５１６４号公報）や、鉄板製
外箱とアクリル-ブタジエン-スチレン樹脂（以下ＡＢＳ
樹脂と言う）製内箱からなる外殻内空間に発泡性断熱コ
ア材を注入し、内部を脱気した真空断熱箱体（特開平２
−１９２５８０号公報）などがある。

【０００４】これらの真空断熱構造体の断熱性能は、そ
の断熱コア材の空隙が微細であるときに発揮される。例
えば空孔径約100μmの連続気泡性ウレタンをアルミラミ
ネートで構成される空間に内封した一般的な真空断熱パ
ネルの熱伝導率の真空度依存性は図２のような傾向を示
す。この図からわかるようにその断熱性能は真空度が約
133Ｐａ以下の高真空下で発現されるもので、真空度が
悪化すると熱伝導率は著しく大きくなる。このため優れ
た断熱特性を保持するためには、その真空度を維持する
ことが不可欠である。

【０００５】真空度の悪化を招くガスには、真空断熱パ
ネルの封止端部、外箱と内箱の接合部およびＡＢＳ樹脂
などの外殻材を通して経時的に透過・侵入する空気や水
蒸気などの透過ガスと、各種構成材が吸着していた水、
多孔性断熱体形成時の副生成物である炭酸ガス、未反応
原料などの残存ガスおよび各種低分子有機物からの飛散
物などの内部発生ガスがある。

【０００６】そこで「ゲッター剤」と称するガス吸着物
質を外殻内に充填する方法が提案されている。例えば、
水分吸着物質として酸化カルシウム、ゼオライト、シリ
カゲルなどを用いる例（特開昭５９−２２５２７５号公
報）、有機ガス吸着物質として活性炭、炭酸ガス吸着物
質として水酸化ナトリウムを用いる例（特公平７−８９
００４号公報）、さらには殆ど全てのガスを吸着しうる
バリウム−リチウム合金を用いる例（特開平８−１５９
３７７号公報）などである。

【０００７】しかしながらこれら種々のゲッター剤は、
外殻内で発生する希薄ガスをゆっくりと確実に吸着する
能力に優れているものの、それが保有する固有の吸着量
は有限で、いずれ飽和に近づき、活性は急激に低下す
る。しかも、これらゲッター剤は外殻内に挿入されてい
るから、その吸着能を再生し賦活することは不可能で、
外殻内部の真空度ひいては、断熱性能は低下の一途をた
どる。これに対応して、ゲッター剤の充填量を多くする
と当初の断熱性能が犠牲になる。

【０００８】一方、特開平４−１６９７７７号公報で
は、長期的に真空度を保持する手段として、真空断熱構
造体に真空排気装置を装着させている。ここでは断熱性
能の低下を温度センサーでモニターし、所定の熱伝導率
以上になると、真空ポンプが作動するので真空断熱構造
体の内部は高真空下に保持される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記提案に基づけば、
いわば恒久的にある程度の真空度は維持できる。しかし
真空ポンプは、比較的ガス量の多い、大気圧から約133
Ｐａ程度の低真空域までは効率よく排気できるものの、
真空断熱構造の低熱伝導性が発現する真空度133Ｐａ以
下の希薄ガス雰囲気（高真空域）での排気効率は低い。

【００１０】また外殻内部に封入された多孔体の空孔は
微細で、気体が通り抜け難いため、排気口近傍のガスは
排出されるものの、排気口より離れた部位では十分にガ
スは排出されにくい。その結果、真空断熱体内部の真空
度にバラツキが生じ、断熱性能が不均一になる。また外
殻内全体を133Ｐａ以下の高真空に均一にするには長時
間の真空脱気が必要になる。

【００１１】このため、従来の真空断熱構造を有する冷
蔵庫などでは、庫内温度を一定に保って食品の鮮度を維
持するという冷蔵庫本来の機能が不安定で、庫内を冷却
するためのコンプレッサーや高真空維持のための真空ポ
ンプの運転時間も長くなって、消費電力量がかえって増
加する結果を招いていた。

【００１２】本発明は、このような課題を解決するため
になされたもので、優れた断熱特性を長期にわたって維
持できる真空断熱装置を提供すること、およびその真空
断熱装置を使用して消費電力の少ない冷却装置を提供す
ることを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる真空断熱
装置は、連続気泡を有する多孔性断熱材が充填された構
造体の内部に存在するガスを、連続再生手段を備えたゲ
ッター剤で吸着するので恒常的に優れた断熱特性が提供
される。

【００１４】ゲッター剤を連続再生する手段は、真空排
気装置を用いることが出来るが、通常加熱装置と真空排
気装置を組み合せた方が適している。ゲッター剤にはゼ
オライト、活性炭、シリカゲル、金属酸化物、樹脂系合
成吸着剤などの物理的吸着剤のうち少なくとも一種類を
使用できる。またゲッター剤は有効細孔径が異なる同一
種類の組成物からなる吸着剤を少なくとも２種以上併用
することが好ましい。さらにゲッター剤を再生する温度
は、1００℃以下であることが適している。

【００１５】本発明にかかる真空断熱構造体は加温装
置、保温装置、冷却装置等の断熱構造に広く適用できる
が、中でも冷蔵庫等の冷却装置に好適に適用することが
出来る。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るゲッター剤
再生ユニットを具備した真空断熱装置の断面構造を示す
概念図である。

【００１７】真空断熱装置は、基本的に断熱材４、外箱
２および内箱３からなる断熱箱体１と、ゲッター剤ホル
ダー６、真空ポンプ７および真空計８から成るゲッター
剤再生ユニットで構成される。断熱箱体１とゲッター剤
再生ユニットは補助部材である排気バルブ１０により連
結されている。ゲッター剤ホルダー６内は断熱箱体１に
連結する前に予め真空引きしておく。

【００１８】ゲッター剤ホルダー６は、ガスバリヤー性
に優れたステンレス鋼などからなる容器で、内部にはゲ
ッター剤５が詰められている。ゲッター剤ホルダー６の
外周或いは内周には加熱ヒータ１２が巻かれており、サ
ーモスタットで温度を制御できる。真空計８は排気バル
ブ１０の電磁真空弁よりゲッター剤ホルダー６寄りに設
置してある。さらに、真空ポンプ７とゲッター剤ホルダ
ー６は排気バルブ１１により連結されている。

【００１９】断熱箱体１の外殻を構成する外箱２は、深
絞り鋼鈑で出来ており、耐傷性と不透気性が高い。内箱
３には気密性の観点から鋼鈑や、あるいは金属箔やガス
遮蔽性セラッミクなどを表面処理した樹脂を用いること
ができるが、成形性、意匠性および断熱性より冷蔵庫の
内箱材として汎用されているＡＢＳ樹脂成形品をここで
は用いる。ＡＢＳ樹脂は熱伝導性が小さく伝導熱漏洩を
抑止できる。外箱２と内箱３の周縁部の接合13ａ，13ｂ
は成形型内で嵌合させた後、接着と気密シールをかね
て、エポキシ樹脂などの接着材を十分に塗り付けて、包
装材内部への外気の進入を遮断できるようにしてある。
断熱材４には、連続した微細気孔を有する多孔質体を用
いることが高断熱性を得るうえで必須で、ここでは連続
気泡を有する発泡ウレタンを用いる。かかる多孔質体は
発泡ウレタン原液を、充填・排気兼用バルブ９より充填
し、発泡硬化させることにより得られ、これにより先ず
内部が大気圧の断熱箱体１が得られる。

【００２０】ついで断熱箱体１とゲッター剤再生ユニッ
トを排気バルブ１０で連結し、充填・排気兼用バルブ９
から外部の大容量真空ポンプ（図示せず）を用いて、断
熱箱体内のガス、特に断熱材の微細孔に吸着された残留
ガスを十分に真空脱気し133Ｐａ以下、好ましくは1.3Ｐ
ａ以下の真空度で充填・排気兼用バルブ９を閉めるとと
もに、排気バルブ１０を開放することにより、脱気ライ
ンが一連化された真空断熱構造体を得ることが出来る。
断熱材４から放出される飛散物ガスや水蒸気などの透過
ガスは微細な気泡空間をゆっくりと通り抜けてやがてゲ
ッター剤ホルダー６に到着し、吸着される。

【００２１】この真空断熱装置の真空度はピラニ真空計
或いは粘性真空計などの真空計８でモニターされる。ゲ
ッター剤５の吸着能の飽和に伴う脱気能力の低下により
真空度が悪化すると、所定の真空度で、排気バルブ１０
が閉じ、排気バルブ１１が開放されるとともに、ゲッタ
ー剤ホルダー６の加熱ヒーター１２と真空ポンプ７が稼
動し、一定時間、真空加温状態でゲッター剤５の吸着能
を再活性（賦活）させる。ゲッター剤５の再活性が終え
ると、加熱ヒータ１２を切り、排気バルブ１１を閉じ、
真空ポンプ７を止めたのちに排気バルブ１０が開放され
るように制御されている。再活性されたゲッター剤5
は、断熱材４の微細孔に拡散している希薄ガス、すなわ
ち真空悪化ガスを再びゆっくりと吸着し、断熱箱体内を
脱気する。真空度が悪化する度にゲッター剤５は再活性
されるので、恒久的に断熱特性を維持することができ
る。

【００２２】ここで用いるゲッター剤５は、吸着能が飽
和状態で加温・減圧すると吸着ガスを容易に脱離する、
再生吸着能が大きいものが好ましい。活性炭、シリカゲ
ルあるいは金属酸化物など物理ゲッター剤（吸着剤）で
あれば特に限定するものではないが例えば冷蔵庫の一部
（機械室）に組み込まれるため、比較的低温（例えば１
００℃以下）で再活性できるゼオライトや樹脂系合成吸
着剤が特によい。酸化カルシウム、水酸化ナトリウムの
ようにガスを化学反応により捕捉し、新たな化合物とな
る不可逆性の化学ゲッター剤は吸着機能の再活性が極め
て困難なため、好ましくない。

【００２３】またゲッター剤は、水蒸気や空気など分子
量の小さなガスから、未反応生成物など比較的分子量の
大きなガスまで全てを吸着し、さらに再活性時にはこれ
ら吸着したガスを一定雰囲気中で一気に放出できること
が重要である。このため吸着ガス種が異なるゲッター剤
を複数種組み合わせて用いることが極めて有効である。
この際ゼオライト、シリカゲルあるいは活性炭などの種
類の異なるものを混用することも出来るが、再活性のた
めの雰囲気真空度や温度が異なるため、吸着能の賦活が
十分に行われないことがある。そこでゼオライトや樹脂
系合成吸着剤のように同一種類の組成物で有効細孔径の
異なるものを混用するのが好ましい。

【００２４】(実施例１)一部にコンプレッサーなど機械
類や冷媒回路を収納する切欠きのある、高さ１１０cm、
奥行き６０cm、幅５０cm、厚さ０.５mmの深絞り鋼鈑を
外箱２とし、断熱材壁厚さが４０mm取れるよう一回り小
さい、厚さ０.５mmのＡＢＳ樹脂真空成形品を内箱３と
する。これらをウレタンフォーム注入成形型内で組立
て、充填・排気兼用バルブ９より連続気泡を得るために
シリコン系破泡剤を処方した水発泡系ウレタン原液を注
入し、６０℃で５分間、ウレタン樹脂を発泡硬化させ断
熱箱体１を得た。一方、外周にテープ状ヒータ１２を巻
回した内径８０mm、高さ１００mmの円筒状のスチール容
器でなるゲッター剤ホルダー６に、東洋ソーダ(株)製の
合成ゼオライト、ゼオラムＡ−４を容器に一杯になるよ
う充填し、このゲッター剤ホルダー６と３０リッター/
分の排気容量の小型真空ポンプ７とを組み立ててゲッタ
ー剤再生ユニットを得た。断熱箱体１の外箱にゲッター
剤再生ユニットの排気バルブ１０を連結させ、充填・排
気兼用バルブ９より５００リッター/分の排気能力を持
つ外部の真空ポンプにより真空度が６．７Ｐａに到達し
てからさらに１０分間排気して真空断熱構造体を得た。
この真空断熱構造体に冷媒回路や扉などの必要部品を組
み込んで内容積１２０Ｌの冷蔵庫を完成させ、真空計８
が133Ｐａになると、温度が１００℃に保つように設定
した加熱ヒータ１２と真空ポンプ７が稼動し、内部真空
度が１．３Ｐａに到達したらゲッター剤再生ユニットの
加熱ヒータ１２と真空ポンプ７が停止するようセットし
た。

【００２５】（実施例２）ゲッター剤としてゼオラムＡ
−３、Ａ−５，Ａ−９をそれぞれ１：１：１（重量比）
の割合で混合したものを用いた他は、実施例１とまった
く同様にして冷蔵庫を得るとともに、ゲッター剤再生ユ
ニットの稼動条件も断熱性能の評価も同一とした。

【００２６】（実施例３）ゲッター剤としてガスクロマ
トグラフなどに用いられる三菱化学(株)製の樹脂系合成
吸着剤、セパビーズＰＳ825、ＨＰＫ55Ｈをそれぞれ
１：１（重量比）の割合で混合して用いた他は、実施例
１とまったく同様にして冷蔵庫を得るとともに、ゲッタ
ー剤再生ユニットの稼動条件も断熱性能の評価も同一と
した。

【００２７】（実施例４）実施例４はゲッター剤ホルダ
ー６の加熱を取りやめ、真空度が133Ｐａに悪化したら
室温で真空ポンプが４０分間作動するように設定したほ
かは、実施例３と全く同様にした。

【００２８】（実施例５）実施例５ではゲッター剤ホル
ダーの加熱温度を１６０℃に設定したほかは、実施例３
とまったく同様にした。

【００２９】（比較例１）比較例１ではゲッター剤再生
ユニットのゲッター剤ホルダーを取り外し、排気バルブ
１０に真空ポンプ７を直結した他は、実施例３とまった
く同じとした。すなわち、断熱箱体内での真空悪化ガス
の除去にゲッター剤を一切用いず、真空ポンプのみで排
気した。

【００３０】（比較例２）比較例２では真空ポンプ７を
取り外し、排気バルブ１１を絶えず閉めた状態にしたほ
かは実施例３とまったく同じとした。すなわち、断熱箱
体内での真空悪化ガスをゲッター剤で吸着させ、吸着能
が飽和になっても再活性しない。

【００３１】（比較例３）比較例３は断熱材としてシク
ロペンタン発泡系の独立気泡発泡ウレタンフォームを充
填し、真空脱気は一切しない外殻内が大気圧の従来型断
熱構成で、外殻材や形状および冷媒回路などは実施例１
と同一とした。

【００３２】このようにして組み立てられた冷蔵庫の断
熱性能の安定性を評価するために、運転時の消費電力量
をＪＩＳ−Ｃ９６０７Ｂ法で経時的に測定・比較した。
図３に実施例および比較例の測定結果を示す。

【００３３】図3に示した如く、ゲッター剤再生ユニッ
トを装着した実施例１〜５の１５０日後の消費電力量
は、用いたゲッター剤の種類や、ゲッター剤再生ユニッ
トの稼動設定条件に関わらず、比較例１で示した真空ポ
ンプのみを装着したものより明らかに少ない。これは、
再生ユニット中のゲッター剤が、外殻内の希薄な真空悪
化ガスを徐々に吸着し、再生時には一気に吸着ガスを放
出する、一種のガス溜的な働きをすることにより脱気効
率が向上したためと考えられる。断熱箱体に真空ポンプ
を直接装着し内部の希薄ガスを排気するよりは効率がよ
いので、真空ポンプも小容量のもので十分である。一
方、ゲッター剤のみを用いた比較例２では吸着能が活性
な初期では、優れた真空断熱性能を示す。しかし時間が
経ち、吸着能が飽和すると再活性できないため、真空度
が維持できなくなり断熱性能は悪化する。とくに鋼板や
アルミラミネートフィルムなどに比べ透気度の大きいＡ
ＢＳ樹脂を内箱材として用いたこのケースでは、水蒸気
や空気の侵入量が多くゲッター剤の吸着能が短時間で飽
和し、比較例３の従来型独立気泡ポリウレタンよりも悪
くなった。

【００３４】実施例１と２を比較すると、同一種類の組
成物からなる有効細孔径の異なる品種のものを混合して
用いた場合の効果が読み取れる。ゼオラムＡ−３は分子
径が３オングストローム以下のガス分子を選択的に吸着
する吸着剤で、同様にＡ−４、Ａ−５、Ａ−９はそれぞれ
４、５、９オングストローム以下のガス分子を吸着す
る。外殻内に発生する分子量、即ち分子径の異なる真空
悪化ガスはゲッター剤の細孔径に応じて捕捉・吸着され
るので、加温・減圧による再活性もスムーズに行われ
る。その結果、3種類の吸着材を使用した実施例２では1
種類の吸着材を使用した実施例1よりも消費電力量が少
なく安定していたと考えられる。2種類の吸着材を用い
た実施例３の場合も同様の理由で消費電力量は少なく安
定している。

【００３５】実施例３、４、５を比較すると、再活性時
の加温条件の効果が読み取れる。再生温度が高くなると
再生吸着能は向上するが、再活性に必要な電力は増え
る。ゲッター剤の再生吸着能、再活性ユニットからの発
熱および冷媒回路能力がバランスする加温処理条件が最
も運転効率が良いことになる。３つの実施例を比較すれ
ば、その温度は１００℃前後であることがわかる。また
室温で再生してもかなり消費電力は低く、良好な断熱性
能を維持できているから、一般に冷蔵庫には耐熱性の低
い樹脂が多く使われていることも考慮すれば、再活性温
度は１００℃以下であることが適している。

【００３６】吸着剤の再生は、真空と加熱を組み合せる
のが一般的だが、真空状態でゲッター剤に超音波振動を
加えることによっても可能である。この方法では温度が
ほとんど上がらないので、耐熱性の低い樹脂を使う場合
により適している。ゲッター剤はほぼ永久的に使用でき
るが、活性炭等を使用する場合には有機物を付着して再
活性が十分に行われなくなることがある。この場合には
水蒸気を封入して再生することもできる。

【００３７】なお、本発明にかかるゲッター剤再生ユニ
ットを具備した真空断熱装置は、ここで説明した冷蔵庫
への使用に限定されるものではなく、例えば、車載用小
型冷蔵庫やプレハブ式簡易冷蔵庫、保冷車やパイプや建
築物の保温材など、保温および保冷用製品の断熱用部品
としての応用も可能であり、その要旨を脱し得ない範囲
で種々変形して用いることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明にかかる真空断熱
装置によれば、多孔性断熱材が充填されている断熱構造
体の真空度をゲッター剤で通常は維持し、ゲッター剤の
吸着能が低下しても再活性できるので、断熱性能を恒久
的に保持できる。ゲッター剤を断熱構造体から閉鎖可能
にすれば必要に応じてゲッター剤を断熱構造体から切り
離して再活性できる。またゲッター剤を加熱しながら再
活性すれば再生吸着能が向上する。さらに加熱温度を１
００℃以下で行えば、構成部品への熱影響が少ない。

【００３９】ゲッター剤は、ゼオライト、活性炭、シリ
カゲル、金属酸化物、樹脂系合成吸着剤の中から選択す
れば長期にわたって可逆的に再活性が可能である。また
有効細孔径が異なるゲッター剤を２種類以上組み合せて
使うと、分子量の異なる真空悪化ガスを効率よく吸着で
きる。特に同一種類の組成物からなるものを２種以上併
用する場合には、再活性が容易に行われる。

【００４０】本発明による真空断熱装置を有する冷却設
備は、冷却能力が安定しており、消費電力が少ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるゲッター剤再生ユニットを装
着した真空断熱装置の概念図である。

【図２】真空断熱パネルにおける熱伝導率の真空度依
存性を示した図である。

【図３】本発明による真空断熱装置を有する冷蔵庫の
消費電力を測定した結果をあらわす表である。

【符号の説明】

1断熱箱体、 2外箱、３内箱、 4断熱
材、５ゲッター剤６ゲッター剤ホルダー７真空ポンプ、８真
空計、９充填・排気兼用バルブ、１０排気バルブ、
１１排気バルブ、１２加熱ヒータ、１３嵌合部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安部千佐東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者山田祥東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者西本芳夫東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者岩田修一東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内Ｆターム(参考） 3H036 AA08 AB03 AB18 AB25 AB28 AB29 AC06 AE13 3L102 JA01 LB01 LB36 MB25 MB30

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密閉可能な内部空間を備えた構造体内に
連続気泡を有する多孔性断熱材を充填するとともにこの
構造体内を真空化してなる断熱構造体と、この構造体内
に存在しうるガスを吸収可能なゲッター剤を含む真空維
持手段と、当該ゲッター剤のガス吸収機能を再生しうる
再生手段を備えてなる真空断熱装置。
【請求項２】真空維持手段が、上記構造体と閉鎖可能
に接続されたゲッター剤充填体からなる請求項１に記載
の真空断熱装置。
【請求項３】再生手段が、上記ゲッター剤充填体と閉
鎖可能に接続された真空排気装置と上記ゲッター剤を加
熱制御可能な加熱手段を備えてなる請求項２記載の真空
断熱装置。
【請求項４】加熱手段による加熱が、1００℃以下で
行われる請求項３に記載の真空断熱装置。
【請求項５】ゲッター剤が、ゼオライト、活性炭、シ
リカゲル、金属酸化物、樹脂系合成吸着剤のうちの少な
くとも一種類からなる請求項１ー４項のいずれかに記載
の真空断熱装置。
【請求項６】ゲッター剤が、有効細孔径の異なるもの
が少なくとも２種類以上混合されたものからなる請求項
１ー５項のいずれかに記載の真空断熱装置。
【請求項７】ゲッター剤が、同一種類の組成物からな
る請求項６項に記載の真空断熱装置。
【請求項８】断熱構造体が、冷却装置の断熱材である
請求項１ー７項のいずれかに記載の真空断熱装置。