JP2004011709A

JP2004011709A - 真空断熱材及び真空断熱材の製造方法

Info

Publication number: JP2004011709A
Application number: JP2002163958A
Authority: JP
Inventors: Toshio Kobayashi; 小林　俊夫; Takayuki Satouchi; 里内　孝行
Original assignee: Matsushita Refrigeration Co
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】無機繊維材料をバインダーを使用せず成形して芯材とし、芯材を乾燥させる時間と手間を抑制しするとともに、水分吸着剤の使用を可能な限り省き、低価格で、しかも総合的に環境負荷が少ない真空断熱材を提供する。
【解決手段】芯材を脱水試験という指標で評価することで、水分の吸湿量が少ないまたは乾燥が早い芯材を使用でき、乾燥工程の負荷を低減し、水分吸着剤の使用量も減らすことができる。また、無機繊維同士を水を利用して結着成形させることにより、高い断熱性能で環境に優しいクリーンな真空断熱材を製造できる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は真空断熱材及び真空断熱材の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空断熱材の芯材に繊維材料を使用する場合には、バインダー等によって繊維材を成形して用いるのが一般的である。
【０００３】
たとえば、特開昭６３−１８７０８４号公報に開示されたものでは、バインダーを使用して成形体に平滑な表面を与えるとともに、個々の繊維を然るべく合着状態に保持することにより、繊維が包囲体を穿孔して飛び出す、或いは包囲体の縁辺シールに浸入する可能性を減じ、真空断熱材の保全性を向上させている。
【０００４】
また、特開平７−１６７３７６号公報により開示されたものは、平均繊維径が２μｍ以下の無機繊維にｐＨ値が５以下の酸性水溶液を付着させ、繊維材料からの溶出成分により繊維同士を結着させて、長時間に渡って真空劣化がない真空断熱材を提供している。
【０００５】
これらの他にも、断熱性能を高くするために平均繊維径を細くし、繊維を保持して芯材に成形性を持たせるためにバインダーを使用する真空断熱材は数多く示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、繊維材料を芯材とする真空断熱材には、一般にバインダーが使用されているが、従来から使用されているバインダーは水分を吸湿しやすいものである。ところが、こうして芯材に含まれる水分は、真空断熱材の断熱性能維持に悪影響を与え、製造時の真空排気においては排気効率を低下させる原因となる。そのため、保管には湿度管理をする必要があるとともに、芯材を外被材に挿入する前には芯材を乾燥炉により水分を充分蒸発させる時間と手間が掛かる上、その後芯材が吸湿しないうちに短時間で外被材に挿入するなど、細心の注意を払う必要がある。
【０００７】
また、真空断熱材作製後も、芯材から少しずつ発生してくるガス中の水分を吸着させるため、水分吸着剤を所定量使用しなければならない。
【０００８】
本発明は従来の課題を解決するもので、芯材中の水分特性における指標を見出すことで、芯材を乾燥させる時間と手間を削減するとともに、水分吸着剤の使用を可能な限り省き、更にはバインダーを使用せず芯材に成形性を持たせるようにした真空断熱材を提供することを目的とする。
【０００９】
また、平均繊維径が２μｍ以下の細い無機繊維を製造するには、太い無機繊維の製造に比較して大量のエネルギーを必要とし、エネルギーコストがかかるために真空断熱材の価格が高くなるという問題があった。
【００１０】
また、繊維を製造する際に大量のエネルギーを消費することとともに、繊維材を成形するためのバインダーの使用及び酸性水溶液の使用についても、環境に負荷をかけることになり、総合的な環境問題や省エネルギー化に貢献できないという欠点があった。
【００１１】
本発明の他の目的は、無機繊維を製造する際のエネルギーコストを抑制し、真空断熱材の製造工程での環境改善に貢献することにより、低価格で、しかも総合的に環境に負荷をかけることが少ない真空断熱材を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、芯材と、外被材とを備え、前記芯材は無機繊維を成形したもので脱水試験において１０００分後の重量変化率が２％以下、望ましくは１％以下であるものであり、水分の吸湿量が少ない、または乾燥が早い芯材を使用することにより、乾燥工程の負荷を低減し、水分吸着剤の使用量も減らすという作用を有する。
【００１３】
また、本発明は、上記発明において、芯材は無機繊維に水を付着させて成形したものであり、加熱圧縮により水が付着した無機繊維同士を接触させたまま水を蒸発させて結着成形させることで、芯材にバインダーが含まれないため成形後の水分の吸湿量が少なく、乾燥が早いという作用を有する。更に、芯材のガラス繊維をリサイクルする場合には、バインダーを除去する必要がない。
【００１４】
更に、芯材を平均繊維径が２μｍを超える無機繊維を伝熱方向に対して略垂直に配向するように積層し、密度を１００ｋｇ／ｍ^３以上４００ｋｇ／ｍ^３以下としたものであり、安価に製造できる無機繊維材料を使用し、芯材内の繊維の接触熱抵抗を増大して熱伝導率を低くするとともに、繊維間の空隙径を減少させ、芯材の剛性を増すという作用を有する。
【００１５】
更に、芯材は遠心法により製造した無機繊維からなることから、製造時のエネルギー使用量が少なく、コストも低い無機繊維を使用した真空断熱材を製造することができる。
【００１６】
また、本発明は、平均繊維径が２μｍを超える無機繊維を集綿積層した集綿積層体の表面に水をほぼ均一に噴霧する水塗布工程と、前記集綿積層体を圧縮して水を集綿積層体内に浸透させる浸透工程と、前記集綿積層体を加熱圧縮する圧縮工程とを有したもので、前記集綿積層体を圧縮することにより集綿積層体内部まで水を浸透させることで芯材を成形しやすくし、更には成形した芯材の無機繊維が伝熱方向に対して略垂直に配向するようにするという作用を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による真空断熱材及びその製造方法の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１による真空断熱材の断面図である。図１において、１は真空断熱材であり、２の芯材と３の外被材及び４の吸着剤とから構成されている。芯材２は、所定量のグラスウールを集綿積層し、その表面に水を噴霧して浸透させたのち加熱圧縮成形したものである。以下、芯材２の成形方法について詳細に説明する。
【００１９】
遠心法にて製造した平均繊維径が約４μｍ〜６μｍのグラスウールの原綿を、所定の大きさに切断して所定量集綿積層する。集綿積層した集綿積層体に、ｐＨ値が６以上８以下の中性付近のイオン交換水を前記集綿積層体の表面にほぼ均一に付着するよう噴霧した。噴霧量は前記集綿積層体の重量に対して１．５倍〜２．０倍とした。
【００２０】
イオン交換水を噴霧した集綿積層体を常温下で圧縮して集綿積層体内部に水を拡散浸透させ、３８０℃に加熱した金属製の冶具内にこの拡散浸透させた積層体を戴置して金属製の押さえ板を上から置き、加熱プレスにて高温圧縮して１０分間以上保持して乾燥させ、厚さ１０ｍｍの成形体を作製した。
【００２１】
得られた芯材２は、圧縮を繰り返すことでガラス繊維が伝熱方向に対して垂直に配向され、積層方向に対して裂けにくくなり、信頼性が高いものとなる。
【００２２】
なお、水は完全に集綿積層体内部に拡散浸透していなくとも、加熱時の蒸気で結着させることが可能であり、この場合は表面層より内側層の結着が少なくなることで、固体熱伝導の低減や真空引き時間の短縮というメリットも得られる。
【００２３】
次に、外被材３の構成について説明する。
【００２４】
外被材３は２枚のラミネートフィルムからなり、芯材を挿入する直前は三方シールにて製袋した状態である。その内の１枚はガスバリア層としてアルミ箔を有し、最外層に設けているナイロン樹脂の厚みを増加させたラミネートフィルムで、構成は特に限定されるものではないが、これは最外層の耐突き刺し性や耐ピンホール性に優れた樹脂を適用した結果で、更に最内層には熱溶着性のよい樹脂を適用している。
【００２５】
上記特性を満足すれば特に材料を限定するものではないが、本発明の実施の形態１では、最外層に厚さ１５μｍのナイロン樹脂、その内層に更に厚さ２５μｍのナイロン樹脂、中間層には厚さ６μｍのアルミ箔、最内層には厚さ５０μｍの直鎖状低密度ポリエチレン樹脂を用いている。
【００２６】
もう１枚はガスバリア層として蒸着層を有するラミネートフィルムである。最外層にフィルムの可とう性や滑り性を備えた樹脂を適用し、その内層には耐突き刺し性や耐ピンホール性に優れた樹脂を適用し、中間層にはガスバリア性の優れた樹脂の上に金属薄膜を蒸着したものを使用し、最内層に熱溶着性のよい樹脂を適用している。
【００２７】
上記特性を満足すれば特に材料を限定するものではないが、本発明の実施の形態１では、最外層に厚さ２５μｍのナイロン樹脂、その内層に厚さ１２μｍのポリエチレンテレフタレート樹脂、中間層には厚さ１２μｍのエチレン−ビニルアルコール共重合体樹脂の表面に厚さ５００Åのアルミ蒸着を施したものを適用し、最内層には厚さ５０μｍの直鎖状低密度ポリエチレン樹脂を用いている。
【００２８】
なお、吸着剤４には、Ｈ_２Ｏ，ＣＯ_２，Ｎ_２，Ｏ_２を吸着除去することができる、サエスゲッターズ社製のＣＯＭＢＯ３を用いた。吸着剤４としては使用環境等に応じて吸着除去すべき気体物質が異なるため、それぞれの状況に応じた選定をすればよい。
【００２９】
以上のような構成からなる真空断熱材１の製造方法について説明する。
【００３０】
まず、前述の方法で作製した厚さ１０ｍｍの成形体を、縦１８０ｍｍ×横１８０ｍｍに切断して芯材２とする。切断した芯材２は、１５０℃の乾燥炉で約６０分乾燥して成形後も残留していた水分を除去する。
【００３１】
乾燥炉から乾燥した芯材２を取り出して、あらかじめ芯材２に形成した凹部に吸着剤４をすばやく収納し、吸着剤４を収納した芯材２を外被材３内に挿入して真空チャンバ内に載置する。真空チャンバ内を１．３３Ｐａ以下の真空度となるように減圧排気したのち、そのまま真空チャンバ内で外被材３の開口を熱溶着により密閉する。できあがったものを真空チャンバから取り出し、真空断熱材１を得た。
【００３２】
このようにして得た真空断熱材１の熱伝導率は、栄弘精機（株）製Ａｕｔｏ−Λ０７３を用い、平均温度２４℃で測定した結果、０．００２０Ｗ／ｍＫであった。また、１０年間に相当する経時信頼性試験においても、熱伝導率の値は０．００２５Ｗ／ｍＫとなり、劣化はわずかであった。
【００３３】
また、芯材２の密度は、真空断熱材１の状態で重量及び体積を測定し、その後、真空断熱材１の外被材３を開封して外被材３と吸着剤４の重量及び体積を測定し、真空断熱材１の値から差し引くことにより求めた。
【００３４】
以上より求めた本実施の形態１による芯材２の密度は２５０ｋｇ／ｍ^３であった。
【００３５】
上記同様に作製し、熱伝導率の値も同じ真空断熱材１の外被材３を開封し、中の吸着剤４を取り除いた芯材２を取り出し、以下の脱水試験を行った。
【００３６】
まず、芯材２を、温度４０℃、相対湿度９０％の雰囲気下に７５００分間以上曝し、水分を吸湿させた上で重量Ｗ_０を測る。吸湿した芯材２を、温度２０℃、相対湿度５０％、風速０．１ｍ／ｓ以下の雰囲気下に静置して所定時間毎に重量Ｗ_１を測り、重量変化率を（数１）により算出して脱水特性を導き出した。
【００３７】
【数１】

【００３８】
本実施の形態１における芯材２の脱水特性は、１０００時間後の重量変化率が１％であった。これより、水を付着させて成形した芯材２は、水分をほとんど吸湿してないといえる。
【００３９】
理由としては、芯材２の成形に水を使用たため、吸湿しやすいバインダーがないためと考えられる。
【００４０】
これにより、真空断熱材１を製造する上での芯材２を乾燥炉で乾燥する時間も短くでき、直後の外被材３への挿入時も水分を吸湿せずに済む。更に、真空断熱材作製後にバインダーから発生する水分もほとんどなく、わずかな吸着剤４の使用量で芯材２中に残った微量の水分を除去できる。よって、熱伝導率の値も低くなったと考えられる。
【００４１】
以上、本発明の実施の形態１は、バインダーを使用せず芯材に成形性を持たせることができ、更には脱水試験という芯材中の水分特性における指標を見出すことで、芯材を乾燥させる時間と手間を抑制し、また水分吸着剤の使用を可能な限り省けるようにした真空断熱材を提供することができる。
【００４２】
以上が本発明の実施の形態１であるが、真空断熱材１に挿入した芯材２が本発明の範囲であれば、材料としては他に特に限定されるものでない。
【００４３】
芯材２に使用するガラス繊維は、本発明の実施の形態１では平均繊維径が４μｍ〜６μｍのものを使用したが、４μｍよりも細い平均繊維径を用いても性能面では何ら問題なく、同等の熱伝導率を有する真空断熱材１を得ることができる。
【００４４】
ただし、ガラス繊維の平均繊維径が細くなるほど遠心法では製造することができなくなり、火炎法での製造によればエネルギー消費量が増えて省エネルギーに貢献することができなくなると同時に、生産コストも上昇する。
【００４５】
すなわち、工業的に安価で環境によいものを提供することを考慮すると、ガラス繊維材料は、遠心法で製造できる汎用的な平均繊維径である２μｍを超えるものが好ましい。
【００４６】
また、６μｍよりも太い平均繊維径を用いても性能面では何ら問題なく、同様の熱伝導率を有する真空断熱材１を得ることができる。ただし、ガラス繊維の平均繊維径が太くなるほど外被材３に突き刺しやピンホール等の問題が発生しやすくなるため、１０μｍ以下が好ましい。
【００４７】
無機繊維材料については、シリカ等水に溶出する成分を含むものならば特に限定されるものではない。実施の形態１ではグラスウールを用いたが、他には、グラスファイバー、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール等が使用可能であるが、取り扱い性やコストを考慮するとやはりグラスウールが適している。
【００４８】
集綿積層体に噴霧する水については、本発明の実施の形態１ではイオン交換水を用いているが、特に限定するものではなく、蒸留水、アルカリイオン水、ミネラルウォーター、ろ過浄水、又は水道水でも差し支えない。
【００４９】
また、水の特性値として、硬度、総アルカリ度、残留塩素濃度、亜硝酸性、硝酸性、アンモニ性といった塩基性窒素、リン酸、銅、鉄といったイオン濃度等も特に限定するものではない。ただ、断熱性能面では本発明の実施の形態１でのイオン交換水が好ましい。
【００５０】
なお、言い換えれば吸水性がなければバインダーを使用しても良く、バインダーの種類や濃度により本条件が達成できれば問題ない。
【００５１】
本発明の実施の形態１における芯材２の密度について、本発明ではバインダーを使用せず、水を使用しているため、機械的強度が低下することが考えられることから、密度の値を変えて本発明の実施の形態１と同様の検討を行ったところ、芯材２の密度が１００ｋｇ／ｍ^３よりも低くなると、芯材２の形状や吸着剤４を収納するための凹部の形状保持性が悪くなってしまう。
【００５２】
また、芯材２の密度が４００ｋｇ／ｍ^３よりも高くなると、芯材２の剛性が増すことで真空断熱材１の機械的強度が向上するが、密度の増大によって固体熱伝導が高くなり、真空断熱材１の熱伝導率が悪化してしまい、また製造コストも高くなってしまう。
【００５３】
以上のことから、芯材２の密度は１００ｋｇ／ｍ^３以上４００ｋｇ／ｍ^３以下が良く、好ましくは１５０ｋｇ／ｍ^３以上２８０ｋｇ／ｍ^３以下であり、１８０ｋｇ／ｍ^３以上２５０ｋｇ／ｍ^３以下が最も好ましい。これにより、熱伝導率がより低く、剛性がある真空断熱材１を得ることができる。
【００５４】
また、脱水試験についても、繊維材料、繊維の平均繊維径、バインダー等、特に限定するものではない。
【００５５】
また、本発明の実施の形態１では、芯材２を成形する際に水を拡散浸透させる手段として、無機繊維を集綿積層した集綿積層体の表面に水をほぼ均一に噴霧する水塗布工程と、前記集綿積層体を圧縮して水を集綿積層体内に浸透させる浸透工程を設けたが、これらの工程の代わりに、水を張った容器内に集綿積層体を浸して水を浸透させる工程と、水が浸透した集綿積層体を圧縮して集綿積層体内の余分な水を除去する工程としてもよい。
【００５６】
更には、繊維材料を集綿する別の方法として、抄造方法を用いて芯材２を成形してもよい。
【００５７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態１と同様の真空断熱材１の仕様及びその製造方法で、乾燥時間のみを約４０分としたところ、熱伝導率は０．００２１Ｗ／ｍＫであり、１０年間に相当する経時信頼性試験においても、熱伝導率は０．００２６Ｗ／ｍＫとなり、劣化はわずかであった。
【００５８】
また、上記脱水試験を行ったところ、１０００時間後の重量変化率は１％であった。
【００５９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態１と同様の真空断熱材１の仕様及びその製造方法で、密度のみを４００ｋｇ／ｍ^３としたところ、熱伝導率は０．００２５Ｗ／ｍＫであり、１０年間に相当する経時信頼性試験においても、熱伝導率は０．００２６Ｗ／ｍＫとなり、劣化はわずかであった。
【００６０】
また、上記脱水試験を行ったところ、１０００時間後の重量変化率は２％であった。
【００６１】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態１と同様の真空断熱材１の仕様及びその製造方法で、密度を４００ｋｇ／ｍ^３、乾燥時間を約４０分としたところ、熱伝導率は０．００２５Ｗ／ｍＫであり、１０年間に相当する経時信頼性試験においても、熱伝導率は０．００３１Ｗ／ｍＫとなり、劣化はわずかであった。
【００６２】
また、上記脱水試験を行ったところ、１０００時間後の重量変化率は２％であった。
【００６３】
（比較例１）
本発明の実施の形態１と同様の真空断熱材１の仕様及びその製造方法で、平均繊維径が０．７μｍのガラス繊維、バインダーとして添加量１０％のヘキサメタリン酸ナトリウムを使用し真空断熱材１を製造したところ、熱伝導率は０．００４０Ｗ／ｍＫであり、１０年間に相当する経時信頼性試験においては、熱伝導率は０．００６０Ｗ／ｍＫとなり、比較的大きな経年劣化が発生した。
【００６４】
また、上記脱水試験を同様に行ったところ、１０００時間後の重量変化率は５％と大きなものであった。
【００６５】
（比較例２）
本発明の実施の形態１と同様の真空断熱材１の仕様及びその製造方法で、平均繊維径が０．７μｍのガラス繊維、バインダーとして添加量１０％のヘキサメタリン酸ナトリウムを使用し、更に乾燥時間を約４０分としたところ、熱伝導率は０．００５０Ｗ／ｍＫであり、１０年間に相当する経時信頼性試験においては、熱伝導率は０．００７２Ｗ／ｍＫとなり、比較的大きな経年劣化が発生した。
【００６６】
また、上記脱水試験を同様に行ったところ、１０００時間後の重量変化率は６％と大きなものであった。
【００６７】
以上、本発明の実施の形態１〜４及び比較例１〜２で得た結果を（表１）に示す。
【００６８】
【表１】

【００６９】
表より、重量変化率に着目することで、乾燥条件を改善することができ、初期及び経時熱伝導率が低い真空断熱材１を得ることができる。また、重量変化率は２％でも十分な断熱性能が得られるが、１％ならなお初期及び経時熱伝導率が低いものが得られ、水分吸着剤の使用も削減できる。
【００７０】
また、比較例が実施の形態に比べて重量変化率が高いのは、バインダーとして使用した添加量１０％のヘキサメタリン酸ナトリウムの化合物が水分を吸湿したために、芯材２の水分量が多くなり、重量変化率が高くなったと考えられる。
【００７１】
つまり、本発明の実施の形態と比較して熱伝導率が高いのは、バインダーにより芯材２が水分を多く吸湿したため、本発明の実施の形態と同じ乾燥条件で、同じ水分吸着剤４を使用した場合、芯材２に水分が残ってしまい、その水分の気化による影響が大きいと考えられる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、芯材と、外被材とを備え、前記芯材は無機繊維を成形したもので脱水試験における１０００分後の重量変化率が２％以下としたので、水分の吸湿量が少ない、または乾燥が早い芯材を使用することにより、乾燥工程の負荷を低減し、水分吸着剤の使用量も減らし、断熱性能及び生産性の高い真空断熱材を提供することができる。
【００７３】
また、本発明は、芯材が無機繊維に水を付着させて成形したものであり、加熱圧縮により水が付着した無機繊維同士を接触させたまま水を蒸発させて結着成形させることで、芯材にバインダーが含まれないため成形後の水分の吸湿量が少なく、乾燥が早く、製造工程とリサイクルのいずれにおいても環境に優しい真空断熱材を提供することができる。
【００７４】
更に、芯材を平均繊維径が２μｍを超える無機繊維を伝熱方向に対して略垂直に配向するように積層し、密度を１００ｋｇ／ｍ^３以上４００ｋｇ／ｍ^３以下としたものであり、安価に製造できる無機繊維材料を使用し、芯材内の繊維の接触熱抵抗を増大して熱伝導率を低くするとともに、機械的強度が増した形状安定性のよい真空断熱材を提供することができる。
【００７５】
更に、芯材は遠心法により製造した無機繊維からなるもので、製造時のエネルギー使用量が少なく、コストも低い無機繊維を使用した真空断熱材を提供することができる。
【００７６】
また、本発明は、平均繊維径が２μｍを超える無機繊維を集綿積層した集綿積層体の表面に水をほぼ均一に噴霧する水塗布工程と、前記集綿積層体を圧縮して水を集綿積層体内に浸透させる浸透工程と、前記集綿積層体を加熱圧縮する圧縮工程とを有したもので、前記集綿積層体を圧縮することにより集綿積層体内部まで水を浸透させることで芯材を成形しやすくし、更には成形した芯材の無機繊維が伝熱方向に対して略垂直に配向させる真空断熱材の製造方法により、無機繊維を製造する際のエネルギーコストを抑制し、真空断熱材の製造工程での環境改善に貢献することにより、低価格で、しかも総合的に環境に負荷をかけることが少ない真空断熱材を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による真空断熱材の断面図
【符号の説明】
１　真空断熱材
２　芯材
３　外被材

Claims

芯材と、外被材とを備え、前記芯材は無機繊維を成形したもので脱水試験における１０００分後の重量変化率が２％以下、望ましくは１％以下であることを特徴とする真空断熱材。
芯材は無機繊維に水を付着させて成形したことを特徴とする請求項１記載の真空断熱材。
芯材は、平均繊維径が２μｍを超える無機繊維が伝熱方向に対して略垂直に配向するように積層され、密度が１００ｋｇ／ｍ^３以上４００ｋｇ／ｍ^３以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の真空断熱材。
芯材は遠心法により製造した無機繊維からなることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一項記載の真空断熱材。
平均繊維径が２μｍを超える無機繊維を集綿積層した集綿積層体の表面に水をほぼ均一に噴霧する水塗布工程と、前記集綿積層体を圧縮して水を集綿積層体内に浸透させる浸透工程と、前記集綿積層体を加熱圧縮する圧縮工程とを有することを特徴とする真空断熱材の製造方法。