JP2004081382A

JP2004081382A - 断熱材とそれを用いた機器

Info

Publication number: JP2004081382A
Application number: JP2002244693A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Sano; 佐野　光宏; Takayuki Urata; 浦田　隆行
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-08-26
Filing date: 2002-08-26
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-26
Also published as: JP3888262B2

Abstract

【課題】加工性、取扱い性が良く、断熱性の高い断熱材を得ることを目的とするものである。
【解決手段】空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体２が繊維３に溶着により担持して断熱材１を得たもので、結合剤を用いることがないため、断熱性能を悪化させることなく、加工性、取扱い性が良く、高い断熱性が得られる。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断熱材およびそれを用いた機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、静止空気より熱伝導率が小さい断熱材として、キセロゲルやＷＤＳ（Ｗａｃｋｅｒ社製）などが知られているが、これらの断熱材は、通常、粉末状から粒状で作製されることが多い。これら粉末または粒状断熱材の使用方法としては、不織布などを袋状にしたものや、箱型に成形した樹脂容器や金属容器に詰めて使用する方法があり、また、無機結合剤を用いて固形化して使用する方法もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来技術では、複雑な形に成形できないという課題や、容器を用いたものでは、熱が容器自体を伝って漏れるので、断熱性能が悪いという課題があった。また、無機結合剤を用いた方法では、無機結合剤を伝って流れる熱量が大きいため、その断熱性能は悪いとものであった。
【０００４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加工性、取扱い性が良く、断熱性の高い断熱材と、その断熱材を用いて省エネ性の高い機器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の断熱材とそれを用いた機器は、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体が繊維に溶着により担持され、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である断熱材とするとともに、この断熱材を用いた機器としたものである。
【０００６】
これにより、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体自身が非常に断熱性の高い断熱材であり、結合剤を用いることなく、繊維に担持させることにより、その断熱性能を悪化させることなく、加工性、取扱い性が良く、断熱性の高い断熱材を実現でき、その断熱材を用いて省エネ性の高い機器が得られる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体と繊維とを備え、少なくとも前記空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体が前記繊維に溶着により担持され、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である断熱材としたもので、断熱性能の高い空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体を、断熱性能を低下させていた容器や結合剤を含まずに成形できるため、加工性、取扱い性が良く、断熱性の高い断熱材を実現できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体に少なくともシリカキセロゲルを含む請求項１に記載の断熱材としたもので、湿潤ゲルを作製し、表面を疎水化し、表面張力の小さい溶媒で乾燥したキセロゲルは、空気分子の平均自由行程以下の孔を多数有するため、断熱性能が非常に高い断熱材を実現できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、繊維に少なくとも熱可塑性樹脂を含む請求項１または２に記載の断熱材としたもので、熱をかけることにより容易に空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体を担持することができ、断熱性能が高く、加工性の良い断熱材を実現できる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、繊維が織布もしくは不織布を形成する請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材としたもので、断熱性能の高い断熱材を容易に望む形に加工する、もしくは望む形に加工したあと容易に断熱性能の高い断熱材を担持することができる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、赤外線を反射する物質、もしくは吸収する物質のうち少なくともいずれか一つを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材としたもので、断熱材の温度依存性を小さくすることができ、高温で断熱性能が高い固形化した断熱材を実現でき、断熱材が必要とされる様々なところへ応用することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５いずれか１項に記載の断熱材を用いた機器としたもので、電気湯沸かし器、ジャー炊飯器、オーブンレンジ、フィッシュロースタなどの加熱機器はもとより、保温・保冷機器や各種断熱を要する機器に用いることで、大幅に省エネをはかることが可能である。
【００１３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１４】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１における断熱材について、図１に基づいて説明する。
【００１５】
図に示すように、断熱材１は、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体２（以下、本実施例ではナノ多孔体２という）を溶着により繊維３に担持したものの集合体からなる。
【００１６】
ナノ多孔体２は、空気分子の平均自由行程以下の孔を数多く有する構造を持つものであり、これらの孔の大きさが空気分子の平均自由行程を下まわるほど、空気の分子運動による熱伝導が抑えられ、その熱伝導率は静止空気の熱伝導率（常温で約２６ｍＷ／ｍ・Ｋ）より遙かに小さくなる。このようなものとして、アエロジル（日本アエロジル社製）やキセロゲルなどがある。このうち、細孔径が６０ｎｍ程度以下の孔を多数有し、密度が約０．０５〜０．２５ｇ／ｃｍ^３のキセロゲルは、特に熱伝導率が小さく、常温で約１３ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率である。このキセロゲルは粉末状でも約１８ｍＷ／ｍ・Ｋの熱伝導率である。
【００１７】
また、キセロゲルの製造の乾燥工程で超臨界乾燥を用いて作製したキセロゲルは、エアロゲルと称され、キセロゲルと同等もしくはそれ以下の熱伝導率を有する。
【００１８】
次に、キセロゲルについて図２を用いて簡単に説明する。キセロゲルは、水ガラスや、テトラメトキシシランのような金属アルコキシドをゲル原料として、水やアルコール等の溶媒と必要に応じて触媒を混合することで、溶媒中でゲル原料を反応させ湿潤ゲルを形成させ、内部の溶媒を蒸発乾燥させたものである。湿潤ゲルは、珪素原子と酸素原子が交互に結合した３次元網目構造のシリカ粒子を作り、それらシリカ粒子が重合し、それら粒子同士の隙間すなわち細孔に水等の溶媒が入り込む構造となっている。この細孔の大きさが、空気分子の平均自由行程以下である。この後、湿潤ゲルを普通に熱風乾燥させたものは、溶媒が乾燥するときの表面張力により、収縮してしまい細孔を潰してしまうので、断熱材としては機能しない。
【００１９】
しかしながら、脱水後超臨界乾燥させたものや、湿潤ゲル表面のシラノール基をトリメチルクロロシラン、ヘキサメチルジシラザン、ジメチルジメトキシシラン等でトリメチルシリル化することにより疎水化を行い、さらに溶媒をトルエンやアセトンやヘキサンなどの表面張力が比較的小さな溶媒に置換し、熱風乾燥させたものは、表面張力がほとんど働かず、図に示すように１〜１０ｎｍ程度の径をもつシリカ一次粒子４が集合し、４０〜１００ｎｍ程度の粒子間距離５をもった集合体となる。したがって、この粒子間距離５が空気分子の平均自由行程以下の細孔を形成し、多孔質体となり、高い断熱性能を示す。そして、これら一次粒子の集合体が１μｍ〜１０ｍｍ程度の二次粒子を形成する。
【００２０】
次に繊維３について説明する。繊維３は材質や形を限定するものではないが、なるべく繊維径が細いものが好ましい。繊維径の細い方が、繊維自身を通って流れる熱が少なくなるからである。繊維３の材質を樹脂とすると、超音波溶着や熱溶着により結合剤を用いずにナノ多孔体２を繊維３に溶着でき、熱伝導率が大きく向上することがない。特に、繊維に熱可塑性樹脂を選ぶことにより、熱溶着により簡単にナノ多孔体２を繊維３に担持することができる。
【００２１】
繊維３を織布もしくは不織布状とすることにより、取扱いが非常に容易となり、また加工性も向上するため、自由な形状に加工することができ、断熱材を必要とする様々な箇所に適用できるようになる。織布もしくは不織布に、ナノ多孔体２を担持しても良いし、繊維３にナノ多孔体２を担持した後に、織布もしくは不織布としても良い。
【００２２】
ナノ多孔体２に、酸化チタンやＡＴＯ（酸化アンチモンドープ酸化スズ）やＩＴＯ（酸化インジウムドープ酸化スズ）などに代表される金属酸化物など赤外線を反射する物質を混合させたり、微粉炭やカーボンブラックなどの赤外線を吸収する物質を混合させたりすると、高温下での断熱性能をさらに上げることができる。以下、実験例を示す。
【００２３】
＜実験例１＞
ナノ多孔体２に平均粒径４０μｍのシリカキセロゲル粉末（以下、本実施例ではキセロゲルという）を選び、繊維３に密度２４ｋｇ／ｍ^３のポリエステルの不織布（以下、本実施例では不織布１という）を選んだ。キセロゲル２４ｇを、厚さ１ｃｍ、２０ｃｍ角の不織布１に熱溶着により担持し、断熱材を作製した（以下、本実施例では担持品１という）。
【００２４】
また、対照品として、キセロゲル２０ｇに４ｇの水ガラスを結合剤として添加し固形化したもの（以下、本実施例では固形化品という）と、密度２４ｋｇ／ｍ^３のガラスウールと、キセロゲル４８ｇを袋状にした不織布に詰めたもの（以下、本実施例では詰め品１という）と、キセロゲル４８ｇを厚さ０．４ｍｍのステンレス製容器に詰めたものを用意した（以下、本実施例では詰め品２という）。
【００２５】
これら５つのサンプルの２４℃での熱伝導率を測定し、その加工性、取扱い性を確かめた。その結果を（表１）に示す。
【００２６】
【表１】

これより、ナノ多孔体２の高い断熱性を保持した状態で、加工性、取扱い性の良い断熱材を実現できる。
【００２７】
＜実験例２＞
ナノ多孔体２にキセロゲルを選び、繊維３に不織布１を選んだ。また、赤外線を反射する物質として酸化チタンを、赤外線を吸収する物質としてカーボンブラックを選んだ。キセロゲル２２ｇと酸化チタン２ｇとの混合物を、厚さ１ｃｍ、２０ｃｍ角の不織布１に熱溶着により担持し、断熱材を作製した（以下、本実施例では担持品２という）。
【００２８】
また、キセロゲル２２ｇとカーボンブラック２ｇとの混合物を、厚さ１ｃｍ、２０ｃｍ角の不織布１に熱溶着により担持し、断熱材を作製した（以下、本実施例では担持品３という）。対照品として、担持品１と密度２４ｋｇ／ｍ^３のガラスウールを用意した。
【００２９】
これら４つのサンプルの７２℃での熱伝導率を測定した。その結果を（表２）に示す。
【００３０】
【表２】

したがって、赤外線反射剤や吸収剤を添加したものは、高温下で高い断熱性能を発揮できる。
【００３１】
（実施例２）
以下、本発明の実施例２における機器について図３に基づいて説明する。
【００３２】
実施例１に示した断熱材１を、電気湯沸かし器、ジャー炊飯器、オーブンレンジ、フィッシュロースタなどの加熱機器はもとより、保温・保冷機器や各種断熱を要する機器に用いることで、大幅に省エネをはかることが可能である。
【００３３】
図は電気湯沸かし器に断熱材を用いた例を示すもので、２１は電気湯沸かし器本体（以下、本実施例では本体という）で、内部に貯水する内径１８４ｍｍ、深さ２００ｍｍの貯水用容器２２（以下、本実施例では容器２２という）を有している。２３は容器２２の口部を封じるようにした中栓である。２４は本体２１の上部を開閉可能に覆った上蓋である。２５は上蓋２４に設けられた蒸気通路であり、一端は中栓２３を貫通して容器２２内と連通しており、他端は大気と連通している。２６は水漏れ防止弁であり、蒸気通路２５内に配置されており、転倒時等には蒸気通路２５を遮断するようになっている。ここで、蒸気通路２５は複雑に曲げられている。これにより容器２２の水が沸騰したときなど大気に比べ、容器２２の内側の圧力が高くなったときは、蒸気が蒸気通路２５を通じて本体２１外に排出されるが、容易には外気と容器２２内の水面と上蓋２４の間の空気（以下、本実施例では内気という）が混合しない構成となっている。
【００３４】
２７は本体２１と容器２２との間の底部に設けたモータ、２８はモータ２７によって駆動されるポンプで、その吸い込み口２９は容器２２の底部と連通している。３０はポンプ２８の吐出口で、出湯管３１に連通している。３２は出湯口であり、ここより電気湯沸かし器外に出湯する。したがって、出湯経路は容器２２から吸い込み口２９、ポンプ２８、ポンプ２８の吐出口、出湯管３１を通り、出湯口３２となる。３３は加熱用のヒータであり、ドーナツ状に中央部が抜けており、容器２２の下部に装着されている。３４は容器２２の底面と接する温度検知器で、容器２２内の水温を検知する。３５はモータ２７を駆動する起動スイッチであり、可変抵抗体を有しており、押しボタン３６の押し動作スイッチによりロッド３７を介して動作する。３８は圧縮形のスプリングで、このスプリング３８は、常時ロッド３７を上方に押し上げるように付勢している。３９は制御装置であり、温度検知器３４からの信号を取り込み、ヒータ３３等を制御する。４０は容器２２の側面を覆う断熱材であり、容器２２の熱が本体２１の側面から逃げることを抑える役割をしている。
【００３５】
断熱材４０は、実施例１で示した断熱材を用いる。加工性、取扱い性が良いため、容器２２周囲の形状と、容器２２底部の温度検知器３４および吸い込み口２９を抜いた形状の断熱材を容易に作製できる。これにより、容器２２から本体２１外部へ漏れる熱を遮断でき、保温にかかる電力（以下、本実施例では保温電力という）を削減することができ、省エネに貢献できる。
【００３６】
以下、本実施例の動作を説明する。容器２２に水を入れた後通電すると、容器２２内の水温は温度検知器３４により計測され、その信号が制御装置３９に送られ、制御装置３９はヒータ３３の通電を開始し始める。容器２２内の水が沸騰すると、ヒータ３３への通電が終了する。その後、温度検知器３４からの信号を受けて、制御装置３９はヒータ３３を容器２２の温度が略一定温度になるように制御する。出湯する際は押しボタン３６を押す。モータ２７が動作し、容器２２内の水はポンプ２８により、出湯管３１を通り出湯口３２より電気湯沸かし器外に排出され利用される。以下、実験例を示す。
【００３７】
＜実験例３＞
ナノ多孔体２にキセロゲルを選び、繊維３に不織布１を選び、赤外線を反射する物質として酸化チタンを選んだ。キセロゲル５８ｇと酸化チタン５ｇとの混合物を、厚さ１ｃｍ、長さ７０ｃｍ、幅１５ｃｍの不織布１に熱溶着により担持し、断熱材を作製した。この断熱材を有する電気湯沸かし器（以下、本実施例ではキセロ断熱という）と、断熱材を有していない電気湯沸かし器（以下、本実施例では断熱材なしという）と、ガラスウールを有する電気湯沸かし器（以下、本実施例ではＧＷ断熱という）を用意し、これらの電気湯沸かし器に水を入れ、それぞれの保温電力を測定した。なお、保温水温は９６．５℃、雰囲気温度は２０℃とした。測定は十分平衡状態に達した後に行った。実験結果を（表３）に示す。
【００３８】
【表３】

これより、固形化した断熱材を用いることにより、大幅に電気湯沸かし器の保温電力を削減することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明の断熱材とそれを用いた機器は、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体が繊維に溶着により担持され、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である断熱材とするとともに、この断熱材を用いた機器としたもので、空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体自身が非常に断熱性の高い断熱材であり、結合剤を用いることなく、繊維に担持させることにより、その断熱性能を悪化させることなく、加工性、取扱い性が良く、断熱性の高い断熱材を実現でき、その断熱材を用いて省エネ性の高い機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における断熱材の模式図
【図２】同断熱材におけるシリカキセロゲルの一部を拡大した模式図
【図３】本発明の実施例２における電気湯沸かし器の縦断面図
【符号の説明】
１、４０　断熱材
２　空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体（ナノ多孔体）
３　繊維
４　シリカ一次粒子
５　粒子間距離
２２　貯水用容器
３３　ヒータ

Claims

空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体と繊維とを備え、少なくとも前記空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体が前記繊維に溶着により担持され、熱伝導率が静止した空気の熱伝導率以下である断熱材。
空気分子の平均自由行程以下の孔を有する構造体に少なくともシリカキセロゲルを含む請求項１に記載の断熱材。
繊維に少なくとも熱可塑性樹脂を含む請求項１または２に記載の断熱材。
繊維が織布もしくは不織布を形成する請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱材。
赤外線を反射する物質、もしくは吸収する物質のうち少なくともいずれか一つを含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材。
請求項１〜５いずれか１項に記載の断熱材を用いた機器。