JP2004340194A

JP2004340194A - 真空断熱材及び冷蔵庫

Info

Publication number: JP2004340194A
Application number: JP2003135050A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Yoshida; 隆明吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-05-13
Filing date: 2003-05-13
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【課題】断熱性能が高くかつ取り扱い性に優れる真空断熱材と、これを用いることで消費電力量の大幅な削減を図ることができる冷蔵庫を提供する。
【解決手段】エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬して超臨界乾燥によりエアロゲルを生成せしめてなるエアロゲルと繊維構造物との複合体（１１）をコア材として、非通気性の外装体（１２）内に収容し、真空引きしてなる真空断熱材である。また、この真空断熱材（１）を、冷蔵庫本体（２）の外箱（２１）と内箱（２２）との間の空隙（２３）及び／又は扉外側材（３１）と扉内側材（３２）との間の空隙（３３）に設置したものである。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空断熱材及びそれを用いた冷蔵庫に関し、特に冷蔵庫における断熱構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫の断熱材としては、一般的には、ポリウレタンフォームが用いられている。ポリウレタンフォームは、冷蔵庫本体の外箱と内箱との間の空隙や、扉外側材と扉内側材との間の空隙に、発泡原液を注入して発泡させることで、これらの隙間を充填した状態に成形することができるため、製造が容易であるという長所があるが、熱伝導率は０．０２０〜０．０２２Ｗ／ｍ・Ｋ程度にとどまるのが一般的である。
【０００３】
また、特殊な冷蔵庫では、真空断熱材が使用されている。真空断熱材は、シリカやパーライト等の微粉末又は連続気泡のウレタンフォームなどのコア材を、非通気性の外装体内に収容し、内部を真空引きしてなるものであり、真空断熱材単体としては、熱伝導率が０．００３〜０．００５Ｗ／ｍ・Ｋ程度の優れた断熱性を持つ。但し、冷蔵庫に使用する場合には、外箱と内箱との間の空隙に真空断熱材を配置するとともに、その周囲に上記ポリウレタンフォームを発泡充填させるのが通常である。そのため、真空断熱材の周囲からの回り込みによる熱伝導によって、冷蔵庫での実質的な性能は０．００５〜０．０１０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。
【０００４】
近年、地球温暖化問題や原油価格の上昇による電気代の上昇に伴って、冷蔵庫には製品としての消費電気量削減の要求が大きくなってきている。かかる要求に応えるために、例えば断熱層を厚くしたのでは、冷蔵庫内部の収容量が少なくなってしまうという問題がある。すなわち、特に家庭用の冷蔵庫では、限られた設置面積で、より大きな収容量が要求されており、断熱層を厚くしたのでは、この要求に応えることができない。上記ポリウレタン系の断熱材では理論的にも断熱性能の限界に達しており、また、真空断熱材でもコア材として従来の材料を用いしたものでは限界に到達している。そのため、より高い断熱性を発揮する高性能の断熱材の使用が求められている。
【０００５】
ところで、従来より、熱伝導率の小さい材料として、シリカエアロゲルが知られており、断熱材への使用が提案されている。例えば、下記特許文献１には、モノリシックシリカエアロゲル成形体を真空断熱材のコア材として使用することが開示されている。
【０００６】
シリカエアロゲルは、極度に高い多孔性を持つ二酸化ケイ素のゲルであり、非常に軽量で低熱伝導による高い断熱性を示すものであるが、従来のものは非常に崩れやすく、取り扱いにくいものであった。そのため、真空断熱材を実際に製造する際に困難を伴い、そのため、シリカエアロゲルを断熱材に使用した断熱性に優れる冷蔵庫は未だ実現されていない。
【０００７】
【特許文献１】特開平６−２８１０８９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、断熱性能が高くかつ製造性に優れる真空断熱材を提供することを目的とする。また、この真空断熱材を用いることで、消費電力量の大幅な削減を図ることができる冷蔵庫を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の真空断熱材は、エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬して超臨界乾燥によりエアロゲルを生成せしめてなるエアロゲルと繊維構造物との複合体を、非通気性の外装体内に収容し、真空引きしてなるものである。
【００１０】
このように真空断熱材のコア材として、エアロゲルを使用することにより断熱性能を高めることができる。また、このコア材となる複合体は、エアロゲルが繊維構造物で補強されたものであるため、取り扱い性に優れ、そのため断熱性能に優れる真空断熱材を製造性良く提供することができる。
【００１１】
本発明の冷蔵庫は、該真空断熱材を、冷蔵庫本体の外箱と内箱との間の空隙及び／又は扉外側材と扉内側材との間の空隙に設置したものである。上記のようにエアロゲルをコア材として用いた真空断熱材は断熱性能に優れるため、これを用いた冷蔵庫であると、消費電力量の大幅な削減が可能となり、電気代を大幅に削減することができる。
【００１２】
本発明の他の冷蔵庫は、冷蔵庫本体の外箱と内箱との間の空隙及び／又は扉外側材と扉内側材との間の空隙を真空引き可能な気密空間に形成するとともに、エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬して超臨界乾燥によりエアロゲルを生成せしめてなるエアロゲルと繊維構造物との複合体を前記気密空間全体に充填し、真空引きしたものである。
【００１３】
このように外箱と内箱自体を非通気性の外装体とし、あるいはまた扉外側材と扉内側材自体を非通気性の外装体として、これらの内部にコア材として上記エアロゲルと繊維構造物との複合体を充填することによっても、断熱性能に優れ、消費電力の大幅な削減が可能となる冷蔵庫を提供することができる。また、この場合も、コア材の取り扱い性に優れるため、冷蔵庫の製造性もよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の真空断熱材および冷蔵庫においてコア材として使用する上記複合体は、エアロゲルと繊維構造物との複合体であり、エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬し、該繊維構造物の存在下で超臨界乾燥によって前記エアロゲル前駆体からエアロゲルを生成させることにより得られるものである。
【００１５】
エアロゲルは、微細な空孔（連続気泡）を多数持つ極めて空隙率（好ましくは空隙率９９％以上）の高い固体である。より詳細には、二酸化ケイ素などを数珠状に結合した構造を持ち、ナノメータレベル（例えば２〜５０ｎｍ）の空隙を多数持つ物質である。このようにナノメータレベルの細孔と格子状構造を持つため、気体分子の平均自由行程を縮小することができ、常圧でも気体分子同士の熱伝導が非常に少なく、熱伝導率が非常に小さいものである。
【００１６】
エアロゲルとしては、ケイ素、アルミニウム、鉄、銅、ジルコニウム、ハフニウム、マグネシウム、イットリウムなどの金属酸化物からなる無機エアロゲルの使用が好ましく、より好ましくは二酸化ケイ素からなるシリカエアロゲルである。
【００１７】
繊維構造物は、エアロゲルを補強し、また支持するための補強材ないし支持体として作用するものであり、フレキシブルな複合体を得るためにフレキシブルな織布、編布、不織布などが用いられ、より好ましくはフェルト又はブランケット状のものが用いられる。繊維構造物の材質としては、ポリエステル繊維等の有機繊維の他、ガラス繊維などの無機繊維を用いることもできる。
【００１８】
上記複合体は、無機エアロゲルの場合、次のようにして得ることができる。まず、テトラエトキシシランなどの金属アルコキシドを、有機溶媒、例えばアルコール（エタノール）に溶かし、アルコキシド−アルコール溶液を調製する。これに水を加えて金属アルコキシドを加水分解させて、金属ヒドロキシドを含んでなるエアロゲル前駆体を形成する。このエアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬し、各繊維の周りに液体状のエアロゲル前駆体が染み渡るようにする。その後、エアロゲル前駆体には縮合反応（金属ヒドロキシドが金属酸化物となる反応）が起こり、そして、超臨界乾燥することによりエアロゲルが形成される。超臨界乾燥は、例えばオートクレーブを用いて、圧力をかけた状態で上記溶媒の臨界点よりも高い温度に加熱することにより行うことができる。このようにして繊維構造物で補強されたエアロゲルからなる複合体、より詳細には繊維構造物を補強材として繊維の隙間にエアロゲルを充填してなるエアロゲルと繊維構造物との複合体が得られる。
【００１９】
本発明においては、該エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬した後、十分な時間をかけて熟成させて上記縮合反応を完了させ、その後、超臨界乾燥してもよいが、より好ましくは、米国特許第６０６８８８２号公報に記載されているように、浸漬後、縮合反応が始まった段階で、かつ熟成する前に、浸漬した繊維構造物をオートクレーブに入れて、超臨界乾燥を行うことである。このように熟成させることなく超臨界乾燥を行うことにより、繊維−繊維間の接触がほとんどなく、各繊維間にエアロゲルが介在し、該エアロゲルを介して熱が伝達するような構造にすることができ、断熱性をより高めることができる。
【００２０】
上記複合体の具体例としては、アスペンエアロジェル社の「スペースロフトＡＲ３１００」（商品名）や「パイロゲルＡＲ３２００」（商品名）などのガラス繊維やポリエステル繊維で補強されたシリカエアロゲルが好適なものとして挙げられる。これらの複合体は、従来のポリウレタンフォームからなる断熱材の熱伝導率０．０２０〜０．０２２Ｗ／ｍ・Ｋに対して、常圧でも熱伝導率が０．０１０〜０．０１２Ｗ／ｍ・Ｋと低く、真空断熱材のコア材として用いた場合、０．００１５Ｗ／ｍ・Ｋと極めて優れた断熱性能を発揮する。この値は、従来のウレタン系のコア材を用いた真空断熱材の０．００５Ｗ／ｍ・Ｋや、グラス系のコア材を用いた真空断熱材の０．００３Ｗ／ｍ・Ｋと比較しても優れた値である。そのため、例えば、上記複合体をコア材として用いた真空断熱材（厚み１０ｍｍ）を、冷蔵庫の断熱材として使用した場合（断熱層の総面積４．５ｍ^２に対して真空断熱材を２．５ｍ^２（約５５％）敷設）、従来のポリウレタンフォームを断熱材として使用した冷蔵庫に対し、ヒートリークを約４０％改善することができ、また消費電力量を２６０Ｋｗｈ／ｙのものであれば１８２Ｋｗｈ／ｙと約３０％改善することができる。
【００２１】
上記コア材は、非通気性の外装体内に収容し、内部を真空引きすることで真空断熱材が得られる。外装体としては、内部を真空状態に保持することができる非通気性を持つものであれば特に限定されず、例えば、片面に金属蒸着面が形成され、若しくは金属箔フィルムがラミネートされた合成樹脂製フィルムからなる袋体、あるいはまた、合成樹脂製や金属製の容器などが挙げられる。また、真空度は特に限定されないが、１Ｔｏｒｒ以下の気圧となるように外装体内部を排気することが好ましく、より好ましくは０．１Ｔｏｒｒ以下である。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る真空断熱材（１）を図示したものである。この真空断熱材（１）は、上記したエアロゲルと繊維構造物との複合体（１１）をコア材として、これを外装体（１２）内に収容した後、外装体（１２）の周縁部に設けられた不図示の排気用開口部から外装体（１２）内の空気を真空排気し、次いで該開口部を溶着その他の手段で封止することにより得られる矩形状の真空断熱パネルである。この真空断熱材（１）は、コア材としてエアロゲルと繊維構造物との複合体（１１）を用いたものであるため、上記したように優れた断熱性能を有する。また、この複合体（１１）はフレキシブルで取り扱いやすいものであるため、外装体（１２）に収容する際の取り扱い性に優れ、真空断熱材の製造作業性に優れる。更に複合体（１１）は軽量であるため、真空断熱材としても軽量なものが得られる。
【００２３】
本発明に係る冷蔵庫は、上記真空断熱材を、冷蔵庫本体や該本体の前面開口部を閉塞する扉の断熱材として使用したものである。詳細には、冷蔵庫本体は、庫内壁面を形成する合成樹脂製の内箱と、該内箱を所定の隙間をおいて取り囲む金属製の外箱とからなるため、これら両者の間の空隙に、真空断熱材を設置する。また、扉は、庫内側に配される合成樹脂製の扉内側材と、扉表面を形成して扉内側材との間に所定の隙間を形成する金属製の扉外側材とからなるため、これら両者の間の空隙に、真空断熱材を設置する。
【００２４】
該真空断熱材の設置態様を例示すれば以下の通りである。
【００２５】
図２は、上記真空断熱材（１）を、冷蔵庫本体（２）と扉（３）の空隙内の厚み方向における外側寄り部分に配して、残りの空隙部分にポリウレタンフォーム（４）を発泡充填した例を図示したものである。
【００２６】
この構造は、冷蔵庫本体（２）を構成する外箱（２１）の内側面に、真空断熱材（１）を貼り付けておき、この外箱（２１）を内箱（２２）と組み合わせるとともに、両者の間の空隙（２３）にポリウレタンフォーム（４）の発泡原液を注入して発泡充填させることにより、形成することができる。扉（３）についても同様に、扉外側材（３１）の背面に真空断熱材（１）を貼り付けておき、この扉外側材（３１）を扉内側材（３２）と組み合わせるとともに、両者の間の空隙（３３）にポリウレタンフォーム（４）の発泡原液を注入して発泡充填させることにより、製造することができる。なお、真空断熱材（１）は、ポリウレタンフォーム（４）によって空隙（２３）（３３）内に固定一体化されるため、上記の貼り付けは仮止め程度でもよい。
【００２７】
このように外箱（２１）や扉外側材（３１）に真空断熱材（１）を貼り付けておいて、残りの空隙をポリウレタンフォーム（４）で充填するものであるため、従来の製造工程に殆ど変更を加えることなく、高性能の断熱化を図ることができる。
【００２８】
図３は、上記真空断熱材（１）を、冷蔵庫本体（２）と扉（３）の空隙内の厚み方向における内側寄り部分に配して、残りの空隙部分にポリウレタンフォーム（４）を発泡充填した例を図示したものである。
【００２９】
この構造は、冷蔵庫本体（２）を構成する内箱（２２）の外側面に、真空断熱材断熱材（１）を貼り付けておき、この内箱（２２）を外箱（２１）と組み合わせるとともに、両者の間の空隙（２３）にポリウレタンフォーム（４）の発泡原液を注入して発泡充填させることにより形成することができる。扉（３）についても同様に、扉内側材（３２）の前面に真空断熱材（１）を貼り付けておき、これを扉外側材（３１）と組み合わせるとともに、両者の間の空隙（３３）にポリウレタンフォーム（４）の発泡原液を注入して発泡充填させることにより、製造することができる。この例でも、上記した図２に示す例と同様、従来の製造工程に殆ど変更を加えることなく、高性能の断熱化を図ることができる。
【００３０】
図４は、冷蔵庫本体（２）や扉（３）の空隙（２３）（３３）に部分的に厚みが薄い部分（２４）（３４）がある場合に、その薄い部分（２４）（３４）に上記真空断熱材（１）を配置した例を図示したものである。このように冷蔵庫の構造上、断熱層の厚みが他の部分よりも薄くなってしまう部分（２４）（３４）に、断熱性の高い上記真空断熱材（１）を配置することにより、このような薄い部分でも他の部分と同様の断熱性を確保することができる。
【００３１】
なお、この例において、真空断熱材（１）の配置方法としては、冷蔵庫本体（２）の場合、上記薄い部分（２４）における外箱（２１）の内側面又は内箱（２２）の外側面に真空断熱材（１）を貼り付けておき、両者を組み合わせてからポリウレタンフォーム（４）の発泡原液を注入すればよい。扉（３）の場合も同様に、上記薄い部分（３４）における扉外側材（３１）又は扉内側材（３２）に真空断熱材（１）を貼り付けておけばよい。この場合、これら薄い部分（２４）（３４）において、上記図２や図３のように、真空断熱材（１）とポリウレタンフォーム（４）との２層構造としてもよい。また、図４の例では、薄い部分（２４）を除くその他の部分では、合成樹脂発泡断熱材、即ちポリウレタンフォーム（４）単独を発泡充填しているが、この部分においても上記真空断熱材（１）を設置しても構わない。
【００３２】
上記図２〜図４に示す例において、真空断熱材（１）と併用するポリウレタンフォーム（４）は、特に限定されないが、好ましくは、発泡剤として、シクロペンタンなどの炭化水素や、ＨＦＣ（ハイドロフルオロカーボン）２４５ｆａ、ＨＦＣ３６５ｍｆｃなどを用いて発泡成形されるものである。
【００３３】
なお、上記実施形態では、冷蔵庫本体（２）と扉（３）の双方に真空断熱材（１）を用いた例を挙げたが、いずれか一方にのみ用いることもできる。また、真空断熱材（１）の設置態様について、冷蔵庫本体（２）では図２の外側貼り付けとしながら、扉（３）では図３の内側貼り付けとして、冷蔵庫本体（２）と扉（３）とで異なる態様としても構わない。
【００３４】
図５は、本発明の他の実施形態に係る冷蔵庫の断面図である。この実施形態では、冷蔵庫本体（２）の外箱（２１）と内箱（２２）との間の空隙（２３）及び扉外側材（３１）と扉内側材（３２）との間の空隙（３３）を真空引き可能な気密空間に形成するとともに、上記したエアロゲルと繊維構造物との複合体（１１）をコア材として、これを空隙（２３）（３３）の全体に充填し、その後、該空隙内の空気を不図示の排気用開口部を通じて真空排気し、次いで開口部を封止することで、冷蔵庫本体（２）及び扉（３）の全体を真空断熱材で構成している。
【００３５】
この冷蔵庫であると、エアロゲルと繊維構造物との複合体（１１）をコア材として用いているため、優れた断熱性能が発揮される。また、この複合体（１１）はフレキシブルで取り扱いやすいものであるため、冷蔵庫本体（２）や扉（３）に収容する際の取り扱い性に優れ、冷蔵庫の製造作業性に優れる。更に上記複合体（１１）は軽量であるため、冷蔵庫としても軽量なものが得られる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明の真空断熱材であると、コア材としてエアロゲルからなる複合体を使用しているので断熱性能に優れる。また、この複合体がエアロゲルを繊維構造物で補強してなるものであるため、取り扱い性に優れ、そのため、かかる断熱性能に優れる真空断熱材を製造性良く提供することができる。
【００３７】
また、この真空断熱材を用いた冷蔵庫であると、その優れた断熱性能により消費電力量ひいては電気代の大幅な削減が可能となる。
【００３８】
また、冷蔵庫本体及び／又は扉の空隙を真空引き可能な気密空間に形成するとともに、該空隙全体にエアロゲルと繊維構造物との複合体を充填して真空引きした冷蔵庫であると、高い断熱性能を有し、そのため消費電力量の大幅な削減が可能となる。また上記複合体がエアロゲルを繊維構造物で補強してなるものであるため、取り扱い性に優れ、そのため、かかる断熱性能に優れる冷蔵庫を製造性良く提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空断熱材の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の一実施形態に係る冷蔵庫の縦断面図、（ｂ）はその水平断面図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る冷蔵庫の水平断面図である。
【図４】本発明の更に他の実施形態に係る冷蔵庫の水平断面図である。
【図５】本発明の更に他の実施形態に係る冷蔵庫の水平断面図である。
【符号の説明】
１……真空断熱材
１１……複合体
１２……外装体
２……冷蔵庫本体
２１……外箱
２２……内箱
２３……空隙
２４……薄い部分
３……扉
３１……扉外側材
３２……扉内側材
３３……空隙
３４……薄い部分
４……ポリウレタンフォーム

Claims

エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬して超臨界乾燥によりエアロゲルを生成せしめてなるエアロゲルと繊維構造物との複合体を、非通気性の外装体内に収容し、真空引きしてなる真空断熱材。
請求項１記載の真空断熱材を、冷蔵庫本体の外箱と内箱との間の空隙及び／又は扉外側材と扉内側材との間の空隙に設置したことを特徴とする冷蔵庫。
前記真空断熱材を前記空隙内の厚み方向における外側寄り部分に配して、残りの空隙部分に合成樹脂発泡断熱材を発泡充填してなる請求項２記載の冷蔵庫。
前記真空断熱材を前記空隙内の厚み方向における内側寄り部分に配して、残りの空隙部分に合成樹脂発泡断熱材を発泡充填してなる請求項２記載の冷蔵庫。
前記合成樹脂発泡断熱材が、発泡剤として炭化水素、ＨＦＣ２４５ｆａ又はＨＦＣ３６５ｍｆｃを用いて発泡成形されるポリウレタンフォームであることを特徴とする請求項３又は４記載の冷蔵庫。
前記空隙にはその厚みが周りの部分よりも薄い部分があり、この薄い部分に前記真空断熱材を配置したことを特徴とする請求項２記載の冷蔵庫。
冷蔵庫本体の外箱と内箱との間の空隙及び／又は扉外側材と扉内側材との間の空隙を真空引き可能な気密空間に形成するとともに、エアロゲル前駆体に繊維構造物を浸漬して超臨界乾燥によりエアロゲルを生成せしめてなるエアロゲルと繊維構造物との複合体を前記気密空間全体に充填し、真空引きしたことを特徴とする冷蔵庫。