JP2005127409A

JP2005127409A - 真空断熱材、並びに真空断熱材を用いた冷凍機器及び冷温機器

Info

Publication number: JP2005127409A
Application number: JP2003363095A
Authority: JP
Inventors: Chie Hirai; 千恵平井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19
Also published as: WO2005040664A1; CN1609497A; CN100383453C; TW200519312A; DE112004001930T5; CN2731243Y

Abstract

【課題】真空断熱材の芯材として、無機質繊維同士がそれら繊維より溶出した成分によって結着しているものを用いると、芯材強度が弱く、芯材の形状を保持できなかったり、真空断熱材作製後、大気圧縮により表面が変形してしまったりするという問題があった。また、結着剤によっては環境に良くないものがある。
【解決手段】真空断熱材１の芯材が、金属元素を含みかつ常温で固体である水溶性無機化合物を用いて成形されていることを特徴とする。特に、食品や肥料に用いられる化合物では、安全で環境に優しい芯材が得られる。繊維より溶出した成分による繊維同士の結着に加え、繊維表面に無機化合物の固体が析出して繊維同士を結着することにより、強度が向上するとともに表面性が優れ、断熱性能も優れた真空断熱材１が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、断熱を必要とするもの、例えば冷蔵庫、保温保冷容器、自動販売機、電気湯沸かし器、車両、及び住宅等の断熱材として使用可能な真空断熱材に関するものである。

近年、地球温暖化防止の観点から省エネルギーが強く望まれており、家庭用電化製品についても省エネルギー化は緊急の課題となっている。特に、冷蔵庫、冷凍庫、自動販売機等の保温保冷機器では熱を効率的に利用するという観点から、優れた断熱性能を有する断熱材が求められている。

一般的な断熱材として、グラスウールなどの繊維材やウレタンフォームなどの発泡体が用いられている。しかし、これらの断熱材の断熱性能を向上するためには断熱材の厚さを増す必要があり、断熱材を充填できる空間に制限があって省スペースや空間の有効利用が必要な場合には適用することができない。

そこで、高性能な断熱材として真空断熱材が提案されている。これは、スペーサの役割を持つ芯材をガスバリア性を有する外被材中に挿入し内部を減圧して封止した断熱材である。

従来の真空断熱材の一例としては、芯材として無機質繊維同士がそれら繊維より溶出した成分によって各交点で結着しているものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１６７３７６号公報

芯材として無機質繊維同士がそれら繊維より溶出した成分によって結着しているものを用いると、芯材強度が弱く、芯材を外被材に挿入する際に芯材が形状を保持できなかったり、また、芯材を外被材に挿入し内部を減圧にした後、大気圧縮により真空断熱材表面が変形したりしてしまうという問題があった。

また、強度を確保するために結着剤を使用することもできるが、環境面等で良くないものがあった。

上記問題を解決するため、本発明は、芯材と、前記芯材を覆い内部を減圧した外被材とからなり、前記芯材が無機繊維を含む成形体で、前記成形体が少なくとも水溶性無機化合物を含む化合物を用いて成形されており、前記水溶性無機化合物が金属元素を含みかつ常温で固体であることを特徴とする真空断熱材である。

常温で固体である水溶性無機化合物を用いることにより、繊維からの溶出成分による繊維同士の結着に加え、繊維表面に水溶性無機化合物の固体が析出し繊維同士を結着することにより、芯材強度が大幅に向上する。また、真空断熱材の表面の平面性も向上する。このとき、水に難溶性の無機化合物を用いると、難溶性化合物が繊維からの溶出成分による繊維同士の結着を物理的に阻害し、芯材強度が減少する。

また、水溶性無機化合物は金属元素を含み、好ましくは重合するものではなく、イオン
結合性の強いものの方が望ましい。これは、重合するものであると無機化合物による固体熱伝導が増加し、芯材としての固体熱伝導率が増加するおそれがあるからである。

また、無機化合物を用いていることから発生ガスが少なく、真空断熱材の経時的な熱伝導率に悪影響を及ぼしにくい。

また、繊維材料を用いることにより、成形し易くかつ固体熱伝導率が小さいという、成形性及び断熱性に優れた真空断熱材を得ることができるものである。

以上のように、本発明は、芯材と、前記芯材を覆い内部を減圧した外被材とからなり、前記芯材が無機繊維を含む成形体で、前記成形体が少なくとも水溶性無機化合物を含む化合物を用いて成形されており、前記水溶性無機化合物が金属元素を含みかつ常温で固体であることを特徴とする真空断熱材である。

金属元素を含みかつ常温で固体である水溶性無機化合物を用いることにより、繊維からの溶出成分による繊維同士の結着に加え、繊維表面に固体が析出し繊維同士を結着することにより、芯材強度が大幅に向上する。

また、上記構成において、水溶性無機化合物の溶解度が、水１００ｇに対し１ｇ以上であることにより、塗布効率が向上すると共に芯材強度が向上する。

また、上記構成において、水溶性無機化合物１ｇを水１００ｇに溶解させたときのｐＨが２以上１０以下であることにより、芯材強度が向上すると共に熱伝導率の悪化のおそれが少なくなる。

上記問題を解決するため、請求項１の発明は、芯材と、前記芯材を覆い内部を減圧した外被材とからなり、前記芯材が無機繊維を含む成形体で、前記成形体が少なくとも水溶性無機化合物を含む化合物を用いて成形されており、前記水溶性無機化合物が金属元素を含みかつ常温で固体であることを特徴とする真空断熱材である。

また、水溶性無機化合物は金属元素を含み、好ましくは重合するものではなく、イオン結合性の強いものの方が望ましい。これは、重合するものであると無機化合物による固体熱伝導が増加し、芯材としての固体熱伝導率が増加するおそれがあるからである。

また、請求項２の発明は、請求項１の構成において、水溶性無機化合物の溶解度が水１００ｇに対し１ｇ以上であることを特徴とする真空断熱材である。

これにより繊維同士の確実な結着が得られるもので、溶解度が水１００ｇに対し１ｇより少ないと、無機化合物が溶解した状態で使用する場合、水分量が多過ぎて塗布効率が低下する。それゆえ、溶解度は高くても良いが、無機化合物が溶解しない濃度で繊維に塗布する場合には、無機化合物の溶け残り分の固体が繊維からの溶出成分による繊維同士の結着を阻害して芯材強度が弱くなることが考えられ、飽和濃度を上限とすることが望ましい。

また、請求項３の発明は、請求項１又は２の構成において、水溶性無機化合物１ｇを水１００ｇに溶解させたときのｐＨが２以上１０以下であることを特徴とする真空断熱材である。

ｐＨが２より小さいと水溶液の取り扱い性に問題があったり、芯材作製時に装置にダメージを与えたりすることが考えられ、成形は実用上困難である。

また、ｐＨが１０より大きいと無機繊維が浸食され、芯材がぼろぼろになってしまうか、もしくは浸食された繊維が再結合し繊維同士が面接触により結合し、固体熱伝導率が大幅に悪化してしまうおそれがある。

したがって、ｐＨは２以上１０以下であることが望ましく、３以上９以下がより望ましい。

また、請求項４の発明は、請求項１から３のうちいずれかの構成において、水溶性無機化合物に含まれる金属元素が、少なくともアルカリ金属を含むことを特徴とする真空断熱材である。

アルカリ金属を含むことにより、無機繊維からの溶出を促進することが可能となり、繊維同士の結着をより強固にして芯材強度を向上することができる。

また、請求項５の発明は、請求項１から４のうちいずれかの構成において、水溶性無機化合物が塩化ナトリウム、塩化カリウム、ミョウバンのうち少なくともひとつを含むことを特徴とする真空断熱材である。

これらの化合物は食品や肥料として使用されているものであり、安全でかつ環境に優しい芯材を得ることができる。また、芯材の製造や廃棄において水溶性無機化合物が飛散したとしても、人体や環境に影響が少なく安全である。

また、請求項６の発明は、外箱と、内箱とを備え、前記外箱と前記内箱によって形成される空間に本発明の真空断熱材を配置し、前記真空断熱材以外の前記空間に発泡断熱材を充填してなる冷凍機器及び冷温機器である。

外箱と内箱とからなる空間に、本発明の断熱性能に優れかつ平面性に優れた真空断熱材を配置し、それ以外の空間に発泡断熱材を充填することにより、断熱性能および外観に優れた冷凍機器及び冷温機器を得ることができる。

本発明は、芯材と、前記芯材を覆い内部を減圧した外被材とからなり、前記芯材が無機繊維を含む成形体で、前記成形体が少なくとも水溶性無機化合物を含む化合物を用いて成形されており、前記水溶性無機化合物が金属元素を含みかつ常温で固体であることを特徴とする真空断熱材である。

前記芯材に用いる無機繊維は、例えばグラスウール、グラスファイバー、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウールなど、公知の材料を使用することができる。

また、その繊維径は特に指定するものではないが、断熱性能や取り扱い性、入手の容易さ等から０．１μｍ〜１０μｍが望ましい。

また、水溶性無機化合物は上記条件のものであれば特に指定するものではないが、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、塩化カリウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸カリウム、ミョウバン、硫酸マグネシウム、硫酸アルミニウム等である。これらの中でより好ましくは吸湿性の小さいものである。

吸湿性が大きいと、芯材成形後に繊維表面に析出した無機化合物が水分を取り込み、結合が弱くなって芯材強度が弱くなることが考えられる。また、芯材を外被材に挿入し真空排気した後でも外被材内で芯材が水分を放出し、真空断熱材の断熱性能が悪化することが考えられる。

以上のようなものを１種、或いは２種以上混合、或いはその他の化合物を混合、或いはそれらを希釈して芯材を作製する。

無機化合物は、芯材に対し０．５ｗｔ％以上２０ｗｔ％以下となるように付着させることが望ましい。無機化合物の量が少ないと、芯材の強度向上効果が小さくなり、無機化合物の量が多くなると、固体熱伝導率の増加が懸念され、真空断熱材の断熱性能に悪影響を及ぼすことが考えられるからである。

前記芯材材料への水溶性無機化合物付着方法としては、特に指定するものではないが、前記無機化合物水溶液を塗布又は噴霧したりして付着させる。無機化合物を水溶液として芯材成形に使用する場合、溶媒の量は特に指定するものではなく、溶質である無機化合物が溶解するのであればよい。芯材の密度は１００ｋｇ／ｍ³〜４００ｋｇ／ｍ³となるように成形することが望ましい。密度が１００ｋｇ／ｍ³より小さいと成形体としての形状を保持しにくくなり、４００ｋｇ／ｍ³より大きくなると固体熱伝導率が大きくなり真空断熱材の断熱性能が悪化するからである。なお、内部で密度が異なっていてもよい。

また、前記外被材についても公知のものを使用することができる。また、真空断熱体の信頼性を更に向上させる場合は、ガス吸着剤や水分吸着剤等のゲッター物質を使用することも可能である。真空断熱材の製造方法は、まず外被材を作製し、その後外被材中に芯材を挿入し内部を減圧し封止してもよく、或いは、減圧槽中に芯材とロール状或いはシート状のラミネートフィルムからなる外被材を設置し、ロール状或いはシート状の外被材を芯材に沿わした状態にしてから外被材を熱融着することにより真空断熱材を作製してもよく、或いは、芯材を挿入した外被材内を直接減圧にして外被材開口部を封止することにより真空断熱材を製造する、或いは金属板で成形した容器にボード状の芯材を挿入し、真空ポンプと前記金属容器とを管で結んで容器内を減圧とし、その後管を封止し切ることにより真空断熱材とする等の方法があるが、特に指定するものではない。

また、芯材は外被材挿入前に水分乾燥を行ってもよく、また外被材挿入時に吸着剤を一緒に挿入してもよい。

本発明は、水溶性無機化合物の溶解度が、水１００ｇに対し１ｇ以上であることを特徴としているが、これは、常温、好ましくは２５℃での溶解度である。

また、水溶性無機化合物１ｇを水１００ｇに溶解させたときのｐＨが２以上１０以下であることを特徴としているが、これは、常温、好ましくは２５℃でのｐＨである。

更に、アルカリ金属を含む水溶性無機化合物としては、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、ヨウ化ナトリウム、塩化カリウム、塩化リチウム、硫酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、硝酸ナトリウム、硫酸カリウム、カリウムミョウバン等であるが、特に塩化ナトリウム、塩化カリウム、カリウムミョウバンが好ましい。

また、本発明は、外箱と、内箱とを備え、前記外箱と前記内箱によって形成される空間に本発明の真空断熱材を配置し、前記真空断熱材以外の前記空間に発泡断熱材を充填してなる冷凍機器及び冷温機器である。

例えば冷蔵庫に適用した場合、冷蔵庫の外箱と内箱との間の空間の外箱側又は内箱側に真空断熱材を貼付しその他の空間に樹脂発泡体を充填する、或いは真空断熱体と発泡樹脂体とを一体発泡した断熱体を冷蔵庫の外箱と内箱との間の空間に配設する、或いはドア部に同様に使用する、或いは仕切板に使用する等特に指定するものではないが、機械室と内箱との間、或いは冷凍室の周囲に前記真空断熱材を用いることは、特に断熱効率に優れ、低電力量で冷蔵庫を運転できるのである。また、樹脂発泡体とは、例えば硬質ウレタンフォーム、フェノールフォームやスチレンフォームなどを使用することができるが、特に指定するものではない。また、冷凍機器及び冷温機器に使用する冷媒は、フロン１３４ａ、イソブタン、ｎ−ブタン、プロパン、アンモニア、二酸化炭素、水等、特に指定するものではない。また、冷凍機器及び冷温機器は、動作温度帯である−３０℃から常温で断熱を必要とする機器の代表として示したものであり、例えば保冷車や電子冷却を利用した冷蔵庫等にも使用できる。また自動販売機などの、より高温までの範囲で温冷熱を利用した冷温機器を指す。また、ガス機器或いはクーラーボックス等、動力を必要としない機器も含むものである。更には、パソコン、ジャーポット、炊飯器等にも使用することも可能である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１における真空断熱材の断面図である。図１において、真空断熱材１は芯材２を外被材３中に挿入し、内部を減圧して密封したものである。芯材２は、平均繊維径５μｍのグラスウール４を所定形状になるまで積層して成形したものと、無機化合物５とからなる。

ここで、無機化合物５として、塩化ナトリウム、塩化カリウム、臭化ナトリウム、硫酸ナトリウム、カリウムミョウバン、及び硫酸アルミニウムそれぞれについて確認し、それぞれの結果を（表１）に示す。

水溶液は、いずれもグラスウール４を１００重量部に対し、無機化合物３重量部を水３００重量部に溶解し、無機化合物水溶液３０３重量部としたものを使用し、ｐＨを測定した。

この水溶液を噴霧装置にてグラスウール４の成形体の両表面に噴霧し、その後４００℃の熱風循環炉の中で２０分間プレスし、厚さが１５ｍｍ、密度が２００ｋｇ／ｍ³の芯材２を得た。芯材２の強度は、１０％ひずみ時の圧縮応力にて測定した。いずれの無機化合物においても、真空断熱材の作製において問題は生じなかった。

外被材２は、２枚のラミネートフィルムを三方シールにて製袋している。２枚のラミネートフィルムのうち、１枚は熱融着層として直鎖状低密度ポリエチレンフィルム（以下ＬＬＤＰＥと称す）が５０μｍ、ガスバリア層として厚み１５μｍのエチレン−ポリビニルアルコール共重合体フィルム（以下ＥＶＯＨと称す）に膜厚５００Åのアルミ蒸着を形成したフィルムと、厚み１２μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム（以下ＰＥＴと称す）に５００Åのアルミ蒸着を形成したフィルムをアルミ蒸着面同士貼り合わせたフィルムからなり、熱融着層のＬＬＤＰＥとガスバリア層のＥＶＯＨをドライラミネートしている。また、他の１枚は、熱融着層は厚み５０μｍのＬＬＤＰＥ、その上にガスバリア層として厚み６μｍのアルミ箔、更に保護層として厚み１２μｍのナイロン、最外層として厚み１２μｍのナイロンにより構成されている。

真空断熱材１の作製は、芯材２を１４０℃の乾燥炉で１時間乾燥した後、外被材３中に挿入し、内部を３Ｐａまで減圧し封止した。以上のようにして作製した真空断熱材１の熱伝導率を、平均温度２４℃にて測定した結果は０．００２２Ｗ／ｍＫ〜０．００２３Ｗ／ｍＫとなり、いずれの無機化合物においても良好な熱伝導率が得られた。

更に、真空断熱材作製後、使用した芯材から無機化合物５の確認を行った。一例として下記の方法を示す。

まず、芯材２の任意の一部を採取して細かくちぎり、試料５ｇに純水２００ｍｌを加え、軽く振り混ぜたのち、１５分間の超音波浴にてバインダーを溶出させ、その溶出液をろ過する。そのろ液を加熱乾燥して水分を蒸発させ、芯材２に用いた無機化合物５を得た。また、この得られた化合物の構造分析を行い、それぞれ水溶液として噴霧した成分であることを確認した。

以上のような方法を用いて無機化合物を確認したが、これは、真空断熱材作製前の芯材、および作製後に真空断熱材を解体して取り出した芯材のどちらにでも適用できる。

更に、上記の分析方法は一例であり、無機化合物がわかる方法であれば、特に分析方法を指定するものではない。

また、このようにして得た塩化ナトリウム１ｇを再び水１００ｇに溶解させてｐＨを測定したところ、６．５１であった。このように、用いた無機化合物水溶液のｐＨも、真空断熱材作製後に解体して取り出した芯材からでも確認できる。

（比較例）
実施の形態１に対して、無機化合物５を水酸化ナトリウム、炭酸カルシウム、及び無機化合物なしの水だけで確認した。その他の形態は実施の形態１と同様であり、測定も実施の形態１と同様に行った。それぞれの結果を（表２）に示す。

ここで、水酸化ナトリウム水溶液のｐＨは１３．４７であり、炭酸カルシウムは水溶性でなくほとんど水に溶けなかった。

水酸化ナトリウムについては、水溶液のｐＨが増大したことにより侵食された繊維同士が面接触のように結合しており、実施の形態１と比較して固体熱伝導率が増大して熱伝導率が悪化した。

炭酸カルシウムと水のみについては強度が弱く、芯材を外被材中に挿入するときに芯材が少し変形したりくずれたりし、真空断熱材としても表面に凹部が目立つものとなった。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における冷蔵庫の断面図である。

冷蔵庫６は、冷蔵庫６を形成する断熱箱体７の壁の内部に実施の形態１に示したものと同様の構成の真空断熱材１を配設したものである。

断熱箱体７は、鉄板をプレス成形した外箱８とＡＢＳ樹脂を真空成形した内箱９とがフランジを介して構成される箱体内部にあらかじめ真空断熱材１を配設し、真空断熱材１以外の空間部を、硬質ウレタンフォーム１０にて発泡充填したものである。硬質ウレタンフォーム１０は、発泡剤としてシクロペンタンを使用している。

断熱箱体７は、仕切板１２にて区切られており、上部が冷蔵室１３、下部が冷凍室１４となっている。仕切板１２にはダンパ１５が取り付けられている。

冷蔵庫内には蒸発器１６が配置され、圧縮機１７、凝縮器１８、キャピラリチューブ１
９とを順次環状に接続し、冷凍サイクルを形成する。冷凍サイクル内には冷媒であるイソブタンが封入されている。蒸発器１６は冷蔵室１３及び冷凍室１４の２カ所に設け、それらを直列にまた並列に繋ぎ冷凍サイクルを形成してもよい。

また、冷蔵庫６にはドア体１１が取り付けられており、ドア体１１の内部に真空断熱材１が配設され、真空断熱材以外の空間部は硬質ウレタンフォーム１０にて発泡充填されている。

このように構成された冷蔵庫の消費電力量を測定したところ、真空断熱材を装着しない冷蔵庫よりも２５％低下しており、断熱効果を確認した。

以上のように本発明は、繊維からの溶出成分による繊維同士の結着に加え、繊維表面に固体が析出し繊維同士を結着することにより、芯材強度が大幅に向上するので、冷蔵庫、保温保冷容器、自動販売機、電気湯沸かし器、車両、及び住宅等の真空断熱材を適用する機器，設備，建築物等の技術分野において幅広く活用できる。

本発明の実施の形態１における真空断熱材の断面図本発明の実施の形態２における冷蔵庫の断面図

符号の説明

１真空断熱材
２芯材
３外被材
４グラスウール
５無機化合物
６冷蔵庫
８外箱
９内箱

Claims

芯材と、前記芯材を覆い内部を減圧した外被材とからなり、前記芯材が無機繊維を含む成形体で、前記成形体が少なくとも水溶性無機化合物を用いて成形されており、前記水溶性無機化合物が金属元素を含みかつ常温で固体であることを特徴とする真空断熱材。
水溶性無機化合物の溶解度が、水１００ｇに対し１ｇ以上であることを特徴とする請求項１記載の真空断熱材。
水溶性無機化合物１ｇを水１００ｇに溶解させたときのｐＨが２以上１０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。
水溶性無機化合物に含まれる金属元素が、少なくともアルカリ金属を含む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。
水溶性無機化合物が塩化ナトリウム、塩化カリウム、ミョウバンのうち少なくともひとつを含むことを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか一項記載の真空断熱材。
外箱と、内箱とを備え、前記外箱と前記内箱とによって形成される空間に真空断熱材を配設し、前記真空断熱材以外の前記空間に発泡断熱材を充填してなり、前記真空断熱材が請求項１から請求項５のうちいずれか一項記載のものであることを特徴とする真空断熱材を用いた冷凍機器及び冷温機器。