JP2006249683A - 低熱伝導性フレーム材 - Google Patents

Abstract

【課題】 壁材等との固定が確実にできるとともに強度低下が抑制され安定した強度を有するフレーム材であって、熱伝導性を一段と低くしたフレーム材を低コストで提供する。
【解決手段】 フランジ部１とウェブ部２を有し、前記ウェブ部２を構成する板材に長さ方向に不連続に多数設けられた長孔３が断熱材５で充填されているフレーム材。長孔３は、その側傍が起こされた補剛リブ４を持ち、この補剛リブ４の面で構成された空隙内を断熱材５が埋めているものが好ましい。
ウェブ部２に設けられた長孔３は、熱流経路を遮断もしくは長くして熱伝導性を低下させる、前記断熱材５が長孔内での対流や輻射を抑制して熱伝導性をさらに低下させる。また、前記補剛リブ４に形成によりフレーム材の剛性低下を抑制する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、建築物の骨材等に用いる熱伝導性の低いフレーム材に関する。

一般に、建築物の壁構造としては、鉄骨間柱の外側に外壁材が釘等で止着され、前記鉄骨間柱の内側には内壁材が取り付けられている。断熱性を持たせるために、内壁材と外壁材及び鉄骨間柱に囲まれた空間にグラスウールのような断熱材を充填している。さらに、断熱発泡体の貼り付け、注入などの工夫を施している。さらにまた、外壁材として、断熱材を介装した２枚の金属板からなる断熱パネルを取り付けることも行なわれている。
ところで、上記のような断熱壁構造において、外気温度が高いときには、前記鉄骨間柱がいわゆる熱橋となって、屋内温度が高くなる。また外気温度が低いと、前記鉄骨間柱がいわゆる冷橋となって内壁材を冷やし、内壁材等に結露を生じさせている。結露が激しくなると、内壁材面やこの内壁材に貼り付けた壁紙をぬらし、シミやカビを発生させたり、壁紙そのものを剥離させたりするという問題があった。

このような結露は、間柱として用いた鉄骨の熱伝導性がよいために、外気温が低いと鉄骨間柱が熱の伝導体となっていわゆる冷橋を形成し、壁材面温度が直ちに低くなることに起因している。
このため、鉄骨間柱からの伝熱を抑制するための検討が各方面でなされている。例えば、特許文献１では、鉄骨間柱として熱伝導性のよい鋼製で、フランジ部とウェブ部を有するフレーム材を用いる場合、熱伝導を低減するために、フランジ部近傍のウェブ部の横断面積に比べて中間のウェブ部の横断面積を小さくしたものを用いることが提案されている。フランジ部で受けた熱を、中間のウェブ部での伝熱を少なくして反対側のフランジ部に伝わるのを押えようとするものである。そして、中間のウェブ部の横断面積を小さくする手段として、ウェブ部の中間の板厚を薄くしたり、ウェブ部の中間を網目状にしたり、ウェブ部の中間に多数の孔をあけたり、ウェブ部の中間の板厚を薄くし且つ網目状にしたりすることが挙げられている。

さらに特許文献２では、フランジ部とウェブ部を有する金属性フレーム材において、強度の低下を可及的に防ぎながら、孔を横切る方向での熱の通り道の長さを大きくして熱伝導率を小さくするために、フランジ部に設けた多数の孔を、板材に入れた切れ目の側傍を起こして形成されたものとしたものが提案されている。
特開２０００−８７５０５号公報 特開２００２−１４６９３６号公報

しかしながら、上記特許文献１で提案されたフレーム材は、熱伝導を少なくするために、フランジ部近傍のウェブ部の横断面積に比べて中間のウェブ部の横断面積を小さくしている。このため、機械的特性の点で断面性能が低下するという問題点が発生することになる。また、特許文献２で提案されたフレーム材では、フランジ部に設けた長孔は、板材に入れた切れ目の側傍を起こすことにより形成されている。熱伝導性を低下させるためには、前記長孔を長く、かつ開口面積を大きくすることが有効であるが、強度面を考慮すると、長く、かつ開口面積を大きくすることにも限界がある。
そこで、本発明は、このような問題を解消すべく案出されたものであり、壁材等との固定が確実にでき、強度低下が抑制され安定した強度を有するとともに、熱伝導性をより低くしたフレーム材を提供することを目的とする。

本発明の低熱伝導性フレーム材は、その目的を達成するため、フランジ部とウェブ部を有するフレーム材であって、前記ウェブ部に長さ方向に長孔が不連続に多数交互に設けられるとともに、当該長孔は断熱材で埋められていることを特徴とする。
長孔は、抜孔と当該抜孔の側傍を起こした補剛リブから構成されており、当該補剛リブ面で形作られた空隙が断熱材で埋められているものが好ましい。
また、ウェブ部に不連続に多数交互に設けられた長孔は複数列で、しかも、隣合せの列の長孔がウェブ部の幅方向に互い違いに縦列配置で設けられていることが好ましい。

本発明においては、フレーム材のウェブ部の長さ方向に、すなわち熱流方向に垂直に不連続の長孔が交互に設けられているとともに、当該長孔が断熱材で埋められている。このため、熱流経路は遮断され、あるいは複雑に屈曲されて長くなるとともに、長孔の上部と下部の間での対流，輻射等が断熱材で遮断されるために、結果的に熱伝導性を低くすることができる。
また、不連続の長孔は、抜孔とこの抜孔の側傍を起こした補剛リブから構成されているため、当該ウェブ部の強度、特に剛性を高めることができるとともに、補剛リブ面で形作られる空隙部が断熱材で埋められているために、熱伝導性も低くなっている。
さらに、フレーム材のフランジ部に凹凸を形成すると、外壁材及び内壁材と接触する部分の面積が減少し、熱伝達面積が減少して結果的にフレーム材の熱伝導性を低くすることができる。

本発明者等は、フランジ部とウェブ部を有するフレーム材において、構造物の構築に用いるとき、熱伝導性を極力低くし、冷橋或いは熱橋としての作用を極力低減する手段について種々検討した。
その結果、フレーム材としてウェブ部に長さ方向に長孔が不連続に多数設けられたものを用いるとともに、前記長孔が断熱材で埋められたものが有効であることを見出した。

ところで、特許文献１，２に見られるように、フレーム材のウェブ部に長さ方向に長孔を不連続に多数、特に複数列で、しかも、隣合せの列の長孔がウェブ部の幅方向に互い違いに縦列配置される態様で設けられたフレーム材とすることにより、熱流経路は遮断され、あるいは複雑に屈曲されて長くなって熱伝導性は低下する。しかしながら、長孔を設けても、長孔の上部と下部は長孔となった空隙部の大気を介する形でつながっている。このため、対流，輻射等により空隙部でも僅かな熱伝導が行われることになる。

そこで、本発明では、空隙部を埋めた断熱材により長孔の上部と下部間の熱伝達を遮断し、多数の長孔を設けたフレーム材の熱伝導性をさらに低下させることができたものである。断熱材としては有機発泡体が好ましく、ウレタン発泡体，フェノール発泡体，ポリスチレン発泡体，フェノールウレタン発泡体，ポリエチレン発泡体等の有機系発泡体やグラスウール，ロックウール等の無機系発泡体が用いられる。その他、グラスウール等の無機繊維系断熱材や、木質系、木質繊維系断熱材等を用いてもよい。
空気は対流，輻射等で熱を伝えてしまう。そこで、さらに熱伝導を下げるべく、種々検討した結果、形鋼に設けた長孔を断熱材で埋めることにより、熱伝導率を大幅に下げることができることを見出したものである。

本発明のフレーム材としては、フランジ部１とウェブ部２を有する形状であれば、特に形状に限定されるものではない。例えば、図１に示されるような断面形状を有するリップ溝形鋼の他に、軽量溝形鋼，リップＺ溝形鋼，軽量角形鋼，Ｉ形鋼，Ｈ形鋼，ハット形鋼，ＧＴ形鋼等の他に、山形鋼や角管も使用することができる。
特に強い強度を必要としない場合には、材質的にはアルミニウム合金や普通鋼材で十分である。ただし、前記したように結露が生じることもあるので、耐食性を備えていることが好ましい。この意味からも、防食めっき、防食塗装等が施されたものを用いることが好ましい。

ウェブ部２の長さ方向に設ける不連続の長孔３の形状，大きさも特に限定されない。ウェブの長手方向に平行な、すなわち熱流方向に垂直な縦長の長孔とすることが好ましい。一つの長孔は、500mm以内の長さにすることが好ましい。長孔長さがあまり短いと熱伝導を少なくする効果が小さくなる。逆に長くなりすぎると強度が低下する。図２に示すように、長孔３は、複数列で、しかもウェブ部２の幅方向に互い違いに縦列配置で設けていることが好ましい。このような態様で設けると、熱流経路は遮断され、あるいは複雑に屈曲されて長くなるために、結果的に熱伝導性を低くすることができることになる。本発明では、図３に示すように、前記長孔３の側傍が起されて補剛リブ４が形作られるとともに、この補剛リブ面で形作られた空隙を断熱材５で埋めている。

ただし、長孔を構成する抜孔に関しては、長さ方向の両端部に曲面が形成されたものが好ましい。
例えば、図４（ａ）に示すように、抜孔が単純な縦長な矩形であると、その後の補剛リブ形成時にコーナー部に亀裂が発生し易くなる。亀裂が発生すると、フレーム材の強度が低下することにもなるので、図４（ｂ），（ｃ）に示すように長さ方向の両端部は丸く曲面が形成されるように形作られていることが好ましい。

このような抜孔の形成手段については特に制限はない。ロール表面に先端が尖った平板状突起を規則的に設け、当該ロールを用いてロール成形により形成してもよい。先端が尖った平板状突起を規則的に設けた金型を用い、プレス成形により成形してもよい。あるいはドリル加工でもよい。連続的にかつ精度良く、しかも低コストで形成するには、先端が所定形状に整えられたパンチを用いて打抜くことにより成形することが好ましい。

ウェブ部に設けられた抜孔の側傍を起こして補剛リブを形作る手段についても特に制限はない。抜孔の側傍が起こされる成形法であればよい。例えば、ウェブ部に設けた抜孔に傾斜側面を有するパンチを押し込むことで補剛リブを容易に形成することができる。
しかし、コスト的な面を考慮すると、抜孔の形状が図４（ａ），（ｂ）に示すような形状の場合、抜孔と相似形で、補剛リブ形成領域分以上に大きい断面形状を有し、図５に示されるような、先端を尖らせた平板状のパンチＰを、前記ウェブ部に形成された抜孔に押し込むことが好ましい。図４（ｃ）に示すような形状であっても、抜孔の形状に拘ることなく、上記図４（ｂ）で示す形状の抜孔に押し込むと同形の平板状パンチが用いられる。

なお、図５にαで示すパンチＰの傾斜角は、抜孔の側傍を起こして形成される補剛リブの所望の起こし角により決定される。素材金属板の成形性にもよるが、補剛リブの起こし角は２０〜９０度の範囲にすることが好ましい。角度が大きいほど座屈に対する抵抗が大きいが、スプリングバックその他の影響により、金型の設計その他が極めて難しくなる。なお、３０度以上になっていると、強度向上効果が顕著になる。
また、起こされる側傍部の幅、すなわち補剛リブ部の高さについては制限する必要はない。ただし、側傍部に幅を広くするほど補剛リブ部の高さが高くなって剛性の高いフレーム材が得られる。一般的には、最初に形成した抜孔の幅と同じ程度の幅とする。

長孔を断熱材で埋める態様については、特に限定されない。
ポリエチレン等の発泡シート等を裁断して埋めても良いし、発泡体又はグラスウール，ロックウール等の断熱材を挿入しても良い。しかしながら、発泡シートや断熱材の挿入は手間がかかる作業となる。したがって、作業効率を考えると、長孔が形成されたフレーム材に、ウレタン等の発泡樹脂を吹き付けることが好ましい。発泡樹脂としては、ウレタン樹脂の他に、フェノール樹脂，ポリスチレン樹種，フェノールウレタン樹脂，ポリエチレン樹脂等が使用できる。発泡樹脂の吹き付けで長孔を充填すると、長孔の周辺に樹脂が付着した状態となって外観上違和感があるが、当該フレーム材は元々目に触れない箇所に設置されるものであるから、外観上の違和感が問題になることはない。

フランジ部に、他部材との接触面積を減らすために形成する凹凸についても、形成手段に特に制限はない。表面に凹凸が形成され、内壁材や外壁材との接触面積が減少して、熱伝導を低下させる機能を発揮すれば十分である。
多段ロール成形により凹凸を形成するか、表面に凹凸が形成されたロールを使用してロール成形してもよいし、適宜形状にプレス成形してもよい。
適宜形状に成形された後、前記長孔を断熱材で埋めることが好ましい。

JIS G 3321‐1998のSGLCCの55%Al‐Znめっき鋼板を図１に示す断面形状に成形した、C‐89×40×12×1.0のリップ溝形鋼を用いた。図２に示すように、ウェブ中央部で、かつ圧縮応力下の板要素の有効幅以外の部分において、幅1.0mmで長さ56mmの抜孔をプレス法で設け、この抜孔に先端角120℃のポンチを押し込むことにより起こし、抜孔の両側部を起こし幅2mmで起こし角30度の補剛リブを形成した。
このような長孔をウェブ方向に平行に４列、かつ隣り合った列の分断溝孔は交互に位置するように設けた（図２参照）。
その後、当該補剛リブを設けた長孔のリブ間で形成される空隙部を発泡ウレタン樹脂の吹き付けにより充填した。

長孔を断熱材で埋めたフレーム材と、長孔のみを設けたフレーム材について、熱の伝わり方と曲げ剛性を調査した。なお、比較のために長孔を設けず、したがって断熱材が用いられていない従来のフレーム材についても、熱の伝わり方と曲げ剛性を調査した。
熱の伝わり方については、（社）リビングアメニティ協会の熱貫流率計算ソフト「Tb3D／FDM」により、熱貫流率を求め、評価した。
曲げ剛性は、JIS A 1414‐1994に準拠した４点曲げ試験により最大強度を求めた。なお、曲げ試験は、図３に示す断面を有するリップ溝形鋼を試験材とし、その２本を図６に示すようにウェブ面同士を合わせてボルトで固定した“つづり合わせ”で、支点間距離を1000mmにとり、フランジに垂直方向に負荷をかけることで行った。
評価結果を次表に示す。

表１の結果からもわかるように、熱伝導性が小さくするためにウェブ部に長孔が設けられたフレーム材では、長孔が設けられていないフレーム材と比較して、熱貫流率が小さくなっているが、さらに、前記長孔を断熱材で埋めたものにあっては、熱貫流率がさらに大幅に小さくなっている。本発明品が優れた低熱伝導性を有していることがわかる。
なお、ウェブ部に長孔を設けたフレーム材では曲げ強度が低下しているが、実際に家屋の建築に用いても全く問題はない。

通常のリップ溝形鋼の断面形状を説明する図 リップ溝形鋼のウェブ部に長孔を設けたフレーム材の斜視図 ウェブ部に設けた長孔を断熱材で埋めた本発明フレーム材の断面図 長孔を形成する抜孔の形状を説明する図 抜孔の側傍を起こす態様を説明する図 ２本のフレーム材の“つづり合わせ”緊結状態を説明する断面図

Claims (3)

1. フランジ部とウェブ部を有するフレーム材であって、前記ウェブ部に長さ方向に長孔が不連続に多数交互に設けられるとともに、当該長孔は断熱材で埋められていることを特徴とする低熱伝導性フレーム材。
2. 長孔が抜孔と当該抜孔の側傍を起こした補剛リブから構成されており、当該補剛リブ面で形作られた空隙が断熱材で埋められている請求項１に記載の低熱伝導性フレーム材。
3. ウェブ部に不連続に多数設けられた長孔が複数列で、しかも、隣合せの列の長孔がウェブ部の幅方向に互い違いに縦列配置で設けられている請求項１又は２に記載の低熱伝導性フレーム材。

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