JP2008232372A - 真空断熱材とこの真空断熱材を用いた断熱構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】高い断熱性を有し、製品製造時や廃棄処理時において人体に対する影響が少なく、安価な、真空断熱材を得ること。
【解決手段】芯材と、保護樹脂層と金属のガスバリア層と熱可塑性樹脂の熱融着層とが積層された複合フィルムの外被体とから構成され、芯材が外被体で覆われ真空封入された真空断熱材であって、この真空断熱材の芯材に、原料が自然界に存在するセルロ−ス繊維から形成された薄板状のセルロ−ス繊維集合体を用いることである。
【選択図】図１

Description

本発明は、真空断熱材およびそれを用いた断熱構造体に関するものであり、特に安価で、環境や人体に対する影響が少ない芯材を用いた真空断熱材およびそれを用いた冷熱機器の断熱構造体に関するものである。

近年、地球環境保護の視点から省エネルギーに対する取り組みとして、冷蔵庫や保温庫などの断熱筐体の断熱材に、多孔質構造の芯材をアルミ箔を含む外被体で覆って内部を減圧封止する真空断熱材が提案されている。この真空断熱材は、従来の硬質ウレタンフォームの３倍の断熱性能である０．００５Ｗ/ｍＫの熱伝導率を有し、省エネルギー用冷熱機器の断熱材として寄与している。
そして、真空断熱材における多孔質構造の芯材には、無機粉末、ガラス繊維などの無機繊維集合体、ポリエステル繊維などの有機高分子の繊維集合体が用いられている（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−１８８７９１号公報（第２頁、第５頁、図１）

従来の真空断熱材の芯材に用いられている無機粉末や無機繊維集合体では、芯材の製造工程や真空断熱材の解体時に芯材が散乱し、作業者自身が吸引したり衣服や皮膚に付着した繊維が皮膚を刺激するなど、人体に対しての影響が問題であった。また、無機粉末や無機繊維は熱伝導率が大きく、高い断熱性が得られないとの問題があった。
また、有機高分子の繊維集合体では、人体への影響が少なく、熱伝導率も小さいが、繊維が高価であり真空断熱材のコストが増大するとの問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するものであり、高い断熱性を有するとともに、安価で、環境や人体に対する影響が少ない芯材を用いた真空断熱材およびそれを用いた冷熱機器の断熱構造体を提供することを目的とする。

本発明の真空断熱材は、芯材と、保護樹脂層と金属のガスバリア層と熱可塑性樹脂の熱融着層とが積層された複合フィルムの外被体とから構成され、芯材が外被体で覆われ真空封入された真空断熱材であって、芯材が薄板状のセルロ−ス繊維集合体であるものである。

本発明の真空断熱材は、芯材が薄板状のセルロ−ス繊維集合体であるので、従来の真空断熱材より、格段に優れた断熱性能を有するとともに、芯材が自然界に存在している状態に近い材料であるので、安価で、製品製造時や廃棄処理時における人体に対する影響が少ない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図（ａ）と断面模式図（ｂ）である。
図１（ａ）は外被体袋体３１に芯材１を挿入する前の状態を示すものであり、芯材１と一辺が開口した袋状の外被体袋体３１とを示している。本実施の形態の真空断熱材１００は、図１（ｂ）に示すように、外被体２と芯材１とで構成されている。
図２は本実施の形態の真空断熱材の外被体に用いる材料の構成を示す断面図である。
図２に示すように、外被体２を形成する素材は、第１の表面にあるポリエチレンテレフタレートなどの保護樹脂層３２と、中間にあるアルミニウムから成る通気性が極めて小さく外部からのガスの進入を遮断するガスバリア層３３と、第１の表面と対向する第２の表面にある熱可塑性樹脂の熱融着層３４とからなり、これらが積層された複合フィルム３５である。
また、外被体袋体３１は、２枚の複合フィルム３５を重ねて熱融着層３４どうしを接触させ、重ねた複合フィルム３５の周囲の三辺部を熱融着して形成される。
そして、外被体２は、芯材１を挿入した外被体袋体３１の開口辺を熱融着することにより形成される。
すなわち、外被体袋体３１に芯材１を挿入後、真空中で外被体袋体３１の開口辺の熱融着層３４を熱圧着することにより、芯材１を外被体２内に封入し、真空断熱材１００を形成する。

本実施の形態における芯材１は、木材の皮や綿花を主原料にしたセルロ−ス繊維を積層し、圧縮加圧して形成した薄板状のセルロ−ス繊維集合体である。芯材１が薄板状のセルロ−ス繊維集合体であるので、例えば真空断熱材製造における搬送時に繊維の離散が防止でき、作業性が優れている。
次に本実施の形態における芯材１に用いたセルロ−ス繊維について、詳細に説明する。
セルロース繊維の主原料は木材の表皮であり、これを苛性ソーダで数時間煮沸した後、細かく裁断し、乾燥してセルロース繊維とする。

図３は本実施の形態の芯材に用いるセルロース繊維集合体の部分拡大写真である。
図３に示すようにセルロース繊維集合体６は繊維間に空隙が形成されており、例えば、セルロース繊維集合体６を外被体袋体３１に芯材１として挿入し、外被体袋体３１を真空中で封止すると、セルロース繊維集合体６の繊維間の空隙が真空となり、真空断熱材を形成することとなる。
そして、本実施の形態の真空断熱材１００では、芯材１であるセルロース繊維集合体６に用いられたセルロース繊維３の熱伝導率が０．１５Ｗ／ｍＫであり、真空断熱材の芯材として広く利用されているガラス繊維の熱伝導率０．４７Ｗ／ｍＫよりもかなり小さく、従来の真空断熱材より、格段に優れた断熱性能を有する真空断熱材を得ることができる。
また、芯材１に自然界に存在している状態に近い材料であるセルロース繊維集合体を用いているので、安価であるとともに、製品の製造段階や廃棄処理時の人体に対する影響が少ない。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る真空断熱材は、芯材１を形成するセルロース繊維集合体６のセルロース繊維３の充填率を、０より大きく０．４３以下とした以外、実施の形態１の真空断熱材と同様である。
ここで、セルロース繊維３の充填率は、芯材１に用いられるセルロース繊維集合体６の単位体積あたりのセルロース繊維占有割合であり、セルロース繊維３の直径ｄ（ｍｍ）と繊維間隔Ｐ（ｍｍ）とからｄ／Ｐとして求められる。すなわち、本実施の形態の真空断熱材は、セルロース繊維３の充填率を０＜ｄ／Ｐ≦０．４３としたセルロース繊維集合体６を芯材１に用いた真空断熱材である。

次に、セルロース繊維３の充填率ｄ／Ｐを、０より大きく０．４３以下にしたセルロース繊維集合体６を芯材１として用いた真空断熱材の断熱性能が優れていることを説明する。
図４は本実施の形態に係る真空断熱材の芯材に用いるセルロース繊維を伝わる熱流の状態を示す模式図である。
ここで、芯材１は真空中（例えば０．１Ｔｏｒｒ未満の真空度）におかれると、熱流はセルロース繊維３のみに流れると限定できる。
図４に示すように、空隙４を設けて積層されたセルロース繊維３の積層方向における４ｄの距離を流れる経路の長さは
ｄ＋Ｐ／２＋ｄ＋Ｐ／２＋ｄ＋Ｐ／２＋ｄ＋Ｐ／２＝４ｄ＋２Ｐ
である。
また、セルロース繊維３の熱流が通過する経路は２経路であるので、セルロース繊維３の熱流が通過する経路の断面積は
（π・ｄ^２）／４
である。
また、単位面積あたりの繊維の接触点数は
１／Ｐ^２
である。
そして、セルロース繊維３の４ｄ間を進む熱通過率Ｋ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）は、セルロース繊維３の熱伝導率をλ_ｆとすると、
Ｋ＝{〔λ_ｆ・（π・ｄ^２）／４〕／（４ｄ＋２Ｐ）}・１／Ｐ^２
となる。
すなわち、セルロース繊維集合体の熱伝導率λ_ｅｆｆ（Ｗ／ｍＫ）は、
λ_ｅｆｆ＝Ｋ・（４ｄ)＝λ_ｆ・ｄ^３・π／{（４ｄ＋２Ｐ）・Ｐ^２}
＝λ_ｆ・π（ｄ／Ｐ）^３／（４ｄ／Ｐ＋２） （１）
となる。
このモデルではセルロース繊維３どうしの接触部の抵抗を無視している。

図５は、（１）式から求めたセルロース繊維集合体の熱伝導率λ_ｅｆｆとこのセルロース繊維集合体におけるセルロース繊維の充填率ｄ／Ｐとの関係を示す曲線の図である。図５において、λ_ｆはセルロース繊維の固体熱伝導率０．１５Ｗ／ｍＫとしている。
次に、図５に示した曲線５から、特定の熱伝導率を有するセルロース繊維集合体６を得る方法を示す。
０．００２Ｗ／ｍＫと非常に小さい熱伝導率で高い断熱性を有するセルロース繊維集合体６は、図５の点線Ｂと曲線５との交点から求められる充填率ｄ／Ｐ値が０．２３のセルロース繊維集合体６を用いると実現できることがわかる。そして、０．２３という充填率ｄ／Ｐ値から、上記の小さい熱伝導率を有するセルロース繊維集合体６に用いられるセルロース繊維３の直径ｄと繊維間隔Ｐとが求められる。
例えば、直径ｄが０．０２ｍｍのセルロース繊維３を用い、このセルロース繊維３を繊維間隔Ｐ＝０．０８７ｍｍで配列すれば、上記０．００２Ｗ／ｍＫの熱伝導率を有するセルロース繊維集合体６を得ることができる。

断熱性が優れており断熱材として広く用いられている熱伝導率０.０１Ｗ／ｍＫの発泡ウレタン樹脂以上の断熱性能を有するセルロース繊維集合体６は、図５に示すように、点線Ａと曲線５との交点から求められる充填率ｄ／Ｐが０．４３以下のものである。
すなわち、セルロース繊維３の充填率ｄ／Ｐが、０より大きく０．４３以下のセルロース繊維集合体６を芯材１に用いると、断熱性能が特に優れた真空断熱材が得られる。

次に、所望の充填率のセルロース繊維集合体６の製造方法について説明する。
まず、材料を木材の表皮などとしたパルプを篩いで繊維径と繊維長の差で選別し、選別されたパルプを水と混合する。
次に、セルロース繊維３と水とを混合した水溶液を攪拌しセルロース繊維３を水溶液中に偏らないように分散させる。このときのセルロース繊維３と水との混合比率は最終の充填率に応じて調整する。セルロース繊維３の水溶液を板状のフィルターに通過させると、セルロース繊維３のみがフィルター上に堆積する。セルロース繊維３の堆積物を乾燥炉で昇温し、残留水分を除去してセルロース繊維集合体６とする。
このような方法により、所望の充填率ｄ／Ｐを有する、すなわち所望の熱伝導率のセルロース繊維集合体６を容易に得ることができる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図である。
図６に示すように、本実施の形態の真空断熱材は、セルロース繊維集合体を薄く紙状に圧縮した紙状セルロース繊維集合体７を所定の寸法に揃えて裁断して積層したものを芯材１に用いた以外、実施の形態１の真空断熱材と同様である。
本実施の形態の真空断熱材では、芯材１に紙状セルロース繊維集合体７を伝熱方向に対して積層したものを用いているので、紙状セルロース繊維集合体７間に接触抵抗を生じ、芯材１の伝熱方向の熱伝導率がさらに低下し、断熱性能が向上する。

また、紙状セルロース繊維集合体７は、フィルター上に堆積するセルロース繊維を加熱したローラーに巻き取ることで連続して製造できるので、セルロース繊維集合体の乾燥が短時間で可能になり、芯材１の製造工程を簡略化できるとの効果がある。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る真空断熱材の芯材に用いるセルロース繊維集合体の特徴を示す断面模式図である。
図７に示すように、本実施の形態の真空断熱材は、扁平に変形したセルロース繊維８を用いた紙状セルロース繊維集合体を芯材１とした以外、実施の形態３の真空断熱材と同様である。
本実施の形態では、芯材１に扁平に変形したセルロース繊維８の紙状セルロース繊維集合体を用いているので、伝熱方向に対して紙状セルロース繊維集合体の積層枚数を増加することができ、芯材におけるセルロース繊維集合体間の接触抵抗がさらに増加し、真空断熱材の断熱性能がひときわ向上する。
本実施の形態で用いる扁平に変形したセルロース繊維８からなる紙状セルロース繊維集合体は、フィルター上に堆積したセルロース繊維を、加熱したローラーに巻き取る加熱工程の前に圧縮用ローラーを通過することにより作製できる。

実施の形態５．
本実施の形態の真空断熱材は、芯材にセルロース繊維とポリエステル繊維との混合繊維集合体を用いた以外、実施の形態１の真空断熱材と同様である。
図８は、本実施の形態に係る真空断熱材の芯材の一例である、容積比率７０％のセルロース繊維３と容積比率３０％のポリエステル繊維９との混合繊維集合体１３の部分拡大写真である。
セルロース繊維３の繊維長は一定になりにくいが、ポリエステル繊維９などの化学繊維を混入するとポリエステル繊維９が混合繊維集合体１３の骨材として機能し、芯材１として用いられる混合繊維集合体内部の繊維充填率を一定に保つことができ、断熱性能が安定した真空断熱材を得ることができる。

本実施の形態では、混合するポリエステル繊維９の熱伝導率が０．４７Ｗ／ｍＫであるので、ポリエステル繊維９の混合比率が増加すると芯材１に用いられる混合繊維集合体１３の全体の熱伝導率が増大する。このため、ポリエステル繊維９の容積比率はセルロース繊維３容積比率より低くするのが好ましい。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図である。
図９に示すように、本実施の形態の真空断熱材は、芯材１とともにガス吸着物質１０を挿入し、芯材１とガス吸着物質１０とを外被体２で覆い真空封入する以外、実施の形態３の真空断熱材と同様である。
本実施の形態では、ガス吸着物質１０としてＣａＯ、ＢａＬｉ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣＯ_３Ｏ_４などが挙げられ、これらを単独で用いても良く、また混在させて用いても良い。ガス吸着物質１０の設置方法としては、例えば、紙状セルロース繊維集合体７を積層した芯材１に挿入穴１１を設け、ガス吸着物質１０を挿入する方法が挙げられる。
本実施の形態の真空断熱材では、有機物である芯材１から徐々に放出される水分、一酸化炭素、二酸化炭素などのガスをガス吸着物質１０が吸着し、芯材１を真空封入した後の外被体２内部の真空度を一定に保つことができ、真空度低下による真空断熱材の断熱特性の低下を防止できる。

実施の形態７．
図１０は、本発明の実施の形態７に係る断熱構造体を説明する、冷蔵庫の裏面（ａ）とこの冷蔵庫の筐体のＩ−Ｉ断面（ｂ）を示す図である。
図１０に示すように、本実施の形態の断熱構造体は、セルロース繊維集合体を芯材に用いた真空断熱材２１を、内壁２２と外壁２３との間に両壁に沿わせるようにして配置した冷蔵庫２０の筐体である。外壁２３と真空断熱材２１との間には空隙を保持する支え部材を設置し、外壁２３から真空断熱材２１の外被体２へ伝導する熱を少なくするようにしている。
本実施の形態の断熱構造体である冷蔵庫筐体は、芯材１にセルロース繊維集合体を用いた真空断熱材２１が設置されているので、優れた断熱性を有し、冷蔵庫の消費電力を少なくすることができる。
本実施の形態の断熱構造は、保温庫の筐体、車両用空調機の筐体、給湯機器のタンクおよび筐体にも用いることができ、優れた断熱性を有する冷熱機器の断熱構造体を実現できる。

本発明に係る真空断熱材は、高い断熱性が必要な冷熱機器の断熱構造体として有効に利用できる。それと、この真空断熱材を用いた断熱構造体は、省エネルギーが特に望まれる冷熱機器に有効に利用できる。

本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図（ａ）と断面模式図（ｂ）である。 本発明の実施の形態１の真空断熱材の外被体に用いる材料の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の芯材に用いるセルロース繊維集合体の部分拡大写真である。 本発明の実施の形態２に係る真空断熱材の芯材に用いるセルロース繊維を伝わる熱流の状態を示す模式図である。 （１）式から求めたセルロース繊維集合体の熱伝導率λ_ｅｆｆとこのセルロース繊維集合体におけるセルロース繊維の充填率ｄ／Ｐとの関係を示す曲線の図である。 本発明の実施の形態３に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態４に係る真空断熱材の芯材に用いるセルロース繊維集合体の特徴を示す断面模式図である。 本発明の実施の形態５に係る真空断熱材の芯材の一例である、容積比率７０％のセルロース繊維と容積比率３０％のポリエステル繊維との混合繊維集合体の部分拡大写真である。 本発明の実施の形態６に係る真空断熱材の構成を示す分解斜視図である。 本発明の実施の形態７に係る断熱構造体を説明する、冷蔵庫の裏面（ａ）とこの冷蔵庫の筐体のＩ−Ｉ断面（ｂ）を示す図である。

符号の説明

１ 芯材、２ 外被体、３ セルロース繊維、４ 空隙、５ 曲線、
６ セルロース繊維集合体、７ 紙状セルロース繊維集合体、
８ 扁平に変形したセルロース繊維、９ ポリエステル繊維、１０ ガス吸着物質、
１１ 挿入穴、１３ 混合繊維集合体、２０ 冷蔵庫、２１ 真空断熱材、２２ 内壁、
２３ 外壁、３１ 外被体袋体、３２ 保護樹脂層、３３ ガスバリア層、
３４ 熱融着層、３５ 複合フィルム、１００ 真空断熱材。

Claims (7)

1. 芯材と、保護樹脂層と金属のガスバリア層と熱可塑性樹脂の熱融着層とが積層された複合フィルムの外被体とから構成され、上記芯材が上記外被体で覆われ真空封入された真空断熱材であって、上記芯材が薄板状のセルロ−ス繊維集合体であることを特徴とする真空断熱材。
2. 芯材に用いられるセルロ−ス繊維集合体のセルロース繊維の充填率が０＜ｄ／Ｐ≦０．４３であることを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
3. 芯材と、保護樹脂層と金属のガスバリア層と熱可塑性樹脂の熱融着層とが積層された複合フィルムの外被体とから構成され、上記芯材が上記外被体で覆われ真空封入された真空断熱材であって、上記芯材が、セルロ−ス繊維集合体を薄く紙状に圧縮した紙状セルロース繊維集合体を複数枚積層して形成されたことを特徴とする真空断熱材。
4. 紙状セルロース繊維集合体が、扁平に変形したセルロース繊維で形成されたことを特徴とする請求項３に記載の真空断熱材。
5. 芯材と、保護樹脂層と金属のガスバリア層と熱可塑性樹脂の熱融着層とが積層された複合フィルムの外被体とから構成され、上記芯材が上記外被体で覆われ真空封入された真空断熱材であって、上記芯材が、セルロ−ス繊維とポリエステル繊維との混合繊維集合体であり、この混合繊維集合体における上記セルロ−ス繊維の容積比率が上記ポリエステル繊維の容積比率より大きいことを特徴とする真空断熱材。
6. 芯材とともにガス吸着物質が挿入され、上記芯材と上記ガス吸着物質とが外被体で覆われ真空封入されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の真空断熱材。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の真空断熱材を用いたことを特徴とする冷熱機器の断熱構造体。

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