JP2009228886A - 真空断熱材及びこれを用いた断熱箱 - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱い性及び断熱性能に優れた真空断熱材を提供する。
【解決手段】真空断熱材１００は、繊維集合体３ａが積層されて構成された芯材３と、ガスバリア性を有し、芯材３を収容して内部が真空にされる外包材１と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空断熱材及びこれを用いた断熱箱に関し、特に取り扱い性及び断熱性能に優れた真空断熱材及びこれを用いた断熱箱に関するものである。

従来から、冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、保冷庫、保温庫、保冷車、車両用空調機、給湯機などの冷熱機器の断熱箱に使用される断熱材としてウレタンフォームが多く利用されている。近年、省エネや省スペース大容量化などの市場の要請からウレタンフォームよりも断熱性能に優れている真空断熱材をウレタンフォーム中に埋設し、真空断熱材及びウレタンフォームを併用する形態が用いられるようになってきている。この真空断熱材とは、ガスバリア性のアルミ箔ラミネートフィルムなどで構成された外包材の中に粉末や発泡体、繊維体などを芯材として挿入し、その内部を数Ｐａ（パスカル）の真空度に保つように構成されたものである。

このような真空断熱材の取り扱い性及び断熱性能は、内部に挿入される芯材の材質に影響される。真空断熱材の芯材としては、シリカなどの粉末やウレタンなどの発泡体、繊維の集合体（繊維体）が多く利用されている。このうち繊維の素材には、ガラス繊維やセラミック繊維などの無機繊維（たとえば、特許文献１及び８参照）、あるいはポリプロピレン繊維やポリ乳酸繊維、アラミド繊維、ＬＣＰ（液晶ポリマー）繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、セルロース繊維などの有機繊維（たとえば、特許文献２及び７参照）が利用されている。

その中でも、断熱性能に特に優れているガラス繊維の集合体を真空断熱材の芯材として利用することが主流になっている。そして、このような無機繊維あるいは有機繊維を集合させて繊維体を構成し、真空断熱材の芯材として利用している。繊維体の形状としては、たとえば綿状（繊維が不規則に絡み合って一体化されている状態）やシートを積層した形状（たとえば、特許文献３及び４参照）、シートを繊維配向が交互になるように積層した形状（たとえば、特許文献５及び６参照）などが開示されている。

特開平８−０２８７７６号公報（第２−３頁） 特開２００２−１８８７９１号公報（第４−６頁、図１） 特開２００５−３４４８３２号公報（第３−４頁、図１） 特開２００６−３０７９２４号公報（第５−６頁、図２） 特開２００６−０１７１５１号公報（第３頁−図１） 特公平７−１０３９５５号公報（第２頁、図２） 特開２００６−２８３８１７号公報（第７−８項） 特開２００５−３４４８７０号公報（第７頁、図２）

上述したように、現在の真空断熱材には、主に無機繊維であるガラス繊維が芯材として使用されている。このガラス繊維は、硬くて脆いという性質を有している。そのため、真空断熱材の製造時に粉塵が飛び散り、作業者の皮膚や粘膜などに付着することで、作業者が刺激を受ける可能性があり、その取り扱い性及び作業性が問題となっている。また、リサイクルの場面を考えた場合、たとえば冷蔵庫ではリサイクル工場で製品ごと粉砕され、ガラス繊維はウレタン屑などに混じってサーマルリサイクルに供されるが、燃焼効率を落としたり残渣となったりするなど、リサイクル効率が低いという欠点がある。

一方、有機繊維であるポリエステル繊維等を芯材として使用した真空断熱材は、ガラス繊維を芯材として使用した真空断熱材に比べて、取り扱い性及びリサイクル性に優れているものの、断熱性能が劣るという欠点がある。つまり、ポリエステル繊維等を芯材として使用した真空断熱材は、断熱性能を表す指標である熱伝導率が０．００３０［Ｗ／ｍＫ］（特許文献７参照）程度であり、ガラス繊維を芯材として用いた一般的な真空断熱材の熱伝導率である０．００２０［Ｗ／ｍＫ］に比べて大きく、断熱性能に劣っているということが理解できる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、取り扱い性及び断熱性能に優れた真空断熱材及びこれを用いた断熱箱を提供することを目的としている。

本発明に係る真空断熱材は、繊維集合体が積層されて構成された芯材と、ガスバリア性を有し、前記芯材を収容して内部が真空にされる外包材と、を備えたことを特徴とする。また、本発明に係る断熱箱は、上記の真空断熱材を用いたことを特徴とする。

本発明に係る真空断熱材によれば、繊維の配向方向を伝熱方向に略直角に配向することができるので、断熱性能を向上できる。また、本発明に係る断熱箱によれば、上記の断熱性能を向上できる真空断熱材を用いているので、同様に断熱性能に優れたものとなる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
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１００の断面構成を示す概略縦断面図である。図２は、真空断熱材１００の概略構成を示す模式図である。図１及び図２に基づいて、真空断熱材１００の構成について説明する。この真空断熱材１００は、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、保冷庫、保温庫、保冷車、車両用空調機、給湯機などの冷熱機器の断熱箱に用いられるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

図１に示すように、真空断熱材１００は、芯材３及び吸着剤２を外包材３に収容して構成されている。外包材１は、たとえばガスバリヤ層に約６μｍのアルミ箔、最内層のシール層にポリエチレンを適用したプラスチックラミネートフィルムで構成するとよい。つまり、外包材１は、ガスバリア性を有し、内部を減圧状態に維持できるものであれば、どのような材質で構成してもよいのである。吸着剤２は、真空断熱材１００の内部の水分を吸着し、真空断熱材１００の内部における真空度の経時劣化を抑制するためのものである。この吸着剤２は、たとえばＣａＯ（酸化カルシウム）を不織布袋に入れて構成するとよい。

芯材３は、プラスチックラミネートフィルムを外包材１に用いる真空断熱材１００において、大気圧を支えて真空断熱材１００の内部空間を確保する役割と、内部空間を細かく分割してガスの熱伝導などを低減する役割と、を担うものである。この実施の形態１では、芯材３は、繊維集合体３ａを多数重ねた多層構造となっている。このようにして、断熱方向である厚さ方向と、その厚さ方向と略垂直に配置される繊維の配向方向と、を整えるようになっている。なお、ガスの熱伝導抑制の観点では、真空断熱材１００の内部空間の距離を、その真空度における空気分子の自由行程距離より小さくなるようにすることが望ましい。

図３は、芯材３の縦断面構成を拡大して示す概略図である。図３に基づいて、芯材３の構成について詳細に説明する。図３に示すように、芯材３は、繊維集合体３ａの各層を、繊維が厚さ方向への重なりがないように一方向に配向した状態にし、上下に積層される各層とは繊維を略直交するように重ねることで構成されている。具体的には、芯材３は、紡糸した繊維を繊維どうしの重なりがないように一方向へ配向して並べて形成した繊維集合体３ａを、繊維の方向が略直交するように交互に積層して形成されている。

繊維集合体３ａの各層は、フィルムを延伸して分子配向させた後に、割り裂くようにして製造してもよい。このような方法を用いれば、フィルムを割り裂く際、繊維を完全に分離させずに、部分的に繊維間の連結部を残すようにすることができ、割り裂き後のシートを、繊維方向と直交する方向に引き伸ばして、繊維と繊維との間に間隔を持つようにすることで繊維集合体３ａを製造することができるので、芯材３の取り扱い性が向上することになる。なお、繊維集合体３ａを構成する繊維の材質には、たとえばポリエステル等を使用するとよい。

次に、得られた芯材３をプラスチックラミネートフィルムの外包材１に挿入する。それから、芯材３を挿入した外包材１を、温度１００℃で５ｈｒ程度乾燥させる。その後、不織布袋に入ったＣａＯ（吸着剤２）を５ｇ程度、外包材１内に配置してから、芯材３及び吸着剤２が収容された外包材１を真空チャンバー内にセットする。そして、真空チャンバー中で３Ｐａまで真空引きし、そのまま真空チャンバー内で開口部をヒートシールして真空断熱パネルとしての真空断熱材１００が完成する。

図４は、真空断熱材１００の熱伝導率の測定結果を示す表である。図５は、図４で示した測定結果を図形化したグラフである。図４及び図５に基づいて、上記方法で得られた真空断熱材１００の断熱性能評価として行なった熱伝導率の測定結果について説明する。図４及び図５には、真空断熱材１００の平均繊維径（ｄ）及び各層内の平均繊維間隔（Ｐ）と、熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）の関係を示している。なお、図４には、比較例として綿状繊維（たとえば、ポリエステル繊維）を芯材に用いた真空断熱材の熱伝導率を併せて示している。また、図５では、横軸が平均繊維間隔／平均繊維径（Ｐ／ｄ）を、縦軸が熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。

図４及ぶ図５に示す測定結果から、平均繊維間隔（Ｐ）が平均繊維径（ｄ）の３倍乃至８倍の範囲で、比較例よりも熱伝導率が小さい、すなわち断熱性能に優れていることが分かる。これは、比較例の綿状繊維を芯材に用いた真空断熱材では、繊維が伝熱方向である厚さ方向に向かっている箇所があるのに対し、この実施の形態１に係る真空断熱材１００では、伝熱方向である厚さ方向には、別の繊維との接点を介してしか伝熱することがないので接触熱抵抗の効果が得られ、それに伴って芯材３を伝わる固体伝熱を低減できるので熱伝導率を低減、すなわち断熱性能を向上できたと考えられるからである。

一方、平均繊維間隔（Ｐ）が平均繊維径（ｄ）の３倍より小さい場合には、比較例よりも熱伝導率が大きい、すなわち断熱性能が悪化していることが分かる。これは、比較例に比べて、繊維が密になるため、伝熱の経路が短くなり、また真空断熱材１００中での固体の体積分率が高くなったからであると考えられる。それはまた、平均繊維間隔（Ｐ）を広く（平均繊維径（ｄ）の３倍以上に）していくと、真空断熱材１００中の固体の体積分率を小さくでき、また伝熱距離を長くすることができるので、熱伝導率が次第に小さくなったということからも理解できる。

また、図４及び図５の測定結果から、平均繊維間隔（Ｐ）が平均繊維径（ｄ）の３倍乃至７倍の範囲では、ほとんど熱伝導率が変わらず、８倍を越えたところから熱伝導率が次第に大きい、すなわち伝熱性能が悪化していることが分かる。これは、平均繊維間隔（Ｐ）を広くするにつれて、繊維どうしの接点を支点とする繊維のたわみが大きくなり、厚さ方向へ繊維が向いてしまい、各層の間をまたいで繊維同士の接触が発生してしまったからだと推定される。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係る真空断熱材１００に適用する繊維集合体３ｂの構成例を示す斜視図である。図６に基づいて、繊維集合体３ｂの別の構成について説明する。図６に示すように、繊維集合体３ｂは、繊維を織ることで構成されている。このように、繊維を織物にすることで、繊維の間隔が調整しやすくなり、繊維集合体３ｂの取り扱いが容易にできるというメリットがある。たとえば、繊維径２０μのポリエステル繊維を用い、平織りで製造した繊維集合体３ｂを、３００枚積層して芯材３とし、実施の形態１と同様にして真空断熱材１００を得ることができる。なお、積層枚数は、所望する真空断熱材の厚さによって調整すればよい。

図７は、繊維集合体３ｂを適用した真空断熱材１００の熱伝導率の測定結果を示す表である。図７に基づいて、繊維集合体３ｂを積層した芯材３を適用した真空断熱材１００の断熱性能評価として行なった熱伝導率の測定結果について説明する。図７には、真空断熱材１００の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）と、比較例として実施の形態１と同様な綿状繊維を芯材に用いた真空断熱材の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）とを示している。図７の測定結果から、繊維を織ることにより、比較例に比べて断熱性能が改善できることが分かった。

実施の形態３.
図８は、本発明の実施の形態３に係る真空断熱材１００に適用する繊維集合体３ｃを示す平面図である。図８に基づいて、繊維集合体３ｃについて説明する。図８に示すように、繊維集合体３ｃは、長繊維不織布で構成されている。このように、長繊維不織布で繊維集合体３ｃを構成することで、繊維集合体３ａ及び繊維集合体３ｂに比べて、生産性が高いというメリットがある。また、繊維集合体３ｃの端部での繊維の抜けやほつれが少なく、取り扱い性を更に向上することができる。

不織布は、紡糸ノズルから溶出した樹脂を、冷風で冷却した後、繊維中の分子を配向させ、剛性を高めるために延伸装置で延伸してから、コンベア上に補集し、コンベアを任意の速度で動かしながら、ローラーで加圧し巻き取って製造した。なお、真空断熱材内に残存している空気の熱伝導率が０．０００１Ｗ／ｍＫ未満となるように繊維径を１０μｍとした。また、コンベア上に捕集した不織布は、繊維どうしがばらばらで取り扱い性が悪い場合があり、この場合には加圧時に熱を加え、繊維同士を溶着してもよい。この際、過度の加圧及び加熱溶着は、繊維間の接触面積を増大し、伝熱の増加を招くため、溶着の面積をできるだけ少なくした方がよく、全面積の５％以下に抑えることが望ましい。この方法で、コンベアの速度などの製造条件を調整し、目付けを変えた繊維集合体３ｃを製造し、３００枚積層して実施の形態１と同様にして真空断熱材１００を得ることができる。

図９は、繊維集合体３ｃを適用した真空断熱材１００の熱伝導率の測定結果を示すグラフである。図９に基づいて、繊維集合体３ｃを積層した芯材３を適用した真空断熱材１００の断熱性能評価として行なった熱伝導率の測定結果について説明する。図９では、横軸が体積目付け（ｃｃ／ｍ² ）を、縦軸が熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）を示している。通常、目付けは、１ｍ² あたりの繊維の重量目付けで表されるが、ここでは比重の異なるその他の材質でも比較できるように１ｍ² あたりの体積目付けで表している。

図９に示す測定結果から、１４ｃｃ／ｍ² （具体的には１３ｃｃ／ｍ² ）よりも低い目付けで、綿状の芯材を用いた場合（図４及び図７参照）よりも熱伝導率が小さく、すなわち断熱性能が高くなることが分かった。これは、目付けを低くすることにより繊維集合体３ｃの厚さが薄くなり、繊維集合体３ｃ中の繊維が厚さ方向に向きにくくなり、断熱方向と直交する方向である面方向により向きやすくできたからであると考えられる。なお、目付けは、低くするほど面方向に向きやすくなると考えられるが、低くしすぎると繊維集合体３ｃの強度が弱くなり３．５ｃｃ／ｍ² 以下では巻き取ることができなかった。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る真空断熱材１００では、繊維集合体を構成する繊維の断面形状を三角形断面としている。つまり、この実施の形態４では、異形断面の繊維を用いて繊維集合体を製造し、３００枚積層して芯材３を得、実施の形態１と同様の方法で真空断熱材１００に製造した場合を例に説明する。なお、繊維集合体は、実施の形態２及び実施の形態３などいずれの製造方法で製造してもよいが、ここでは実施の形態３の製造方法で繊維集合体を製造した場合を例に説明する。

図１０は、異形断面の繊維を用いた繊維集合体を適用した真空断熱材１００の熱伝導率の測定結果を示す表である。図１０に基づいて、異形断面、つまり三角形断面の繊維を用いた繊維集合体を適用した真空断熱材１００の断熱性能評価として行なった熱伝導率の測定結果について説明する。なお、図１０には、比較例として同等の断面積を有する円形断面の繊維を芯材に用いた真空断熱材の熱伝導率を併せて示している。図１０に示す測定結果から、三角形断面を有する繊維を用いた繊維集合体を適用した真空断熱材１００では、円形断面を有する繊維を用いた繊維集合体を適用した真空断熱材よりも断熱性能が向上できることが分かった。

真空断熱材１００の内部は略真空状態にあるので、芯材３を構成する繊維集合体は外包材１を介して大気圧を受けているが、ある繊維どうしの任意の接点を基準にして見てみると、繊維はその他の接点の両側近傍のその他の繊維との接点を支点とし圧力を受けて撓んでいる。したがって、伝熱性能が向上したのは、繊維断面を三角形としたことにより、同等の断面積を有する円形断面を有する繊維に比べて剛性が向上し、大気圧を受けた時の繊維の撓みが減少したことによると考えられる。このことから、断面形状は三角形に限定されるものではなく、同等の断面積で断面二次モーメントが高くなるような形状であれば、真空断熱材１００中で大気圧を受けた時の変形を小さくでき、真空断熱材中の固体の体積分率を低減できるため、断熱性能を向上できるものと考えられる。

実施の形態５.
図１１は、本発明の実施の形態５に係る真空断熱材１００の繊維集合体を構成する繊維５の形状を示す模式図である。図１１に基づいて、真空断熱材１００の繊維集合体を構成する繊維５について説明する。その他の芯材の固体伝熱を低減する方法としては、特開２００７−２８５４９６号公報に開示されているように中空繊維を用いる方法が示されているが、中空繊維は、繊維が長くなるほど真空断熱パネルを製造する際の中空部の排気性が極めて悪くなるため生産性が低いという欠点がある。

そこで、実施の形態５では、繊維５の断面形状を略Ｃ字型形状とすることにより、芯材３の固体伝熱を低減している。なお、繊維集合体は、実施の形態３の製造方法で製造した場合を例に説明する。図１１に示すように、繊維５の断面形状を略Ｃ字型形状にすることにより、真空断熱材の真空引き工程における排気性を高める、つまり真空引き性を悪化させないことが可能で、真空パック後には中空繊維と同様に真空断熱材中の固体の体積分率を低減することができるので、断熱性能を向上できる。この繊維集合体を３００枚重ねて外包材１へ挿入した後、実施の形態１と同様の方法で真空断熱材１００を得ることができる。

図１２は、断面形状が略Ｃ字型形状の繊維５を用いて構成された繊維集合体を適用した真空断熱材１００の熱伝導率の測定結果を示す表である。図１２に基づいて、繊維５を用いて構成された繊維集合体を適用した真空断熱材１００の断熱性能評価として行なった熱伝導率の測定結果について説明する。なお、図１２には、比較例として円形断面の繊維を芯材に用いた真空断熱材の熱伝導率を併せて示している。ここで、繊維５の外径及び内径とは、真空パック後に略Ｃ字型形状の開口部が閉じた状態での外径及び内径を示しているものとする。また、芯材３の密度は、芯材３である繊維集合体の重量を真空断熱材の内容積で除したものである。真空断熱材の内容積は、真空断熱材の外寸法から外包材の厚さを引いてから計算して求めている。

図１２に示す測定結果から、繊維５の内径寸法が繊維外径寸法の２０乃至７０％のものである場合に、真空断熱材１００中の芯材３の体積分率を低下させることができ、中実断面の繊維のものである場合よりも断熱性能の向上が確認できた。そして、内径寸法が繊維外径寸法の６０乃至７０％のものである場合に、もっとも優れた断熱性能を示すことがわかった。数Ｐａ乃至数十Ｐａ程度の真空度で用いる真空断熱材では、断熱性能に与える芯材の固体伝熱の寄与率が大きいので、繊維の内径を大きくするにつれて同一繊維外径における固体の体積分率が減らせる効果がある。

これにより、断熱性能が向上していくが、一方で内径が大きくなるにつれ断面二次モーメントが低下するため剛性が低下して、繊維同士の交点を支点とした撓みが増加するとともに、繊維交点での繊維体自体のつぶれが増加することになる。したがって、真空断熱材中の芯材の密度は、内径拡大による固体分減少の計算通りには低下せず、内径寸法が繊維外径の６０乃至７０％の領域での芯材の密度１９０ｋｇ／ｍ³ を下限として増加へ転じ、断熱性能が悪化したものと考えられる。

実施の形態１に係る真空断熱材の断面構成を示す概略縦断面図である。 真空断熱材の概略構成を示す模式図である。 芯材の縦断面構成を拡大して示す概略図である。 真空断熱材の熱伝導率の測定結果を示す表である。 図４で示した測定結果を図形化したグラフである。 実施の形態２に係る真空断熱材に適用する繊維集合体の構成例を示す斜視図である。 繊維集合体を適用した真空断熱材の熱伝導率の測定結果を示す表である。 実施の形態３に係る真空断熱材に適用する繊維集合体を示す平面図である。 繊維集合体を適用した真空断熱材の熱伝導率の測定結果を示すグラフである。 異形断面の繊維を用いた繊維集合体を適用した真空断熱材の熱伝導率の測定結果を示す表である。 実施の形態５に係る真空断熱材の繊維集合体を構成する繊維の形状を示す模式図である。 断面形状が略Ｃ字型形状の繊維を用いて構成された繊維集合体を適用した真空断熱材の熱伝導率の測定結果を示す表である。

符号の説明

１ 外包材、２ 吸着剤、３ 芯材、３ａ 繊維集合体、３ｂ 繊維集合体、３ｃ 繊維集合体、５ 繊維、１００ 真空断熱材。

Claims (10)

1. 繊維集合体が積層されて構成された芯材と、
   ガスバリア性を有し、前記芯材を収容して内部が真空にされる外包材と、を備えた
   ことを特徴とする真空断熱材。
2. 前記芯材は、
   繊維の重なりがないように繊維の方向を一方向に配向して構成された前記繊維集合体を、繊維の方向が略直交するように交互に積層して構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
3. 前記繊維集合体が繊維の織り構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
4. 前記繊維集合体が不織布である
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
5. 前記不織布の体積目付けを３．５ｃｃ／ｍ²乃至１３ｃｃ／ｍ²としている
   ことを特徴とする請求項４に記載の真空断熱材。
6. 前記繊維集合体を構成する繊維の断面形状を略三角形状としている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空断熱材。
7. 前記繊維集合体を構成する繊維の断面形状を略Ｃ字型形状としている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の真空断熱材。
8. 前記略Ｃ字型形状を有する前記繊維の開口部が閉じた状態の内径寸法が前記繊維の外径寸法の２０％乃至７０％としている
   ことを特徴とする請求項７に記載の真空断熱材。
9. 不織布袋に入れられた吸着剤を前記外包材内に収容している
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の真空断熱材。
10. 前記請求項１乃至９のいずれかに記載の真空断熱材を用いた
    ことを特徴とする断熱箱。

Images