JP2014009723A - 断熱材及びこれを備えた加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高温部に利用した場合でも、良好な断熱性能を維持することができる断熱材を提供する。
【解決手段】断熱材は、第１外包材、第２外包材及び芯材を含む断熱材であって、前記第１外包材及び前記第２外包材は、金属材料からなり、前記芯材は、前記第１外包材及び前記第２外包材の間に挟持され、前記第１外包材は、前記第２外包材の熱膨張による前記断熱材の変形を吸収する緩衝部を有する。緩衝部５は、第１外包材２の四隅から山、谷を繰り返し折り曲げることで形成することができる。緩衝部５は、高温部に接している第２外包材に比べて、第１外包材の膨張は小さく、双方の伸び量の差異による断熱材の反りを緩和する役割を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温領域で使用可能な断熱材に関するものである。

食品の保温保冷から、工業機械、さらには建築資材や宇宙開発の分野に至るまで、断熱技術は非常に幅広い分野で用いられている。

熱の侵入や漏れを防ぐ方法として、手軽で安価な非金属固体、特にプラスチックやゴムなどの樹脂を用いた断熱材が一般的である。また、より高い断熱性能を有する材料として、繊維系断熱材や発泡断熱材が工業や建築の分野で利用されている。これらの断熱材は、自身の熱伝導率の小ささに加えて、内部に流動しない空気の層を多く含んでいるため、非常に小さな熱伝導率を示す。繊維系断熱材としてはグラスウールやロックウールなどの無機繊維断熱材とセルロースファイバーのような有機繊維断熱材がある。また、発泡断熱材としてはポリウレタンフォームなどが良く用いられる。その他、注目される断熱技術として真空断熱技術が知られている。

このような断熱材は、芯材を覆う外包材が有機材料で出来ているものが多く、１００℃以上の高温領域では外包材が溶解するなどの問題を有している。そこで、高温に対応するために断熱材を金属製の外包材によって構成することが考えられている。

図９は、特許文献１に示された金属製の外包材を用いた真空断熱材１００の構成図である。図９（ａ）は、真空断熱材１００の正面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した線Ｉ−Ｉに沿った真空断熱材１００の断面図である。真空断熱材１００は、互いに向かい合う金属製外包材１０１に包まれた、芯材部１０２を収納する収納部１０３、及び収納部１０３内を減圧状態に維持する封止接合部１０４を含み、互いに向かい合う金属製外包材１０１の少なくとも一方の内面には、真空断熱材の製造過程において収納部１０３内の空気を排出するための、封止接合部１０４から芯材部１０２に達する溝１０５を備えている。

特開２００９−２２８８０３号公報（平成２１年１０月８日公開）

しかしながら、上記特許文献のように、外包材を金属で形成した場合、高温側に配置される面と低温側に配置される面との間に熱による金属の膨張量に差異が生じるため、断熱材全体に高温側と低温側で膨張量の差異による応力が生じる。これにより、加熱室等の断熱空間を囲む壁面と真空断熱材の間に間隙が生じ、断熱性が低下するという問題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、高温部で利用した場合でも、良好な断熱性能を維持することができる断熱材を実現することにある。

本発明に係る断熱材は、第１外包材、第２外包材及び芯材を含む断熱材であって、前記第１外包材及び前記第２外包材は、金属材料からなり、前記芯材は、前記第１外包材及び前記第２外包材の間に挟持され、前記第１外包材は、前記第２外包材の熱膨張による前記断熱材の変形を吸収する緩衝部を有する。

また、前記緩衝部は、前記断熱材の周縁部近傍に設けられてもよい。また、前記断熱材は矩形であり、前記緩衝部は、前記断熱材の四隅に設けられてもよい。また、前記緩衝部は、前記第１外包材の対角線の方向に折り曲げたものであってもよい。

また、前記第１外包材及び前記第２外包材は、周囲が接合されており、前記第１外包材と前記第２外包材により構成される空間は真空状態であってもよい。また、前記第１外包材と前記第２外包材で構成される空間には、水分またはガスを吸着するための固体吸着剤が封入されていてもよい。

本発明に係る加熱装置は、上記のいずれかに記載の断熱材を備え、前記第２外包材は、高温側に配置されている。

本発明によれば、高温部で利用した場合でも、良好な断熱性能を維持することができる断熱材を実現することが可能となる。

本発明に係る断熱材の断面図である。 本発明に係る断熱材の底面図である。 第１外包材の接合面を示す図である。 膨張する前後の断熱材の断面図である。 実施形態２に係る第１外包材の平面図である。 実施形態２に係る第１外包材の製造方法を説明する図である。 実施形態３に係る第１外包材の平面図である。 実施形態４に係る加熱装置の断面図である。 従来の金属製真空断熱材を示す図である。

本発明の実施形態について、図面を用いて説明すれば以下の通りである。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分又は相当部分を表わすものとする。

〔実施形態１〕
図１は、実施形態１に係る断熱材の断面図であり、図２は図１の矢印A方向から見た底面図である。断熱材１は、第１外包材２、第２外包材３及び芯材４を備えており、第１外包材２と第２外包材３の間に芯材４を挟持する構成である。図２において、第１外包材２の対角線を破線で示し、緩衝部５の山を実線、谷を１点鎖線で示している。断熱材１は、第１外包材２が低温側に配置され、第２外包材３が高温側に配置されるように使用する。

第１外包材２は、金属材料からなり、断熱材１の外包材の一方を構成している。第１外包材２は、緩衝部５、平坦部６及び接合部７から構成され、接合部７は、第２外包材３と接合するための部位であり、第１外包材２周辺の端部付近に形成される。緩衝部５は、第１外包材２の四隅から山、谷を繰り返し折り曲げることで形成することができる。緩衝部５は、高温部に接している第２外包材に比べて、第１外包材の膨張は小さく、双方の伸び量の差異による断熱材の反りを緩和する役割を有している。本実施形態では、図２に示すように、緩衝部５は、第１外包材２の対角線の方向にジグザグ形状に折曲させることで形成される。

これは、高温時に第２外包材３が膨張する際、全方向に膨張するが、特に端部の変化量が多いので、周縁部近傍に緩衝部５を設けることが望ましいためである。なお、本実施形態のように四隅に設けるのが全方向への膨張を吸収するという観点から最も望ましいが、これに限定されない。また、緩衝部５は第１外包材２の一部に設けられてもよいし、全面に設けられても構わない。

第２外包材３は、金属材料からなる金属薄板からなり、断熱材１の外包材の一方を構成している。第１外包材２及び第２外包材３は、接合部７を通して第２外包材３から第１外包材２に伝わる熱量を少なくするため、熱伝導が小さければ小さいほど好ましいので、熱伝導率の小さい金属であって、なおかつ厚みの薄い金属板によって作製されることが好ましい。しかし、金属板の厚さを０．２ｍｍ未満にすると、折れて破損する可能性があるため、厚さ０．２〜０．３ｍｍの金属板を用いることが好ましい。例えば、第１外包材２及び第２外包材３には、ステンレス、鉄、アルミ合金、銅等の耐熱性の高い金属が用いられる。

第２外包材３には、例えば、金型等を用いてその中央付近にくぼみを形成し、芯材４を挿入する空間を形成する。

芯材４は、グラスウールのように、耐熱断熱性を有するとともに、内部に多くの空隙を持つ材料が好ましい。これは一般に芯材４自体の熱伝導率より空気の熱伝導率の方が小さいためである。芯材４自体は、断熱材１が真空状態になった時に潰れることを防ぐ支柱の役割を果たすと共に、内部にある空気の対流を抑えることで低熱伝導率を得るために必要とされる。芯材４としては、グラスウールのほかにロックウール、セラミックウール等が挙げられる。

第１外包材２及び第２外包材３は、互いの周囲を溶接等によって接合し、中空体として断熱材１の外包材を構成している。芯材４は、第１外包材２と第２外包材３の間の中空間に挟持されている。断熱性能を有する芯材４を第１外包材２と第２外包材３の間に配置することによって、中空間を伝って第１外包材２と第２外包材３の間で熱が伝播するのを抑えることができる。

なお、昇温によって芯材４および外包材の内壁からガスが生じることを考慮して、断熱材１の内部に芯材４とともに水分や放出ガスを吸着するための吸着剤８を合わせて収納することが好ましい。吸着剤８は、アルミナ、ゼオライトなどのガス吸着剤や水分吸着剤等の吸着物質で、真空度を上げる作用や維持する作用があるものであれば良い。

図３は、第１外包材２における第２外包材３との接合面の一例である。第１外包材２の周囲の四辺の一部にそれぞれ接合面７１と、四隅のそれぞれに接合面７２が設けられている。また、緩衝部５のそれぞれの折り曲げられた端面は溶接されない。このように接合面７１、７２を設け、緩衝部５の端面は接合しないことにより、緩衝部５の伸縮が容易になり、加熱によって第２外包材３が膨張することに伴い緩衝部５の伸縮がスムーズになるという利点がある。

また、第１外包材２と第２外包材３の間の中空間をほぼ真空状態としても良い。この場合は、第１外包材２の周囲をすべて第２外包材３の周囲と溶接等により接合する。第１外包材２と第２外包材３の間を真空状態にすることによって、第１外包材２と第２外包材３の間で熱が対流や輻射によっては伝播しなくなるため、断熱性能を高めることができる。真空度は、１〜１００Ｐａであれば良いが、低圧であればあるほど断熱性は向上するため、なるべく低圧に設定するほうが好ましい。

断熱材１は、高温状態を維持したい空間に第２外包材３側が面するように配置する。そのため、第２外包材３は、高温領域と同等の温度、例えば１００〜５００℃といった高温に上昇する。しかし、第１外包材２と第２外包材３の間には芯材４が収納されているため、第２外包材３の熱は対流や輻射によっては第１外包材２に伝播しにくい。したがって、第１外包材２の温度は、断熱材１が配置されている高温領域の温度よりも十分低い温度となり、第２外包材３の温度との間に大きな差が生じる。

このとき、第２外包材３は、高温側に配置されているため、膨張が生じるが、第１外包材２は、ほとんど膨張が生じない。第１外包材２が緩衝部５を有していないと、第２外包材３が、第１外包材２側に引っ張られ、断熱材１全体が変形を生じたり、断熱材１の高温側に変形が生じたりする。例えば、第２外包材３側を凸とする反った形に変形する。その結果、断熱対象空間を囲む壁と断熱材１の間に開放された間隙が形成され、断熱性能が低下する問題が起こってしまう。

本発明では、第２外包材３は、高温側に配置されているため膨張して変形するが、緩衝部５で膨張を吸収するため、断熱材１自体が反るような大きな変形は生じない。

図４は、断熱材１の第２外包材３が高温側に配置され、膨張する前後の断熱材１の断面図である。図４（ａ）は膨張前、図４（ｂ）は膨張後を示している。第２外包材３が高温により膨張することを受けて、第１外包材２はジグザグ形状の折曲部である緩衝部５が広がり、第２外包材３の膨張分を緩和しようと形状を変えることによって、第２外包材３は平面を維持している。この結果、断熱対象空間を囲む断熱材１と被断熱空間の間に間隙が生じないため、良好な断熱性能を保つことができる。

以上説明したように、金属薄板からなる第１外包材２に緩衝部５を備えることによって、高温領域でも断熱性能を損なわずに使用できる断熱材を実現することが可能となる。

〔実施形態２〕
次に、実施形態２について説明する。本実施形態では第１外包材の緩衝部の位置及び形状が上記実施形態１とは異なる例を示す。

図５は、本実施形態に係る第１外包材２ａの平面図である。緩衝部５ａは、第１外包材２ａの四辺に設けられている。図５において、第１外包材２の緩衝部５の山を実線、谷を１点鎖線で示し、これに従ってジグザグ形状に折り曲げられている。

図６は、第１外包材２ａの製造方法の一例を示している。ここでは、図５における接合部７を除く内側部分のみを示している。

図６（ａ）に示すように、第１外包材２ａの四隅７３を切り落とし、緩衝部５ａとなる部分の実線を山、１点鎖線を谷として折り曲げる。その後、第１外包材２ａの周囲と第２外包材３の周囲を揃え、接合部７を溶接する。この場合は、緩衝部５ａの折り曲げられた端面は溶接されない。

図６（ｂ）は、第１外包材２ａの別の製造方法である。まず、第１外包材２ａの四隅の頂点から中央に向かって切り込み７４を入れ、次に緩衝部５ａとなる部分の実線を山、１点鎖線を谷として折り曲げる。その後、第１外包材２ａの周囲と第２外包材３の周囲を揃え、接合部７を溶接する。このとき、切り込み７４の部分は折り曲げにより重なるので、この部分も同じく溶接する。このとき、内部空間を真空引きして封止する。この場合は、第１外包材２ａと第２外包材３は周囲が密閉され、内部を真空状態にすることが可能である。第２外包材３の膨張に伴い、緩衝部５ａが伸長して、第１外包材２aと第２外包材３の温度差による膨脹の違いに起因する断熱材１の反りを緩和することができる。また、周囲が密閉されるので内部を真空状態にすることができ、断熱性が向上する。

〔実施形態３〕
次に、実施形態３について説明する。本実施形態では第１外包材の緩衝部の位置及び形状が上記実施形態１、２とは異なる例を示す。

図７は、第１外包材２ｂの一例を示している。第１外包材２ｂには、例えば、金型を用いてその中央付近に緩衝部５ｂとして凹凸状の模様が形成されている。模様は凹凸が連なる波状でもかまわないし、複数の窪みを規則的または不規則的に設けたものでもよく、凹凸が形成されれば、どのような形状でもかまわないし、大きさも限定されない。その後、第１外包材２ｂの周囲と第２外包材３の周囲を揃え、第１外包材２ｂと第２外包材３の周囲を溶接する。このとき、内部空間を真空引きして封止する。第２外包材３の膨張に伴い、緩衝部５ｂが伸長して、第１外包材２ｂと第２外包材３の温度差による膨脹の違いに起因する断熱材１の反りを緩和することができる。また、周囲が密閉されるので内部を真空状態にすることができ、断熱性が向上する。

〔実施形態４〕
図８は、実施形態１に記載の断熱材を搭載したオーブン等の加熱装置の断面図である。加熱装置１１は、加熱室１２内で処理物を、例えば１００〜５００℃の温度で熱処理を行うものである。

加熱装置１１は、内壁１３、複数の断熱材１、外壁１４及び加熱手段１５を含んで構成される。内壁１３は、加熱室１２を包囲する壁面であり、耐熱性に優れた金属材料からなる。内壁１３から構成される加熱室１２は、処理物が収納される空間であり、ヒータ等の加熱手段１５にて１００〜５００℃に加熱される。外壁１４は、加熱装置１１の外側を包囲する壁面であり、加熱装置１１が設置されている常温空間に面している。複数の断熱材１は、内壁１３と外壁１４の間で、第２外包材３が内壁１３に面するように配置する。このように配置することで、第１外包材２が低温側に面し、第２外包材３が高温側に面するため、第１外包材２と第２外包材３の間に大きな温度差が生じる。

このとき、第２外包材３は、熱により膨張を生じるが、緩衝部５でその膨張を吸収するため、断熱材１は大きな変形を生じない。この結果、断熱対象空間を囲む内壁１３と断熱材１の間に間隙が生じないため、加熱装置１１の加熱室１２内は良好な断熱性能を保つことができる。

以上説明したように、第１外包材に緩衝部を設けることにより、高温環境下でも使用が可能で、かつ使用時の表裏温度差に起因する変形が小さく、使用中の断熱性能を損なわない断熱材を実現することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

また本発明に係る断熱材は、断熱効果を備えつけたい様々な機器、設備に搭載することができる。例えば、給湯機器、冷蔵庫、保冷箱はもちろん、加熱装置、加熱調理器、浴槽、自動車や電車等の車両、住宅、住宅設備機器などが挙げられる。

本発明は、表裏で大きな温度差が生じる個所の断熱、特に高温となる断熱を行う場合において利用可能である。

１、１ａ、１ｂ 断熱材
２、２ａ、２ｂ 第１外包材
３ 第２外包材
４ 芯材
５、５ａ、５ｂ 緩衝部
６ 平坦部
７ 接合部
８ 吸着剤
１１ 加熱装置
１３ 内壁
１４ 外壁
１５ 加熱手段
７１、７２ 接合面

Claims (7)

1. 第１外包材、第２外包材及び芯材を含む断熱材であって、
   前記第１外包材及び前記第２外包材は、金属材料からなり、
   前記芯材は、前記第１外包材及び前記第２外包材の間に挟持され、
   前記第１外包材は、前記第２外包材の熱膨張による前記断熱材の変形を吸収する緩衝部を有する断熱材。
2. 前記緩衝部は、前記断熱材の周縁部近傍に設けられる請求項１記載の断熱材。
3. 前記断熱材は矩形であり、
   前記緩衝部は、前記断熱材の四隅に設けられる請求項２記載の断熱材。
4. 前記緩衝部は、前記第１外包材の対角線の方向に折り曲げたものである請求項３に記載の断熱材。
5. 前記第１外包材及び前記第２外包材は、周囲が接合されており、
   前記第１外包材と前記第２外包材により構成される空間は真空状態である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の断熱材。
6. 前記第１外包材と前記第２外包材で構成される空間には、水分またはガスを吸着するための固体吸着剤が封入されている請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の断熱材。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の断熱材を備え、
   前記第２外包材は、高温側に配置されている加熱装置。