JP2015021540A

JP2015021540A - 真空断熱パネル

Info

Publication number: JP2015021540A
Application number: JP2013149099A
Authority: JP
Inventors: 努東; Tsutomu Azuma; 仲子　武文; Takefumi Nakako; 武文仲子
Original assignee: Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2015-02-02
Anticipated expiration: 2033-07-18
Also published as: JP6378471B2

Abstract

【課題】断熱性に優れた芯材と、その周囲を覆うガス不透過性に優れた外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板周縁部で封止された、耐久性に優れた真空断熱パネルを、溶接不良を発生させることなく、またフランジ部の平坦性を悪化させることなく安定的に製造する。【解決手段】真空断熱パネルの外包金属板周縁部をシーム溶接で接合する際、シーム溶接の電流・通電時間・溶接速度を一定とし、かつ溶接部の全長にわたって固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態となるようにシーム溶接する。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば冷蔵庫や保冷庫、或いは保温庫や住宅等の断熱壁等に好適に用いられる真空断熱パネルに関するものである。

昨今、電力不足などの影響によりあらゆる産業で省エネ製品や省エネ技術の開発が進められている。真空断熱パネルも省エネ対策の１つとして開発された商品であり、現在では冷蔵庫や自動販売機などの断熱材として、断熱性能を高めて消費電力を抑えるために広く採用されている。
また、住宅用の断熱材としての適用検討も進められているが、現行の真空断熱パネルは、例えば図１の左図に示すように、グラスウール等の芯材をアルミラミネートフィルムでヒートシールした構造のものが一般的である。

アルミラミネートフィルムでヒートシールした構造の真空断熱パネルでは、ヒートシール部から水分が透過して真空度が低下するため、活性炭やゼオライト等の吸着剤を封入しているが、それでも７〜８年で断熱性能が半減するといった問題がある。
このため、長期に亘って断熱性を維持できる真空断熱パネルの開発が望まれている。
そこで、例えば図１の右図に示すように、グラスウール等の芯材がステンレス鋼などの薄金属板で包まれ、真空引きされた後、端部が溶接接合された真空断熱パネルが各種提案されている。そして真空引きし易い構造或いは真空引き方法が各種試みられている。

特許文献１では、芯材を包む金属外包材の一方に空気を案内して排出するための溝と溝に接続された排気口を設けて真空引き行う方法が提案されている。この方法では、予め真空引きを行う前にシーム溶接やプラズマ溶接などで溝及び排気口周辺の予備封止を行い、予備封止後に溝部を通して排気口より真空引きを行い、真空引き完了後、溝部周辺をプレスなどにより平らにした後に先と同じ溶接方法により平らになった溝部上を溶接し完全封止して、封止完了後、余分な材料をカットして真空断熱パネルを製造している。

また特許文献２では、外周部が溶接接合された上下包材によって形成される略平板状の空間内に厚肉領域と薄肉領域を兼ね備えたスペーサー（断熱材）を挿入し、真空引き時は厚肉領域と薄肉領域で発生する段差を利用して上下包材の内面が接触することを防止するとともに、排気通路を確保しながら排気口より真空引きを行った後、排気口を封止し、排気口手前を溶接接合し、その後に溶接箇所の外側をカットして真空断熱パネルを製造している。

特開２００９‐２２８８０３号公報特開２００１‐３１１４９７号公報

前記の溶接接合方法としては、シーム溶接、ＴＩＧ溶接、レーザー溶接、プラズマ溶接等の各種溶接法が採用されている。特にステンレス薄鋼板を素材とした場合には溶接時に歪の発生が少ないレーザー溶接法が採用されることが多い。
しかしながら、レーザー溶接法を採用する場合、２枚の金属板間の隙間管理が重要で、金属板間に僅かな隙間があっても溶け落ちが発生し易くなる（図２（ａ）参照）。素材金属板の板厚が薄くなるほど溶け落ちの発生頻度が多くなる。
そこで、２枚の金属板を加圧して両者間の隙間を潰しながら溶接するシーム溶接法の採用も検討されている。シーム溶接法で真空断熱パネルを製造すると、圧力の付加によって隙間がなくなるので、安定した溶接が可能になる（図２（ｂ）参照）。

シーム溶接法で矩形の真空断熱パネルを製造する場合、図３（ａ）に見られるように、４本の溶接ラインを作るように溶接することが考えられ、その場合、溶接ラインが交差したラップ部が生じることになる。それぞれの溶接ラインの断面では、図３（ｂ）に示すように、高さがほぼ一定のナゲットが規則正しく繋がっている。一方、ラップ部では２回の加熱が行われることになるため、図３（ｃ）、（ｄ）に示すように、２本のラインの交差点でナゲットが過剰に成長し、前後にナゲット未形成部位が生じたり、２本のラインの交差点近傍にブローホールや溶着が生じたりすることがある。いわゆる溶接不良を発生させやすくなる。また、溶接熱の影響で素材金属板が歪み、図３（ｅ）に示すように、フランジ部が波打ち、平坦性が悪化することがある。これらの問題点は板厚が薄い場合に顕著となる。

シーム溶接法で真空断熱パネルを製造する場合、真空チャンバー内でシーム溶接することになるが、真空チャンバー内で連続的にシーム溶接すると熱を外に排出できず、電極の温度がどんどん上昇する現象が発生する。この現象は、溶接線長及び溶接時間が長くなるほど発生しやすく、溶接部は後半になればなるほど入熱過多条件となり先述した溶接不良や歪を増長することになる。また、電極の温度が上昇することによりチャンバー内の温度も上昇するため製造設備全体の機能を低下させて、装置の長時間の使用ができなくなることもある。
本発明は、このような問題点を解消するために案出されたものであり、断熱性に優れた芯材と、その周囲を覆うガス不透過性に優れた外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記外包金属板の内部が真空状態とされた後、前記外包金属板周縁部で封止された、耐久性に優れた真空断熱パネルであって、溶接不良品の発生頻度が極力低減され、かつフランジ部の平坦性が良好な真空断熱パネルを提供することを目的とする。

本発明の真空断熱パネルは、その目的を達成するため、断熱性を有する芯材と、その周囲を覆う二枚の外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記二枚の外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板周縁部がシーム溶接により接合された真空断熱パネルであって、溶接部の全長にわたって固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態となっていることを特徴とする。
外包金属板としてはステンレス鋼板が、特に少なくとも片方にフェライト系ステンレス鋼板が用いられているものが好ましい。

本発明の真空断熱パネルでは、その製造時に、外包金属板周縁部の接合法としてシーム溶接法が使用され、かつナゲットが連続的に繋がらず、ナゲットの間を固相接合させるようなシーム溶接電流を間欠的に流す条件でシーム溶接されている。
このため、真空断熱パネルの外包金属板周縁部での封止が、ナゲットの形成が極力抑えられ、或いは形成されるナゲットが極力小さくなるような形態での溶接接合でなされることになり、２回目の接合時に接合不良を発生させることがない。また、全体的に入熱量が少ないために、溶接熱の影響で素材金属板が歪むことも抑制され、フランジ部の平坦性が優れた真空断熱パネルが得られている。
このような相乗的な効果により、高性能な真空断熱パネルが低コストで提供できる。

真空断熱パネルの構造を説明する概略図レーザー溶接とシーム溶接の違いを説明する図シーム溶接で真空断熱パネルを製造する際の問題点を説明する図溶融接合と固相接合の違いを説明する図溶融接合と固相接合が規則的に繰り返された接合状態を説明する図シーム溶接時のパルス通電形態を説明する図実施例で作製した真空断熱パネルの部材構成を説明する図実施例で作製した真空断熱パネルの溶接工程を説明する図実施例での接合形態を説明する図実施例での真空断熱パネルの作製に使用した装置の概略構造を示す図

前記した通り、断熱性に優れた芯材を、その周囲をガス不透過性に優れた外包金属板で覆い、内部を長期に亘り高真空状態に維持できる真空断熱パネルを製造するためには、芯材をステンレス鋼などの薄金属板等の包材で包み、真空引きした後、端部を溶接接合する必要がある。溶接法として、シーム溶接法を採用すると、前記した通りの溶接不良を発生したり、フランジ部の平坦度が悪化したりする。また、溶接熱の影響で、製造装置の機能が低下し、長時間の連続操業を行うことができなくなってしまう。
そこで、本発明者らは、包材の重ね合わせ面から簡便に真空引きした後に封止接合することが可能な方法について鋭意検討する過程で、本発明に到達した。
以下にその詳細を説明する。

シーム溶接法は、接合しようとする金属間に電流を流して抵抗発熱させ、その熱で溶融接合しようとするものである。
このようなシーム溶接法を用いて矩形の真空断熱パネルを製造する際には、溶接ラインの交差が避けられない。この交差部において２回目のシーム溶接電流を流すとき、前回のシーム溶接時に形成されたナゲットの影響で、溶接電流が分流し、ナゲットの未形成やブローホール、或いは溶着等の溶接不良が発生すると考えられる。すなわち、シーム溶接なる溶融溶接法により形成したナゲットが、次のシーム溶接時の溶接不良の発生の一因になっていると考えられる。

そこで、ナゲットの形成を極力抑えるように、或いは形成されるナゲットが極力小さくなるように接合しておけば、２回目の接合時に接合不良を発生させることがない、と想定できる。図４に示すように、溶融接合のような高入熱の加熱ではなく、低入熱の加熱を行って固相領域での原子の拡散により界面を接合させる固相拡散接合を採用すればよいのである。
各種予備実験を繰り返し、真空断熱パネルの場合にあっては、十分接合されていれば固相接合でも溶融接合と同等程度の強度を呈して真空断熱パネルの場合にあっては十分であることを確認した。

しかしながら、低入熱により十分な接合強度を発現する固相接合を行おうとする場合、接合しようとする金属板の材質や板厚によって入熱量を厳密に調整する必要がある。入熱量が多すぎると通常のシーム溶接になってナゲットが繋がった接合状態になり、逆に入熱量が少なすぎると十分な強度を発現する固相接合とはならない。
そこで本発明では、溶接部の全長を固相接合により接合するのではなく、固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態となっていることにより、十分な接合強度を得たものである。

溶接部の全長において固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態とするためには、溶接速度を一定として溶接電流を間欠的に流せばよい。溶接電流はパルス通電としてナゲットの形成が可能で且つナゲットが連続的に繋がらない条件を選定することにより図６に示すように、通電がonの領域ではナゲットが形成され、通電がoffの領域では、ナゲット形成時の残熱により固相接合される。この方法で溶接を行えば、全体の入熱量は従来のナゲットが連続的に形成される溶融接合条件と比較して低く抑えることができる。

なお、固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態で溶接部の全長に占める溶融接合部の割合は低いほど入熱量が抑えられ熱歪やラップ部の溶接不良の問題などを回避することが可能である。しかしながら、溶接部の全長における溶融接合部の割合が40％以下の条件では適正電流範囲が狭くなる傾向にある。また、溶接部の全長における溶融接合部の割合が90％を超える条件になると固相接合部が極端に少なくなるため、従来の溶融接合条件に近い形となり先述した熱歪やラップ部の溶接不良の問題も発生する恐れがある。このため、溶接部の全長における溶融接合部の割合は条件設定がしやすく熱歪や溶接不良発生の恐れも少ない50〜90％の範囲に収まるよう調整することが好ましい。

本発明の採用により、絞り加工または張り出し加工を施して芯材収容部を形成する加工部側素材にオーステナイト系ステンレス鋼板を、前記芯材収容部を覆う非加工部側素材にフェライト系ステンレス鋼板を用いた真空断熱パネルであっても、溶接不良がなく、またフランジ部の平坦性に優れた真空断熱パネルを安定的に、かつ低価格で提供することができる。
特に、溶接ラインが交差する部位においても、１回目のシーム溶接時にナゲットが形成されていないか、形成されていても細かい。したがって、２回目のシーム溶接時に溶接電流が分流することがないので、溶接不良がない真空断熱パネルが提供できる。
さらに、溶接時の入熱量が比較的少ないので、溶接熱歪みによるフランジ部の平坦度を悪化させることもない。

作製例１；
図７に作成した真空断熱パネルの部材構成を示す。芯材を覆う上下包材には寸法が220mm×220mm×0.1^ｔmmのSUS430とSUS304の鋼板を用いた。SUS304側には芯材収容用に190mm×190mm×5.0mmの膨出部を張り出し成形により作製した。
そして、下側SUS304包材の膨出部に、180mm×180mm×5.0mmのグラスウール製芯材を収容して、上側SUS430包材と重ね合わせた。
上下包材を加圧保持した状態で、先ず、第一工程として大気中で図８（ａ）に示したように上下包材のフランジ周縁部を、一部開口部を除いてシーム溶接により溶接する。この時に使用したシーム溶接機は単相交流式で上側電極が円盤状、下側電極が棒状で上側電極が下電極の上を回転移動しながら溶接するタイプの装置を使用した。上下電極には、先端形状は同一として幅4mmで20Rの曲率を付いた電極を使用し、溶接条件は加圧力：150N、溶接速度：1m／min、溶接電流：1.2kA、通電時間on／off：3／2msとし、図９（ａ）に示したように溶接全長における溶融接合部の割合が50％、固相接合部の割合が50％となる条件とした。

続く第二工程の封止では図１０に示す真空チャンバー内に第一工程で使用した同一のシーム溶接機を内蔵した装置を用いた。本装置には、チャンバー内にワークを固定するためのワーク用テーブルも備えられており、このワーク用テーブルに先程溶接したパネルを固定し、チャンバー内の真空度が2Pa以下になるまで真空引きを行った。この際パネル内部の真空度はパネル開口部を通して内部空気が強制的に排気されるため真空チャンバー内の真空度とほぼ同一となっていると推定される。目標とする真空度到達後、第一工程で未溶接だった開口部を先述したシーム溶接機を用いて第一工程と同一の溶接条件で図８（ｂ）に示すように溶接開始部と終了部がそれぞれ第一工程の溶接部とラップするよう溶接し、封止した。

作製例２；
続いて、上下包材にSUS304材同士を使用してステンレス鋼板製の真空断熱パネルを製造する方法を示す。
芯材を覆う上下包材にはSUS304で寸法が220mm×220mm×0.1^ｔmmのステンレス鋼板を用い、一方の包材には芯材収容用に190mm×190mm×5.0mmの膨出部を張り出し成形により作製した。
そして、包材の膨出部に、180mm×180mm×5.0mmのグラスウール製芯材を収容して、上下包材を重ね合わせた。

作製例１と同様の方法で大気中での第一工程の溶接とチャンバー内での第二工程の封止により真空断熱パネルを製造する．この際使用する上下電極形状と溶接条件を変更した。電極の上側には幅4mmでフラット状の電極を、下側には幅4mmで20Rの曲率が付された電極を使用した。溶接条件は加圧力：150N、溶接速度：1.2m／min、溶接電流：1.6kA、通電時間on／off：3／2msとし、図９（ｂ）に示したように溶接全長における溶融接合部の割合が90％、固相接合部の割合が10％となる条件とした。
以上のような方法でステンレス鋼板製の真空断熱パネルを作製した。

上記２つの方法で作製された真空断熱パネルは、いずれもフランジ部で溶接不良は発生しておらず、またフランジ部の平坦性も良好で、全体的な形状変化も見られなかった。
作製例２では、２枚のオーステナイト系ステンレス鋼板を用い、オーステナイト系ステンレス鋼板を接合して真空断熱パネルしたが、作製例１で確認したように、絞り加工性に優れたオーステナイト系ステンレス鋼板と、比較的安価なフェライト系ステンレス鋼板を使用しても、フランジ部で問題なく固相接合された真空断熱パネルを製造することが可能になった。

Claims

断熱性を有する芯材と、その周囲を覆う二枚の外包金属板からなり、前記芯材を内包する前記二枚の外包金属板の内部が真空状態とされて前記外包金属板周縁部がシーム溶接により接合された真空断熱パネルであって、溶接部の全長にわたって固相接合部と溶融接合部が規則的に繰り返された接合状態となっていることを特徴とする真空断熱パネル。
溶接部の全長に占める溶融接合部の割合が50〜90％の範囲である請求項１に記載の真空断熱パネル。
外包金属板としてステンレス鋼板が用いられている請求項１または２に記載の真空断熱パネル。
外包金属板の片方にフェライト系ステンレス鋼板が用いられている請求項３に記載の真空断熱パネル。