JP2016176491A - 断熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】折り曲げやすく、且つ容易に製造できるとともに、折り曲げても外包材の表面平滑性が失われず断熱性能を十分に確保することができる真空断熱材を提供すること。【解決手段】１つ以上の非伸縮部分と１つ以上の伸縮部分とが、交互に配置された、芯材部と、芯材部を包む外包部と、を含み、非伸縮部分には、伸縮部分よりも断熱材料が密に充填されている断熱材を用いる。さらに、上記外包部の内部は、真空状態である断熱材を用いる。また、上記伸縮部分の形状は、台形柱の形状である断熱材を用いる。【選択図】図１

Description

本発明は、断熱材に関する。特に、断熱性に優れた折り曲げることができる真空断熱材に関する。

保温や保冷をするために、機器においては、真空断熱材が用いられている。このような機器に真空断熱材を用いる場合には、保温や保冷をするための空間の周囲に、その形状に適合するように真空断熱材を変形させて配置していた。

例えば、湯沸かし器等の円柱状の空間を保温するために、円筒形状に変形できる真空断熱材を用いるものがあった（例えば、特許文献１参照）。

従来の真空断熱材を図５（ａ）、図５（ｂ）を用いて説明する。図５（ａ）は、外包材５０１であり、図５（ｂ）は、その外包材５０１に入れられる芯材部５０２である。

この真空断熱材は、２種類の異なる芯材を用いて折り曲げやすくしたものであった。

具体的には、薄い第１の芯材５０３の上に複数の第２の芯材５０４がある。第２の芯材５０４の間の第１の芯材５０３のところで曲がる。

特許第４８９７４７３号公報

上述した従来の真空断熱材では、外包材５０１で芯材部５０２を減圧封止した場合、外包材５０１の表面平滑性が失われるという問題があった。

具体的には、減圧封止する際に第１の芯材５０３と第２の芯材５０４とが位置ズレを起こし、外包材５０１内で減圧のバラつきが生じる。このことで、封止後に外包材５０１表面に凹凸が発生し、表面平滑性が失われるという問題があった。

この問題により、組み合わされる対象の発熱部と、外包材５０１との間に隙間が発生し断熱性能が低下する。この為、減圧封止する際の位置規制や減圧プロファイルの制約を高めざるを得なかった。

更に、２種類の異なる芯材を重ねて用いていることから、真空断熱材としたときに段差が生じ、折り曲げ時の負荷や機器の実使用時に伸縮部において外包材５０１が微小破損する場合があるという問題があった。

この問題により、外包材５０１の破損時には真空断熱材の減圧が除々に開放され、経時的に断熱性能が低下する為、破損した場合を考慮した機器の設計制約が必要であった。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、折り曲げやすく、折り曲げても外包材の表面平滑性が失われず断熱性能を十分に確保する断熱材を提供することになる。更には、外包材が微小破損しても断熱性能が低下しにくい芯材及びその芯材を用いることで、断熱材を提供する。

上記課題を解決するため、１つ以上の非伸縮部分と１つ以上の伸縮部分とが、交互に配置された芯材部と、芯材部を包む外包部と、を含み、
非伸縮部分には、伸縮部分よりも断熱材が密に充填されている断熱材を用いる。

本発明によれば、折り曲げやすく、折り曲げても外包材の表面平滑性が失われず断熱性能を十分に確保した断熱材を容易に製造して提供することができる。

（ａ）実施の形態の真空断熱材における外包材の斜視図、（ｂ）実施の形態の真空断熱材における芯材部の斜視図 実施の形態の芯材部を示す断面図 実施の形態の芯材部を折り曲げる態様を示す断面図 （ａ）〜（ｃ）実施の形態の芯材部の製造方法を説明する断面図 （ａ）従来の真空断熱材の外包材の斜視図、（ｂ）従来の真空断熱材の芯の斜視図

以下に本発明の実施の一形態について図面に基づいて説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）で実施の形態の真空断熱材を示す。図１（ａ）は、外包材１２０の斜視図、図１（ｂ）は、芯材部１１０の斜視図である。芯材部１１０を外包材１２０に収納して密封し、外包材１２０の内部を減圧状態にすることによって、実施の形態による真空断熱材１００を作ることができる。
（芯材部１１０）
＜芯材部１１０の形状＞
図２は実施の形態における芯材部１１０の断面図である。この図２に示した芯材部１１０は、芯材部１１０の長手方向（紙面の左右）に向かって１つ以上の非伸縮部１１４と１つ以上の伸縮部１１２とが交互に配置された直方体の構造である。各部は、長手方向と垂直方向へ伸びる、細長い形状である。各部の形状は、台形柱の形状である。従来の図５（ｂ）であった溝は存在しない。非伸縮部１１４と伸縮部１１２とが、連続して、側面で繋がっている。ただし、非伸縮部１１４と伸縮部１１２との配置される方向は、長手方向に限定されず、交互に配置されることが重要である。また、全体の形状は、直方体に限定されない。非伸縮部１１４と伸縮部１１２とが配置される部分を含んでいれば形状は、限定されない。

図１（ｂ）及び図２に示すように、非伸縮部１１４と伸縮部１１２とを合わせた芯材部１１０は、略一定の厚さＤと、長さＬ（長手方向）と、幅Ｗとを有する略板状（直方体）の形状を有する。

芯材部１１０における非伸縮部１１４の各々は、略一定の厚さＤと、表面は長さＬｓ（幅Ｗ）、裏面は長さＬｂ（幅Ｗ）とを有する略台形柱状を有する。

後述する図３に示すが、伸縮部１１２において折り曲げるため、非伸縮部１１４の数を２つ以上にするのがよい。

上述した伸縮部１１２と非伸縮部１１４との大きさは、真空断熱材１００が配置される装置や機器の大きさに適合するように適宜定める。

特に、伸縮部１１２と非伸縮部１１４の厚さは、真空断熱材１００が配置される装置や機器の大きさの他に、後述する伸縮部１１２及び非伸縮部１１４の材料を考慮して、要求される断熱効率となるように、適宜定める。

さらに、隣り合う非伸縮部１１４の間隔Ｓも、真空断熱材１００が配置される装置や機器の大きさのほかに、折り曲げやすさや断熱効率を考慮して適宜定めればよい。

なお、後述するように、真空断熱材１００を折り曲げるときには、伸縮部１１２の箇所で折り曲げることができる。
ここで、長さＬｂ、長さＬｓ、厚さＤに関し、式１となる。
Ｌｂ＝Ｌｓ＋２Ｄｔａｎθ・・・・（式１）
折り曲げ時に非伸縮部１１４における良好な断熱性を得る為には、θ≧４５°がよく、式２となる。
Ｌｂ≧Ｌｓ＋２Ｄ ・・・（式２）
これは、後述するが、真空断熱材１００の折り曲げ時に、非伸縮部１１４の端部や端面が、当接し合ったり、押圧し合ったりするので、伸縮部１１２のみならず、非伸縮部１１４によって断熱することができる為である。
＜伸縮部１１２＞
伸縮部１１２は、断熱性及び屈曲性の観点から繊維集合体が使用される。繊維集合体は、作業性の観点から、上述したように、略板状の形態で使用されることが好ましい。

繊維集合体を、そのままの「わた状態」や、微細化した「粉体状」で使用する場合には、芯材部１１０の取り扱い性が低下するので、芯材部１１０を、後述する外包材１２０へ収納する工程が煩雑になり、作業性が悪化する。

繊維集合体は、無機繊維、有機繊維またはそれらの混合物からなる。

無機繊維としては、例えば、ガラス繊維（グラスウール）、アルミナ繊維、スラグウール繊維、シリカ繊維、ロックウール等が挙げられる。

有機繊維としては、例えば、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリウレタン繊維、ポリノジック繊維、レーヨン繊維等の合成繊維、麻、絹、綿、羊毛等の天然繊維等が挙げられる。無機繊維および有機繊維は、１種からなる単独繊維または複数種の混合繊維として用いられる。

実施の形態では、伸縮部１１２として、グラスウールを用いるのがよい。この場合に、減圧した状態で、伸縮部１１２の厚さが略３ミリメートルとなるものがより望ましい。

このグラスウールは、抄造法によって略板状（マット状）にしたもの（平均繊維長が略１０ミリメートルで、平均繊維径が略３マイクロメートル）を用いる。

また、このグラスウールは、減圧した状態では、密度が２７０キログラム／立方メートルである。

グラスウールは、折り曲げ性に優れるが、断熱性にやや劣るため、芯材部１１０において別途、非伸縮部１１４を配置することにより、折り曲げる部分は伸縮部１１２、断熱する部分は非伸縮部１１４と機能を分けることが特徴である。

伸縮部１１２は、グラスウールを主成分としているが、後述する非伸縮部１１４に充填されている断熱材料であるエアロゲルを含んでもよい。

但し、エアロゲルは靭性に乏しい性質を示すことから、折り曲げ性を損なわない為には、エアロゲルの充填率は３５％以下であることが望ましい。後述する本発明の芯材部１１０の平滑性を出すため、５％以上を含む。

また、後述するが非伸縮部１１４を形成しやすくする為に、基材４０１全体に親水処理を施している。つまり、全体が親水性のものの中に疎水性の断熱材料の領域（非伸縮性部１１４）を設ける。各領域間が分けやすい。

非伸縮部１１４は、断熱材があり、外包材１２０に対して伸び縮みしにくい。

一方、伸縮部１１２は、断熱材料がなく、外包材１２０に対して伸び縮みしやすい。

ここで、伸縮部１１２は伸び縮みさせやすい為に繊維の嵩密度を４００ｋｇ／ｍ^３以下にしておくことが望ましいが一定の厚みを確保する為には１０ｋｇ／ｍ^３以上は必要となる。
＜非伸縮部１１４＞
非伸縮部１１４は、伸縮部１１２と同じ材料（繊維）に伸縮部１１２よりもエアロゲルが密に充填されている。

具体的には、優れた断熱性能を確保する為にエアロゲルの充填率は８０％以上であることが望ましい。

エアロゲルは１次粒子１ｎｍ、２次粒子１０ｎｍ前後、細孔径が１０〜６０ｎｍのシリカで構成されている。
細孔径６０ｎｍ以下であり、空気分子の平均自由工程約６８ｎｍより小さく、空気の滞留を抑制できることから断熱性に優れる。

このシリカエアロゲルは吸湿、吸水による特性劣化を防ぐ為、親水基を疎水基に置換することで疎水性を持たせている。

また、伸縮部１１２は非伸縮部１１４よりも靭性に乏しいエアロゲルの充填率が小さいことから、曲げ剛性も小さくなる。

以上のことから、伸縮部１１２の厚さＤ及び材質と、非伸縮部１１４の間隔Ｓ及び幅寸法Ｌｓ、Ｌｂを適宜定め、伸縮部１１２の曲げ剛性が非伸縮部１１４の曲げ剛性よりも小さいことを利用して折り曲げやすくすることができる。
本発明の実施の具体例は、厚さＤが３〜１００ｍｍ、上述の式２の範囲において、間隔Ｓが最小３０ｍｍまで好適な折り曲げ性と断熱特性を得た。
（外包材１２０）
＜外包材１２０の形状＞
外包材１２０は、図１（ａ）に示すように、２枚のシート状の外包シート１２２ａ及び外包シート１２２ｂによって成形された袋状の形状を有する。

２枚の外包シート１２２ａ及び１２２ｂの各々は、同じ大きさの正方形や長方形の形状を有する。２枚の外包シート１２２ａ及び１２２ｂが、互いに重なり合うようにし、２枚の外包シート１２２ａ及び１２２ｂの４つの辺のうちの３つの辺の縁をヒートシールすることによって袋状に形成することができる。

ヒートシールしなかった１つの辺が、袋状の外包材１２０の開口部１２４となる。外包材１２０を袋状の形状にすることで、外包材１２０の内部を減圧した後、開口部１２４を形成する１つの辺をヒートシールすることで、真空断熱材１００を形成でき、開口部１２４のみをヒートシールすればよいので、作業の効率を高めることができる。

２枚の外包シート１２２ａ及び１２２ｂの各々は、最外層と最内層とを含む複数の（図示せず）から構成されている。

外包シート１２２ａ及び１２２ｂの最内層が、袋状の外包材１２０の裏面となるように構成し、すなわち、最内層が、袋状の外包材１２０の内面となるように構成される。このようにすることで、袋状の外包材１２０の内部の真空状態を十分に維持することができる。

外包材１２０（外包シート１２２ａ及び１２２ｂ）の大きさは、芯材部１１０を効率よくかつ的確に収納できる程度に、芯材部１１０より大きいものが好ましい。
＜外包シート１２２ａ及び１２２ｂの材料＞
外包シート１２２ａ及び１２２ｂは、ガスバリア性を有し内部を減圧に維持でき、かつ、ヒートシール可能なものであれば、どのようなものでも用いることができる。

上述したように、外包シート１２２ａ及び１２２ｂの各々は、単層又は複数の層から構成されており、層の各々には種々の材料が用いられる。

外包シート１２２ａ及び１２２ｂの各々の好適な具体例として、以下のガスバリアフィルムがある。

例えば、最外層がナイロンであり、第１の中間層がアルミ蒸着ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）であり、第２の中間層がアルミ箔であり、最内層が高密度ポリエチレンである４層構造のガスバリアフィルムがある。

また、最外層がポリエチレンテレフタレート樹脂であり、中間層がアルミ箔であり、最内層が高密度ポリエチレン樹脂である３層構造のガスバリアフィルムがある。

さらに、最外層がＰＥＴ樹脂であり、中間層がアルミニウム蒸着層を有するエチレンービニルアルコール共重合体樹脂であり、最内層が高密度ポリエチレン樹脂である３層構造のガスバリアフィルムがある。

（真空断熱材１００）
図１に示したように、袋状の外包材１２０の内部に、芯材部１１０を収納した後、外包材１２０の内部を減圧し、開口部１２４をヒートシールすることによって、減圧状態を維持でき、真空断熱材１００を形成することができる。

＜真空断熱材１００の折り曲げ＞
図３は、真空断熱材１００を折り曲げた状態を示す断面図である。図３は、非伸縮部１１４の表面積が大きい側に、つまり図２で示すところのＬｂ側を内側として折り曲げた状態を示す。

なお、図３は伸縮部１１２と非伸縮部１１４とを明確に示すために外包材１２０は、
省略して示した。

図３のように折り曲げた場合、折り曲げることによって、非伸縮部１１４のＬｓ側はあまり変化なく、Ｌｂ側が少し縮じむ。結果、非伸縮部１１４の断熱性が高くなる。

また、これにより外包材１２０が破損したとしても伸縮部１１２のみならず、非伸縮部１１４によって断熱することから、破損箇所の断熱効率も低下しにくくすることができる。

また、真空断熱材１００を折り曲げる角度については、真空断熱材１００が配置される装置や機器の形状に応じて定めればよい。いずれの場合であっても、非伸縮部１１４のみに屈曲部が形成されるように、折り曲げるのが好ましい。

（芯材部１１０の製造方法）
まず始めに、芯材部１１０の製造方法の一例の全体フロー示す。
（１）原料混合：高モル珪酸ソーダ（珪酸水溶液、Ｓｉ濃度１４％）に触媒として濃塩酸（１２Ｎ）を１．４ｗｔ％添加し攪拌し、ゾル溶液を調合する。
・ 含浸：基材（材質グラスウール、厚み仕様１０ｍｍ、目付１２ｇ／ｍ^２、寸法Ａ４）にゾル溶液を注ぎ、ロールでゾル溶液を不織布に押し込んで含浸させる。
・ ゾル溶液を含浸させた不織布をＰＰフィルム（厚み５０ｕｍ×２枚、寸法Ａ３）に挟み、室温２３℃で約１５分放置してゾルをゲル化させる。

・ 厚み規制：ゲル化を確認後、ギャップを１０ｍｍ（フィルム厚込み）に設定した２軸ロールにフィルムごと含浸不織布を通して、不織布から余分なゲルを絞りだして厚みを１０ｍｍ狙いで規制すると共に表面平滑性を付与する。
・ 養生：容器にフィルムごとゲルシートを入れて、乾燥防止のために８５℃／８５ＲＨ％の恒温恒湿槽に３時間入れて、シリカ粒子を成長（シラノールの脱水縮合反応）させて多孔質構造を形成させる。

・ フィルム剥がし：養生容器からシートを取り出して、フィルムを剥がす。
・ 疎水化１（塩酸浸漬工程）：芯材部１１０を塩酸（６〜１２規定）に浸漬後、常温２３℃で１時間放置して芯材部１１０の中に塩酸を取り込む。
・ 疎水化２（シロキサン処理工程）：芯材部１１０を例えば、シリル化剤であるオクタメチルトリシロキサンと両親媒性溶剤である２−プロパノール（ＩＰＡ）の混合液に浸漬させて、５５℃の恒温槽に入れて２時間反応させる。トリメチルシロキサン結合が形成され始めると、芯材部１１０から塩酸水が排出され、２液分離する（上層にシリル化剤、下層に塩酸水）。
・ 乾燥：ゲルシートを１５０℃の恒温槽に移して２時間乾燥させる。
＜含浸方法＞
ここで、図１、図２のように芯材部１１０において伸縮部１１２と非伸縮部１１４の２つの部位に分ける方法について図４を用いて説明する。

上記（２）含浸プロセスにおいて、図４（ａ）のようにゾル溶液を封入したシリンジ４００より、基材４０１の特定の場所にゾル溶液４０２を含浸させる。

次に図４（ｂ）のように含浸させたゾル溶液４０２が放射状に濡れ拡がり、最後に図４（ｃ）のように断面でみるとハの次になるような形状で含浸を完了させる。

ここで、基材４０１は、親水化材料または、親水化しておく。基材４０１中でゾル溶液４０２は、疎水性であるので、その領域は明確に分かれる。結果、芯材部１１０が曲がるときに曲げやすい。

上記（２）含浸プロセス以降は上記芯材部１１０の製造方法の（３）〜（９）のプロセスを経ることにより、図１、図２のような芯材部１１０を得ることが可能になる。
（まとめ）
本発明の真空断熱材を用いれば、保温や保冷をするために断熱を要する容器等の機器の形状に追従可能な屈曲性のある断熱材を容易に製造して提供することができる。
詳しくは、本発明の芯材及びその芯材を用いた真空断熱材を用いることにより、従来の真空断熱材と同等の折り曲げ性を維持しつつ、折り曲げ時の外包材の表面平滑性の改善ができる。

空気の熱伝導率２８ｍＷ／ｍＫに対しエアロゲルの熱伝導率が１５〜２０ｍＷ／ｍＫであることから、トータルの断熱性能としては従来より断熱性能が５割程度改善できる。
更には外包材が微小破損しても、空気の熱伝導率２８ｍＷ／ｍＫに対しエアロゲルの熱伝導率が１５〜２０ｍＷ／ｍＫであることから、微小破損時の断熱性能も２割〜４割程度改善することができる。

本願発明では、芯材部１１０を外包材１２０に減圧封止することで、芯材部１１０からの露出させない形態をとったが、エアロゲルの粉落ちの問題が回避、或いは粉落ちしたとしても問題の無い機器に対しては、外包材１２０を用いずに芯材部１１０単体で使用しても効果の発現には支障をきたさない。

なお、外包材１２０の内部を真空にしなくともよい。

本発明の真空断熱材は冷蔵庫など、広く冷熱機器内に利用される。

１００ 真空断熱材
１１０ 芯材部
１１２ 伸縮部
１１４ 非伸縮部
１２０ 外包材
１２２ａ、１２２ｂ 外包シート
１２４ 開口部
４００ ゾル溶液を封入したシリンジ
４０１ 基材
４０２ ゾル溶液
５０１ 外包材
５０２ 芯材部
５０３ 第１の芯材
５０４ 第２の芯材

Claims (8)

1. １つ以上の非伸縮部分と１つ以上の伸縮部分とが、交互に配置された芯材部と、
   前記芯材部を包む外包部と、を含み、
   前記非伸縮部分には、前記伸縮部分よりも断熱材料が密に充填されている断熱材。
2. 前記外包部の内部は、真空状態である請求項１記載の断熱材。
3. 前記伸縮部分の形状は、台形柱の形状である請求項１または２記載の断熱材。
4. 前記非伸縮部分の形状は、台形柱の形状である請求項１から３のいずれか１項に記載の断熱材。
5. 前記芯材部は、直方体であり、
   前記直方体の第１面における前記非伸縮部分の表面積と、
   前記第１面に対向する、前記直方体の第２面における前記非伸縮部分の表面積とは等しくない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱材。
6. 前記非伸縮部分と前記伸縮部分は、同じ繊維を含む請求項１〜５のいずれか１項に記載の断熱材。
7. 前記断熱材料が、エアロゲルである請求項１〜６のいずれか１項に記載の断熱材。
8. 前記非伸縮部分は、疎水性であり、前記伸縮部分は親水性である請求項１〜７のいずれか１項に記載の断熱材。
   

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