JP2020176651A - 真空断熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維体母材を含む芯材を備え、芯材の熱伝導率を低減できる真空断熱材を提供すること。【解決手段】真空断熱材が、繊維体母材と赤外線を遮蔽する添加材とを含む芯材と、芯材を包む外被材とを備え、内部が減圧された状態で封止されている。繊維体母材の平均繊維径をｄとし、真空断熱材の内部における繊維体母材の空隙率をηとすると、添加材の平均粒子径が、常温域における赤外線の放射波長のピーク以上で、かつ、ｄη／（１−η）未満である。【選択図】図２

Description

本発明は、真空断熱材に関する。

近年、地球温暖化を防止することの重要性から、省エネルギー化が望まれており、民生用機器に対しても省エネルギーの推進が行われている。特に温冷熱利用の機器および住宅に関しては、熱を効率的に利用するという観点から、優れた断熱性を有する断熱材が求められている。

一般的に用いられている断熱材としては、グラスウールなどの繊維体あるいはウレタンフォームなどの発泡体を芯材とする断熱材がある。これらの断熱材の断熱性を向上するためには、例えば、断熱材の厚さを増す必要がある。このため、断熱材を充填できる空間に制限があって省スペースあるいは空間の有効利用が必要な場合には、これらの断熱材を用いることができない場合がある。

このような課題を解決する一手段として、内部に空間を保持する芯材と、内部の空間と外気とを遮断する外被材によって構成される真空断熱材がある。真空断熱材の芯材としては、一般に、粉体材料，繊維材料，連通化した発泡体などが用いられている。しかし、近年では、真空断熱材への要求が多岐にわたってきており、従来よりも断熱性の高い真空断熱材が求められている。

芯材の性能を高めることで、真空断熱材の断熱性を向上させる発明が、特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１では、図１４に示すように、真空断熱材１１１が外被材１１２と芯材１１３とで構成され、更に、芯材１１３がシリカ粒子母材１１４と添加材１１５とで構成されている。特許文献１の真空断熱材では、粉体材料であるシリカ粒子母材１１４に添加材１１５を添加することで、シリカ粒子母材１１４の凝集粒子が解砕されて微細化される。凝集粒子が微細化されると、単位体積あたりの固体接触点が増加するため、固体熱抵抗が高くなり、固体の熱伝導率が低下する。また、凝集粒子間に形成される空隙径も微細化されるため、気体の熱伝導率が低下する。これにより、真空断熱材の断熱性を向上させている。

また、特許文献２では、粉体状断熱材料を母材とした真空断熱材に平均粒子径が１００μｍ以下の粉体状カーボンを混合して、輻射熱伝導率を下げることで、真空断熱材の断熱性を向上させている。

特許第３５６３７１６号公報 特開昭６１−３６５９５号公報

近年、固体熱伝導率の削減の観点から、グラスウールなどの繊維体を真空断熱材の芯材として用いることが増えている。

特許文献１の真空断熱材において、グラスウールなどの繊維体を含む芯材を用いた場合、シリカ粒子母材のように凝集しないため、添加材の添加による熱伝導率低下の効果がない。

また、特許文献２の真空断熱材において、グラスウール等の繊維体を含む芯材を用いた場合、添加材の添加による輻射熱伝導率の低下と固体熱伝導の増加とがトレードオフとなり、１００μｍ以下の粉体状カーボン添加材の効果が得られない場合がある。

本発明の課題は、グラスウール等の繊維体母材を含む芯材を備え、この芯材の熱伝導率を低減できる真空断熱材を提供することである。

本発明の１つの態様に係る真空断熱材は、繊維体母材と赤外線を遮蔽する添加材とを含む芯材と、前記芯材を包む外被材とを備え、内部が減圧された状態で封止された真空断熱材であって、前記繊維体母材の平均繊維径をｄとし、前記真空断熱材の内部における前記繊維体母材の空隙率をηとすると、前記添加材の平均粒子径が、常温域における赤外線の放射波長のピーク以上で、かつ、ｄη／（１−η）未満である。

本発明の前記態様によれば、グラスウールなどの繊維体母材を含む芯材を備え、芯材の熱伝導率を低減できる真空断熱材を実現できる。

本発明の実施の形態に係る真空断熱材の斜視図。 図１のII-II線に沿った断面図。 本発明の実施の形態に係る芯材構造を示す斜視図。 添加材と繊維体母材との接触状態の一例を示す平面の概略図。 球形添加材と繊維体母材との接触状態の一例を示す断面の概略図。 コンタクト形添加材と繊維体母材との接触状態の一例を示す断面の概略図。 突起付き添加材と繊維体母材との接触状態の一例を示す断面の概略図。 板状添加材と繊維体母材との接触状態の一例を示す断面の概略図。 本発明の実施の形態に係る芯材の製造方法の流れを示すフローチャート。 ステップＳ１における芯材の状態の一例を示す概略図。 ステップＳ２における芯材の状態の一例を示す概略図。 ステップＳ３における芯材の状態の一例を示す概略図。 ステップＳ４における芯材の状態の一例を示す概略図。 実施例１の実験条件を示す図。 実施例１の実験結果を示す図。 添加材の平均粒子径と芯材熱伝導率の関係グラフ。 特許文献１に係わる真空断熱材の断面図。

以下、本発明の一実施の形態の真空断熱材について、図面を参照しながら説明する。

＜構造＞
図１は、本実施の形態の真空断熱材１１の斜視図である。図２は、図１のII-II線に沿った断面図である。図３は、本発明の実施の形態に係る芯材１３の構造を示す斜視図である。

図１に示すように、真空断熱材１１は、芯材１３と、芯材１３を包む外被材１２とを備える。真空断熱材１１の内部は、減圧された状態で封止されている。また、真空断熱材１１は、外被材１２の内部に配置された吸着剤１４を有する。

外被材１２は、図１および図２に示すように、真空断熱材１１の真空度を維持する部材であり、芯材１３を包んでいる本体部１２１と、本体部１２１の外周まわりに設けられたヒレ部１２２とを有している。この外被材１２は、２枚のフィルム部材１２３、１２４を重ね合わせ、ヒレ部１２２を溶着（あるいは接着）することで形成されている。

各フィルム部材１２３、１２４は、複数のフィルムでそれぞれ構成されている。例えば、各フィルム部材１２３、１２４は、芯材１３に近い側から順に、熱溶着用フィルムとしての低密度ポリエチレンフィルム、ガスバリアフィルムとしてのポリアクリル酸系樹脂フィルムおよびＰＥＴフィルム、および、表面保護用フィルムとしてのナイロンフィルムの順に積層されている。ポリアクリル酸系樹脂フィルムおよびＰＥＴフィルムの各々には、ガスおよび水分の浸透を抑制するバリア層としてのアルミニウムが蒸着により成膜されている。

なお、本実施の形態では、熱溶着用フィルムとして、低密度ポリエチレンフィルムを用いる場合を例に挙げたが、これに限定されない。熱溶着フィルムとして、例えば、直鎖低密度ポリエチレンフィルム、高密度ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム等の熱可塑性樹脂、または、それらの混合体を用いてもよい。

また、本実施の形態では、表面保護用フィルムとして、ナイロンフィルムを用いる場合を例に挙げたが、これに限定されない。表面保護用フィルムとして、例えば、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルムを用いてもよい。

また、本実施の形態では、ガスバリアフィルムとして、ポリアクリル酸系樹脂フィルムとＰＥＴフィルムとの二重構造を用いる場合を例に挙げたが、これに限定されない。ガスバリアフィルムとして、例えば、アルミニウム箔または銅箔等の金属箔を用いてもよい。または、ガスバリアフィルムとして、例えば、基材に対して金属（例えば、アルミニウムまたは銅）あるいは金属酸化物（例えば、アルミナまたはシリカ）を蒸着したフィルムを用いてもよい。上記基材としては、ポリエチレンテレフタレートフィルム、または、エチレン−ビニルアルコール共重合体フィルム等を用いてもよい。

芯材１３は、図１に示すように、繊維体母材１６と、赤外線を遮断する添加材１７と含んでいる。繊維体母材１６は、例えば、抄紙法で形成され、図３に示すように、それぞれに添加剤１７が添加されて積層された複数の繊維層で構成されている。本実施形態では、繊維体母材１６としてグラスウールを用い、添加剤１７としてカーボンを用いている。

なお、繊維体母材１６は、グラスウールに限らず、例えば、ロックウール、セルロースファイバーを用いることができる。また、添加剤１７は、カーボンに限らず、酸化チタン、酸化クロム、酸化コバルト、酸化バリウム等の金属酸化物およびアルミニウム、銅、金、銀等の金属を用いることができる。カーボンを添加剤１７として用いた場合、輻射率が高く、赤外線をよく吸収するという有利な効果がある。金属酸化物および金属を添加剤１７として用いた場合、赤外線をよく反射するという有利な効果がある。

添加材１７として、金属酸化物あるいは金属を用いた場合、真空断熱材１１の熱伝導率低下をもたらすメカニズムが、添加剤１７としてカーボンを用いた場合と異なる。具体的には、添加材１７を加えることにより、電磁波を吸収して再散乱するのではなく、電磁波を反射することにより、赤外線を遮蔽して、芯材１３の輻射熱伝導率が抑制される。

吸着剤１４は、例えば、ゼオライトあるいは参加カルシウムで構成され、ガスや水蒸気の侵入による気体熱伝導成分の増加を抑制する。この吸着剤１４は、一例として、繊維体母材１６の角部に配置され、芯材１３とともに減圧密封されている。

次に、真空断熱材１１の熱伝導率を削減するための添加材１７のサイズついて説明する。

最初に、輻射熱伝導率について考える。繊維体母材１６に添加材１７を添加することで、添加材１７が赤外線を吸収して再散乱する。これにより、芯材１３の輻射熱伝導率が抑制される。赤外線を漏れなく吸収するためには、添加材１７の平均粒子径は、常温域における赤外線の放射波長のピーク以上であることが必要になる。

なお、添加剤１７の平均粒子径は、例えば、遠心沈降法により測定された添加剤１７の粒子径の算術平均値である。また、例えば、３００Ｋ前後を常温域と仮定すると、常温域における赤外線の放射波長のピークは、１０μｍである。

続いて、固体熱伝導率について考える。繊維体母材１６の平均繊維径をｄとし、真空断熱材１１の内部における繊維体母材１６の空隙率をηとすると、真空断熱材１１の平均繊維隙間は、ｄη／（１−η）で算出される。添加材１７の平均粒子径が平均繊維隙間ｄη／（１−η）以上になると、図４のように繊維隙間が埋まる確率が増えるため、固体熱伝導率が増加してしまう。よって、固体熱伝導率を抑制するためには、添加材１７の平均粒子径はｄη／（１−η）未満であることが必要になる。

なお、平均繊維径ｄは、例えば、断面観察により繊維体母材１６の繊維径を測定し、測定値の平均をとることで決定される。また、平均繊維隙間ｄη／（１−η）は、例えば、真空断熱材１１の外被材１２の内部の体積から繊維体母材１６の体積を減じることで得られる真空空間の体積を、真空断熱材１１の外被材１２内部の体積で除することで算出される空隙率ηを用い、真空空間と繊維体母材１６が存在する空間との比η／（１−η）に平均繊維径ｄを乗じることで算出される。

図１３は、添加材１７の平均粒子径と芯材１３の熱伝導率との関係を示すグラフである。図１３において、破線は、芯材１３の輻射熱伝導率を示し、一点鎖線は、芯材１３の固体熱伝導率を示し、実線は、輻射熱伝導率と固体熱伝導率とを足し合わせた全体の熱伝導率を示している。図１３に示すように、芯材１３の輻射熱伝導率は、添加材１７の平均粒子径が赤外線の放射波長ピークＡを超えると、低下する。芯材１３の固体熱伝導率は、添加材１７の平均粒子径が平均繊維隙間ｄη／（１−η）Ｂを超えると、増加する。従って、全体の熱伝導率は、添加材１７の平均粒子径が１０μｍ（常温域における赤外線の放射波長のピークの値）となる付近で低下した後、粒子径が大きくなるにつれて増加する。

さらに、固体熱伝導率の増加を抑制するには、添加材１７と繊維体母材１６とが点接触していることが望ましい。例えば、図５に示す球形の添加材１７ａ、図６に示すコンタクトレンズのような中空で半球状の添加材１７ｂ、および、図７に示す複数の突起を有する添加材１７ｃは、繊維体母材１６と点接触になる。このため、伝熱経路４２ａ、４２ｂ、４２ｃが少なく、固体熱伝導率の増加が抑制される。一方、図８に示す板状の添加材１７ｄは、繊維体母材１６に対して線で接触するため、伝熱経路４２ｄに示す伝熱が増え、固体熱伝導率が増加してしまう。

＜製造方法＞
芯材１３の製造方法について、図９、図１０Ａ〜図１０Ｄを用いて説明する。

図９は、芯材１３の製造方法の流れを示すフローチャートである。図１０Ａ〜図１０Ｄは、図９に示す製造方法のステップＳ１〜４のそれぞれにおける真空断熱材の状態を示す概略図である。

まず、添加材１７を平面上に均一分散させる（ステップＳ１）。具体的には、粉振り機器などを用いて平面上に均一に分散させる（図１０Ａ参照）。

次に、平面上に分散させた添加材１７を繊維体母材１６の第１の繊維層１６１の一方の面に転写させる（ステップＳ２）。第１の繊維層１６１に接触した添加材１７は、静電力で繊維体母材１６に付着する（図１０Ｂ参照）。

次に、ステップＳ２で作成した添加材１７が付着されている繊維体母材１６の第１の繊維層１６１を持ち上げる（ステップＳ３）。これにより、繊維体母材１６の一層に付着している添加材のみ残す（図１０Ｃ参照）。

次に、繊維体母材１６の第１の繊維層１６１に、第２の繊維層１６２を積層する（ステップＳ４）。第２の繊維層１６２は、第１の繊維層１６１の添加材が転写された面側から積層される（図１０Ｄ参照）。

＜評価＞
次に、本実施の形態の効果を実験による検証をした。

実験の条件を図１１に示し、実験の結果を図１２に示す。なお、真空断熱材の温度は、上面（すなわち、芯材から離れた面）が３１１Ｋであり、下面（すなわち、芯材に近い面）が２８３Ｋであった。また、添加材としてカーボンを用い、添加剤の添加量を４．４ｗｔ％とした。外被材は、前記実施形態の真空断熱材１１の外装材１２を用いた。芯材は、繊維体母材として平均繊維径が４μｍで、空隙率が９０％のグラスウールを用いた。すなわち、この真空断熱材の平均繊維隙間ｄη／（１−η）は３６μｍであった。

図１１、図１２において、比較例と検証例１、２、３とでは、芯材全体の厚みを１０ｍｍに統一した。ただし、芯材の内部構成が異なっている。具体的には、比較例は、厚さ１０ｍｍの繊維体母材のみを備える構成であるのに対し、検証例１は、厚さ１０ｍｍの繊維体母材と平均粒子径８ｍｍの添加材とを備える構成である。検証例２は、厚さ１０ｍｍの繊維体母材と平均粒子径１０ｍｍの添加材とを備える構成である。検証例３は、厚さ１０ｍｍの繊維体母材と平均粒子径３５ｍｍの添加材とを備える構成である。

図１２に示すとおり、比較例および検証例１、２、３の「芯材の熱伝導率」は、それぞれ、２．１６ｍＷ／ｍ・Ｋ、２．２０ｍＷ／ｍ・Ｋ、１．９３ｍＷ／ｍ・Ｋ、２．１４ｍＷ／ｍ・Ｋであった。検証例１は、比較例よりも熱伝導率が高かった。これは、添加材の平均粒子径が８μｍで、３００Ｋ前後の赤外線の放射波長のピーク１０μｍより小さいため、赤外線が遮蔽されず、芯材１３の内部を透過した部分があると考えられる。検証例２では、従来の真空断熱材に対して、芯材１３の熱伝導率が１１％も改善した。また、検証例３では、既存の真空断熱材に対して、芯材１３の熱伝導率が１％改善した。検証例２の真空断熱材の添加剤の平均粒子径は１０μｍであり、３００Ｋ前後の赤外線の放射波長のピーク１０μｍと同じであった。また、検証例３の真空断熱材の添加剤の平均粒子径は、３５μｍであり、３００Ｋ前後の赤外線の放射波長のピーク１０μｍ以上、平均繊維隙間ｄη／（１−η）３６μｍ未満の範囲にあった。

このように、添加材の平均粒子径が赤外線の放射波長のピーク以上で、かつ、平均繊維隙間ｄη／（１−η）未満である場合、従来の真空断熱材よりも、芯材の熱伝導率を低減できることが分かった。

すなわち、真空断熱材１１によれば、繊維体母材１６と赤外線を遮蔽する添加材１７とを含む芯材１３と、芯材１３を包む外被材１２とを備え、繊維体母材１６の平均繊維径をｄとし、真空断熱材１１の内部における繊維体母材１６の空隙率をηとすると、添加材１７の平均粒子径が、常温域における赤外線の放射波長のピーク以上で、かつ、ｄη／（１−η）未満となるように構成されている。このような構成により、グラスウールなどの繊維体母材を含む芯材を備え、芯材の熱伝導率を低減できる真空断熱材を実現できる。

本発明の前記態様の真空断熱材は、省エネルギー化が要求される保温保冷機器に限らず、例えば、コンテナボックスやクーラーボックスなどの保冷が必要な用途への適用も可能である。また、本発明の真空断熱材は、小さく薄くなっても断熱性能が維持できるため、事務機器に限らず、電子機器への適用や、防寒具や寝具などの保湿が必要な用途への適用も可能である。

１１ 真空断熱材
１２ 外被材
１３ 芯材
１４ 吸着剤
１２２ ヒレ部
１６ 繊維体母材
１７ 添加材
１７ａ 添加材
１７ｂ 添加材
１７ｃ 添加材
１７ｄ 添加材
４２ａ 伝熱経路
４２ｂ 伝熱経路
４２ｃ 伝熱経路
４２ｄ 伝熱経路
１１１ 真空断熱材
１１２ 外被材
１１３ 芯材
１１４ シリカ粒子母材
１１５ 添加材

Claims (4)

1. 繊維体母材と赤外線を遮蔽する添加材とを含む芯材と、前記芯材を包む外被材とを備え、内部が減圧された状態で封止された真空断熱材であって、
   前記繊維体母材の平均繊維径をｄとし、前記真空断熱材の内部における前記繊維体母材の空隙率をηとすると、前記添加材の平均粒子径が、常温域における赤外線の放射波長のピーク以上で、かつ、ｄη／（１−η）未満である、真空断熱材。
2. 前記添加材が、カーボンである、請求項１の真空断熱材。
3. 前記添加材が、金属酸化物である、請求項１の真空断熱材。
4. 前記添加材が、金属である、請求項１の真空断熱材。

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