JP3212309B2 - 高絶縁パネル - Google Patents

高絶縁パネル

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、電気製品、輸送車両、及び工業用装置を絶
縁するのに適する絶縁物に関する。特に、本発明は、最
小の絶縁物で良好な絶縁品質を提供するために、熱伝導
に対して非常に高い抵抗を有する絶縁物に関する。
背景技術 電気製品，輸送車両，工業用装置のための伝統的な絶
縁材料は、鉱物繊維と発泡材料を含む。冷蔵庫，冷凍
庫，又は給湯器の絶縁のために、鉱物繊維の絶縁は、１
インチ当たり約4R′ｓのＲ−値を出すことがあるが、こ
こでＲ−値は1HrFt2゜F/Btu（0.176m2゜K/Watt）であ
る。発泡セルの中に塩素化フルオドカーボンを含有する
発泡材料は、１インチ当たり8R′ｓ（3.15R′s per c
m）のＲ−値をもつことがある。環境からフルオドカー
ボンを除去する要望のために、かつ、エネルギーを節約
するのにより効率的な絶縁物を作る要望のために、電気
製品，輸送装置，工業用装置の製造会社は、より有効な
絶縁物を求めている。１つの可能な解決策としては、絶
縁物の厚さを単純に増し、それによって全体のＲ−値を
増すことである。これは、絶縁対象物をより崇高にする
ため、望ましくない解決策である。
非常に効率的な絶縁物（“超絶縁”）を作るために、
有る極めて複雑化した絶縁装置が開発されている。これ
らの装置のいくつかは、NASAや他の米政府機関の宇宙用
途のために開発されている。
従来の超絶縁物の一つは、ボード状の構造物に圧縮さ
れ、材料を収容するために封入された、微細な無機粒状
材料である。その材料は、小麦粉のような粉末に似てい
る。使用される主な材料は、二酸化珪素又はその種類の
もの、特に、ヒュームドシリカ又は沈澱シリカである。
材料は、結晶ではなく、組織が非晶であるのが好まし
い。これらの生成物は、平均温度で75゜F（23.9℃）１
インチ当り15R′ｓ（1cm当り5.9R′ｓ）のＲ−値を有
し、封入外被を排気するとき、40゜F（4.5℃）の温度の
押込む力を有するボードに圧縮されることが知られてい
る。
粒状材料は、熱移動の気体伝導成分を止める良好な役
目をするが、熱移動の放射成分を止める役目をしない。
又、真空が大きくなればなるほど（すなわち、ゲージ圧
が低くなればなるほど）粒状材料がより圧縮され、これ
により、粒子間の接触と固体伝導の熱移動の良い進路を
作る。従って、圧縮された粒状材料の実質的な固体伝達
の熱移動に応じてＲ−値の上限に達する。真空の更なる
増大は、固体伝導のために、全体に粒状の材料の絶縁の
Ｒ−値を改善しない。加えて、不透明でない粉末は、放
射熱移動を阻止する上において比較的効率的ではない。
他の極めて複雑な超絶縁物は、熱移動の放射成分を止
めるために高反射材料の層を使用している。反射層は、
典型的には、箔であり、これらは、薄いガラス繊維マッ
ト又はガラスビーズのような熱的に効率的なスペーサに
よって分離されなければならない。その製品を、気体伝
導熱移動を防止するため、封入され、かつ排気されなけ
ればならない。これらの箔の欠点は、箔が加工しにくい
こと、製品が高い材料コストを有することである。さら
に、排気された絶縁装置の固有の問題は、パネルの両側
に加えられる大気圧の押圧に耐えることができなければ
ならないことである。真空が大きくなればなるほど、パ
ネルの外側から生じる圧力がより大きくなる。箔の薄い
層は、たとえスペーサによって分離状態に保たれたとし
ても、大気圧によって変形を受ける。結局、箔の層が互
いに接触し、固体熱伝導の進路が生じ、それによって熱
ブリッジを作ることになる。
従来技術の超絶縁物は、理想的な製品の望ましい特徴
の多くを欠く。これらの特徴は、製品の長い寿命の間、
耐圧縮性，製造の容易さ，比較的低い材料コスト，高真
空の回避，高いＲ−値の維持，を含む。
発明の開示 本発明は、１立方フィート（“Pcf"）当たり８ポンド
と28ポンドの間（128kg/m3と449kg/m3の間）の密度を有
するボードを形成する主に鉱物繊維からなる絶縁パネル
に関する。粒状材料の５重量％と40重量％の間、粒子ボ
ードの隙間に充填される。これらの密度での鉱物繊維
は、放射エネルギーの熱移動に対して良好な障壁を作
る。粒状材料は、気体伝導による熱移動の良好な障壁を
作る。構造物全体は、パネルが封入され、排気される
時、大気の圧力に対して良好な構造物を作るように、圧
縮に十分耐える。材料は、加工が比較的簡単であり、本
発明の製品に形成しやすい。さらに、材料は、比較的安
価である。最後に、本発明の絶縁物は、一定のＲ−値で
長い製品寿命の間安定している。
本発明の好ましい実施例では、粒状材料は、１グラム
当たり少なくとも50立方メートルの表面積を有する。粒
状材料が、非晶シリカ粉末であると更に好ましい。
本発明の特定の実施例では、パネルは1/2ミルと４ミ
ルの間（0.0127mmと0.102mmの間）の厚さを有する金属
箔からなる気密性の外被で包囲される。外被は、10-4To
rrと10Torrの間の真空まで排気されるのが好ましい。
図面の簡単な説明 図１は、本発明の絶縁パネルの正面の概略断面図であ
る。
図２は、本発明によるガラス繊維及び非晶シリカ粒子
の概略拡大図である。
図３は、本発明の絶縁パネルを含む冷蔵庫／冷凍庫で
あり、正面の概略断面図で示す。
図４は、本発明の絶縁パネルを作る製造工程の概略側
面図である。
発明を実施する最良の方法 本発明を、鉱物繊維としてガラス繊維を有する絶縁パ
ネルに関して説明する。岩、スラッグ、又は玄武岩から
作られた繊維のような他の鉱物繊維を、本発明に用いて
もよいことは理解されるであろう。
図１を参照すると、絶縁パネル10は、コアーボード12
と外被14とからなることがわかる。外被は、コアーボー
ドを封入し又は包囲するのに適した材料であればよい。
その材料は、低熱伝導性を有し、希望通りの真空を維持
するために気体を通さないことが好ましい。そのような
外被は、当業者に知られている。代表的な外被は、金属
箔の薄い層で作られる。気密性の金属箔の外被は、1/2
ミルと４ミルの間（0.0127mm−0.102mmの間）の厚さを
有することが好ましい。
絶縁パネル内に真空を加える場合には、外被の中にあ
る遊離低分子量の気体を除去するために、外被の中にゲ
ッター材料を置くことが好ましい。そのようなゲッター
材料は、当業者によく知られている。
コアーボードは、主にガラス繊維で作られ、好ましく
は、１ミクロンと25ミクロンの間の直径を有する繊維、
最も好ましくは３ミクロンと12ミクロンの間の直径を有
する繊維で作られる。ボードの密度は、粒状材料を加え
ない状態で、8pcfと28pcfの間（128kg/m3と449kg/m3の
間）にある。密度は、12pcfと20pcf（192kg/m3と320kg/
m3）の間にあることが好ましい。
図２に示すように、非晶シリカ粒子16が、コアーボー
ドの繊維18の隙間の間に充填される。図２の繊維は、概
略的に示されており、相対的に言うと、実際のものより
ももっと短く示されている。
粒状材料は本発明に適したいくらでもある材料、例え
ば、非晶シリカ，ヒュームドシリカ，ヒューズドシリ
カ，グラファイト、でよい。粒状材料は、大きい重量対
表面積比率、１グラム当たり少なくとも50平方メート
ル、好ましくは１グラム当たり少なくとも150平方メー
トル、最も好ましくは１グラム当たり400平方メートル
を有する。粒状材料の単位重量当りの表面積を測定する
ための好ましい実験は、BET（ブラウン、エミット＆テ
ラー）実験であり、ASTM明細書技術公報No.51、1941、P
95にある。
ガラス繊維ボードを本発明に使用する密度（8pcfと28
pcf（又は、128kg/m3と449kg/m3））では、繊維の顕微
鏡の図が、繊維間の隙間に大きな空間又は気孔を示す。
これは、図２の概略的に示される。シリカ粒子は、これ
らの空間の中に位置決めされている。これらの粒子は、
ボードの隙間の中に充填されており、すなわち、粒子は
ガラス繊維の間や繊維上に位置決めされている。
ガラス繊維が清潔で、結合剤、特に有機結合剤を含有
せず、そのため真空状態の下で、外被の真空の中に伝導
のための気体を形成する有機材料の気体生成がないこと
が非常に望ましい。本発明の驚くべき結果の一つは、シ
リカ粒子自身が、結合剤の形として作用し、この技術で
は全く予期しえなかった方法で、ガラス繊維をボード状
の構造物の中に互いに保持することである。シリカ粒子
を隙間内に充填したときには、ボードにシリカ粒子がな
い時よりも、ボードがより大きな凝集力を有するので、
ガラス繊維と接触しているシリカ粒子が、結合材として
作用することは明らかである。
本発明の第１実施例では、気体伝導によって熱移動を
減らすために、外被から空気のいくつか又は全てを、取
り除いて、アルゴンのような重い気体と置き換える。そ
のような重い気体は、気体酸素の分子量よりも大きい分
子量を有し、重いガスは、外被の中に入れた気体分子の
少なくとも50％を構成することが好ましい。
図３で示すように、冷蔵庫／冷凍庫は、冷凍部20及び
冷蔵部22からなる。絶縁パネルは、冷蔵庫区画室と冷凍
庫区画室の両方の外壁24と内壁26の間に位置決めされ
る。本発明の絶縁パネルを、単純な湾曲パターンに合う
ように成形し又は形成してもよい。
冷蔵庫及び冷凍庫の絶縁としての用途に加え、本発明
の絶縁パネルを、給湯器，貨車及び他の輸送車両，液体
酸素や液体窒素のような極低温液体をいれるための容
器，宇宙船及び家庭用レンジを絶縁するのに使用するこ
とができる。本発明の絶縁パネルの他の用途は、当業者
によって認識されるように、工業用装置の絶縁を含む。
略10-2Torrの真空を有する本発明のよる絶縁パネル
は、１インチ当たり略15R′ｓ乃至50R′ｓ（1cm当り5.9
R′ｓ−19.7R′scm）のＲ−値を有する。これは、非晶
シリカ粉末の10重量％を有する12ポンド密度（0.192.9m
/cc）のボードを呈する。商業的に入手可能な粉末は、
ニュージャーシー州，リッチフィールドパークのノース
アメリカン シリカ カンパニー，によって提供されて
いるFK500LS商標の沈澱シリカである。沈澱シリカとフ
ュームドシリカも、カボット コーポレーションによっ
て販売されている。
図４を参照すると、ガラス繊維が、繊維化機械28の作
用によって作られることがわかる。繊維化機械はガラス
繊維を作るのに敵する装置、例えば、従来よく知られて
いるロータリー繊維化機械でもよい。ガラス繊維は、収
集室の中で下方に搬送され、収集コンベヤー30上に集め
られる。
繊維化機械から収集コンベヤーに下方に移動している
時に、シリカ粉末が繊維に加えられるのが好ましい。そ
のような目的のために、ノズル32が、粒状材料を、下方
に移動している繊維流に吹き付けるように位置決めされ
ている。粒状材料の微細により、溶液、好ましくは水溶
液中に材料を浮遊させ、下方に移動している繊維流に溶
液を吹きつけるのが好ましい。繊維は、比較的乱流の高
温環境の中を移動し、そして、水溶液中の液体の全てで
はないとしても、そのほとんどが、繊維が収集コンベヤ
ーに達する時間までに蒸発する。
繊維は、ブランケット又はパック34の形で集められ
る。次いで、パックは、プレスステーション36に通さ
れ、ここで上側コンベヤー38と下側コンベヤー40がパッ
クを望ましい密度にプレスする。プレス工程中熱を加え
るのが好ましく、ボードの温度を少なくとも600゜F（31
5℃）まで、最も好ましくは、少なくとも1,000゜F（538
℃）まで上昇させるのが好ましい。
繊維はプレスステーションを通過した後、チョッパー
42によって切断されて絶縁パネルになる。真空ベーキン
グ作業が、封入に先立ってパネルを洗浄するためにパネ
ル上で行われる。クリーニング手段は、ガス抜き、引き
続く真空損失を減らすのに必要である。その後、絶縁パ
ネルは、外被とともに封入され、従来知られた手順によ
り、排気される。
ガラス繊維とシリカ粉末を含むコアーボード中のシリ
カ粉末の量を測定する好ましい方法は、多量のスペクト
ロスコピーを使用して、ボード中のシリコン原子の有効
百分率を測定することである。ガラスの組成が知られて
いるので、追加シリコンの量を計算することができ、そ
れによって、ボード中のシリカ粉末の正確な百分率を決
定する。他の材料の粉末やガラス繊維以外の鉱物繊維に
ついて同様な測定を行って良い。
本発明の精神と範囲から逸脱しないで、図示し、かつ
説明した構造及び方法に、さまざまな変形をなしても良
い。
工業的な適応性 本発明は、電気製品、輸送車両、及び工業用装置の絶
縁として有用であると思われる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−294515（ＪＰ，Ａ) 欧州特許出願公開104511（ＥＰ，Ａ １) 英国特許出願公開2170234（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) C04B 30/02

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】128kg/m3と449kg/m3の間（１立方フィート
    当たり８ポンドと28ポンドの間）の密度を有し、有機結
    合剤をもたない鉱物繊維ボードと、、ボードの隙間に充
    填された５重量％と40重量％の間の粒状材料とからな
    り、繊維は、１ミクロンと25ミクロンの間の直径を有
    し、粒状材料は１グラム当たり少なくとも50平方メート
    ルの表面積を有する絶縁パネル。
  2. 【請求項２】さらに、ボードに封入する気密性の外被を
    有し、その外被は部分的に排気される請求項１記載の絶
    縁パネル。
  3. 【請求項３】外被は、気体酸素の分子量よりも大きい分
    子量を有する気体を入れ、前記気体は外被の中に入れた
    気体分子の少なくとも50％を構成する請求項２に記載の
    絶縁パネル。
  4. 【請求項４】粒状材料は、非晶シリカ粉末である請求項
    ２に記載の絶縁パネル。
  5. 【請求項５】気密性の外被は、0.0127mmと0.102mmの間
    （1/2ミルと４ミルの間）の厚さを有する金属箔からな
    る請求項４に記載の絶縁パネル。
  6. 【請求項６】繊維は、ガラス繊維である請求項５に記載
    の絶縁パネル。
  7. 【請求項７】ゲータ材料が、気密性の外被の中に位置決
    めされる請求項６に記載の絶縁パネル。
  8. 【請求項８】真空は、10-4Torrと10Torrの間にある請求
    項６に記載の絶縁パネル。
  9. 【請求項９】非晶シリカは、１グラム当たり少なくとも
    150平方メートルの表面積を有する請求項８に記載の絶
    縁パネル。
  10. 【請求項１０】冷蔵庫又は冷凍庫の壁内に位置決めされ
    た請求項９に記載の絶縁パネル。
  11. 【請求項１１】パネル内のガラス繊維の密度は、放射熱
    の移動の可成りの部分を阻止するのに十分であり、非晶
    シリカは、気体伝導による熱移動の可成りの部分を阻止
    するのに十分である請求項８に記載の絶縁パネル。
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