JP4349955B2 - 真空断熱材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、真空断熱材廃棄物を再生して新たな真空断熱材を製造する真空断熱材の製造方法および真空断熱材搭載断熱体に関するものである。

近年、真空断熱材を搭載した冷蔵庫や自動販売機が製品化され、省エネに大きく寄与している。真空断熱材は、ガラスウール等の芯材をアルミ蒸着フィルムなどのガス遮断性の高いフィルムで覆い、真空引きした後に、封止したものが主流であり、保持部材ともなるウレタンフォームと組み合わせて冷蔵庫等の断熱箱体などに利用されている。

真空断熱材の製造に当たっては、バインダーを使用していない嵩高い状態のガラスウールでは真空封着する際の作業性が悪いため、図７に示すように、ガラスウール３１をフィルム３２で覆った後に、真空炉３３に設けたプレス装置３４で加圧して内部空気を逃がして小サイズ化し、その状態で熱シール装置３５で真空封着する方法が提案されている（特許文献１参照）。

一方、冷蔵庫などのリサイクルは、従来、箱体を丸ごと破砕した後に素材を回収するマテリアルリサイクル法がとられている。近年、真空断熱材などの断熱材の再利用技術として、廃棄物処理装置の出口でウレタンフォーム廃材を回収し、回収したウレタンフォーム廃材を微粉砕した後、通気性を有する内袋材に充填し、これを芯材としてガスバリア性を有する外被フィルムで覆って真空封着する方法などが提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開平９−３１８２３８号公報 特開２０００−２９１８８２号公報

資源の有効活用を図るには、使用可能な部品はそのまま使うリユースが、素材を原料にもどして再生使用するマテリアルリサイクルよりも環境負荷が少ないと言われている。したがって、環境負荷の少ないリサイクルを実現するためにはリユースが望ましいのであるが、真空断熱材に関するリユース技術はこれまで確立されていない。

一方、冷蔵庫等の箱体を丸ごと破砕して素材を回収するマテリアルリサイクルでは、断熱壁に収納されたガラスウール等の真空断熱材とウレタンフォームとの分離はできないため、再資源化素材としての品位が落ちてしまうという問題がある。

上記した特許文献２に記載の断熱材の再利用方法もマテリアルリサイクルと言えるもので、破砕・選別・成形などにエネルギーがかかり、環境負荷が大きい。加えて、ウレタンフォームを芯材として再利用するものであり、近年使用量が増加しているグラスウールを再利用する技術ではない。

このため、グラスウールを芯材とした真空断熱材を搭載した製品をリサイクルする際に、真空断熱材をリユースする技術が課題となっていた。

上記課題を解決するために本発明は、グラスウール製の芯材をリユースすることに主眼を置いて新たな真空断熱材を製造するものである。
すなわち本発明の真空断熱材の製造方法は、ＳｉＯ _２ を主成分とするグラスウール製芯材をガスバリア性外被材で真空パックした真空断熱材廃棄物から前記芯材を取り出し、この芯材を新規なガスバリア性外被材で覆い、前記外被材の外側から芯材表面に該表面を平坦化させる０．３〜０．５MPaの加圧力を加え、前記芯材が弾性変形領域で変形した状態で前記外被材を真空封着することにより前記芯材を真空パックして真空断熱材を製造することを特徴とする。
真空断熱材においては、外被材は外的衝撃などで傷ついたり、酸素透過によって性能劣化するが、芯材のグラスウールは化学的に安定な組成を有しており、性能劣化しにくい。このため、グラスウール製芯材を再利用する一方で、新規な外被材で真空封着することによって、新たな真空断熱材を性能や品位を損なうことなく製造することができ、グラスウール製芯材はリユースであるため環境負荷も少ない。

一旦使用された芯材は新品と比較して表面がやや荒れていることがあり、その場合に、新規な外被材で覆って真空封着しても表面凹凸が大きくなり、外観の品位が悪くなることがある。このため、上記したように外被材の外側から芯材を加圧した状態で真空封着することによって、真空断熱材としての表面平坦度を確保するもので、この手法をとるのが望ましい。

外被材の外側から加圧力を加える一対の面板に面板間の間隙を規制するストッパーを設けて前記加圧力を制御することが望ましい。グラスウール製芯材は、大きな圧力によってはそのガラス繊維が破壊され、粉状になってしまう。芯材に粉状ガラスを用いたのでは、繊維状ガラスを用いるのと比べて断熱性能が劣ることになり、更なる再利用のために芯材を取出・収納する際の取扱いも不便になる。このため、面板間の間隙をストッパーで規制して加圧力を制御することによって、芯材が所定厚みより薄くなるのを防止する。

加圧力によって変形する芯材の変位が前記芯材の弾性変形領域内であれば、ガラス繊維の破壊は起こりにくい。

真空断熱材廃棄物からガスバリア性外被材を除去して取り出したグラスウール製芯材を新規なガスバリア性外被材で真空パックしてなる真空断熱材を搭載して真空断熱材搭載断熱体を構成し、再利用部品の使用を明記した表示部を設けることも望ましい。ここで断熱体とは、断熱箱体や、断熱壁体や、これらを含んだ家電製品などの製品を意味する。再利用部品を使用したことを積極的に情報開示することで、環境への配慮を消費者にアピールすることができ、環境配慮製品の普及を図ることができる。

以上のように、グラスウールを芯材とした真空断熱材廃棄物から再利用できる芯材部分を取り出し、新たな真空断熱材を再生するので、再生品たる真空断熱材やそれを搭載した断熱体は十分な性能や品位を備え、製造工程での環境負荷も低減できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態における真空断熱材の製造方法および用途を説明するフローチャートである。

廃棄物として回収された冷蔵庫１（以下、廃冷蔵庫１という）には、その箱体２を構成している断熱壁内に真空断熱材３が搭載されている。
廃冷蔵庫１を再資源化するに際して、箱体２から真空断熱材３を取り出す。たとえば、内外二重構造の箱体２の鉄製外箱を円盤状鋸などで切断し、外箱内面に接着剤で取り付けられている真空断熱材３を引き剥がして取り出すか、あるいは箱体２の樹脂製内箱をカッターナイフなどで切断し、真空断熱材３をそれと一緒に取り付けられたウレタンフォームとともに取り出し、取り出した真空断熱材３とウレタンフォームとを素手などで引き剥がす。

箱体２の鉄製外箱や樹脂製内箱やウレタンフォームは破砕してマテリアルリサイクルに供する。
真空断熱材３は開封して、たとえば外被材４の四辺をカッターナイフなどで切断した後に外被材４をめくり上げて、中の芯材５を取り出す。取り出した芯材５は新規なガスバリア性外被材６で包み、真空封着して、新たな真空断熱材７とする。

この際に、外被材４は、外的衝撃などで傷ついたり酸素透過によって性能劣化している恐れがあるため、上記したように切断してしまうが、芯材５として用いられているグラスウールは、化学的に安定な組成を有していて、性能劣化しにくいため、芯材５を再利用して新規な外被材６で真空封着するのである。このことにより、環境負荷の低減および再資源化を図りながら、芯材・外被材とも新品を用いるのと遜色ない真空断熱材７を製造できる。

再生した真空断熱材７は新たな冷蔵庫８の箱体９に搭載する。この冷蔵庫８の箱体９の外面には、再利用部品（つまり芯材５）を使用した真空断熱材７を搭載していることを明記した表示部１０を設ける。このことにより環境への配慮を消費者にアピールできる。

以下、真空断熱材７の製造工程について具体例を挙げて説明する。
廃冷蔵庫１からの真空断熱材３の構成は次の通りである。
外被材４は、芯材５の片側に、表面保護層がポリエチレンテレフタレート、中間層がアルミ箔、熱シール層が高密度ポリエチレンである厚み約７０μｍのラミネートフィルムが用いられ、芯材５のもう片側に、表面保護層がポリエチレンテレフタレート、中間層がエチレン−ビニルアルコール共重合体樹脂の内側にアルミ蒸着を施したフィルム層、熱シール層が高密度ポリエチレンである厚み約３５μmのラミネートフィルムが用いられている。芯材５は、ＳｉＯ_２を主成分とするガラス繊維（平均直径３〜５μｍ程度、平均長さ５０ｍｍ程度）の集合体であり、所定の寸法および密度（厚さ約１４ｍｍ、密度約２５０ｋｇ/ｍ^３）となるように成形されている。

真空断熱材３から取り出した芯材５を用いて新たな真空断熱材７を製造する。真空断熱材７の完成品は、厚み１０〜１２ｍｍとする。
まず、芯材５を外被材４と同一材料からなる新規な袋状の外被材６で包む。外被材６には新たな水分吸着剤（５０ｍｍ×５０ｍｍ程度の袋入り）も同封する。ただし外被材６は外被材４と異なる材料でもよいし、予め袋状に形成したものを用いるのでなく、芯材５を包んだ後に周縁部を閉じて袋状に形成してもよい。

これら芯材５と外被材６とからなる断熱材材料を、図２に示すように、加圧装置の１対のプレス板１２の間に配置し、プレス板１２に取付けたボルト１３を締め付けてプレス板１２により外被材６の両側から芯材５を加圧した状態で、この加圧装置ごと真空チャンバー１１内に配置し、真空チャンバー１１内を真空引きし、外被材６の開口端近傍を加熱封着装置１４にて挟み込み、図示しない電熱線からの熱を伝えて真空封着する。

外被材６の外側から芯材５を加圧した状態で真空封着するのは、真空断熱材７の表面平坦度を確保するためである。一旦外被材４内に真空封着された芯材５は新品と比較して表面がやや荒れていることがあり、その場合には新規な外被材６で覆って真空封着しても表面凹凸が大きくなり、外観の品位が悪くなることがあるからである。

なおその際に、いずれかのプレス板１２の対向面に設けられた凸状のストッパー１５によってプレス板１２同士の間隔が規制され、その間隔よりも真空断熱材７が薄くならないように加圧力が制御される。ボルト１３は、１本のみ図示したが、芯材５を囲む６箇所に設けられていて、プレス板１２を介して芯材５を加圧する加圧力が均一に制御される。

加圧力を制御するのは、大きな圧力によって芯材５のガラス繊維が破壊され、粉状になってしまうのを防止するためである。芯材５が粉状ガラスになってしまうと、繊維状ガラスに比べて断熱性能が劣ることになり、また更なる再利用のために芯材５を取り出し、収納する際の取扱いが不便になる。
（試験１）
上記方法にしたがって真空断熱材（以下、再生真空断熱材という）を製造して、次のような試験を行った。ただしここでは、廃冷蔵庫の代わりに未使用の冷蔵庫から真空断熱材を取り出し、それを開封して芯材を分離した。芯材の初期厚は約１４ｍｍ、密度は約２５０ｋｇ/ｍ^３であった。再生真空断熱材の完成品の寸法は外形２００ｍｍ×３００ｍｍとした。

また真空封着に先立って、分離した芯材を１４０℃で１時間加熱して水分を除去し、新たな外被材も８０℃で１時間加熱して水分を除去した。真空封着に際して、チャンバー内を真空引きする真空度は０．０３Ｔｏｒｒ（約４Ｐａ）とし、プレス板で厚み１１ｍｍ程度まで加圧した。比較対象として、敢えて加圧しない点だけが異なる再生真空断熱材を作製した。

再生真空断熱材の反りを評価するために、平坦な机の上に置いた時の盛り上がり変位を測定した。
また再生真空断熱材の断熱特性を評価するために熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定は、熱流計法による測定装置（英弘精機製ＨＣ−０７４）を使用して行った。熱流計法の原理は図３に示す通りである。再生真空断熱材である試料１６を低温プレート１７と高温プレート１８との間に挟み、各プレート１７，１８に取り付けられた熱量センサー１９，２０により、各プレート１７，１８を流れる熱量Ｑｃ，Ｑｈを測定する。また各プレート１７，１８に取り付けられた図示しない熱電対により、各プレート１７，１８の温度Ｔｃ，Ｔｈを測定し、温度Ｔｈ，Ｔｃの温度差ΔＴを求める。そして、各値を用いて以下の式により熱伝導率を算出する。

図４は断熱材反りと熱伝導率との関係を示す。加圧して真空封着した再生真空断熱材（リユース・加圧有り）は、加圧なく真空封着した再生真空断熱材（リユース・加圧なし）比べて、反り平均値・熱伝導率とも小さくなっており、このことから、加圧することによって平坦度が向上するだけでなく、断熱性能も良くなる傾向があると言える。なお、現行の良品基準は、反り平均値２ｍｍ以下、熱伝導率０．００２１Ｗ／ｍ・Ｋ以下となっている
（試験２）
試験１と同様の芯材について、圧力に対する弾性変形領域を調べた。

図５に示すように、引っ張り試験機のロードセル（図示しない）に取付けた加圧用の円柱状鋼材２１によって芯材２２を押圧してゆき、その間の圧力と変位とをサンプリングした。引っ張り試験機はアイコー社（ＡＩＫＯＨ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）製のＭＯＤＥＬ１８４０を使用し、鋼材２１は直径６ｍｍ、加圧速度は１０ｍｍ／ｓとした。

図６（ａ）は、芯材が塑性変形するまで加圧した時の圧力と変位との関係を示す。３個の試料（リユース材１，２，３）とも、加圧時と除圧時とで圧力・変位曲線は重なっておらず、芯材の弾性がなくなり、塑性変形して復元しないことがわかる。除圧後の試料表面を見ると、鋼材２１による加圧部分だけくっきり円柱状に窪み、その周囲との境界部分で繊維が分断されていた。

図６（ｂ）は、芯材の同一箇所を厚み１１ｍｍになるまで加圧し、除圧するのを２回繰り返した時の圧力と変位との関係を示す。この場合は、１回目、２回目とも、加圧時と除圧時とで圧力・変位曲線はほぼ重なっており、芯材の弾性力は失われておらず、除圧後に復元することがわかる。従って、この際の変形は弾性変形域での変形と言うことができる。除圧後の試料表面を見ても、鋼材２１による加圧跡はなかった。繊維は分断されることなく残っていると言える。

この試験２の結果から、ここで使用した芯材は、厚さ１１ｍｍまでの加圧であれば弾性変形域での変形にとどまることがわかる。このときの加圧圧力は約０．３〜０．５ＭＰａであった。

試験１，２の結果から、芯材を弾性変形域で加圧した状態で真空封着することで、真空断熱材としての断熱性能と平坦度とを確保することができ、その際に弾性変形域内での加圧にとどめることが、芯材を繰り返して再利用するうえで望ましいことがわかる。

換言すると、使用済み等の真空断熱材から取り出した芯材を弾性変形域内で加圧することにより、当該芯材を破壊することなく再び真空封着して新たな真空断熱材に再生することが可能であり、しかも加圧の効果によって、断熱性能と平坦度とについて望ましいレベルを確保できる。

なお、上記した実施の形態では、ボルトによる加圧装置を使用したが、一般的な油圧や電動のプレス機による加圧装置を使用してもよい。
また、ストッパーを用いて、芯材が弾性変形域での変形にとどまる厚みまでの加圧に抑え、芯材の破壊を防ぐようにしたが、位置決め制御の出来るプレス機を用いて適切な厚みまで加圧制御するようにしてもよい。

また、冷蔵庫に搭載された真空断熱材を取り出し、その芯材を再利用して新たな真空断熱材に再生し、新たな冷蔵庫に搭載するようにしたが、真空断熱材を取り出す対象は、冷蔵庫に限らず、真空断熱材を搭載した別の家電機器等の機器などであってよく、取り出した真空断熱材の用途も他の機器など向けに変更してもよい。

本発明の真空断熱材の製造方法は、グラスウールを芯材とした真空断熱材廃棄物から芯材を取り出して新たな真空断熱材に再生する方法であり、再生の際の芯材の破壊も防止できるため、芯材の複数回の再利用も可能であり、環境負荷の低減に大きく役立つ。

このように部品のダメージを抑えながら再利用するリユース技術は、今後の産業発展上で重要である。なぜなら、真空断熱材は、冷蔵庫や自動販売機の他、炊飯器、温水ポット、弁当箱、食品保温機、金型温調機や水温調節機（チラー）などの温調機、加熱炉や恒温炉などの炉、プレハブ住宅の壁材など、他の用途へも展開していく可能性が大きい。早い時期にグラスウール芯材のリユース法を確立しておけば、産廃として排出されるガラス廃材の量を減らせることになり、環境負荷を低減した産業システムを、廃棄コストを削減しながら樹立できる。よって、環境共生型の産業発展に寄与できる。

本発明の真空断熱材の製造方法および用途を説明するフローチャート 図１の真空断熱材の真空封着工程を説明する断面図 真空断熱材についての試験方法を説明する模式図 真空断熱材の断熱材反りと熱伝導率との関係を示すグラフ 真空断熱材に用いる芯材についての試験方法を説明する模式図 （ａ）芯材が塑性変形するまで加圧した時の圧力と変位との関係を示すグラフおよび（ｂ）芯材の弾性変形領域での圧力と変位との関係を示すグラフ 従来の真空断熱材の製造方法を説明する断面図

符号の説明

１・・・廃冷蔵庫
２・・・箱体
３・・・真空断熱材
４・・・外被材
５・・・グラスウール製の芯材
６・・・外被材
７・・・真空断熱材
８・・・冷蔵庫
９・・・箱体
１０・・・表示部
１１・・・真空チャンバー
１２・・・プレス板
１３・・・ボルト
１４・・・加熱封着装置
１５・・・ストッパー

Claims (1)

1. ＳｉＯ _２ を主成分とするグラスウール製芯材をガスバリア性外被材で真空パックした真空断熱材廃棄物から前記芯材を取り出し、この芯材を新規なガスバリア性外被材で覆い、前記外被材の外側から芯材表面に該表面を平坦化させる０．３〜０．５MPaの加圧力を加え、前記芯材が弾性変形領域で変形した状態で前記外被材を真空封着することにより前記芯材を真空パックして真空断熱材を製造する真空断熱材の製造方法 。

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