JP4649953B2

JP4649953B2 - 真空断熱材

Info

Publication number: JP4649953B2
Application number: JP2004317891A
Authority: JP
Inventors: 毅勝部
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-11-01
Also published as: JP2006125600A

Description

本発明は、真空維持デバイスを備えた真空断熱材に関するものである。

これまで、地球環境問題である温暖化を防止することの重要性から、省エネルギー化には様々な取り組みがなされてきた。その中でも、電化製品や住宅等において断熱により消費エネルギー化を実現するためのデバイスとして、高性能断熱材である真空断熱材が注目されている。

真空断熱材は、空間を保持する芯材を、減圧下で外被材に封止することにより高断熱性を発揮するものである。通常、芯材は、外被材に封入する前に十分に乾燥させて用いられる。これは、芯材が水分を含んだ状態で封入すると、内部で水蒸気となって減圧状態を保つことができず、その断熱性能が劣化する原因となるからである。

従来、この種の真空断熱材は、吸着剤を備えることで、外部から侵入するガスや水分、或いは内部においても芯材から発生するガスや水分を吸着して、内部減圧状態を維持し、その経時信頼性を高めている。

また、吸着剤としてＢａ−Ｌｉ合金を用いる場合、この材料はＣＯ、ＣＯ₂、Ｏ₂、Ｈ₂、Ｎ₂等のガス吸着能力を有する一方で、水蒸気と高い親和性を有する。しかし、Ｂａ−Ｌｉ合金が水蒸気と反応して水分を吸着してしまった場合、ガス吸着性能は水分を吸着した分だけ損なわれることになる。

そこで、Ｂａ−Ｌｉ合金と接触する水蒸気を除去し、その他のガス種に対する吸着能力を保持するための乾燥剤が組み合わされることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図６は、特許文献１に記載された従来の真空維持デバイスである。従来の真空維持デバイスは、吸着剤を、ガス不透過性の容器１１と、容器１１の下部内に収容されたＢａ−Ｌｉ合金のペレット１３と、乾燥剤を含み容器１１の上部内に収容されたペレット１４と、上部ペレット１４を包被するポリマー材製ネット１２とから構成されている。
特表平９−５１２０８８号公報

しかしながら、上記従来の構成では、乾燥剤のペレット１４の透気抵抗度を大きくするのは困難であり、実際は乾燥剤を透過する際に吸着できなかった水分をＢａ−Ｌｉ合金のペレット１３で吸着してしまう。

また、通常の真空断熱材の製造プロセスである真空包装前の芯材乾燥工程がない場合や高湿下に放置される場合において、真空断熱材内部に水蒸気が多量に存在するため、吸着剤は水分を吸着してしまうことで、本来のガス吸着能力が減少し、そのガス吸着による真空維持効果を十分に発揮できない。その結果、内部減圧状が保持されることなく真空断熱材の断熱性能は経時的に劣化していくという課題を有していた。

本発明は上記従来の問題を解決するもので、内部減圧状態を長期に渡って保持することが可能な真空維持デバイスを備えることにより経時信頼性の高い真空断熱材を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明の真空断熱材は、グラスウールからなる芯材と、前記芯材を覆う２枚の熱溶着された外被材とからなり、かつ前記外被材の内部に真空維持デバイスを備えた真空断熱材であって、前記真空維持デバイスは、フィルター部で覆われたゼオライトからなるペレットと、外包材で覆われた酸化カルシウムからなる乾燥剤とで構成され、前記フィルター部は、少なくとも最内層に熱溶着可能な樹脂フィルムを有し透気抵抗度が前記外包材における透気抵抗度よりも大きいラミネート包材からなり、前記外包材の最内層に、穴を開けて加工した低密度ポリエチレンフィルムを用いたことを特徴とするものである。

これによって、真空断熱材内部の水分がペレットのフィルター部よりも透気抵抗度の小さな外包材を通過し、乾燥剤側で水分を優先的に吸着させることでペレットでの水分吸着を防ぎ、ペレットのガス吸着性能を長期間持続が可能となることから真空維持デバイスの経時信頼性を高めることができ、真空断熱材は、前記真空維持デバイスにより内部減圧状態を長期間維持することで、経時信頼性の高い真空断熱材とすることができる。

本発明における真空維持デバイスは、ペレットの水分吸着を抑制することで、そのガス吸着性能を保持し、経時信頼性を高めることができる。

そのため、本発明の真空断熱材は、前記真空維持デバイスにより内部減圧状態を長期間維持することで、経時信頼性の高い真空断熱材とすることができる。

請求項１に記載の真空断熱材の発明は、グラスウールからなる芯材と、前記芯材を覆う２枚の熱溶着された外被材とからなり、かつ前記外被材の内部に真空維持デバイスを備えた真空断熱材であって、前記真空維持デバイスは、フィルター部で覆われたゼオライトからなるペレットと、外包材で覆われた酸化カルシウムからなる乾燥剤とで構成され、前記フィルター部は、少なくとも最内層に熱溶着可能な樹脂フィルムを有し透気抵抗度が前記外包材における透気抵抗度よりも大きいラミネート包材からなり、前記外包材の最内層に、穴を開けて加工した低密度ポリエチレンフィルムを用いたことを特徴とする。

これによって、真空断熱材内部の水分は、ペレットのフィルター部よりも透気抵抗度の小さな外包材を通過し、乾燥剤側で水分を優先的に吸着させることで、ペレットでの水分吸着を防ぎ、ペレットのガス吸着性能を長期間持続が可能となることから、真空維持デバイスの経時信頼性を高めることができる。また、フィルター部の最内層に熱溶着可能な樹脂フィルムを有するため、ペレットを簡単に封止でき、製造工程におけるペレットのガス及び水分吸着を低減させて初期の高性能ガス吸着能力を維持することができる。また、外包材の最内層に低密度ポリエチレンフィルムを用いたので、乾燥剤を挿入する工程において、乾燥剤を簡単に封止でき、また、数分間大気中に放置しても水分吸着量を抑制できることから劣化がほとんどなく、初期劣化を防止することができ、信頼性の高い真空維持デバイスとすることができる。また、フィルター部にラミネート包材を用いることにより、フィルター部の透気抵抗度をより大きくすることができるために、ペレットが吸着する水分を減少させることができ、外包材の最内層に低密度ポリエチレンフィルムを用いたので外包材を熱溶着可能であり、最内層に低密度ポリエチレンフィルムに穴を開けて加工したので、外包材の透気抵抗度を小さくできる。以上のことにより、真空断熱材は、内部減圧状態が長期に渡って保持でき、経時信頼性の高い真空断熱材とすることができる。

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。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における真空断熱材の断面図を示すものである。

図１において、真空断熱材１は、芯材２と、ペレット３と、フィルター４と、乾燥剤５と、外包材６とを、２枚の外被材７を熱溶着することにより、外被材７の中に密封したものである。

芯材２は、厚さ１４ｍｍ×幅１７５ｍｍ×長さ２２０ｍｍの無機繊維成形体としたものであり、その材料としては、非晶質構造の珪酸ガラスを主成分とする平均繊維径０．１μｍ〜１０μｍのグラスウールを厚さ１４ｍｍのボード状に成形したものである。作製した芯材２の嵩密度は、０．１ｇ／ｃｍ³〜０．３ｇ／ｃｍ³であった。

また、芯材の構成材料について特に限定するものではなく、無機繊維としてはグラスウール、セラミックファイバー、ロックウール等、無機粉末としては非晶質シリカ粉末、乾式シリカ粉末、パーライト、及びこれら粉末の混合物等があり、有機発泡体としてはウレタン連通フォーム、ポリスチレン連通フォーム等があり、公知のものを用いてもよい。

なお、グラスウールの成形にあたっては、必要に応じてバインダーを使用してもよく、バインダーを用いる場合には、芯材の表面硬度が増すために、密封後の表面性が向上する。

ペレット３に用いる材料としては、ガス吸着能力を有するものとして、活性炭、ゼオライト、ドーソナイト、ハイドロタルサイト、塩化カルシウム、塩化リチウム、酸化マグネシウムや酸化カルシウム等の金属酸化物、及び水酸化マグネシウムや水酸化カルシウム等の金属水酸化物等の化合物等が利用可能であるが、高性能ガス吸着能力を有するＢａ−Ｌｉ粉末を圧縮してペレットとしたものが好ましく、粒度が２００〜５００μｍのＢａ−Ｌｉ粉末０．２ｇを用いた。

フィルター４は、透気抵抗度を外包材６よりも大きくできるものであれば、その材質を限定するものではないが、単層フィルムであれば、熱溶着が可能であるために生産性のよいポリエチレンやポリプロピレンなどが好ましく、その厚みにより透気抵抗度を調整してやればよい。また、ラミネート包材であればフィルター部の透気抵抗度をより大きくすることができるために、ペレットが吸着する水分を減少させることができる。

乾燥剤５は、水分吸着能力を有するものであれば、特に限定はなく、酸化バリウム、酸化ストロンチウム、燐酸化物及びそれらの混合物の中から選ばれたものが使用可能であるが、コストパフォーマンスの面で汎用性の高い粒状の酸化カルシウム２０ｇを用いた。

外包材６は内面から熱溶着可能な低密度ポリエチレンフィルム、ポリエチレン繊維、和紙とし、内部の乾燥剤５に多くの水分を吸着させるために、外包材６はその透気抵抗度を小さくする方が好ましく、低密度ポリエチレンには無数の穴を開けて加工してある。

外包材を構成する材料として、最内層は生産性の面から熱溶着が可能な樹脂フィルムを用いることが好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン等が利用可能である。

また、小さな透気抵抗度を有する状態で、外包材の強度を得るためには最内層の上にはバリヤ性の低い紙や繊維の層を備えることが好ましい。また、熱溶着が可能な樹脂フィルムを単層で用いてもよ、より小さな透気抵抗度となるために乾燥剤での水分吸着を加速できる。

外被材７は、幅２２５ｍｍ×長さ３７０ｍｍのフィルムを２枚用い、その端面を幅１０ｍｍで四方シールにより密封した。真空断熱材用の外被材の材料構成としては、最外層は衝撃からの保護や剛性を付与するものであり、中問層はガスバリヤ性を確保するものであり、最内層は熱融着層としてフィルムの熱融着によって密封（ヒートシール）する機能を有するものであるが、外被材７のラミネート構成は内面から順に、熱溶着層として厚さ５０μｍの直鎖状低密度ポリエチレンフィルム、ガスバリヤ層として厚さ６μｍのアルミニウム箔、保護層として厚さ２５μのナイロンフィルム、厚さ１５μのナイロンフィルムとしたラミネート構成の外被材を用いた。

なお、外被材７の熱融着層として使用できるフィルムは、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖状低密度ポリエチレン、及びポリプロピレン等があるが、ヒートシール性、ガスバリヤ性、耐ケミカルアタック性、及びコストなどの観点から、総合的には高密度ポリエチレンが好ましいが、減圧封止工程における封止品質の安定性やシール強度を重視する場合には、直鎖状低密度ポリエチレンを用いるのがより望ましい。

また、真空断熱材の使用環境温度が６０℃〜１００℃前後と比較的高温の場合には、ポリプロピレンを用いるのがより望ましい。また、熱融着層の厚さは、減圧封止工程における封止品質の安定性や、熱融着部端面からのガス侵入の抑制を考慮すると、いずれの材料においても２５μｍ〜６０μｍが適している。

なお、金属蒸着を施したフィルムをガスバリヤ層に用いてもよく、このことによりフィルムを伝わる熱を減少させて初期性能を向上させることができる。なお、保護層には突き刺し強度、摩擦強度が強い特性をもつ材料としてポリエチレンテレフタレートや、紙などを選ぶかまたは組み合わせることも可能である。

また、真空断熱材１の製造方法としては、前記のように非晶質構造の珪酸ガラスを主成分とする平均繊維径０．１μｍ〜１０μｍのグラスウールを、嵩密度が０．１９／ｃｍ³〜０．３ｇ／ｃｍ³になるように厚さ約１４ｍｍのボード状に加熱圧縮成形したものを幅１７５ｍｍ×長さ２２０ｍｍ×厚み１４ｍｍの芯材２とする。

次に芯材２を乾燥することなしに三方についてシールを施してある外被材７中に挿入し、芯材２と外被材３の問を１０パスカル以下まで減圧したところで、外被材７の長さ方向に対向する開口部を熱融着により密封して真空断熱材１を得た。

以上のように構成された真空断熱材１について、以下その動作、作用を説明する。

このようにして作製した真空断熱材において、適用した真空維持デバイスの外包材６の透気抵抗度を２５℃で約１５０ｓｅｃ／１００ｃｃとし、フィルター部の透気抵抗度を１５０ｓｅｃ／１００ｃｃ〜６．８×１０⁶ｓｅｃ／１００ｃｃ（大気透過度で１９３２ｃｃ／ｍ²・ｄａｙ・ａｔｍ）として熱伝導率の比較を行った。

なお、透気抵抗度については、ガーレー試験機法（ＪＩＳＰ８１１７）に基づいて測定し、値の大きくなる樹脂フィルム等は大気透過度の値から透気抵抗度に換算している。また、真空断熱材製造後には５０℃、９０％ＲＨの高温・高湿炉に３０日間放置し、その後熱伝導率を測定してその性能評価を行った。なお、熱伝導率についてはヒートセンサーを用いて平均温度２４℃で測定を行った。

評価に用いたフィルター部の透気抵抗度と試験結果を（表１）に示す。なお、初期熱伝導率が０．００２２Ｗ／ｍＫであるものを試験に用いている。

まず、フィルター部の透気抵抗度が前記の範囲において、初期熱伝導率はどれも０．００２２Ｗ／ｍＫであった。この真空断熱材を加速試験として、５０℃、湿度９０％で３０日間放置後の熱伝導率は、フィルター部の透気抵抗度を１５０ｓｅｃ／１００ｃｃとしたとき（外包材と同等）０．０３１Ｗ／ｍＫで、フィルター部の透気抵抗度を増加させるにつれて３０日放置後の熱伝導率は低く、高性能を維持できていることがわかる。

また、あまりに透気抵抗度が大きいと、ペレットの部分までガスが到達しなくなり、逆に性能を維持できなくなる。そのため、フィルター部の透気抵抗度は２５０ｓｅｃ／１００ｃｃ〜１．０×１０¹²ｓｅｃ／１００ｃｃの範囲が好ましい。更に好ましくは１０００ｓｅｃ／１００ｃｃ〜１．０×１０¹²ｓｅｃ／１００ｃｃの範囲である。

（実施の形態２）
図２は、本発明における実施の形態２の真空断熱材の断面図である。

図２において、実施の形態１におけるフィルター部４を粉末水分吸着剤８、外包材６をラミネート包材９として外被材７の中に密封したものであり、他構成要素については実施の形態１と同様である。

粉末水分吸着剤８は、材料として乾燥剤５と同様のものが使用可能であるが、実施の形態１で乾燥剤５に用いた酸化カルシウムを粒度が５００μｍ程度の粉末状にした後、ペレットの周りを覆った。

実施の形態１と同様に評価を行ったところ、３０日放置後の真空断熱材の熱伝導率は、フィルター部である粉末水分吸着剤の透気抵抗度が１５０ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．０２６Ｗ／ｍＫ、１０００ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．００５２Ｗ／ｍＫ、であった。

このことから実施の形態１の場合と同様に、粉末水分吸着剤の透気抵抗度を外包材の透気抵抗度よりも大きくしていけば真空断熱材の性能を保持できることがわかる。また、フィルター自体が水分吸着剤であることから、実施の形態１の場合よりも断熱性能を維持できている。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の真空断熱材の断面図である。

図３において、実施の形態１におけるフィルター部４とペレット３との間に粉末水分吸着剤８を介しており、他構成については実施の形態１と同様である。

実施の形態１と同様に評価を行ったところ、３０日放置後の真空断熱材の熱伝導率は、フィルター部の透気抵抗度が１５０ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．０１３Ｗ／ｍＫ、１０００ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．００３９Ｗ／ｍＫ、３０００ｓｅｃ／１００ｃｃ以上で０．００２２Ｗ／ｍＫを維持していた。このことから、実施の形態１と比較してわかるように、フィルター部を通過した水分を内部の粉末水分吸着剤が吸着することで高い断熱性能が維持できていることがわかる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４の真空断熱材の断面図である。

図４において、実施の形態２または実施の形態３における粉末水分吸着剤８とペレット３との間にバリヤ層９を介しており、他構成については実施の形態１と同様である。

実施の形態１と同様に評価を行ったところ、３０日放置後の真空断熱材の熱伝導率は、フィルター部の透気抵抗度が１５０ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．００３７Ｗ／ｍＫ、１０００ｓｅｃ／１００ｃｃ以上のときは０．００２２Ｗ／ｍＫを維持していた。このことから、実施の形態３と比較してわかるように、フィルター部を通過した水分をフィルター部とバリヤ層とで一時的に閉じ込めることで、内部の粉末水分吸着剤がより水分を吸着し、より高い断熱性能が維持できていることがわかる。

なお、ここでのバリヤ層としては、それぞれについてフィルター部と同じものを用いたが、バリヤ層の透気抵抗度を高くすることで、粉末水分吸着剤中でより完全に水分を除去することも可能である。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５の真空断熱材の断面図である。

図５において、芯材２と外包材６を有する乾燥剤５を低密度ポリエチレンからなる内袋を熱溶着することによって封止した後、真空断熱材１とした。他の構成要素については実施の形態２と同様である。

実施の形態１と同様に評価を行ったところ、３０日放置後の真空断熱材の熱伝導率は、フィルター部の透気抵抗度が１５０ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．０１２Ｗ／ｍＫ、１０００ｓｅｃ／１００ｃｃのときは０．００３０Ｗ／ｍＫ、３０００ｓｅｃ／１００ｃｃ以上で０．００２２Ｗ／ｍＫを維持していた。

このことから、実施の形態２と比較してわかるように、内袋にフィルター部としての機能を持たせたことにより、水分を内袋内部の粉末水分吸着剤が吸着することで、明らかに高い断熱性能が維持できている。

以上のように、本発明にかかる真空断熱材は、高断熱性能を長期問保持することが可能となるので、冷凍冷蔵庫、クーラーボックス、自動販売機、炊飯器、電子レンジ、トイレ、パソコン、自動車、建材等の幅広い用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における真空維持デバイスの断面図本発明の実施の形態２における真空断熱材の断面図本発明の実施の形態３における真空断熱材の断面図本発明の実施の形態４における真空断熱材の断面図本発明の実施の形態５における真空断熱材の断面図従来の真空維持デバイスの断面図

符号の説明

１真空断熱材
２芯材
３ペレット
４フィルター部
５乾燥剤
６外包材
７外被材
８水分吸着剤
９バリヤ層
１０内袋

Claims

グラスウールからなる芯材と、前記芯材を覆う２枚の熱溶着された外被材とからなり、かつ前記外被材の内部に真空維持デバイスを備えた真空断熱材であって、前記真空維持デバイスは、フィルター部で覆われたゼオライトからなるペレットと、外包材で覆われた酸化カルシウムからなる乾燥剤とで構成され、前記フィルター部は、少なくとも最内層に熱溶着可能な樹脂フィルムを有し透気抵抗度が前記外包材における透気抵抗度よりも大きいラミネート包材からなり、前記外包材の最内層に、穴を開けて加工した低密度ポリエチレンフィルムを用いた真空断熱材。