JP4790499B2

JP4790499B2 - 真空構造体

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Publication number: JP4790499B2
Application number: JP2006158661A
Authority: JP
Inventors: 隆東野; 武男神野
Original assignee: Zojirushi Corp
Current assignee: Zojirushi Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2026-06-07
Also published as: JP2007327549A

Description

本発明は、真空断熱パネル、魔法瓶、真空二重管、真空二重ジャケット、真空容器等の真空構造体の製造方法およびその真空構造体に関するものである。

本発明の真空構造体に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。

特許第３０４５５４３号公報

この特許文献には、薄型で断熱性能が高い真空構造体である断熱パネルが記載されている。この断熱パネルは、金属からなる一対のパネルの間に所定間隔の真空空間を形成し、その真空空間を複数の球状スペーサで保持する構成としている。また、この特許文献には、星形状の貫通孔を設けた金属フォイルを設け、前記貫通孔に球状スペーサを位置決めする構成や、真空空間の側から外向きに湾曲する凸条を設け、その凸条溝内に球状スペーサを位置決めする構成が記載されている。

なお、断熱を目的とした真空構造体は、その断熱性能の偏りを防止するために一対の金属パネル間の隙間を全域にかけて均一にする必要があるうえ、金属パネルは可能な限り薄肉とする必要がある。

しかしながら、特許文献の第１例の場合には、球状スペーサの配設位置を規制できないため、真空排気後には、球状スペーサが位置していない領域が極端に変形し、厚さが不均一になることにより、断熱性能にも偏りが生じるという問題がある。

この問題は、他の例に記載されているように、貫通孔を有する位置決め部材や溝に球状スペーサを配設することにより解消できる。しかし、貫通孔により位置決めする場合には、その貫通孔の縁に対して球状スペーサが線状または複数の点で接触しているため、第２の金属パネルから球状スペーサおよび金属フォイルを介して第１の金属パネルに伝熱する。また、外向きに湾曲させた凸条の内側の溝により位置決めする場合には、球状スペーサと各金属パネルとの接触面積が増大するため、伝熱可能な面積が増大する。因みに、真空空間を真空排気した場合には、薄肉の金属パネルが変形するため、接触面積は一層増大する。その結果、いずれにしても断熱性能は低下するという問題がある。

本発明は、従来の問題に鑑みてなされたもので、断熱性能の偏りおよび低下を確実に防止できる真空構造体を提供することを課題とするものである。

前記課題を解決するため、第１発明の真空構造体は、第１金属部材と、該第１金属部材と所定間隔をもって位置する第２金属部材とを備え、これらの間に真空空間を形成した真空構造体において、前記真空空間に、第１金属部材と第２金属部材との対向面に接触する直径（Ｄ１）の球状スペーサを配設するとともに、前記第１金属部材に前記球状スペーサを位置決めするための位置決め部材を配設し、前記位置決め部材は、前記第２金属部材の側に位置して前記球状スペーサを突出させる開口部を備え、前記開口部の直径（ｄ１）は、前記球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、該開口部と一致する前記球状スペーサの部位の断面直径（Ｄ２）より大きくしており、かつ、前記第１および第２金属部材の少なくとも一方において、前記球状スペーサの接触部位に補強部を設け、この補強部の縁を前記位置決め部材の位置決め部とする構成としている。

本発明の真空構造体では、球状スペーサを位置決め部材で位置決めするため、真空空間の内部において球状スペーサを予め設定した分布で均一に配設することができる。その結果、金属構造体の厚さが不均一になることを防止できるとともに、それに伴う断熱性能の低下を防止できる。

また、位置決め部材は、直径（ｄ１）が球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、対応する部位の断面直径（Ｄ２）より大きい開口部を有するため、この開口部に対して球状スペーサは非接触または一点でのみ接触することになる。そのため、球状スペーサおよび位置決め部材を介した伝熱を抑制でき、断熱性能の低下を抑制できる。

さらに、前記球状スペーサの接触部位に補強部を設けることにより、金属部材の変形による球状スペーサとの接触面積の増大を防止できるようにしているため、更に断熱性能の低下を防止できる。しかも、前記補強部の縁を前記位置決め部材の位置決め部としているため、製造時の作業性を向上できる。

具体的には、前記補強部は、補強板からなることが好ましい。このようにすれば、金属部材の生産性の向上を図ることができる。

または、前記補強部は、前記真空空間内に向けて窪む凹部からなることが好ましい。このようにすれば、部品点数の削減を図ることができる。

この場合、前記凹部の底面は、平坦面または該凹部の開口部の側を中心点とした湾曲面であることが好ましい。このようにすれば、球状スペーサとの点接触を確実に維持できるうえ、変形による接触面積の増大を確実に防止できる。

また、第２発明の真空構造体は、第１金属部材と、該第１金属部材と所定間隔をもって位置する第２金属部材とを備え、これらの間に真空空間を形成した真空構造体において、前記真空空間に、第１金属部材と第２金属部材との対向面に接触する直径（Ｄ１）の球状スペーサを配設するとともに、前記第１金属部材に前記球状スペーサを位置決めするための位置決め部材を配設し、前記位置決め部材は、前記第２金属部材の側に位置して前記球状スペーサを突出させる開口部を備え、前記開口部の直径（ｄ１）は、前記球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、該開口部と一致する前記球状スペーサの部位の断面直径（Ｄ２）より大きくしており、かつ、前記第１および第２金属部材の少なくとも一方において、前記球状スペーサの接触部位に、前記真空空間内に向けて窪む凹部からなる補強部を設け、前記凹部の底面を、平坦面または該凹部の開口部の側を中心点とした湾曲面で構成している。

本発明の真空構造体では、球状スペーサを位置決め部材で位置決めするため、真空空間の内部に球状スペーサを均一に配設でき、厚さが不均一になる問題および断熱性能低下の問題を防止できる。また、位置決め部材は、直径（ｄ１）が球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、対応する部位の断面直径（Ｄ２）より大きい開口部を有するため、球状スペーサおよび位置決め部材を介した伝熱を抑制でき、断熱性能の低下を抑制できる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１（Ａ），（Ｂ）および図２は、本発明に係る実施形態の前提となる第１参考例の真空構造体である真空断熱パネルを示す。この真空断熱パネルは、一対の金属部材である金属パネル１０，１４と、これら金属パネル１０，１４の内部の真空空間１８に配設した複数の球状スペーサ１９と、球状スペーサ１９を位置決めするための位置決め部材２０とを備えている。また、金属パネル１０，１４の所定位置には、真空排気後の真空空間１８で発生したガス等を吸収し、所望の真空度を維持するためのゲッター（図示せず）が配設されている。

具体的には、真空断熱パネルの外装体を構成する第１金属パネル１０および第２金属パネル１４は、それぞれ薄肉のステンレス（ＳＵＳ３０４）により構成されている。第１金属パネル１０は、球状スペーサ１９が接触する第１基面部１１と、該第１基面部１１の外周縁から屈曲された第１外面部１２と、該第１外面部１２の端縁からフランジ状をなすように外向きに屈曲された第１接合縁部１３とを備えている。また、第２金属パネル１４は、第１金属パネル１０に対して対称に配設される同一形状のもので、第２基面部１５と、第２外面部１６と、第２接合縁部１７とを備えている。これら金属パネル１０，１４は、互いの接合縁部１３，１７が重畳するように突き合わされ、シーム溶接等の圧着接合またはＴＩＧ溶接等の突き合わせ溶接、ＭＩＧブレージング等によって接合されている。これにより、各金属パネル１０，１４の基面部１１，１５は、互いに所定間隔をもって位置し、その空間が真空排気後には真空空間１８を構成する。なお、金属パネル１０，１４はステンレスに限られず、鉄やチタンなどであってもよく、必要とされる耐熱温度に応じて変更が可能である。しかも、第１金属パネル１０と第２金属パネル１４とで異なる金属材料のものを使用してもよい。

前記球状スペーサ１９は、熱伝導度が低い硬質なセラミックの一種であるジルコニア（Ｚｒｏ_２）を、球状としたものである。この球状スペーサ１９の直径Ｄ１は、金属パネル１０，１４を接合した状態で、基面部１１，１５の対向面間の隙間と同一に形成されている。なお、球状スペーサ１９はセラミックボールに限られず、ガラスボールや耐熱性樹脂ボールであってもよく、熱伝導度が低い硬質なものであればいずれでもよい。

前記位置決め部材２０は、第１金属パネル１０の第１基面部１１に対して各球状スペーサ１９を個別に位置決め保持するためのもので、金属パネル１０，１４と同様のステンレス（ＳＵＳ３０４）により構成されている。具体的には、位置決め部材２０は、円環状をなす基部２１と、該基部２１の内周縁から上向きに突出する円錐筒部２２とからなる。この位置決め部材２０の全高は、基面部１１，１５の対向面間の隙間、即ち、球状スペーサ１９の直径Ｄ１の半分の寸法より高く形成されている。また、この円錐筒部２２の上端開口は、球状スペーサ１９を突出させる開口部２３を構成する。そして、この開口部２３の直径ｄ１は、球状スペーサ１９の直径Ｄ１より小さく、基部２１の内径ｄ２は、球状スペーサ１９の直径Ｄ１より大きく形成されている。しかも、開口部２３の直径ｄ１は、球状スペーサ１９において、該開口部２３の高さと一致する部位の断面直径Ｄ２、即ち、球状スペーサ１９を載置した状態で、その載置面から高さが開口部２３の高さと同一の位置で水平方向に切断した断面（図１（Ｂ）中一点鎖線参照）の直径Ｄ２より、大きく形成されている。なお、この位置決め部材２０はステンレス（金属）に限られず、耐熱性樹脂により形成してもよい。

この第１参考例では、金属パネル１０，１４は、共に０．５ｍｍの薄肉のものを使用している。これに対して、位置決め部材２０は、肉厚が０．２ｍｍの更に薄肉のものを使用している。

次に、前記真空断熱パネルの製造方法について説明する。

まず、接合前の第２金属パネル１４には、図２に示すように、断面凸形状に突出する排気部２４が形成され、この排気部２４に排気孔２５が形成されている。なお、この排気孔２５は、第２金属パネル１４に開口を形成するだけでもよいし、チップ管を接合してもよい。また、第１金属パネル１０には、前記排気部２４の下面を閉塞する突片２６が設けられている。

そして、まず、第１金属パネル１０の第１基面部１１の内面に対して、複数の球状スペーサ１９を均一な分布で配置した後、その上から位置決め部材２０を被せるように配設する。そして、各位置決め部材２０の基部２１を第１基面部１１に対してスポット溶接などにより接合する。この状態では、球状スペーサ１９と位置決め部材２０の開口部２３との関係（Ｄ１＞ｄ１＞Ｄ２）により、球状スペーサ１９が位置決め部材２０から脱落することなく、確実に保持状態が維持される。

ついで、第１金属パネル１０または第２金属パネル１４にゲッターを配設した状態で、互いの接合縁部１３，１７を重ね合わせて接合する。その後、第２金属パネル１４の排気孔２５に排気装置の排気管をシール部材を介して押し付け、予め規定した真空度になるように真空排気する。

真空排気により規定の真空度に達すると、その真空度を維持した状態でリークテスト装置により外装体の内部空間にリークが存在するか否かをテストし、リークが無いことが確認されると、前記排気部２４の基部（付け根の部分）をシーム溶接により接合するとともに、他の外周縁と面一になる位置で切断する。

なお、ゲッターは、前記排気工程で、所定の高温雰囲気下で加熱されることにより活性化される。または、前記排気工程は、活性化しない温度または常温の雰囲気下で行われ、排気孔の封止が完了した後、複数の真空断熱パネルを纏めて加熱炉内に配置し、高温で加熱することにより活性化される。

このように製造された真空断熱パネルは、第１基面部１１と第２基面部１５との間に、球状スペーサの直径Ｄ１と同一幅の真空空間１８が形成される。そして、第１基面部１１と第２基面部１５との対向面（内側面）には、球状スペーサ１９がそれぞれ接触し、その間隔が維持されている。また、球状スペーサ１９は、第１金属パネル１０に接合した位置決め部材２０により移動不可能に位置決めされている。

このように、第１参考例の真空断熱パネルは、球状スペーサ１９を位置決め部材２０で位置決めするため、真空空間１８の内部において球状スペーサ１９を予め設定した分布で均一に配設することができる。その結果、金属構造体の厚さが不均一になることを防止できるとともに、それに伴う断熱性能の低下を防止できる。

また、位置決め部材２０は、直径ｄ１が球状スペーサ１９の直径Ｄ１より小さく、対応する部位の断面直径Ｄ２より大きい開口部２３を有する。そのため、この開口部２３に対して球状スペーサ１９は、非接触または一点でのみ接触することになる。その結果、球状スペーサ１９および位置決め部材２０を介した伝熱を抑制でき、断熱性能の低下を抑制できる。

図３（Ａ）は本発明の第１実施形態の真空断熱パネルを示す。本実施形態では、金属パネル１０，１４の基面部１１，１５において、球状スペーサ１９が接触する部位に補強板２７を接合することにより補強部を設けた点で、第１参考例と大きく相違している。

前記補強板２７は、金属パネル１０，１４と同様のステンレス（ＳＵＳ３０４）により構成されたものである。本実施形態では、この補強板２７を位置決め部材２０の基部２１の直径ｄ２より僅かに小さい円板により構成し、この補強板２７の外周縁を位置決め部材２０の位置決め部として構成している。なお、本実施形態では、第１参考例と同一寸法の金属パネル１０，１４および位置決め部材２０に対して、肉厚が０．５〜１．０ｍｍの補強板２７をスポット溶接などにより接合している。そして、球状スペーサ１９の直径Ｄ１は、第１金属パネル１０と第２金属パネル１４の対向面である前記補強板２７，２７の間の寸法と同一直径としている。

この第１実施形態では、真空排気により薄肉の金属パネル１０，１４の基面部１１，１５が変形しても、補強板２７による補強部位は変形を防止できる。その結果、薄肉の金属パネル１０，１４が変形することにより球状スペーサ１９との接触面積が増大することを防止でき、断熱性能の低下を更に防止できる。

また、金属板からなる補強部は、スポット溶接により簡単に接合できるため、生産性の向上を図ることができる。しかも、本実施形態では、第１金属パネル１０に接合した補強板２７を、位置決め部材２０を配置する際の位置決め部として使用できるように構成しているため、生産性の向上を図ることができる。

図３（Ｂ）は第２実施形態の真空断熱パネルを示す。この第２実施形態では、第１実施形態の補強板２７の代わりに、金属パネル１０，１４に対して一体的に補強部を設けた点でのみ、第１実施形態と相違している。

具体的には、金属パネル１０，１４には、それぞれ真空空間１８内に向けて窪む凹部２８が設けられ、この凹部２８により補強板２７と同様の補強部を構成している。この凹部２８は、位置決め部材２０の基部２１の直径ｄ２より僅かに小さい直径の円形状窪みからなり、その内側に突出した縁が位置決め部材２０の位置決め部として利用できるように構成している。

この第２実施形態では、広い平坦面である基面部１１，１５と比較して狭い平坦面の凹部２８の底は変形量が少ない。しかも、屈曲された部分は耐圧強度が向上されている。そのため、第１実施形態と同様に、薄肉の金属パネル１０，１４が変形することによる球状スペーサ１９との接触面積が増大を防止できる。また、補強板２７などの別部材は不要であるため、部品点数の削減を図ることができる。しかも、位置決め部材２０の位置決め部として使用できるため、生産性の向上を図ることができる。

図３（Ｃ）は第３実施形態の真空断熱パネルを示す。この第３実施形態では、凹部２８の底面２９を内向きに湾曲する湾曲面により構成した点でのみ、第２実施形態と相違している。

具体的には、第３実施形態の補強部である凹部２８の底面２９は、該凹部２８の開口部２８ａの側を中心として所定の半径Ｒで湾曲する曲面により構成されている。このように構成した第３実施形態では、球状スペーサ１９との点接触を確実に維持できるため、断熱性能の低下を確実に防止できる。なお、この構成は、位置決め部材２０を採用しない状態での実施は不可能である。

図４は第２参考例の真空断熱パネルを示す。この第２参考例では、位置決め部材２０の円錐筒部２２を３本の傾斜片３０により構成した点でのみ、前記第１参考例と相違している。具体的には、この位置決め部材２０は、円環状の基部２１の内周縁より等間隔で突出され、垂直上方からみたこれらの先端を結ぶ軌跡からなる仮想円形が、第１参考例と同様の開口部２３を構成する。そして、この開口部２３の直径ｄ１が、第１参考例と同様に、球状スペーサ１９の直径Ｄ１，Ｄ２に対して同一の関係（Ｄ１＞ｄ１＞Ｄ２）となるように構成している。

このように構成した第２参考例では、第１参考例と同様の作用および効果を得ることができるうえ、位置決め部材２０の軽量化に伴って、真空断熱パネル全体の軽量化を図ることができる。なお、傾斜辺３０は４以上設けてもよい。

図５は第３参考例の真空断熱パネルを示す。この第３参考例では、真空空間１８内に配設する球状スペーサ１９の全てを１つの位置決め部材３１により位置決め保持する構成とした点で、第１参考例と相違している。

具体的には、第３参考例の位置決め部材３１は、基面部１１，１５より若干小さい略矩形環状からなる基部３２を備え、この基部３２の内周縁から外周部３３が屈曲により設けられるとともに、その外周部３３を覆うように上面部３４が設けられている。なお、基部３２から上面部３４までの全高は、第１参考例の位置決め部材２０と同一である。

そして、前記上面部３４には、球状スペーサ１９を配設する部位に、開口部３５が設けられている。この開口部３５は円形状をなし、第１参考例と同様に、その直径ｄ１は、球状スペーサ１９の直径Ｄ１より小さく、しかも、球状スペーサ１９において、該開口部３５の高さと一致する部位の断面直径Ｄ２より大きく形成されている。

この第３参考例では、真空空間１８に配設する数の球状スペーサ１９を配置するとともに、１つの位置決め部材３１を配置する。そして、各開口部３５に球状スペーサ１９を位置させて、基部３２を第１金属パネル１０の第１基面部１１に接触させて接合する。なお、以下の製造工程は第１参考例と同様である。

そして、このように製造される真空断熱パネルでは、第１参考例と同様の作用および効果を得ることができるうえ、球状スペーサ１９を位置決めするために、複数の位置決め部材２０を接合するのではなく、１つの位置決め部材３１を接合すればよいため、部品点数の削減および生産性の向上を図ることができる。

なお、本発明の真空構造体は、前記実施形態の構成に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、第２参考例のように傾斜片３０を備えた位置決め部材２０、または、第３参考例のように複数の球状スペーサ１９を位置決めする位置決め部材３１を用いる構成と、第１実施形態から第３実施形態のように補強部（補強板２７、凹部２８）を設ける構成と組み合わせることも可能である。

また、前記実施形態では、真空断熱パネルの形状を平面視矩形状に形成したが、三角形状や五角形以上の多角形状でもよいうえ、円形状としてもよく、希望に応じて変更が可能である。

さらに、前記実施形態では、真空構造体として断熱パネルを適用したが、魔法瓶、真空二重管、真空二重ジャケット、真空容器等の真空構造体にも適用可能であり、同様の作用および効果を得ることができる。

（Ａ）は本発明の実施形態の前提となる第１参考例の真空構造体である真空断熱パネルを示す断面図、（Ｂ）は（Ａ）の要部拡大図である。接合前の状態を示す分解斜視図である。（Ａ）は第１実施形態を示す断面図、（Ｂ）は第２実施形態を示す断面図、（Ｃ）は第３実施形態を示す断面図である。第２参考例を示す分解斜視図である。第３参考例を示す分解斜視図である。

符号の説明

１０…第１金属パネル（第１金属部材）
１４…第２金属パネル（第２金属部材）
１８…真空空間
１９…球状スペーサ
２０，３１…位置決め部材
２３，３５…開口部
２７…補強板（補強部）
２８…凹部（補強部）

Claims

第１金属部材と、該第１金属部材と所定間隔をもって位置する第２金属部材とを備え、これらの間に真空空間を形成した真空構造体において、
前記真空空間に、第１金属部材と第２金属部材との対向面に接触する直径（Ｄ１）の球状スペーサを配設するとともに、前記第１金属部材に前記球状スペーサを位置決めするための位置決め部材を配設し、
前記位置決め部材は、前記第２金属部材の側に位置して前記球状スペーサを突出させる開口部を備え、
前記開口部の直径（ｄ１）は、前記球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、該開口部と一致する前記球状スペーサの部位の断面直径（Ｄ２）より大きくしており、かつ、
前記第１および第２金属部材の少なくとも一方において、前記球状スペーサの接触部位に補強部を設け、この補強部の縁を前記位置決め部材の位置決め部としていることを特徴とする真空構造体。
前記補強部は、補強板からなることを特徴とする請求項１に記載の真空構造体。
前記補強部は、前記真空空間内に向けて窪む凹部からなることを特徴とする請求項１に記載の真空構造体。
前記凹部の底面は、平坦面または該凹部の開口部の側を中心点とした湾曲面であることを特徴とする請求項３に記載の真空構造体。
第１金属部材と、該第１金属部材と所定間隔をもって位置する第２金属部材とを備え、これらの間に真空空間を形成した真空構造体において、
前記真空空間に、第１金属部材と第２金属部材との対向面に接触する直径（Ｄ１）の球状スペーサを配設するとともに、前記第１金属部材に前記球状スペーサを位置決めするための位置決め部材を配設し、
前記位置決め部材は、前記第２金属部材の側に位置して前記球状スペーサを突出させる開口部を備え、
前記開口部の直径（ｄ１）は、前記球状スペーサの直径（Ｄ１）より小さく、該開口部と一致する前記球状スペーサの部位の断面直径（Ｄ２）より大きくしており、かつ、
前記第１および第２金属部材の少なくとも一方において、前記球状スペーサの接触部位に、前記真空空間内に向けて窪む凹部からなる補強部を設け、前記凹部の底面を、平坦面または該凹部の開口部の側を中心点とした湾曲面で構成していることを特徴とする真空構造体。