JP5465192B2

JP5465192B2 - 断熱体及びヒータ

Info

Publication number: JP5465192B2
Application number: JP2011006042A
Authority: JP
Inventors: 勇美阿部; 修森川
Original assignee: Nichias Corp
Current assignee: Nichias Corp
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012145204A

Description

本発明は、断熱材としてエアロゲル等のナノ粒子を用いた断熱体に関し、その発塵を防止する技術に関する。また、前記断熱体と発熱体とを備えるヒータに関する。

従来より、断熱性能の高さから断熱材としてシリカ等のエアロゲルが用いられている。このエアロゲルは、単独で、あるいは繊維基材に充填または担持されて用いられるが、断熱性能を維持するためにバインダーを用いることなく成形される。そのため、エアロゲルが微細粒子となって脱離しやすく、無機繊維等の耐熱性繊維からなる織布で包囲して使用するのが一般的である。

本出願人も先に、更なる発塵防止を目的として、エアロゲルを充填した繊維基材からなる断熱材を、無機繊維の織布からなる外装体で包囲し、更に外装体を無機繊維の不織布で包囲した断熱体を提案している（特許文献１参照）。

特開２００９−２７５８５７号公報

上記のようなエアロゲルを含む断熱材を無機繊維の織布からなる外装体で包囲する際、外装体端縁の重ね合わせ部分を通じてエアロゲルが外部に飛散しないように前記重ね合わせ部分を密封する必要がある。従来では、重ね合わせ部分の周囲に接着剤を塗布して密封したり、重ね合わせ部分を縫製して密封している。しかし、接着剤を塗布した場合には、接着剤を塗布し硬化させるための工程が必要で、更には塗布部分が硬くなるため曲面や管体の断熱施工に適さないことが多い。また、縫製する場合は、織布同士を重ね合わせた隙間や、糸と糸の隙間を通じてエアロゲルが飛散する。

そこで本発明は、エアロゲル等のナノ粒子を含む断熱材を無機繊維の織布からなる外装体で包囲し、開口端縁を縫製した構成の断熱体において、外装体端縁の重ね合わせ部分から等のナノ粒子の飛散を防止することを目的とする。

上記の目的を達成するためには本発明は、ナノ粒子を含む断熱材を、耐熱性を有する外装体で包囲するとともに、外装体端縁の重ね合わせ部分にのみ、繊維径５μｍ以下の耐熱性繊維からなるシート状物を挟み込み、当該シート状物を挟んだ状態で前記重ね合わせ部分を縫製したことを特徴とする断熱体を提供する。

また、本発明は、上記断熱体の優れた断熱性能を利用して、該断熱体と、発熱体とを備えることを特徴とするヒータを提供する。

本発明の断熱体は、断熱性能に優れることからナノ粒子を含む断熱材を利用するとともに、断熱材を包囲する外装体の開口端縁を、微細な耐熱性繊維からなるシート状物を挟んだ状態で縫製したため、シート状物によりナノ粒子が外部に飛散するのを防止する。また、縫製であるため、接着剤を塗布した場合のように断熱体の周縁が硬化することもなく、曲面や管体の断熱施工にも容易に対応できる。そのため、例えば、半導体製造装置のようなクリーン環境が要求される配管の断熱施工に好適である。

また、本発明のヒータは上記断熱体と発熱体とを備えており、断熱体による優れた断熱性能により加熱状態を良好に維持でき、ナノ粒子の飛散もない。そのため、例えば、クリーン環境での配管の加熱に適している。

本発明の断熱体の一例を示す断面図である。本発明のヒータの一例（テープヒータ）を示す断面図である。本発明のヒータの他の例（マントルヒータ）を示す全体斜視図である。マントルヒータの断面図である。本発明のヒータの更に他の例を示す断面図である。実施例の発塵試験の試験方法を説明するための模式図である。実施例の結果を示すグラフである。

以下、本発明に関して図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の断熱体１の断面を示す模式図である。断熱体１０は、ナノ粒子を単体で、または無機繊維を混合した混合物を圧縮して成形したもの（圧縮成形体）、ゾルを繊維基材に含浸したのちゲル化させ、溶媒を超臨界乾燥させたもの（ナノ粒子繊維体）、圧縮成形体や、ゾルをゲル化させて得たナノ粒子を含む塊を破砕して顆粒状にしたものの集合体（ナノ粒子顆粒の集合体）が挙げられる。

ナノ粒子としては、例えば、その一次粒子の平均直径が１〜１００ｎｍの範囲のものを用いることができる。ナノ粒子の一次粒子の平均直径は、好ましくは１〜５０ｎｍであり、より好ましくは１〜２５ｎｍであり、さらに好ましくは１〜１５ｎｍであり、特に好ましくは１〜１０ｎｍである。尚、この平均直径は、ナノ粒子の真密度（ｇ／ｍ^３）をａ、エアロゲルの比表面積（ｍ^２／ｇ）をＳとした場合に、式「Ｄ＝６／（ａ×Ｓ）」で算出される換算粒子直径Ｄ（ｍ）である。例えば、シリカの真密度は２．２×１０³ｋｇ／m³であるため、比表面積が３００ｍ^２／ｇであるシリカエアロゲルの平均直径（換算粒子径）は約９ｎｍと算出される。

また、ナノ粒子の種類は、無機材料からなるナノ粒子（無機ナノ粒子）又は有機材料からなるナノ粒子（有機ナノ粒子）を用いることができ、耐熱性に優れることから無機ナノ粒子を好ましく用いることができる。無機ナノ粒子としては、例えば、金属アルコキシドを出発原料とし、アルコール中に分散させたゾルをゲル化させ、その後溶媒を超臨界乾燥などの処理で得られたシリカエアロゲルやアルミナエアロゲル、酸化チタン等の金属酸化物エアロゲル、あるいは気相法により製造される乾式シリカ（いわゆるフュームドシリカ）、又は液相法により製造される湿式シリカが挙げられる。

圧縮成形体に含まれるナノ粒子はフュームドシリカが適しており、単体でも、繊維材料をさらに含有してもよい。圧縮成形体は、繊維材料を含有することにより、屈曲等の変形時にも亀裂の形成等による断熱性の低下を伴わない、優れた可撓性を有することができる。また、高温での熱伝導率を抑制するために、必要に応じて輻射散乱材を含有してもよい。

こうした繊維材料としては、耐熱性に優れた無機材料からなる無機繊維（補強繊維）を好ましく用いることができる。補強繊維としては、例えば、ガラス繊維や、シリカ繊維、アルミナ繊維等のセラミックス繊維を用いることができる。こうした補強繊維の長さは、例えば１〜２０ｍｍとすることができ、３〜６ｍｍとすることもできる。

また輻射散乱材としては、高温での輻射率の高い炭化珪素粒子や酸化チタン粒子、酸化亜鉛粒子、酸化アルミニウム粒子、酸化ジルコニウム粒子からなる群より選択される１種又は２種以上を好ましく用いることができる。こうした輻射散乱材の大きさは、例えば平均粒子径が０．５〜１０μｍとすることができ、１〜５μｍとすることもできる。

圧縮成形体の優れた断熱性を活かすため、圧縮成形体はナノ粒子を主成分として含むことが好ましい。すなわち、圧縮成形体に含まれるナノ粒子の量は、例えば７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることが好ましい。また、圧縮成形体の嵩密度は、例えば、１００ｋｇ／ｍ^３以上とすることが好ましく、１２０ｋｇ／ｍ^３以上とすることがより好ましい。

また、圧縮成形体が無機繊維を含む場合、その配合割合は、ナノ粒子８０〜９５質量％、無機繊維２０〜５質量％とすることができ、ナノ粒子８５〜９０質量％、無機繊維１５〜１０質量％とすることができる。さらに、圧縮成形体が無機繊維および輻射散乱材を含む場合、その配合割合は、ナノ粒子７０〜９０質量％、無機繊維１５〜５質量％、輻射散乱材１５〜５質量％とすることができ、ナノ粒子７５〜８５質量％、無機繊維１０〜５質量％、輻射散乱材１５〜１０質量％とすることができる。

このような圧縮成形体は、２５℃における熱伝導率が、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。また、８０℃における熱伝導率は、０．０３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２７Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

圧縮成形体は、例えば、フュームドシリカと、必要に応じて無機繊維と、輻射散乱材とを含む混合物を圧縮して、例えば板状に成形して得ることができる。

ナノ粒子繊維体の繊維基材としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維等の樹脂繊維、カーボン繊維、シリカ繊維やアルミナ繊維等の無機繊維の織布または不織布を用いることができるが、耐熱性に優れることから無機繊維の織布または不織布を好ましく用いることができる。中でも、無機繊維がランダムに配向した不織布を用いることにより、繊維間にナノ粒子を効果的に保持することができる。

尚、ナノ粒子繊維体におけるナノ粒子と繊維基材との比率は、断熱性や耐熱性、低発塵性、可撓性等に応じて適宜設定することができ、例えば繊維基材１００質量部に対してナノ粒子が３００〜６００質量部とすることができ、４００〜５００質量部とすることもできる。また、ナノ粒子繊維体の密度は、２０〜５００ｋｇ／ｍ^３が好ましく、より好ましくは１００〜３００ｋｇ／ｍ^３である。

このようなナノ粒子繊維体は、繊維間の空隙を埋めるナノ粒子内の微細孔が空気の平均自由行程よりも小さいため、ナノ粒子繊維体内における気体分子同士の衝突を効果的に防止できるため、優れた断熱性を有する。具体的には、ナノ粒子繊維体の２５℃における熱伝導率は、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。また、ナノ粒子繊維体の８０℃における熱伝導率は、０．０３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２７Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。このような熱伝導率は、エアロゲルと繊維基材との比率、密度により調整することができる。

このように、ナノ粒子繊維体は優れた断熱性を有するため、十分な断熱性を維持しつつ薄型化することができる。具体的に、ナノ粒子繊維体の厚さは、１〜１００ｍｍとすることができ、好ましくは１〜５０ｍｍであり、より好ましくは１〜２０ｍｍであり、特に好ましくは１〜１０ｍｍである。断熱材１０の厚さを低減することにより、可撓性を向上させることができる。

ナノ粒子繊維体は、例えば、ガラス繊維製フェルトにナノ粒子原料（例えば、ゾル状のシリカ前駆体）を含浸させ、ゲル化させた後、超臨界乾燥といった方法により溶媒を除去して得ることができる。こうしたナノ粒子繊維体として、アスペン社製「Ｐｙｒｏｇｅｌ−ＸＴ」を使用することができる。

ナノ粒子顆粒は、例えばフュームドシリカ等のナノ粒子を圧縮して成形して得られた成形体や、エアロゲル前駆体（例えば、シリカのゾル）をゲル化させた後、表面を疎水化処理し、大気圧下で溶媒を乾燥して得たシリカエアロゲル顆粒体として得ることができる。こうしたナノ粒子顆粒の大きさは例えば５０〜２０００μｍとすることができ、１００〜２０００μｍとすることができ、４００〜２０００μｍとすることもできる。本発明において、こうしたナノ粒子顆粒の集合体を断熱材として使用することができる。こうしたシリカエアロゲルの顆粒としてＣａｂｏｔ社製「ＴＬＤ３０１」等を使用することができる。

このようなナノ粒子顆粒は、２５℃における熱伝導率が、０．０２４Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０１８Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。また、８０℃における熱伝導率は、０．０３５Ｗ／ｍ・Ｋ以下が好ましく、より好ましくは０．０２７Ｗ／ｍ・Ｋ以下、特に好ましくは０．０２５Ｗ／ｍ・Ｋ以下である。

上記の断熱材１０は、耐熱性を有する外装体２０で包囲される。外装体２０は、ガラス繊維やシリカ繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維等のセラミックス繊維、アルミニウム繊維等の金属繊維からなる織布、あるいはフッ素樹脂や芳香族ポリアミド、ポリイミド等の耐熱性樹脂からなるシートを好ましく用いることができる。また、外装体２０として、ガラス繊維からなる織布の断熱材側の面に、アルミ箔のような金属箔を接合したアルミ加工クロスを用いることもできる。

外装体２０は、図示されるように、断熱材１０の上下面を挟むように配置され、その端縁の重ね合わせ部分（ここでは符号２１で示す四隅）を、繊維径が５μｍ以下、好ましくは４μｍの耐熱性繊維からなるシート状物３０を挟んだ状態で縫製される。耐熱性繊維としては、耐熱性を有し、かつ繊維径５μｍ以下の細線に加工できることから、ガラス繊維や芳香族ポリアミド繊維等が好ましく、ガラス繊維が特に好ましい。尚、繊維径の下限は、実用上０．０１μｍである。

シート状物３０により、外装体端縁の重ね合わせ部分を通じて断熱材１０のナノ粒子が外部に飛散するのを防止することができる。従って、シート状物３０は高密度である方が好ましく、具体的には１００〜２５０ｋｇ／ｍ^３とすることが好ましい。

尚、耐熱性繊維をシート状に成形するには、抄造法が好ましい。バインダーを用いるとシート状物３０が硬くなり、断熱体全体として柔軟性が低下する。

また、縫製は、好ましくは耐熱性繊維を有する縫い糸４０を用いて行えばよいが、密に縫製しすぎると柔軟性が低下する。

上記のように構成される本発明の断熱体１は、ナノ粒子による優れた断熱性能を有するとともに、ナノ粒子が飛散して外部を汚染することもないため、半導体製造装置のようなクリーン環境での断熱施工に好適である。また、外装体２０の端縁を接着剤を用いて密封した場合のような硬化がなく、柔軟性を有するため曲面や管体の断熱施工も容易である。

本発明はまた、上記の断熱体１を断熱層とするヒータを提供する。例えば、図２はテープヒータに応用した例を示す断面図である。図示されるテープヒータ１１０では、ガラス繊維不織布から成るガラス繊維テープ１１４の上に、発熱体であるニクロム線１１５が平行に配置され、ガラスヤーン等で縫製して固定されている。また、ニクロム線１１５の末端には、先端に電源接続用コネクタ（図示せず）が連結された電力線１１６が接続されている。

ニクロム線１１５が配置し固定されたガラス繊維テープ１１４は、電力線１１６のみが外に取り出されるように均熱材１１３で包囲される。この均熱材１１３は、アルミ箔等の良熱伝導性材料であり、ニクロム線１１５からの熱をヒータ全体に伝熱するものである。また、均熱材１１３のニクロム線１１５が配置された側の面（加熱側面）の上には、熱電対１１７が両端と中央部に配置されており、熱伝対１１７は外部の温度調整手段に接続している。そして、均熱材１１３の裏面（非加熱側面）には、上記の断熱体１からなる断熱層１１２が積層され、全体がＰＴＦＥフィルム１１１で包囲されている。尚、電力線１１６は、ＰＴＦＥフィルム１１１の開口１１８から取り出される。

また、図３（全体斜視図）、図４（断面図）に示すようなマントルヒータに応用することもできる。マントルヒータは管体に装着して加熱する装置であり、ここでは直管２２０に装着されるマントルヒータ２００を示している。

マントルヒータ２００は、外層材２１０と内層材２３０との間に、発熱体３００を取り付けた無機繊維製シート３０３と不燃難燃繊維製シート４００が介在され、これら構成部材２１１は、一体に、あるいは単に重ね合わせて積層状に構成されている。外層材２１０及び内層材２３０は、ＰＴＦＥ、テトラフルオロエチレン−パーフォルオアルコキシエチレン共重合体（ＰＦＴ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）、ポリビニリデンフロライド（ＰＶＤＦ）、ポリアミド、ポリカーボネイト、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリサルホン、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケルトン、ポリフタエミド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリメチルペンテン等の耐熱性の樹脂を円筒状に成形したものである。

発熱体３００は、図４に示すように、断熱クロス３０１に絶縁被覆された発熱線３０２を無機繊維製シート３０３のガラスクロスに縫い糸３０４で縫い付けられたものである。また、発熱線３０２には、リード線３０６を介して電源接続用コネクタ３０７が取り付けられている。そして、発熱体３００と外層材２１０との隙間に、上記断熱体１からなる断熱層４００が配設される。

このような構成のマントルヒータ２００を直管２２０に被覆させるには、直管２２０の径に対応させて円筒状のマントルヒータ２００を、スリット２０５を拡げて被覆させた後、接合部２０１，２０２を当接させて、面ファスナー２０６等を介して固定すればよい。

また、ヒータとして図５に示す構成とすることができる。図示されるヒータは、図１に示した断熱体１の内部に発熱体５００を配置したものであり、断熱材１０と発熱体５００とを積層して外装体２０で挟み、外装体２０の重ね合わせ部分２１でシート状物３０を挟んだ状態で縫製して得られる。尚、発熱体５００は、図４に示したような、断熱クロスに発熱線を縫い付けたもの等を使用できる。

本発明のヒータは、上記断熱体１による優れた断熱性を有するとともに、外部汚染もないため、半導体製造装置のようなクリーン環境が要求される装置や配管を加熱するのに好適である。

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明を更に説明するが、本発明はこれにより何ら制限されるものではない。

（試験体の作製）
繊維径が０．８〜３μｍの微細ガラス繊維を抄造してなる、密度１５０ｋｇ／ｍ^３で厚さ１．２ｍｍのシートＡ（実施例）、繊維径が５〜１０μｍのガラス繊維を抄造してなる、密度１２０ｋｇ／ｍ^３で厚さ１．２ｍｍのシートＢ（比較例）、繊維径が４〜６μｍのロックールを抄造してなる、密度２１５ｋｇ／ｍ^３で厚さ２．２ｍｍのシートＣ（比較例）を用意した。

また、断熱材としてエアロゲル繊維体（アスペン社製「Ｐｙｒｏｇｅｌ−ＸＴ」）の成形体を用意し、外装体としてアルミ加工クロスを用意した。そして、アルミ箔が断熱材側となるようにして外装体で断熱材を挟み、端縁の重ね合わせ部分に上記のシートＡ〜Ｃを挟んだ状態で縫製して試験体Ａ〜Ｃとした。また、比較のために、シートＡ〜Ｃを挟まずに、アルミニウム加工クロスの重ね合わせ部分を直接縫製して試験体Ｄとした。

（発塵試験）
図６に示すように、クリーンブース内の略中央に試験体を置き、その周囲にスペーサを配置した。そして、試験体の上面に押圧板を載置し、厚さ当初の７０％になるまで圧縮した。クリーンブース内にはパーティクルカウンタが配置されており、圧縮直後１分間にわたり、クリーンブース内のパーティクル数を測定した。また、参考のために、試験体を置く前のクリーンブースのパーティクル数（ブランク）も測定した。尚、試験は５回行い、その平均を求めた。

結果を図７に示す。パーティクルは、試験体のエアロゲルに由来するものと、クリーンブース内に存在する他の粒子（例えば、アルミニウム加工クロスに含まれる酸化チタン）であるが、エアロゲルに由来する粒子は他の粒子に比べると小径であるため、より小径のパーティクルの数を比較すればよい。図示されるように、本発明に従い微細ガラス繊維製のシートＡを挟んで縫製した試験体Ａは、シートＢ、Ｃを挟んで縫製した試験体Ｂ、Ｃに比べてもエアロゲルに由来する粒子の飛散を防いでいることがわかる。

１断熱体
１０断熱材
２０外装体
３０シート状物
４０縫い糸

Claims

ナノ粒子を含む断熱材を、耐熱性を有する外装体で包囲するとともに、外装体端縁の重ね合わせ部分にのみ、繊維径５μｍ以下の耐熱性繊維からなるシート状物を挟み込み、当該シート状物を挟んだ状態で前記重ね合わせ部分を縫製したことを特徴とする断熱体。
シート状物を形成する耐熱性繊維がガラス繊維であることを特徴とする請求項１記載の断熱体。
外装体が、断熱材側にアルミ箔を積層したアルミ加工クロスまたはフッ素樹脂からなるシートであることを特徴とする請求項１または２記載の断熱体。
請求項１〜３の何れか１項に記載の断熱体と、発熱体とを備えることを特徴とするヒータ。