JP5905861B2 - 無機多孔質体を用いた吸熱材 - Google Patents

Description

本発明は、無機多孔質体を用いた吸熱材及びその製造方法に関する。

原子力発電所、火力発電所、その他火事等の災害により施設内のケーブルに耐熱性又は耐火性を持たせなければならない施設がある。
通常、これらのケーブルに吸熱材を被覆することで耐熱性又は耐火性を実現しているが、従来の吸熱材は、加熱された際に、高分子吸収体に水を含ませたもので吸熱させるか、又は水和物に含まれる水分子（結晶水）を用いて吸熱させるかによって吸熱していた（特許文献１，２）。
しかしながら、従来の吸熱材は、かさ張ること及び重量が重いこと、又はケーブルを敷設した後ではケーブル被覆を行うだけのスペースが狭いことからケーブル被覆の交換が困難であることが問題となっていた。

高分子吸収体による吸熱材は高分子吸収体が成形体ではないため、自立性や保形成がなかった。従って施工部位に巻きつけるもしくは貼り付けるような施工には対応できるが、壁面に自立させる施工や空間部への施工は非常に困難であった。さらに、このような吸熱材は交換が必要となり、コストも労力も膨大となってしまっていた。
水和物を用いた吸熱材は、水和物の分解温度がケーブルの耐熱温度よりも高いため、水和物が分解される前にケーブルが破損してしまうといった問題があった。

そこで、交換不要、狭い場所にも施工可能、軽量、効率的に吸熱する吸熱材が求められていた。
一方、ゾノトライトケイ酸カルシウム成形体が断熱材として知られている（特許文献１，２）。

特開昭５９−１０２８５６号公報 特開昭６１−１８６２５６号公報

本発明の目的は、新規な吸熱材を提供することである。

本発明者らは、鋭意研究の結果、気化熱が高い水を無機多孔質成形体に含水させたものが、吸熱作用が強く保形性が高いため吸熱材として優れ、さらに、水が蒸発した後も断熱材として機能することを見出し、本発明を完成させた。

本発明によれば、以下の吸熱材及びその製造方法が提供される。
１．吸水した無機多孔質成形体からなる吸熱材。
２．前記無機多孔質成形体が、ケイ酸カルシウム、シリカ、アルミナ、バーミキュライト、マイカ、セメント、及びパーライトから選択される１種又は２種以上の無機粉体を含む成形体である１記載の吸熱材。
３．前記無機多孔質成形体が、ガラス繊維、ロックウール、セラミック繊維、及び生体溶解性無機繊維から選択される１種又は２種以上の無機繊維を含む成形体である１又は２記載の吸熱材。
４．前記無機多孔質成形体の密度が、４０〜４００ｋｇ／ｍ^３である１〜３のいずれか記載の吸熱材。
５．前記吸水された水が、不凍液、防腐剤、及びｐＨ調整剤から選択される１種又は２種以上の添加剤を含む１〜４のいずれか記載の吸熱材。
６．パッキング材により包まれている１〜５のいずれか記載の吸熱材。
７．前記パッキング材が、金属箔と樹脂のラミネート体である６記載の吸熱材。
８．前記金属箔が、アルミニウム箔、アルミニウム箔、銅箔、錫箔、ニッケル箔、ステンレス箔、鉛箔、錫鉛合金箔、青銅箔、銀箔、イリジウム箔、又は燐青銅である７記載の吸熱材。
９．前記樹脂が、熱可塑性樹脂である７又は８記載の吸熱材。
１０．前記パッキング材が、７０℃〜１３０℃で破損する６〜９のいずれか記載の吸熱材。
１１．無機多孔質成形体に水を吸水させ、パッキング材で包む、吸熱材の製造方法。

本発明によれば、新規な吸熱材を提供できる。

本発明の一実施形態にかかる吸熱材を示す図である。 本発明の他の実施形態にかかる吸熱材を示す図である。 実施例２で製造した耐火構造を示す概略横断面図である。 実施例２で製造した耐火構造を示す概略縦断面図である。 実施例３で製造した耐火構造を示す概略縦断面図である。

本発明の吸熱材は、水を吸水（含浸）した無機多孔質成形体を含む。
用いる成形体は、例えば、ボート等の自立成形体である。

無機多孔質成形体の例としては、ケイ酸カルシウム、シリカ、アルミナ、バーミキュライト、マイカ、パーライト、セメント等の無機粉体等を１種もしくは２種以上混合し加工した成形体が挙げけられる。

また、無機多孔質成形体の例としては、ガラス繊維、ロックウール、セラミック繊維、生体溶解性無機繊維等の無機繊維等を１種もしくは２種以上混合し加工した無機繊維成形体が挙げられる。
セラミック繊維は、主としてシリカとアルミナからなる繊維（シリカ：アルミナ＝４０：６０〜０：１００）であり、具体的には、シリカ・アルミナ繊維、ムライト繊維、アルミナ繊維を用いることができる。

また、作業者の健康上の安全性を考慮して、耐熱性の高い生体溶解性繊維を用いることができる。
生体溶解性繊維は、一般に、主成分として、シリカ及び／又はアルミナに、アルカリ金属酸化物（Ｎａ_２Ｏ，Ｋ_２Ｏ等）、アルカリ土類金属酸化物（ＣａＯ等）、マグネシア、ジルコニア、チタニアから選択される１以上を含む。他の酸化物も含むことができる。

例えば、以下の組成が例示できる。
ＳｉＯ_２とＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３とＴｉＯ_２との合計 ５０重量％〜８２重量％
アルカリ金属酸化物とアルカリ土類金属酸化物との合計 １８重量％〜５０重量％

より具体的には、以下の組成１又は組成２が例示できる。
［組成１］
ＳｉＯ_２ ７０〜８２重量％
ＣａＯ １〜９重量％
ＭｇＯ １０〜２９重量％
Ａｌ_２Ｏ_３ ３重量％未満
［組成２］
ＳｉＯ_２ ７０〜８２重量％
ＣａＯ １０〜２９重量％
ＭｇＯ １重量％以下
Ａｌ_２Ｏ_３ ３重量％未満

無機多孔質成形体としては、特に、ケイ酸カルシウム成形体、セラミック繊維成形体が好ましく、ケイ酸カルシウム成形体がより好ましい。ケイ酸カルシウムの種類の中では、ゾノトライト６ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・Ｈ_２Ｏ、トバモライト５ＣａＯ・６ＳｉＯ_２・５Ｈ_２Ｏ、ワラストナイトＣａＳｉＯ_３が好ましく、特に好ましいのは耐熱性が高いゾノトライトである。ケイ酸カルシウム成形体は軽く細孔が小さいため水が均一に保水され易い。

無機多孔質成形体は、上記の他に、無機バインダー、粒子等を含むことができる。

ケイ酸カルシウム成形体の製造方法としては、特許文献１，２に記載の方法で製造できる。具体的には、珪石や消石灰等を水中に分散させスラリーとし、攪拌式圧力容器で水熱合成し、ケイ酸カルシウム水和物の２次粒子を合成する。このスラリーを湿式吸引脱水成形し製造できる。

また、無機繊維成形体は、ローター法及びブローイング法、溶融紡糸法等により製造された無機繊維をバインダー等を用いて成形して製造することができる。具体的には、各種繊維やバインダー等を水中に分散させスラリーとし、このスラリーを湿式吸引脱水成形して製造できる。

軽量であること、多量の水を含ませること、及び水を保持した後でも良好な保形性を維持できる強度を有することを目的として、無機多孔質成形体の密度は４０〜４００ｋｇ／ｍ^３程度のものが好ましい。さらに好ましくは８０〜３００ｋｇ／ｍ^３、より好ましくは１００〜２００ｋｇ／ｍ^３である。

成形体は、成形体の重量の１００〜４００％の重量の水を含むことができる。成形体は、好ましくは１３０〜３００％、より好ましくは１５０〜２５０％の水を含む。

無機多孔質成形体に吸水させる水には、不凍液、防腐剤、ｐＨ調整剤等の各種添加剤を含むことができる。
水は、凍結すると体積が膨張してパッキング材を破損する恐れがあるため、不凍液を含むと好ましい。また、環境によっては長期保存により無機多孔質成形体からの微量溶出成分等により、含浸水のｐＨが変化し、無機多孔質成形体やパッキング材さらには水自体を変質させたりする恐れがあるため、ｐＨ調整剤を含むと好ましい。水に含めるものはこれに限られず、必要に応じて追加することができる。

含水した無機多孔質成形体は、パッキング材（パッケージ）によりパッキングされていることが好ましい。
パッキング材の密封性は、常態で、含水成形体からの水の蒸発を防ぐ程度でよい。加熱によりパッキング材は破損し、水が蒸発し、その際、気化熱により吸熱する。
加熱による破損温度は、水の沸点（以下）であることが好ましい。沸点以上だと、パッキング材が爆発してしまうおそれがあり、水の沸点よりもかなり低いと早い段階でパッキング材が破損し、水が蒸発してしまうことで効率的に吸熱効果を得ることができない。したがって、パッキング材の破損温度は、７０℃〜１３０℃がより好ましい。より好ましくは、８０℃〜１２０℃、さらに好ましくは、９０℃〜１１０℃である。このような温度で破損すれば、破損と共に水が蒸発し、吸熱作用を発揮できる。

含水した無機多孔質成形体をパックするパッキング材としては、金属、樹脂を用いることができる。金属と樹脂を積層したラミネートしたものが、耐熱性および強度が高いため好ましい。金属と樹脂のラミネート体としては、樹脂層、金属層、樹脂シーラント層を含む３層以上のラミネート体が好ましい。

用いられる金属としては、アルミニウム箔、銅箔、錫箔、ニッケル箔、ステンレス箔、鉛箔、錫鉛合金箔、青銅箔、銀箔、イリジウム箔、燐青銅等が挙げられる。特に、アルミニウム箔、銅箔、ニッケル箔が好ましく、さらに好ましくはアルミニウム箔である。

樹脂として、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を用いることができる。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ナイロン、アクリル、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニルサイファイド、フッ素、ポリカーボネート、アラミド等が挙げられる。これらのうち１００℃前後の温度で破損される樹脂が好ましい。

パッキング材の厚みは特に限定されないが、例えば５μｍ〜２００μｍである。上記の積層体の場合、金属箔を３μｍ〜１２μｍ、樹脂層を２μｍ〜６０μｍとできる。これにより、金属箔の耐熱性、耐火性及び低水蒸気透過性を発揮させるとともに、樹脂により密封性を向上させることができる。

また、パッキング材は加熱により発生するパッケージ内圧力を逃がす機構及び構造を部分的に設けてもよい。例えば、パッキング材の一部にフィルム種類や構造を変えてフィルム融着部の接着力を低くする部位を設ける。又はフィルムの一部に穴を開けて、そこにパッケージフィルムより厚さの薄いフィルムを貼ったり溶融形成したりする。これにより、パッケージ内圧力が上昇した際に、パッキング材が必要以上に膨らまず、原寸法をある程度維持することが可能である。

本発明の吸熱材は、多孔質体に水を吸水させ、金属及び又は樹脂の１種又は２種を含むパッキング材で包んで製造できる。

図１に本発明の吸熱材の一例の断面図を示す。吸熱材１は、含水した無機多孔質成形体１１をパックするパッキング材１３を有する。図１の吸熱材１において、パッキング材は融着部１５で融着している。吸熱材の大きさは限定されず、用途により適宜定められる。

図１に示すような吸熱材をそのまま使用してもよいし、図２に示すように、図１に示す吸熱材を複数連結してもよい。図２に示す複数連結した吸熱材は、狭い場所に持ち運ぶとき、畳んだり丸めたりして運べるため便利である。また、対象物の形状に合わせて、配置できる。

本発明の吸熱材は、吸熱材と機能した後、水が無くなった無機多孔質成形体は、優れた断熱材としても機能する。
本発明の吸熱材は、それだけで断熱材として利用できるが、他の断熱材と組み合わせてもよい。組み合わせることにより、さらに効果的な断熱構造を構成でき、強力な断熱性及び耐火性を発揮できる。

実施例１
ゾノトライドケイ酸カルシウム成形体（ケイカルエース・スーパーシリカ、日本ケイカル株式会社）（密度１２０ｋｇ／ｍ^３、５００℃の熱伝導率０．１１４Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下）（縦６００ｍｍ×横３００ｍｍ×厚み５０ｍｍ）を用いた。
この成形体を後述する実施例に用いるのに適した大きさに切断して、成形体の２倍２００重量％の水を含ませた。
得られた含水成形を、表面よりナイロン（１５μｍ）、アルミ箔（７μｍ）、リニアローデンシティポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）（４０μｍ）の積層体で構成されラミネートフィルムを脱気・ヒートシールで密封して吸熱材を得た。

実施例２
（１）耐火構造の組み立て
実施例１で製造した吸熱材（厚み５０ｍｍ）、及び以下の第１及び第２の断熱材を用いて、図３，４に示す耐火構造を組み立てて、耐火試験を実施した。
・第１の断熱材：微孔性ヒュームドシリカ成形体（ロスリムボードＧＨ、ニチアス（株））（８００℃の熱伝導率０．０４Ｗ／（ｍ・Ｋ））
・第２の断熱材：生体溶解性繊維ブランケット（生体溶解性繊維組成：ＳｉＯ_２含有量約７３質量％、ＣａＯ含有量約２５質量％、ＭｇＯ含有量約０．３質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量約２質量％）（１０００℃２４時間の収縮率０．６％）

図３に示す耐火構造４００の組み立て手順を以下に示す。
ケーブルラックの段１０５を、ケーブルラック付属の架台に固定し、ケーブルラック１０３を組み立てた。ケーブルラックの段１０５に、ケーブルが入ったケース（図示せず）を載せた。
断熱材ケーシングのアングルを組み、内側用金属パネルを取り付け、下面のみが解放された直方体状の断熱材ケーシング（図示せず）を組み立てた。
縦型炉５００中に、ケーブルラック１０３を設置し、ケーブルラック１０３を囲んで断熱材ケーシング（図示せず）を取り付けた。

断熱材ボックスの内側用の金属パネルに、吸熱材４０１を貼り付けた。
吸熱材４０１に第１の断熱材４０５を１又は３層貼り付けた。
第１の断熱材４０５に第２の断熱材４０３を巻き付けた。
第２の断熱材４０３の外側に、断熱材ケーシングの外側用の金属パネル（図示せず）を取り付け、耐火構造４００を組み立てた。

（２）耐火構造の評価
図４は、耐火構造の概略縦断面図であり、熱電対の設置位置を示す図である。
熱電対は、第２の断熱材の外面（図４中、５５１、５５５及び５５９）、吸熱材と第１の断熱材の間（図４中、５５３、５５７及び５６１）、及び吸熱材の内面（図４中、５５４、５５８及び５６２）に設置した。
縦型炉５００において、バーナーにより、ＩＳＯ標準耐火曲線で３時間加熱を行った後、２時間放冷した。それぞれの熱電対の設置位置における、１，２，３及び５時間後の測定温度（℃）を、表１に示す。

実施例３
（１）耐火構造の組み立て
図５は、実施例３で組み立てた耐火構造６００の概略縦断面図である。
実施例３では、天井から吊り下げられたケーブルラック１０３を用いた。ケーブルラック１０３は、複数の段を有し、ケーブル１０１が入ったケースを段に載せた。
実施例１で製造した吸熱材６０１（厚み２５ｍｍ）で、ケーブルラックの段に有るケーブル１０１が入ったケースの周囲を囲んだ。さらに、その周囲を、積層断熱材６０３で囲った。積層断熱材６０３は、ケーブルのある内側から、以下の第３の断熱材１層（２０ｍｍ）、及び以下の第２の断熱材３層（２５ｍｍ×３）を積層し、外側全体をシリカクロスで包んだものである。
・第３の断熱材：エアロゲル・無機繊維複合材（パイロジェル、アスペン（株））
・第２の断熱材：生体溶解性繊維ブランケット（生体溶解性繊維組成：ＳｉＯ_２含有量約７３質量％、ＣａＯ含有量約２５質量％、ＭｇＯ含有量約０．３質量％、Ａｌ_２Ｏ_３含有量約２質量％）

（２）耐火構造の評価
熱電対を、積層断熱材６０３の外側、積層断熱材６０３のブランケット層の間、積層断熱材６０３と吸熱材６０１の間、ケーブル１０１の付近に設置した。
実施例２と同様に、ＩＳＯ標準耐火曲線で３時間加熱を行った後、２時間放冷した。それぞれの熱電対の設置位置における、１，２，３及び５時間後の測定温度（℃）を、表２に示す。

本発明の吸熱材は、原子力発電所等、耐火性が求められる場所又は設備に用いる吸熱材として使用できる。

１，２ 吸熱材
１１ 含水無機多孔質成形体
１３ パッキング材
１５ 融着部
１０１ ケーブル
１０３ ケーブルラック
１０５ ラックの段
４００，６００ 耐火構造
４０１，６０１ 吸熱材
４０３ 第１の断熱材
４０５ 第２の断熱材
５００ 縦型炉５００
５５１，５５３，５５４，５５５，５５７，５５８，５５９，５６１，５６２ 熱電対の設置位置
６０３ 積層断熱材

Claims (11)

1. 吸水した無機多孔質成形体からなる吸熱材であって、前記無機多孔質成形体がケイ酸カルシウム成形体である吸熱材。
2. 前記無機多孔質成形体の密度が、４０〜４００ｋｇ／ｍ^３である請求項１記載の吸熱材。
3. 前記水が、不凍液、防腐剤、及びｐＨ調整剤から選択される１種又は２種以上の添加剤を含む請求項１又は２記載の吸熱材。
4. パッキング材により包まれている請求項１〜３のいずれか記載の吸熱材。
5. 前記パッキング材が、金属箔と樹脂のラミネート体である請求項４記載の吸熱材。
6. 前記金属箔が、アルミニウム箔、アルミニウム箔、銅箔、錫箔、ニッケル箔、ステンレス箔、鉛箔、錫鉛合金箔、青銅箔、銀箔、イリジウム箔、又は燐青銅である請求項５記載の吸熱材。
7. 前記樹脂が、熱可塑性樹脂である請求項５又は６記載の吸熱材。
8. 前記パッキング材が、７０℃〜１３０℃で破損する請求項４〜７のいずれか記載の吸熱材。
9. ケーブルの耐熱性を高めるために用いる請求項１〜８のいずれか記載の吸熱材。
10. 原子力発電所で用いるための請求項１〜９のいずれか記載の吸熱材。
11. 請求項８記載の吸熱材を、７０℃〜１３０℃以上で加熱して、パッキング材を破損し、ケイ酸カルシウム成形体に含まれる水を気化させることにより、吸熱させる、請求項８記載の吸熱材の使用方法。

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