JP6092131B2

JP6092131B2 - 真空断熱材及びその製造方法

Info

Publication number: JP6092131B2
Application number: JP2014008960A
Authority: JP
Inventors: 敏司山本; 敏洋齊藤
Original assignee: NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Current assignee: NIHON GLASS FIBER INDUSTRIAL CO., LTD.
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-01-21
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2034-01-21
Also published as: JP2015137689A

Description

本発明は、冷蔵庫や自動販売機や保冷車等に使用する真空断熱材に関する。

真空断熱材には、外包材の内部に芯材を入れ、該内部を真空排気して外包材を密封してなるものがある。そして、その芯材には、真空断熱材が大気圧で内側に潰されない様にする構造的な役割と、外包材の内部の空気分子の移動を邪魔して断熱性能を高める機能的な役割とがある。

その機能的な役割について説明すると、芯材を用いない真空断熱材（例えば、魔法瓶等の断熱材）の真空度は、通常、１０^−４ｔｏｒｒ（１．３３×１０^−２Ｐａ）程度である。これに対して、芯材を用いる真空断熱材の真空度は、通常、１０^−２ｔｏｒｒ（１．３３Ｐａ）程度である。よって、通常は、芯材を用いない真空断熱材よりも、芯材を用いる真空断熱材の方が、１００倍程度も真空度が低い。しかし、それでも、芯材を用いる真空断熱材は、外包材の内部の空気分子の移動を芯材で邪魔することで高い断熱性能を発揮する。それに対して、芯材を用いない真空断熱材では、例えば、真空度が同じ１０^−２ｔｏｒｒの場合、外包材の内部の空気分子の移動が芯材等に邪魔されないので、熱が高温側から低温側にスムーズに伝えられ、断熱性能が低い。

そして、このように、芯材で空気分子の移動を邪魔するには、外包材の内部に芯材で、できるだけ細い部屋（マイクロセル）を多数作ることが効果的である。具体的には、芯材に繊維を用いる場合には、繊維径が小さい程、マイクロセルの数は多くなり、断熱性能が向上する。また、繊維の集合体を圧縮することでも、マイクロセルの数を増やすことができる。但し、繊維の集合体を圧縮し過ぎると、繊維自体から熱が伝わるようになるため、断熱性能は反って低下してしまう。すなわち、嵩密度には最適値があり、その最適値は、繊維径によって異なる。

そして、芯材には、例えば、次の［１］〜［４］に示すものがある。
［１］ノーバインダー、ノーニードルのガラス繊維からなるグラスウール（繊維径３μｍ前後）。
［２］ガラス繊維を水で抄いてペーパー化するとともに有機バインダーを添付してなるガラスペーパー。
［３］ガラス繊維のウェブをニードパンチ加工してなるニードルマット。
［４］シリカの超微粒粉末（ヒュムドシリカ）。

［従来例１］
具体的には、上記［１］の芯材（グラスウール）を備えた図５に示す従来例１（特許文献１）の真空断熱材７０は、次のようにして乾式にて製造する。すなわち、まず、図５（ａ）に示すように、溶融したガラス（以下「溶融ガラスＭ」という。）を高速回転体７８の内側に落下させ、その高速回転体７８の外周部にある微細な孔７９，７９・・から、溶融ガラスＭを遠心力にて吹き出させて繊維化することで、図５（ｂ）に示すように、ガラス繊維Ｆ，Ｆ・・（短繊維）を製造する。また、それ以外にも、ノズル等から落下させた溶融ガラスＭに、高圧エアを直接当てて繊維化する場合もある。次に、そのガラス繊維Ｆ，Ｆ・・を、芯材７２として、図５（ｃ）に示すように、外包材７１，７１の内部に入れる。その後、該内部を真空排気して外包材７１，７１を密封することで、図５（ｄ）に示すように、真空断熱材７０を完成させる。

［従来例２］
また、上記［２］の芯材（ガラスペーパー）を備えた図６に示す従来例２（特許文献２）の真空断熱材８０は、次のようにして湿式にて製造する。すなわち、まず、連続フィラメント法等により製造したガラス繊維（長繊維）を比較的短く切断してなるガラス繊維ｆ，ｆ・・を、水で抄いて（湿式抄造方法にて）ペーパー化するとともに有機バインダーを添付することで、図６（ａ）に示すように、ガラスペーパー８５（不織布）を作製する。次に、そのガラスペーパー８５を、図６（ｂ）に示すように、複数枚積み重ねる。次に、その複数枚積み重ねたガラスペーパー８５，８５・・を、芯材８２として、図６（ｃ）に示すように、外包材８１，８１の内部に入れる。その後、該内部を真空排気して外包材８１，８１を密封することで、図６（ｄ）に示すように、真空断熱材８０を完成させる。

［従来例３］
また、上記［３］の芯材（ニードルマット）を備えた図７，図８に示す従来例３（特許文献３）の真空断熱材９０は、次のようにして乾式にて製造する。すなわち、まず、連続フィラメント法等により製造したガラス繊維（長繊維）を比較的長く切断してなるガラス繊維ｆ，ｆ・・から、図７（ａ）に示すように、ウェブ９５を作製する。次に、その作製したウェブ９５を、図７（ｂ）に示すように、複数枚積み重ねる。次に、その複数枚積み重ねたウェブ９５，９５・・に、図７（ｃ）に示すように、ニードルパンチ加工を行い、厚さを数十分の一に圧縮して保持することで、ニードルマット９２を作製する。よって、ニードルマット９２内には、ニードルパンチされて縦方向を向いたガラス繊維ｆ（以下、「縦繊維f'」という。）が多数存在する。その縦繊維f'，f'・・が、複数枚のウェブ９５，９５・・をその厚さ方向に貫通してアンカーの様な働きをすることで、複数枚のウェブ９５，９５・・を固定（マット化及びフェルト化）している。次に、そのニードルマット９２を、芯材として、図８（ｄ）に示すように、外包材９１，９１の内部に入れる。その後、該内部を真空排気して外包材９１，９１を密封することで、図８（ｅ）に示すように、真空断熱材９０を完成させる。

特開２００６−２９１９号公報特開２０１０−２３００８２号公報特開平７−９６５６３号公報

図５に示す従来例１（芯材がグラスウール）の場合、芯材７２のガラス繊維Ｆ，Ｆ・・（短繊維）は、溶融ガラスＭを吹き出して繊維化させることで製造するので、図５（ｂ）に示すように、ガラス繊維Ｆ，Ｆ・・の端部（頭）にショットＦｓと呼ばれる未繊維化部分の塊ができ易い。そのショットＦｓが、外包材７１，７１に傷を付けて穴をあけることがあり、それにより、真空度が低下し、断熱性能が大幅に低下するおそれがある。なお、その場合、長期間では、外包材７１，７１の内部の圧力が大気圧付近にまで低下する。

また、図６に示す従来例２（芯材がガラスペーパー）の場合、芯材８２のガラス繊維ｆ，ｆ・・は、連続フィラメント法等により製造したガラス繊維ｆ（長繊維）を切断して製造するので、従来例１とは違い、ショットはできない。しなしながら、芯材８２となるガラスペーパー８５は、湿式にて（水で抄いて）作製するため、そのガラス繊維ｆ，ｆ・・はあまり長くすることができない。そのため、ガラス繊維ｆ，ｆ・・は、まとまり難く、よって、有機バインダーを添付しなければならない。その有機バインダーが真空断熱材８０の製品化後に外包材８１，８１の内部で徐々に分解してガス化していくことで、真空度が低下して断熱性能が低下してしまうおそれがある。なお、それに対しては、ゲッター剤と呼ばれるガス等の吸着除去剤を外包材８１，８１の内部に同封する対策もあるが、その場合でも、手間及びコストとなるため、有機バインダーは無い方が好ましい。

また、図７，図８に示す従来例３（芯材がニードルマット）の場合も、芯材のガラス繊維ｆ，ｆ・・は、連続フィラメント法等により製造したガラス繊維ｆ（長繊維）を切断して製造するので、従来例２と同様、ショットはできない。また、芯材となるニードルマット９２は、乾式にて作製するので、湿式にて作製する場合（従来例２）よりも、そのガラス繊維ｆ，ｆ・・を長くすることができる。そのため、ガラス繊維ｆ，ｆ・・は、従来例２とは違い、有機バインダー等を添付しなくても、まとまり易い。しかしながら、ニードルマット９２には縦繊維f'，f'・・が多数存在するので、その縦繊維f'，f'・・が、図８（ｆ）に示すように、高温面から低温面に熱を伝える架け橋（以下、「ヒートブリッジ」という。）になり、それにより、断熱性能が低下してしまう。そのため、ガラス繊維が比較的太い（繊維径が大きい）場合等には、充分な断熱性能が得られない。

そこで、従来例３と同様に、ガラス繊維をショットのできない連続フィラメント法により製造し、かつ、従来例３と同様に、そのガラス繊維から芯材を、湿式よりもガラス繊維を長くすることができる乾式にて作製するようにしつつも、従来例３よりも、芯材の断熱性能を良くすることを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の真空断熱材の製造方法は、連続フィラメント法により製造されたガラス繊維の切断による、平均繊維径が３〜２０μｍで前記切断後の平均繊維長が３０〜２００ｍｍである、ショットのないガラス繊維の製造と、該ガラス繊維の開繊による、ニードルパンチ加工のないウェブの成形と、該ウェブの４０枚以上の積み重ねとにより、乾式にて、ニードルパンチ加工のない、よって縦繊維が存在しない芯材を作製し、ウェブの成形後に、ガラス繊維の製造過程でガラス繊維に付着した集束材を３００〜７５０℃に加熱して分解除去し、ガラス繊維の製造後のガラス繊維からウェブ及び芯材を作製していく過程では、ガラス繊維に有機バインダーを添付せず、芯材を外包材の内部に入れ、該内部を真空排気して外包材を密封する。

ウェブを積み重ねる枚数は、特に限定されないが、より断熱性能を上げるため、６０枚以上であることがより好ましく、８０枚以上であることが更に好ましい。

ガラス繊維の前記切断後の平均繊維長が３０〜２００ｍｍであるのは、３０ｍｍに満たないと、短すぎることでまとまり難くなり、ウェブを成形し難くなるおそれがある一方、２００ｍｍを越えると、逆に長すぎることでウェブを成形し難くなるおそれがあるからである。よりまとまり易くするために、該平均繊維長は、４５〜２００ｍｍであることがより好ましく、６０〜２００ｍｍであることが更に好ましい。

ガラス繊維の平均繊維径が３〜２０μｍであるのは、３μｍに満たないと、ガラス繊維の加工が困難になるおそれがある一方、２０μｍを超えると、断熱性能が充分に得られないおそれがあるからである。

芯材の嵩密度は、特に限定されないが、真空排気後の嵩密度は、２００〜４００ｋｇ／ｍ^３であることが好ましい。２００ｋｇ／ｍ^３に満たないと、マイクロセルが不足することで充分な断熱性能が得られないおそれがある一方、４００ｋｇ／ｍ^３を超えると、繊維自体から熱が伝わるようになることで断熱性能が反って低下するおそれがあるからである。

各１枚のウェブの目付けは、特に限定されないが、１０〜１５０ｇ／ｍ^２であることが好ましい。１０ｇ／ｍ^２に満たないと、ウェブが薄くなりすぎてウェブの成形が困難になるおそれがある一方、１５０ｇ／ｍ^２を超えると、ウェブが厚くなりすぎて積層枚数が減ることで目付けがばらつくおそれがあるからである。この目付けは、１０〜１００ｇ／ｍ^２であることがより好ましく、１０〜５０ｇ／ｍ^２であることが更に好ましい。

真空度は、特に限定されないが、外包材の内部の気圧は、１〜２Ｐａであることが好ましい。１Ｐａに満たないと、真空排気に時間がかかり過ぎて手間になるおそれがある一方、２Ｐａを超えると、充分な断熱性能が得られないおそれがあるからである。

また、ガラス繊維の製造過程でガラス繊維に付着した該集束材を、ウェブの成形後に、３００℃〜７５０℃に加熱して分解除去するのは、集束材が製品化後に徐々に分解してガス化していくことで真空度が低下する、といった心配がなくなるからである。

本発明によれば、芯材は、ニードルパンチ加工されていないのに加え、ウェブが４０枚以上積み重ねられてなるので、芯材には、縦繊維はもちろん、側面視では、４０枚以上のウェブの各間を跨ぐ極浅い角度の斜め方向を向いたガラス繊維さえ存在しない。すなわち、ガラス繊維は、側面視では、４０枚以上の各ウェブ内にそれぞれ収まる形で略真横を向いて整列する。そのため、熱を縦方向に伝え難く、断熱性能が良い。よって、各条件（ガラス繊維の太さ等）が同じなら、従来例３よりも断熱性能が良くなる。

よって、従来例３と同様に、ガラス繊維を、ショットのできない連続フィラメント法により製造し、かつ、従来例３と同様に、そのガラス繊維から芯材を、湿式よりもガラス繊維を長くすることができる乾式にて作製するようにしつつも、従来例３よりも、芯材の断熱性能を良くすることができる。

実施例１の真空断熱材を示す側面断面図である。実施例１の真空断熱材の製造工程の序盤を（ａ）（ｂ）に示す側面断面図である。実施例１の真空断熱材の製造工程の中盤を（ｃ）（ｄ）に示す側面断面図である。実施例１の真空断熱材の製造工程の終盤を（ｅ）（ｆ）に示す側面断面図である。従来例１の真空断熱材の製造工程を（ａ）〜（ｄ）に示す側面断面図である。従来例２の真空断熱材の製造工程を（ａ）〜（ｄ）に示す側面断面図である。従来例３の真空断熱材の製造工程の前半を（ａ）〜（ｃ）に示す側面断面図である。従来例３の真空断熱材の製造工程の後半を（ｄ）（ｅ）に示し、真空断熱材の内部での熱の伝わり方を（ｆ）に示す側面断面図である。

以下、本発明の真空断熱材を図面を参照に説明する。

図１〜図４に示す実施例１の真空断熱材１は、外包材１０，１０（ガスバリア）の内部に芯材２０（コア材）を入れ、該内部を真空排気して外包材１０，１０を密封してなる。芯材２０は、連続フィラメント法により製造されたショットのないガラス繊維ｆ，ｆ・・から乾式にて成形されたウェブ２５，２５・・が、１００枚積み重ねられたものである。

外包材１０，１０は、２枚のシート状の部材であって、各外包材１０は、一番外側のナイロンの層と、その内側（真中）のアルミニウム箔の層と、その更に内側（最も内側）のポリエチレンの層とからなる。そして、２枚の外包材１０，１０の最も内側のポリエチレンの層の縁部どうしが熱融着されることで、袋状に密封される。

この真空断熱材１の各寸法は次の通りである。すなわち、真空断熱材１は、３００ｍｍ×３００ｍｍ程度の正方形の形状をしている。そして、芯材２０（１００枚重ねのウェブ２５，２５・・）の厚さ（真空排気後）は、１０ｍｍ程度である。また、各１枚のウェブの目付けは、３０ｇ／ｍ^２程度である。よって、芯材２０（１００枚重ねのウェブ２５，２５・・）は、目付けが３ｋｇ／ｍ^２程度であり、嵩密度（真空排気後）が３００ｋｇ／ｍ^３程度である。また、各ウェブ２５，２５・・のガラス繊維ｆは、平均繊維長が７５ｍｍ程度であり、平均繊維径が９μｍ程度である。また、真空断熱材１の真空度（外包材１０，１０の内部の気圧）は、１．３３Ｐａ程度である。

次に、その真空断熱材１の製造方法を説明する。
まず、連続フィラメント法により、図２（ａ）に示すように、平均繊維径が９μｍ程度のガラス繊維ｆ（長繊維）を製造する。なお、その製造過程では、ガラス繊維ｆに集束材が付着する。次に、そのガラス繊維ｆを、図２（ｂ）に示すように、平均繊維長が７５ｍｍ程度になるように切断してから開繊することで、乾式にて、図３（ｃ）に示すように、ウェブ２５を成形する。

次に、そのウェブ２５を、図３（ｄ）に示すように、１００枚積み重ねる。これにより、乾式にて、ニードルパンチ加工のない芯材２０を作製する。よって、芯材２０の作製にあたっては、ガラス繊維ｆの製造過程でガラス繊維ｆに集束材が付着するのみで、その後のガラス繊維ｆからウェブ２５及び芯材２０を作製していく過程では、ガラス繊維ｆに有機バインダー等を添付しない。そして、そのガラス繊維ｆの製造過程でガラス繊維ｆに付着した集束材についても、ウェブ２５の成形後に、ウェブ２５を３００〜７５０℃に加熱することで分解除去する。

次に、その芯材２０を、図４（ｅ）に示すように外包材１０，１０の内部に入れる。その後、該内部を真空排気して外包材１０，１０を密封することで、図４（ｆ）に示すように、本実施例１の真空断熱材１を完成させる。

本実施例１によれば、次の［Ａ］〜［Ｄ］の効果を得ることができる。

［Ａ］芯材２０のガラス繊維ｆは、連続フィラメント法により製造したガラス繊維ｆ（長繊維）を切断して製造するので、芯材２０のガラス繊維ｆにショットが存在しない。そのため、ショットが外包材１０，１０に傷を付けて穴をあける、といった心配はない。

また、連続フィラメント法によりガラス繊維ｆを製造するので、ガラス繊維ｆ，ｆ・・の繊維径（９μｍ程度）の分布のバラツキが小さい。そのため、品質が安定する。

［Ｂ］ウェブ２５，２５・・は、乾式にて作製するので、湿式にて作製する場合に比べて、そのガラス繊維ｆ，ｆ・・を長くすることができる。そのため、ガラス繊維ｆ，ｆ・・がまとまり易い。そのため、ガラス繊維ｆ，ｆ・・をまとめるために有機バインダーを添付する必要はない。そして、更に、ガラス繊維ｆの製造過程でガラス繊維ｆに付着した集束材についても、ウェブ２５の成形後に加熱して分解除去するので、芯材２０には集束材も残らない。そのため、有機バインダーや集束材が真空断熱材１の製品化後に外包材１０，１０の内部で徐々に分解してガス化していくことで真空度が低下して断熱性能が低下する、といった心配がない。

また、更に、ウェブ２５，２５・・を乾式にて作製するので、湿式にて作製する場合に比べて、コストを抑えることができる。

［Ｃ］芯材２０は、ニードルパンチ加工されていないのに加え、ウェブ２５が１００枚積み重ねられてなるので、芯材２０には、縦繊維はもちろん、側面視では、１００枚のウェブ２５，２５・・の各間を跨ぐ極浅い角度の斜め方向を向いたガラス繊維ｆさえ存在しない。すなわち、ガラス繊維ｆ，ｆ・・は、側面視では、１００枚の各ウェブ２５，２５・・内にそれぞれ収まる形で略真横を向いて整列する。そのため、ガラス繊維ｆ，ｆ・・は熱を縦方向に伝え難い。そのため、本実施例１のように、芯材２０のガラス繊維ｆ，ｆ・・が比較的太い場合（平均繊維径９μｍ）にも、高い断熱性能が発揮される。具体的には、この真空断熱材１の熱伝導率は、実際に試験した結果、２．１２ｍＷ／ｍ・Ｋ（ミリワット／メートル・ケルビン）であった。

［Ｄ］この真空断熱材１は、冷蔵庫、自動販売機、保冷車などに使用できる。また、将来的には、家屋など建材用途にも使用できる。

本実施例２の真空断熱材２は、実施例１と比較して、芯材２０のガラス繊維ｆ，ｆ・・の平均繊維径が５μｍである点で相違し、その他の点で同様である。本実施例２でも実施例１と同様の効果を得ることができる。具体的には、この真空断熱材２の熱伝導率は、実際に試験した結果、１．９９ｍＷ／ｍＫであった。

実施例１，２の結果を次の表１にまとめる。なお、各試験結果は、英弘精機株式会社熱伝導率計ＨＣ−０７４による試験の結果である。

なお、本発明は前記実施例の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨から逸脱しない範囲で適宜変更して具体化することもできる。

１真空断熱材
１０外包材
２０芯材
２５ウェブ
ｆガラス繊維

Claims

連続フィラメント法により製造されたガラス繊維（ｆ）の切断による、平均繊維径が３〜２０μｍで前記切断後の平均繊維長が３０〜２００ｍｍである、ショットのないガラス繊維（ｆ）の製造と、
該ガラス繊維（ｆ）の開繊による、ニードルパンチ加工のないウェブ（２５）の成形と、
該ウェブ（２５）の４０枚以上の積み重ねとにより、
乾式にて、ニードルパンチ加工のない、よって縦繊維が存在しない芯材（２０）を作製し、
ウェブ（２５）の成形後に、ガラス繊維（ｆ）の製造過程でガラス繊維（ｆ）に付着した集束材を３００〜７５０℃に加熱して分解除去し、ガラス繊維（ｆ）の製造後のガラス繊維（ｆ）からウェブ（２５）及び芯材（２０）を作製していく過程では、ガラス繊維（ｆ）に有機バインダーを添付せず、
芯材（２０）を外包材（１０）の内部に入れ、該内部を真空排気して外包材（１０）を密封する
真空断熱材の製造方法。
各１枚のウェブ（２５）の目付けは、１０〜１５０ｇ／ｍ ^２である請求項１記載の真空断熱材の製造方法。