JP6214187B2

JP6214187B2 - 高温物体の断熱具及び断熱方法

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Publication number: JP6214187B2
Application number: JP2013078159A
Authority: JP
Inventors: 伸彦若野; 健三稲富; 修一相原
Original assignee: 中外商工株式会社
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: JP2014202272A

Description

本発明は、高温物体の断熱具及び断熱方法に関するものである。

物体によっては、その温度を維持する必要のあるものがある。例えば、反応容器、貯蔵庫等である。反応容器の場合、反応温度に温度を維持しなければならない。何も処理しなければ放熱し温度が下がる。よって、熱源を用いてエネルギーを与えなければならない。放熱を小さくすることが省エネになることは当然である。この放熱を軽減するために、通常は物体に保温処理を行う。例えば、岩綿などの断熱材を周囲に貼付、固着する方法などである。

この方法は、熱を逃がす物体（上記例では反応器）の表面温度を下げて、放熱量を下げるものである。なぜならば、放熱量は、周囲との温度差が大きくなれば大きくなる（表面と環境それぞれの絶対温度の４乗の差に比例）ためである。しかし、この表面に保温材を貼付する方式はどうしても手間と費用がかかる。

そこで、比較的簡単に施工でき、断熱効率のよい保温具及び保温方法を提供する。

以上のような状況に鑑み、本発明者は鋭意研究の結果本発明物体の断熱具及び断熱方法を完成したものである。その特徴とするところは、断熱具にあっては、平面視多角形状の深さ５〜30ｍｍの容器である本体の開放された側を、高温の被断熱物体に、隙間を開けて点溶接し、点溶接した箇所以外の隙間を断熱シール材でシールしたものである点にある。断熱方法にあっては、平面視多角形状の深さ５〜30ｍｍの容器である本体の開放された側を、高温の被断熱物体に、隙間を開けて点溶接し、次いで点溶接した箇所以外の隙間を断熱シール材でシールする点にある。

本体は、薄い容器である。平面視は多角形である。例えば、正方形、長方形、正六角形等である。勿論、すべてが同じ形である必要はない。できれば、平面を隙間なく敷き詰めることができる形状が好ましい（本発明の本体を隙間なく敷き詰める意味ではない）。

本体のサイズは、平面視では正方形ならば１辺が３０〜１５０ｃｍであり、長方形ならば短辺が３０〜１００ｃｍ、長辺が５０〜１５０ｃｍである。他の形状でもほぼこの程度の大きさである。また、本体の深さは５〜３０ｍｍである。非常に浅い容器である。
５ｍｍ以下では断熱効果が小さく、３０ｍｍ以上になると本体の側面からの放熱が大きくなりトータルの放熱量が大きくなる。

本体の材質は、金属製であり、溶接できればよい。通常は鋼材である。被断熱物体がアルミその他の材質であれば、それと同じ材質のものでもよい。厚みは自由であるが、１〜５ｍｍであり、１．５〜２．５ｍｍ程度が好適である。

被断熱物体とは、断熱すべき高温物体である。反応器、溶融炉、貯蔵庫その他高温の物体ならばどのようなものでもよい。表面温度としては、５０℃〜２００℃程度である。

この被断熱物体に、本体を開放された側を物体側にしてわずかに隙間を開けて、点溶接する。隙間の大きさは、熱伝導が遮断されればよいためわずかでよい。限定はしないが、例えば、１ｍｍ〜５ｍｍ程度である。

点溶接とは、できるだけ金属接触を減らすためであり、溶接長さとしては、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度である。点溶接の数は、本体が保持されればよく、できるだけ少ないことが望ましい。必要個数は、本体がどのように設置されるかによっても異なる。例えば、垂直に設置する場合と、水平に設置する場合、また天井のように逆に設置する場合によって異なるものである。しかし、通常は４〜８ヶ所で十分である。
点溶接の方法は、隙間を確保するため、隙間と同じ厚みのものを挟み溶接後にそれを除去すればよい。また、隙間をあけて保持して溶接してもよい。

点溶接した箇所以外の隙間を断熱シール材でシールする。これは、本体と被断熱物体との間の隙間をなくすためである。隙間があると、その間に空気が通過し、断熱効果が小さくなるためである。このシール材は、前記した被断熱物体の温度に耐えるだけの耐熱性を有し、隙間に埋めることができる柔軟性を有しているものである。
例えば、耐熱性のシール材（ポリシロキサン系の樹脂、無機系高分子、粘土、セメント等）である。

また、本体内部で空気の対流が起こり、その対流によって、断熱効果が減少することがある。この対流を防止するため、本体の内部に仕切りを設けてもよい。仕切りは断熱材で構成しても、被断熱物体に接触しないようにしてもよい。この対流は、本体を垂直又はある程度の傾斜で設けた場合に影響は大きい。よって、それを防止する方向に設けるのがよい。

本体は、被断熱物体にいくつ貼付してもよい。基本的には貼付可能なところはすべて貼付するのがよい。また、本体同士は２〜１０ｍｍ、好ましくは３〜６ｍｍ程度離して貼付するのがよい。

さらに、本発明断熱具は、その効果を大きくするため、本体内部に放射熱を軽減する一定の塗料を塗布してもよい。
その塗料は、空気中の水分によって硬化反応するアルコキシシロキサンをビヒクルの主成分とし、金属粉末と溶剤を混合したものであって、当該金属粉末の混合量は、当該ビヒクル１００容積部に対して金属粉末が１０〜６５容積部であり、該金属粉末は、アルミニウム粉末、銀粉末、クロム粉末、ニッケル粉末の中から選ばれるものである。

ここで、アルコキシシロキサンとは、Ｓｉ−Ｏ結合（シロキサン結合）を持ち、分子内にアルコキシ基を有するものである。空気中の水分によって硬化反応するもので、アルコキシシロキサン単体でも、それにアルコキシドを少量（３〜１０重量％）混合したものでもよい。
分子末端がアルコキシシリル基で封鎖されたものはアルコキシオリゴマーであり、これが硬化するもの等でよい。

溶剤は、塗料の粘度調整のため加えるもので、硬化後には原則として残らないものである。溶剤としては、アルコキシシロキサンが溶解すればよく、アルコール系やケトン系等でよく、特別なものである必要はない。
混合量も塗布しやすさで決めればよく、自由である。通常は、アルコキシシロキサン１００容積部に対して、溶剤が１０〜５０容積部程度である。

ここでいう金属粉末とは、アルミニウム粉末、銀粉末、クロム粉末、ニッケル粉末の中から選ばれる１又は複数のものである。これらに限定している理由は、シュテファン・ボルツマンの放射熱の公式のε（放射率）が非常に小さいもので、かつビヒクルに混合した場合でも、その効果を十分有しているものである。これは発明者が種々の実験で見出したものである。
アルコキシシロキサンと金属粉末の混合比率は、前者１００容積部に対して、金属粉末が１０〜６５容積部（粉末のみの換算で）、好ましくは３０〜５０容積部である。容積で規定しているのは、表面の性質を問題としているため、重量ではなく、その体積で決まるためである。

金属粉末は、そのサイズとしては、０．５〜５０μｍ程度のものである。粒度がある程度分散するため、中心サイズ（平均サイズ）がこの範囲ならよい。

この金属粉末が、ビヒクル１００容積部に対して２０容積部以上というように非常に多いことがこの塗料の特徴である。物体を保温する場合、通常は表面温度を下げようとするため、塗料で保温する場合、断熱塗料を塗布することとなる。断熱塗料は、熱の伝導が小さいことが前提であるため、塗料に金属を入れることはない。よって、保温のために塗布される塗料で、金属粉末入りのものはないのである。

現在、市販されている金属粉末入りの塗料は、当然断熱目的ではなく、他の目的のものである。例えば、表面保護、美観その他である。このようなものには、この塗料のように多量に金属粉末を入れるものはない。
発明者の調査では、ビヒクル１００容積部に対して５容積部以下のものしかなかった。
目的がまったく異なるため当然である。

さらに、本発明塗料には、沈降防止剤を加えてもよい。これは、金属粉末が沈降して下方に偏ることを防止するためである。これを加えないと、混合容器の底部に金属粉末が偏ることが多い。
沈降防止剤としては、どのようなものでもよい市販のものでよい。

塗布厚みは、５〜１００μｍが好適である。従来の断熱塗料のように、厚く塗布する必要はなく、費用がかかるだけでなく、１００μｍ以上塗布するとかえって逆効果になる。５μｍ以下では効果が小さい。好ましくは７〜５０μｍであり、より好ましくは１０〜３０μｍである。

塗布する方法は、自由であり、刷毛やローラー等で通常の方法で塗布すればよい。スプレー方式でも可能である。

この塗料は、金属粉末が多量に含まれているため、熱伝導が大きく、これを塗布しても被塗布物の表面温度は下がらない。理由は明らかではないが、発明者の実験では、表面温度が上がったケースもあった。

次にこの塗料が放射熱を軽減する理由について説明する。
通常は、物体を保温する（温度ができるだけ下がらないようにする）には、表面温度を下げ（断熱し）、放熱量を下げる。
これは、放熱量は、シュテファン・ボルツマンの式から、物体の表面の絶対温度の４乗と、大気の（放熱する周囲環境の意味）絶対温度それぞれの４乗との差に比例するためである。
Ｅ＝ｋ（Ｔ1⁴−Ｔ2⁴）
Ｔ1 は、物体の表面温度、Ｔ2 は大気温
ｋは、種々の係数。

例えば、大気温が２７℃（３００Ｋ）の場合、完全黒体の表面温度が１２７℃（４００Ｋ）と、１０７℃（３８０Ｋ）とでは次のような差がある。
Ｅ１＝σε×（４００⁴−３００⁴）＝ｋ×１．７５×１０¹⁰
Ｅ２＝σε×（３８０⁴−３００⁴）＝ｋ×１．２８×１０¹⁰
Ｅ１：表面温度が１２７℃の放熱量（W/m²）
Ｅ２：表面温度が１０７℃の放熱量（W/m²）
σ：定数（5.6697×10^-8)
ε：放射率（表面の色や性質で決まる定数）

上記の例では、１．２８／１．７５＝０．７３
よって、σとεが同じであれば、表面温度が２０℃さがれば、Ｅ１に比べ放熱量は７３％になる。
このように表面温度に依存するため、表面温度を下げようとするのである。

放射率（ε）とは、ある物体から外部に放出されるエネルギーと完全黒体でのそれとの割合である。ここでいう完全黒体は放射率1.0と規定されていて赤外線を受けたとき、まったく反射せず、すべてを吸収するものをいう。このようなものは、赤外線を放出するときにも完全に放出するので、その比をとるのである。これは、熱を放射する物体の表面の色や性質で決まる数値であり、１以下の定数である。即ち、このεを小さくできれば、放射熱量はそれに比例して下がるのである。
例えば、通常の塗料や油は０．９８程度である。

従来、このように断熱せず（断熱を考慮せず）に放射熱量を下げるという考え方はまったくなかったため、この塗料のような塗料は存在しなかった。

次にこの塗料に使用する金属粉のεの値について説明する。
例えば、アルミニウム粉末では０．１６、磨いた面のアルミ板では０．０６であった。しかし、ビヒクルに混合し、その表面のεは、ほぼ０．4〜０．6程度である。
また、一般の断熱塗料では、前記したとおり、０．９５以上である。また、その色がグレー系であっても、０．8〜０．９である。

εは、色や表面状態で決まるため、塗布した塗料表面が汚れると値が変化する。前記した通り、油は０．９８であるため、油で汚れると、どんどん１に近づくことになる。即ち、放射熱量がどんどん大きくなる。

具体的な軽減例としては、大気温が２７℃（３００Ｋ）の場合において、ある物体の表面温度が１５０℃（４２３Ｋ）の時の放射率１で算出した放熱量をＥ３とし、市販の非接触型放射温度計（放射率０．９５設定）で計測した放射温度１０６℃（３７９Ｋ）で算出した放熱量をＥ4とすると、Ｅ4／Ｅ3≒０．５となる。
Ｅ３＝１．０×σ×（４２３^４−３００^４）＝１３５６（Ｗ／ｍ^２）
Ｅ４＝０．９５×σ×（３７９^４−３００^４）＝６７５（Ｗ／ｍ^２）

このような油等の汚れは、通常の塗料に付着すると、非常に取れにくく、グラインダーのようなもので研磨しなければならないほどである。しかし、この塗料は、アルコキシシロキサンをビヒクルとしているため、表面がガラスのようになり、通常の塗料と異なり、汚れが非常に簡単に落ちる。例えば、乾いたダスターでふき取るだけでほとんど除去できる。このように汚れが簡単に除去できることが放射率を低く保つ大きな要素となるのである。

この塗料自体の構成や効果は、本出願人がすでに特許出願しており、そこに詳細に実験結果を示した（特開２０１２−０３１３９２）。

次にこのような塗料を、本発明では本体の内部に塗布しても断熱効果が大きくなることを見出した。上記塗料は放射率が非常に小さいので、高温物体の表面に塗布して放射する熱量を軽減するのは前記した通り当然である。しかし、本発明では、この塗料は、被断熱物体自体に塗布しなくとも、また外表面に塗布しなくとも断熱効果が大きいのである。その理由は、放熱が小さいということは吸熱も小さいということになる。

高温物体からの本体への吸熱を小さくし、その結果本体から大気への放熱を小さくすると考えられる。例えば、容器の内部に熱源がある場合、その熱源から放熱して容器の内面から容器に熱が吸収され、その熱が容器の外表面から大気に放出される。この時の容器への吸収を軽減するのである。

前記したシュテファン・ボルツマンの式は、放熱だけでなく吸収にも当てはまるもので、放射率が小さいと、吸収も小さくなるのである。よって、容器の内部に塗布することに大きな意味があるのである。前記した通り、塗料に汚れが付着すると放射率が大きくなるが、上記した塗料汚れが簡単にふき取れる効果がある。しかし、本発明では、本体の内部に塗布しているため、そもそも汚れないので、そのようなふき取りの手間も不要である。

本発明では、本体内部に塗布しているが、その他の部分にも同様の塗料を塗布してもいいことは言うまでもない。

本発明の断熱具及び断熱方法には次のような効果がある。
（１）施工が簡単で、大きな断熱効果を得ることができる。
（２）アルコキシシロキサンをビヒクルとした前記塗料を本体内部に塗布すると、より大きな断熱効果が得られる。

本発明断熱具の本体１を示す斜視図である。図１に示す本体を被断熱体（高温物体）２の表面に貼付したところの断面図である。

以下実施例に従って本発明をより詳細に説明する。
図１は、本発明断熱具の本体１を示す斜視図である。この例では、鉄製のもので、平面視のサイズが１ｍ×１ｍで、深さが１０ｍｍである。板材の厚みは２ｍｍである。

図２は、図１に示す本体を被断熱体（高温物体）２の表面に貼付したところの断面図である。本体１が被断熱体２に点溶接３されている。この点溶接部以外は、本体１と被断熱体２との間は、離れていて（約２ｍｍ）、その間はシール材で密閉されている。貼付の方法としては、本体１を被断熱体から２ｍｍ離して保持し、４箇所点溶接する。溶接部以外の隙間をシール材でシールするだけでよい。

次にこの図２に示す例を通常の断熱具とその断熱効果を比較する。
被断熱体として２００℃の面状ヒーターを用い、その上に図２の本発明の例を貼付して表面からの失われる熱量を測定した。失われる熱量は、ヒーターを２００℃に維持するために必要な熱量であり、これを消費電力量で表した。

また、表１に実施例と比較例の構造を列記した。厚みは、本体の深さと底板の厚みを加えたものである。これらは、本発明の３つの構造的特徴を持つものと持たないものである。即ち、本体が深さのある容器状である点、密着せず点溶接している点、密着していない隙間を断熱材でシールする点である。
表２に各例の表面温度と上記した消費電力、及び比較例１に対する消費電力の軽減率を表す。
この表から明らかなように、本発明実施例は、すべて２０％程度の軽減率を示した。本体が厚い（深い）ものは、本体の側面からも放熱するため、３０ｍｍ以上のものは効果が小さくなった。

比較例１は単なる断熱塗料の塗布であり、断熱効果が小さい。比較例２は、断熱材（板状）の貼付でありこれも小さかった。比較例３は、本発明の本体を使用しているが、本体と被断熱物体が密着しているため、本体が断熱材の役目をほとんど果たしていない。比較例４は、点溶接しているため、密着はしていないが、本体と被断熱物体との間に隙間があり、そこを空気が通過し、そこから熱が逃げるため、断熱効果が小さくなった。

次に、本発明断熱具の本体内側に前記説明した塗料を塗布したときの効果について説明する。図２に示した本体の内部に塗布したものの断熱効果にについて、比較例と比較して説明する。ここで用いた塗料は、次の通りである。
市販されているシリコーンアルコキシオリゴマー（アルコキシシロキサン）（商品名：Ｘ−４０−９２５０、ジメチルシリコーンオイルとメチルトリメトキシシランオリゴマーのブロックポリマー）１００容積部に、アルミニウム粉末を１４．９容積部混合して攪拌した。
このアルミニウム粉末は、粒度として中心サイズが約１５μｍ（径）でほぼ正規分布しているものであり、ターペンやキシレンと混合されて扱いやすくなったものを使用した。ターペン等は揮発性であり、塗布後揮発して消滅するものである。通常アルミ粉末１００重量部に対して、３０〜７０重量部程度混合されている。金属粉末の量は、このターペン等を含まない量であることは当然である。
これに溶剤（イソプロピルアルコール）を２０容積部加えた。
これを攪拌して塗料とした。

表３に、その塗料の塗布位置の違いによる実施例、比較例を示す。即ち、前の段落で述べた断熱塗料をどの部分に塗布するのかである。実施例５は、実施例２と内部に上記塗料を塗布した以外は同じである。この表から明らかなように、本発明の本体の内側か外側か、さらに被断熱物体の表面（本体の中）かである。

表４に各例の表面温度と上記した消費電力、及び比較例４に対する消費電力の軽減率を表す。
この表から明らかなように、どこに塗布しても対した差はない。しかし、前記した通り、一般に塗料の放射率は汚れると大きくなるが、内側であるため、その心配はほとんどない。本発明では、この内側に塗布することがポイントである。勿論、その他の部分にも、この塗料を塗布してもよい。

１本体
２被断熱物体
３点溶接部分

Claims

平面視多角形状の深さ５〜３０ｍｍの容器である本体の開放された側が、高温の被断熱物体に、１ｍｍ〜５ｍｍの隙間を空けた状態で、４〜８箇所、一定間隔を空け、溶接長さ１ｍｍ〜１０ｍｍの点溶接で固着されており、該隙間に、ポリシロキサン系の樹脂、無機系高分子、粘土又は、セメントのいずれかでシールされたものであることを特徴とする高温物体の断熱具。
該本体の内側に、空気中の水分によって硬化反応するアルコキシシロキサンをビヒクルの主成分とし、金属粉末と溶剤を混合したものであって、該金属粉末の混合量は、該ビヒクル１００容積部に対して金属粉末が１０〜６５容積部であり、該金属粉末は、アルミニウム粉末、銀粉末、クロム粉末、ニッケル粉末の中から選ばれる１又は複数のものである塗料を塗布したものである請求項１記載の高温物体の断熱具。
平面視多角形状の深さ５〜３０ｍｍの容器である本体の開放された側が、高温の被断熱物体に、１ｍｍ〜５ｍｍの隙間を空けた状態で、４〜８箇所、一定間隔を空け、溶接長さ１ｍｍ〜１０ｍｍの点溶接で固着されており、該隙間に、ポリシロキサン系の樹脂、無機系高分子、粘土又は、セメントのいずれかでシールすることを特徴とする高温物体の断熱方法。
該本体の内側に、空気中の水分によって硬化反応するアルコキシシロキサンをビヒクルの主成分とし、金属粉末と溶剤を混合したものであって、該金属粉末の混合量は、該ビヒクル１００容積部に対して金属粉末が１０〜６５容積部であり、該金属粉末は、アルミニウム粉末、銀粉末、クロム粉末、ニッケル粉末の中から選ばれる１又は複数のものである塗料を塗布したものである請求項３記載の高温物体の断熱方法。