JP6385319B2 - 真空断熱パネルの製造方法及び製造装置並びに真空断熱パネル - Google Patents

Description

本発明は、例えば冷蔵庫や保冷庫、或いは保温庫や住宅等の断熱壁等に用いられる真空断熱パネル並びにその製造方法及び製造装置に関する。

この種の真空断熱パネルは、以下の特許文献１〜３に開示されている。先ず、特許文献１に開示された真空断熱材は、無機繊維からなる芯材を、ガス吸着剤とともにガスバリア性フィルムからなる袋体に収納し、袋体内部を真空吸引して、開口部を封止することで製造される。開口部の封止は、熱融着シールにより行われる。同文献には、芯材に塗布するバインダーの量に応じて、経時的に芯材から発生するアウトガスが増加し、断熱性能が経時的に悪化する旨が記載されている。

特許文献２の第２図に開示された真空断熱体は、重ね合わせた一対の金属薄板の周縁部を溶接接合してなる袋体内に無機断熱材を封入したものである。同文献には、金属薄板としてステンレス薄鋼板を使用すること、袋体内を真空吸引することが開示されている。

特許文献３に開示された真空断熱パネルの製造方法では、少なくとも一方に膨出部を有する２枚のステンレス薄鋼板を外包材として用い、先ず、膨出部にグラスウール製の芯材を収容して２枚のステンレス薄鋼板を重ね合わせ、その周縁部を一部を残して溶接接合する。そして、溶接せずに残された一部を真空吸引するための開口部として利用し、真空引きを行った後、当該開口部を溶接接合する。

特開２００４−３０８６９１号公報 特開平０１−１５００９８号公報 特開２０１３−１７０６５２号公報

特許文献１に開示された真空断熱材では、開口部の封止方法として、熱融着シールを採用していることから、当該封止部から水分が透過し真空度が低下して、熱伝導率が上昇するという問題がある。ガス吸着剤を外包材内に芯材とともに封入していることにより、封止部から透過して内部に入った水分はガス吸着剤に吸着されるため、ある程度の期間は真空度の低下を抑制できる。しかし、ガス吸着剤の吸着量には限度があるため、ある程度の期間を過ぎると真空度が低下し熱伝導率が上昇する。

特許文献２、３に開示されているように、外包材として金属薄板を使用し、その周縁部や開口部を溶接接合にて封止すれば、溶接不良が無い限り、封止部から水分が透過することはなくなる。よって、外包材の外部から内部に水分が浸入することに起因する熱伝導率の上昇は発生しなくなると考えられる。しかしながら、実際に、外包材として金属薄板を使用し、その周縁部や開口部を溶接接合にて封止して製造した真空断熱パネルであっても、製造直後から一定の期間（約３、４か月）は、熱伝導率が大きく上昇することを本件発明者は確認している。

本発明は、かかる実情に鑑みて創案されたものであり、真空断熱パネルの製造直後から一定期間内の熱伝導率の上昇を抑制することにより、製造直後の断熱性能に近い良好な断熱性能を長期にわたって維持することが可能な真空断熱パネル並びにその製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明の真空断熱パネルの製造方法は、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルを製造する方法において、前記芯材を加熱して当該芯材が含有する水分量を０．０５重量％以下とする工程と、前記芯材を前記外包材で包み込む工程と、前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力を１Ｐａ以下とした状態で当該外包材の開口部を溶接により封止する封止工程と、を含む真空断熱パネルの製造方法であって、前記外包材の内部空間側となる面は、前記外包材の内部空間内の酸素と結合して不動態膜が形成されることで当該不動態膜に前記外包材の内部空間内の水分が吸着可能とされるとともに、前記芯材との接触による当該不動態膜の損傷が小さくなるよう表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするものである。

真空断熱パネルの性能劣化は、外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さが小さいものほど断熱性能の劣化を遅らせることができ、その劣化の程度も顕著に小さくなると考えられる。特に、外包材として、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス鋼板を用いることにより、製造直後と比較した熱伝導率の上昇率が３０％以下となる、経時変化が抑制された真空断熱パネルを製造できる可能性が高まる。

前記封止工程は、前記芯材を包み込んだ外包材を圧力が１Ｐａ以下の真空中においた状態で、当該外包材の開口部を溶接により封止するものとしてもよい。

かかる構成を備える真空断熱パネルの製造方法によれば、多数の外包材に対する真空排気処理を一緒に纏めて行うことが可能となる。

本発明の真空断熱パネルは、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルであって、前記芯材が含有する水分量が０．０５重量％以下であり、前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力が１Ｐａ以下であり、前記外包材の内部空間側となる面は、前記外包材の内部空間内の酸素と結合して不動態膜が形成されることで当該不動態膜に前記外包材の内部空間内の水分が吸着可能とされるとともに、前記芯材との接触による当該不動態膜の損傷が小さくなるよう表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするものである。

真空断熱パネルの性能劣化は、外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さが小さいものほど断熱性能の劣化を遅らせることができ、その劣化の程度も顕著に小さくなると考えられる。特に、外包材として、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス鋼板を用いることにより、製造直後と比較した熱伝導率の上昇率が３０％以下となる、経時変化が抑制されたものとなる可能性が高まる。

本発明に係る真空断熱パネルの製造方法によれば、製造直後の断熱性能に近い良好な断熱性能を長期にわたって維持することができる真空断熱パネルを製造できる可能性が高まる。
また、本発明に係る真空断熱パネルによれば、製造直後の断熱性能に近い良好な断熱性能を長期にわたって維持することができる可能性が高まる。

真空断熱パネルの分解図である。 外包材の周縁部の溶接工程を説明する図である。 含有する水分量が異なる複数の芯材をそれぞれ使用した真空断熱パネルの熱伝導率の経時変化を示すグラフである。 溶接機の一例を示す図である。 真空溶接機の一例を示す図である。 連続製造設備の一例を示す図である。 連続製造設備の制御系の構成例を示すブロック図である。

以下、真空断熱パネルの製造方法の実施形態について説明する。この実施形態に係る製造方法によって製造される真空断熱パネルは、例えば図１に示すように、芯材１をステンレス鋼板製の外包材２で包み込み、その芯材１を包み込んだ外包材２の内部空間３を真空状態としたものである。

芯材１は、製造して出来上がった真空断熱パネル１０の外包材２が大気圧によって圧潰しないように、内側から外包材２を支持するものである。この芯材１には無機繊維が使用される。無機繊維としては、グラスウール、セラミックファイバー等が例示される。この芯材１には、バインダーを一切含まないものを使用することが望ましい。バインダーを含む芯材を使用すれば、経時的に芯材からアウトガスが発生し、断熱性能が経時的に悪化するおそれがあるからである。

外包材２は、２枚の外包板２Ａ，２Ｂで構成されている。これらの外包板２Ａ，２Ｂには、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス薄鋼板が使用される。２枚の外包板２Ａ，２Ｂは、周縁部の形状およびサイズが一致している。少なくとも一方の外包板２Ｂに膨出部４が形成されており、２枚の外包板２Ａ，２Ｂを周縁部を揃えて重ね合わせることで、一方の外包板２Ｂの膨出部４の凹側面と、もう一方の外包板２Ａとの間に内部空間３が形成される。この内部空間３に芯材１が収容される。図面に例示する２枚の外包板２Ａ，２Ｂは、厚さ方向から視て矩形状のものとなっている。なお、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス薄鋼板を使用する理由については後に詳述する。

この実施形態における真空断熱パネルの製造方法では、芯材１が含有する水分を取り除く水分除去工程と、芯材１を外包材２で包み込む芯材包込工程と、外包材２を溶接する溶接工程と、で主に構成されている。更に溶接工程は、芯材１を包み込んだ外包材２の周縁部の一部を残して溶接する封止前溶接工程と、当該一部を溶接により封止する封止溶接工程とを含んでいる。

水分除去工程においては、芯材１を加熱処理することにより、芯材１が含有する水分を水分量が０．０５重量％以下（好ましくは０．０２重量％以下）となるまで取り除く。なお、芯材１の水分量を０．０５重量％以下（好ましくは０．０２重量％以下）とする理由については後に詳述する。

芯材１の加熱処理後は、当該芯材１を低湿度雰囲気におきながら、芯材１が所定温度以下（例えば約２０℃等の室温以下）に低下するまで放置する。芯材１を低湿度雰囲気におく形態の一例として、加熱処理後の芯材１をデジケータ内に入れておくことが挙げられる。

芯材包込工程においては、芯材１の含有水分量が前記値以下となり、芯材１が所定温度まで低下した後に、当該芯材１を外包板２Ｂの膨出部４の凹側に収容して、２枚の外包板２Ａ，２Ｂを周縁部を揃えて重ね合わせる。これにより、芯材１が外包材２で包み込まれた状態となる。

封止前溶接工程においては、重ね合わせた２枚の外包板２Ａ，２Ｂの周縁部を厚さ方向に加圧保持した状態で、図２（ａ）に示すように、その周縁部７のうちの３辺近傍７ａ〜７ｃを大気中で溶接する。これにより、周縁部７のうちの残りの一辺近傍に、外包材２の内外を通気可能に連通する開口部６が残る。

封止溶接工程においては、封止前溶接工程が施された、芯材１を包み込んだ外包材２を、圧力が１Ｐａ以下の真空中におき、重ね合わせた２枚の外包板２Ａ，２Ｂの周縁部７のうちの残りの１辺近傍７ｄを、厚さ方向に加圧保持しながら、図２（ｂ）に示すように、溶接して外包材２の開口部６を封止する。

封止前溶接工程および封止溶接工程では、溶接方法としてシーム溶接を用いる。シーム溶接の代わりに、アーク溶接、レーザ溶接、電子ビーム溶接など他の溶接方法を用いることもできる。但し、外包板２Ａ，２Ｂが薄いステンレス鋼板である場合は、シーム溶接を用いることが好ましい。これは、外包板２Ａ，２Ｂが薄いステンレス鋼板であるため、膨出部を絞り加工により形成した場合は、周縁部にしわが生じていることがあり、しわが生じている周縁部を溶接により接合すると、２枚の外包板２Ａ，２Ｂの隙間において溶接不良が発生する可能性が高いためである。溶接不良としては、溶け落ち等が挙げられる。そのため、外包板２Ａ，２Ｂの上下から加圧しつつ溶接することが可能なシーム溶接を用いて、しわを潰しながら隙間なく溶接することが好ましい。

＜芯材が含有する水分量を０．０５重量％以下とする理由＞
つぎに、芯材１が含有する水分量を０．０５重量％以下とする理由について説明する。図３に、芯材１が含有する水分量をどの程度まで除去すれば、ある程度の断熱性能を維持することができるかを調査した結果示す。この図は、含有する水分量が異なる複数のグラスウールからなる芯材１をそれぞれ使用した真空断熱パネルを複数試作し、試作直後の熱伝導率と、熱伝導率の経時変化が概ね止まる３ヶ月後の熱伝導率とを調査した結果を示している。一般的に世の中で使用されている高性能な真空断熱パネルの、製造直後の熱伝導率の平均的なレベルである熱伝導率５ｍＷ／ｍ・Ｋを許容熱伝導率の上限とした場合、この熱伝導率を満足するものは、芯材１の含有する水分量が０．０５重量％程度である事がこの調査結果からわかる。なお、芯材１が含有する水分量の測定には、京都電子工業株式会社製の電量滴定式カールフィッシャー水分計を使用した。

この調査結果により、グラスウールからなる芯材１の含有水分量を０．０２重量％まで除去することにより、長期間良好な断熱性能を維持することが可能な真空断熱パネルを製造できることが確認できる。また、ある程度の熱伝導率の経時変化はあるものの、最終的には熱伝導率が５ｍＷ／ｍ・Ｋ以下におさまることを期待できる芯材１の含有水分量として、０．０５重量％が上限であることがわかる。このことから、本実施形態においては、芯材１の含有水分量を０．０５重量％以下（好ましくは０．０２重量％以下）とした。

以下、真空断熱パネルの製造方法の具体的な実施例について説明する。製造方法の実施に先立って、まず、次のような外包材２と芯材１を準備した。
芯材１を包み込む外包材２を構成する外包板２Ａ，２Ｂには、寸法が２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×厚さ１００μｍのステンレス箔（ＳＵＳ３０４）を用いた。ステンレス箔として、表面粗さＲａが、それぞれ０．０５μｍ、０．１２μｍ（約０．１０μｍ）、０．１９μｍ（約０．２０μｍ）、０．３１μｍ（約０．３μｍ）、０．３９μｍ（約０．４μｍ）の５種類のステンレス箔を準備した。各表面粗さごとに３体ずつ、計１５体の真空断熱パネルを製造することとした。なお、ステンレス箔の表面粗さは、表面、裏面とも同一である。また、同一の表面粗さのステンレス箔を両方の外包板２Ａ，２Ｂに用いた。一方の外包板２Ｂには、プレス成形の絞り加工により、１９０ｍｍ×１９０ｍｍ×高さ５．０ｍｍの膨出部４を設けた。

先ず、水分除去工程について説明する。芯材１には、約１２００ｇ／ｍ^２の目付のグラスウールを用いた。そして、このグラスウールを、あらかじめ大気雰囲気の電気炉に挿入して、温度２００℃、３時間の加熱処理を行ったのち、炉から取り出し、すみやかに室温（２０℃）、相対湿度３０％のデシケータに移して３０分間保持する冷却処理を行った。この加熱処理と冷却処理の条件は、予備実験を行って、この芯材１が含有する水分量が０．０３〜０．０４重量％となるように決定した条件である。

その後、芯材包込工程として、冷却処理後の芯材１をデシケータから取り出し、外包板２Ａ、芯材１、外包板２Ｂの順に重ね合わせた。このとき、芯材１は、外包板２Ｂに設けられている膨出部４の内部にすき間なく充填されるように収容した。以下では、外包板２Ａと芯材１と外包材２Ｂとを重ね合わせたものを「パネル」と記す。

続いて、溶接工程について説明する。本実施例における真空断熱パネルの製造方法では、溶接工程は、第一工程（封止前溶接工程）と、真空中で行う第二工程（封止溶接工程）に分かれる。

溶接の第一工程として、「パネル」に対し、外包板２Ａの周縁部と外包板２Ｂの周縁部をシーム溶接によって加圧しながら溶接して接合した。このシーム溶接は、矩形の外包板２Ａ，２Ｂの３辺の外周に沿ってシーム溶接を３回に分けて、それぞれ直線状に溶接し、残りの１辺を開口部６として残した（図２（ａ）参照）。

溶接の第一工程に用いたシーム溶接機８（図４参照）は、単相交流式で、上側電極１２の形状は円盤状、下側電極１３の形状は棒状である。なお、１６は電極ベース、１７は、上側電極１２を支持するシームヘッド、１８はシームヘッド１７の移動用レールである。「パネル」を、テーブル１４に固定して、下側電極１３の上と、回転可能な上側電極１２との間にはさみこみ、上側電極１２が「パネル」を下側電極１３方向に加圧しながら回転移動して外包板２Ａの周縁部と外包板２Ｂの周縁部を溶接した。上側電極１２は、直径が１００ｍｍ、厚さ４ｍｍ、電極先端の曲率は２０Ｒとした。下側電極１３は、厚さ４ｍｍのブロック状の電極を用いた。溶接条件は、加圧力：１５０Ｎ、溶接速度：１ｍ／ｍｉｎ、溶接電流：１．６ｋＡ、通電時間のｏｎ／ｏｆｆ比は３ｍｓ／２ｍｓとした。

続く溶接の第二工程は、溶接の第一工程を終了した「パネル」を図５に示すような真空溶接機１５の真空チャンバー９内に持ち込み、真空中において、開口部６を溶接して封止する工程である。真空溶接機１５は、第一工程で用いた溶接機と同じ溶接機８が真空チャンバー９内に設置されてなるものである。

この第二工程では、真空チャンバー９内のワーク用テーブル１４上の所定位置に「パネル」を固定し、真空チャンバー９内の圧力が１Ｐａ以下になるまで真空排気を行った。このとき、「パネル」の内部空間３は開口部６を通じて自ずと真空排気される。その後、「パネル」の開口部６を第一工程と同一の溶接条件でシーム溶接することにより封止し、これにより真空封止を完了した。この第二工程では、シーム溶接は、図２（ｂ）に示すように、その溶接線が、第一工程において形成されたシーム溶接の溶接線と交差するように行った。最後に、「パネル」の周縁部の溶接線の外側約１０ｍｍを切除して、外形寸法が２００ｍｍ×２００ｍｍ×厚さ約５ｍｍの真空断熱パネルを製造した。

なお、芯材１をデシケータから取り出してから、「パネル」を溶接の第二工程に用いる真空溶接機１５の真空チャンバー９内に持ち込むまでの所要時間は約１０分であり、第二工程の溶接により開口部６の封止が終わるまでの所要時間は、さらに約１５分である。

＜製造した真空断熱パネルの断熱性能の経時変化の評価＞
以上の実施例に係る製造方法によって製造した真空断熱パネルについて、断熱性能の経時変化を、次の環境負荷試験と熱伝導率測定の組み合わせによって評価した。

まず、製造直後の真空断熱パネルの熱伝導率を測定し、そのあと、真空断熱パネルを、高温環境と低温環境の両方を繰り返す環境負荷試験に供した。詳しくは、真空断熱パネルを８０℃の温度環境で１２時間保持したあと、−１５℃の温度環境で１２時間保持し、その後は、これらの温度環境を１２時間毎に交互に繰り返す温度サイクルを形成した。この環境負荷試験を開始して６０日経過した時点で真空断熱パネルを取り出し、熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定後には、再び、上記環境負荷試験を継続した。その後も６０日経過ごとに同様に真空断熱パネルを取り出し、熱伝導率を測定し、環境負荷試験を継続した。

熱伝導率の評価は、英弘精機社製の熱伝導率測定装置ＨＣ−０７４／２００を用い、真空断熱パネルの中央部の平均温度が２５℃となる条件で、ステンレス箔の表面粗さＲａが異なる複数の真空断熱パネルについて熱伝導率を測定した。詳細には、ステンレス箔の表面粗さＲａが同じ真空断熱パネル３体についてその平均値を求めて、ステンレス箔の表面粗さＲａごとの熱伝導率とした。

表１に、真空断熱パネルの製造直後から、環境負荷試験６０日ごとの時点における熱伝導率の測定結果を示す。

この表１から、外包材に用いたステンレス鋼板の表面粗さＲａが小さいほど、製造直後からの日数が経過しても熱伝導率の増大が小さいことが明らかである。特に、ステンレス鋼板の表面粗さＲａが最も小さい０．０５μｍの真空断熱パネル（表１中にＮｏ．Ａで示すもの）は、製造直後の熱伝導率と比較して、１８０日後における熱伝導率が殆ど増加しておらず、断熱性能の劣化という点ではきわめて優秀な真空断熱パネルであった。

ステンレス鋼板の表面粗さＲａが最も小さい０．０５μｍの真空断熱パネル（表１中にＮｏ．Ａで示すもの）以外の真空断熱パネルは、製造直後から１８０日後までの間にそれぞれ熱伝導率の増大が認められるものの、どの真空断熱パネルも熱伝導率が大きく増大しているのは製造直後から６０日後までの間であり、その後の変化は小さく熱伝導率は安定している。このことは、製造直後から６０日後までに真空断熱パネルの内部空間の酸素が枯渇してしまったため、真空断熱パネルの内部空間においてガス成分になりうるものが多かったものほど、熱伝導率が大きい結果になったと考えられる。なお、真空断熱パネルの内部空間の酸素の枯渇と熱伝導率が大きくなることとの因果関係については、後に詳述する。

真空断熱パネルの内部空間においてガス成分になりうるものとしては、芯材を構成する繊維に吸着して持ち込まれた水分、真空断熱パネルの内部空間に残留していたガス成分、外包材に使用するステンレス鋼板の表面に吸着して持ち込まれた水分が考えられる。真空断熱パネルの断熱性能の経時変化を抑制するためには、繊維に吸着して持ち込まれた水分を０．０５重量％以下に、また、真空断熱パネルの内部空間に残留していたガス成分を１Ｐａ以下に規制するだけでなく、ステンレス鋼板の表面に吸着して外包材の内部空間に持ち込まれた水分も規制することにより達成できる。外包材として、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス鋼板を用いることにより、熱伝導率の上昇率が３０％以下の断熱性能の経時変化が抑制された真空断熱パネルを製造することができる。

＜真空断熱パネルの断熱性能の劣化に関するメカニズム＞
以下、真空断熱パネルが繰り返し温度履歴を受けた場合に断熱性能が劣化するメカニズムについて説明する。

［１．真空断熱パネルの内面への水分の吸着について］
真空断熱パネルの内部空間のように、容器の内部を真空ポンプにより真空排気して作った真空空間では、その容器の内部に残留しているガス分子は大部分が水分である。通常の大気のように窒素ガスと酸素ガスが約４：１の割合で残留しているのではない。これは、どんなに真空ポンプを使ってガス成分を排気しても、真空容器の容器内側の表面に吸着している水分が脱離して、容器内でガス成分となるためである。

ただし、水分が真空容器の容器内側の表面に吸着しているだけであれば、真空断熱パネルの熱伝導率の点では悪影響を与えない。これは、室温前後の温度においては、真空断熱パネルの内部空間の水分はこの不動態膜の表面に吸着されたままであり、ガス分子となっていないので、当該真空断熱パネルの熱伝導率を上昇させることにならないためである。

しかし、水分の吸着と脱離の状況は吸着面の温度の影響を大きく受ける。真空断熱パネルの温度が上昇した場合は、水分は不動態膜から脱離して真空断熱パネルの内部空間にガス分子となって放出されるので、この場合は熱伝導率が上昇することになる。真空断熱パネルの温度が繰り返しの履歴をたどる場合には、真空断熱パネルの内部空間の水分は温度に対応して空間から壁面への吸着と壁面から空間への放出とを繰り返す。

［２．表面粗さと水分量の関係］
表面粗さＲａが大きい表面ほど、見掛け表面積よりも実際の表面積は大きいから、外包材の内部空間側の面の表面粗さが大きいほど、真空断熱パネルの内部空間に持ち込まれる水分量は増えると考えられる。

［３．損傷した（傷ついた）不動態膜の再生について］
ステンレス鋼板の表面は、緻密な不動態膜（ＣｒやＦｅの酸化物からなる、ごく薄い層）に覆われている。ステンレス鋼板の表面が芯材により擦られて不動態膜が損傷した場合であっても、大気中であればステンレス鋼板中のＣｒ、Ｆｅが大気中の酸素と直ちに結合して不動態膜は修復される（再生する）。大気から酸素が供給されるのであれば、酸素の量は無尽蔵である。しかし、真空断熱パネルの内部は減圧されており、しかも外界とは遮断された閉じた空間であるため、パネル内部に存在する酸素量には限りがある。つまり、結合するために必要な酸素が必ず供給されるわけではない。この点が、繰り返し温度履歴を受ける真空断熱パネルの性能劣化に関する特有の事情である。

［４．真空断熱パネルの断熱性能の劣化挙動］
表面粗さが大きい表面とは、凹凸の高低差が大きい表面ということである。一方、真空断熱パネルの外包材は、真空断熱パネルが受ける繰り返し温度履歴によって膨張と収縮を繰り返す。このため外包材の内部空間側の面にあるステンレス鋼板の表面の凸部が芯材と繰り返し接触して、凸部の不動態膜が擦られて破損すると考えられる。擦られて不動態膜が破損しても、真空断熱パネルの内部空間に酸素が存在している間は直ちに不動態膜は再生され、再生した不動態膜は水分を吸着してくれるので、内部空間の圧力が上昇して熱伝導率が増大してしまうことにはならない。しかし、真空断熱パネルの内部空間内の酸素量には限りがあるから、繰り返し温度履歴を受けているうちに、その酸素は不動態膜の修復のために消費されていき、やがて枯渇してしまうと考えられる。

真空断熱パネルの内部空間の酸素が枯渇してしまうと、不動態膜が破損しても修復されず、破損部分には活性な金属面が露出した状態のままとなる。活性な金属面は真空断熱パネルの温度が下がっても水分を吸着せず、水分はガス分子の状態で内部空間内に存在しつづけることになる。真空断熱パネルの性能評価は、通常、室温で熱伝導率を測定することによって行われるが、この状態の真空断熱パネルは、温度が下がっても真空断熱パネルの内部空間の圧力は高いままとなるから、熱伝導率が増大した状態、つまり性能劣化した状態となる。すなわち、真空断熱パネルの断熱性能評価では、真空断熱パネルの内部空間の酸素が枯渇した後に、熱伝導率が上昇し断熱性が劣化したように観察されると考えられる。

［５．断熱性能の劣化挙動に及ぼす表面粗さの影響］
［５．１表面粗さと真空断熱パネルの内部空間の酸素枯渇までの時間との関係］
表面粗さが小さい表面は、凸部の高さが小さいため、真空断熱パネルの外包材が膨張と収縮を繰り返しても凸部と芯材が接触しにくい（外包材の内部空間側の面と芯材との間にスキ間があるイメージである。）。また、凸部と芯材が接触したときの接触面圧も小さいと考えられる。そのため、真空断熱パネルが繰り返し温度履歴を受けても、表面粗さが大きい場合と比較して、不動態膜が損傷する頻度が小さい。また、芯材との擦れにより不動態膜の損傷が起こっても、不動態皮膜が損傷した箇所は内部空間から供給される酸素と結合して不動態膜の再生が行われるが、不動態膜が損傷する頻度が小さいので、酸素の消費量も少ない。すなわち、酸素の枯渇も起こりにくい。このため、表面粗さが大きい場合は、性能劣化の状態に至るまでの期間が表面粗さが小さい場合よりも短時間となると考えられる（性能劣化しやすい、すなわち耐久性が低いと考えられる。）。

［５．２表面粗さと水分量の関係］
２．の繰返しになるが、表面粗さが大きい場合は、真空断熱パネルの内部空間に持ち込まれる水分量が多いので、酸素が枯渇して性能劣化の状態となったときに内部空間内にガス分子として存在する水分量も多いと考えられる。すなわち、性能劣化の状態となったときの劣化の程度が、表面粗さが大きいほど顕著（熱伝導率が顕著に大きくなる）と考えられる。

［６．表面粗さＲａ０．２μｍを境にした、量的又は質的な作用効果の違い］
５．に書いたように、真空断熱パネルの性能劣化は、外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さが大きいものほど早い時期に性能劣化の状態になり、また性能劣化の程度も顕著であると考えられる。

実施例には、種々の表面粗さＲａを有するステンレス鋼板を用いて製造した真空断熱パネルの、断熱性能の経時変化を示している。表面粗さＲａがもっとも小さい０．０５μｍのステンレス鋼板を用いて製造した真空断熱パネルの熱伝導率は、製造直後から小さい値を示し、その後もほとんど増大しないという結果であった。これは、外包材に用いたステンレス鋼板の表面粗さが小さいことから、真空断熱パネルの内部空間に持ち込まれる水分量が少なかったことに加えて、内部空間での酸素の枯渇が起こらなかったため、性能劣化の状態に達しなかったものと考えられる。

一方、表面粗さＲａが０．０５μｍ以外のステンレス鋼板を用いて製造した真空断熱パネルは、いずれも製造後６０日までのうちに熱伝導率が増大した。その後、その熱伝導率は大きくは変化しないという結果であったが、これは、製造後６０日までのうちに真空断熱パネルの内部空間の酸素が枯渇したため、内部空間を形成するステンレス鋼板の表面に吸着できなくなった水分により熱伝導率が上昇し、上昇の程度は表面粗さが大きいものほど顕著であったと考えれば説明できる。

外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さＲａが大きいことは、上記のように酸素枯渇による性能劣化までの期間を短くすることと、性能劣化したあとの熱伝導率を増大させることの両方を助長することになるので、表面粗さを規定することは、両方の観点から対策を講じることになる。仮に、熱伝導率の上昇率を３０％まで許容するとすれば、表面粗さＲａは０．２μｍ以下であることが指標となる。

前述のとおり、「パネル」に対して行う溶接工程は、第一工程（封止前溶接工程）と第二工程（封止溶接工程）から構成される。ここで、第二工程は真空チャンバー９内で行うため、「パネル」１枚ごとに真空チャンバー９の大気開放と真空排気を繰り返すこととなるが、これでは生産効率が低い。そこで、第一工程を終了した「パネル」について、後述する減圧室、封止溶接室、復圧室をこの順序で備えた設備を用いて第二工程を行うことにより、高い生産効率で真空断熱パネルの製造が可能な実施例を説明する。

高い生産効率で真空断熱パネルの製造を可能とするには、図６に示す連続製造設備３０を用いて溶接の第二工程（封止溶接工程）を行う。連続製造設備３０は、その要素設備として、真空加熱炉３１、待機室３２、減圧室３３、封止溶接室３４、復圧室３５、搬送手段４１、ゲートバルブ３６〜４０等を備えている。

真空加熱炉３１は、複数枚の「パネル」５１を装填することができる真空炉と、炉内を真空に排気するための真空排気系と、「パネル」５１を加熱するための加熱源とを備える。この真空加熱炉３１内に複数枚の「パネル」５１を装填した状態で炉内を真空に排気しながら、加熱源により「パネル」５１を加熱することで、芯材の水分量を０．０５重量％以下まで低減する水分除去が行える。

待機室３２は、減圧室３３内の圧力が大気圧に復帰するまで（減圧室３３については後述する。）、「パネル」５１を待機させる室である。この待機室３２には乾燥窒素ガスの流通装置が備わっている。

減圧室３３には、室内を真空に排気するための真空排気系と、「パネル」を加熱するための加熱源が備わっている。真空排気系を備えることにより、真空加熱炉３１にて芯材１の水分除去が済んだ「パネル」５１を減圧室３３に装填した状態で、減圧室３３内を減圧状態に保つことができる。そのため、「パネル」５１を減圧室３３から封止溶接室３４に送り込むために、減圧室３３と封止溶接室３４を連通した場合でも封止溶接室３４の室内圧力が大気圧近くまで復圧してしまうことを防ぐことができる。減圧室３３の室内圧力は、大気圧以下であり、かつ封止溶接室３４の室内圧力を超えない範囲である。好ましくは１０Ｐａ程度である。
また、減圧室３３に備えた加熱源は、減圧室３３内においても「パネル」５１を加熱状態で保持するために用いる。加熱状態を保持することで、水分除去が済んだ後の芯材１に、再び水分が吸着することを防ぐことができる。加熱温度としては、２００℃以下でよい。

封止溶接室３４は、室内を真空に排気するための真空排気系と、溶接の第二工程である封止溶接工程を行うための溶接機５３を備える。この溶接機５３として、実施例１の封止溶接工程に用いた、真空チャンバー９内に持ち込まれた真空溶接機１５（図５参照）を用いることができる。また、真空排気系は、この封止溶接室３４の室内を減圧する。これにより、「パネル」５１の開口部６（図２（ａ）参照）を通じて芯材１を包み込んだ外包材２Ａ，２Ｂの内部空間３の圧力が１Ｐａ以下とされて、その状態で当該外包材２Ａ，２Ｂの開口部６を溶接によって封止することができる。また、封止溶接室３４内の圧力を迅速に減圧するため、ベーキング装置を備えて封止溶接室３４の室内壁を加熱できることが好ましい。

復圧室３５は、室内を真空に排気するための真空排気系と、室内の圧力を大気圧に復圧するための復圧ガスの導入系を備える。真空排気系を備えることにより、復圧室の室内圧力を減圧状態に保つことができる。これにより、封止溶接室３４で開口部６を封止した真空断熱パネル５２を復圧室３５に払い出す場合に、復圧室３５と連通する前に復圧室３５の室内圧力を低下させておくことで、封止溶接室３４と復圧室３５を連通しても封止溶接室３４の室内圧力が大気圧近くまで上昇してしまうことを防ぐことができる。このときの復圧室３５の室内圧力は、大気圧以下であり、かつ封止溶接室３４の室内圧力を超えない範囲であり、好ましくは１０Ｐａ程度である。

搬送手段４１は、「パネル」５１または真空断熱パネル５２を各要素設備間で受け渡すためのものである。

ゲートバルブ３６〜４０は、真空加熱炉３１、待機室３２、減圧室３３、封止溶接室３４および復圧室３５の各接続部と、復圧室３５の出口とに設けられている。このゲートバルブ３６は、は各室間の接続部（通路）を開閉可能な装置であって、閉鎖時には各室間に圧力差が生じてもその圧力差を維持できる程度に気密状態を確保でき、真空中でも開閉動作が可能な構造を有するもので構成される。なお、ゲートバルブに代えて同様の構造を有するもの（例えばシャッター等）を採用してもよい。

以下、図６に示す連続製造設備３０を用いて、「パネル」５１の開口部を真空中で封止溶接して真空断熱パネル５２を製造する方法について説明する。

まず、次のように芯材１と外包材２を準備した。芯材１は、約１２００ｇ／ｍ^２の目付のグラスウールを用いた。また、外包材２Ａ，２Ｂには、どちらも寸法が２２０ｍｍ×２２０ｍｍ×厚さ１００μｍで、表面粗さＲａが０．０５μｍのステンレス箔（ＳＵＳ３０４）を用いた。２枚の外包材のうち、外包材２Ｂには、プレス成形の張出し加工により１９０ｍｍ×１９０ｍｍ×高さ５．０ｍｍの膨出部４を設けた。

そして、芯材１に対して水分除去工程を行わずに芯材１を外包材２Ａ，２Ｂで包み、「パネル」を得た。そして、溶接の第一工程（封止前溶接工程）を行った。溶接の第一工程について具体的な操作は実施例１と同様であり、「パネル」の３辺の外周に沿ってシーム溶接を３回に分けて、それぞれ直線状に溶接し、残りの１辺を開口部６として残した（図２（ａ）参照）。この溶接に用いた溶接機は、図４に示した溶接機８と同様のものである。

溶接の第一工程を終えた「パネル」を１６枚用意し、図６に示す連続製造設備３０の真空加熱炉３１に装填した。そして、芯材１の水分除去工程として、この真空加熱炉３１を用いて炉内圧力を１０Ｐａに設定し、４００℃の温度で加熱を開始した。開始直後は炉内圧力の上昇が認められたが、およそ３０分後には炉内圧力が低下しはじめ、加熱開始からおよそ１時間後には炉内圧力が１０Ｐａで安定した。そのため、水分除去工程が完了したと判断した。

真空加熱炉３１から水分除去工程を終了した「パネル」５１を１枚を取り出し、搬送手段４１を用いて、待機室３２まで移動させた。待機室３２の中には、大気圧の乾燥窒素ガスを流通させた。これは、「パネル」５１がこの待機室３２内でゲートバルブ３７が開くまで待機している間に、「パネル」５１の芯材が水蒸気を吸収しないためである。
「パネル」５１が待機室３２で待機中に、減圧室３３内を大気圧に復圧する。復圧するためには、大気を導入するのでなく乾燥窒素ガスを用いた。減圧室３３内の圧力が大気圧となってから、ゲートバルブ３７を開けて、「パネル」を減圧室３３へ送り込んだ。

続いて、ゲートバルブ３７を閉めて、減圧室３３の室内の真空排気を開始し、約１０Ｐａまで減圧した。また、封止溶接室３４も室内の真空排気を行い、室内の圧力を１Ｐａ以下となるように減圧した。そののち、ゲートバルブ３８を開き、「パネル」５１を真空溶接室３４へ送り込んだ。このとき、封止溶接室３４の室内圧力は、減圧室と接続したことによって悪化したが、高々４Ｐａ程度であった。そのあと、ゲートバルブ３８を閉めて封止溶接室３４の室内の真空排気を行い、１Ｐａ以下まで室内圧力が低下してから、真空溶接機５３を用いて開口部６（図２（ａ）参照）の溶接を行い真空断熱パネル５２を製造した。

開口部６の封止溶接が終了したのちは、ゲートバルブ３９を閉じたままで復圧室３５の真空排気を行って、室内圧力を約１０Ｐａ程度まで減圧した。そののち、ゲートバルブ３９を開けて、真空断熱パネル５２を復圧室３５に払い出した。
真空断熱パネル５２を復圧室３５に払い出した後でゲートバルブ３９を閉じ、復圧室３５には復圧ガスを導入して大気圧まで復圧した。１Ｐａ前後だった封止溶接室３４の室内圧力は、ゲートバルブ３９を開けて復圧室３５と接続したことによって悪化したが、高々７Ｐａ程度であった。

復圧室３５の室内圧力が大気圧まで復圧するのを待って、ゲートバルブ４０を開けて、製造した真空断熱パネル５２を連続製造設備３０の出側に払い出した。

ゲートバルブ３８が開くとき、ゲートバルブ３８の入側は大気圧ではなく約１０Ｐａに減圧された減圧室である。そのため、ゲートバルブ３８を開けても封止溶接室３４の室内の圧力が著しく悪化することはなく、高々４Ｐａ程度であった。そのため、「パネル」５１が封止溶接室３４に搬入されてから溶接を開始する１Ｐａ以下まで排気するために必要な所要時間が短くて済んだ。
また、ゲートバルブ３９が開くとき、ゲートバルブ３９の出側は大気圧ではなく約１０Ｐａに減圧された復圧室３５である。そのため、ゲートバルブ３９を開けても封止溶接室３４の室内の圧力が著しく悪化せず、高々７Ｐａ程度であった。そのため、次の「パネル」５１が封止溶接室３４に搬入されてから溶接を開始する１Ｐａ以下まで排気するために必要な所要時間が短くて済んだ。

＜連続製造設備の自動制御＞
上述した連続製造設備３０は手動運転設備および自動運転設備の何れであってもよい。自動運転設備とする場合は、特に、封止溶接室３４内の圧力を１Ｐａ以下とした状態で、「パネル」５１の開口部６を真空溶接機５３にて封止することと、減圧室３３および復圧室３５の圧力を大気圧と封止溶接室３４内の圧力との間の圧力（例えば１０Ｐａ）に維持することを自動制御により実施することが望ましい。この場合、連続製造設備３０は、制御装置６１（図７参照）、各室３３〜３５内の圧力を検出する圧力センサ６３〜６５を備える。制御装置６１は、圧力センサ６４により検出される封止溶接室３４内の圧力を真空排気系（減圧手段）によって１Ｐａ以下となるように制御し、封止溶接室３４内の圧力が１Ｐａ以下の状態で、「パネル」５１の開口部６の封止溶接を真空溶接機５３にて実施する。これにより、外包材２の内部空間３（図１参照）の圧力を確実に１Ｐａ以下とすることができる。
また、連続製造設備３０の制御装置６１は、各圧力センサ６３，６５により検出される減圧室３３内の圧力および復圧室３５内の圧力をそれぞれ大気圧と封止溶接室３４内の圧力との間の圧力（例えば１０Ｐａ）に維持するように真空排気系（減圧手段）を制御する。これにより、封止溶接室３４と減圧室３３または復圧室３５とが連通した際に、封止溶接室３４内の圧力上昇を抑制することができる。

そのほか、自動制御によって、１つの真空断熱パネル５２が封止溶接室３４から復圧室３５に移動するときに次の「パネル」５１を封止溶接室３４に入れて封止溶接室３４内の圧力を１Ｐａ以下にしたのち当該「パネル」５１の開口部６の溶接を実施すること等も可能である。例えば、連続製造設備３０に、待機室３２、減圧室３３、封止溶接室３４および復圧室３５内でのパネル５１（真空断熱パネル５２）の有無をそれぞれ検出するパネル検出器６６〜６９を設ける。そして、制御装置６１が、パネル検出器６８、６９の出力状態に基づいて、１つの真空断熱パネル５２の封止溶接室３４から復圧室３５への移動が完了したことを検出すると、ゲートバルブ３９を閉じるとともに、ゲートバルブ３８を開いて減圧室３３にある「パネル」５１を搬送手段４１にて封止溶接室３４に移動させる。その後、制御装置６１は、パネル検出器６７、６８の出力状態に基づいて、「パネル」５１の減圧室３３から封止溶接室３４への移動が完了したことを検出すると、ゲートバルブ３８を閉じて真空排気系により封止溶接室３４内の圧力を１Ｐａ以下とした後に、「パネル」５１の開口部６の封止溶接を真空溶接機５３にて実施するとともに、減圧室３３内を大気圧に復圧する。制御装置６１は、圧力センサ６３により検出される減圧室３３内の圧力が大気圧となった後、ゲートバルブ３７を開けて、待機室３２から次の「パネル」５１を搬送手段４１にて減圧室３３へ移動させる。そして、制御装置６１は、パネル検出器６６、６７の出力状態に基づいて、「パネル」５１の待機室３２から減圧室３３への移動が完了したことを検出すると、ゲートバルブ３７を閉じて、真空排気系により減圧室３３内の減圧を開始する。以上を実施することにより、封止溶接室３４内の圧力の上昇を抑制できるとともに、「パネル」に対して効率的に封止溶接工程を行うことができる。
＜実施形態のまとめ＞
本実施形態の真空断熱パネルの製造方法は、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルを製造するものを前提とし、前記芯材を加熱して当該芯材が含有する水分量を０．０５重量％以下とする工程と、前記芯材を前記外包材で包み込む工程と、前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力を１Ｐａ以下とした状態で当該外包材の開口部を溶接により封止する封止工程と、を含み、前記外包材の内部空間側となる面の表面粗さＲａが０．２μｍ以下であることを特徴とするものである。
真空断熱パネルの性能劣化は、外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さが小さいものほど断熱性能の劣化を遅らせることができ、その劣化の程度も顕著に小さくなると考えられる。特に、外包材として、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス鋼板を用いることにより、製造直後と比較した熱伝導率の上昇率が３０％以下となる、経時変化が抑制された真空断熱パネルを製造できる可能性が高まる。
前記封止工程は、前記芯材を包み込んだ外包材を圧力が１Ｐａ以下の真空中においた状態で、当該外包材の開口部を溶接により封止するものとしてもよい。
かかる構成を備える真空断熱パネルの製造方法によれば、多数の外包材に対する真空排気処理を一緒に纏めて行うことが可能となる。
本実施形態の真空断熱パネルは、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされたものを前提とし、前記芯材が含有する水分量が０．０５重量％以下であり、前記外包材の内部空間側となる面の表面粗さが０．２μｍ以下であり、前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力が１Ｐａ以下である、ことを特徴とするものである。
真空断熱パネルの性能劣化は、外包材に用いるステンレス鋼板の表面粗さが小さいものほど断熱性能の劣化を遅らせることができ、その劣化の程度も顕著に小さくなると考えられる。特に、外包材として、表面粗さＲａが０．２μｍ以下のステンレス鋼板を用いることにより、製造直後と比較した熱伝導率の上昇率が３０％以下となる、経時変化が抑制されたものとなる可能性が高まる。
本実施形態の真空断熱パネルの製造装置は、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルを製造するための装置を前提とし、芯材を包み込んだステンレス鋼板製の外包材の開口部を封止する溶接機が室内に設置された封止溶接室と、前記封止溶接室の前に接続された減圧室と、前記封止溶接室の後に接続された復圧室と、前記各室内の圧力を減圧するための減圧手段と、前記各室の接続部にそれぞれ設けられた通路開閉手段と、前記各室内の圧力を検出する圧力検出手段と、制御装置と、を備える。そして、前記制御装置は、前記圧力検出手段により検出される前記封止溶接室内の圧力を、前記減圧手段によって１Ｐａ以下とした状態で、芯材を包み込んだステンレス鋼板製の外包材の開口部を前記溶接機にて封止する手段と、前記減圧室および前記復圧室の圧力を大気圧と前記封止溶接室内の圧力との間の圧力に維持するように前記減圧手段を制御する手段と、を有することを特徴とするものである。
かかる構成を備える真空断熱パネルの製造装置によれば、外包材の内部空間の圧力を確実に１Ｐａ以下とすることができる。また、封止溶接室と減圧室または復圧室とが連通した際に、封止溶接室内の圧力上昇を確実に抑制することができる。
また、本実施形態の他の真空断熱パネルの製造方法は、無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルを製造する方法を前提とし、減圧室内で開口部を有する外包材の内部空間の圧力を大気圧から所定圧力に向けて減圧させる減圧工程と、前記減圧室に通路開閉手段を介して接続された封止溶接室内で外包材の内部空間の圧力を更に減圧して１Ｐａ以下とした状態で当該外包材の開口部を溶接により封止する封止工程と、を含むことを特徴とするものである。
かかる構成を備える真空断熱パネルの製造方法によれば、封止溶接室の前に減圧室が設置されているため、封止溶接室内の圧力の上昇を抑制でき、生産効率の向上を図ることができる。
上記構成を備える真空断熱パネルの製造方法において、前記減圧工程に先だって、前記芯材を前記外包材で包み込む工程と、該工程に続いて前記外包材と外包材で包み込んだ芯材を加熱して当該芯材が含有する水分量を０．０５重量％以下とする水分除去工程とを行うようにしてもよい。

本発明を実施することにより製造された真空断熱パネルは、例えば、冷蔵庫や保冷庫、或いは保温庫や住宅等の断熱壁等に好適に用いられる。

１ 芯材
２ 外包材
３ 内部空間
６ 開口部
１０ 真空断熱パネル
３０ 連続製造設備
３１ 真空加熱炉
３３ 減圧室
３４ 封止溶接室
３５ 復圧室
３６〜４０ ゲートバルブ（通路開閉手段）
５１ パネル
５２ 真空断熱パネル
５３ 真空（溶接機）
６１ 制御装置
６３〜６５ 圧力センサ（圧力検出手段）

Claims (3)

1. 無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルを製造する方法において、
   前記芯材を加熱して当該芯材が含有する水分量を０．０５重量％以下とする工程と、
   前記芯材を前記外包材で包み込む工程と、
   前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力を１Ｐａ以下とした状態で当該外包材の開口部を溶接により封止する封止工程と、
   を含む真空断熱パネルの製造方法であって、
   前記外包材の内部空間側となる面は、前記外包材の内部空間内の酸素と結合して不動態膜が形成されることで当該不動態膜に前記外包材の内部空間内の水分が吸着可能とされるとともに、前記芯材との接触による当該不動態膜の損傷が小さくなるよう表面粗さＲａが０．２μｍ以下である
   ことを特徴とする真空断熱パネルの製造方法。
2. 前記封止工程は、前記芯材を包み込んだ外包材を圧力が１Ｐａ以下の真空中においた状態で、当該外包材の開口部を溶接により封止するものである
   ことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱パネルの製造方法。
3. 無機繊維からなる芯材をステンレス鋼板製の外包材で包み込み、その芯材を包み込んだ外包材の内部空間が真空状態とされた真空断熱パネルであって、
   前記芯材が含有する水分量が０．０５重量％以下であり、
   前記芯材を包み込んだ外包材の内部空間の圧力が１Ｐａ以下であり、
   前記外包材の内部空間側となる面は、前記外包材の内部空間内の酸素と結合して不動態膜が形成されることで当該不動態膜に前記外包材の内部空間内の水分が吸着可能とされるとともに、前記芯材との接触による当該不動態膜の損傷が小さくなるよう表面粗さＲａが０．２μｍ以下である
   ことを特徴とする真空断熱パネル。