JP6444375B2 - 有機合成繊維を含む真空断熱材用芯材、およびそれを含む真空断熱材 - Google Patents

Description

本発明は、有機合成繊維を含む真空断熱材用芯材、およびそれを含む真空断熱材に関する。

ガラス繊維またはグラスウールを用いた芯材は、前処理工程を経てから真空断熱材の芯材として使用されることができる。すなわち、前記ガラス繊維およびグラスウールは一種の繊維のような形態を有するため、そのまま使用する場合、外力により変形しやすく、繊維の間でズレが発生して、ニードリング（ｎｅｅｄｌｉｎｇ）などの圧縮工程を経なければならない。また、材質間のズレを防止するために、有機または無機バインダーを使用する必要がある。

この際、前記有機または無機バインダーは、前記真空断熱材の性能を不安定にする恐れがあり、真空断熱材として使用するときに前記有機または無機バインダーから所定成分のガスが外部に漏れることがあるが、そのガスが真空断熱材内の真空度を低下させる原因となるため、断熱性能を低下させる恐れがある。

尚、ガラス繊維またはグラスウールは、廃棄時に再使用および焼却処理が困難であり、素材自体の重量が重いだけでなく、真空断熱材の製造時に多くの塵埃が飛散する恐れがある。

本発明の１つの目的は、熱伝導率の低い有機合成繊維を含んで、初期断熱性能を実現することができる真空断熱材用芯材を提供することにある。

本発明の他の目的は、前記真空断熱材用芯材を含む真空断熱材を提供することにある。

本発明は、一具現例において、有機合成繊維と、１つ以上の有機合成繊維融着部と、を含む真空断熱材用芯材を提供する。

前記有機合成繊維以外にマトリックス樹脂を含まないことができる。

前記有機合成繊維は、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ブタジエン、スチレン、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つ以上の樹脂を含むことができる。

前記有機合成繊維の直径は約２０μｍ以下であることができる。

前記有機合成繊維融着部は、前記有機合成繊維が融着されて形成されることができる。

前記有機合成繊維融着部の平均直径は約４００μｍ〜６００μｍであることができる。

前記有機合成繊維融着部の中心と中心との間の距離は約７５０μｍ〜１１００μｍであることができる。

前記真空断熱材用芯材は、水平に配列された有機合成繊維を含むことができる。

前記水平に配列された有機合成繊維は横配列または縦配列を含むことができる。

前記真空断熱材用芯材の厚さは約１００μｍ〜２００μｍであることができる。

前記真空断熱材用芯材は、１つまたは複数の積層構造を有することができる。

前記積層された真空断熱材用芯材の単位面積当りの重量は約４０ｇ／ｍ²以下であることができる。

前記積層された真空断熱材用芯材の気孔率は約６０％〜８０％であることができる。

本発明は、他の具現例において、有機合成繊維を用意するステップと、前記有機合成繊維を紙形態に紡糸するステップと、前記紡糸された有機合成繊維を局部的に加熱加圧して有機合成繊維融着部を形成するステップと、を含む真空断熱材用芯材の製造方法を提供する。

本発明は、さらに他の具現例において、前記真空断熱材用芯材を含む真空断熱材を提供する。

前記真空断熱材用芯材は、初期断熱性能を実現するとともに、人体の有害性に係る問題を解消することができる。

また、前記真空断熱材用芯材を含む真空断熱材は、マトリックス樹脂により発生する真空断熱材用芯材の断熱性能の低下を防止することができる。

真空断熱材用芯材の平面をＳＥＭ撮影して示した図面である。 真空断熱材用芯材の有機合成繊維の断面をＳＥＭ撮影して示した図面である。 真空断熱材用芯材の有機合成繊維融着部の断面をＳＥＭ撮影して示した図面である。 水平に配列された有機合成繊維を図式化して示した図面である。

以下、本発明の具現例を詳細に説明する。但し、これは例示として提示されるものにすぎず、これにより本発明が制限されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲により定義される。

真空断熱材用芯材およびその製造方法
本発明は、一具現例において、有機合成繊維と、１つ以上の有機合成繊維融着部と、を含む真空断熱材用芯材を提供する。

通常の真空断熱材は、ガラス繊維或いはヒュームドシリカからなる真空断熱材用芯材を、アルミニウム箔が含まれた多層フィルム外被材や金属蒸着フィルム外被材に入れ、ゲッター材を取り付けた後、真空排気させることで製造される。また、通常のガラス繊維は、前記有機合成繊維に比べ約７倍〜１０倍高い熱伝導率を有する。そのため、物質自体の熱伝逹性能のみを比較すれば、ガラス繊維を用いた真空断熱材用芯材が著しく高い断熱性能を有する。

しかし、一定水準の直径以下、例えば、約４μｍ以下のガラス繊維を含む真空断熱材用芯材を使用することは、人体有害性の理由から強く規制されており、一定水準の直径、例えば、４μｍ以上の標準化されたガラス繊維を真空断熱材用芯材に使用する場合には別のマトリックス樹脂処理が必要となるが、これは熱伝導性能の低下を招く恐れがある。

したがって、前記真空断熱材用芯材は、物質自体の固有熱伝導率がガラスなどの無機物の１／１０程度と著しく低い有機合成繊維のみを含み、１つ以上の有機合成繊維融着部を有する繊維形態に加工することで人体有害性の問題を解消することができ、優れた断熱性能を実現することができる。

前記真空断熱材用芯材は、有機合成繊維のみからなり、前記有機合成繊維以外にマトリックス樹脂は含まないことができる。前記真空断熱材用芯材は、均一な長さおよび直径を有する有機合成繊維を熱融着して製造され、別のマトリックス樹脂を含まなくても、真空断熱材の性能を確保することができるとともに、マトリックス樹脂からガスが漏れるなどのことがないため、真空断熱材内の真空度を一定水準に維持することができる。

前記有機合成繊維は、石油、石炭、石灰石、塩素などの低分子を使用して高分子化合物を製造し、前記高分子化合物を紡糸して製造した合成繊維のことであり、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ブタジエン、スチレン、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つ以上の樹脂を含むことができるが、これら種類に制限されるものではない。具体的に、比較的安価であり、単位重量別の需給が容易であるポリプロピレン樹脂を含む有機合成繊維がその活用度が高い。

前記有機合成繊維の直径は約２０μｍ以下、具体的に、約１０μｍ〜２０μｍであることができる。前記範囲の直径を有する有機合成繊維を使用することで人体に無害であり、通常、真空断熱材用芯材の気孔率が大きいほど断熱性能に優れるが、前記範囲の直径を有する有機合成繊維により、一定水準以上の孔隙率を確保することができる。

また、通常、ガラス繊維を含む真空断熱材用芯材を用いる場合、ガラス繊維の直径が小さいほど断熱性能が発揮される。前記真空断熱材用芯材は、有機合成繊維のみで形成され、前記範囲の直径を有する有機合成繊維を含むことで、一定の熱伝導率を確保することができ、真空断熱材の初期性能を維持する効果を容易に実現することができる。

例えば、前記有機合成繊維の長さは約２ｍｍまたは約３ｍｍ以上であることができる。繊維形態の芯材を真空断熱材に適用する場合、その繊維の配列ができるだけ水平方向を維持することが断熱性能において有利である。これは、垂直配列の繊維が多いほど、垂直方向への熱伝逹が発生して断熱性能が低下するためである。

したがって、約２ｍｍまたは約３ｍｍ以上の長さの有機合成繊維を使用することで、垂直配列の合成繊維を最小化することができて、真空断熱材の熱伝導率を確保するという点で有利な効果がある。

前記真空断熱材用芯材は、有機合成繊維融着部を含むことができる。前記有機合成繊維融着部は、前記有機合成繊維が融着されて形成されたもの、例えば、有機合成繊維を紙形態に紡糸した状態で、エンボスローラで有機合成繊維を押し付けて繊維と繊維とを熱融着させたものであり、有機合成繊維自体を部分的に熱で融かして有機合成繊維融着部を製造することができる。

具体的に、前記有機合成繊維融着部は、１つ以上であることができ、熱融着により多角形の形状を有することができる。例えば、前記多角形は、円、楕円、三角形、四角形などを含むことができるが、これに制限されるものではない。

図１は真空断熱材用芯材の平面をＳＥＭ撮影して示した図面であり、前記真空断熱材用芯材は、一定に配列されて紡糸された有機合成繊維の他に、有機合成繊維が融着されて形成された１つ以上の有機合成繊維融着部を含む。具体的に、図２は真空断熱材用芯材の有機合成繊維の断面を、図３は真空断熱材用芯材の有機合成繊維融着部の断面をＳＥＭ撮影して示した図面である。

前記有機合成繊維融着部の平均直径は、約４００μｍ〜６００μｍであることができる。平均直径は、前記融着部が円形である場合にはその直径を意味し、前記融着部が円形でなく多角形である場合には、複数の部分で測定した直径の平均値を意味する。前記有機合成繊維の融着部が前記範囲の平均直径を維持することで、有機合成繊維融着部を含む真空断熱材用芯材の形状が維持されるとともに、真空断熱材用芯材が所定サイズの気孔を有するようにして、真空断熱材の優れた断熱効果を確保することができる。

また、前記有機合成繊維融着部の中心と中心との間の距離は約７５０μｍ〜１１００μｍであることができる。前記有機合成繊維融着部の中心と中心との間の距離は、例えば、前記有機合成繊維融着部が多角形である場合には、１つの有機合成繊維融着部の中心と他の１つの有機合成繊維融着部の中心との間の距離を意味する。

前記有機合成繊維融着部は、１つ以上が所定距離だけ離間して存在するが、前記範囲の中心間の距離を維持することで、単位面積当りに一定個数の有機合成繊維融着部を含むこととなり、これにより、真空断熱材用芯材の形状を維持することができる。

前記真空断熱材用芯材は、水平に配列された有機合成繊維を含むことができる。図４は水平に配列された有機合成繊維を図式化して示した図面であり、図４を参照すれば、熱伝逹方向がＴ_hotからＴ_coldへの垂直方向である場合、真空断熱材用芯材が熱伝逹方向と同様に垂直に配列された有機合成繊維を含むと、前記芯材内における熱伝逹が増加するはずである。しかし、真空断熱材用芯材が水平に配列された有機合成繊維を含むと、熱伝逹方向が垂直方向である場合にも芯材内における断熱性能を維持することができる。

前記有機合成繊維の配列が水平状態に近いほど、前記真空断熱材用芯材の断熱性能が向上し、上述のように所定長さの有機合成繊維を含む場合、垂直に配列された有機合成繊維が殆ど存在しなくなって、垂直方向への熱伝逹の発生が減少し、水平方向への熱伝逹が相対的に活発になることができる。

具体的に、前記水平に配列された有機合成繊維は横配列または縦配列を含むことができる。１つの平面で横配列または縦配列が交互に配列されている形状であり、有機合成繊維の間に別のマトリックス樹脂を含まず、熱により繊維形態に紡糸されて形成された有機合成繊維の配列が均一になることができる。

前記真空断熱材用芯材の厚さは、約１００μｍ〜２００μｍであることができる。前記厚さの範囲を維持することで、外部圧力などに対する芯材の物理的耐久性を確保することができ、外被材に挿入されて排気真空する過程で一定の真空度を維持することができる。また、生産効率の向上、初期断熱性能および長期耐久性を確保するために、真空断熱材用芯材が前記範囲の厚さを維持することができる。

前記真空断熱材用芯材は、１つ以上が積層されることができ、積層数などによって前記真空断熱材用芯材の厚さを調節することができる。前記積層された真空断熱材用芯材の単位面積当りの重量は、約４０ｇ／ｍ²以下、具体的には約２０ｇ／ｍ²以下であることができる。前記単位面積当りの重量は、前記真空断熱材用芯材の単位面積（１ｍ²）当りに測定される質量値を意味し、所定の直径を有する有機合成繊維を含む真空断熱材用芯材を積層して密度および気孔率を調節することで、一定水準の単位面積当りの重量を確保することができる。

前記積層された真空断熱材用芯材の単位面積当りの重量に下限はないが、前記範囲の単位面積当りの重量を維持することで、一定水準以上の断熱性能を発揮することができる。これに対し、単位面積当りの重量が約４０ｇ／ｍ²を超える場合には、有機合成繊維間の接触が増加し、この接触により熱伝導率が大きくなって真空断熱材の断熱性能が低下する恐れがある。

具体的に、前記真空断熱材用芯材の単位面積当りの重量が約１０ｇ／ｍ²未満である場合には、真空断熱材用芯材が有する気孔のサイズが大きくなって、前記真空断熱材用芯材を含む真空断熱材の断熱性能が低下する恐れがある。

また、前記積層された真空断熱材用芯材の気孔率は約６０％〜８０％であることができる。前記気孔率は、積層された真空断熱材用芯材が有する気孔の空隙程度を示す数値であり、積層された真空断熱材の総体積に対する気孔体積の百分率を意味する。所定の直径を有する有機合成繊維を含む真空断熱材用芯材を積層して密度および単位面積当りの重量を調節することで、一定水準の気孔率を確保することができる。

本発明は、他の具現例において、有機合成繊維を用意するステップと、前記有機合成繊維を紙形態に紡糸するステップと、前記紡糸された有機合成繊維を局部的に加熱加圧して有機合成繊維融着部を形成するステップと、を含む真空断熱材用芯材の製造方法を提供する。

前記有機合成繊維は、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ブタジエン、スチレン、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つ以上の樹脂を繊維形態に製造して用意することができる。その後、前記用意した有機合成繊維を紙形態に紡糸することができる。

また、前記真空断熱材用芯材は、有機合成繊維以外に他のマトリックス樹脂を含まないため、有機合成繊維の間の付着力が低下し得る。したがって、紡糸された有機合成繊維を局部的に加熱加圧して有機合成繊維融着部を形成するステップを含むことができる。

前記有機合成繊維融着部により、マトリックス樹脂を含まなくても、有機合成繊維のみからなる真空断熱材用芯材を製造することができ、生成工程および製造コストを最小化することができる

（真空断熱材）
本発明は、さらに他の具現例において、有機合成繊維と、１つ以上の有機合成繊維融着部と、を含む真空断熱材用芯材を含む真空断熱材を提供する。

前記真空断熱材は、前記真空断熱材用芯材と、前記真空断熱材用芯材を真空包装する外被材と、を含んで形成されることができ、前記真空断熱材用芯材に付着または挿入されるゲッター材をさらに含むことができる。

前記真空断熱材用芯材を収納して内部を減圧した外被材は、接着層上部に金属バリアー層および表面保護層を順に形成することで、前記真空断熱材が最上の気密性および長期耐久性能を有するようにする。また、外部の温度変化により前記外被材の内部でガスおよび水分が発生し得るが、これを防止するためにゲッター材を使用することができる。

前記ゲッター材として、パウチに入った生石灰（ＣａＯ）を使用し、具体的に、純度９５％以上の生石灰粉末を使用することができる。また、パウチは、クレープ紙およびポリプロピレン（ＰＰ）含浸不織布で製作することで、２５％以上の水分吸収性能を確保するようにする。また、全体真空断熱材の厚さを考慮して、ゲッター材の厚さは約２ｍｍ以内に形成する。

以下、本発明の具体的な実施例を提示する。但し、下記の実施例は本発明を具体的に例示または説明するためのものにすぎず、これにより本発明が制限されてはならない。

＜実施例および比較例＞
実施例
別のマトリックス樹脂なしに、繊維直径が約１０μｍ〜１５μｍで、長さが２ｍｍ〜３ｍｍであるポリプロピレン（ＰＰ）長繊維を紡糸し、前記紡糸されたＰＰ繊維をエンボスローラで押し付けて、１つ以上のＰＰ繊維融着部（融着部の平均直径：５３８μｍ、融着部の中心間の距離：１０３４μｍ）を含む芯材を製造した。前記芯材を７０℃で２４時間乾燥した後、１００枚積層して、単位面積当りの質量が１５ｇ／ｍ²の真空断熱材用芯材として使用した。

その後、純度９５％の生石灰（ＣａＯ）２０ｇをパウチに入れて製造したゲッター材１つを芯材に挿入した。次に、上から、ポリエチレンテレフタレートフィルム（ＰＥＴ）１２．５μｍ、ナイロン（Ｎｙｌｏｎ）フィルム２５μｍ、Ａｌ箔６μｍ、および直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）フィルム５０μｍの構造に形成された真空外被材（Ｋｏｐｔｒｉ-１１３６４３-１、（株）ＬＧハウシス製）に前記真空断熱材用芯材を挿入した後、前記外被材を減圧して真空状態でシールすることで、１９０×２５０×１０ｍｍ（厚さ×幅×長さ）のサイズの真空断熱材を製造した。

この際、ＨＣ‐０７４‐２００（Ｅｋｏ社製）を用いて熱伝導率を測定した結果を下記表１に記載した。

実施例２
芯材を８０枚積層して、単位面積当りの質量２０ｇ／ｍ²の真空断熱材用芯材として使用したことを除き、前記実施例１と同様の方法で真空断熱材を製造した。

実施例２−１
芯材を７０℃で１時間乾燥したことを除き、前記実施例２と同様の方法で真空断熱材を製造した。

実施例２-２
芯材を１２０℃で２４時間乾燥したことを除き、前記実施例２と同様の方法で真空断熱材を製造した。

実施例２-３
芯材を１２０℃で１時間乾燥して紡糸したことを除き、前記実施例２と同様の方法で真空断熱材を製造した。

実施例３
芯材を４０枚積層して、単位面積当りの質量４０ｇ／ｍ²の真空断熱材用芯材として使用したことを除き、実施例１と同様の方法で真空断熱材を製造した。

比較例１
平均直径５μｍのガラス繊維集合体およびシリカを含む無機バインダーからなる厚さ０．５ｍｍの板状のボードがそれぞれ１層ずつ積層されて複合体として構成された芯材を１２×４３０×９１２ｍｍ（厚さ×幅×長さ）のサイズに製造して、真空断熱材用芯材として使用したことを除き、実施例１と同様の方法で真空断熱材を製造した。

比較例２
グラスウール（Ｇｌａｓｓ ｗｏｏｌ）無機バインダーを使用して湿式法で１０×６００×６００ｍｍ（厚さ×幅×長さ）の芯材を製造した後、真空断熱材用として使用したことを除き、実施例１と同様の方法で真空断熱材を製造した。

前記表１および表２を参照すれば、有機合成繊維を含む真空断熱材用芯材を使用した場合の熱伝導率が、有機繊維集合体およびシリカを含む無機バインダーを真空断熱材用芯材に使用した比較例１およびグラスウール無機バインダーを真空断熱材用芯材に使用した比較例２の熱伝導率と類似に測定されることが分かった。このようなことから、別のマトリックス樹脂を含有せず、有機合成繊維のみで芯材を形成する場合にも、一定水準以上の熱伝導率を確保することができることが類推できる。

具体的に、実施例１〜３の場合、同一の直径および長さを有する有機合成繊維のみで真空断熱材用芯材を構成し、密度および気孔率によって芯材の単位面積当りの重量を調節することができる。単位面積当りの重量が増加するに伴い、真空断熱材用芯材自体の密度が高くなり、気孔率が減少して、有機合成繊維のみで構成された真空断熱材用芯材を介した熱伝導現象が大きくなり、実施例１〜実施例３から、単位面積当りの質量が大きくなるほど、熱伝導率値が高くなることが分かった。

また、芯材の前処理条件によって実施例２〜２‐３を構成し、この際の熱伝導率値を測定して、その結果を表３に示した。有機合成繊維のみを含む真空断熱材用芯材を製造するにあたり、初期水分および不純物をできるだけ除去するためには芯材の前処理過程が必要であるが、融点が比較的低い有機合成繊維は、前処理温度を融点以下に制限することができる。

したがって、前記実施例２〜２‐３のように芯材の前処理過程の乾燥時間および乾燥温度を異ならせた場合にも一定水準以上の熱伝導率が得られ、このようなことから、有機合成繊維のみで形成された真空断熱材用芯材を使用する場合にも優れた断熱性能を発揮することが確認された。

Claims (13)

1. ２ｍｍ〜３ｍｍの長さを有する多数の有機合成繊維と、
   複数の有機合成繊維融着部と、を含み
   前記有機合成繊維融着部は、前記有機合成繊維が融着されて形成され、かつ、前記有機合成繊維融着部のそれぞれは、同一の形態で前記有機合成繊維が融着されて形成されたものであり、
   前記有機合成繊維融着部の平均直径は、４００μｍ〜６００μｍであり、
   前記有機合成繊維融着部相互の中心間の距離が７５０μｍ〜１１００μｍである、
   真空断熱材用芯材。
2. 前記有機合成繊維以外にマトリックス樹脂を含まない、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
3. 前記有機合成繊維は、ポリスチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ブタジエン、スチレン、およびこれらの組合せからなる群から選択される１つ以上の樹脂を含む、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
4. 前記有機合成繊維の直径が２０μｍ以下である、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
5. 前記有機合成繊維融着部は、前記有機合成繊維が融着されて形成される、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
6. 前記真空断熱材用芯材は、水平に配列された有機合成繊維を含む、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
7. 前記水平に配列された有機合成繊維は横配列または縦配列を含む、請求項６に記載の真空断熱材用芯材。
8. 前記真空断熱材用芯材の厚さが１００μｍ〜２００μｍである、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
9. 前記真空断熱材用芯材が、１つまたは複数の積層構造を有する、請求項１に記載の真空断熱材用芯材。
10. 前記積層された真空断熱材用芯材の単位面積当りの重量が４０ｇ／ｍ²以下である、請求項９に記載の真空断熱材用芯材。
11. 前記積層された真空断熱材用芯材の気孔率が６０％〜８０％である、請求項９に記載の真空断熱材用芯材。
12. ２ｍｍ〜３ｍｍの長さを有する多数の有機合成繊維を用意するステップと、
    前記有機合成繊維を紙形態に紡糸するステップと、
    前記紡糸された有機合成繊維を局所的に加熱加圧して融着し、有機合成繊維融着部を複数形成し、
    前記有機合成繊維融着部のそれぞれを、同一の形態とし、
    前記有機合成繊維融着部の平均直径が４００μｍ〜６００μｍ、前記有機合成繊維融着部相互の中心間の距離が７５０μｍ〜１１００μｍとなるように形成するステップと、
    を含む真空断熱材用芯材の製造方法。
13. 請求項１に記載の真空断熱材用芯材を含む真空断熱材。

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