JP7129979B2 - 真空断熱材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷蔵庫等の断熱材として用いられている真空断熱材の製造方法に関するものである。

この種の従来の真空断熱材は、芯材と、水分またはガスを吸着する吸着剤とを外包材で被覆し、外包材の内部を真空近くまで減圧して密閉された構成を有する（例えば、特許文献１参照）。このような真空断熱材では、外包材の内部の真空度の低下が断熱性能の低下に繋がる。このため、特許文献１の真空断熱材では、芯材を、外包材に挿入する前に予め乾燥炉で乾燥させることにより、外包材の内部を減圧して密封した後に芯材から放出される水分を低減して、外包材の内部の真空度を高め、断熱性能の低下を抑制している。

特開２００４－２８６０５０号公報

特許文献１では、芯材を外包材に挿入する前に乾燥を行っているが、乾燥炉における乾燥によって芯材から除去される水分の量は、乾燥炉内の相対湿度に依存する。乾燥炉内の相対湿度は季節および天候等によって変わるため、芯材から除去される水分の量も変動する。したがって、芯材を挿入した外包材の内部を減圧密封した後、芯材から外包材内に放出される水分の量も変動する。その結果、外包材内部の真空度が季節および天候等によってばらつき、真空断熱材の断熱性能のばらつきが大きくなるという課題があった。

本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、断熱性能のばらつきが少ない真空断熱材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る真空断熱材の製造方法は、真空空間を保持する芯材と、酸化物と、水分を吸着する第１吸着剤とを、外包材で被覆して密封して密封体を形成する工程と、密封体を形成してから、密封体を加熱処理する工程と、加熱処理をしてから、密封体を開封し、開封された状態の外包材の内部を減圧して密封する工程とを備えたものである。

本発明によれば、外包材内の水酸化物の重量が、芯材の重量の０．０１倍以上であるため、断熱性能のばらつきが少ない真空断熱材および断熱箱を得ることができる。また、芯材を外包材で被覆した後に加熱処理しているため、加熱処理炉の相対湿度に依存することがなく芯材の均一的な乾燥を実現でき、断熱性能のばらつきが少ない真空断熱材の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の製造工程図である。 図２の製造工程のステップＳ２１で吸着剤３が追加された、真空断熱材の概略構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る真空断熱材において、実施例３の条件における熱伝導率と芯材重量に対する水酸化カルシウムの重量比との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る断熱箱の概略構成を示す断面図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る真空断熱材およびその製造方法について説明する。

図１は、本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の概略構成を示す断面図である。なお、図１を含む以下の図面では、各構成部材の寸法の関係および形状等が実際のものとは異なる場合がある。各構成部材の具体的な寸法等は、以下の説明を参酌した上で判断すべきものである。
図１に示すように、真空断熱材１は、芯材２と、吸着剤３と、水酸化物４と、これらを被覆する外包材５とを備えている。外包材５の内部空間は、１Ｐａから３Ｐａ程度の真空度に減圧された状態で密封されている。真空断熱材１は、全体として略長方形で平板状の形状を有している。

芯材２は、真空空間を保持する目的で使用される。芯材２には、グラスウール等の繊維集合体が用いられる。また、芯材２を構成する繊維集合体は、加熱加圧成形をしたものでもよいし、内包材を用いて密封封止したものでもよいし、また、結合剤により結着したものでもよい。

吸着剤３は、真空断熱材１の内部のガスまたは水分を吸着するものである。吸着剤３は、真空断熱材１の内部のガスまたは水分を吸着して真空断熱材１の内部の真空度を保つ目的で使用される。真空断熱材１の内部の真空度を保つことで、熱伝導率の上昇つまり断熱性能の低下を抑制することができる。吸着剤３としては、例えば酸化カルシウム（ＣａＯ）が用いられる。吸着剤３は、シリカゲル、またはゼオライトであってもよく、これらの組合せでもよい。

外包材５は、既存の真空断熱材に使用されている外包材５であり、多層構造をなすラミネートフィルムである。この多層構造は、例えば芯材２側から順に、ポリエチレン層、アルミ蒸着エチレン－ビニルアルコール層、アルミ蒸着ポリエチレンテレフタレート層、および最外層にナイロン層が積層された構造を有する。なお、外包材５は、上記構成に限定されず、アルミ蒸着に代えて、アルミナ蒸着またはシリカ蒸着が用いられていてもよい。外包材５は、ガスバリア性を有するものであればよい。

水酸化物４は、後述の加熱処理によって芯材２から放出された水分を保持するものである。水酸化物４の重量は、吸着剤３および芯材２の重量の０．０１倍以上の重量である。水酸化物４としては、例えば水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）が用いられる。また、水酸化物４は、水酸化マグネシウム、または水酸化アルミニウムであってもよく、これらの組合せでもよい。

次に、本実施の形態１に係る真空断熱材１の製造工程について説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る真空断熱材の製造工程図である。
本実施の形態１に係る真空断熱材１の製造工程では、まず、芯材２と吸着剤３と酸化物とを外包材５で被覆して密封し（ステップＳ１１）、密封体を形成する。酸化物は、例えば酸化カルシウムである。そして、密封体を加熱処理する（ステップＳ１２）。加熱処理の条件は、例えば１００℃で２時間である。加熱処理の条件は、芯材２から水分が放出される条件であればよい。

この加熱処理によって、芯材２から放出された水分と酸化物との化学反応により水酸化物４が生成される。つまり、芯材２から放出された水分が水酸化物４によって保持される。生成される水酸化物４は、例えば水酸化カルシウムである。

次に、外包材５の一部を開封する（ステップＳ１３）。そして、一部が開封された状態の外包材５の内部を減圧して密封する（ステップＳ１４）。すなわち、外包材５の内部を１Ｐａから３Ｐａ程度の真空度に減圧し、その減圧状態で開封部をヒートシール等で融着することで密封する。

なお、ステップＳ１１で吸着剤３を外包材５で被覆しているが、ステップＳ１３とステップＳ１４との間に、更に吸着剤３を外包材５内に追加する工程（ステップＳ２１）を備えてもよい。吸着剤３を更に追加した状態を示した構成が次の図３である。

図３は、図２の製造工程のステップＳ２１で吸着剤が追加された、真空断熱材の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように、吸着剤３とは別に吸着剤３ａを追加する際、吸着剤３ａを、水酸化物４の配置領域とは別の領域に配置することもできる。このように追加する吸着剤３ａを、水酸化物４とは別の領域に配置すれば、かさばらず、外包材５が内側から損傷することを防止できる。なお、吸着剤３が本発明の第１吸着剤に相当し、吸着剤３ａが本発明の第２吸着剤に相当する。

以上の工程では、芯材２を外包材５で被覆した後に加熱処理している。このため、加熱処理炉の相対湿度に依存することがなく、芯材２の均一的な乾燥を実現できる。よって、ステップＳ１４の、外包材５の内部の減圧密封工程の後に、芯材２から放出される水分の量が、季節および天候によって変動しない。その結果、個々の真空断熱材１における、外包材５の内部の真空度のばらつきが少なくなり、真空断熱材１の熱伝導率つまり断熱性能のばらつきが少なくなる。

次に、本実施の形態１の真空断熱材１を作製し、実施例１～３について比較例１～３との比較を行った。以下のその比較結果について説明する。

＜実施例１＞
実施例１では、真空断熱材１の熱伝導率のばらつきについて調べた。実施例１における試料および各種条件は以下の（１）～（５）の通りである。
（１）芯材２：重量５ｋｇのグラスウール
（２）外包材５：ポリエチレン層、アルミ蒸着エチレン－ビニルアルコール層、アルミ蒸着ポリエチレンテレフタレート層、および最外層にナイロン層が積層された多層構造をなすラミネートフィルム
（３）吸着剤３：１００ｇの酸化カルシウム
（４）加熱処理：１００℃で２時間
（５）減圧処理：１Ｐａから３Ｐａ程度の真空度に減圧

以上の条件で、図２に示した製造工程で真空断熱材１を１０枚作製した。なお、図２のステップＳ１１は、芯材２と吸着剤３と酸化物とを外包材５で被覆して密封するステップであるが、吸着剤３には上記（３）の酸化カルシウムを使用するため、つまり酸化物である。このため、結局のところ、ステップＳ１１では、芯材２と上記（３）の酸化物とを外包材５で被覆して密封する工程となる。また、ステップＳ２１の「吸着剤追加」の工程は行っていない。そして、真空断熱材１の熱伝導率の測定を行った後、真空断熱材１を開封し、水酸化物４である水酸化カルシウムの重量を測定した。

比較例１は、実施例１の上記（１）～（５）と同様の試料および各種条件を有する。そして、比較例１は、芯材２を外包材５で被覆した後、密封されない状態で上記（４）の加熱処理を行う。次に、外包材５の内部に吸着剤３を配置し、外包材５の内部を密封する。

以上の比較例１の条件で真空断熱材１を１０枚作製した。真空断熱材１の熱伝導率の測定を行った後、真空断熱材１を開封し、水酸化物４である水酸化カルシウムの重量を測定した。

表１は、実施例１と比較例１とのそれぞれの条件で作製された１０枚の真空断熱材１の熱伝導率の平均値と、標準偏差と、水酸化カルシウムの重量とを比較した結果である。

表１に示すように、比較例１では、真空断熱材の熱伝導率の平均値は、１．９ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、標準偏差は０．３ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であった。水酸化カルシウムの重量は、０．８ｇであり、芯材重量の０．０００１６倍であった。

これに対して、実施例１では、真空断熱材１の熱伝導率の平均値は、１．８ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、比較例１よりも低い。つまり、実施例１は、比較例１は比べて断熱性能が高い。また、標準偏差は０．１ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、比較例１より小さい。つまり、実施例１は、熱伝導率のばらつきが比較例１よりも少ない。

また、実施例１は、水酸化カルシウムの重量が、１０６．８ｇであり、芯材重量の０．０２１倍であった。

＜実施例２＞
実施例２は、実施例１の上記（１）～（５）と同様の試料および各種条件を有する。実施例２と実施例１との違いは、上記実施例１では、ステップＳ２１の「吸着剤の追加」の工程を行っていないのに対し、実施例２では行っている点である。そして、この実施例２の条件の元、真空断熱材１を１０枚作製した。真空断熱材１の熱伝導率の測定を行った後、真空断熱材１を開封し、水酸化カルシウムの重量を測定した。

比較例２に用いた試料も、実施例１の上記（１）～（５）と同様の試料および各種条件を有する。そして、比較例２では、芯材２と吸着剤３とを外包材５で被覆し、密封されない状態で上記（５）の加熱処理を行った。次に、吸着剤３ａを追加で配置し、外包材５の内部を減圧密封した。

この比較例２の条件の元、真空断熱材を１０枚作製した。真空断熱材の熱伝導率の測定を行った後、真空断熱材を開封し、水酸化カルシウムの重量を測定した。

表２は、実施例１と比較例１とのそれぞれの条件で作製された１０枚の真空断熱材の熱伝導率の平均値と、標準偏差と、水酸化カルシウムの重量とを比較した結果である。

表２に示すように、比較例２では、真空断熱材の平均値は、１．８ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、標準偏差は０．２ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であった。水酸化カルシウムの重量は、１５．２ｇであり、芯材重量の０．００３０倍であった。

これに対して実施例２では、真空断熱材１の熱伝導率の平均値は、１．７ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、比較例より低い。つまり、実施例２は、比較例２は比べて断熱性能が高い。また、標準偏差は０．１ｍＷ／（ｍ・Ｋ）であり、比較例２より小さい。つまり、実施例２は、熱伝導率のばらつきが比較例２より少ない。

また、実施例２は、水酸化カルシウムの重量が、１２０．４ｇであり、芯材重量の０．０２４倍であった。

＜実施例３＞
実施例３では、実施例１の上記（１）、（２）、（４）および（５）については同様の条件である。そして、吸着剤３を酸化カルシウムとし、１０ｇから１００ｇまで、１０ｇずつ酸化カルシウムの量を増やし、それぞれの酸化カルシウムの量で、図２に示した製造工程で真空断熱材１を１０枚作製した。つまり、吸着剤３を酸化カルシウム１０ｇとした構成で真空断熱材１を１０枚作製し、吸着剤３を酸化カルシウム２０ｇとした構成で真空断熱材１を１０枚作製し、といった具合である。なお、図２のステップＳ２１の「吸着剤追加」の工程は行っていない。そして、以上のようにして作製した各真空断熱材の熱伝導率の測定を行った後、真空断熱材１を開封し、水酸化物４である水酸化カルシウムの重量を測定した。そして、各真空断熱材１のそれぞれについて、「熱伝導率」と、「芯材重量に対する水酸化カルシウムの重量比」との関係をプロットしたものが、次の図４である。

図４は、本発明の実施の形態１に係る真空断熱材において、実施例３の条件における熱伝導率と芯材重量に対する水酸化カルシウムの重量比との関係を示す図である。図４において、横軸が、芯材重量に対する水酸化カルシウムの重量比［倍］、縦軸が熱伝導率［ｍＷ／（ｍ・Ｋ）］である。また、図４において縦方向に大まかに並ぶプロット点のかたまりが、酸化カルシウムが同量の場合のプロット点であり、左から順に、１０ｇ、２０ｇ、・・・、１００ｇの場合のプロット点となっている。

図４に示すように、水酸化カルシウムの重量が、芯材２の重量の０．０１倍以上である真空断熱材は、熱伝導率のばらつきおよび断熱性能のばらつきが少ない。そして、水酸化カルシウムの重量が芯材２の重量の０．０１倍以上となるのは、吸着剤３である酸化カルシウムが５０ｇ以上の場合となっている。

一般的に芯材２が加熱処理前に保持している水分は、最大で芯材重量の０．００５倍である。また、水酸化カルシウム１分子あたりの質量は、水１分子あたりの質量の約４倍である。したがって、水酸化カルシウムの重量が、「０．００５」と「４」とを積算した芯材重量の０．０１倍以上であれば、芯材２から放出された水分のほぼすべてが、水酸化カルシウムで保持されていることになる。つまり、水酸化カルシウムの重量が、芯材２の重量の０．０１倍以上となっている真空断熱材１は、外包材５の内部を減圧密封した後に芯材２から放出される水分の量が変動しないと言える。そして、外包材５の内部を減圧密封した後に芯材２から放出される水分の量が変動しないことで、外包材５の内部の真空度のばらつきが少なく、断熱性能のばらつきが少ない真空断熱材１を得ることができる。

ここで、上述の実施例１を参照すると、水酸化カルシウムの重量が芯材２の重量の０．０２１倍であり、また、実施例２では０．０２４倍であり、０．０１倍以上の範囲に含まれており、断熱性能のばらつきが少ない真空断熱材１が得られている。

なお、芯材重量に対する水酸化カルシウムの重量比の下限値は、上述のように０．０１倍以上であるが、上限値は、０．１倍である。上限値を０．１倍としたのは以下の理由による。すなわち、０．１倍より大きくなると、断熱性能が低下し、また、コストが高くなり工業的に実施しえないためである。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る断熱箱の概略構成を示す断面図である。
図５に示すように、断熱箱１００は、高い断熱性能が求められる、例えば冷蔵庫等の筐体として用いられる。断熱箱１００は、内箱１１０と外箱１２０とを有する。そして、内箱１１０と外箱１２０との間の空間には、実施の形態１において説明した真空断熱材１が配置されており、内箱１１０と外箱１２０との間で断熱を行う。真空断熱材１が配置される位置は、例えば内箱１１０の外壁面１１０ａに密着した位置等であり、内箱１１０と外箱１２０との間で断熱できる位置に配置される。そして、内箱１１０と外箱１２０との間の空間のうち、真空断熱材１以外の部分には発泡ウレタン断熱材１３０が充填されている。

このように断熱箱１００には、熱伝導率のばらつきが少ない真空断熱材１が設けられている。これにより、断熱箱１００の断熱性能のばらつきを少なくすることができる。断熱箱１００を備えた冷蔵庫等においては、消費電力の削減につながる。

また、真空断熱材１は、発泡ウレタン断熱材１３０等と比較して高い断熱性能を有する。このため、断熱箱１００は、発泡ウレタン断熱材１３０のみを用いた断熱箱１００よりも高い断熱性能を得られる。なお、ここでは、内箱１１０と外箱１２０との間の空間に発泡ウレタン断熱材１３０が充填された構成を示したが、真空断熱材１は発泡ウレタン断熱材１３０等と比較して高い断熱性能を有するため、発泡ウレタン断熱材１３０を省略してもよい。

また、上記の説明では、真空断熱材１が内箱１１０の外壁面１１０ａに密着しているが、真空断熱材１は外箱１２０の内壁面１２０ａに密着していてもよい。また、スペーサ等を用いることにより、内箱１１０と外箱１２０との間の空間に、内箱１１０と外箱１２０との両方に密着しないように真空断熱材１が配置されていてもよい。

なお、上記の説明において、一般的な冷蔵庫等に用いられている断熱箱１００と同等である部分については、図示および説明を省略している。

また、本発明に係る真空断熱材は、上述の実施の形態に限らず種々の変形が可能であり、上述の各実施の形態や変形例は、互いに組み合わせて実施することが可能である。

また、上述の実施の形態２では、冷熱源（図示せず）を備える冷蔵庫の断熱箱に真空断熱材１が用いられた構成を例に挙げたが、本発明はこれに限られない。真空断熱材１は、温熱源を備える保温庫の断熱箱、冷熱源および温熱源を備えない断熱箱、例えば、クーラーボックス等に用いることもできる。また、真空断熱材１は、断熱箱だけでなく、空調機、車両用空調機、給湯機等の冷熱機器または温熱機器の断熱部材として用いてもよい。また、真空断熱材１の形状も、変形不可な所定の形状に限らず、変形自在な形状としてもよい。変形自在な形状の真空断熱材１を用いたものとしては、例えば外袋および内袋を備えた断熱袋または断熱容器等が該当する。

１ 真空断熱材、２ 芯材、３ 吸着剤、４ 水酸化物、５ 外包材、１００ 断熱箱、１１０ 内箱、１１０ａ 外壁面、１２０ 外箱、１２０ａ 内壁面、１３０ 発泡ウレタン断熱材。

Claims (2)

1. 真空空間を保持する芯材と、酸化物と、水分を吸着する第１吸着剤とを、外包材で被覆して密封して密封体を形成する工程と、
   前記密封体を形成してから、前記密封体を加熱処理する工程と、
   前記加熱処理をしてから、前記密封体を開封し、開封された状態の前記外包材の内部を減圧して密封する工程と
   を備えた真空断熱材の製造方法。
2. 前記密封体を開封した後、前記減圧して密封するまでの間に、前記外包材の内部に、第２吸着剤を追加する工程を有する請求項１記載の真空断熱材の製造方法。

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