JPH02221793A - 断熱構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、オーブン等の熱機器などに用いられる断熱
構造体に関する。

〔従来の技術〕

従来、オーブン等の熱機器に用いられる断熱構造体は、
断熱材からなっており、主に断熱材の厚みを増やすこと
により、断熱するようになっている。断熱材としては、
高温用のセラミックウール、グラスウールおよびロック
ウールなどの繊維系断熱材が主である。これらは、輻射
伝熱を抑制する効果が小さいために、高温になるほど断
熱性能の低下がみられ、かなり厚い層が必要である。

また、空気層を利用した断熱構造体も一般的に使われて
いるが、層の厚みは様々であり、実際には、対流および
輻射による伝熱（または伝熱量）が無視で告ないもので
あった。

〔発明が解決しようとする課題〕

従来の断熱構造体では、断熱のレベルが増すほど、厚み
がかなり厚くなり、巨大化するという問題があった。

近年、オーブン等の熱機器では、内容積の大型化と外容
積の小型化という断熱構造体のコンパクト化が望まれて
いる。また、電子レンジ等、他の機能との複化や熱機器
の壁組み込み化などの結果性じる、電子部品保護のため
の熱的ガードや安全上の機器外表面温度の低下などとい
った、さらにハイレベルな断熱が必要である。なかには
、ＵＬ規格などのように、規制のあるものもある。

これらのような課題を満たすには、従来よりコンパクト
で、より高性能な断熱構造体が必要であり、従来の断熱
構造体では問題がある。

この発明は、上記事情に鑑み、断熱スペースが小さ（、
しかも、十分な断熱性を有する断熱構造体を提供するこ
とを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明にかか
る断熱構造体は、断熱層と強制対流層とを備え、前記断
熱層が断熱材層と断熱気体層とを有し、断熱材層、断熱
気体層および強制対流層が厚み方向に重ね合わされてな
るものである。

請求項２記載の断熱構造体は、上記に加えて、断熱材層
の断熱材が、微粒子からなる微細多孔体とされている。

請求項３記載の断熱構造体は、上記に加えて、断熱気体
層が、気体の流れの生じないレベルに密閉されており、
かつ、対流の生じないレベルの厚みとされている。

第１図にみるように、この発明にかかる断熱構造体ｌは
、断熱材層２、断熱気体層３および強制対流層４を備え
ている。断熱層は、断熱材層２と断熱気体層３を有する
。断熱材層２、断熱気体層３および強制対流層４は、断
熱構造体１の厚み方向くたとえば、内外方向）の温度差
により、厚み方向に所望の順番で重ね合わされている。

ただし、輻射の影響をできるだけ少なくするという点か
らは、高温側から低温（または常温）側にかけて、断熱
材層２−断熱気体層３−強制対流層４の順番に重ね合わ
せるのがよい、なお、高温側に断熱層を配置し、低温側
に強制対流層を配置するのは、断熱構造体の低温側の温
度上昇をできるだけ少なくするとともに、省エネルギー
を図るためである。すなわち、断熱層が保温効果を示し
、強制対流層が冷却効果を示すので、まず断熱層で熱を
遮断して保温し、それでも断熱層を伝わってくる熱を強
制対流層で冷却するのである。

断熱材層２．断熱気体層３および強制対流層４の間や、
断熱構造体１の外表面には、構造材料５・・・が各層２
，３および４の仕切り、および、断熱構造体１の強度保
持のために用いられている。

また、断熱構造体１の形状は、角柱状である必要はなく
、熱機器本体６の形状等に合わせて、円筒状、球状など
、上記３つの層ができる形であれば、どんな形状でもか
まわない。

前記断熱材層２は、微細な固体により空間を細かく区切
ることにより気体の熱伝導の影響をできるだけ少なくし
、輻射の影響を少なくするために設けられる。このため
、断熱材層２は、微細な固体により空間を細かく区切ら
れたものから形成されていればよく、たとえば、多孔体
や繊維系材料が使用される。

前記断熱材層２は、たとえば、微粒子を圧密して、微粒
子間にできる空隙が小さく、好ましくは同空隙が１〜６
０ｎｍになるように成形された微細多孔体からなる。こ
のようになっていると、気体の熱伝導の影響をより一層
少なくすることができ、対流が起こらず静止空気より低
い熱伝導率を有するものにすることができる。

微細多孔体を形成する微粒子としては、乾式製法または
湿式製法による微粒子シリカ、コロイダルゾルの乾燥物
、エアロゲル、ポリケイ酸、あるいは、これらの表面に
凝集防止処理を施したもの等が挙げられる。

微粒子の粒径（凝集防止処理したものは処理後の粒径）
は、１〜２０ｎｍの範囲であることが好ましく、３〜８
ｎｓの範囲であることがより好ましい。以下、この１〜
２０ｎａ＋の範囲にある微粒子を「超微粒子Ａ」という
。発明者らは、このような超微粒子Ａを用いた微細多孔
体からなる優れた断熱材を提案している（特願昭６３−
０１２８２６号）が、この断熱材は、この発明で用いる
断熱材として利用できる。

凝集防止処理としては、粒子表面にシラノール基のＯＨ
に結合して水素結合の生起を妨げるようにするもの、粒
子同士に反発性をもたせて、直接的に粒子の凝集を防止
するもの等がよく、具体例としでは、有機シラン化合物
、たとえば、トリメチルメトキシシラン、ジメチルジェ
トキシシラン、メチルトリメトキシシラン等のアルコキ
シシラン化合物、ジメチルジクロロシラン、トリメチル
クロロシラン、トリフェニルクロロシラン等のクロロシ
ラン化合物、ヘキサメチルジシラザン、ジメチルトリメ
チルアミン等のシラザン化合物が挙げられるが、これら
に限定されるものではない。

また、超微粒子Ａの他に、成形性を向上させ、輻射防止
効果のある微粒子（以下、「微粒子Ｂ」という）を−緒
に用いると、高温下においても優れた断熱性を有するも
のとなるので好ましい。この微粒子Ｂは、１次粒子径が
超微粒子Ａのそれと較べて大きいもの、たとえば、粒径
が２０〜１００００ｎａ＋の範囲のものがよく、また、
熱放射率が大きいもの、特に、波長３μ以上の赤外領域
での熱放射率が０．８以上のものが好ましい。

なお、微粒子Ｂを用いると成形性がよくなるのは、超微
粒子Ａと微粒子Ｂが互いに成形圧を分散し、吸収し合う
等して、成形圧を均一に保つ働きを有しているためと考
えられる。

微粒子Ｂの具体的なものとしては、パーライトやシラス
バルーンの微粉砕物、スス、コージェライト、粘土等の
無機層状化合物、ケイソウ土、ケイ酸カルシウム、カー
ボンブラック、ＳｉＣ，Ｔ１０ｓ　、ＺｒＯｓ　Ｃｒｏ
ｗ　、Ｆ　ｅ＊　０４　、ＣｕＳ、ＣｕＯ１Ｍ　ｎ　Ｏ
ｔ　、Ｓ　１０　ｘ　、Ａ　Ｉ２　ｇ　Ｏ＊　、Ｃ００
、ＬｌｓＯｌＣａＯ等の微粒子粉末が挙げられる。

微粒子粉末にさらに繊維を加えて成形してもよい。微細
多孔体の強度が強くなり、より取り扱いやすい断熱材と
なる。

添加する繊維としては、たとえば、セラミック繊維、ガ
ラス繊維、ロックウール繊維、アスベスト繊維、炭素繊
維、アラミド繊維等の無機繊維や有機繊維が挙げられる
。

繊維の添加量は、粒子重量に対し、２０Ｍ量％以下が好
ましく、繊維の径は、３０ｕ以下が好ましく、５ｎ以下
がさらに好ましい、繊維の長さは、５０鰭以下が好まし
い。

断熱材の強度が不十分である場合や、構造材料５への取
り付けがむずかしい場合には、少なくとも一部が通気性
のあるシート状材料で表面を被覆してもかまわない、ま
た、少なくとも一部が通気性のあるシート状材料の袋を
作り、その中に微粒子などを充填してから、圧密成形し
て微細多孔体にしてもよい。

通気性材料としては、ガラスクロス、紙、有機の不織布
（ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、パル
プ、アサおよびこれらの混合物等）、無機の不織布（ガ
ラス、セラミックス等）がある、もちろん、通気性材料
は、粉末が簡単に通り抜けてしまったり、粉末が最初は
嵌入しただけであるがそのうち抜は出してしまったりす
るような材料であってはいけないことはいうまでもない
、なお、粉末を充填する袋として通気性材料を用いるの
は、高温時に内部の気体が膨張しても袋を破損するおそ
れがないからである。

また、通気性材料の種類は、断熱構造体の使用温度より
高い耐熱性を有する材料からなるものを選ぶのがよい。

前記断熱気体層３は、断熱効果のある気体層であり、断
熱材を用いるよりもコスト的にメリットがある。反面、
輻射防止効果は、断熱材よりも小さい。このため、輻射
が大である高温側に断熱材層を設け、これにより温度を
降下させたところで断熱気体層を設けるようにするのが
好ましい。なお、断熱気体層は、断熱効果の点からは、
その中で対流が起こらない程度に密閉され、薄くされた
気体層であることが好ましい。このようになっていると
、断熱気体層が気体の熱伝導率のみに依存した断熱効果
を発揮するとともに、全体の厚みを薄くすることができ
る。対流には、自然対流と強制対流があり、断熱気体層
は、これらの対流が起こらないように、次のようになっ
ていることが好ましいのである。まず、強制対流につい
ては、強制対流層４の熱媒体（たとえば、空気などの気
体）が、断熱気体層３内に流れ込まないように、断熱気
体層３が密閉された空間となっている。ただし、ここで
密閉とは、シフル等を施すような完全密閉のみを言うの
ではなく、気体バルクが速度をもって流入出しないよう
な程度のもの（たとえば、温度上昇または降下で気体が
膨張または収縮して徐々に流出入することはかまわない
）をも含むものである。ただし、省エネルギー効果の点
からは、層内に熱をためる効果のある（完全）密閉の方
が好ましい。他方、自然対流については、密閉層内の自
然対流におけるモデルより、下式から前記断熱気体層の
厚みを設定する。

すなわち、自然対流が起こらない条件は、Ｒａ＝Ｐｒ−
Ｇｒ≦８００　　　　　　　　　　−（ａ）が好ましく
、 Ｒａ＝Ｐｒ−Ｇｒ≦５００　　　　　　　　　　　・（
ｂ）がより好ましいので、（ａ）または山）式を満足す
るように、（Ｃ）式から、断熱気体層３の厚みδを設定
するのである。

戸 なお、上式（ａ）〜（Ｃ１において、 Ｒａ：レイリー数　　　　　Ｇｒ：グラスホフ数Ｐｒニ
ブラントル数　　　　δ：気体層の厚みβ：気体の体積
膨張率　　９：Ｍ力加速度ＴＩおよびＴ、：気体層壁の
温度 シ：気体の動粘性係数 である。

なお、Ｔ、およびＴ、の設定については、高温部および
低温部の温度、ならびに、各層（断熱材層など）の熱抵
抗を仮定して各面を通過する熱流束を求め、これらの値
をもとに各層の温度を求める。設計後、実験により確認
する。

また、断熱気体層の温度については、輻射の影響を小さ
くするため、低い温度で用いることが望ましい、好まし
くは、気体層の平均温度が１５０℃以下になるように、
位置づけるのがよい。

以上のようにすると、断熱気体層３は、対流および輻射
による伝熱を極めて小さくすることができるため、静止
空気と同等の優れた断熱層となるのである。

強制対流層４は、吸排気口８、および、強制対流を起こ
すための装置（たとえば、ファンなど。

図示されず）を設けた開放層であり、吸排気口８から熱
媒体を流入出させる（矢印Ｐ、Ｑで示す）ことにより、
断熱構造体１にたまる熱を外部に排出して冷却するため
のものである。この強制対流層４により、断熱構造体ｌ
の外表面温度、および、この強制対流層４内に設けた電
子部品７等の温度上昇を抑える効果を大きくできる。強
制対流層の厚みが大きいほど、また、熱媒体の流速が大
きいほど、上述の熱排出の効果が大きいが、これらの条
件は、目標（たとえば、サイズ、温度等）に応じて決め
るのがよい。前記熱媒体としては、たとえば、空気など
の気体が使われるが、空気に限るものではない。断熱構
造体を大気中で使用する場合には、熱媒体の漏れなどに
よる性能変化を小さくしたり、取り扱いやすくしたりす
るため、空気を使用するのがよい。

前記構造材料５・・・は、剛性があり、かつ、加工性の
良いもの、たとえば、金属板、プラスチック板、スレー
ト板などから形成される。構造材料５・・・は、熱機器
本体６を支えるために、一部で互いに接続されてもかま
わないが、本体６から外側への熱の移動を極力抑えるた
め、伝熱面積をできるだけ小さくするように構成するの
が好ましい。構造材料５は板金、成形など適宜の手段で
加工して形成される。前述のように、断熱気体層を密閉
したいときには、必要に応じてシールなどを施すように
してもよい。

この発明の断熱構造体１は、たとえば、その内部にオー
プンや電子レンジなどの熱機器が組み込まれ、必要に応
じて壁などに組み込まれるが、このような使用のされ方
に限らない。たとえば、暖炉、ストーブの周りや煙道の
周りなどに設置されてもよい。熱機器を組み込んだ場合
、熱機器内部の温度４５０〜５００℃のときに断熱構造
体表面の温度を５０〜６０℃とするために、従来のもの
は１３０〜８０ｍ＋の厚みが必要であったのに対し、こ
の発明によれば、その半分程度以下の厚みとすることが
可能である。この場合、断熱材層の厚みは、たとえば１
０鶴程度、断熱気体層の厚みは、たとえば５ｆｉ程度、
強制対流層の厚みは、たとえば、１８ｍ程度である。

〔作　　　用〕

この発明の断熱構造体は、断熱層により保温を行うこと
ができるとともに、強制対流層により冷却を行うことが
できる。しかも、強制対流層を設けると、放熱の熱流束
が増加し、その結果、断熱層による温度降下が増大し、
断熱構造体表面の温度上昇を抑えることができる。した
がって、この発明の断熱構造体は、保温および冷却の両
方の機能を持っていることにより、従来のものよりも熱
を伝えにくくなり、温度上昇を小さくすることができる
。また、従来のものよりも厚みを薄くすることができ、
コンパクト化に寄与する。しかも、断熱層が、断熱材層
と断熱気体層とを有しているため、コスト低下のメリッ
トも大きい。

〔実　施　例〕

以下に、この発明の具体的な実施例および比較例を示す
が、この発明は下記実施例に限定されない。

一実施例１− 第１図に示すような、オーブンタイプの熱機器（試験機
）を組み込んだ断熱構造体１を作った。

第１図にみるように、この断熱構造体１は、中空の箱状
であり、外側から、強制対流層４、断熱気体層３および
断熱材層２で、熱機器本体（寸法：幅５００ｍ、高さ５
００ｍ＋、奥行き４５０ｍ１）６の周囲を覆う、３重構
造となっている。

断熱材層２の断熱材としては、ガラスクロスで被覆した
微細多孔体Ａ（厚み１０鶴、嵩密度０．３２ｇ／ｃｄ）
を用いた。断熱気体層３の厚みを１５鶴とし、強制対流
層４の厚みを最低１８ｔｍとした。断熱材層２．断熱気
体層３および強制対流層４の間、および、断熱構造体１
の外表面には、剛性のある金属板を板金加工してなる構
造材料５が各層を仕切ったり、強度保持をしたりするた
めに用いられた。外表面の構造材料５には、吸排気口８
を設けた。また、各層の仕切りの構造材料５はシールな
しとした。強制対流層４には、電子部品７を配置した。

なお、前記微細多孔体Ａは、微粒子シリカのヘキサメチ
ルジシラザンによる表面処理物（徳山曹達■製特注品、
平均粒径７ｎｍ）　、Ｔ　ｉ　Ｏｘルチル粉末（古河鉱
業■製ＦＲ−４１、粒径０．２μｌ）およびセラミック
ファイバー（新日鉄化学■製ＳＣバルク＃１１１、直径
２−８　ｔｒｍ　％長さ５ｍ）の混合物を２０ｋｇ／ｃ
ｊの成形圧で平板に成形して得たものであった。各材料
の混合比は、シリカ：ＴｉＯ：ファイバー＝３：１：０
．１５（重量比）であった。

一実施例２一 実施例１において、微細多孔体Ａを厚み１７Ｗｍ、嵩密
度０．３４ｇ／ｃｄとしたこと、および、断熱気体層の
厚みを７１１としたこと以外は、実施例１と同様にして
断熱構造体を作った。

一実施例３一 実施例１において、断熱材層の厚みを７鶴としたこと、
および、断熱気体層の厚みを５１ｍとしたこと以外は、
実施例１と同様にして断熱構造体を作った。

一実施例４一 実施例１において、断熱材層の断熱材としてガラスクロ
スで被覆した微細多孔体Ｂ（厚み７鶴、嵩密度０．３１
ｇ／ｃｄ）を用いたこと、および、断熱気体層の厚みを
７ｎとしたこと以外は、実施例１と同様にして断熱構造
体を作った。

前記微細多孔体Ｂは、微粒子シリカ（徳山曹達■製しオ
ロシール、平均粒径７ｎｍ）　％　Ｔ　ｉ　Ｏ，ルチル
粉末（古河鉱業側型ＦＲ−４Ｌ平均粒径０゜２μｌ）お
よびセラミックファイバー（新日鉄化学■製ＳＣバルク
＃１１１、直径２．８ｇｙｓ、長さ５Ｍ）を重量比で３
：１：０．１５に配合したものを混合し、２０ｋｇ／ｃ
ｄの成形圧で平板状に成形したものであった。

一実施例５一 実施例１において、断熱材層の断熱材として市販のセラ
ミックゲラスマット（厚み２０日、嵩密度０．１１　ｇ
　／ｃｊ）を用いたこと、および、断熱気体層の厚みを
５鶴としたこと以外は、実施例１と同様にして断熱構造
体を作った。

−比較例１− 断熱材として、実施例５で用いたセラミックゲラスマッ
ト（厚み３５１１ｍ、嵩密度０．１１ｇ／ｃ＋Ｊ）を用
い、断熱気体層および強制対流層を除いて、他は実施例
１と同じ条件で断熱構造体を作った・−比較例２− 比較例１において、断熱材層の厚みを９０鶴としたこと
以外は、比較例１と同様にして断熱構造体を作った。

上記実施例および比較例の断熱構造体には、いずれも同
じ材質および厚みの構造材料５を用いた、構造材料５は
、板金により加工し、断熱気体層は、端部をシールしな
かった。

実施例および比較例の各断熱構造体について、まとめた
ものを第１表に示した。また、各断熱構造体について、
外表面の放熱条件を同じにして下記の条件で加熱テスト
を実施し、定常時における第２図に示す各部Ａ−Ｈの温
度を測定し、結果を第１表に示した。

熱機器本体内（庫内）平均温度：５００℃強制対流発生
装置：ファン（直径１００ｍ、４枚羽根）を２機使用 温度計測二に熱電対使用 なお、実施例１〜５における各断熱気体層３について、
上記（ａ）〜（Ｃ１式の因子を第２表にまとめて示した
。

第１表にみるように、実施例の各断熱構造体は、比較例
１のものに比べて、外表面の温度Ｅがかなり低くなって
いる。また、実施例の各断熱構造体の各面の厚みも、比
較例２のものに比べて、かなり薄くなっている。実施例
３および実施例５は、実施例１．２および４に比べて、
断熱気体層が薄くて自然対流が起こりにくいため、Ｃ−
Ｄ間の温度降下が非常に大きい。実施例１〜４は、断熱
材が微細多孔体であるため、繊維系材料を断熱材に用い
た実施例５に比べて、Ｂ−Ｃ間の温度降下が大きい。実
施例２は、断熱材層が微細多孔体からなり、その厚みが
大きいので、実施例１．３および４よりも、Ｂ−Ｃ間の
温度降下が大きい。なお、実施例のものは、比較例のも
のと同程度の保温効果を示した。

〔発明の効果〕

この発明の断熱構造体は、以上に述べたように、断熱層
および強制対流層を備え、前記断熱層が断熱材層および
断熱気体層を有するので、十分な断熱性を有していて、
コンパクトになり、かつ、表面温度の上昇を小さくする
ことができる。

断熱材層の断熱材として、微粒子からなる微細多孔体が
用いられていると、より断熱効果が高まる。

断熱気体層が、気体の流れの生じないレベルに密閉され
ており、かつ、対流の生じないレベルの厚みとされてい
ると、より断熱効果が高まる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明にかかる断熱構造体の１実施例を模
式的に表す断面図、第２図は、同実施例の温度測定部分
を模式的に示す断面図である。 １・・・断熱構造体　２・・・断熱材層　３・・・断熱
気体層　４・・・強制対流層 （ｂ） 代理人　弁理士　　松　本　武　彦 手続補正書（ｊｉ力 平成 ６月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　断熱層と強制対流層とを備え、前記断熱層が断熱材
   層と断熱気体層とを有するものであり、断熱材層、断熱
   気体層および強制対流層が厚み方向に重ね合わされてな
   る断熱構造体。 ２　断熱材層の断熱材が、微粒子からなる微細多孔体で
   ある請求項１記載の断熱構造体。３　断熱気体層が、気
   体の流れの生じないレベルに密閉されており、かつ、対
   流の生じないレベルの厚みとされている請求項１または
   ２記載の断熱構造体。