JPWO2018047261A1

JPWO2018047261A1 - 真空断熱材及び断熱箱

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Publication number: JPWO2018047261A1
Application number: JP2018537925A
Authority: JP
Inventors: 貴祥向山; 一正藤村; 佑泉谷; 尚平安孫子; 浩明高井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2016-09-08
Filing date: 2016-09-08
Publication date: 2019-04-11
Also published as: WO2018047261A1; CN109690164A

Abstract

本発明に係る真空断熱材は、繊維の集合体で構成された芯材と、前記芯材を被覆している外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧状態となっている真空断熱材であって、当該真空断熱材の厚み方向と平行な断面に存在する、前記繊維の単位断面積当たりの平均本数が、３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下となっているものである。

Description

本発明は、断熱性能を向上させた真空断熱材、及び真空断熱材を備えた断熱箱に関するものである。

冷蔵庫等の断熱材として用いられている従来の真空断熱材として、繊維径が平均３μｍ以上８μｍ以下であるとともに繊維長が平均２ｍｍ以上１０ｍｍ以下に形成される芯材と、芯材を覆うガスバリア性フィルムとを有する真空断熱材であって、その広がる方向である延在方向断面の空隙率が８０％以上８５％以下であり、かつ、その断熱方向である厚さ方向断面の空隙率が８５％以上１００％未満であるというものが提案されている（特許文献１参照）。

特許文献１によれば、繊維長が２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲の場合、繊維の配向性が向上し、真空断熱材の厚み方向に対して平行な繊維の割合が大きくなるとされている。一方、特許文献１には、繊維長が短いと繊維が立ち易くなり、真空断熱材の表面からの熱を裏面に伝える経路、すなわち厚み方向に対して平行な繊維が増えることから、断熱性能が悪くなるとの記載がある。また、特許文献１によれば、繊維径を細く最適化することにより、内包材の内部において繊維の占める容積が減少して、真空断熱材における空隙率（断熱性が高い真空が占める容積の割合）が向上するため、真空断熱材の熱伝導率の低減が可能となり、真空断熱材の断熱性能が向上するとされている。

特開２０１１−２３６９５３号公報

上記特許文献１では、真空断熱材の断熱方向である厚さ方向の断面の空隙率は、８５％以上１００％未満とされている。すなわち、特許文献１によれば、厚さ方向断面の空隙率が大きく、真空空間が占める割合が大きければ、真空断熱材の断熱性能が高いとされている。しかしながら、真空断熱材の熱伝導率は、少なくとも、固体熱伝導率及び気体熱伝導率という２つの熱伝導率よって決定される。このため、特許文献１に開示された真空断熱材は、気体熱伝導率が支配的であるので、高い断熱性能が得られるとは限らないという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも断熱性能の高い真空断熱材を提供することを第１の目的とする。また、本発明は、従来よりも断熱性能の高い真空断熱材を備えた断熱箱を提供することを第２の目的とする。

本発明に係る真空断熱材は、個体熱伝導率及び期待熱伝導率のバランスが良くなるため、従来よりも断熱性能を向上させることができる。

本発明に係る平均繊維本数測定用試料の切断面の走査型電子顕微鏡による二次電子像を、図面として描いたものである。平均配向角と熱伝導率との関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係る真空断熱材を示す断面図である。平均繊維本数と熱伝導率との関係を示す図である。配向角１５°以下の平均繊維本数と熱伝導率との関係を示す図である。平均繊維径と熱伝導率との関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係る断熱箱を示す断面図である。

本発明に係る真空断熱材は、繊維の集合体で構成された芯材と、芯材を被覆している外包材とを備え、外包材の内部が減圧状態となっている。そして、本発明に係る真空断熱材においては、当該真空断熱材の厚み方向と平行な断面に存在する、芯材を構成する繊維の単位断面積当たりの平均本数が、３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下となっている。また、本発明に係る真空断熱材においては、当該真空断熱材の厚み方向と垂直な断面と、芯材を構成する繊維とがなす角度を配向角と定義した際、当該真空断熱材の厚み方向と平行な断面に存在する、配向角が１５°以下となる繊維の単位断面積当たりの平均本数が、２４００本／ｍｍ^２以上４６００本／ｍｍ^２以下となることが好ましい。

ここで、繊維の単位断面積当たりの平均本数、及び、配向角が１５°以下となる繊維の単位断面積当たりの平均本数は、次の方法で測定された測定値を意味する。なお、以下では、繊維の単位断面積当たりの平均本数を「平均繊維本数」と称することとする。また、配向角が１５°以下となる繊維の単位断面積当たりの平均本数を「配向角１５°以下の平均繊維本数」と称する。

（平均繊維本数測定方法）
平均繊維本数測定用試料を、次のように作製した。まず、真空断熱材の真空状態での厚みを保持するため、真空断熱材の外側をエポキシ樹脂で固め、元の真空断熱材の厚みを保持させた。その後、真空断熱材を開封し、内部にエポキシ樹脂を流し込み、硬化させた。硬化後、真空断熱材のおよそ中央部を断熱方向つまり厚み方向に平行な面で切断した。そして、切断面を研磨し、平均繊維本数測定用試料を作製した。なお、厚み方向に平行な切断面は、例えば、後述の図３に示すＤ−Ｄ断面である。

作製した平均繊維本数測定用試料について、走査型電子顕微鏡を用いて、切断面の二次電子像撮影を倍率５００倍で実施し、撮影した二次電子像について画像解析を行った。

図１は、本発明に係る平均繊維本数測定用試料の切断面の走査型電子顕微鏡による二次電子像を、図面として描いたものである。
図１でハッチングを施した楕円形状のもの１つ１つが、繊維の断面である。平均繊維本数測定用試料の厚み方向と垂直な方向に、平均繊維本数測定用試料の切断面の二次電子像を複数の領域に区画し、これらの区画のうちの任意の１つである区画Ｚにおいて、当該区画Ｚ内に存在する繊維本数を数えた。そして、この繊維本数と、区画Ｚの面積とから、繊維の単位断面積当たりの平均本数すなわち平均繊維本数を求めた。なお、平均繊維本数測定用試料の切断面が例えば後述の図３に示すＤ−Ｄ断面である場合、平均繊維本数測定用試料の厚み方向と垂直な方向は、後述の図３の紙面直交方向となる。

（配向角１５°以下の平均繊維本数測定方法）
上述の平均繊維本数測定用試料の切断面の走査型電子顕微鏡による二次電子像を使用し、上述の区画Ｚ内に存在する各繊維の配向角を次の方法で算出した。
詳しくは、まず、断熱方向である平均繊維本数測定用試料の厚み方向と垂直な断面を、図１に示すように、基準面Ｃと定義した。なお、基準面Ｃは、後述の図３に示すＥ−Ｅ断面となる。また、繊維の断面は全て楕円であると仮定した。そして、図１に示すように、区画Ｚ内に存在する全繊維において、断面の長軸の長さａ［μｍ］及び短軸の長さｂ［μｍ］と、長軸と基準面Ｃとのなす角θ［°］と、を測定した。なお、長軸の長さａ［μｍ］は、０．０１μｍ単位まで測定した。短軸の長さｂ［μｍ］は、０．０１μｍ単位まで測定した。長軸と基準面Ｃとのなす角θ［°］は、０．０１°単位まで測定した。その後、下記式によって、区画Ｚ内に存在する全繊維について、配向角φ［°］を算出した。

次に、区画Ｚ内に存在する全繊維のうち、配向角が１５°以下の繊維の本数割合を算出した。そして、この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせた値を、配向角１５°以下の平均繊維本数とした。

ここで、配向角１５°を選択した理由について説明する。発明者らは、複数の真空断熱材を作製し、各真空断熱材の熱伝導率を求めた。その後、各真空断熱材を用いて、上述の平均繊維本数測定用試料を作製した。そして、平均繊維本数測定用試料のそれぞれにおいて、上述の方法により、区画Ｚ内に存在する全繊維について、配向角φ［°］を算出した。また、平均繊維本数測定用試料のそれぞれにおいて、区画Ｚ内に存在する全繊維の配向角φ［°］の平均値を、平均配向角として算出した。そして、発明者らは、熱伝導率と平均配向角との関係について考察した。

図２は、平均配向角と熱伝導率との関係を示す図である。
図２に示すように、平均配向角が１５°以下の範囲において、熱伝導率は１．９ｍＷ／ｍ・Ｋ以下でほぼ一定である。これに対して、平均配向角が１５°を超えると、熱伝導率は１．９ｍＷ／ｍ・Ｋ以上に増加する。このため、平均配向角を１５°以下にすることが熱伝導率を低減させる上で重要な値であり、本発明では配向角１５°以下の平均繊維本数を算出した。

なお、平均配向角と熱伝導率の関係において、変局点を有することに関しては、パーコレーション理論によって説明できる。平均配向角が小さくなればなるほど、真空断熱材の断熱方向つまり厚み方向に繊維が配向する確率が低くなり、熱の経路が長くなる。このため、熱伝導率が低くなり、断熱性能が高くなると考えられる。一方、平均配向角が大きくなると、断熱方向つまり厚み方向に繊維が配向する確率が高くなり、熱の経路が短くなる。このため、熱伝導率が高くなり、断熱性能が低くなると考えられる。図２に示すように、平均配向角１５°以下において熱伝導率は一定であり、１５°を超えると熱伝導率が急増したことから、平均配向角１５°の点が、断熱方向への熱の経路が急に短くなる点であることを示唆している。以上の理由から、平均配向角と熱伝導率の関係おいて変局点を有すると考えられる。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る真空断熱材を、図に基づいて説明する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る真空断熱材を示す断面図である。この図３に示す真空断熱材１は、紙面の上下方向が、厚み方向すなわち断熱方向となっている。
真空断熱材１は、繊維集合体で構成された芯材２と、この芯材２を被覆しているガスバリア性の外包材３とを備えている。そして、真空断熱材１は、外包材３の内部が１Ｐａ（パスカル）〜３Ｐａの真空度に減圧された状態で、開口部が熱溶着等で形成される溶着シール部５によって密封されている。なお、本実施の形態１においては、真空断熱材１は、外包材３の内部の水分を吸着して経時劣化を抑制する水分吸着剤４も備えている。

芯材２は、ガラス繊維、アルミナ繊維、シリカアルミナ繊維、シリカ繊維、ロックウール、炭化ケイ素繊維、及び不織布等、材質を特に限定するものではない。

外包材３は、少なくともガスバリア層及び熱溶着層を有するものであり、必要に応じて表面保護層等を設けてもよい。ガスバリア層は、ガス透過を低減する目的で用いるものであれば、特に材質を限定するものではない。ガスバリア層としては、例えば、金属、金属酸化物又はダイヤモンドライクカーボンを蒸着したプラスチックフィルムを用いることができる。また例えば、ガスバリア層として、金属箔等を用いることができる。また、前記プラスチックフィルム上へ蒸着する金属酸化物の材料は、シリカ、及びアルミナ等を用いることができるが、特に限定するものではない。

前記外包材３の熱溶着層は、熱溶着等された際に、溶着シール部５となるものである。熱溶着層は、外包材３を構成するフィルムの中で最もガス透過度が大きい部分であり、熱溶着層の性質は真空断熱材１の経時断熱性能に大きく影響する。熱溶着層の厚さは、減圧封止工程における封止品質の安定性、熱溶着部端面からのガス侵入の抑制、及び、ガスバリア層として金属箔を使用した場合における熱伝導による表面からのヒートリークを考慮すると、２５μｍ〜６０μｍが適している。熱溶着層の材料としては、例えば、無延伸ポリプロピレンフィルム、高密度ポリエチレンフィルム、及び直鎖状低密度ポリエチレンフィルム等を用いることができるが、材料を特に限定するものではない。

また、ガスバリア層の外側にさらに表面保護層を設けることも可能である。表面保護層としては、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリプロピレンフィルム、及びナイロンフィルムの延伸加工品等が利用できる。さらに、表面保護層としてナイロンフィルム等を用いることにより、外包材３の耐折り曲げ性、及び耐突き刺し性等を向上させることもできる。

また、外包材３の袋形状は、四方シール袋、ガゼット袋、三方シール袋、ピロー袋、及びセンターテープシール袋等があるが、特に限定するものではない。

水分吸着剤４は、例えば、通気性の良い袋に挿入された酸化カルシウム（ＣａＯ）等である。水分吸着剤４は、ＣａＯのみに限定されず、ゼオライト等、水分吸着性を有するものであれば、特に限定されるものではない。

次に、本実施の形態１に係る真空断熱材１の製造方法について説明する。
芯材２を袋形状の外包材３へ挿入し、水分除去のための乾燥工程を経た後、水分吸着剤４が外包材３内に挿入される。そして、外包材３の内部が１Ｐａ〜３Ｐａの真空度に減圧された状態で、外包材３の開口部が溶着シール部５により密封されることで、真空断熱材１が得られる。なお、乾燥工程は、芯材２と該芯材２を被覆する外包材３の水分を除去できる条件を満たせば、具体的な条件は特に限定されない。例えば、乾燥工程として、１００℃で２時間の加熱を行えばよい。また、水分吸着剤４は、乾燥工程を経た後に挿入されることに限定されない。例えば、乾燥工程の前に水分吸着剤４を外包材３内に挿入してもよい。また例えば、加工装置等で芯材２と芯材２を被覆する外包材３とを加圧圧縮する場合、当該加圧圧縮の前に、水分吸着剤４を外包材３内に挿入してもよい。

続いて、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材における、「平均繊維本数」及び「配向角１５°以下の平均繊維本数」の測定結果について説明する。なお、これら「平均繊維本数」及び「配向角１５°以下の平均繊維本数」は、上述の方法で測定したものである。表１に、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材における、「平均繊維本数」及び「配向角１５°以下の平均繊維本数」の測定結果を示す。

なお、表１には、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材のそれぞれについて、平均繊維径も示している。表１に示した平均繊維径は、芯材２を構成する繊維の繊維径の平均値であり、次の方法で測定したものである。
上述のように繊維の断面は全て楕円であると仮定した場合、繊維径は、短軸の長さｂ［μｍ］に相当する。そこで、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材のそれぞれの平均繊維本数測定用試料において、前記区画Ｚ内に存在する全繊維の繊維径すなわち短軸の長さｂ［μｍ］を測定した。そして、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材のそれぞれの平均繊維本数測定用試料において、前記区画Ｚ内に存在する全繊維の繊維径の平均値を算出し、平均繊維径とした。なお、全繊維の繊維径すなわち短軸の長さｂ［μｍ］は、０．０１μｍ単位まで測定した。

（実施例１）
実施例１に係る真空断熱材１における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材１における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、３７８３本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．７４であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、２７９９本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、４．３μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように実施例１に係る真空断熱材１を作製し、当該真空断熱材１の熱伝導率を測定した。熱伝導率は１．７８ｍＷ／ｍ・Ｋと良好な値となった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。なお、上記の平面寸法とは、例えば図３に示す真空断熱材１の場合、該真空断熱材１を矢印Ｆ方向に観察した際、芯材２を被覆している外包材３部分の寸法を示すものである。また、上記の厚みとは、例えば図３に示す真空断熱材１の場合、紙面上下方向の真空断熱材１の寸法である。

（実施例２）
実施例２に係る真空断熱材１における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材１における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、４４７２本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．６４であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、２８６２本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、３．９μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように実施例２に係る真空断熱材１を作製し、当該真空断熱材１の熱伝導率を測定した。熱伝導率は１．６０ｍＷ／ｍ・Ｋと良好な値となった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。

（実施例３）
実施例３に係る真空断熱材１における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材１における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、５２３６本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．６９であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、３６１２本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、３．８μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように実施例３に係る真空断熱材１を作製し、当該真空断熱材１の熱伝導率を測定した。熱伝導率は１．５２ｍＷ／ｍ・Ｋと良好な値となった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。

（実施例４）
実施例４に係る真空断熱材１における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材１における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、８１１９本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．５３であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、４３０３本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、３．０μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように実施例４に係る真空断熱材１を作製し、当該真空断熱材１の熱伝導率を測定した。熱伝導率は１．６６ｍＷ／ｍ・Ｋと良好な値となった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。

（実施例５）
実施例５に係る真空断熱材１における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材１における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、７０９８本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．５５であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、３９０４本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、３．１μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように実施例５に係る真空断熱材１を作製し、当該真空断熱材１の熱伝導率を測定した。熱伝導率は１．６８ｍＷ／ｍ・Ｋと良好な値となった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。

（比較例）
比較例に係る真空断熱材における断熱方向と平行な断面に存在する平均繊維本数、すなわち、真空断熱材における厚み方向と平行な断面に存在する繊維の単位断面積当たりの平均本数は、前記の方法で測定したところ、２６６９本／ｍｍ^２であった。次に、前記の方法で、各繊維の配向角を測定し、配向角１５°以下の繊維の本数割合を算出したところ、０．６８であった。この本数割合を先に求めた平均繊維本数に掛けあわせ、配向角１５°以下の平均繊維本数を計算したところ、１８１５本／ｍｍ^２となった。また、前記の方法で平均繊維径を測定した結果、４．７μｍであった。

また、平面寸法が２８０ｍｍ×３４０ｍｍとなり、厚みが２０ｍｍとなるように比較例に係る真空断熱材を作製し、当該真空断熱材の熱伝導率を測定した。熱伝導率は２．１０ｍＷ／ｍ・Ｋと高くなった。測定条件は、高温側３７．７℃、低温側１０℃、平均温度２３．８５℃で実施した。すなわち、比較例に係る真空断熱材は、実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１より熱伝導率が高いため、断熱性能が劣る。

以上の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１及び比較例に係る真空断熱材の結果を、図４〜図６にプロットした。

図４は、平均繊維本数と熱伝導率との関係を示す図である。
まず、平均繊維本数について考察する。図４にプロットした点を二次式で近似したところ、相関係数Ｒは０．９５となり、高い相関があった。一般に、０．７＜Ｒ＜１である場合、高い相関があるとされている。この結果から、平均繊維本数が５９００本／ｍｍ^２において熱伝導率は最小となる。また、平均繊維本数が３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下の範囲において、熱伝導率を１．８ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にすることが可能であることを示唆している。つまり、本範囲において、従来の真空断熱材よりも断熱性能の高い真空断熱材を提供することができる。よって、熱伝導率を１．８ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にし、従来よりも断熱性能の高い真空断熱材を得るためには、平均繊維本数が３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下の範囲であればよい。また、平均繊維本数を４７００本／ｍｍ^２以上７４００本／ｍｍ^２以下の範囲とすることで、熱伝導率を１．６ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にすることができ、真空断熱材１の断熱性能をより向上させることができる。
なお、特許文献１に記載の真空断熱材を含む従来の真空断熱材においては、平均繊維本数が３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下の範囲を満たさない場合、熱伝導率が１．８ｍＷ／ｍ・Ｋよりも大きくなる場合があることを付言しておく。

平均繊維本数と熱伝導率との関係において、熱伝導率の最小点が存在することに関しては、次のことから説明できる。一般に、真空断熱材の熱伝導率は、固体熱伝導率、気体熱伝導率、輻射による熱伝導率、及び、対流による熱伝導率の和である。しかしながら、対流による熱伝導は、およそ２０ｋＰａ以下の真空下もしくは空隙径１ｍｍ程度以下から影響が無視できるようになる。また、輻射による熱伝導は、１００℃以下の使用温度条件下では影響がない。このため、通常の真空断熱材は、内部圧力が２０ｋＰａ以下であり、１００℃以下の温度条件下で使用するため、固体熱伝導と気体熱伝導とが支配的となる。固体による熱伝導率は、嵩密度に比例する。これは、嵩密度が増加すれば固体部分が増えるため、熱伝導率が大きくなるためである。一方、嵩密度が増加すれば輻射を遮蔽する効果が増すため、輻射による伝熱は減少する。つまり、輻射による熱伝導率は嵩密度に反比例するが、１００℃以下の温度条件下で使用する場合は無視できる。このことから、平均繊維本数が増えると、嵩密度が増加するため、固体熱伝導率が増加し、平均繊維本数が減ると、嵩密度が減少するため、固体熱伝導率が減少することになる。

また、気体による熱伝導率は、真空断熱材内部の空間の大きさによって影響を受ける。一般に、真空断熱材の内部の真空度はおよそ１Ｐａ〜３Ｐａ程度であり、この真空度における空気の平均自由行程はおよそ１００μｍ前後である。また、真空断熱材の繊維間距離はおよそ１０〜２０μｍであるため、気体の平均自由行程よりも短い空間距離である。空間距離が気体の平均自由行程よりも長い場合、気体の熱伝導率は静止気体の熱伝導率と一致する。一方、空間距離が気体の平均自由行程よりも短い場合、気体の熱伝導率は静止気体の熱伝導率よりも小さくなる。つまり、真空断熱材の内部における空間距離、すなわち繊維間距離は気体の平均自由行程よりも短いため、繊維間距離が長いほど気体の熱伝導率は高くなり、繊維間距離が短いほど気体の熱伝導率は小さくなると考えられる。このことから、平均繊維本数が増えると、嵩密度が増加し繊維間距離が短くなるため、気体熱伝導率が減少し、平均繊維本数が減ると、嵩密度が減少し繊維本数が長くなるため、気体熱伝導率が増加することになる。

以上のことから、真空断熱材の熱伝導率に寄与する固体熱伝導率と気体熱伝導率とは、相反する関係になっていることがわかる。すなわち、平均繊維本数が増えると、固体熱伝導率は増加し、気体熱伝導率は減少する。一方、平均繊維本数が減ると、固体熱熱伝導率は減少し、気体熱伝導率は増加する。このことから、平均繊維本数と熱伝導率の関係において、熱伝導率の最小点が存在し、真空断熱材の熱伝導率を低減させるためには、固体熱伝導率と気体熱伝導率のバランスが重要であると言える。

図５は、配向角１５°以下の平均繊維本数と熱伝導率との関係を示す図である。
次に、配向角１５°以下の平均繊維本数について考察する。図５にプロットした点を二次式で近似したところ、相関係数Ｒは０．９６となり、高い相関があった。この結果から、配向角１５°以下の平均繊維本数が３４００本／ｍｍ^２において熱伝導率は最小となる。熱伝導率を１．８ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にし、従来よりも断熱性能の高い真空断熱材を得るためには、配向角１５°以下の平均繊維本数が２４００本／ｍｍ^２以上４６００本／ｍｍ^２以下の範囲であればよい。また、配向角１５°以下の平均繊維本数を３０００本／ｍｍ^２以上４０００本／ｍｍ^２以下の範囲とすることで、熱伝導率を１．６ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にすることができ、真空断熱材１の断熱性能をより向上させることができる。
なお、特許文献１に記載の真空断熱材を含む従来の真空断熱材においては、配向角１５°以下の平均繊維本数が２４００本／ｍｍ^２以上４６００本／ｍｍ^２以下の範囲を満たさない場合、熱伝導率が１．８ｍＷ／ｍ・Ｋよりも大きくなる場合があることを付言しておく。

表１からわかるように、本発明の実施例１〜実施例５に係る真空断熱材１、及び比較例に係る真空断熱材は、平均繊維本数が多いものほど、配向角１５°以下の平均繊維本数も多くなっている。すなわち、平均繊維本数と配向角１５°以下の平均繊維本数との間には、比例関係が成立する。このため、配向角１５°以下の平均繊維本数と熱伝導率との関係において、熱伝導率の最小点が存在する論理は、平均繊維本数と同様の理論となる。したがって、配向角１５°以下の平均繊維本数と熱伝導率との関係において、熱伝導率の最小点が存在する論理に関しては、その説明を省略する。

図６は、平均繊維径と熱伝導率との関係を示す図である。
最後に、平均繊維径について考察する。図６にプロットした点を二次式で近似したところ、相関係数Ｒは０．９９となり、高い相関があった。この結果から、平均繊維径が３．６μｍにおいて、熱伝導率は最小となる。また、熱伝導率を１．８ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にし、従来よりも断熱性能の高い真空断熱材を得るためには、平均繊維径が２．８μｍ以上４．３μｍ以下の範囲であることが望ましい。また、平均繊維径を３．２μｍ以上３．９μｍ以下の範囲とすることで、熱伝導率を１．６ｍＷ／ｍ・Ｋ以下にすることができ、真空断熱材１の断熱性能をより向上させることができる。
なお、特許文献１に記載の真空断熱材を含む従来の真空断熱材においては、平均繊維径が２．８μｍ以上４．３μｍ以下の範囲を満たさない場合、熱伝導率が１．８ｍＷ／ｍ・Ｋよりも大きくなる場合があることを付言しておく。

平均繊維径と熱伝導率との関係において、熱伝導率の最小点が存在することに関しては、次のことから説明できる。繊維径が太くなると、固体熱伝導率が増える。一方、繊維径が細くなると、固体熱伝導率が減る。しかしながら、繊維径が細くなればなるほど、繊維が複雑に絡み合って、断熱方向つまり厚み方向に平行な繊維配列になる確率が増加し、伝熱量が増加することになる。また、繊維径が細くなればなるほど、繊維の剛性が低下するため、大気圧による繊維同士の接点に加わる応力により、繊維が変形しやすくなる。つまり、繊維径が細くなればなるほど、繊維の配向角が大きくなるため、配向角に起因する熱伝導率が増加する。以上の理由から、平均繊維本数と熱伝導率の関係において、熱伝導率の最小点が存在すると考えられる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、実施の形態１に係る真空断熱材を備えた断熱箱の一例について説明する。なお、本実施の形態２において、特に記述しない項目については実施の形態１と同様とし、同一の機能や構成については同一の符号を用いて述べることとする。

図７は、本発明の実施の形態２に係る断熱箱を示す断面図である。
断熱箱６は、外箱８と、外箱８の内部に配置された内箱７と、を備えている。さらに、断熱箱６は、外箱８と内箱７との間に配置された真空断熱材１を備えている。外箱８は、例えば、鋼板で形成されている。内箱７は、例えば、ＡＢＳ樹脂で形成されている。真空断熱材１は、実施の形態１で示した真空断熱材１である。真空断熱材１は、例えば、内箱７における外箱８と対向する面、あるいは、外箱８における内箱７と対向する面に設けられている。また、断熱箱６は、外箱８と内箱７との間に形成された空間のうち、真空断熱材１が設けられていない空間に発泡ウレタン断熱材９が発泡充填されている。換言すると、外箱８と内箱７との間に形成された空間のうち、真空断熱材１が設けられていない空間には、発泡ウレタン断熱材９が配置されている。

このように構成された断熱箱６は、例えば冷蔵庫に用いられる。つまり、断熱箱６の内側が、貯蔵室として用いられる。断熱箱６が備えている真空断熱材１は、実施の形態１で説明したように、従来よりも断熱性能を向上させることができる。このため、本実施の形態２に係る断熱箱６も、従来よりも断熱性能を向上させることができる。したがって、断熱箱６を冷蔵庫に用いることにより、消費電力の小さな冷蔵庫を提供することができる。

１真空断熱材、２芯材、３外包材、４水分吸着剤、５溶着シール部、６断熱箱、７内箱、８外箱、９発泡ウレタン断熱材。

本発明に係る真空断熱材は、繊維の集合体で構成された芯材と、前記芯材を被覆している外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧状態となっている真空断熱材であって、当該真空断熱材の厚み方向と垂直な断面と、前記繊維とがなす角度を配向角と定義した際、前記厚み方向と平行な断面に存在する、前記配向角が１５°以下となる前記繊維の単位断面積当たりの平均本数が、２４００本／ｍｍ ^２以上４６００本／ｍｍ ^２以下である。

Claims

繊維の集合体で構成された芯材と、前記芯材を被覆している外包材とを備え、前記外包材の内部が減圧状態となっている真空断熱材であって、
当該真空断熱材の厚み方向と平行な断面に存在する、前記繊維の単位断面積当たりの平均本数が、３７００本／ｍｍ^２以上８５００本／ｍｍ^２以下である真空断熱材。
前記厚み方向と垂直な断面と、前記繊維とがなす角度を配向角と定義した際、
前記厚み方向と平行な断面に存在する、前記配向角が１５°以下となる前記繊維の単位断面積当たりの平均本数が、２４００本／ｍｍ^２以上４６００本／ｍｍ^２以下である請求項１に記載の真空断熱材。
前記繊維の繊維径の平均値が、２．８μｍ以上４．３μｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の真空断熱材。
外箱と、
前記外箱の内部に配置された内箱と、
前記外箱と前記内箱との間に配置された請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の真空断熱材と、
を備えた断熱箱。