TW202223279A - 隔熱配管 - Google Patents
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Abstract
本發明之目的在於提供一種在使流體通過之配管中，以低成本且高性能的方式在將管的外壁設為內外二重時之內壁與外壁之間的空間實現熱絕緣之配管。本發明之隔熱配管，係由內管與外管構成之二重配管所構成的隔熱配管，填充於內管與外管之間的空間之隔熱材，係包含將具有以一次粒子之集合體亦即團簇構成骨架之三維網狀構造之氣凝膠作為原料，並具有以該一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子。作為如此之隔熱材，較佳係藉由將氣凝膠製造過程中的熟成條件設為低溫、短時間，再將所生成之弱結合超微粒子氣凝膠進行超高速粉碎而生成之弱結合超微粒子氣凝膠粉末。
Description
本發明係關於一種隔熱配管，特別係可適合利用於通過隔熱配管之流體為低溫或高溫時之與環境的熱絕緣者。
使液體或氣體等流體通過的管中，在該流體為低溫或高溫，且與設置該管之環境的溫度之差較大時，對於吸收溫度差之熱絕緣所下的工夫為重要的。
專利文獻1中，揭示一種隔熱配管，其係內外二重之管(二重配管)，於內管與外管之間的空間設有真空之區域。專利文獻2中，揭示一種係二重配管且以微米多孔材料覆蓋內管的周圍之熱絕緣管路。
專利文獻3中，揭示一種二重配管，其係內外二重之管路(二重配管)，並在外側之管與內側之管之間的環狀空間含有多孔且具彈性之壓縮性物質。於該環狀空間，被視為殘留有預先壓縮並固持該壓縮性物質之容器的殘留部分。作為所使用之壓縮性物質，例示列舉出了氣凝膠、二氧化矽氣凝膠、奈米多孔二氧化矽等(請求項6等)。
此處，所謂氣凝膠，係以分散相為氣體的微多孔性固體構成之凝膠。例如，藉由將溶於介質之金屬醇鹽水解，縮合並製備成溶膠，並將其凝膠化而生成濕潤凝膠，再從生成之濕潤凝膠中去除溶劑成分而生成。濕潤凝膠中，係以金屬醇鹽為原料，並以上述溶膠中作為膠體而含有之粒子為骨架形成三維網狀構造，但藉由維持該構造並去除溶劑成分，而形成為具有微小空孔的構造體。藉由製備成使空孔的大小比空氣的平均自由行程更小，可使空孔內不會發生對流等經由氣體之熱傳導，而將熱傳導率抑制得較低。故氣凝膠可利用於作為熱絕緣材料。
專利文獻4中，揭示一種含有氣凝膠成分與中空二氧化矽粒子之氣凝膠複合體。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2000-081192號公報
[專利文獻2]美國專利第6145547
[專利文獻3]國際公開WO2006/133155
[專利文獻4]日本專利第6288382號公報
[發明欲解決之課題]
本發明人對於專利文獻1、2、3及4進行研究之結果，了解有如下之新的課題存在。
專利文獻1所記載之技術中，為了使內管與外管之間的空間保持真空，需要排氣設備。於圖示之二重配管設有排氣用筒體7，經由封閉閥連接於真空泵等抽吸設備(第0012段)。此係由於難以達到完全之真空封閉，若無排氣則隨著時間的經過真空度降低，而無法保持隔熱效果。如此之排氣設備會成為成本之原因。
專利文獻2所記載之技術中，藉由以微米多孔材料覆蓋內管的周圍而不須排氣設備且同時提高隔熱效果，但微米多孔材料之熱傳導性不及真空，又，在與外管之間殘留有空間之點上，熱絕緣性能較差。又，該微米多孔材料經年劣化時，必須進行定期更換等維護，此會成為成本之原因。
專利文獻3中揭示的技術中，為了無間隙地填充內管與外管之間的空間，填充之物質限於多孔且具彈性之壓縮性物質。藉由將該壓縮性物質在減壓環境下封閉於較小之容器並放入內管與外管之間的空間後，從減壓環境解放而膨脹填充(第0014段等)。又，該多孔且具彈性之壓縮性物質經年劣化時，必須進行定期更換等維護，而成為成本之原因之情況，與專利文獻2所記載之技術相同。
專利文獻4中揭示之氣凝膠複合體，藉由將中空二氧化矽粒子複合而提高隔熱性與柔軟性，但無法期待降低容積密度，而使作為絕緣材料利用時的量成為成本之原因。
本發明之目的在於提供一種在使流體通過之管中，以低成本且高性能的方式在將管的外壁設為內外二重時之內壁與外壁之間的空間實現熱絕緣之管。
[解決課題之手段]
透過一實施態樣，如下所述。
亦即，具有內管、外管、該內管與該外管之間的空間，以及填充於該空間之隔熱材之隔熱配管，其特徵在於：該隔熱材係包含將「具有以一次粒子之集合體亦即團簇構成骨架之三維網狀構造」之氣凝膠作為原料，並「具有以該一次粒子構成骨架之三維網狀構造」之微粒子。
此處，對於一次粒子進行說明。以往的氣凝膠粉末粒子之三維網狀構造中，構成其骨架之單位稱為二次粒子(例如，參照專利文獻4之第0035段)。所謂一次粒子，係聚集複數個而構成此二次粒子之較小單位之粒子。又，據該文獻，相對於二次粒子的直徑約2nm～50μm，一次粒子的直徑為0.1nm～5μm。但，作為技術常識，普遍而言，對於一次粒子、二次粒子之粒子徑，並未對各自的絕對數值規定單一範圍。
本說明書中，將具有以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之氣凝膠微粒子稱為弱結合超微粒子氣凝膠粉末。此時，弱結合超微粒子氣凝膠粉末如後述，係將「具有以比以往的氣凝膠中構成三維網狀構造的骨架之二次粒子更稀疏之粒子為單位構成之三維網狀構造」之氣凝膠粉碎而生成。將具有此以比以往的二次粒子更稀疏之粒子為單位構成之三維網狀構造之氣凝膠，稱為弱結合超微粒子氣凝膠。
[發明效果]
如下所述簡單說明透過該一實施態樣可得之效果。
亦即，可提供一種低成本且高性能地實現在將管設為內外二重時之內管與外管之間的空間的熱絕緣之隔熱配管。原因在於可將作為熱絕緣材的原料之氣凝膠的重量抑制為以往的數分之一。本發明中，以一次粒子而非以往的二次粒子為單位構成作為熱絕緣材的原料之氣凝膠的三次元網構造之骨架，並將該氣凝膠(弱結合超微粒子氣凝膠)粉碎為超微粒子粉末(弱結合超微粒子氣凝膠粉末)。其結果，可使弱結合超微粒子氣凝膠粉末的容積密度降低至以往的氣凝膠粉末的數分之一，故可將用以填充內管與外管之間的空間所需之氣凝膠的重量抑制為以往的數分之一。此處，所謂容積密度(bulk density)，係粉體之外觀上的密度，藉由將於已知體積之容器填充粉體時之粉體的質量除以容器之體積而算出。容器的體積中，並非只有構成粉體之粒子的體積之合計值，而亦將粒子間的間隙算入體積，故容積密度亦取決於構成粉體之粒子的間隙。
1.實施態樣之概要
首先，對於本發明中所揭示之代表性的實施態樣說明其概要。對於代表性的實施態樣之概要說明中，標示括弧而參照之圖式中的參照符號僅為例示包含於標示該符號之構成元件的概念者。
〔1〕 填充弱結合超微粒子氣凝膠粉末之二重隔熱配管(圖1、2、6、7、9)
其係具有內管(2)、外管(1)、該內管與該外管之間的空間，以及填充於該空間之隔熱材(3)之隔熱配管(10)，其特徵在於：該隔熱材，係包含將「具有以一次粒子(11)之集合體亦即團簇(21)構成骨架之三維網狀構造之氣凝膠(31)」作為原料，並具有該以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子(51)。又，具有以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子(51)，係弱結合超微粒子氣凝膠粉末，其原料之氣凝膠(31)，係弱結合超微粒子氣凝膠。
藉此，可提供一種以低成本且高性能的方式在將管設為內外二重時之內管與外管之間的空間實現熱絕緣之隔熱配管。
〔2〕弱結合超微粒子氣凝膠粉末之過半數在粒子徑1μm以下具有分散峰部(圖12)
在〔1〕項之隔熱配管中，該微粒子，其總數的50%以上，就粒子徑而言於0.1μm以上1.0μm以下具有眾數而分散。又，此處所謂粒子徑，係透過雷射繞射式粒子徑分布測量裝置得到之觀測值。在本說明書中將雷射繞射式粒子徑分布測量簡稱為PSD(particle size distribution，粒子徑分布)測量。本說明書中，對於粒子徑係以PSD測量為前提進行說明。但，PSD測量中，不僅粒子本身之徑，亦將粒子之凝聚作為粒子徑觀測，故實際之粒子徑比測量值更小的可能性高。若有取決於測量法之粒子徑的差異，應進行換算以理解。
藉此，本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的容積密度，降低為以往的氣凝膠粉末的數分之一。將於粒子徑1μm以下具有分散峰部之微粒子，視為具有以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子(51)，即使該分散峰部並未足夠大，仍可期待降低容積密度之一定程度的效果，而藉由使如此之微粒子占多數，該效果會更加顯著。
〔3〕中空粒子之添加(實施態樣2)
在〔1〕項或〔2〕項之隔熱配管中，該隔熱材更包含中空粒子。
藉此，可降低隔熱材之熱傳導率。
〔4〕於中空粒子內封入特殊氣體(實施態樣2)
在〔3〕項之隔熱配管中，該中空粒子具有殼，於殼之內側的中空部分封入熱傳導率比空氣更低之氣體。
藉此，可更加降低隔熱材之熱傳導率。
〔5〕於內管與外管之間的空間封入特殊氣體(實施態樣3)
在從〔1〕項到〔4〕項之中的任一項所述之隔熱配管中，於該內管與該外管之間的該空間，封入熱傳導率比空氣更低之氣體。
藉此，可更加提高隔熱材之熱絕緣性能。
〔6〕將內管與外管之間的空間減壓(實施態樣3)
在從〔1〕項到〔4〕項之中的任一項所述之隔熱配管中，將該內管與該外管之間的該空間，減壓至比大氣壓更低之氣壓。
藉此，可更加提高隔熱材之熱絕緣性能。
〔7〕二重配管的支撐機構(實施態樣3)
從〔1〕項到〔6〕項之中的任一項所述之隔熱配管，具備固定於該外管並支撐該內管的支撐機構，該支撐機構，係將比該內管與該外管之間的直線距離更長的構件折彎而構成。
藉此，可抑制通過連接內管與外管的支撐機構的熱傳導，而提升隔熱配管整體之熱絕緣性能。
〔8〕內管之補強(實施態樣3)
在從〔1〕項到〔7〕項之中的任一項所述之隔熱配管中，將該內管，更以含有纖維之構件被覆。
藉此，於隔熱配管使高壓氣體或液體通過之情況，亦可防止內管破裂等事故。
2.實施態樣之細節
對於實施態樣更加詳細敘述。
〔實施態樣1〕
圖1係表示依實施態樣1之隔熱配管的剖面構造之示意圖，圖2係俯瞰表示該隔熱配管的構成之示意圖。
依實施態樣1之隔熱配管10，係由內管2與外管1構成之隔熱配管，內管2由安裝於外管1之內側壁面的支撐構件4所支撐，於內管2與外管1之間形成環狀之空間，並於該環狀空間填充隔熱材3。支撐構件4如圖1、2所示，例如使用3個支撐構件4以三處支撐內管2之外周，3個一組的支撐構件4，以適當之間隔配置於隔熱配管10之縱向。
填充於內管2與外管1之間的環狀空間之隔熱材，包含弱結合超微粒子氣凝膠粉末。此處，所謂弱結合超微粒子氣凝膠粉末，係以「具有以一次粒子之集合體亦即團簇構成骨架之三維網狀構造」之氣凝膠為原料，且具有該以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子。藉此，可低成本且高性能地實現填充於內管2與外管1之間的環狀空間之隔熱材。此處，該微粒子，可於粒子徑1.0μm以下具有分散之眾數(峰部)，特別係其總數之50%以上在0.1μm以上1.0μm以下具有分散之峰部更為合適。藉此，可將容積密度降低為以往的氣凝膠粉末的數分之一，故可將用以填充內管與外管之間的空間所需之氣凝膠的重量抑制為以往的數分之一。
一般而言，習知可藉由將以溶膠凝膠法作成之凝膠透過超臨界乾燥等，而作成具有包含微小空孔之三維網狀構造之氣凝膠。將對金屬醇鹽溶液進行水解並縮合而生成之溶膠凝膠化，生成濕潤凝膠，經過熟成後，藉由以超臨界乾燥法去除溶劑成分，生成氣凝膠。金屬醇鹽溶液中，一次粒子係溶於溶劑之狀態，透過水解與縮合，此一次粒子互相縮合而形成膠體。此即為凝膠，形成之膠體係相對於縮合前之一次粒子而稱為二次粒子。凝膠化後之狀態係含有溶劑成分之濕潤凝膠。透過超臨界乾燥法等從濕潤凝膠去除溶劑成分，而留下以二次粒子為單位構成之三維網狀構造。此即為氣凝膠。將如此之氣凝膠，透過機械粉碎，作成數十μm～數mm之粉末而進行利用。
本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末，係生成比以往更抑制了熟成的進行之弱結合超微粒子氣凝膠，並將其超高速粉碎而生成。藉此，成為將以往的氣凝膠機械粉碎時的約1000分之1的微粒子粉末。更具體而言，弱結合超微粒子氣凝膠粉末，藉由「透過PSD測量進行觀測時，其粒子徑可於1.0μm以下具有分散之眾數(峰部)，特別係其總數之50%以上，就粒子徑而言在100nm以上1.0μm以下具有眾數而分散」之熟成條件及粉碎條件，以超高速進行粉碎而製作更為適合。本案發明人透過PSD測量觀測之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的粒子徑，以約300nm為眾數而分布。細節將在之後敘述。
本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的各個粒子，具有三維網狀構造。雖然以往的氣凝膠粉末粒子亦具有三維網狀構造，但本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的粒子，構成其骨架之單位不同。亦即，如專利文獻4之第0035段中所述：「可認為氣凝膠粒子1，呈現由複數之一次粒子構成之二次粒子之態樣」，相對於以往的氣凝膠粉末粒子之三維網狀構造係以二次粒子為單位構成，本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的粒子，特徵在於構成其骨架之單位係一次粒子之點。
圖3～圖5，係示意表示一般的氣凝膠及將其粉碎作成之氣凝膠粉末的構造之示意圖。圖3係示意表示一般的氣凝膠30之構造及將其粉碎時的截斷面40，圖4係示意表示構成其三維網狀構造之骨架之二次粒子20，圖5係示意表示將圖3之氣凝膠30粉碎而作成之氣凝膠粉末50。如圖3所示，一般的氣凝膠30中，乾燥前的凝膠所含有之膠體為二次粒子20，並形成以二次粒子20為骨架單位之三維網狀構造。如此作成之氣凝膠30中，三維網狀構造之體積的約10%形成骨架，另外約90%由空孔形成。該空孔之大小比空氣等填滿空孔之氣體的平均自由行程更小時，幾乎不會發生因氣體分子碰撞造成之熱傳導。故，氣凝膠可用於作為熱絕緣材料。
圖5中，示意表示將一般的氣凝膠粉碎時之氣凝膠粉末50的構造。將圖3所示之一般的氣凝膠30粉碎時，因粉碎機而形成之截斷面40，並非二次粒子20本身，而係二次粒子連結之處。吾人認為此係由於：如圖4所示，二次粒子20因一次粒子11密集地凝聚而使其結合較強，而二次粒子彼此之結合則弱了許多。其結果，將一般的氣凝膠30粉碎時之氣凝膠粉末50，成為具有以二次粒子20形成骨架之三維網狀構造(圖5)。
圖6～圖9係示意表示本發明之熟成後之氣凝膠31及將其粉碎而作成之弱結合超微粒子氣凝膠粉末51的構造之示意圖。圖6係示意表示在作成本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末51的過程中，於熟成步驟後生成之弱結合超微粒子氣凝膠31的三維網狀構造，圖7係示意表示構成圖6所示之弱結合超微粒子氣凝膠之三維網狀構造的骨架之二次粒子21，圖8係示意表示將圖6所示之弱結合超微粒子氣凝膠31粉碎時之截斷面40，圖9係示意表示本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末51。在本發明中，比一般的步驟更抑制熟成而生成弱結合超微粒子氣凝膠31。故所生成之弱結合超微粒子氣凝膠31的三維網狀構造，係以「一次粒子11比以往更為稀疏地凝聚而成」之二次粒子21(圖7)為骨架而構成(圖6)。對具有如此三維網狀構造(圖6)之弱結合超微粒子氣凝膠31施行超高速粉碎時，不僅在構成骨架之二次粒子21彼此的結合部分，如圖8所示，在二次粒子21本身亦存在因粉碎機而形成之截斷面40，可將其視為將二次粒子21本身粉碎而形成者。其結果，本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末51，如圖9所示，具有以一次粒子11形成骨架之三維網狀構造。又，二次粒子21，如圖7所示，係由一次粒子11稀疏地凝聚而形成，故實際的二次粒子21之外輪廓不明確，圖8中為幫助理解而以實線的圓表示相當於外輪廓之部分。
本案發明人，著眼於「在氣凝膠的製造過程中生成之膠體係透過水解與縮合而形成」，發現可藉由調整支配縮合反應之熟成的條件，而製備具有以一次粒子為單位形成骨架之三維網狀構造之氣凝膠，進而完成本發明。以下，說明其製造方法之一例。
圖10係表示製造本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的方法之一例之流程圖。
二氧化矽氣凝膠，主要透過以下之2步驟製作。即透過溶膠凝膠法形成濕潤凝膠之步驟，以及將該濕潤凝膠乾燥之步驟。濕潤凝膠係由奈米構造之固體二氧化矽的網狀體與液體之溶劑構成，其係將二氧化矽前驅物分子水解並縮合而製作。此二氧化矽前驅物，係藉由將TEOS(Tetraethoxysilane，四乙氧基矽烷)與甲醇混合而製作(S1)。再者，於此混合液，添加合計6.3g的草酸(0.01M)，最後再添加1.5g的氫氧化銨(NH
4OH 0.5M)，而成為醇溶膠。將此醇溶膠於室溫下放置而凝膠化(S2)。
接續於凝膠化之後，將醇凝膠在60℃的甲醇中分別進行3小時、6小時、12小時的熟成(S3)。將過量之甲醇添加於凝膠，之後，使其在提升至高於常溫之溫度之乾燥步驟中蒸發。為避免表面修飾之逆反應，將醇凝膠在60℃的己烷中浸泡10小時，為了修飾表面，將僅有己烷之溶劑替換成己烷與TMCS(Trimethylchlorosilane，三甲基氯矽烷)之混合液(S4)。此處己烷與TMCS之體積比保持為一定值亦即4。在表面修飾步驟(S5)中，醇凝膠在己烷與TMCS之60℃的混合液中浸泡24小時。在進行醇凝膠的乾燥之前，將樣品在60℃的純己烷中浸泡6小時，去除過剩的TMCS(S6)。作成氣凝膠之最後的步驟為乾燥(S7)。乾燥步驟，由第1到第3步驟及冷卻步驟構成。在第1步驟中以40℃維持4小時、在第2步驟中以80℃維持2小時、在第3步驟中以120℃維持1小時之後，與加熱爐整體一同冷卻。
乾燥步驟(S4～S7)之後，對氣凝膠樣品施行高速粉碎步驟(S8)。利用Osaka Chemical股份公司製的Wonder Crusher WC-3，如圖11所示，執行3次粉碎速度為11200rpm～21000rpm之高速、粉碎時間為約5分鐘之程式。
圖12係表示高速粉碎步驟後之粒子大小的分布之分布圖。分別對於熟成時間為3小時、6小時、12小時之樣品，將高速粉碎步驟後之粒子徑以對數尺度取作橫軸，並顯示相對粒子量之頻率(左縱軸)與累積值(右縱軸)。為進行比較而將以往的(市售的)氣凝膠粉末的數據一併顯示。此處，粒子徑係透過PSD測量進行觀測。更具體而言，圖12係利用島津製作所股份公司製的雷射繞射式粒子徑分布測量裝置SALD-2300進行測量之結果。又，PSD測量中，不僅粒子本身的直徑，粒子之凝聚亦作為粒子徑觀測，故須注意測量值偏向正方向(測量到大於真值的值之誤差較多)。但，如下所述，對於說明本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末之特徵，已獲得充分的資訊。
以往的氣凝膠粉末中，以約300μm的粒子徑為平均值且相對粒子量僅具有1個峰部。相對於此，本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末中，對於熟成時間為3小時、6小時、12小時之樣品而言，高速粉碎步驟後之相對粒子量的頻率分別具有2個峰部。熟成3小時之樣品中，第1峰部為平均0.32μm、標準差0.10，第2峰部為平均21.14μm、標準差0.14，熟成6小時之樣品中，第1峰部為平均0.66μm、標準差0.15，第2峰部為平均31.89μm、標準差0.40，熟成12小時之樣品中，第1峰部為平均0.96μm、標準差0.13，第2峰部為平均38.52μm、標準差0.21。
從如此分為2個峰部，強烈推論構成各個峰部之粒子有本質上的不同。因假設無本質上的變化，僅因熟成條件而使生成之粒子的直徑變化，即使峰部的位置會隨之變化，仍難以認為會出現2個峰部。故，自然可認為「相對於構成粒子徑較大的第2峰部之粒子具有如同以往以二次粒子為骨架單位之三維網狀構造，構成粒子徑較小的第1峰部之粒子具有以一次粒子為骨架單位之三維網狀構造」。亦即，得到可支持上述參照圖3～5及圖6～9之說明的結果。
又，得知藉由使熟成條件變化，可使在經過高速粉碎後生成之粒子的性質，亦即，以二次粒子作為骨架的構成單位或以一次粒子作為骨架的構成單位，產生顯著變化，亦即可對其進行控制。粒子徑較大者之分散的眾數係在10μm以上，粒子徑較小者之分散的眾數係在1μm以下。熟成時間為6小時與12小時間並在其後經過高速粉碎之樣品中，相對粒子量之累積值超過50%者，係位於粒子徑較大者之峰部側。相對粒子量之累積值超過50%者，在熟成時間為6小時並在其後經過高速粉碎之樣品中，係粒子徑約20μm，在熟成時間為12小時並在其後經過高速粉碎之樣品中，係粒子徑約40μm，且皆為第2峰部側。另一方面，熟成時間為3小時並在其後經過高速粉碎之樣品中，相對粒子量之累積值超過50%者，係粒子徑約0.3μm且位於粒子徑較小者之峰部(第1峰部)側。若從另一觀點表現，可知熟成時間為6小時與12小時並在其後經過高速粉碎之樣品中，60%～70%的粒子係具有10μm以上的直徑之粒子，從其大小而言主要係以二次粒子為骨架構成單位之粒子，相對於此，熟成時間為3小時之本發明的弱結合超微粒子氣凝膠粉末樣品中，約80%的粒子係具有在0.1μm到1.0μm之範圍內的直徑之粒子，亦即，從其大小而言主要係以一次粒子為骨架構成單位之粒子。
又，熟成條件除了如上所述將時間比以往縮短以外，在使溫度比以往下降方面亦具效果。亦即，用以製作本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末之熟成條件，係溫度為15℃～70℃，較適合為20℃～70℃，更適合為25℃～60℃，時間為0～24小時，較適合為0～12小時，更適合為3～12小時。粉碎參數係轉速為10000～30000rpm，較適合為10000～25000rpm，更適合為11000～22000rpm，時間為1～120分鐘，較適合為3～60分鐘，更適合為5～45分鐘。
試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的容積密度，測量為0.018g/cm
3。此與市售之氣凝膠粉末的容積密度0.06g/cm
3～0.20g/cm
3相比，係1/3～1/11。另一方面，熱傳導率測量為23mW/mK，此與市售之氣凝膠粉末的熱傳導率約23mW/mK為相同等級。
圖13係表示對試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末施加振動時之壓縮特性之圖表。將試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末放入固定底面積之容器，測量施加振動時之氣凝膠的高度的經時變化，並將其與市售之氣凝膠粉末比較並表示。橫軸之振動時間為任意單位。相對於以往的氣凝膠粉末在初始高度的82%達到一定值，試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末在69%到達一定值。使用此特性，推算容積密度受到經時變化之壓縮的飽和點，吾人認為上述之試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的容積密度0.018g/cm
3，因振動最大會達到0.026g/cm
3。另一方面以同樣之思考方式，市售之氣凝膠粉末的容積密度約0.12g/cm
3，最大會達到0.13g/cm
3。雖然其差異些微縮小，但仍有1：5之比。本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末，與以往的氣凝膠粉末相比，容積密度為數分之一，而將用以填充相同空間所需的量抑制為數分之一。
如以上所說明，將本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末用於作為填充於二重配管中的內管與外管之間的環狀空間之隔熱材，因容積密度為以往的氣凝膠粉末的數分之一，可大幅抑制填充所需之隔熱材的成本。又因弱結合超微粒子氣凝膠粉末係疏水性，幾乎不會發生因與殘留於環狀空間之水分之間的反應而造成的經年劣化，故如定期更換隔熱材之維護成本亦大幅降低。再者，因弱結合超微粒子氣凝膠粉末非常微小，即使內管與外管之間的環狀空間存在狹窄部分亦可填充至角落，對於提高作為隔熱配管之熱絕緣性能產生巨大貢獻。
〔實施態樣2〕
上述實施態樣1之隔熱配管10中，可於作為隔熱材填充於內管2與外管1之間的環狀空間之弱結合超微粒子氣凝膠粉末中，更添加中空粒子。藉此，可降低隔熱材之熱傳導率。
藉由利用氣凝膠作為隔熱材，因氣凝膠之空孔大小比空氣的平均自由行程更小，抑制因氣體分子碰撞或因對流產生之經由氣體之熱傳導，可期待接近空孔為真空時的熱絕緣性能。但現實上仍不及真空的性能。其原因經本案發明人探求之結果，得知填充氣凝膠粉體之隔熱材中，殘留有微小的連通孔，而通過該連通孔產生如上所述之熱傳導。於是本案發明人創作出藉由於氣凝膠中添加中空粒子並混合化，而使熱傳導率降低之技術(已作為日本特願2020-120921提出專利申請)。所添加之中空粒子填塞如上所述之微小的連通孔，抑制些微產生之因氣體產生的熱傳導，故可使熱傳導率降低。
又，構成中空粒子的球殼之氣密性高，故可藉由在球殼內封入熱傳導率比空氣更低的氣體，更加降低隔熱材之熱傳導率。
所添加之中空粒子，無特別限定，可設為奈米中空粒子、微米中空粒子，或此兩者。奈米中空粒子，較佳係以外徑在30nm～360nm、球殼厚度在7.5nm～65nm之範圍製備。就外徑而言，相當於常溫常壓之空氣的平均自由行程的約1/2～約5倍之範圍。如此，奈米中空粒子係製備成中空之大小與空氣的平均自由行程為相同之數量級，故添加於氣凝膠時，對隔熱效果有巨大貢獻。微米中空粒子，較佳係在外徑1μm～23μm、球殼厚度0.35μm～3μm之範圍內製備。就外徑而言，大於常溫常壓之空氣的平均自由行程的15倍，除了對隔熱效果的貢獻，亦有提高網狀體之構造強度之效果。氣凝膠中，殘留有如上所述之微小的連通孔，但添加之中空粒子會填塞此連通孔，抑制因連通孔而產生之對流等經由氣體之熱傳導，故提高隔熱效果。
奈米中空粒子，例如，可透過軟模板法製造。亦即，藉由在乙醇中以氨修飾高分子電解質的表面，並以二氧化矽(SiO
2)塗布，生成由中核及球殼構成之粒子。藉由將其洗淨或煅燒，去除封閉於中核之介質，生成中空粒子。
微米中空粒子的製造中，例如二次乳化法為合適。從如包含界面活性劑之油相與由前驅物及界面活性劑構成之水相之非混和性液體所構成之分散多相系統，透過乳化將油相作為連續相，生成包含以水相為中心之液滴之乳劑，並藉由於其中加入水相，使其轉變為在水相之連續相中包含以凝膠為中心之液滴之乳劑。藉由將其洗淨/過濾或煅燒，製造微米中空粒子。
製造本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的方法中，中空粒子可在進行圖10所示之流程圖的凝膠化步驟(S2)前，添加於作為二氧化矽前驅物製備(S1)之TEOS與甲醇的混合液。又，可在添加後，將混合液透過超音波振動充分攪拌，而使添加之中空粒子均勻分散。中空粒子的添加量，對於混合化之氣凝膠整體，例如調整至成為以下之組成。
奈米中空粒子，較佳係0.01重量%～30重量%，更佳係0.10重量%～15重量%，最佳係1.00重量%～10重量%。又微米中空粒子的情況亦相同，較佳係0.01重量%～30重量%，更加係0.10重量%～15重量%，最佳係1.00重量%～10重量%。如上，隔熱配管10中，可藉著於作為隔熱材填充於內管2與外管1之間的環狀空間之弱結合超微粒子氣凝膠粉末中添加中空粒子，降低隔熱材之熱傳導率。
〔實施態樣3〕
本發明之隔熱配管10，可具備固定於外管1並支撐內管2的支撐機構4(參照圖1、圖2)。支撐機構4，係將比外管1與內管2之間的直線距離更長的構件折彎而構成。形成「於維持外管1與內管2之間的機械強度的同時，盡可能抑制其之間的熱傳導」之構成。雖省略圖示，在隔熱配管10之兩端，亦即，在與其他隔熱配管10或儲槽等設備之連接部，亦可設置連接並支撐外管1與內管2之機構。此時，為了抑制在連接部的熱傳導，宜將比外管1與內管2之間的直線距離更長的構件折彎而構成。
宜封閉隔熱配管10之端部以防填充之隔熱材3漏出。隔熱配管10，可在將隔熱材3填充於內管2與外管1之間的環狀空間後，將端部封閉。藉此，於施工時可不須向隔熱配管10填充隔熱材3。另一方面，亦可在施工後填充隔熱材3。此時，於隔熱配管10為了填充隔熱材3，在內管2與外管1之間的環狀空間設置從外部連結之配管(省略圖示)。又，亦可更加設置將填充之隔熱材3從隔熱配管10向外排出之配管(省略圖示)。藉此，使隔熱材3之更換更為容易。
又如上所述，本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末，係透過超高速粉碎而成為以往的氣凝膠粉末的約1000分之1的約300nm之微粒子粉末，故即使環狀空間內存在狹窄部分，亦可填充至其末端。
本發明之隔熱配管10，可於內管2與外管1之間的環狀空間，在填充隔熱材3的同時，封入熱傳導率比空氣更低之氣體。藉此，可更加提高熱絕緣性能。所封入之氣體，例如二氧化碳為合適。欲封入二氧化碳時，可在填充隔熱材3時，於內管2與外管1之間的環狀空間，將乾冰一併投入。乾冰會氣化而使環狀空間充滿二氧化碳。
本發明之隔熱配管10之環狀空間，可在填充隔熱材3的同時進行減壓。欲進行減壓時，可由「可將用以使環狀空間排氣之配管及真空泵連接於隔熱配管10」之方式構成(省略圖示)。
本發明之隔熱配管10，將內管2之周圍以含有纖維之被覆構件5被覆更為合適。圖14係表示內管2受到被覆之隔熱配管10的剖面構造之示意圖。在通過內管2之流體係高壓之氣體或液氫等氣化而形成高壓的危險之液體時，可防止內管2破裂等事故。作為構成被覆構件5之材料，例如，玻璃纖維、碳纖維等為合適。
適於本發明之隔熱配管10的構造表示於下列表1。本發明之隔熱配管，可將內管2及外管1由「金屬、塑膠或以聚合物為材質的構件，或者將它們積層等組合而成」之構造構成。特別係流送液氫時，內管2必須考慮對於氫脆化之耐性而選擇適當的材料，例如SUS304L、SUS316、SUS316L。又，可滿足以下之規格。
[表1]
適於本發明之隔熱材3的規格表示於下列表2。
| 最佳範圍 | 平均範圍 | 較廣範圍 | ||||
| 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | |
| 內徑[mm] | - | 500 | - | 1000 | - | 3000 |
| 內管厚度[mm] | 5 | 20 | 3 | 40 | 2 | 60 |
| 外管厚度[mm] | 5 | 50 | 3 | 100 | 2 | 150 |
| 隔熱材填充空間厚度[mm] | 5 | 100 | 3 | 300 | 1 | 1000 |
| 隔熱材填充空間氣壓[torr] | 10 -5 | 760 | 10 -5 | 760 | 10 -5 | 760 |
[表2]
以上對於本發明人完成之發明，基於實施態樣進行具體說明，但理所當然本發明不限於該內容，而可在不脫離其主旨之範圍內進行各種變更。
| 最佳範圍 | 平均範圍 | 較廣範圍 | ||||
| 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | 最小值 | 最大值 | |
| 粒徑[μm] | 0.1 | 1 | 0.1 | 50 | 0.1 | 400 |
| 容積密度[g/cm 3] | 0.015 | 0.03 | 0.01 | 0.08 | 0.003 | 0.15 |
1:外管
2:內管
3:隔熱材
4:支撐構件
5:被覆構件
10:隔熱配管
11:一次粒子
20:二次粒子
21:二次粒子(一次粒子稀疏地凝聚之二次粒子)
30:氣凝膠(以二次粒子為單位之骨架所形成之三維網狀構造)
31:氣凝膠(以一次粒子稀疏地凝聚而成之二次粒子為單位之骨架所形成之三維網狀構造之弱結合超微粒子氣凝膠)
40:截斷面(因粉碎機形成之截斷面)
50:氣凝膠粉末(一般的氣凝膠粉末)
51:本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末(具有以一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子)
圖1係表示本發明之隔熱配管的剖面構造之示意圖。
圖2係以俯瞰表示本發明之隔熱配管的構成之示意圖。
圖3係示意表示一般的氣凝膠之構造以及將其粉碎時之截斷面之示意圖。
圖4係示意表示構成一般的氣凝膠之三維網狀構造的骨架之二次粒子之示意圖。
圖5係示意表示將一般的氣凝膠粉碎作成之氣凝膠粉末之示意圖。
圖6係示意表示在作成本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的過程中，於熟成步驟後生成之弱結合超微粒子氣凝膠的三維網狀構造之示意圖。
圖7係示意表示構成圖6所示之弱結合超微粒子氣凝膠之三維網狀構造的骨架之二次粒子之示意圖。
圖8係示意表示將圖6所示之弱結合超微粒子氣凝膠粉碎時之截斷面之示意圖。
圖9係示意表示本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末之示意圖。
圖10係表示製造本發明之弱結合超微粒子氣凝膠粉末的方法之一例之流程圖。
圖11係表示高速粉碎步驟中的粉碎機之轉速的控制例之示意圖。
圖12係表示高速粉碎步驟後之粒子徑的分布之分布圖。
圖13係表示對試作之弱結合超微粒子氣凝膠粉末施加振動時之壓縮特性之圖表。
圖14係表示內管受到被覆之隔熱配管的剖面構造之示意圖。
1:外管
2:內管
3:隔熱材
4:支撐構件
10:隔熱配管
Claims (8)
- 一種隔熱配管，包含內管、外管、該內管與該外管之間的空間，以及填充於該空間之隔熱材，其特徵在於： 該隔熱材，係包含以具有以一次粒子之集合體亦即團簇構成骨架之三維網狀構造之氣凝膠為原料，並具有以該一次粒子構成骨架之三維網狀構造之微粒子。
- 如請求項1所述之隔熱配管，其中， 該微粒子，其總數的50%以上就粒子徑而言在0.1μm以上1.0μm以下具有眾數而分散。
- 如請求項1或請求項2所述之隔熱配管，其中， 該隔熱材，更包含中空粒子。
- 如請求項3所述之隔熱配管，其中， 該中空粒子具有殼，於殼的內側之中空部分封入熱傳導率比空氣更低之氣體。
- 如請求項1或請求項2所述之隔熱配管，其中， 於該內管與該外管之間的該空間，封入熱傳導率比空氣更低之氣體。
- 如請求項1或請求項2所述之隔熱配管，其中， 將該內管與該外管之間的該空間，減壓至比大氣壓更低之氣壓。
- 如請求項1或請求項2所述之隔熱配管，其中， 該隔熱配管，更包含固定於該外管並支撐該內管的支撐機構； 該支撐機構，係將比該內管與該外管之間的直線距離更長的構件折彎而構成。
- 如請求項1或請求項2所述之隔熱配管，其中， 該內管，更以含有纖維之構件被覆。
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