WO2018211906A1 - 断熱材とそれを用いた断熱構造体 - Google Patents

断熱材とそれを用いた断熱構造体 Download PDF

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WO2018211906A1
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heat insulating
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茂昭 酒谷
享 和田
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a heat insulating material and a heat insulating structure using the heat insulating material.
  • the present invention relates to a heat insulating material that insulates heat from a heat generating component and a heat insulating structure using the heat insulating material in electronic devices and precision devices.
  • Low temperature burns are a type of burn that occurs when a human body is exposed to a temperature higher than the body temperature for a long time. At 44 ° C., there is a report that a burn occurs in 6 hours, and every time it rises by 1 ° C., the time to reach a burn is halved.
  • Patent Document 1 discloses that a sheet in which a graphite sheet and a heat insulating material are laminated is installed between a heat generating component and a casing.
  • FIG. 7 shows a sectional view of the structure.
  • a component 701 is implemented on the substrate 700.
  • a heat conductor 702 and a heat insulator 703 are laminated on the component 701.
  • a housing 704 is positioned thereon.
  • the heat generated in the part is spread by the heat conductor 702. However, the heat is not transferred to the housing 704 by the heat insulator 703. As a result, heat is transferred to the entire heat conductor 702, and heat is transferred to the housing in a large area. Finally, even if the housing 704 is touched by hand, no local heat is felt.
  • an object of the present application is to provide a heat insulating material having anisotropy in a heat transport direction in a plane and a heat insulating structure using the heat insulating material.
  • the sheet includes a fiber and an airgel, and the fiber uses a heat insulating material arranged in a certain direction in the sheet.
  • a heat insulating structure including a high temperature part, a cooling part, and the heat insulating material that connects the high temperature part and the cooling part, wherein a certain direction of the heat insulating material is a direction that connects the high temperature part and the low temperature part.
  • the composite heat insulator which can reduce heat transfer from a heat-emitting component to a housing
  • FIG. 1A is a plan view of the fiber sheet of Embodiment 1 as viewed from above.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view of the fiber sheet of Embodiment 1 as viewed from above.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram regarding the fiber orientation direction.
  • FIG. 3 is a perspective view of the fiber sheet of the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the first comparative example.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the cooling structure according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a sectional view of the cooling structure according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing a conventional heat insulating structure.
  • FIG. 1A shows a plan view of a heat insulating material 14 that is a heat countermeasure member of the first embodiment.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the heat insulating material 14.
  • the positions and shapes of the first first fibers 13 are shown so as to be understood.
  • the heat insulating material 14 includes an airgel 12 that exhibits heat insulating properties and first fibers 13 that have a property of transferring heat compared to the airgel 12.
  • the first fibers 13 are present in a form enclosed in the airgel 12.
  • thermal conductivity between the airgel 12 and the first fiber 13 is 15 mW / mK or more and 30 mW / mK or less.
  • the first fibers 13 may be organic fibers, inorganic fibers, and metal fibers.
  • the thermal conductivity of the first fiber 13 is preferably 100 mW / mK or more.
  • the heat insulating material 14 becomes a device which can control the propagation direction of heat depending on the orientation of the first fibers 13 while being a heat insulating material.
  • the airgel 12 has a thermal conductivity of about 0.015 W / mK to about 0.025 W / mK, which is smaller than the thermal conductivity of air of 0.028 W / mK (normal temperature).
  • This airgel 12 is a foam containing approximately 85 Vol% to 95 Vol% of air, and the size of the hole of the foam is smaller than 68 nm of the mean free path of air (nitrogen). For this reason, the airgel 12 retains a low thermal conductivity.
  • the airgel 12 may be in the form of a monolith (bulk body), block, sheet, powder, fiber, or granule. From the viewpoint of thermal conductivity, it is preferable that the airgel 12 is filled as densely as possible.
  • the airgel 12 is synthesized based on various raw materials, and carbon, cellulose, silica and the like are typical examples. From the viewpoint of heat resistance and electrical insulation, silica is selected as the base material in the present embodiment. .
  • Silica airgel has a specific surface area of average pores of 10 to 67 nm, pore volume of 3.5 to 8 cc / g, and 500 to 900 m 2 / g. It has pores smaller than the mean free path 68nm of air.
  • the average pore is preferably 10 to 50 nm, more preferably 10 to 30 nm.
  • the pore volume is preferably 5 to 8 cc / g, more preferably 6 to 8 cc / g.
  • Bulk density 90 ⁇ 250kg / m 3 the bulk density is preferably 120 ⁇ 180kg / m 3, more preferably 140 ⁇ 150kg / m 3.
  • the thermal conductivity is required to be 0.025 W / mK or less.
  • Water glass sodium silicate aqueous solution
  • the preparation is made of the silica concentration of water glass, the type and concentration of acid used during gelation, and gelation conditions (temperature, time, pH).
  • gelation conditions temperature, time, pH.
  • it can control by adjusting the quantity of a silylating agent, the quantity of a solvent, temperature, and time as hydrophobization conditions. Drying conditions can be controlled by adjusting the drying temperature, time, and the like.
  • the silica glass may be prepared so that the silica concentration is 4 to 20% by weight with respect to the total weight of the sol.
  • a lower silica concentration is preferable from the viewpoint of cost, and a higher silica concentration is preferable from the viewpoint of strength.
  • the concentration of silicic acid is 4% by weight or less, the strength of the wet gel skeleton becomes insufficient due to the low silicic acid concentration. On the other hand, if the concentration of silicic acid exceeds 20%, the gelation time of the sol solution may be rapidly increased and may not be controlled.
  • the one produced by atmospheric pressure drying is good, but the one produced by supercritical drying may also be used.
  • an alkoxysilane-based material such as TEOS or MTMS may be used.
  • an appropriate chemical treatment is performed using an appropriate concentration and catalyst, thermal conductivity, strength, and transparency similar to silica airgel prepared using water glass as a starting material can be obtained.
  • a component serving as a glue material may be included.
  • Representative examples of the role of the paste material include water glass, PVA, a water-soluble binder containing acrylic as a main component, and a phenol resin.
  • the amount of these paste materials added should be 10% or less, preferably 5% or less, with respect to the weight of the airgel 12.
  • the thermal conductivity exceeds 30 mW / mK, which is no different from the provision of an air layer, and the characteristics of the airgel 12 cannot be utilized. .
  • first fiber 13 examples include resin fibers such as glass wool, glass paper, rock wool, and polyester, cellulose fibers such as cellulose nanofibers, pulp fibers, carbon fibers, metal fibers such as copper, aluminum, and silver, and these. Any composite fiber containing a plurality of these may be used.
  • the first fiber 13 is selected based on the heat-resistant temperature and flame retardance during use.
  • the airgel 12 When the airgel 12 is combined with the first fiber 14 in a sol state, fibers having high affinity with the sol such as glass wool and cellulose fiber are preferable. The wettability between the airgel 12 and the first fiber 13 is good, and the first fiber 13 and the airgel 12 are easily combined.
  • a surfactant In the case of a material that is difficult to be combined, it is also preferable to add a surfactant, a wetting agent, or a viscosity modifier to improve wettability.
  • first fibers 13 As for the shape of the first fibers 13, short fibers cut from about 1 mm to 51 mm are used.
  • the diameter of the first fiber 13 is 1 ⁇ m to 50 ⁇ m, and a single fiber or a mixture of plural fibers are used.
  • Crimping is a process of knitting fibers into a mesh shape. This is a process in which wavy bends are applied to the fibers, and the vertical and horizontal lines of the fibers are fitted together to form a fiber lump. You do not need to knit the fibers and just entangle them. When crimping is difficult, a melted low melting point fiber that can be fused at a relatively low temperature may be mixed for the purpose of reinforcing agent.
  • the aggregate of the first fibers 13 conventionally holds a large amount of air, and has a heat insulating effect by using the heat insulating property of the air layer.
  • the air layer since the air layer has a convection component, the air layer is replaced with an airgel 12 that suppresses the convection component.
  • the amount of the first fiber 13 varies depending on the amount of heat that needs to be insulated and the allowable thickness.
  • the strength of the heat insulating material 14 is insufficient. Since the airgel 12 itself is a fragile substance, it does not have sufficient strength to supplement the strength of the heat insulating material 14.
  • the necessary strength is basically secured by the first fibers 13. Furthermore, in the heat insulating material 14, the anisotropy is ensured by increasing the anisotropy of the first fibers 13 that transmit heat.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the heat insulating material 14.
  • the first fibers 13 are oriented in a fixed direction 16 (in the case of a sheet, the surface direction of the sheet) parallel to the plane (surface) of the heat insulating material 14. Heat is transferred to the fixed direction 16 and is perpendicular to the fixed direction 16. Insulate in the direction.
  • the first fibers 13 have an angle ⁇ made with respect to the fixed direction 16 between ⁇ 45 degrees. Note that the angles to be formed are all around the axis with the constant direction 16 as an axis. The same applies hereinafter.
  • a sol preparation step is performed in which sodium in the water glass as a raw material for the airgel 12 is removed, and then the pH is adjusted to gel.
  • a curing process is performed to obtain a strong skeleton of silica that can withstand the capillary force applied to the inner wall of the gel when the solvent is dried.
  • a hydrophobizing step is performed to hydrophobize the surface of the gel with a silylating agent or functional silane.
  • a drying step is performed to remove the solvent present in the fibrous heat insulating material.
  • the 1st fiber 13 is made into the lump of the anisotropic 1st fiber 13 as follows in advance.
  • the 1st fiber 13 which is a nonwoven fabric is orientated to one direction.
  • a method generally called a spunlace method or a hydroentanglement method is used.
  • the spunlace method is a wet method in which a web (?) Is formed from the first fibers 13, and the first fibers 13 are entangled by applying a high-pressure water stream. It is characterized by a non-woven fabric that combines soft texture like cloth, drape and paper homogeneity. It is used for wiping cloths and battery separators.
  • the direction of the first fiber 13 can be controlled by controlling the water flow rate of the spunlace method.
  • the entanglement of the first fibers 13 can also be adjusted by controlling the flow rate of water.
  • the ratio of the thermal conductivity of the first fiber 13 to the thermal conductivity of the airgel 12 is 4 or more, at least 80% of the first fiber 13 is an angle ⁇ with respect to the constant direction 16 of the first fiber 13. Is preferably within ⁇ 45 degrees.
  • the angle ⁇ formed by 90% or more of the first fibers 13 with respect to the constant direction 16 of the first fibers 13 is ⁇ 45. It is preferable that it is within the range.
  • heat is transmitted from the thickness direction of the heat insulating material to the in-plane direction, and the heat insulating material has anisotropy in heat conduction.
  • the fixed direction 16 of the first fiber 13 is not limited to this, depending on the state of crimping applied to the first fiber 13, and it is considered that there is a possibility that the benefits of the present embodiment can be achieved even with a slightly smaller orientation. .
  • the aqueous water glass solution used in the embodiment may be prepared so as to be 5 to 20% by weight, preferably 10 to 20% by weight, and more preferably 15 to 20% by weight.
  • the silicic acid concentration of the aqueous solution is less than 5%, the strength of the wet gel skeleton may be insufficient due to the low silicic acid concentration.
  • the concentration of silicic acid exceeds 20%, the gelation time of the sol solution may be rapidly increased and may not be controlled.
  • Water glass is used after removing sodium contained in the water glass when the airgel 12 is manufactured.
  • the water glass used is No. 1 water glass (silica concentration 35 to 38% by weight), No. 2 water glass (silica concentration 34 to 36%), No. 3 water glass (silica concentration 28 to 30%) (Japanese Industrial Standards (JIS Any of K1408)) may be used.
  • the base generally includes ammonia, ammonium hydroxide, sodium hydroxide, and aluminum hydroxide, but ammonia is preferable from the viewpoint of easy adjustment.
  • a sol may be prepared by generating sodium as a salt using an acid and then washing the generated hydrogel to remove the salt.
  • an acid of 10 to 30% by weight of water glass is added, and the gel is washed until the electrolyte disappears after curing.
  • the acid used is hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid, hydrofluoric acid, sulfurous acid, phosphoric acid, phosphorous acid, hypophosphorous acid, chloric acid, chlorous acid, hypochlorous acid or other inorganic acids, acidic aluminum phosphate And acidic phosphates such as acidic magnesium phosphate and acidic zinc phosphate, and organic acids such as acetic acid, propionic acid, oxalic acid, succinic acid, citric acid, malic acid and adipic acid. From the viewpoint of the gel skeleton strength of the obtained airgel 12, hydrochloric acid is preferred.
  • the solution used for cleaning is preferably a water-soluble solvent such as pure water, methanol, ethanol, or propanol.
  • a uniform hydrogel can be produced by adjusting the pH to 5-8.
  • the amount of the acid catalyst added at that time depends on the pH value to be adjusted.
  • the amount of 12N hydrochloric acid aqueous solution is preferably 0.5 to 5.0% with respect to 100% by weight of the hydrogel. ⁇ 2.5% is more preferred.
  • ⁇ Fiber introduction process> The sol-adjusted liquid is immersed in the first fibers 13 made of the nonwoven fabric to be used. If necessary, excess liquid is discharged out of the nonwoven fabric using a roller or the like, and the amount of liquid in the nonwoven fabric is adjusted. At this time, it is preferable that the air contained therein is pushed out at the same time and the liquid is filled evenly.
  • the curing time is 2 to 24 hours, but it may be 6 to 24 hours, more preferably 12 to 24 hours. Alternatively, the necessary curing time can be shortened by curing at high temperature and high pressure in order to shorten the curing time.
  • the silylating agent used when silica nanofiber 2 is added is represented by the general formula R 1 R 2 2 SiCl, or R 1 n Si (OR 2 ) 4-n (wherein R 1 and R 2 are independent of each other). C1-C6 linear alkyl, cyclic alkyl or phenyl, alkoxysilane). Hexamethyldisiloxane (HMDSO) and hexamethyldisilazane (HMDS) are also suitable.
  • HMDSO hexamethyldisiloxane
  • HMDS hexamethyldisilazane
  • silane is a group of silicon compounds composed of chlorosilane, alkoxysilane, and silazane, and is also a silylating agent.
  • alkoxysilane is preferable because of compatibility with alcohols, ketones, and linear aliphatic hydrocarbons that are solvents.
  • the silylating agent is an organosilicon compound that can replace active hydrogen in the organic compound with Si atoms. The active hydrogen is replaced with Si atoms.
  • the silylating agent substitutes silicon for active hydrogen such as hydroxyl group, amino group, carboxyl group, amide group, mercapto group, etc. in the organic compound.
  • R 1 R 2 2 SiCl is preferably trimethylchlorosilane (TMCS), and R 1 n Si (OR 2 ) 4-n is preferably trimethylmethoxysilane.
  • TMCS which is an active species
  • the concentration of the hydrochloric acid aqueous solution is preferably 1 to 12 N, more preferably 10 to 12 N.
  • the amount of the silylating agent charged is preferably 100 to 800%, more preferably 100 to 300% with respect to the pore volume of the hydrogel.
  • Hydrophobization reaction is carried out in a solvent if necessary, and is generally carried out at 20 to 100 ° C., preferably 30 to 60 ° C. When the reaction temperature is less than 20 ° C., the silylating agent may not be sufficiently diffused to be sufficiently hydrophobized.
  • the solvent to be used is preferably alcohols such as methanol, ethanol and 2-propanol, ketones such as acetone and methyl ethyl ketone, and linear aliphatic hydrocarbons such as pentane, hexane and heptane. Since the gel before hydrophobization is hydrophilic, the silylating agent is a hydrophobic solvent. Therefore, in order to efficiently react the active silylating agent with the hydrogel, alcohols or amphiphilic solvents or It is preferable to use ketones.
  • the hydrophobization time is preferably 2 to 24 hours, more preferably 2 to 12 hours.
  • ⁇ Drying process> in order to volatilize the solvent contained in the impregnated sheet after hydrophobization, it is dried at 100 to 150 ° C. for 2 to 5 hours. At that time, if the heat insulating temperature of the base material 14 is lower than the drying temperature of the resin, it is replaced with alcohols such as methanol, ethanol, 2-propanol, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, pentane, hexane, etc. Substituting with a solvent having a boiling point equal to or lower than the heat resistance temperature of the resin fiber may be dried.
  • the heat insulating material 14 obtained through each of the steps described above is extremely effective as a sheet used in a gap of 1 mm or less in particular because the heat transfer direction can be inclined in an arbitrary direction while being a single member. . This is because the heat insulation can be improved by increasing the thickness.
  • FIG. 3 is a perspective view of the heat insulating material 14 according to the second embodiment.
  • the airgel 12 is illustrated as transparent. Matters not described are the same as those in the first embodiment.
  • the heat insulating material 14 of the second embodiment is composed of second fibers 15 having a property of transferring heat as compared with the airgel 12 exhibiting heat insulating properties.
  • the second fibers 15 have different levels of entanglement between the fibers. That is, as can be seen by comparing FIG. 3 with FIG. 1, the second fibers 15 are not touched and are not entangled in FIG. 3.
  • the fiber when the fiber is entangled, when one of the fibers is lifted in an empty space, the other is lifted. Specifically, the second fibers 15 are linear.
  • the second fiber 15 for example, a fiber having a high tensile strength but a brittle property such as a ceramic fiber is used.
  • the second fibers 15 are not flexible and there is no entanglement between the second fibers 15. Therefore, if strength is required, a resin binder can be provided on the surface of the second fiber 15 as necessary to reinforce.
  • the second fiber 15 itself may be preliminarily provided with a resin binder, or the binder may be applied later to increase the strength.
  • the second fibers 15 have an angle ⁇ of ⁇ 45 degrees with respect to the constant direction 16 of the second fibers 15.
  • the ratio of the thermal conductivity of the second fiber 15 to the thermal conductivity of the airgel 12 is 4 or more, at least 80% or more of the second fiber 15 is an angle ⁇ with respect to the constant direction 16 of the second fiber 15. Is preferably within ⁇ 45 degrees.
  • the angle ⁇ formed by 90% or more of the second fiber 15 with respect to the constant direction 16 of the second fiber 15 is ⁇ 45. It is preferable that it is within the range.
  • the heat insulating material 14 is a heat insulating material in which heat is transferred from the thickness direction to the in-plane direction and the heat conduction is made anisotropic.
  • binder component If it is difficult to introduce a binder component from the viewpoint of heat resistance and chemical resistance, if necessary, combine fiber materials that can be easily entangled with glass fibers, organic fibers, etc. It may be added.
  • the second fiber 15 in the embodiment may be glass fiber, alumina fiber, metal fiber, carbon fiber, or a composite fiber containing a plurality of these, and is selected based on the heat resistance temperature and flame retardancy during use. it can.
  • the fiber having high affinity with the sol has good wettability, and the fiber and the airgel are easily combined.
  • the second fibers 15 that are difficult to be combined, it is also preferable to add a surfactant, a wetting agent, or a viscosity modifier to improve wettability.
  • long fibers arranged in one direction are used. You may use the chopped fiber which cut
  • an alumina long fiber may be cut into a predetermined length according to the application.
  • Alumina long fibers combine high tension, high elastic modulus, heat resistance, corrosion resistance, electrical insulation, dimensional stability, low hygroscopicity, and a smooth surface. Since continuous fibers are cut, the fiber diameter and cut length are uniform compared to short fiber products, and there is a feature that it is difficult to include shots (defective products).
  • the alumina long fibers can be converged with a sizing agent such as PVA or EVA, cut into a predetermined length, and processed into a pellet.
  • FRP and other reinforcing materials can be used in various industries in combination with various materials.
  • the cut length can be from 1 mm or less to several hundred mm depending on the application.
  • the fiber diameter one having a diameter of 1 ⁇ m to 5 mm or a mixture of a plurality of fibers is used.
  • a melted low melting point fiber that can be fused at a relatively low temperature may be mixed for the purpose of a reinforcing agent.
  • the second fiber 15 is introduced into a sol adjustment liquid prepared in advance.
  • the second fiber 15 was mixed with the sol of ⁇ Sol Preparation Step> to prepare a suspension in which the second fiber 15 was uniformly mixed. Thereafter, the liquid was allowed to flow in a certain direction, and the direction of the second fibers 15 was oriented in the flow direction of the sol adjusting liquid while there was a flow velocity. Thereafter, the thickness was adjusted to a desired thickness through a gap coater.
  • the direction of the second fiber 15 is aligned by using a water flow with respect to the suspension containing the second fiber 15, but the sheet is formed by applying the suspension using a coater or the like. Also good.
  • the heat insulating material 14 obtained through each of the steps described above is extremely effective as a sheet used in a gap of 1 mm or less in particular because the heat transfer direction can be inclined in an arbitrary direction while being a single member. .
  • Example 1 A sheet-like heat insulating material 14 was produced according to the procedure of the first embodiment.
  • the first fiber 13 an oxidized acrylic fiber having a fiber diameter of about 10 ⁇ m having flame retardancy and excellent properties was used. Although it is difficult to measure the thermal conductivity of the oxidized acrylic fiber itself, it is not much different from a normal acrylic resin and is about 0.15 mW / mK.
  • the nonwoven fabric produced by the spunlace method has a basis weight of 100 g / m 2 and an average thickness of 0.9 mm.
  • the orientation angle of the first fiber 13 will be described with reference to the schematic diagram of FIG. 2.
  • the weight ratio of the first fiber 13 is 80%, and the angle ⁇ between the first fiber 13 and the constant direction 16 is ⁇ 45 degrees. It is preferable to enter.
  • the ratio of the first fibers 13 and the airgel 12 was approximately 1: 1 by weight of the finished product.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 14 produced by introducing the airgel 12 into the first fiber 13 was 0.02 W / mK.
  • Comparative Example 1 in which the randomness of the first fibers 13 was increased and the orientation was turned off as compared with Example 1 was made as a prototype.
  • FIG. 4 shows a schematic diagram of Comparative Example 1.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 14 was 0.02 W / mK, as in Example 1.
  • the heat insulating material 14 having a width of 40 mm and a length of 40 mm was placed on the hot plate 505.
  • the installation position was as shown in FIG.
  • the heat insulating material 14 was fixed using the first ceramic plate 502, the second ceramic plate 503, and the third ceramic plate 504.
  • the hot plate 505 was used as a heat source, and the surface temperature (first measurement point 21) of the hot plate 505 was set to 180 ° C.
  • the heat insulating material 14 was taken out from the end face of the hot plate 505, and the temperature at a location 20 mm away (second measurement point 22) was measured.
  • the heat transport capacity of the heat insulating material 14 was measured by measuring the average temperature for 2 minutes.
  • the thermal conductivity measurement of the heat insulating material 14 uses a measurement principle called a steady method. After balancing so that the temperature of the upper surface and the lower surface becomes uniform, the HFM method for measuring by the amount of heat passing through is used. However, if the measurement system shown in FIG. 5 is used, the ability to transport heat in the surface direction can be examined even with the heat insulating material 14.
  • the temperature of the first measurement point 21 of the first ceramic plate 502 on the hot plate 505 is 95 ° C.
  • the temperature of the second measurement point 22 is 40 ° C.
  • the difference temperature is 55 ° C. there were.
  • Example 1 the temperature of the first measurement point 21 of the first ceramic plate 502 on the hot plate 505 is 97 ° C., the temperature of the second measurement point 22 is 35 ° C., and the difference temperature is 62 ° C. Met. It was confirmed that Example 1 was able to transport heat.
  • Example 2 A sheet-like heat insulating material 14 was produced according to the procedure of the second embodiment.
  • the second fiber 15 a carbon fiber having a heat resistant and excellent property and a fiber diameter of about 3 ⁇ m was used.
  • the carbon fibers used are PAN-based, and the thermal conductivity is about 100 W / mK as a notarized value.
  • the fiber amount was 100 g / m 2 per unit area and 0.5 mm in average thickness in terms of unit area.
  • the orientation direction of the second fibers 15 was controlled by adjusting the speed of the gap coater.
  • the coater speed was slower than 15 mm / sec, it was difficult to control the orientation direction from the viscosity of the suspension. Therefore, in Example 2, sheeting was performed at 30 mm / sec.
  • the orientation angle of the second fiber 15 will be described with reference to the schematic diagram of FIG. 2. At least 90 wt% of the second fiber 15 has an angle ⁇ of ⁇ 45 degrees with respect to the fixed direction 16. I was in between.
  • the ratio of the second fibers 15 and the airgel 12 was approximately 1: 1 by weight of the finished product.
  • the thermal conductivity of the heat insulating material 14 produced by introducing the second fibers 15 into the airgel 12 was 0.022 W / mK.
  • Comparative Example 2 in which the randomness of the fiber was increased and the orientation was turned off as compared with Example 2 was made as a prototype.
  • the heat conductivity of this heat insulating material 14 was 0.022 mW / mK.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of a structure using a heat insulating material.
  • the battery cell cooling structure of the lithium secondary battery was used, and the cooling function during abnormal heat generation of the battery was evaluated.
  • the high temperature cell 602 made from aluminum and the cell 603 made from aluminum were installed.
  • Example 2 The samples of Example 2 and Comparative Example 2 were sequentially sandwiched between the high temperature cell 602 made of aluminum and the cell 603 made of aluminum as the heat insulating material 14.
  • the high-temperature aluminum cell 602 is assumed to be an abnormally heated battery, the cooling plate 601 is assumed to be a cooling device, and the aluminum cell 603 is assumed to be a normal battery.
  • Example 2 The sample of Example 2 was sandwiched between an aluminum high-temperature cell 602 and an aluminum cell 603 so that the orientation direction of the first fibers 13 was directed to the cooling plate 601.
  • the room temperature is 23 ° C.
  • the initial temperature of the aluminum cell 603 is also 23 ° C.
  • the temperature of the high temperature cell 602 made of aluminum was set by heating to 100 ° C. in advance.
  • the cooling plate 601 was cooled so that the cooling plate 601 was always constant at 20 ° C.
  • the cells 602 and 603 reached a constant temperature of 20 ° C. in 20 minutes from the start.
  • the cells 602 and 603 reached a constant temperature of 20 ° C. in 25 minutes.
  • Example 2 and Comparative Example 2 were the heat insulating material 14 having the same thermal conductivity of 0.022 W / mK, a difference was seen until the temperature became uniform.
  • Example 2 has a higher cooling capacity than Comparative Example 2.
  • the heat insulating material of Embodiment 1 was used for the heat insulating material 14, the same result is obtained even with the heat insulating material of Embodiment 2.
  • Embodiments 1 and 2 can be combined.
  • the first fiber 13 and the second fiber 15 may be included in one heat insulating material 14.
  • a composite heat insulation that exhibits a sufficient heat insulation effect even in a narrow space inside a housing of an electronic device and can effectively reduce heat transfer from a component that generates heat to the outer surface of the housing.
  • a body and an electronic device including the body can be provided.

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Abstract

繊維と、エアロゲルとを含むシートであり、上記繊維は、上記シートの内で一定の方向に配列された断熱材を用いる。高温部と、冷却部と、上記高温部と上記冷却部とを繋ぐ上記断熱材と、を含み、上記断熱材の一定の方向は、上記高温部と上記低温部とを繋ぐ方向である断熱構造体を用いる。第１電池セルと、第２電池セルと、上記第１電池セルと上記第２電池セルとの間に配置された上記断熱材と、上記第１電池セルと上記第２電池セルと上記断熱材とに接する冷却プレートと、を含む電池の断熱構造体を用いる。

Description

断熱材とそれを用いた断熱構造体
　本発明は、断熱材とそれを用いた断熱構造体に関する。特に、電子機器や精密機器などにおいて、発熱部品からの熱を断熱する断熱材とそれを用いた断熱構造体に関する。
　近年では、携帯電話、ノートパソコンなどの電子機器の高性能化とともに発熱部品からの発熱密度が急激に増加しており、これらの電子機器における熱拡散技術が必須となってきている。特に小型のモバイル機器は人体に直接接する機会が多く、その筐体の外面の温度上昇が深刻な問題となってきている。
　モバイル機器の筐体外面の温度上昇による問題の一つとして、低温火傷が挙げられる。低温火傷は人体が体温より高い温度に長時間さらされて起こる火傷の一種であり、４４℃では６時間で火傷が生じ、１℃上がる毎に火傷に至る時間が半分となるという報告がある。
　普通の火傷に比べて低温火傷は当事者が症状の進行に気づくのが遅れる場合がほとんどで、気づいた時には皮膚が重度の損傷を負っていることも多い。最近では、小型ノートパソコンを膝上で長時間使用した際に低温火傷になる症例が多い。今後ますます機器の小型化やモバイル化が進んでいく状況において、機器表面の温度は１℃でも低く抑えることが最重要の課題である。
　機器表面の温度上昇を防ぐ方法として、特許文献１に、グラファイトシートと断熱材とを積層したシートを、発熱部品と筐体の間に設置する開示されている。図７にその構造の断面図を示す。
　基板７００上に部品７０１が実施されている。この部品７０１上に熱伝導体７０２と断熱体７０３が積層されている。その上に筐体７０４が位置する。
　部品で発生した熱は、熱伝導体７０２で広げられる。しかし、その熱は、断熱体７０３で筐体７０４へ伝達されない。結果、熱は、熱伝導体７０２の全体に伝達され、広い面積において、熱が筐体に伝わる。最終、筐体７０４を手で触っても、局所的な熱を感じない。
特開２００９－１１１００３号公報
　しかし、上記特許文献１の構造においては、熱伝導体７０２と断熱体７０３の２つの部材を積層しなければならない。また、熱伝導体７０２と断熱体７０３の２つ部材の積層体では、面内方向で熱を広げる機能は期待できるが、面内で熱の輸送方向を制御することはできない。
　よって、本願課題は、面内での熱の輸送方向に異方性を持たせた断熱材とそれを用いた断熱構造体を提供することである。
　上記課題を解決するため、繊維と、エアロゲルとを含むシートであり、上記繊維は、上記シートの内で一定の方向に配列された断熱材を用いる。
　高温部と、冷却部と、上記高温部と上記冷却部とを繋ぐ上記断熱材と、を含み、上記断熱材の一定の方向は、上記高温部と上記低温部とを繋ぐ方向である断熱構造体を用いる。
　第１電池セルと、第２電池セルと、上記第１電池セルと上記第２電池セルとの間に配置された上記断熱材と、上記第１電池セルと上記第２電池セルと上記断熱材とに接する冷却プレートと、を含む電池の断熱構造体を用いる。
　本発明によれば、電子機器の筐体内の狭いスペースにおいても十分に断熱効果を発揮しつつ、発熱部品から筐体への伝熱を効果的に低減し得る複合断熱体およびそれを含む電子機器を提供することができる。
図１Ａは、実施の形態１の繊維シートを上から見た平面図である。 図１Ｂは、実施の形態１の繊維シートを上から見た断面図である。 図２は、繊維配向方向に関する説明図である。 図３は、実施の形態２の繊維シートの斜視図である。 図４は、比較例１の模式図である。 図５は、本発明の実施例１の冷却構造の断面図である。 図６は、本発明の実施例２の冷却構造の断面図である。 図７は、従来の断熱構造を示す断面図である。
　（実施の形態１）
　図１Ａに、実施の形態１の熱対策部材である断熱材１４の平面図を示す。図１Ｂに、断熱材１４の断面図を示す。なお、図１Ａ、図１Ｂでは、内部の第１繊維１３の位置、形状が分かるように、表示している。
　本実施の形態１の断熱材１４は、断熱性を発揮するエアロゲル１２と、エアロゲル１２と比較して熱を伝える性質を持つ第１繊維１３とから構成される。第１繊維１３は、エアロゲル１２に内包される形で存在している。
　エアロゲル１２と第１繊維１３には熱伝導率に差が存在し、エアロゲル１２の熱伝導率は１５ｍＷ／ｍＫ以上３０ｍＷ／ｍＫ以下である。
　一方、第１繊維１３は、有機繊維、無機繊維、金属繊維であればよい。第１繊維１３の熱伝導率は、１００ｍＷ／ｍＫ以上であるものが好ましい。
　熱伝導率の差が３倍以上あれば、優先的に第１繊維１３を伝わって熱は伝播し、エアロゲル１２で隔てられた第１繊維１３間は、断熱される。このため、断熱材１４は、第１繊維１３の配向次第で、断熱材でありながら、熱の伝播方向を制御することができるデバイスとなる。
　次に本発明の構成部の詳細を説明する。
　（エアロゲル１２）
　エアロゲル１２は、熱伝導率が空気の熱伝導率０．０２８Ｗ／ｍＫ（常温）よりも小さく、おおよそ０．０１５Ｗ／ｍＫから０．０２５Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率を有している。
　このエアロゲル１２は、おおよそ８５Ｖｏｌ％から９５Ｖｏｌ％の空気を含んだ発泡体であり、発泡体の穴のサイズが空気（窒素）の平均自由工程の６８ｎｍよりも小さい。このため、エアロゲル１２は、低い熱伝導率を保持する。
　エアロゲル１２は、モノリス状（バルク体）、ブロック状、シート状、粉末状、ファイバー状、顆粒状のものであってもよい。できるだけエアロゲル１２が高充填され緻密に構成されている方が、熱伝導率の観点からは好ましい。
　エアロゲル１２は様々な原料をベースに合成され、カーボン、セルロース、シリカなどがその代表例としてあげられるが、耐熱性、電気絶縁性の観点から、本実施の形態では、シリカをベース材料として選定した。
　シリカエアロゲルは、平均細孔が１０～６７ｎｍ、細孔容積３．５～８ｃｃ／ｇ、５００～９００ｍ２／ｇの比表面積を有する。空気の平均自由行程６８ｎｍよりも小さな細孔を有する。
　平均細孔は、１０～５０ｎｍが好ましく、１０～３０ｎｍがより好ましい。細孔容積は、５～８ｃｃ／ｇが好ましく、６～８ｃｃ／ｇがより好ましい。嵩密度は９０～２５０ｋｇ／ｍ３、嵩密度は、１２０～１８０ｋｇ／ｍ３が好ましく、１４０～１５０ｋｇ／ｍ３がより好ましい。断熱性を確保するため、熱伝導率は、０．０２５Ｗ／ｍＫ以下が必要である。
　平均細孔径、比表面積及び嵩密度が上記範囲であれば、断熱性に優れるので断熱材として好適である。
　一般的なシリカエアロゲルの特徴のひとつに透明性が挙げられるが、輻射率を制御する、あるいは静電気を抑制するために、熱伝導率への影響が無視できる範囲で、カーボンの微粒子を添加するなどしてもかまわない。
　シリカエアロゲルを製造する際の出発原料として、水ガラス（珪酸ソーダ水溶液）を用い、調製は水ガラスの珪酸濃度、またゲル化時に使用する酸の種類と濃度、ゲル化条件（温度、時間、ｐＨ）を調整することで制御できる。また疎水化条件としてシリル化剤の量、溶媒の量、温度、時間を調整することで制御できる。乾燥条件は、乾燥温度、時間などを調整することで制御できる。
　このシリカエアロゲルの原料の水ガラスにおいては、シリカ濃度がゾル総重量に対して４～２０重量％になるように調製すればよい。コストの観点からはシリカ濃度が薄い方が好ましく、強度の観点からはシリカ濃度が高い方が好ましい。
　珪酸濃度が、４重量％以下であると、珪酸濃度が薄いため湿潤ゲル骨格の強度が不十分になる。また、珪酸濃度が２０％を越えると、ゾル溶液のゲル化時間が急激に早くなり制御できなくなる場合がある。
　常圧乾燥で作製したものがよいが、超臨界乾燥で作製したものでもよい。
　出発原料としてはＴＥＯＳやＭＴＭＳといったアルコキシシラン系の材料を用いてもよい。適切な濃度、触媒を用いて、適切な薬液処理を施せば、水ガラスを出発原料として作製したシリカエアロゲルと類似した熱伝導率、強度、透明性を得ることができる。
　また、強度の観点では、エアロゲル１２の粒子同士の結合強度を上げるために、糊材の役割果たす成分が含まれていてもよい。
　糊材の役割を果たすものの代表としては、水ガラス、ＰＶＡ、アクリルを主成分として含む水溶性バインダー、フェノール樹脂などが挙げられる。
　熱伝導率の観点からは、これら糊材の添加量は、エアロゲル１２の重量に対して１０％以下、好ましくは５％以下に抑えておく必要がある。
　糊材の添加量として、１０％以上添加すると、熱伝導率は３０ｍＷ／ｍＫを超えてくるようになり、空気層を設けていることと変わらなくなるため、エアロゲル１２の特徴を活かすことができなくなる。
　（第１繊維１３）
　実施の形態の第１繊維１３としては、グラスウールやガラスペーパー、ロックウール、ポリエステル等の樹脂繊維、セルロースナノファイバーなどのセルロース繊維、パルプ繊維、カーボン繊維、銅、アルミ、銀等の金属繊維およびこれらの複数を含有した複合繊維などであればよい。第１繊維１３は、使用時の耐熱温度や難燃性等をふまえて選定される。
　エアロゲル１２が、ゾルの状態の際に、第１繊維１４へ複合化させる場合には、グラスウールやセルロースファイバーなどのゾルと親和性の高い繊維がよい。エアロゲル１２と第１繊維１３との濡れ性が良く、第１繊維１３とエアロゲル１２を複合化させ易い。
　また、複合化させにくい材料の場合は、濡れ性を改質するために、界面活性剤や濡れ剤、粘度調整剤を添加することも好ましい。
　第１繊維１３の形状に関しては、１ｍｍから５１ｍｍくらいのカットされた短繊維を用いる。第１繊維１３の径としては１μｍから５０μｍまでのものを単一あるいは複数のもの混ぜて用いる。
　また、断熱材１４の強度が必要なため、第１繊維１３の絡み合いを持たせることが好ましい。したがって第１繊維１３にクリンプ加工を施す方が好ましい。クリンプ加工は、繊維を網目状に編む加工である。繊維に波状の屈曲を施し、繊維の縦線横線をはさめ合わせて、繊維の塊にする加工である。繊維を編まず、絡ませるだけでもよい。クリンプ加工が困難な場合は、補強剤の目的で比較的低い温度で融着可能な溶融低融点繊維を混ぜておくことをしてもよい。
　第１繊維１３の集合体は、従来、多くの空気を保持しており、その空気層の空気の断熱性を用いて断熱効果を出しているものである。しかしながら、空気層は対流成分を持つため、この空気層を、対流成分を抑制するエアロゲル１２に置換する。
　なお、第１繊維１３の量は、断熱が必要な熱量や、許容できる厚みなどで変わる。
　（断熱材１４）
　エアロゲル１２と第１繊維１３との混合体である断熱材１４では、熱は第１繊維１３を優先的伝わる。このため、第１繊維１３の向きを制御することで熱の流れを制御することが可能となる。つまり、断熱材１４は、ある方向へは断熱、繊維の方向へは熱を伝達する。
　一方、第１繊維１３の絡み合いが少ないと断熱材１４の強度が不足してしまう。エアロゲル１２自体も脆弱な物質であるため、断熱材１４の強度を補うほどに十分な強度は保有していない。
　そこで、断熱材１４では、基本的に必要な強度を第１繊維１３で確保する。さらに、断熱材１４では、熱を伝達する第１繊維１３の異方性を高めていくことで、異方性を確保している。
　図２を用いて、第１繊維１３の配向方向を説明する。図２は、断熱材１４の拡大断面図である。
　断熱材１４の平面（表面）に平行な一定方向１６（（シートの場合、シートの表面方向）に第１繊維１３は配向している。一定方向１６へ熱を伝達し、一定方向１６と垂直方向へは断熱する。
　第１繊維１３は、少なくともその８０％以上が、一定方向１６に対してなす角度θが、±４５度の間に入っていることが好ましい。なお、なす角度は、一定方向１６を軸として、軸周りのすべてである。以下同様である。
　（製造方法）
　実施の形態１の断熱材１４の製造方法について説明する。
　＜概略＞
　エアロゲル１２の原料となる水ガラス中のナトリウムを除去し、その後ゲル化するｐＨに調整するゾル調製工程をする。
　次に、ゾルがゲル化する前に、第１繊維１３にゾル溶液を含浸させる含浸工程をする。
　次に、溶媒乾燥時にゲルの内壁にかかる毛管力に耐えうるシリカの強固な骨格を得るための養生工程をする。
　次に、ゲルの内壁に存在する水酸基同士が乾燥時に脱水縮合し、収縮するのを防ぐためにゲルの表面をシリル化剤や機能性シランで疎水化させる疎水化工程をする。
　次に、繊維状断熱材中に存在する溶媒を除去するための乾燥工程をする。
　なお第１繊維１３は、事前に下記のように異方性のある第１繊維１３の固まりにしておく。
　＜第１繊維１３の事前処理＞
　不織布である第１繊維１３を、一方向に配向させる。このために、一般的にスパンレース法あるいは水流絡合法と呼ばれる工法を用いる。
　スパンレース法は湿式法で、第１繊維１３でウェブ（？）を形成し、高圧水流をあて第１繊維１３同士を交絡させます。布のようなソフトな風合い、ドレープ性と紙の均質性を合わせ持った不織布ができることが特徴である。ワイピングクロスや電池のセパレーターなどに利用されているものである。
　スパンレース法の水の流速を制御すれば、第１繊維１３の方向を制御することができる。また第１繊維１３の絡み合いについても水の流速の制御で調整することができる。
　第１繊維１３の熱伝導率のエアロゲル１２の熱伝導率に対する比が、４以上の場合、第１繊維１３は、少なくとも８０％以上は、第１繊維１３の一定方向１６に対してなす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　第１繊維１３の熱伝導率のエアロゲル１２の熱伝導率に対する比が、４より小さい場合、第１繊維１３の９０％以上が第１繊維１３の一定方向１６に対してなす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　上記により、断熱材の厚み方向より面内の方向へ熱が伝達され、熱伝導に異方性を持たせた断熱材となる。
　この第１繊維１３の一定方向１６は、第１繊維１３にかけたクリンプ加工の状態によっては、この限りでなく、もう少し少ない配向でも本実施の形態の恩恵をうけることが出来る可能性はあると考える。
　＜ゾル調製工程＞
　実施の形態で使用する水ガラス水溶液は、５～２０重量％になるように調製すればよく、１０～２０重量％であると好ましく、１５～２０重量％であるとより好ましい。水溶液の珪酸濃度が５％未満の場合、珪酸濃度が薄いため湿潤ゲル骨格の強度が不十分になる場合がある。また、珪酸濃度が２０％を越えると、ゾル溶液のゲル化時間が急激に早くなり制御できなくなる場合がある。
　水ガラスは、エアロゲル１２の製造時に水ガラス中に含まれるナトリウムを除去して使用する。使用する水ガラスは１号水ガラス（シリカ濃度３５～３８重量％）、２号水ガラス（シリカ濃度３４～３６％）、３号水ガラス（シリカ濃度２８～３０％）（日本工業規格（ＪＩＳ　Ｋ１４０８））のいずれでもよい。
　水ガラス水溶液中のナトリウムを除去するために、酸イオン交換体を用いて水ガラスに含まれるナトリウムを除去する。この水ガラスをプロトン型イオン交換樹脂と混合し、水ガラス水溶液がｐＨ＝１～３になるまで攪拌し、ナトリウムを除去する。その後、ゲル化可能なｐＨ＝５～８に調整するために塩基を添加する。塩基は一般的に、アンモニア、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、水酸化アルミニウムが挙げられるが、調整のし易さの点からアンモニアが好ましい。
　もしくは、酸を用いてナトリウムを塩として生成し、その後生成したヒドロゲルを洗浄し、塩を除去してゾル調製もよい。その際は水ガラス重量の１０～３０重量％の酸を添加し、養生後に電解質が無くなるまでゲルを洗浄する。
　この際、使用する酸は塩酸、硝酸、硫酸、フッ酸、亜硫酸、リン酸、亜リン酸、次亜リン酸、塩素酸、亜塩素酸、次亜塩素酸等の無機酸類、酸性リン酸アルミニウム、酸性リン酸マグネシウム、酸性リン酸亜鉛等の酸性リン酸塩類、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、コハク酸、クエン酸、リンゴ酸、アジピン酸等の有機酸等が挙げられる。得られるエアロゲル１２のゲル骨格強度の観点から、塩酸が好ましい。
　洗浄に使用する溶液は、純水、メタノール、エタノール、プロパノール等の水溶性の溶剤を使用するとよい。
　あるいは、ナトリウムを含んだ水ガラスを出発原料とせず、既に粒成長させたコロイド状のシリカ溶液（ｐＨ＝１０～１１）を使用してもよく、その調整に上記の酸を溶液に添加しゲル化可能なｐＨ＝５～８に調整することで同様に均一なヒドロゲルを製造することができる。その際に添加する酸触媒の添加量は、調整するｐＨ値にもよるが、塩酸の場合は、ヒドロゲルの重量１００％に対して、１２Ｎ塩酸水溶液０．５～５．０％が好ましく、１～２．５％がより好ましい。
　＜繊維導入工程＞
　使用する不織布からなる第１繊維１３に、ゾル調整した液を浸み込ませる。必要に応じて、余剰の液を、ローラー等を用いて、不織布外に吐き出し、不織布内の液量を調整する。この際、内包していた空気も同時に押し出し、液が満遍なく充填されることが好ましい。
　＜養生工程＞
　断熱材１４にゾル調整液を含浸した後、乾燥時にかかる毛管力に耐えうるだけの強度にする為に、ゾル中のシリカコロイドの重縮合、および、二次粒子の成長を促す必要がある。含浸の断熱材１４中のゾルがゲル化した後、シート中の水が揮発しない７０～９５℃で、好ましくは８０～９５℃、より好ましくは９０～９５℃で加熱養生する。これは、シリカ粒子の重縮合と二次粒子の成長を促進させるためである。
　養生時間は２～２４時間施すが、６～２４時間であればよく、１２～２４時間であればより好ましい。もしくは、養生時間を短縮させるために高温高圧中で養生させることで必要養生時間は短縮可能である。
　＜疎水化工程＞
　シリカのナノファイバー２を添加した場合に使用されるシリル化剤は、一般式Ｒ１Ｒ２ ２ＳｉＣｌ、またはＲ１ ｎＳｉ（ＯＲ２）４－ｎ（式中、Ｒ１およびＲ２は互いに関係なくＣ１～Ｃ６の直鎖状アルキル、環状アルキルまたはフェニルである、アルコキシシラン）で表されるシランである。ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳＯ）、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）でも適する。
　ここで、シランは、クロロシラン、アルコキシシラン、シラザンで構成される一群の珪素化合物で、シリル化剤でもある。特にこの場合、溶媒であるアルコール類、ケトン類、直鎖脂肪族炭化水素類との相性からアルコキシシランがよい。シリル化剤は、有機化合物中の活性水素をＳｉ原子で置き換えることができる有機ケイ素化合物である。活性水素をＳｉ原子で置き換えるものである。
　ここで、シリル化剤とは、有機化合物中の水酸基、アミノ基、カルボキシル基、アミド基、メルカプト基等の活性水素をケイ素に置換するものである。
　一方、セルロースのナノファイバー２を使用する場合、疎水化溶液中で塩酸が発生すると、セルロースが分解されてしまう。このため、Ｒ１ ｎＳｉ（ＯＲ２）４－ｎ（式中、Ｒ１およびＲ２は互いに関係なくＣ１～Ｃ６の直鎖状アルキル、環状アルキルまたはフェニルである）、もしくは、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）を用いて疎水化を行う。
　Ｒ１Ｒ２ ２ＳｉＣｌとしては、トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）、Ｒ１ ｎＳｉ（ＯＲ２）４－ｎとしては、トリメチルメトキシシランが好ましい。
　ＨＭＤＳＯを用いる場合は、ＨＭＤＳＯの仕込量に対してＨＣｌをモル比で０．０２～２．０となるように配合させて、反応系中で活性種であるＴＭＣＳを発生させることもできる。その場合、塩酸水溶液の濃度は１～１２規定が好ましく、１０～１２規定がさらに好ましい。
　シリル化剤の仕込量は、ヒドロゲルの細孔容積に対して、１００～８００％が好ましく、１００～３００％がより好ましい。
　疎水化反応は必要であれば溶媒中で行い、一般に２０～１００℃、好ましくは３０～６０℃において実施される。反応温度が２０℃未満の場合、シリル化剤の拡散が十分でなく疎水化が十分に行われない場合がある。
　使用する溶媒は、メタノール、エタノール、２－プロパノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンなどの直鎖脂肪族炭化水素類が好ましい。疎水化前のゲルが親水性であるのに対し、シリル化剤は疎水性溶剤であるため、活性種のシリル化剤を効率良くヒドロゲルと反応させるために両親媒性の溶媒であるアルコール類もしくはケトン類を用いるのが好ましい。
　また、疎水化時間は２～２４時間であれば好ましく、２～１２時間であればより好ましい。
　＜乾燥工程＞
　次に、疎水化後の含浸シート中に含まれる溶媒を揮発させるために、１００～１５０℃で２～５ｈｒ乾燥させる。その際、基材の断熱材１４が樹脂の耐熱温度が乾燥温度以下の場合、メタノール、エタノール、２－プロパノールなどのアルコール類、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン類、ペンタン、ヘキサン等に置換して、樹脂繊維の耐熱温度以下の沸点を持つ溶媒に置換して乾燥させるとよい。
　（効果）
　上記各工程を経て得られる断熱材１４は、単一部材でありながら熱の伝達方向を任意の方向に傾斜させることを可能とするため、特に１ｍｍ以下の隙間で用いるシートとして非常に有効となる。厚さを厚くすれば、断熱性が向上できるためである。
　任意に裁断し使用する場合にも、半永久的に熱性能を維持することを可能とする。
　（実施の形態２）
　図３に実施の形態２の断熱材１４の斜視図を示す。エアロゲル１２を透明として図示している。記載しない事項は、実施の形態１と同様である。
　本実施の形態２の断熱材１４は、断熱性を発揮するエアロゲル１２と比較して熱を伝える性質を持つ第２繊維１５とから構成される。
　実施の形態１と異なり、第２繊維１５は、繊維同士の絡み合いのレベルが異なる。つまり、図３と図１と比較するとわかるが、図３では第２繊維１５同士が触れていず、絡みあっていない。
　ここで、繊維が絡まっている状態では、空の空間で、繊維の１方を持ち上げると、もう１方が持ち上がる状態をいう。具体的には、第２繊維１５は、直線状である。
　第２繊維１５は、例えばセラミックファイバーのような引張強度は高いが脆い性質をもつようなものが代表とされるものを用いる。第２繊維１５が柔軟でなく、第２繊維１５同士の絡み合いはない。よって強度が必要な場合は、必要に応じて第２繊維１５表面に樹脂系のバインダーを設けて補強できる。
　第２繊維１５自体にあらかじめ樹脂系のバインダーを施してもよいし、後からバインダーを付与して強度を上げてもよい。
　異方性の点では、第２繊維１５は、少なくとも８０％以上が、第２繊維１５の一定方向１６となす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　第２繊維１５の熱伝導率のエアロゲル１２の熱伝導率に対する比が、４以上の場合、第２繊維１５は、少なくとも８０％以上は、第２繊維１５の一定方向１６に対してなす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　第２繊維１５の熱伝導率のエアロゲル１２の熱伝導率に対する比が、４より小さい場合、第２繊維１５の９０％以上が第２繊維１５の一定方向１６に対してなす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　上記により、断熱材１４では、厚み方向より面内の方向へ熱が伝達され、熱伝導に異方性を持たせた断熱材となる。
　耐熱性、対薬品性の観点からバインダー成分を導入することが困難な場合は、必要に応じて、ガラス繊維、有機繊維などで、クリンプ加工が可能な繊維同士がからみやすい繊維材料を複合的に添加することをしてもよい。
　実施の形態２の構成の中で、実施の形態１と比較して、第２繊維１５が異なるため、異なる箇所を詳細説明する。それ以外の構成は実施の形態１と同様であるため省略する。
　（第２繊維１５）
　実施の形態の第２繊維１５としてはガラス繊維、アルミナ繊維、金属繊維、カーボン繊維およびこれらの複数を含有した複合繊維などであればよく、使用時の耐熱温度や難燃性等をふまえて選定できる。
　シリカエアロゲルがゾルの状態の際に第２繊維１５へ複合化させる場合には、ゾルと親和性の高い繊維では濡れ性が良く、繊維とエアロゲルを複合化させ易い。
　また複合化させにくい第２繊維１５の場合は、濡れ性を改質するために、界面活性剤や濡れ剤、粘度調整剤を添加することも好ましい。
　第２繊維１５の形状に関しては、一方向に配列させた長繊維を用いる。長繊維を所望の長さに切断したチョップドファイバーを用いてもよい。
　例えば、アルミナの長繊維を用途に応じて所定の長さに切断すればよい。アルミナの長繊維は、高張力、高弾性率、耐熱性、耐腐食性、電気絶縁性、寸法安定性に優れ、さらに、吸湿性が少なく、表面が平滑といった特長を兼ね備えている。連続繊維をカットしているため短繊維品と比較し、繊維径、カット長が揃っており、ショット（形状不良品）を含みにくい特徴がある。
　さらに、アルミナの長繊維をＰＶＡ、ＥＶＡ等のサイジング剤で収束し、所定の長さに切断しペレット状にも加工できる。ＦＲＰ、その他補強材としていろいろな素材と組み合わせて様々な産業での使用が期待できる。
　カット長は用途により１ｍｍ以下から数１００ｍｍまで可能である。繊維の径としては１μｍから５ｍｍまでのものを単一あるいは複数のもの混ぜて用いる。
　また補強剤の目的で比較的低い温度で融着可能な溶融低融点繊維を混ぜておくことをしてもよい。
　（製造方法）
　実施の形態２の断熱材１４の製造方法について説明する。実施の形態１と比較して、繊維導入工程のみが異なるので、繊維導入工程について説明する。その他は実施の形態１と同様のため省略する。＜繊維１３の事前処理＞はせず、＜ゾル調製工程＞のゾルに第２繊維１５を入れる。
　＜第２繊維１５の導入＞
　実施の形態２では、あらかじめ準備したゾル調整液に、第２繊維１５を導入する。＜ゾル調製工程＞のゾルに、第２繊維１５を混合し、均一に混ぜ込んだ懸濁液を作製した。その後、一定方向に液を流し、流速のある中で第２繊維１５の方向をゾル調整液の流れ方向に配向させた。その後、ギャップコーターを通して、厚みを所望の厚みに整えた。
　その後、室温で１５分程度静置することでゲル化させた。
　上記では、第２繊維１５を含む懸濁液に対して水流を用いることで第２繊維１５の向きをそろえたが、懸濁液を、コーター等を用いて塗布することでシートを形成してもよい。
　他の工程は、実施の形態１と同様のため割愛する。
　上記各工程を経て得られる断熱材１４は、単一部材でありながら熱の伝達方向を任意の方向に傾斜させることを可能とするため、特に１ｍｍ以下の隙間で用いるシートとして非常に有効となる。
　任意に裁断し使用する場合にも、半永久的に熱性能を維持することを可能とする。
　（実施例１）
　実施の形態１の要領に従い、シート状の断熱材１４を作製した。第１繊維１３としては、難燃性で優れた性質を有する繊維径が１０μｍ程度からなる酸化アクリル繊維を用いた。酸化アクリル繊維そのものの熱伝導率を測ることは困難であるが、通常のアクリル樹脂と大差ないものであり約０．１５ｍＷ／ｍＫ程度である。スパンレース法で作製した不織布としては目付けが１００ｇ／ｍ２で平均厚みが０．９ｍｍｍである。
　第１繊維１３の配向角度としては、図２の模式図を参考に説明すると、第１繊維１３の重量比率で８０％が、第１繊維１３の一定方向１６となす角度θが±４５度に入っていることが好ましい。
　また第１繊維１３とエアロゲル１２の比率は、完成品の重量でおおよそ１：１であった。
　実施の形態１に示した製造方法に従い、第１繊維１３にエアロゲル１２を導入し作製した断熱材１４の熱伝導率は０．０２Ｗ／ｍＫであった。
　（比較例１）
　また同時に、実施例１と比較して第１繊維１３のランダム性を強めて配向性を消した、比較例１を試作品として作った。
　比較例１の略式模式図を図４に示す。この断熱材１４の熱伝導率は実施例１と同様に０．０２Ｗ／ｍＫであった。
　（評価１）
　次に、本発明の効果を検証するために、冷却構造体を作製した。冷却構造体の模式図を図５の断面図に示す。
　幅４０ｍｍ、長さ４０ｍｍの断熱材１４をホットプレート５０５上に載せた。その設置位置は、図５に示すとおり、断熱材１４の長さ１０ｍｍ部分を、ホットプレート５０５上にのせ、３０ｍｍを引き出した。第１セラミック板５０２、第２セラミック板５０３、第３セラミック板５０４を用いて断熱材１４を固定した。
　加熱源としてホットプレート５０５を熱源とし、ホットプレート５０５の表面温度（第１測定点２１）を１８０℃に設定した。ホットプレート５０５の端面から断熱材１４を出し、２０ｍｍ離れた箇所（第２測定点２２）の温度を測定した。２分間の平均温度を測定することで断熱材１４の熱の輸送能力を測定した。
　通常、断熱材１４の熱伝導率測定は、定常法とよばれる測定原理を用いた。上面、下面の温度が均一になるようにバランスをとった後、熱量の通過量で測定するＨＦＭ法などが用いられる。しかし、図５に示した測定系であれば、断熱材１４であっても面方向で熱を輸送する能力を調べることができる。
　結果、実施例１の場合、ホットプレート５０５上の第１セラミック板５０２の第１測定点２１の温度が９５℃で第２測定点２２の温度が４０℃で、差の温度が、５５℃であった。
　一方、比較例１の場合、ホットプレート５０５上の第１セラミック板５０２の第１測定点２１の温度が９７℃で、第２測定点２２の温度が３５℃で、差の温度が、６２℃であった。実施例１の方が、熱を輸送できていることが確認された。
　したがって、エアロゲル１２を用いた断熱材でありながら、繊維配向方向を制御することで、熱の輸送を可能にすることが実証できた。今回は樹脂系の繊維を用いたが、金属製の繊維を用いればより差は顕著に現れるものと考える。
　（実施例２）
　実施の形態２の要領に従い、シート状の断熱材１４を作製した。第２繊維１５としては、耐熱性で優れた性質を有する繊維径が３μｍ程度からなるカーボン繊維を用いた。用いたカーボン繊維はＰＡＮ系のものであり熱伝導率は公証値で１００Ｗ／ｍＫ程度である。繊維量は、単位面積あたりの換算で、目付けが１００ｇ／ｍ２、平均厚みが０．５ｍｍとした。
　第２繊維１５の配向方向は、ギャップコーターの速度を調整することで制御した。コーターの速度が１５ｍｍ／秒より遅い場合は、懸濁液の粘度から配向方向の制御が困難であったため、本実施例２では３０ｍｍ／秒でシート化を行った。
　第２繊維１５の配向角度としては、図２の模式図を参考に説明すると、第２繊維１５は、少なくともその９０重量％以上が、一定方向１６に対してなす角度θが、±４５度の間に入っているようにした。
　また、第２繊維１５とエアロゲル１２との比率は、完成品の重量でおおよそ１：１であった。
　実施の形態２に示した製造方法に従い、第２繊維１５をエアロゲル１２へ導入し作製した断熱材１４の熱伝導率は０．０２２Ｗ／ｍＫであった。
　（比較例２）
　また同時に、実施例２と比較して繊維のランダム性を強めて配向性を消した比較例２を試作品として作った。この断熱材１４の熱伝導率は０．０２２ｍＷ／ｍＫであった。
　（評価２）
　図６に、断熱材を使用する構造の断面図を示す。本実施例では、リチウム２次電池の電池セル冷却構造であり、電池の異常発熱時の冷却機能を評価することとした。
　評価系について説明する。冷却プレート６０１上に、アルミニウム製の高温セル６０２とアルミニウム製のセル６０３を設置した。
　アルミニウム製の高温セル６０２とアルミニウム製のセル６０３の間に断熱材１４として実施例２と比較例２の試料を順次はさみこんだ。
　上記構造にて、アルミニウム製の高温のセル６０２の温度が一定になるまでの時間を測定した。
　なお、アルミニウム製の高温のセル６０２は、異常な発熱をした電池を想定し、冷却プレート６０１は、冷却装置を想定し、アルミニウム製のセル６０３は、通常の電池を想定している。
　実施例２の試料を、第１繊維１３の配向方向を冷却プレート６０１の方向に向くようにアルミニウム製の高温セル６０２とアルミニウム製のセル６０３の間にはさみこんだ。
　この時、室温は２３℃で、アルミニウム製のセル６０３の初期温度も２３℃である。アルミニウム製の高温セル６０２の温度をあらかじめ１００℃に加熱してセットした。冷却プレート６０１は、常時２０℃で一定となるように、冷却プレート６０１を冷却を施した。
　その結果、実施例２の試料をはさんだ方は、開始から２０分で、セル６０２、６０３が、一定温度の２０℃になった。比較例２の試料をはさんだ方は、２５分で、セル６０２、６０３が、一定温度の２０℃になった。
　実施例２と比較例２の断熱材は、同じ熱伝導率０．０２２Ｗ／ｍＫである断熱材１４であるにもかかわらず、温度が均一になるまでに差が見られた。
　結果、同じ断熱性能の断熱材でありながら、実施例２の方が比較例２より冷却能力が高い構造である。なお、断熱材１４は、実施の形態１の断熱材を用いたが、実施の形態２の断熱材でも同様の結果となる。
　（全体として）
　実施の形態１と２とは組み合わせることができる。第１繊維１３と第２繊維１５とを１つの断熱材１４に含めてもよい。
　以上のように、本発明によれば、電子機器の筐体内の狭いスペースにおいても十分に断熱効果を発揮し、発熱を伴う部品から筐体外面への伝熱を効果的に低減し得る複合断熱体およびそれを含む電子機器を提供することができる。
１２　エアロゲル
１３　第１繊維
１４　断熱材
１５　第２繊維
１６　一定方向
２１　第１測定点
２２　第２側定点
５０２　第１セラミック板
５０３　第２セラミック板
５０４　第３セラミック板
５０５　ホットプレート
６０１　冷却プレート
６０２　高温セル
６０３　アルミニウム製のセル
７００　基板
７０１　部品
７０２　熱伝導体
７０３　断熱体
７０４　筐体

Claims (8)

  1. 繊維と、エアロゲルとを含むシートであり、
    前記繊維は、前記シートの内で一定の方向に配列されている断熱材。
  2. 前記繊維の８０％以上は、前記一定の方向に対して９０度以内の方向に配列されている請求項１記載の断熱材。
  3. 前記繊維は、絡み合っている第１繊維である請求項１記載の断熱材。
  4. 前記繊維は、絡み合っていない第２繊維である請求項１記載の断熱材。
  5. 前記繊維は、絡み合っている第１繊維と、絡み合っていない第２繊維とを含む請求項１記載の断熱材。
  6. 前記一定の方向とは、前記シートの表面と平行である請求項１に記載の断熱材。
  7. 高温部と、
    低温部と、
    前記高温部と前記低温部とを繋ぐ請求項１に記載の断熱材と、を含み、
    前記断熱材の一定の方向は、前記高温部と前記低温部とを繋ぐ方向である断熱構造体。
  8. 第１電池セルと、
    第２電池セルと、
    前記第１電池セルと前記第２電池セルとの間に配置された請求項１に記載の断熱材と、
    前記第１電池セルと前記第２電池セルと前記断熱材とに接する冷却プレートと、を含む断熱構造体。
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