WO2024071096A1 - 断熱材 - Google Patents

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WO2024071096A1
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layer
carbon
insulation
insulating material
heat insulating
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PCT/JP2023/034876
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敏樹 伊藤
祐介 太田
健太 野村
暁則 折戸
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イビデン株式会社
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B9/00—Layered products comprising a layer of a particular substance not covered by groups B32B11/00 - B32B29/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
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    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/14—Arrangements for the insulation of pipes or pipe systems

Definitions

  • the present invention relates to a heat insulating material.
  • Insulation materials made from carbon fibers have a high heat resistance and excellent insulating properties, so they are widely used as insulation for high-temperature furnaces such as single crystal pulling equipment and ceramic sintering furnaces.
  • Insulating materials using carbon fibers are widely used in the form of highly porous felt, paper products, etc., to suppress heat transfer through the carbon fibers.
  • felt is deformable, so it is used as a component that fills empty spaces to fill those spaces, or as an insulating material that surrounds other parts.
  • paper products have high shape retention, so they are processed into a specified shape and used as insulating parts.
  • Felt can also be used as an insulating part with good shape retention by compressing it and then fixing it with a binder.
  • Patent Document 1 discloses a molded heat insulating material having carbon fibers and a carbon layer that protects the surface of the carbon fibers, and in which fiber sheets made only of carbonaceous materials are laminated.
  • the fiber sheet of the heat insulating material has a carbon fiber sheet laminate and a carbon fiber sheet protective layer, the bulk density of the carbon fiber sheet protective layer is 0.3 to 1.5 g/ cm3 , the volume fraction of carbon fiber in the carbon fiber sheet protective layer is equal to or greater than the volume fraction of carbon fiber in the carbon fiber sheet laminate and is 11 to 88%, the thickness of the carbon fiber sheet protective layer is 1 to 6 mm, the bulk density of the carbon fiber sheet laminate is 0.05 to 0.25 g/ cm3 , and the volume fraction of carbon fiber in the carbon fiber sheet laminate is 3.0 to 15%. It is believed that such molded insulation material can realize a carbon fiber molded insulation material having a surface layer that is capable of suppressing gas penetration and deformation due to gas at low cost.
  • Patent Document 1 when the insulating material described in Patent Document 1 is used as an insulating material to be placed around a high-temperature heating body such as an induction heating furnace, the insulating effect is insufficient, and there is a demand for further improvement in the insulating effect.
  • the present invention was made to solve the above problems, and the object of the present invention is to provide an insulating material with high insulating effect.
  • the heat insulating material of the present invention is a heat insulating material that covers the periphery of a heating element,
  • the insulation material has at least three layers having different specific gravities along its thickness direction, The at least three layers all contain carbon fiber;
  • the at least three layers are designated as a first insulating layer, a second insulating layer, and a third insulating layer from the side closest to the heating element,
  • S1, S2, and S3 insulation layer are S1, S2, and S3, respectively, S1>S2>S3; and S1: 0.10 to 0.30 g/cm 3
  • S3 0.03 to 0.10 g/cm 3
  • T1 ratio 40% or more
  • a first insulation layer with a high specific gravity is disposed as the insulation layer closer to the heating element, and a third insulation layer with a low specific gravity is disposed as the insulation layer farther from the heating element.
  • a second insulation layer with a specific gravity intermediate between the first insulation layer and the third insulation layer is disposed between the first insulation layer and the third insulation layer.
  • Heat transfer can be by radiation, conduction, or convection.
  • heat transfer by radiation On the side closer to the heating element, i.e., the high temperature side, heat transfer by radiation is dominant.
  • heat transfer by conduction and convection On the other hand, on the side farther from the heating element, i.e., the low temperature side, heat transfer by conduction and convection is dominant.
  • a first insulation layer with a high specific gravity As the insulation layer on the side closer to the heating element, heat transfer by radiation can be suppressed.
  • a third insulation layer with a low specific gravity As the insulation layer on the side farther from the heating element, heat transfer by conduction and convection can be suppressed.
  • the second insulation layer can suppress both heat transfer by radiation and heat transfer by conduction and convection. In this way, by arranging an insulation layer suitable for suppressing heat transfer by radiation and an insulation layer suitable for suppressing heat transfer by conduction and convection in appropriate locations, it is possible to create an insulation material with high insulating effect.
  • the specific gravity measured in a 25% area from the surface on the heating element side along the thickness direction of the insulation is the specific gravity of the first insulation layer
  • the specific gravity measured in a 65% area from the surface on the heating element side is the specific gravity of the second insulation layer
  • the specific gravity measured in a 95% area from the surface on the heating element side is the specific gravity of the third insulation layer.
  • the first insulation layer is thicker on the side closer to the heating element, and the third insulation layer is thinner on the side farther from the heating element.
  • the insulation layers are of this thickness, heat transfer by radiation, which is the most dominant factor in high-temperature insulation, can be effectively suppressed, resulting in a high overall insulation effect.
  • the thickness of the heat insulating material is preferably 20 to 300 mm.
  • the thickness of the insulating material is in the range of 20 to 300 mm, the above-mentioned insulating effect is easily exhibited.
  • a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon is provided around at least a portion of the periphery of the first heat insulating material layer. If a pyrolytic carbon layer is provided at least partially around the first insulating layer, heat transfer by radiation can be particularly blocked, resulting in an insulating material with a higher insulating effect.
  • the pyrolytic carbon layer preferably has a thickness of 2 to 60 ⁇ m. If the thickness of the pyrolytic carbon layer is 2 to 60 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties.
  • a carbon layer containing carbon-based particles is provided at least partially around the first heat insulating layer. If a carbon layer is provided around at least a portion of the periphery of the first insulation layer, the generation of particles due to friction of the carbon fibers, etc. can be prevented.
  • the carbon-based particles are preferably at least one carbon-based particle selected from the group consisting of graphite, carbon black, glassy carbon particles, and particles obtained by pulverizing carbon fibers.
  • the carbon layer preferably has a thickness of 10 to 1000 ⁇ m. If the thickness of the carbon layer is 10 to 1000 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties.
  • the insulation material of the present invention preferably further comprises an inner layer insulation member arranged closer to the heating element than the first insulation layer, and has a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon around at least a portion of the periphery of the inner layer insulation member.
  • the presence of a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon can block heat transfer by radiation, so by arranging an inner layer insulation member having a pyrolytic carbon layer on the side closer to the heating element, it is possible to obtain an insulation material with a higher insulating effect.
  • the pyrolytic carbon layer has low activity against the reactive gas and is therefore less susceptible to deterioration or wear.
  • the insulating material deteriorates or becomes damaged, only the inner layer insulating member can be replaced.
  • the pyrolytic carbon layer preferably has a thickness of 2 to 60 ⁇ m. If the thickness of the pyrolytic carbon layer is 2 to 60 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties.
  • the first heat insulating layer, the second heat insulating layer and the third heat insulating layer are all made of the carbon fiber needle mat or a paper body made of the carbon fiber.
  • Carbon fiber needle mats and carbon fiber paper products are composed of randomly arranged carbon fibers, and therefore can exhibit high thermal insulation properties, making them particularly suitable as substrates for constituting each insulation layer.
  • the carbon fibers preferably have an average fiber length of 2 to 8 mm.
  • the average fiber length of the carbon fibers is within the above range, the strength is high and the carbon fibers are less likely to be oriented. Therefore, when the carbon fibers are used in an induction heating furnace, heat generation due to induction heating can be minimized.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a typical example of the heat insulating material of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a partially cutaway perspective cross-sectional view that shows a schematic example of a heating device constructed using the heat insulating material of the present invention.
  • FIG. 4 is a partial enlarged view of the area enclosed by the dashed line in FIG.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view that illustrates an example of a thermal insulation material having a pyrolytic carbon layer.
  • FIG. 6 is a partial cross-sectional view that illustrates another example of a thermal insulation material having a pyrolytic carbon layer.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a typical example of the heat insulating material of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG.
  • FIG. 3 is a partially cutaway perspective cross-sectional view that shows
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view that illustrates an example of a thermal insulation material having a carbon layer.
  • FIG. 8 is a partial cross-sectional view that illustrates another example of a thermal insulation material having a carbon layer.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional view that illustrates an example of a thermal insulation material having a carbon layer and a pyrolytic carbon layer.
  • FIG. 10 is a partial cross-sectional view that illustrates another example of a thermal insulating material having a carbon layer and a pyrolytic carbon layer.
  • FIG. 11 is a partial cross-sectional view that shows a schematic example of an insulating material having an inner layer insulating member.
  • the heat insulating material of the present invention will be specifically described below.
  • the present invention is not limited to the following configuration, and can be appropriately modified and applied within the scope that does not change the gist of the present invention.
  • the heat insulating material of the present invention is a heat insulating material that covers the periphery of a heating element,
  • the insulation material has at least three layers having different specific gravities along its thickness direction, The at least three layers all contain carbon fiber;
  • the at least three layers are designated as a first insulating layer, a second insulating layer, and a third insulating layer from the side closest to the heating element,
  • S1, S2, and S3 insulation layer are S1, S2, and S3, respectively, S1>S2>S3; and S1: 0.10 to 0.30 g/cm 3
  • S3 0.03 to 0.10 g/cm 3
  • T1>T2>T3 When the thicknesses of the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer are T1, T2, and T3, respectively, T1>T2>T3, and the ratio of the thickness of each insulation layer to the thickness of the entire insulation is: T1
  • the outer shape of the heat insulating material is not particularly limited as long as it has a columnar space inside for accommodating a heating element, and examples of the outer shape include columnar shapes such as a cylindrical shape and a rectangular column shape.
  • the outer shape of the space is not particularly limited, but examples thereof include columnar shapes such as a cylindrical shape and a rectangular column shape.
  • the cross-sectional shape of the space formed inside the insulation material in a direction perpendicular to the longitudinal direction is not particularly limited, and may be, for example, a perfect circle, an ellipse, or other circular shape, or a polygon, such as a square, pentagon, or hexagon.
  • the heat insulating material does not have to be formed into a cylindrical shape from the beginning. That is, the heat insulating material may be an assembly of a plurality of heat insulating materials each having a cylindrical shape divided into a plurality of pieces.
  • the insulation material may be a sheet-like molded body having a roughly rectangular shape when viewed from above, in which a first insulation layer, a second insulation layer and a third insulation layer are laminated, which has been deformed into a cylindrical shape so that a columnar space for accommodating a heating element is formed inside, and the inner surface is the first insulation layer.
  • the portions where the ends of the sheet-like molded body come into contact with each other may be in contact with each other in a separable state, may be bonded to each other with a carbon-based adhesive, or may be sewn together with carbon fiber, etc.
  • At least three layers constituting the insulation namely, a first insulation layer, a second insulation layer, and a third insulation layer, all contain carbon fiber.
  • the average fiber diameter of the carbon fibers is preferably 1 ⁇ m to 20 ⁇ m. When the average fiber diameter of the carbon fibers is 20 ⁇ m or less, the conductive heat transfer effect of the carbon fibers themselves can be suppressed, and when the average fiber diameter of the carbon fibers is 1 ⁇ m or more, the light shielding property is excellent and radiative heat transfer can be suppressed.
  • the average fiber length of the carbon fibers is preferably 2 mm to 10,000 mm.
  • the average fiber length of the carbon fibers may be 2 mm to 8 mm, or 10 mm to 10,000 mm.
  • the average fiber length of carbon fibers is between 2 mm and 8 mm, the strength is high and the carbon fibers are less likely to be oriented, so when used in an induction heating furnace, heat generation due to induction heating can be minimized.
  • the carbon fiber can be either pitch-based carbon fiber or PAN-based carbon fiber, and can be either graphitic or carbonaceous carbon fiber.
  • the first, second and third insulation layers are preferably each a carbon fiber needle mat or a carbon fiber paper body.
  • Carbon fiber needle mats and carbon fiber paper products are composed of randomly arranged carbon fibers, and therefore can exhibit high thermal insulation properties, making them particularly suitable as substrates for constituting each insulation layer.
  • the average fiber length of the carbon fiber is preferably 10 mm to 10,000 mm.
  • the average fiber length of the carbon fibers is preferably 2 mm to 8 mm.
  • the specific gravities of the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer are S1, S2, and S3, respectively, S1>S2>S3; and S1: 0.10 to 0.30 g/cm 3 , S2: 0.06 to 0.20 g/cm 3 , S3: 0.03 to 0.10 g/ cm3 .
  • the specific gravity measured in a 25% area from the surface on the heating element side is the specific gravity of the first insulation layer
  • the specific gravity measured in a 65% area from the surface on the heating element side is the specific gravity of the second insulation layer
  • the specific gravity measured in a 95% area from the surface on the heating element side is the specific gravity of the third insulation layer.
  • a first insulation layer with a high specific gravity is disposed as the insulation layer closer to the heating element, and a third insulation layer with a low specific gravity is disposed as the insulation layer farther from the heating element.
  • a second insulation layer with a specific gravity intermediate between the first insulation layer and the third insulation layer is disposed between the first insulation layer and the third insulation layer.
  • Heat transfer can be by radiation, conduction, or convection.
  • heat transfer by radiation On the side closer to the heating element, i.e., the high temperature side, heat transfer by radiation is dominant.
  • heat transfer by conduction and convection On the other hand, on the side farther from the heating element, i.e., the low temperature side, heat transfer by conduction and convection is dominant.
  • a first insulation layer with a high specific gravity As the insulation layer on the side closer to the heating element, heat transfer by radiation can be suppressed.
  • a third insulation layer with a low specific gravity As the insulation layer on the side farther from the heating element, heat transfer by conduction and convection can be suppressed.
  • the second insulation layer can suppress both heat transfer by radiation and heat transfer by conduction and convection. In this way, by arranging an insulation layer suitable for suppressing heat transfer by radiation and an insulation layer suitable for suppressing heat transfer by conduction and convection in appropriate locations, it is possible to create an insulation material with high insulating effect.
  • the thicknesses of the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer are T1, T2, and T3, T1>T2>T3, and
  • the ratio of the thickness of each insulation layer to the total thickness of the insulation is: T1 ratio: 40% or more, 60% or less, T2 ratio: 20% or more, 40% or less, T3 ratio: 10% or more and less than 30%.
  • the ratio (T3 ratio) of the thickness (T3) of the third insulation layer to the thickness of the entire insulation is 10% or more and 25% or less.
  • the first insulation layer is thicker on the side closer to the heating element, and the third insulation layer is thinner on the side farther from the heating element.
  • the insulation layers are of this thickness, heat transfer by radiation, which is the most dominant factor in high-temperature insulation, can be effectively suppressed, resulting in a high overall insulation effect.
  • the thickness of the heat insulating material (total thickness of the heat insulating material) is preferably 20 to 300 mm. When the thickness of the insulating material is in the range of 20 to 300 mm, the above-mentioned insulating effect is easily exhibited.
  • first insulation layer 8 to 180 mm
  • Second insulation layer 4 to 120 mm
  • Third insulation layer 2 to 90 mm
  • a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon is provided around at least a portion of the periphery of the first heat insulating material layer.
  • a pyrolytic carbon layer may be provided around the assembly of insulation layers including the first insulation layer, the second insulation layer and the third insulation layer.
  • a pyrolytic carbon layer may be provided around the first insulation layer, but no pyrolytic carbon layer may be provided around the second insulation layer and the third insulation layer.
  • the pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon may be simply referred to as a pyrolytic carbon layer hereinafter.
  • the pyrolytic carbon layer preferably has a thickness of 2 to 60 ⁇ m. If the thickness of the pyrolytic carbon layer is 2 to 60 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties. Whether or not a pyrolytic carbon layer is present and the thickness of the pyrolytic carbon layer can be confirmed by observing a cut surface of the insulation material including the first insulation layer using a polarizing microscope or the like.
  • the pyrolytic carbon layer is preferably a layer formed by chemical vapor deposition (CVD) using a hydrocarbon gas as a raw material.
  • CVD chemical vapor deposition
  • a carbon layer containing carbon-based particles is provided around at least a portion of the first heat insulating layer.
  • a carbon layer may be provided around the assembly of insulation layers including the first insulation layer, the second insulation layer and the third insulation layer. Also, a carbon layer may be provided around the first insulation layer, but no carbon layer may be provided around the second insulation layer and the third insulation layer.
  • the carbon-based particles are preferably at least one carbon-based particle selected from the group consisting of graphite, carbon black, glassy carbon particles, and pulverized carbon fiber particles. At least one carbon-based particle selected from the group consisting of graphite, carbon black, glassy carbon particles, and crushed carbon fiber particles has few impurities and is the same carbon-based material as the carbon fibers that make up the thermal insulation material, and therefore has high durability in high temperature ranges.
  • the glassy carbon particles are obtained by pulverizing non-graphitizable carbon such as phenol resin carbide.
  • the particles obtained by pulverizing carbon fibers are also called milled carbon fibers.
  • the average fiber length of the milled carbon fibers is preferably, for example, 20 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the carbon layer containing the carbon-based particles preferably has a thickness of 10 to 1000 ⁇ m.
  • the thickness of the carbon layer containing carbon-based particles is 10 to 1000 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties.
  • whether or not a carbon layer containing carbon-based particles is present and the thickness of the carbon layer containing carbon-based particles can be confirmed by observing a cut surface of the insulation material including the first insulation layer using a polarizing microscope or the like.
  • the carbon-based particles and carbon fibers are preferably bonded to each other with a carbon-based adhesive.
  • the carbon layer becomes strong and the bonding strength with the pyrolytic carbon layer increases.
  • Carbon-based adhesives are organic binders that are carbonized by heating in a non-oxidizing atmosphere. Details will be given later.
  • the carbon layer containing carbon-based particles is preferably a carbon layer formed by impregnating the surface of a carbon fiber compact with a slurry containing carbon-based particles and firing the same.
  • a carbon layer containing carbon-based particles and a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon are provided around at least a portion of the periphery of the first heat insulating material layer.
  • a carbon layer and a pyrolytic carbon layer may be provided around the assembly of insulation layers consisting of the first insulation layer, the second insulation layer and the third insulation layer.
  • a carbon layer and a pyrolytic carbon layer may be provided around the first insulation layer, while a carbon layer and a pyrolytic carbon layer may not be provided around the second insulation layer and the third insulation layer.
  • the carbon-based particles when the carbon layer and the pyrolytic carbon layer are present, the carbon-based particles preferably have an average particle size of 10 nm to 500 ⁇ m.
  • the carbon-based particles When the carbon-based particles have an average particle size of 10 nm to 500 ⁇ m, a thin carbon layer can be formed in the gaps between the carbon fibers, and the bonding between the carbon fibers and the pyrolytic carbon layer in the heat insulating material can be ensured at a high level. Also, the carbon layer, which tends to have a high thermal conductivity, can be prevented from becoming too thick.
  • the carbon fibers are exposed on the surface of the carbon layer.
  • the pyrolytic carbon layer is directly bonded to the carbon fibers, thereby increasing the bonding strength between the carbon layer and the pyrolytic carbon layer and preventing delamination between the carbon layer and the pyrolytic carbon layer.
  • the insulating material of the present invention preferably further comprises an inner layer insulating member arranged closer to the heating element than the first insulating material layer, and has a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon around at least a portion of the periphery of the inner layer insulating member.
  • the inner layer insulation member preferably includes a carbon fiber molding containing carbon fibers. A carbon layer is provided around the carbon fiber molding, and a pyrolytic carbon layer is further provided on the carbon layer. That is, the inner layer insulation member has a pyrolytic carbon layer around it. It should be noted that it is sufficient for the inner layer insulation component to have a pyrolytic carbon layer, and it is not essential to provide a carbon layer.
  • the inner layer insulation member is not bonded to the first insulation layer, and that the inner layer insulation member and the first insulation layer are in contact with each other in a separable state.
  • being in contact with each other in a separable state refers to a state in which the inner layer insulation member and the first insulation layer can be separated from each other without destroying either of them.
  • an inner layer insulation member having a pyrolytic carbon layer By disposing an inner layer insulation member having a pyrolytic carbon layer on the side closer to the heating element, it is possible to obtain an insulation material with a higher insulating effect. Furthermore, even if reactive gas is generated from the heating element or from inside the heating element, the pyrolytic carbon layer has low activity against the reactive gas and is therefore less susceptible to deterioration or wear. Furthermore, if the insulating material deteriorates or becomes damaged, only the inner layer insulating member can be replaced. Therefore, the time required for replacing the insulation material can be shortened, and the amount of insulation material to be replaced can be reduced, thereby reducing the cost of replacing the insulation material.
  • the pyrolytic carbon layer of the inner heat insulating member preferably has a thickness of 2 to 60 ⁇ m. If the thickness of the pyrolytic carbon layer is 2 to 60 ⁇ m, it is possible to achieve both excellent gas barrier properties and radiant heat barrier properties.
  • the thickness of the inner heat insulating member is preferably 2 to 10 mm.
  • the thickness of the inner layer insulation member includes the thickness of the pyrolytic carbon layer and the carbon layer.
  • the thickness of the inner insulation layer is small relative to the overall thickness of the insulation, so it does not need to be taken into account when considering the ratios of the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer (T1 ratio, T2 ratio, T3 ratio), and can be distinguished from the first insulation layer, which is the thickest insulation layer.
  • the specific gravity of the inner layer insulation member is usually greater than the specific gravity of the first insulation layer, this does not contradict the technical idea of the present invention of arranging the layer with the greater specific gravity as the layer closer to the heating element.
  • Fig. 1 is a perspective view showing an example of the heat insulating material of the present invention
  • Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in Fig. 1.
  • the insulation material 1 includes a first insulation layer 10 , a second insulation layer 20 and a third insulation layer 30 .
  • the heat insulating material 1 has a generally cylindrical shape extending in the longitudinal direction (Z direction in FIG. 1 ).
  • the top view shape of the heat insulating material 1 from the Z direction is annular with respect to a plane parallel to the X direction and the Y direction perpendicular to the longitudinal direction (Z direction).
  • the heat insulating material 1 has a cylindrical space 60 therein for accommodating a heating element. As shown in FIG. 2, a first insulating layer 10, a second insulating layer 20, and a third insulating layer 30 are arranged from the side closest to a space 60 for accommodating a heating element.
  • insulation material 1 is an insulation material that covers the periphery of the heating element.
  • FIG. 3 is a partially cutaway perspective cross-sectional view that shows a schematic example of a heating device constructed using the heat insulating material of the present invention.
  • the heating device 100 shown in FIG. 3 includes a heat insulating material 1, a crucible 50, and an induction heating coil 70 for heating the crucible 50.
  • the crucible 50 is heated by the induced current generated by the induction heating coil 70. Therefore, the crucible 50 is a heating element.
  • the crucible 50 has a cavity 51. Therefore, the heating device 100 can heat the material placed in the cavity 51 by causing the crucible 50 to generate heat using the induction heating coil 70.
  • the periphery of the crucible 50 is covered with a heat insulating material 1 .
  • the heat insulating material 1 includes, from the side closest to the crucible 50, a first heat insulating material layer 10, a second heat insulating material layer 20, and a third heat insulating material layer 30.
  • the space in which the crucible 50 is placed is a part or the whole of the space 60 that the thermal insulation material 1 has.
  • An induction heating coil 70 is wound around the outer circumferential surface of the heat insulating material 1 .
  • the crucible 50 and the insulating material 1 are in direct contact, but a gap may be provided between the crucible 50 and the insulating material 1.
  • the material constituting the crucible 50 is not particularly limited as long as it is a conductor, but graphite is preferred because of its excellent heat resistance and durability at high temperatures (especially 2000°C or higher).
  • Heating elements are not limited to those for heating solids and liquids as described above.
  • the heating element may be a cylinder made of graphite that heats the gas passing through it.
  • the heating element may be a heater that is heated directly by electrical current, and there may be a gap between the heating element and the insulating material to accommodate the object to be heated.
  • FIG. 4 is a partial enlarged view of the area enclosed by the dashed line in FIG.
  • a first insulating layer 10, a second insulating layer 20, and a third insulating layer 30 are arranged from the side closest to the crucible 50.
  • the thicknesses of the first insulation layer 10, the second insulation layer 20, and the third insulation layer 30 are indicated by double-headed arrows T1, T2, and T3, respectively.
  • a first insulation material layer 10 with a high specific gravity is disposed as the insulation material layer closer to the crucible 50, and a third insulation material layer 30 with a low specific gravity is disposed as the insulation material layer farther from the crucible 50.
  • a second insulation material layer 20 with a specific gravity intermediate between the first insulation material layer 10 and the third insulation material layer 30 is disposed between the first insulation material layer 10 and the third insulation material layer 30.
  • the first heat insulating layer 10 which has a large specific gravity
  • the third heat insulating layer 30 which has a low specific gravity
  • heat transfer due to conduction and convection can be suppressed.
  • the first insulation layer 10 on the side closer to the crucible 50 is thicker, and the third insulation layer 30 on the side farther from the crucible 50 is thinner.
  • the insulation layers are of this thickness, heat transfer by radiation, which is the most dominant factor in high-temperature insulation, can be effectively suppressed, resulting in a high overall insulation effect.
  • Fig. 5 is a partial cross-sectional view showing an example of a thermal insulation material having a pyrolytic carbon layer, in which the positional relationship between the thermal insulation material and the heating element is shown in the same positions as in Fig. 4 .
  • a pyrolytic carbon layer 11 is provided around the assembly of insulation layers consisting of a first insulation layer 10, a second insulation layer 20 and a third insulation layer 30.
  • Fig. 6 is a partial cross-sectional view showing a schematic diagram of another example of a thermal insulation material having a pyrolytic carbon layer, in which the positional relationship between the thermal insulation material and the heating element is shown in the same positions as in Fig. 4 .
  • a pyrolytic carbon layer 11 is provided around the first thermal insulation layer 10.
  • the pyrolytic carbon layer 11 is not provided around the second thermal insulation layer 20 and the third thermal insulation layer 30.
  • a pyrolytic carbon layer 11 is provided around at least a portion of the first insulating material layer 10.
  • the pyrolytic carbon layer 11 is provided on the surface facing the crucible 50 (the surface facing the heating element).
  • Fig. 7 is a partial cross-sectional view showing an example of a heat insulating material having a carbon layer, in which the positional relationship between the heat insulating material and the heating element is shown in the same positions as in Fig. 4 .
  • a carbon layer 12 is provided around an assembly of insulation layers including a first insulation layer 10, a second insulation layer 20, and a third insulation layer 30.
  • Fig. 8 is a partial cross-sectional view showing a schematic diagram of another example of a heat insulating material having a carbon layer, in which the positional relationship between the heat insulating material and the heating element is shown in the same positions as in Fig. 4 .
  • a carbon layer 12 is provided around the first thermal insulation layer 10.
  • the carbon layer 12 is not provided around the second thermal insulation layer 20 and the third thermal insulation layer 30.
  • a carbon layer 12 is provided around at least a portion of the first insulating material layer 10.
  • the carbon layer 12 is provided on the surface facing the crucible 50 (the surface facing the heating element).
  • Fig. 9 is a partial cross-sectional view showing an example of a heat insulating material having a carbon layer and a pyrolytic carbon layer, in which the positional relationship between the heat insulating material and the heating element is shown in the same positions as in Fig. 4 .
  • a carbon layer 12 is provided around the assembly of insulation layers consisting of a first insulation layer 10, a second insulation layer 20 and a third insulation layer 30, and a pyrolytic carbon layer 11 is further provided on top of the carbon layer 12.
  • Fig. 10 is a partial cross-sectional view showing a schematic diagram of another example of a heat insulating material having a carbon layer and a pyrolytic carbon layer.
  • Fig. 10 shows the positional relationship between the heat insulating material and the heating element in the same positions as in Fig. 4 .
  • a carbon layer 12 is provided around a first thermal insulation layer 10
  • a pyrolytic carbon layer 11 is further provided on the carbon layer 12.
  • the carbon layer 12 and the pyrolytic carbon layer 11 are not provided around the second insulation layer 20 and the third insulation layer 30.
  • the effects exhibited by the insulation material having a carbon layer and the insulation material having a pyrolytic carbon layer described above are both exhibited.
  • Fig. 11 is a partial cross-sectional view showing an example of a thermal insulation material having an inner-layer thermal insulation member.
  • Fig. 11 shows the positional relationship between the thermal insulation material and the heating element in the same positions as in Fig. 4 .
  • an inner layer thermal insulation member 40 is provided on the side closer to the crucible 50 than the first thermal insulation material layer 10 .
  • the inner layer insulation member 40 includes a carbon fiber molding 43 containing carbon fibers.
  • a carbon layer 12 is provided around the carbon fiber molding 43, and a pyrolytic carbon layer 11 is further provided on the carbon layer 12. That is, the inner layer insulation member 40 has a pyrolytic carbon layer 11 around it.
  • the inner layer insulation member 40 is not bonded to the first insulation layer 10, and the inner layer insulation member 40 and the first insulation layer 10 are in contact with each other in a separable state.
  • an inner layer insulation member having a pyrolytic carbon layer By disposing an inner layer insulation member having a pyrolytic carbon layer on the side closer to the heating element, it is possible to obtain an insulation material with a higher insulating effect. Furthermore, even if reactive gas is generated from the heating element or from inside the heating element, the pyrolytic carbon layer has low activity against the reactive gas and is therefore less susceptible to deterioration or wear. Furthermore, if the insulating material deteriorates or becomes damaged, only the inner layer insulating member can be replaced. Therefore, the time required for replacing the insulation material can be shortened, and the amount of insulation material to be replaced can be reduced, thereby reducing the cost of replacing the insulation material.
  • the heat insulating material of the present invention is obtained by preparing at least three types of carbon fiber moldings that differ in specific gravity and thickness, stacking and compressing the carbon fiber moldings to prepare an assembly of carbon fiber moldings.
  • a carbon layer and/or a pyrolytic carbon layer may be provided on the aggregate of carbon fiber moldings.
  • a carbon layer and/or a pyrolytic carbon layer may be provided only on the carbon fiber molding that is to become the first thermal insulation layer, and the carbon fiber molding that is to become the second thermal insulation layer and the third thermal insulation layer may be overlapped and compressed to provide a carbon layer and/or a pyrolytic carbon layer around the first thermal insulation layer.
  • the manufacturing method of the heat insulating material will be described in detail below.
  • molded body preparation process In the molded body preparation step, a carbon fiber molded body is prepared.
  • Methods for obtaining carbon fiber moldings include the needling method and the papermaking method.
  • carbon fibers with an average fiber length of 10 mm to 10,000 mm are stacked in a sheet shape, and the inorganic fibers are entangled by needling to obtain a carbon fiber molding.
  • a suspension is prepared in which carbon fibers with an average fiber length of 2 mm to 8 mm are dispersed in a dispersion medium such as water, and a carbon fiber molding can be obtained by papermaking using a mold.
  • the mold used for papermaking may be flat, or it may be curved to the desired shape. That is, the carbon fiber molded body obtained in the molded body preparation step may have a cylindrical shape from the beginning, but at this stage it may not have a cylindrical shape and may have, for example, a substantially rectangular shape when viewed from above. When the shape of the molded body is a substantially rectangular shape in a plan view, it is deformed into a cylindrical shape by a deformation step described later.
  • the suspension may contain an organic binder. If the suspension contains an organic binder, the carbon fibers are fixed together during papermaking, improving moldability.
  • the fiber length may be adjusted or the carbon fiber molding may be compressed after molding. At least three types of carbon fiber moldings with different specific gravities and thicknesses are produced by changing the production conditions in the molding preparation step.
  • compression process At least three types of carbon fiber moldings having different specific gravities and thicknesses are piled up and compressed to produce an assembly of carbon fiber moldings.
  • the heat insulating material of the present invention is obtained by the compression step. The obtained heat insulating material is then deformed into a cylindrical shape.
  • the steps for providing the carbon layer and/or the pyrolytic carbon layer will be described below.
  • the following describes an example of forming a carbon layer and/or a pyrolytic carbon layer on the surface of a carbon fiber molding, but the method is the same when forming a carbon layer and/or a pyrolytic carbon layer on the surface of an assembly of carbon fiber moldings.
  • the carbon fiber molding that forms the carbon layer and/or the pyrolytic carbon layer is assumed to be a carbon fiber molding that becomes the first heat insulating layer.
  • Carbon layer forming process a surface of a carbon fiber molded body or a surface of an aggregate of carbon fiber molded bodies is impregnated with a slurry containing carbon-based particles, and then fired to form a carbon layer.
  • the firing conditions are not particularly limited, but firing at a temperature of 700 to 2100° C. in a non-oxidizing atmosphere for 1 to 15 hours is preferred.
  • the non-oxidizing atmosphere includes an inert atmosphere and a reducing atmosphere.
  • the inert atmosphere is an atmosphere containing an inert gas as a main component.
  • the inert gas includes nitrogen, argon, and the like.
  • the reducing atmosphere is an atmosphere containing a reducing gas as a main component.
  • the reducing gas includes hydrogen, carbon monoxide, hydrocarbons, chlorine, and the like.
  • the carbon-based particles used in the carbon layer formation process can be preferably the carbon-based particles that may be included in the carbon layer of the insulation material of the present invention.
  • the slurry used in the carbon layer forming step may contain an organic binder. If the slurry contains an organic binder, when the surface of a carbon fiber molding is impregnated with a slurry containing carbon-based particles, the carbon-based particles tend to remain near the surface of the carbon fiber molding, thereby preventing the carbon layer from becoming too thick.
  • organic binder both an organic binder that is carbonized when heated in a non-oxidizing atmosphere and an organic binder that is decomposed when heated in a non-oxidizing atmosphere and does not leave a residue can be used.
  • the organic binder may be one that dissolves in a solvent, or one that disperses as fine particles in the solvent.
  • the organic binder is an organic binder that is carbonized by heating in a non-oxidizing atmosphere
  • the carbonized organic binder functions as a carbon-based adhesive and can firmly bond the carbon-based particles and the carbon fibers.
  • the carbon-based particles that make up the carbon layer that is unevenly distributed on the surface of the carbon fiber molding can be prevented from falling off the carbon fibers.
  • organic binders that carbonize examples include phenolic resin, polyvinyl alcohol (PVA), and pitch.
  • the slurry does not contain an organic binder
  • the carbon fiber molding is first immersed in a slurry that contains carbon-based particles and a solvent but does not contain an organic binder, and then the carbon fiber molding is immersed in an organic binder solution, thereby reducing the penetration of the organic binder into the carbon fiber molding and preventing a decrease in the insulation performance.
  • a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon is formed on the surface of a carbon fiber molding or on the surface of an aggregate of carbon fiber moldings.
  • the pyrolytic carbon layer is formed on the carbon layer.
  • the method for forming the pyrolytic carbon layer is not particularly limited, but for example, a method for forming the pyrolytic carbon layer by chemical vapor deposition using a CVD furnace can be mentioned.
  • the process of forming a pyrolytic carbon layer using a CVD furnace is also called a CVD process.
  • the conditions for the CVD process are not particularly limited.
  • the raw material gas may be a hydrocarbon gas, such as methane, ethane, propane, or ethylene.
  • the temperature of the CVD process is preferably, for example, 800 to 2000°C. If the temperature in the CVD process is 800° C. or higher, the source gas is easily decomposed, and therefore a pyrolytic carbon layer is easily formed. When the temperature of the CVD process is 2000° C. or less, sublimation of the carbon fibers is suppressed, and deterioration can be prevented.
  • the temperature in the CVD process is desirably 1700° C. or lower.
  • carbonaceous carbon fibers are exposed to high temperatures, they change to graphite, causing changes such as an increase in thermal conductivity, etc. Therefore, by carrying out the CVD process at a temperature of 1700° C. or less, it is possible to suppress the change of the carbon fibers to graphite and maintain the thermal insulation properties of the molded body.
  • a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 8 is obtained.
  • a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 6 is obtained.
  • a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 10 is obtained.
  • a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 7 is obtained.
  • a pyrolytic carbon layer on the surface of the aggregate of carbon fiber moldings a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 5 is obtained.
  • a carbon layer and a pyrolytic carbon layer on the surface of an assembly of carbon fiber moldings a heat insulating material having the configuration shown in FIG. 9 is obtained.
  • the outer shape of the carbon fiber molding prepared in the molding preparation step does not have to be cylindrical from the beginning.
  • a carbon fiber molded body (sheet-shaped molded body) having a generally rectangular shape in plan view may be prepared in the molded body preparation step, and then deformed into a cylindrical shape in the deformation step.
  • the deformation step is preferably performed prior to the carbon layer forming step and the pyrolytic carbon layer forming step.
  • the sheet-like molded body may have a generally rectangular shape in plan view, for example, having a first end face and a second end face that face each other in the longitudinal direction, a first main face and a second main face that face each other in the thickness direction perpendicular to the longitudinal direction, and a first side face and a second side face that face each other in the width direction perpendicular to the length direction and the thickness direction.
  • the first end face and the second end face of the sheet-like molded body may be in contact with each other in a separable state, may be bonded with a carbon-based adhesive, or may be sewn together with thread.
  • the thread may be one that burns away when fired, or one that does not burn away when fired.
  • the heat insulating material of the present invention is used by arranging the first heat insulating material layer on the side closer to the heating element. Specifically, the heat insulating material of the present invention is disposed so as to cover the space for accommodating the heat generating element and so that the surface facing the heat generating element becomes the first heat insulating material layer.
  • the inner layer insulation member may be one in which a pyrolytic carbon layer is provided around a carbon fiber molding.
  • the above-mentioned methods may be used for producing the carbon fiber molding and providing the pyrolytic carbon layer.
  • the inner layer insulation member may be produced by providing a carbon layer and a pyrolytic carbon layer around the carbon fiber molding.
  • the inner layer insulation member is a member whose thickness is thinner than the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer.
  • an inner layer insulation member is arranged so that it covers the space for accommodating the heating element and so that the surface facing the heating element becomes the pyrolytic carbon layer of the inner layer insulation member, and then an assembly of carbon fiber moldings is arranged so that it covers the outside of the inner layer insulation member, thereby obtaining an insulation material equipped with an inner layer insulation member.
  • the present disclosure (1) relates to an insulating material that covers the periphery of a heating element, the insulating material having at least three layers with different specific gravities along its thickness direction, and all of the at least three layers contain carbon fiber, and when the at least three layers are designated as a first insulating material layer, a second insulating material layer, and a third insulating material layer from the side closest to the heating element, and the specific gravities of the first insulating material layer, the second insulating material layer, and the third insulating material layer are designated as S1, S2, and S3, respectively, S1>S2>S3, and S1: 0.10 to 0.30 g/cm 3 , S2: 0.06 to 0.20 g/cm 3 , S3: 0.03 to 0.10 g/cm 3 , When the thicknesses of the first insulation layer, the second insulation layer, and the third insulation layer are T1, T2, and T3, respectively, T1>T2>T3, and the ratio of the thickness of each insulation layer to the thickness
  • the present disclosure (2) is the insulation material described in the present disclosure (1) in which the thickness of the insulation material is 20 to 300 mm.
  • the present disclosure (3) is an insulating material according to the present disclosure (1) or (2) having a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon around at least a portion of the periphery of the first insulating material layer.
  • the present disclosure (4) is the insulating material described in the present disclosure (3), in which the pyrolytic carbon layer has a thickness of 2 to 60 ⁇ m.
  • the present disclosure (5) is an insulating material according to any one of the present disclosures (1) to (4), which has a carbon layer containing carbon-based particles around at least a portion of the periphery of the first insulating material layer.
  • the present disclosure (6) is the insulating material described in the present disclosure (5), in which the carbon-based particles are at least one carbon-based particle selected from the group consisting of graphite, carbon black, glassy carbon particles, and crushed carbon fiber particles.
  • the present disclosure (7) is an insulating material according to the present disclosure (5) or (6), in which the carbon layer has a thickness of 10 to 1000 ⁇ m.
  • the present disclosure (8) is an insulating material according to any one of the present disclosures (1) to (7), further comprising an inner layer insulating member arranged closer to the heating element than the first insulating material layer, and having a pyrolytic carbon layer containing pyrolytic carbon around at least a portion of the periphery of the inner layer insulating member.
  • the present disclosure (9) is the insulating material described in the present disclosure (8), in which the pyrolytic carbon layer has a thickness of 2 to 60 ⁇ m.
  • the present disclosure (10) is an insulating material according to any one of the present disclosures (1) to (9), in which the first insulating material layer, the second insulating material layer, and the third insulating material layer are all the carbon fiber needle mat or the carbon fiber paper body.
  • the present disclosure (11) is an insulating material according to any one of the present disclosures (1) to (10), in which the average fiber length of the carbon fibers is 2 to 8 mm.
  • thermal conductivity values were as follows: Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.30 g/ cm3 : 0.65 W/mK at 2000°C, 0.61 W/mK at 1500°C, 0.47 W/mK at 1000°C. Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.25 g/ cm3 : 0.60 W/mK at 2000°C, 0.55 W/mK at 1500°C, 0.44 W/mK at 1000°C.
  • Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.20 g/ cm3 : 0.56 W/mK at 2000°C, 0.50 W/mK at 1500°C, 0.40 W/mK at 1000°C.
  • Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.15 g/ cm3 : 0.53 W/mK at 2000°C, 0.45 W/mK at 1500°C, 0.37 W/mK at 1000°C.
  • Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.10 g/ cm3 0.45 W/mK at 2000°C, 0.39 W/mK at 1500°C, 0.32 W/mK at 1000°C.
  • Thermal conductivity when the density of the insulation layer is 0.05 g/ cm3 0.40 W/mK at 2000°C, 0.35 W/mK at 1500°C, 0.27 W/mK at 1000°C.
  • the distance from the 2,400°C heating element to the surface of the first insulation layer was 2 mm, and the thickness of the insulation layer was 30 mm. Insulation was placed around the heating element, and the temperature of the third insulation layer was measured when the temperature of the surface of the third insulation layer reached a steady state. The lower the temperature of the third insulation layer in the steady state, the better the insulation properties of the insulation material.
  • each heat insulating material layer was as follows:
  • Example 2 S1: 0.25 g/ cm3 S2: 0.15 g/ cm3 S3: 0.05 g/ cm3 T1 ratio: 60% T2 ratio: 25% T3 ratio: 15%
  • Comparative Example 1 S1: 0.15 g/ cm3 T1 ratio: 100% That is, the insulating material of Comparative Example 1 is a single layer insulating material with a constant specific gravity along the thickness direction.
  • the temperature of the third insulation layer was as follows: For Comparative Example 1, the temperature measured at a position corresponding to the third insulation layer in Examples 1 and 2 is shown. Example 1: 630° C. Example 2: 660° C. Comparative Example 1: 800° C.
  • Example 1 in which a first insulation layer with a high specific gravity and a large thickness is arranged as the insulation layer closest to the heating element, is an insulation material with superior insulation properties compared to Comparative Example 1, in which a single layer of insulation material with a constant specific gravity along the thickness direction is arranged.

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Abstract

発熱体の周囲を覆う断熱材であって、上記断熱材は、その厚さ方向に沿って比重が異なる少なくとも３つの層を有しており、上記少なくとも３つの層は、いずれも炭素繊維を含み、上記少なくとも３つの層を発熱体に近い側から第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層として、上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３、であり、上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、上記断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満、であることを特徴とする断熱材。

Description

断熱材
本発明は、断熱材に関する。
炭素繊維を用いた断熱材は、耐熱温度が高く断熱性能も優れることから、単結晶引き上げ装置、セラミック焼結炉など、高温炉用断熱材として広く利用されている。
炭素繊維を用いた断熱材は、炭素繊維による伝熱を抑制するため、気孔率の高いフェルト、抄造体などの形態で広く利用されている。一般に、フェルトは変形性があるため、空いた空間に充填して当該空間を埋める部材や、他の部品を囲む断熱材として利用される。一方、抄造体は高い形状保持性を有するため、所定の形状に加工し、断熱部品として利用される。なお、フェルトは、圧縮した後、バインダによって固定することにより、形状保持性の良い断熱部品として使用することもできる。
特許文献１には、炭素繊維と、炭素繊維の表面を保護する炭素層と、を有し、炭素質のみからなる繊維シートが積層されてなる成形断熱材が開示されている。
当該断熱材の繊維シートは、炭素繊維シート積層体と、炭素繊維シート保護層とを有し、炭素繊維シート保護層のかさ密度が０．３～１．５ｇ／ｃｍ３であり、炭素繊維シート保護層の炭素繊維の体積分率が、炭素繊維シート積層体の炭素繊維の体積分率以上で且つ１１～８８％であり、炭素繊維シート保護層の厚みが１～６ｍｍであり、炭素繊維シート積層体のかさ密度が０．０５～０．２５ｇ／ｃｍ３であり、炭素繊維シート積層体の炭素繊維の体積分率が３．０～１５％である、とされている。
このような成形断熱材は、低コストでガスの浸透やガスによる変形を抑制し得た表面層を有する炭素繊維成形断熱材を実現できるとされている。
特開２０１８－２４１７４号公報
しかしながら、特許文献１に記載の断熱材を、誘導加熱炉のような高温の発熱体の周囲に配置するような断熱材として使用した場合、断熱効果が充分とはいえず、さらに断熱効果を向上させることが望まれていた。
本発明は、上記課題を解決するためになされた発明であり、本発明の目的は、断熱効果の高い断熱材を提供することである。
本発明の断熱材は、発熱体の周囲を覆う断熱材であって、
上記断熱材は、その厚さ方向に沿って比重が異なる少なくとも３つの層を有しており、
上記少なくとも３つの層は、いずれも炭素繊維を含み、
上記少なくとも３つの層を発熱体に近い側から第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層として、
上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、
Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３、であり、
上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、上記断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、
Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、
Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、
Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満、であることを特徴とする。
本発明の断熱材では、発熱体に近い側の断熱材層として、比重が大きい第１の断熱材層を配置し、発熱体から遠い側の断熱材層として、比重が小さい第３の断熱材層を配置している。また、第１の断熱材層と第３の断熱材層の間に、比重が第１の断熱材層と第３の断熱材層の中間となる第２の断熱材層を配置している。
伝熱は、放射によるもの、伝導によるもの、対流によるものがある。発熱体に近い側、すなわち高温側では放射による伝熱が支配的である。一方、発熱体から遠い側、すなわち低温側では伝導及び対流による伝熱が支配的である。発熱体に近い側の断熱材層として、比重が大きい第１の断熱材層を配置することにより、放射による伝熱を抑制することができる。また、発熱体から遠い側の断熱材層として、比重が小さい第３の断熱材層を配置することにより、伝導及び対流による伝熱を抑制することができる。第２の断熱材層は、放射による伝熱、並びに伝導及び対流による伝熱の両方を抑制することができる。
このように、放射による伝熱の抑制に適した断熱材層、伝導及び対流による伝熱の抑制に適した断熱材層を適した場所に配置することにより、断熱効果の高い断熱材とすることができる。
断熱材の厚さ方向に沿って、発熱体側の表面から２５％の領域で測定した比重を第１の断熱材層の比重、発熱体側の表面から６５％の領域で測定した比重を第２の断熱材層の比重、発熱体側の表面から９５％の領域で測定した比重を第３の断熱材層の比重、とする。
また、本発明の断熱材では、発熱体に近い側の第１の断熱材層の厚さが厚く、発熱体から遠い側の第３の断熱材層の厚さが薄くなっている。断熱材層の厚さがこのようになっていると、高温断熱において最も支配的な放射による伝熱を効果的に抑制することができるため、全体として断熱効果が高くなる。
本発明の断熱材では、上記断熱材の厚さが、２０～３００ｍｍであることが好ましい。
断熱材の厚さが２０～３００ｍｍの範囲において、上記断熱効果が発揮されやすい。
また、本発明の断熱材では、上記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有することが好ましい。
第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に熱分解炭素層を有していると、放射による伝熱を特に遮断することができる。そのため、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、上記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍであることが好ましい。
熱分解炭素層の厚さが２～６０μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
また、本発明の断熱材では、上記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、炭素系粒子を含む炭素層を有することが好ましい。
第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に炭素層を有していると、炭素繊維の摩擦等によるパーティクルの発生を防ぐことができる。
また、本発明の断熱材では、上記炭素系粒子は、黒鉛、カーボンブラック、ガラス状カーボン粒子、及び炭素繊維を粉砕した粒子からなる群から選択される少なくとも１つの炭素系粒子であることが好ましい。
また、上記炭素層は、厚さが１０～１０００μｍであることが好ましい。
炭素層の厚さが１０～１０００μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
また、本発明の断熱材では、上記第１の断熱材層よりも発熱体に近い側に配置された内層断熱部材をさらに備え、上記内層断熱部材の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有することが好ましい。
熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有していると、放射による伝熱を遮断することができる。そのため、発熱体に近い側に、熱分解炭素層を有する内層断熱部材を配置することによって、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、発熱体や発熱体の内側から反応性ガスが発生する場合であっても、熱分解炭素層は反応性ガスに対する活性が低く、劣化や消耗が生じにくい。
さらに、断熱材が劣化、損傷した場合に、内層断熱部材のみを交換することができる。
また、上記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍであることが好ましい。
熱分解炭素層の厚さが２～６０μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
本発明の断熱材では、上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層は、いずれも上記炭素繊維のニードルマット又は上記炭素繊維の抄造体であることが好ましい。
炭素繊維のニードルマット及び炭素繊維の抄造体は、ランダムに配置された炭素繊維で構成されるため、高い断熱性を発揮することができ、各断熱材層を構成する基材として特に好適である。
本発明の断熱材では、上記炭素繊維の平均繊維長が、２～８ｍｍであることが好ましい。
炭素繊維の平均繊維長が上記範囲であると、強度が高く、また、炭素繊維が配向しにくいため、誘導加熱炉に用いた場合、誘導加熱による発熱を最小限に抑えることができる。
図１は、本発明の断熱材の一例を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。 図３は、本発明の断熱材を用いて構成される加熱装置の一例を模式的に示す一部切り欠き斜視断面図である。 図４は、図３の破線で囲った領域の部分拡大図である。 図５は、熱分解炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。 図６は、熱分解炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。 図７は、炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。 図８は、炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。 図９は、炭素層及び熱分解炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。 図１０は、炭素層及び熱分解炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。 図１１は、内層断熱部材を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。
（発明の詳細な説明）
以下、本発明の断熱材について具体的に説明する。しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい構成を２つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
［断熱材］
本発明の断熱材は、発熱体の周囲を覆う断熱材であって、
上記断熱材は、その厚さ方向に沿って比重が異なる少なくとも３つの層を有しており、
上記少なくとも３つの層は、いずれも炭素繊維を含み、
上記少なくとも３つの層を発熱体に近い側から第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層として、
上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、
Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３、であり、
上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、上記断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、
Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、
Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、
Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満、であることを特徴とする。
断熱材の外形形状は、内側に発熱体を収容するための柱状の空間を有する形状であれば特に限定されず、例えば、円柱形、角柱形等の柱形状が挙げられる。
上記空間の外形形状は特に限定されないが、例えば円柱形、角柱形等の柱形状が挙げられる。
断熱材の内側に形成される空間の、長手方向に直交する方向における断面形状は、特に限定されず、例えば、真円、楕円等の円形であってもよく、四角形、五角形、六角形等の多角形であってもよい。
断熱材は、最初から筒形状に成形されたものでなくてもよい。
すなわち、断熱材は、筒形状を複数個に分割した形状の複数の断熱材の集合体であってもよい。
また、断熱材は、平面視略矩形形状であり、第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層が積層されたシート状成形体を、内側に発熱体を収容するための柱状の空間が形成されるように、かつ、内側面が第１の断熱材層となるように筒形状に変形させたものであってもよい。
シート状成形体を筒形状に変形させる場合、シート状成形体の端部同士が接触する部分（接触部）は、互いに分離可能な状態で接していてもよいし、炭素系接着材等により互いに接合されていてもよいし、炭素繊維等で縫合されていてもよい。
断熱材を構成する少なくとも３つの層、すなわち第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層は、いずれも炭素繊維を含む。
炭素繊維の平均繊維径は、１μｍ～２０μｍが好ましい。
炭素繊維の平均繊維径が２０μｍ以下であると、炭素繊維自体による伝導伝熱の効果を抑制することができる。また炭素繊維の平均繊維径が１μｍ以上であると、遮光性に優れ、放射伝熱を抑制することができる。
炭素繊維の平均繊維長は、２ｍｍ～１００００ｍｍが好ましい。
また、炭素繊維の平均繊維長は、２ｍｍ～８ｍｍであってもよく、１０ｍｍ～１００００ｍｍであってもよい。
とくに、炭素繊維の平均繊維長が２ｍｍ～８ｍｍであると、強度が高く、また、炭素繊維が配向しにくいため、誘導加熱炉に用いた場合、誘導加熱による発熱を最小限に抑えることができる。
炭素繊維は、ピッチ系炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維のいずれでも利用できるとともに、黒鉛質、炭素質いずれの炭素繊維も利用することができる。
第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層は、いずれも炭素繊維のニードルマット、又は、炭素繊維の抄造体であることが好ましい。
炭素繊維のニードルマット及び炭素繊維の抄造体は、ランダムに配置された炭素繊維で構成されるため、高い断熱性を発揮することができ、各断熱材層を構成する基材として特に好適である。
各断熱材層が炭素繊維のニードルマットである場合、炭素繊維の平均繊維長は、１０ｍｍ～１００００ｍｍであることが好ましい。
各断熱材層が炭素繊維の抄造体である場合、炭素繊維の平均繊維長は、２ｍｍ～８ｍｍであることが好ましい。
第１の断熱材層、第２の断熱材層、及び第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、
Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３となっている。
断熱材の厚さ方向に沿って、発熱体側の表面から２５％の領域で測定した比重を第１の断熱材層の比重、発熱体側の表面から６５％の領域で測定した比重を第２の断熱材層の比重、発熱体側の表面から９５％の領域で測定した比重を第３の断熱材層の比重、とする。
本発明の断熱材においては、発熱体に近い側の断熱材層として、比重が大きい第１の断熱材層を配置し、発熱体から遠い側の断熱材層として、比重が小さい第３の断熱材層を配置している。また、第１の断熱材層と第３の断熱材層の間に、比重が第１の断熱材層と第３の断熱材層の中間となる第２の断熱材層を配置している。
伝熱は、放射によるもの、伝導によるもの、対流によるものがある。発熱体に近い側、すなわち高温側では放射による伝熱が支配的である。一方、発熱体から遠い側、すなわち低温側では伝導及び対流による伝熱が支配的である。発熱体に近い側の断熱材層として、比重が大きい第１の断熱材層を配置することにより、放射による伝熱を抑制することができる。また、発熱体から遠い側の断熱材層として、比重が小さい第３の断熱材層を配置することにより、伝導及び対流による伝熱を抑制することができる。第２の断熱材層は、放射による伝熱、並びに伝導及び対流による伝熱の両方を抑制することができる。
このように、放射による伝熱の抑制に適した断熱材層、伝導及び対流による伝熱の抑制に適した断熱材層を適した場所に配置することにより、断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の厚さをＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、
断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、
Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、
Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、
Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満となっている。
また、断熱材全体の厚さに対する第３の断熱材層の厚さ（Ｔ３）の比率（Ｔ３比率）は１０％以上、２５％以下であることが好ましい。
本発明の断熱材においては、発熱体に近い側の第１の断熱材層の厚さが厚く、発熱体から遠い側の第３の断熱材層の厚さが薄くなっている。断熱材層の厚さがこのようになっていると、高温断熱において最も支配的な放射による伝熱を効果的に抑制することができるため、全体として断熱効果が高くなる。
断熱材の厚さ（断熱材全体の厚さ）は２０～３００ｍｍであることが好ましい。
断熱材の厚さが２０～３００ｍｍの範囲において、上記断熱効果が発揮されやすい。
第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層のそれぞれの好ましい厚さは以下の通りである。
第１の断熱材層：８～１８０ｍｍ
第２の断熱材層：４～１２０ｍｍ
第３の断熱材層：２～９０ｍｍ
本発明の断熱材では、第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有することが好ましい。
第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層を合わせた断熱材層の集合体の周囲に熱分解炭素層が設けられていてもよい。
また、第１の断熱材層の周囲に熱分解炭素層が設けられていて、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の周囲には熱分解炭素層が設けられていなくてもよい。
なお、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を、以下単に熱分解炭素層ということもある。
第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に熱分解炭素層を有していると、放射による伝熱を特に遮断することができる。そのため、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍであることが好ましい。
熱分解炭素層の厚さが２～６０μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
なお、熱分解炭素層を有しているか、及び、熱分解炭素層の厚さは、第１の断熱材層を含む断熱材の切断面を偏光顕微鏡等で観察することにより確認することができる。
熱分解炭素層としては、炭化水素ガスを原料として化学気相成長法（ＣＶＤ法）により形成された層であることが好ましい。
本発明の断熱材では、第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、炭素系粒子を含む炭素層を有することが好ましい。
第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層を合わせた断熱材層の集合体の周囲に炭素層が設けられていてもよい。
また、第１の断熱材層の周囲に炭素層が設けられていて、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の周囲には炭素層が設けられていなくてもよい。
第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に炭素系粒子を含む炭素層を有していると、炭素繊維の摩擦等によるパーティクルの発生を防ぐことができる。
炭素系粒子は、黒鉛、カーボンブラック、ガラス状カーボン粒子、及び炭素繊維を粉砕した粒子からなる群から選択される少なくとも１つの炭素系粒子であることが好ましい。
黒鉛、カーボンブラック、ガラス状カーボン粒子、及び炭素繊維を粉砕した粒子からなる群から選択される少なくとも１つの炭素系粒子は、不純物が少なく、断熱材を構成する炭素繊維と同じカーボン系の材料であるため、高温域での耐久性が高い。
ガラス状カーボン粒子とは、フェノール樹脂の炭化物などの難黒鉛化性炭素を粉砕したものである。
炭素繊維を粉砕した粒子は、ミルド炭素繊維ともいう。ミルド炭素繊維の平均繊維長は、例えば２０μｍ～５００μｍであることが好ましい。
炭素系粒子を含む炭素層は、厚さが１０～１０００μｍであることが好ましい。
炭素系粒子を含む炭素層の厚さが１０～１０００μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
なお、炭素系粒子を含む炭素層を有しているか、及び、炭素系粒子を含む炭素層の厚さは、第１の断熱材層を含む断熱材の切断面を偏光顕微鏡等で観察することにより確認することができる。
炭素系粒子と炭素繊維は、互いに炭素系接着材で接合されていることが好ましい。
炭素層を構成する炭素系粒子及び炭素繊維が、互いに炭素系接着材で接合されていると、炭素層が強固となり、熱分解炭素層との接合強度が高まる。
炭素系接着材とは、有機バインダが非酸化性雰囲気下で加熱されることで炭化したものである。詳細は後述する。
炭素系粒子を含む炭素層は、炭素繊維の成形体の表面に、炭素系粒子を含有するスラリーを含浸し、焼成することにより形成された炭素層であることが好ましい。
本発明の断熱材では、第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、炭素系粒子を含む炭素層及び熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有することが好ましい。
第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層を合わせた断熱材層の集合体の周囲に炭素層及び熱分解炭素層が設けられていてもよい。
また、第１の断熱材層の周囲に炭素層及び熱分解炭素層が設けられていて、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の周囲には炭素層及び熱分解炭素層が設けられていなくてもよい。
炭素層及び熱分解炭素層を設けることにより、上述した炭素層を有する断熱材及び熱分解炭素層を有する断熱材においてそれぞれ発揮される効果がともに発揮される。
また、炭素層及び熱分解炭素層を有する場合、炭素系粒子は、平均粒子径が１０ｎｍ～５００μｍであることが好ましい。
炭素系粒子の平均粒子径が１０ｎｍ～５００μｍであると、炭素繊維のすき間に薄く炭素層を形成することができ、断熱材において、炭素繊維と熱分解炭素層との接合を高いレベルで確保することができる。また、熱伝導率が高くなりやすい炭素層の厚さが厚くなり過ぎることを防止することができる。
炭素層及び熱分解炭素層を有する場合、炭素層の表面には、炭素繊維が露出していることが好ましい。
炭素層の表面に炭素繊維が露出していると、熱分解炭素層が炭素繊維と直接接合するので、炭素層と熱分解炭素層との接合強度を高めることができ、炭素層と熱分解炭素層との間の層間剥離を防止することができる。
本発明の断熱材では、第１の断熱材層よりも発熱体に近い側に配置された内層断熱部材をさらに備え、内層断熱部材の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有することが好ましい。
内層断熱部材は、炭素繊維を含む炭素繊維成形体を含むことが好ましい。炭素繊維成形体の周囲には炭素層が設けられ、炭素層の上にさらに熱分解炭素層が設けられている。すなわち、内層断熱部材の周囲には熱分解炭素層を有する。
なお、内層断熱部材には熱分解炭素層が設けられていればよく、炭素層を設けることは必須ではない。
内層断熱部材は、第１の断熱材層とは接着されておらず、内層断熱部材と第１の断熱材層が互いに分離可能な状態で接していることが好ましい。
なお、互いに分離可能な状態で接しているとは、内層断熱部材と第１の断熱材層の両方を破壊することなく互いを分離させることができる状態をいう。
発熱体に近い側に、熱分解炭素層を有する内層断熱部材を配置することによって、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、発熱体や発熱体の内側から反応性ガスが発生する場合であっても、熱分解炭素層は反応性ガスに対する活性が低く、劣化や消耗が生じにくい。
さらに、断熱材が劣化、損傷した場合に、内層断熱部材のみを交換することができる。
そのため、断熱材の交換に要する時間を短縮することができ、さらに、交換する断熱材の量も少なくなる。従って、断熱材の交換コストを低くすることができる。
また、内層断熱部材が有する熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍであることが好ましい。
熱分解炭素層の厚さが２～６０μｍであると、優れたガス遮断性と放射熱の遮断特性とを両立させることができる。
また、内層断熱部材の厚さは、２～１０ｍｍであることが好ましい。
内層断熱部材の厚さには、熱分解炭素層及び炭素層の厚さを含める。
内層断熱部材の厚さは断熱材全体の厚さに対して小さいので、第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の比率（Ｔ１比率、Ｔ２比率、Ｔ３比率）を考えるときに考慮する必要はない。また、最も厚い断熱材層である第１の断熱材層とは区別し得る。
また、内層断熱部材の比重は、通常は第１の断熱材層の比重よりも大きいので、発熱体に近い側の層として比重が大きい層を配置するという本発明の技術的思想と矛盾しない。
以下、図面を参照しながら、本発明の断熱材の一例を説明する。
図１は、本発明の断熱材の一例を模式的に示す斜視図である。図２は、図１におけるＩＩ－ＩＩ線断面図である。
図１に示すように、断熱材１は、第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０を備える。
また、断熱材１は、長手方向（図１中、Ｚ方向）に伸びる略円筒形状を有している。長手方向（Ｚ方向）に直交するＸ方向及びＹ方向に平行な面に対し、断熱材１をＺ方向から見た上面視形状は、環状である。
断熱材１は、発熱体を収容するための円柱形状の空間６０を内側に有する。
図２に示すように、発熱体を収容するための空間６０に近い側から第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０、第３の断熱材層３０が配置されている。
空間６０は発熱体（図示しない）を収容するための空間であるから、断熱材１は発熱体の周囲を覆う断熱材である。
断熱材１が使用される場合、図１及び２に示す空間６０に発熱体が配置される。
このことを、図３を用いて説明する。
図３は、本発明の断熱材を用いて構成される加熱装置の一例を模式的に示す一部切り欠き斜視断面図である。
図３に示す加熱装置１００は、断熱材１と、るつぼ５０と、るつぼ５０を加熱させるための誘導加熱用コイル７０と、を備えている。
誘導加熱用コイル７０が発生させる誘導電流によりるつぼ５０が加熱される。従って、るつぼ５０は発熱体である。
るつぼ５０は空洞５１を有している。従って、加熱装置１００は、誘導加熱用コイル７０によりるつぼ５０を発熱させることで、空洞５１に配置した物質を加熱することができる。
るつぼ５０の周囲は、断熱材１により覆われている。
断熱材１は、るつぼ５０に近い側から第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０、第３の断熱材層３０を備える。
るつぼ５０が配置されている空間は、断熱材１が有する空間６０の一部又は全部である。
断熱材１の外周面には、誘導加熱用コイル７０が巻きつけられている。
加熱装置１００では、るつぼ５０と断熱材１とは直接接触しているが、るつぼ５０と断熱材１との間に隙間を設けてもよい。
図３に示す加熱装置１００において、るつぼ５０を構成する材料は、導体であれば特に限定されないが、高温（特に２０００℃以上）における耐熱性及び耐久性に優れた黒鉛が好ましい。
発熱体は上記のような、固体及び液体を加熱するためのものに限定されない。
例えば、発熱体は、黒鉛製の筒形状を有し、内部を通過するガスを加熱するものであってもよい。
また、発熱体は直接通電加熱されるヒーターであってもよく、発熱体と断熱材の間に被加熱体が入る隙間があってもよい。
図４は、図３の破線で囲った領域の部分拡大図である。
図４に示すように、るつぼ５０に近い側から第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０、第３の断熱材層３０が配置される。
図４には、第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０、第３の断熱材層３０の厚さをそれぞれ両矢印Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で示している。
断熱材１においては、るつぼ５０に近い側の断熱材層として、比重が大きい第１の断熱材層１０を配置し、るつぼ５０から遠い側の断熱材層として、比重が小さい第３の断熱材層３０を配置している。また、第１の断熱材層１０と第３の断熱材層３０の間に、比重が第１の断熱材層１０と第３の断熱材層３０の中間となる第２の断熱材層２０を配置している。
るつぼ５０に近い側に比重が大きい第１の断熱材層１０を配置することにより、るつぼ５０から発せられる放射光を反射して放射伝熱を防ぐことができる。
また、るつぼ５０から遠い側に比重が小さい第３の断熱材層３０を配置することにより、伝導及び対流による伝熱を抑制することができる。
このように、放射による伝熱の抑制に適した断熱材層、伝導及び対流による伝熱の抑制に適した断熱材層を適した場所に配置することにより、断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、断熱材１においては、るつぼ５０に近い側の第１の断熱材層１０の厚さが厚く、るつぼ５０に遠い側の第３の断熱材層３０の厚さが薄くなっている。断熱材層の厚さがこのようになっていると、高温断熱において最も支配的な放射による伝熱を効果的に抑制することができるため、全体として断熱効果が高くなる。
図５は、熱分解炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。図５には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図５に示す断熱材２では、第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０を合わせた断熱材層の集合体の周囲に熱分解炭素層１１が設けられている。
図６は、熱分解炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。図６には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図６に示す断熱材３では、第１の断熱材層１０の周囲に熱分解炭素層１１が設けられている。第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０の周囲には熱分解炭素層１１が設けられていない。
図５に示す断熱材２、図６に示す断熱材３のいずれにおいても、第１の断熱材層１０の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素層１１が設けられている。また、断熱材２、及び断熱材３のいずれにおいても、るつぼ５０と対向する側の面（発熱体側の面）において熱分解炭素層１１が設けられている。
第１の断熱材層１０の周囲の少なくとも一部に熱分解炭素層１１を有していると、放射による伝熱を特に遮断することができる。そのため、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
図７は、炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。図７には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図７に示す断熱材４では、第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０を合わせた断熱材層の集合体の周囲に炭素層１２が設けられている。
図８は、炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。図８には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図８に示す断熱材５では、第１の断熱材層１０の周囲に炭素層１２が設けられている。第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０の周囲には炭素層１２が設けられていない。
図７に示す断熱材４、図８に示す断熱材５のいずれにおいても、第１の断熱材層１０の周囲の少なくとも一部に、炭素層１２が設けられている。また、断熱材４、及び断熱材５のいずれにおいても、るつぼ５０と対向する側の面（発熱体側の面）において炭素層１２が設けられている。
第１の断熱材層１０の周囲の少なくとも一部に炭素系粒子を含む炭素層１２を有していると、炭素繊維の摩擦等によるパーティクルの発生を防ぐことができる。
図９は、炭素層及び熱分解炭素層を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。図９には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図９に示す断熱材６では、第１の断熱材層１０、第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０を合わせた断熱材層の集合体の周囲に炭素層１２が設けられ、炭素層１２の上にさらに熱分解炭素層１１が設けられている。
図１０は、炭素層及び熱分解炭素層を有する断熱材の別の一例を模式的に示す一部断面図である。図１０には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図１０に示す断熱材７では、第１の断熱材層１０の周囲に炭素層１２が設けられ、炭素層１２の上にさらに熱分解炭素層１１が設けられている。
ている。第２の断熱材層２０及び第３の断熱材層３０の周囲には炭素層１２及び熱分解炭素層１１が設けられていない。
炭素層１２及び熱分解炭素層１１を設けることにより、上述した炭素層を有する断熱材及び熱分解炭素層を有する断熱材においてそれぞれ発揮される効果がともに発揮される。
図１１は、内層断熱部材を有する断熱材の一例を模式的に示す一部断面図である。図１１には、図４と同じ位置の断熱材及び発熱体の位置関係を示している。
図１１に示す断熱材８では、第１の断熱材層１０よりもるつぼ５０に近い側に内層断熱部材４０が設けられている。
内層断熱部材４０は、炭素繊維を含む炭素繊維成形体４３を含む。炭素繊維成形体４３の周囲には炭素層１２が設けられ、炭素層１２の上にさらに熱分解炭素層１１が設けられている。すなわち、内層断熱部材４０の周囲には熱分解炭素層１１を有する。
内層断熱部材４０は、第１の断熱材層１０とは接着されておらず、内層断熱部材４０と第１の断熱材層１０が互いに分離可能な状態で接している。
発熱体に近い側に、熱分解炭素層を有する内層断熱部材を配置することによって、より断熱効果の高い断熱材とすることができる。
また、発熱体や発熱体の内側から反応性ガスが発生する場合であっても、熱分解炭素層は反応性ガスに対する活性が低く、劣化や消耗が生じにくい。
さらに、断熱材が劣化、損傷した場合に、内層断熱部材のみを交換することができる。
そのため、断熱材の交換に要する時間を短縮することができ、さらに、交換する断熱材の量も少なくなる。従って、断熱材の交換コストを低くすることができる。
［断熱材の製造方法］
本発明の断熱材は、比重及び厚さが異なる少なくとも３種類の炭素繊維成形体を作製し、炭素繊維成形体を重ねて圧縮して、炭素繊維成形体の集合体を作製することによって得られる。
炭素繊維成形体の集合体に対して、炭素層及び／又は熱分解炭素層を設けてもよい。また、第１の断熱材層となる炭素繊維成形体のみに対して炭素層及び／又は熱分解炭素層を設けておき、第２の断熱材層及び第３の断熱材層となる他の炭素繊維成形体と重ねて圧縮することにより、第１の断熱材層の周囲に炭素層及び／又は熱分解炭素層を設けてもよい。
以下に断熱材の製造方法の詳細について説明する。
（成形体準備工程）
成形体準備工程では、炭素繊維成形体を準備する。
炭素繊維成形体を得る方法としては、ニードリング法や抄造法が挙げられる。
ニードリング法の場合、例えば、平均繊維長が１０ｍｍ～１００００ｍｍの炭素繊維をシート状に積層し、ニードリングにより無機繊維同士を交絡させることで炭素繊維成形体を得ることができる。
抄造法の場合、例えば、平均繊維長が２ｍｍ～８ｍｍの炭素繊維を水等の分散媒に分散させた懸濁液を準備し、型を用いて抄造することで、炭素繊維成形体を得ることができる。
抄造に用いる型は平面でもよいが、目的の形状の曲面型でもよい。
すなわち、成形体準備工程で得られる炭素繊維成形体は、最初から筒形状であってもよいが、この時点では筒形状ではなく、例えば、平面視略矩形形状であってもよい。
成形体の形状が平面視略矩形形状の場合には、後述する変形工程により筒形状に変形させる。
抄造法の場合、懸濁液には有機バインダが含まれていてもよい。
懸濁液に有機バインダが含まれていると、抄造時に炭素繊維同士が固定されて、成形性が向上する。
炭素繊維成形体の厚さ及び比重を異ならせるためには、繊維長を調整したり、炭素繊維成形体の成形後に圧縮させればよい。
成形体準備工程における製造条件を変更することにより、比重及び厚さが異なる少なくとも３種類の炭素繊維成形体を製造する。
（圧縮工程）
比重及び厚さが異なる少なくとも３種類の炭素繊維成形体を重ねて圧縮し、炭素繊維成形体の集合体を作製する。
炭素層又は熱分解炭素層を設けない場合は、圧縮工程により本発明の断熱材が得られる。
また、得られた断熱材を筒形状に変形させる。
以下に、炭素層及び／又は熱分解炭素層を設ける場合の工程について説明する。
以下には、炭素繊維成形体の表面に炭素層及び／又は熱分解炭素層を形成する場合を例にして説明するが、炭素繊維成形体の集合体の表面に炭素層及び／又は熱分解炭素層を形成する場合も、手法としては同じである。
以下の説明において炭素層及び／又は熱分解炭素層を形成する炭素繊維成形体は、第１の断熱材層となる炭素繊維成形体であるとする。
（炭素層形成工程）
炭素層形成工程では、炭素繊維成形体の表面又は炭素繊維成形体の集合体の表面に、炭素系粒子を含有するスラリーを含浸させ、焼成することによって炭素層を形成する。
焼成条件は特に限定されないが、温度７００～２１００℃、非酸化性雰囲気で１～１５時間焼成を行うことが好ましい。
なお、非酸化性雰囲気には、不活性雰囲気及び還元性雰囲気を含む。
不活性雰囲気は、主成分を不活性ガスとする雰囲気である。
不活性ガスとしては、窒素、アルゴン等が挙げられる。
還元性雰囲気は、主成分を還元性ガスとする雰囲気である。
還元性ガスとしては、水素、一酸化炭素、炭化水素、塩素等が挙げられる。
炭素層形成工程で用いられる炭素系粒子としては、本発明の断熱材の炭素層に含まれてもいい炭素系粒子を好適に用いることができる。
炭素層形成工程で用いるスラリーには、有機バインダが含まれていてもよい。
スラリーに有機バインダが含まれていると、炭素繊維成形体の表面に炭素系粒子を含有するスラリーを含浸させた際に、炭素系粒子が炭素繊維成形体の表面近傍に留まりやすくなるため、炭素層が厚くなりすぎることを防ぐことができる。
有機バインダとしては、非酸化性雰囲気で加熱することにより炭化する有機バインダ、及び、非酸化性雰囲気での加熱により分解するなどして残渣を生じない有機バインダの両方を用いることができる。
また、有機バインダは、溶媒に溶解するものであってもよく、溶媒中に微粒子として分散するものであってもよい。
有機バインダが、非酸化性雰囲気で加熱することにより炭化する有機バインダである場合には、炭化した有機バインダが炭素系接着材として機能し、炭素系粒子と炭素繊維とを強固に接合することができる。また、炭素繊維成形体の表面に偏在することとなる炭素層を構成する炭素系粒子が炭素繊維から脱落することを防止することができる。
炭化する有機バインダとしては、例えば、フェノール樹脂、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）及びピッチ等が挙げられる。
スラリーに有機バインダが含まれない場合、炭素繊維成形体にスラリーを含浸させた後に、有機バインダ溶液を炭素繊維成形体に含浸させることが好ましい。
これにより、スラリーに有機バインダが含まれている場合と同様に、有機バインダが炭素系接着材として機能し、炭素系粒子と炭素繊維とを強固に接合することができる。
炭素層形成工程においては、まず炭素系粒子と溶媒を含有し、かつ有機バインダを含有しないスラリーに炭素繊維成形体を浸漬させ、続いて有機バインダ溶液に炭素繊維成形体を浸漬することで、炭素繊維成形体の内部への有機バインダの浸透を少なくし、断熱性能の低下を抑制することができる。
（熱分解炭素層形成工程）
熱分解炭素層形成工程では、炭素繊維成形体の表面又は炭素繊維成形体の集合体の表面に熱分解炭素を含む熱分解炭素層を形成する。炭素繊維成形体の表面又は炭素繊維成形体の集合体の表面に炭素層を設けている場合は、炭素層の上に熱分解炭素層を形成する。
熱分解炭素層を形成する方法は特に限定されないが、例えば、ＣＶＤ炉を用いて化学気相成長により熱分解炭素層を形成する方法が挙げられる。
ＣＶＤ炉を用いて熱分解炭素層を形成する工程をＣＶＤ工程ともいう。
ＣＶＤ工程の条件は特に限定されない。
原料ガスは炭化水素ガスが利用でき、例えばメタン、エタン、プロパン、エチレンなどが利用できる。
ＣＶＤ工程の温度は例えば８００～２０００℃が好ましい。
ＣＶＤ工程の温度が８００℃以上であると、原料ガスが容易に分解するので熱分解炭素層を形成しやすい。
ＣＶＤ工程の温度が２０００℃以下であると、炭素繊維の昇華が抑制され変質が防止できる。
成形体を構成する炭素繊維が炭素質の場合、ＣＶＤ工程の温度は１７００℃以下であることが望ましい。
炭素質の炭素繊維は高い温度に曝すと黒鉛質に変質し、熱伝導率が高くなるなどの変質が起こるようになる。そのため、１７００℃以下の温度でＣＶＤ工程を実施することにより、炭素繊維の黒鉛質への変質を抑制し、成形体の断熱性を維持することができる。
第１の断熱材層となる炭素繊維成形体に炭素層を設けることにより、図８に示す形態の断熱材が得られる。
第１の断熱材層となる炭素繊維成形体に熱分解炭素層を設けることにより、図６に示す形態の断熱材が得られる。
第１の断熱材層となる炭素繊維成形体に炭素層及び熱分解炭素層を設けることにより、図１０に示す形態の断熱材が得られる。
炭素繊維成形体の集合体の表面に炭素層を設けることにより、図７に示す形態の断熱材が得られる。
炭素繊維成形体の集合体の表面に熱分解炭素層を設けることにより、図５に示す形態の断熱材が得られる。
炭素繊維成形体の集合体の表面に炭素層及び熱分解炭素層を設けることにより、図９に示す形態の断熱材が得られる。
（変形工程）
なお、成形体準備工程で準備される炭素繊維成形体の外形形状は、最初から筒形でなくてもよい。
例えば、成形体準備工程で、平面視略矩形形状の炭素繊維成形体（シート状成形体）を作製し、これを変形工程により筒形状に変形させてもよい。
なお、炭素層形成工程及び／又は熱分解炭素層形成工程を行う場合、変形工程は炭素層形成工程及び熱分解炭素層形成工程よりも前に行うことが好ましい。
シート状成形体は、例えば、長手方向に対向する第１端面及び第２の端面と、該長手方向に直交する厚さ方向に対向する第１主面及び第２主面と、該長さ方向及び該厚さ方向に直交する幅方向に対向する第１側面及び第２側面を有する平面視略矩形形状であってもよい。
シート状成形体を変形させて筒形状にする際、シート状成形体の第１端面及び第２端面は、互いに分離可能な状態で接していてもよく、炭素系接着材等で接着されていてもよく、糸等で縫合されていてもよい。糸は、焼成により焼失するものであってもよく、焼成により焼失しないものであってもよい。
また、炭素繊維成形体の集合体（シート状成形体）に対して炭素層及び／又は熱分解炭素層を設けた後に変形工程を行い、筒形状の断熱材を得ることが好ましい。
また、第１の断熱材層となる炭素繊維成形体に対して炭素層及び／又は熱分解炭素層を設けた後に圧縮工程を行い、炭素繊維成形体の集合体（シート状成形体）を作製した後に変形工程を行い、筒形状の断熱材を得ることが好ましい。
（断熱材の配置）
本発明の断熱材は、第１の断熱材層を発熱体に近い側に配置して使用する。
具体的には、発熱体を収容するための空間を覆うように、かつ、発熱体側の面が第１の断熱材層となるように本発明の断熱材を配置する。
（内層断熱部材を備える断熱材の製造）
図１１に示すような、内層断熱部材をさらに備える断熱材を製造する場合、内層断熱部材を作製する。
内層断熱部材としては、炭素繊維成形体の周囲に熱分解炭素層が設けられているものを用いることができる。炭素繊維成形体の製造方法及び熱分解炭素層を設ける方法としては上述の方法を用いることができる。また、炭素繊維成形体の周囲に炭素層及び熱分解炭素層を設けて内層断熱部材を作製してもよい。
内層断熱部材はその厚さが第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層よりは薄い部材である。内層断熱部材と、炭素繊維成形体の集合体を組み合わせることで内層断熱部材を備える断熱材を得ることができる。
具体的には、発熱体を収容するための空間を覆うように、かつ、発熱体側の面が内層断熱部材の熱分解炭素層となるように内層断熱部材を配置し、続いて、内層断熱部材の外側を覆うように炭素繊維成形体の集合体を配置することで、内層断熱部材を備える断熱材を得ることができる。
本明細書には以下の事項が開示されている。
本開示（１）は、発熱体の周囲を覆う断熱材であって、上記断熱材は、その厚さ方向に沿って比重が異なる少なくとも３つの層を有しており、上記少なくとも３つの層は、いずれも炭素繊維を含み、上記少なくとも３つの層を発熱体に近い側から第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層として、上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、
Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、
Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３、であり、
上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、上記断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、
Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、
Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、
Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満、であることを特徴とする断熱材である。
本開示（２）は、上記断熱材の厚さが、２０～３００ｍｍである本開示（１）に記載の断熱材である。
本開示（３）は、上記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有する本開示（１）又は（２）に記載の断熱材である。
本開示（４） は、上記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍである、本開示（３）に記載の断熱材である。
本開示（５）は、上記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、炭素系粒子を含む炭素層を有する本開示（１）～（４）のいずれかに記載の断熱材である。
本開示（６）は、上記炭素系粒子は、黒鉛、カーボンブラック、ガラス状カーボン粒子、及び炭素繊維を粉砕した粒子からなる群から選択される少なくとも１つの炭素系粒子である、本開示（５）に記載の断熱材である。
本開示（７）は、上記炭素層は、厚さが１０～１０００μｍである、本開示（５）又は（６）に記載の断熱材である。
本開示（８）は、上記第１の断熱材層よりも発熱体に近い側に配置された内層断熱部材をさらに備え、上記内層断熱部材の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有する本開示（１）～（７）のいずれかに記載の断熱材である。
本開示（９）は、上記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍである、本開示（８）に記載の断熱材である。
本開示（１０）は、上記第１の断熱材層、上記第２の断熱材層及び上記第３の断熱材層は、いずれも上記炭素繊維のニードルマット又は上記炭素繊維の抄造体である、本開示（１）～（９）のいずれかに記載の断熱材である。
本開示（１１）は、上記炭素繊維の平均繊維長が、２～８ｍｍである、本開示（１）～（１０）のいずれかに記載の断熱材である。
以下、本発明をより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
炭素繊維からなる第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層を有する断熱材につき、第１の断熱材層、第２の断熱材層及び第３の断熱材層の比重及び厚さを変化させて、断熱材の断熱効果を測定するためのシミュレーションを実施した。
熱伝導率の値は以下の通りとした。
断熱材層の密度が０．３０ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．６５Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．６１Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．４７Ｗ／ｍＫ。
断熱材層の密度が０．２５ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．６０Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．５５Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．４４Ｗ／ｍＫ。
断熱材層の密度が０．２０ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．５６Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．５０Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．４０Ｗ／ｍＫ。
断熱材層の密度が０．１５ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．５３Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．４５Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．３７Ｗ／ｍＫ。
断熱材層の密度が０．１０ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．４５Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．３９Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．３２Ｗ／ｍＫ。
断熱材層の密度が０．０５ｇ／ｃｍ３のときの熱伝導率：２０００℃のとき　０．４０Ｗ／ｍＫ、１５００℃のとき０．３５Ｗ／ｍＫ、１０００℃のとき０．２７Ｗ／ｍＫ。
２４００℃の発熱体から、第１の断熱材層の表面までの距離を２ｍｍ、断熱材層の厚さを３０ｍｍとして、発熱体の周囲に断熱材を配置し、第３の断熱材層の表面の温度が定常状態になった際の第３の断熱材層の温度を測定した。
定常状態における第３の断熱材層の温度が低いほど、断熱性に優れた断熱材であるといえる。
各断熱材層の比重及び厚さ比率は以下の通りとした。
（実施例１）
Ｓ１：０．３０ｇ／ｃｍ３
Ｓ２：０．２０ｇ／ｃｍ３
Ｓ３：０．１０ｇ／ｃｍ３
Ｔ１比率：５０％
Ｔ２比率：３０％
Ｔ３比率：２０％
（実施例２）
Ｓ１：０．２５ｇ／ｃｍ３
Ｓ２：０．１５ｇ／ｃｍ３
Ｓ３：０．０５ｇ／ｃｍ３
Ｔ１比率：６０％
Ｔ２比率：２５％
Ｔ３比率：１５％
（比較例１）
Ｓ１：０．１５ｇ／ｃｍ３
Ｔ１比率：１００％
すなわち、比較例１の断熱材は、厚さ方向に沿った比重が一定である１層の断熱材である。
定常状態となった際の第３の断熱材層の温度は以下の通りであった。
比較例１については、実施例１及び実施例２における第３の断熱材層に相当する位置で測定した温度を示す。
実施例１：６３０℃
実施例２：６６０℃
比較例１：８００℃
以上の結果から、発熱体に近い側の断熱材層として、比重が大きく厚さが厚い第１の断熱材層を配置した実施例１の断熱材は、厚さ方向に沿った比重が一定である１層の断熱材を配置した比較例１に比べて、断熱性に優れた断熱材であることが示された。
１、２、３、４、５、６、７、８　断熱材
１０　第１の断熱材層
１１　熱分解炭素層
１２　炭素層
２０　第２の断熱材層
３０　第３の断熱材層
４０　内層断熱部材
４３　炭素繊維成形体
５０　発熱体（るつぼ）
５１　空洞
６０　空間
７０　誘導加熱用コイル
１００　加熱装置
Ｔ１　第１の断熱材層の厚さ
Ｔ２　第２の断熱材層の厚さ
Ｔ３　第３の断熱材層の厚さ

Claims (11)

  1. 発熱体の周囲を覆う断熱材であって、
    前記断熱材は、その厚さ方向に沿って比重が異なる少なくとも３つの層を有しており、
    前記少なくとも３つの層は、いずれも炭素繊維を含み、
    前記少なくとも３つの層を発熱体に近い側から第１の断熱材層、第２の断熱材層、第３の断熱材層として、
    前記第１の断熱材層、前記第２の断熱材層及び前記第３の断熱材層の比重をそれぞれＳ１、Ｓ２、Ｓ３とした際に、Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３であり、かつ、
    Ｓ１：０．１０～０．３０ｇ／ｃｍ３、
    Ｓ２：０．０６～０．２０ｇ／ｃｍ３、
    Ｓ３：０．０３～０．１０ｇ／ｃｍ３、であり、
    前記第１の断熱材層、前記第２の断熱材層及び前記第３の断熱材層の厚さをそれぞれＴ１、Ｔ２、Ｔ３とした際に、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３であり、かつ、前記断熱材全体の厚さに対して、各断熱材層の厚さの比率が、
    Ｔ１比率：４０％以上、６０％以下、
    Ｔ２比率：２０％以上、４０％以下、
    Ｔ３比率：１０％以上、３０％未満、であることを特徴とする断熱材。
  2. 前記断熱材の厚さが、２０～３００ｍｍである請求項１に記載の断熱材。
  3. 前記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有する請求項１又は２に記載の断熱材。
  4. 前記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍである、請求項３に記載の断熱材。
  5. 前記第１の断熱材層の周囲の少なくとも一部に、炭素系粒子を含む炭素層を有する請求項１又は２に記載の断熱材。
  6. 前記炭素系粒子は、黒鉛、カーボンブラック、ガラス状カーボン粒子、及び炭素繊維を粉砕した粒子からなる群から選択される少なくとも１つの炭素系粒子である、請求項５に記載の断熱材。
  7. 前記炭素層は、厚さが１０～１０００μｍである、請求項５に記載の断熱材。
  8. 前記第１の断熱材層よりも発熱体に近い側に配置された内層断熱部材をさらに備え、前記内層断熱部材の周囲の少なくとも一部に、熱分解炭素を含む熱分解炭素層を有する請求項１又は２に記載の断熱材。
  9. 前記熱分解炭素層は、厚さが２～６０μｍである、請求項８に記載の断熱材。
  10. 前記第１の断熱材層、前記第２の断熱材層及び前記第３の断熱材層は、いずれも前記炭素繊維のニードルマット又は前記炭素繊維の抄造体である、請求項１又は２に記載の断熱材。
  11. 前記炭素繊維の平均繊維長が、２～８ｍｍである、請求項１又は２に記載の断熱材。
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