JP2009041592A - 真空断熱材および断熱箱 - Google Patents

Abstract

【課題】取り扱い性と断熱性能に優れた真空断熱材、および該真空断熱材を具備する断熱箱を提供する。
【解決手段】真空断熱材は、空気遮断性を有するガスバリア性容器（外包材）と、所定の真空度に減圧された外包材の内部に封入された芯材およびガス吸着剤と、を有している。そして、芯材５は、所定の間隔を空けて配置された複数本の有機繊維と、該有機繊維に交わる方向で、所定の間隔を空けて配置された複数本の有機繊維と、から形成されたシート状有機繊維集合体（繊維集合体）１を積層した積層構造を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は真空断熱材および断熱箱、特に、冷熱機器への使用に好適な真空断熱材および断熱箱に関するものである。

従来、断熱材としてウレタンが用いられていたが、昨今、ウレタンよりも断熱性能が優れた真空断熱材が、ウレタンと併用して使用されるようになった。かかる真空断熱材は、冷蔵庫の他に、保温庫、車両空調機、給湯器などの冷熱機器にも使用されるものである。

真空断熱材とは、ガスバリア性（空気遮断性に同じ）のアルミ箔でできた外包材の中に粉末、発泡体、繊維体などを芯材として挿入し、内部が数Ｐａの真空度に保たれているものである。
真空断熱材の断熱性能が下がる原因の一つとして外気から進入する空気・水分の他に、芯材から発生するアウトガス、芯材そのものに存在する水分があるが、これらを吸着するために吸着剤が外包材の中に挿入されている。
真空断熱材の芯材としてシリカなどの粉末、ウレタンなどの発泡体、ガラスなどの繊維体などのものがあるが、現状は断熱性能の最も優れる繊維体のものが主流になっている。

繊維体のものには大きく分けて、無機繊維、有機繊維の２種類がある。
無機繊維には、ガラス繊維、炭素繊維などがある（例えば、特許文献１、８参照。）。
有機繊維には、ポリプロピレン繊維、ポリ乳酸繊維、アラミド繊維、ＬＣＰ（液晶ポリマー）繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、セルロース繊維などがある（例えば、特許文献２、７参照。）。

繊維体の形状には、綿状のもの、シートを積層したものなどがある（例えば、特許文献３、４参照。）。
また、繊維体の形状には、シートを繊維の配向が交互になるように積層したものもある（特許文献５、６参照。）。

特開平８−０２８７７６号公報（第２−３頁） 特開２００２−１８８７９１号公報（第４−６頁、図１） 特開２００５−３４４８３２号公報（第３−４頁、図１） 特開２００６−３０７９２４号公報（第５−６頁、図２） 特開２００６−０１７１５１号公報（第３頁、図１） 特公平７−１０３９５５号公報（第２頁、図２） 特開２００６−２８３８１７号公報（第７−８頁） 特開２００５−３４４８７０号公報（第７頁、図２）

従来の真空断熱には、ガラス繊維やポリエステル繊維が芯材として使用されている。
ガラス繊維は硬くて脆いため、真空断熱材の製造時に粉塵が飛び散り作業者の皮膚・粘膜などに付着すると刺激を受ける可能性があり、その取り扱い性、作業性が問題となっている。また、リサイクルの場面を考えた場合、例えば、冷蔵庫ではリサイクル工場で製品ごとに粉砕され、ガラス繊維はウレタン屑などに混じってサーマルリサイクルに供されるが、燃焼効率を落としたり、残渣となったりするなどリサイクル性が良くないという欠点がある。

一方、ポリエステルなどの有機繊維は、取り扱い性、リサイクル性に優れるものの、断熱性能を表す指標である熱伝導率が、０．００３０Ｗ／ｍＫ（特許文献７参照）であるのに対し、ガラス繊維では０．００１３Ｗ／ｍＫ（特許文献８参照）となっており、断熱性能に劣るという欠点があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、取り扱い性と断熱性能に優れた真空断熱材、および該真空断熱材を具備する断熱箱を提供するものである。

本発明に係る真空断熱材は、ガスバリア性容器の内部に芯材を収容して、内部を減圧状態にした真空断熱材であって、
前記芯材が、有機繊維をシート状に形成した有機繊維集合体の積層構造であることを特徴とするものである。

したがって、本発明に係る真空断熱材は、シート状の有機繊維集合体を積層して構成されているので、取り扱い性およびリサイクル性に優れ、且つ、断熱性能に優れる。

[実施の形態１：真空断熱材]
図１〜図４は本発明の実施形態１に係る真空断熱材を模式的に示すものであって、図１は芯材を薄く積層した斜視図、図２はシート１枚における繊維の配向を表した側面図、図３は厚みがある場合の繊維の配向具合を示す側面図、図４は真空断熱材の構成を示す分解斜視図である。
図４において、真空断熱材７は、空気遮断性を有するガスバリア性容器（以下、「外包材」と称す）４と、外包材４の内部に封入された芯材５およびガス吸着剤６と、を有している。そして、外包材４の内部は所定の真空度に減圧されている。

（積層構造）
図１において、芯材５は、シート状有機繊維集合体（以下、「繊維集合体」と称す）１を積層した積層構造を有している。
図２において、繊維集合体１は、所定の間隔を空けて配置された複数本の有機繊維２ｘと、有機繊維２ｘと直交する方向で、所定の間隔を空けて配置された複数本の有機繊維２ｙと、から形成されている。このとき、有機繊維２ｘと有機繊維２ｙとは点接触している。そして、繊維集合体１を薄く積層することで、伝熱方向への繊維の配向を抑えることができるので熱伝導率を下げることができる。
なお、以上は、有機繊維２ｘと有機繊維２ｙとが互いに直交する場合を示しているが、本発明はこれに限定するものではなく、互いに直角でない角度でもって交わってもよい。

（有機繊維）
真空断熱材７の芯材５を形成する有機繊維２に用いる材料として、実施の形態１ではポリエステルを用いたが、その他に、ポリプロピレン、ポリ乳酸、アラミド、ＬＣＰ（液晶ポリマー）などを用いることができる。
ポリプロピレンは吸湿性が低いため、乾燥時間や真空引き時間を短縮でき生産性の向上が可能であり、固体熱伝導が小さいので真空断熱材の断熱性能の向上が期待できる。
また、ポリ乳酸には生分解性があるので、製品の使用後に解体、分別された芯材は埋め立て処理を行うこともできる。
また、アラミドやＬＣＰは剛性が高いので、真空包装されて大気圧を受けたときの形状保持性が良く、空隙率を高めることができ断熱性能の向上が期待できるなどのメリットがある。

（繊維集合体）
芯材５を形成する繊維集合体（有機繊維集合体、シート状集合体に同じ）１は、製造したい幅に対して横一列に並んだいくつものノズルから加熱溶融したポリエステル樹脂を、コンベア上に自由落下させ、コンベアを任意の速度で動かしながらローラーで加圧し巻き取って製造する。
繊維集合体１の嵩密度は溶融樹脂の吐出量とコンベアの速度により調整し、厚さの異なる繊維集合体を得ることができる。

なお、前記の方法で得た繊維集合体１は、有機繊維２同士がばらばらなため真空断熱材製造時の取り扱い性が悪い場合があるので、加圧時に、有機繊維２同士を加熱溶着しても良い、この際、過度の加圧、加熱溶着は、有機繊維２間の接触面積を増大し、伝熱の増加を招くため、接触面積をできるだけ少なくした方が良く、全面積の５％以下に抑えることが望ましい。

次に、得られた繊維集合体１をＡ４サイズに裁断し、これを２５層に積層して芯材５を形成した。なお、積層する枚数は、得られた繊維集合体１の厚さと製造したい真空断熱材７の厚さを元に任意に設定して良い。実施の形態１では繊維集合体１の繊維径は、これを成形するノズル径により調整し、約１５μｍとしたが、断熱性能上はより細い方が良く、理論的に繊維径は１０μｍ以下が望ましい。

（外包材）
真空断熱材７の外包材４には、ナイロン（６μｍ）、アルミ蒸着ＰＥＴ（１０μｍ）、アルミ箔（６μｍ）、高密度ポリエチレン（５０μｍ）で構成されるガスバリア性のあるプラスチックラミネートフイルムを使用した。
その他に、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリプロピレンの構成などのアルミ箔を含まないラミネートフイルムを用いると、ヒートブリッジによる断熱性能の低下を抑制できる。なお、４辺のうち３辺がシール包装機によってヒートシールされている。

（製造方法）
真空断熱材７の製造は、袋である外包材４に芯材５を挿入し、残りの一辺の口が閉まらないように固定して恒温槽にて１０５℃の温度下で半日（約１２時間）乾燥を行った後、真空包装後の残存ガスや経時的に放出される芯材５からのアウトガス、外包材４のシール層を通して進入する透過ガスを吸着するためのガス吸着剤６をフイルム袋内に挿入し、柏木式真空包装機（ＮＰＣ社製；ＫＴ−６５０）にて真空引きを行った。真空引きは、チャンバー内真空度が１〜１０Ｐａ程度になるまで行い、そのままチャンバー内でフイルム袋の開口部をヒートシールして板状の真空断熱材７を得た。

（断熱性能）
次に、繊維集合体１の厚さの断熱性能に及ぼす影響を、本発明の繊維集合体１としての実施例１〜４と、比較のための比較例と、について説明する。
比較材は、実施例１〜４の繊維径（約１５μｍ）と同じ径である綿状ポリエステルを芯材に用い、前記と同様の方法で真空断熱材を得た。
製作した実施例１〜４および比較例（いずれも真空断熱材）は、熱伝導率計「ＡｕｔｏΛ ＨＣ−０７３（英弘精機（株）製）」を用いて、上温度３７．７℃、下温度１０．０℃の温度差における熱伝導率を測定した。なお、測定は真空引き工程から１日経過後に測定した。

ここで、繊維集合体１の１枚の厚さは、真空断熱材７の厚さから外包材４の厚さの２倍を引いた後、積層枚数で割った値である。また、平均繊維径はマイクロスコープを用いて測定した１００箇所の測定値の平均値とした。真空引き後の１枚厚さを平均繊維径で割った結果を表１に示す。

図５は、本発明の実施形態１に係る真空断熱材の断熱性能を説明する相関図であって、横軸は繊維集合体１の枚厚さを平均繊維径で割った数値、縦軸は断熱性能比である。なお、断熱性能比は、比較例の熱伝導率を実施例１〜４の熱伝導率で、それぞれ割った数値（実施例１〜４の熱伝導率を比較例の熱伝導率で割った値の逆数に同じ）である。
図５より、繊維集合体１の厚さが平均繊維径の１８倍未満になると、綿状繊維を芯材にした比較例の場合よりも断熱性能が向上していることがわかる。これは、繊維集合体１の厚さが小さいほど繊維が断熱方向と直角方向である面方向に配向しやすく、すなわち断熱方向への真空断熱材７内の固体伝熱のパスが長くできるので、断熱性能が向上できたと考えられる。
また、繊維集合体１の厚さは、平均繊維径の１倍に近づけば近づくほど断熱性能がよくなる。よって、繊維集合体１の厚さは繊維径の１〜１８倍がよいことがわかった。
なお、繊維集合体１の厚さが繊維径の８倍以下になると断熱性能が急に（極端に）向上するため、繊維集合体の厚さは平均繊維径の１〜８倍であることがより望ましい。

[実施の形態２：真空断熱材]
図６および図７は、本発明の実施形態２に係る真空断熱材を形成する芯材の積層要領を模式的に示す斜視図である。
図６において、芯材５は、繊維集合体１を裁断せずに連続したシート状のまま折り畳みながら積層して形成される様子が表されている。
図７において、裁断せずに連続しているシート状の第１の繊維集合体１ｘと、裁断せずに連続しているシート状の第２の繊維集合体１ｙとを用い（両者をまとめて「繊維集合体１」と称す場合がある）、両者を交わるように配置して、それぞれの折り目に挟まれた範囲が一折り毎に重なるように、積層して形成される様子が表されている。

すなわち、繊維集合体１を折りながら積層することで、裁断する手間が省け効率的に芯材５、引いては真空断熱材７を製造することができる。
ここで用いた繊維集合体１は、前記の製造方法で作ったものであるので、有機繊維２は長尺方向に配向している。このことに注目して、繊維集合体１同士が交わるように積層すると点接触に近づき断熱性能がより向上する。

[実施の形態３：冷蔵庫]
図８は、本発明の実施形態３に係る断熱箱を説明するものであって、冷蔵庫を模式的に示す正面視の断面図である。なお、実施の形態１、２と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、一部の説明を省略する。
図８において、冷蔵庫１００は、外箱９と、外箱９の内部に配置された内箱１０と、外箱９と内箱１０との隙間に配置された真空断熱材７およびポリウレタンフォーム１１と、内箱１０内に冷熱を供給する冷凍ユニット（図示しない）と、を有している。なお、外箱９および内箱１０は、共通する面にそれぞれ開口部が形成され、当該開口部に開閉扉が設置されている（何れも図示しない）。

このとき、真空断熱材７の外包材４はアルミ箔を含んでいるため、該アルミ箔を通って熱が回り込むヒートブリッジが生じるおそれがある。このため、該ヒートブリッジの影響を抑制するため、真空断熱材７は樹脂成形品であるスペーサ８を用いて、外箱９の塗装鋼板から離して配設されている。なお、スペーサ８は後工程で断熱壁内に注入されるポリウレタンフォームにボイドが残らないように、流動を阻害しないための孔が、適宜設けられている。
すなわち、冷蔵庫１００は、真空断熱材７、スペーサ８およびポリウレタンフォーム１１によって形成された断熱壁１２を有している。なお、断熱壁１２が配置される範囲は限定するものではなく、外箱９と内箱１０との間に形成される隙間の全範囲であっても一部であってもよく、また、前記開閉扉の内部に配置されてもよい。

冷蔵庫１００は、使用済みとなった場合、家電リサイクル法に基づき、各地のリサイクルセンターで解体・リサイクルされる。このとき、本発明の冷蔵庫１００は、繊維集合体１（有機繊維２によって形成されている）からなる芯材５が配設された真空断熱材７を有するため、真空断熱材７を取り外すことなく破砕処理を行うことができ、サーマルリサイクルに際して燃焼効率を下げたり、残渣となったりすることがなく、リサイクル性が良い。
一方、真空断熱材を配設した冷蔵庫において、当該真空断熱材の芯材が無機粉末である真空断熱パネルの場合には、粉末が飛散してしまうため、箱体のまま破砕処理は行えず、大変な手間をかけて冷蔵庫箱体から真空断熱材を取り外さなければならない。

また、芯材がガラス繊維である真空断熱パネルの場合には、箱体のまま破砕処理は行えるものの、破砕後のガラス繊維はポリウレタンフォームの粉砕物に混じって、サーマルリサイクルに供されるが、この際、燃焼効率を低下させたり、燃焼後の残渣になったりするなどリサイクル性に難点がある。
なお、以上は、断熱箱として冷蔵庫を例示しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、保温庫、車両空調機、給湯器などの冷熱機器あるいは温熱機器、さらには、所定の形状を具備する箱に替えて、変形自在な外袋および内袋を具備する断熱袋（断熱容器）であってもよい。

以上より、本発明の真空断熱材および断熱箱は、取り扱い性、断熱性能およびリサイクル性に優れるから、各種機器に設置される真空断熱材として、さらに、各種形態の断熱箱ないし断熱容器として広く利用することができる。

本発明の実施形態１に係る真空断熱材の芯材を薄く積層した斜視図。 図１に示す真空断熱材のシート１枚における繊維の配向を表した側面図。 図１に示す真空断熱材の厚みがある場合の繊維の配向具合を示す側面図。 図１に示す真空断熱材の構成を示す分解斜視図。 図１に示す真空断熱材の断熱性能を説明する相関図。 本発明の実施形態２に係る真空断熱材の芯材の積層要領を示す斜視図。 本発明の実施形態２に係る真空断熱材の芯材の積層要領を示す斜視図。 本発明の実施形態３に係る断熱箱（冷蔵庫）を模式的に示す断面図。

符号の説明

１：繊維集合体（シート状有機繊維集合体）、２：有機繊維、２ｘ：有機繊維、２ｙ：有機繊維、３：空隙、４：外包材、５：芯材、６：ガス吸着剤、７：真空断熱材、８：スペーサ、９：外箱、１０：内箱、１１：ポリウレタンフォーム、１２：断熱壁、１００：冷蔵庫。

Claims (8)

1. ガスバリア性容器の内部に芯材を収容して、内部を減圧状態にした真空断熱材であって、
   前記芯材が、有機繊維をシート状に形成した有機繊維集合体の積層構造であることを特徴とする真空断熱材。
2. 前記有機繊維集合体の厚さが、前記ガスバリア性容器の内部に減圧状態で収容された際、前記有機繊維の直径の１〜１８倍であることを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
3. 前記有機繊維集合体は、連続した有機繊維を加圧溶着してシート状に形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の真空断熱材。
4. 前記芯材は、前記有機繊維集合体が折り畳まれて積層されてなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の真空断熱材。
5. 前記芯材は、折り畳まれて積層された第１の有機繊維集合体と、折り畳まれて積層された第２の有機繊維集合体とから形成され、
   前記第１の有機繊維集合体と前記第２の有機繊維集合体とが、互いに交わるように折り重ねられていることを特徴とする請求項４記載の真空断熱材。
6. 外箱と、
   該外箱の内部に配置された内箱と、
   該外箱と前記内箱との隙間の全部または一部に、請求項１乃至５の何れかに記載の真空断熱材が配置されていることを特徴とする断熱箱。
7. 前記外箱と前記真空断熱材との間または前記内箱と前記真空断熱材との間の両方または一方に、断熱材が充填されていることを特徴とする断熱箱。
8. 前記内箱の内部の温度を調整する温度調整手段を具備することを特徴とする断熱箱。

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