JP2018017316A - 真空断熱材およびこれを用いた冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】熱伝導率のバラつきが小さく、成形性も良好な真空断熱材およびこれを用いた冷蔵庫を提供する。【解決手段】ガラス繊維のシートを複数枚積層した芯材と、前記芯材を収納する外包材と、を備えた真空断熱材において、前記芯材の目付量（＝重量／面積）分布を標準偏差として３０〜５０ｇ/ｍ２の範囲とした。例えば、ガラス繊維のシートは、湿式抄造方式で得られたものとし、芯材を分散させる硫酸水溶液のＰＨを４以下とする。そして、このような真空断熱材を冷蔵庫に用いる。【選択図】 図２

Description

本発明は、真空断熱材およびこれを用いた冷蔵庫に関する。

真空断熱材の使用は、冷蔵庫の省エネ性能の向上においては拡大される傾向にあり、その壁面のカバー率や板厚を増加させるというように、極力真空断熱材の割合を増やすことが目標とされている。その中で、冷蔵庫の壁面に沿った形状を曲げやその他の手法で形成することや、狭くなった範囲にまで配置可能なようにするための形状の確かさや平面性といったことが重要な要素となっている。

このような要素に関する技術としては、芯材をバインダーや加熱および圧縮による処理で固着させずに曲げ性能を高めることを図った特許文献１や、取扱性および平面性の向上を図った特許文献２がある。

特開２００９−２２８９１７号公報 特開２０１４−８１０８０号公報

しかしながら、特許文献１の構成においては、芯材の表面が固着されておらず、自由な状態で真空引きされる結果、芯材の素材の密度差が反映されて凹凸が生じてしまうという課題がある。また、芯材を複数枚の積層によって構成する場合、層間のズレが発生しうるため、作業工程や曲げ加工時において各層のズレの集積によって、輪郭形状が乱れる恐れがあった。これは、例えば不織布やシート状といった芯材を構成する素材が薄く、層数が増加するに従って、大きな影響となる。

また、特許文献２の構成では、対向する面を貫通する糸とその両側の表面に存在する大径部による、芯材を厚み方向に圧縮する応力を利用して芯材を構成する繊維集合体に剛性を付与することによる取扱性の向上や、平面性の確保を図っている。しかし、大径部の間隔が十分に小さくないと真空引き時の芯材圧縮によって糸が余ることになり、これは糸自体の存在による平面性の悪化を招く恐れがある。反面、大径部の間隔を小さくし過ぎると繊維集合体または糸を損傷する恐れがある。特に、取り扱いの際に糸が引っ張られる、繊維集合体を厚み方向に広げる様な場合に前述の懸念があり、これは取扱性を落としてしまう方向に作用する恐れもあった。さらには、糸という芯材よりも熱伝導率の大きなものが断熱方向に貫通した状態で存在することによる真空断熱材としての熱伝導率の悪化という問題も考えられる。

本発明は、以上の様な課題を踏まえ、熱伝導率のバラつきが小さく、成形性も良好な真空断熱材およびこれを用いた冷蔵庫を提供することを目的とする。

上記目的のために、本発明は、ガラス繊維のシートを複数枚積層した芯材と、前記芯材を収納する外包材と、を備えた真空断熱材において、前記芯材の目付量（＝重量／面積）分布を標準偏差として３０〜５０ｇ/ｍ^２の範囲とした。

本発明によれば、熱伝導率のバラつきが小さく、成形性も良好な真空断熱材およびこれを用いた冷蔵庫を提供できる。

評価用シートカット法を示す図である ｐＨ−目付量標準偏差グラフである。 本発明の実施例２における凹凸形成部（幅方向固定）を示す図である。 本発明の実施例２における局所的な位置決め形状形成部断面図を示す図である。 本発明の実施例３における凹凸形成部（長さ方向・幅方向固定）を示す図である。 本発明の実施例３における繊維への硫黄結晶析出を示す図である。 本発明の実施例４における端部配置用の薄板部を有した真空断熱材断面形状を示す図である。 本発明の実施例５における冷媒用パイプ部への取り付けを想定した処理範囲を示す図である。 本発明の実施例５における凹部最小化と障害物の確実回避を想定した処理範囲を示す図である。 本発明の実施例６における平面性向上のための格子状処理を示す図である。

以下でその実施の形態について述べる。

本実施例では以下の材料構成および条件によってシート及び真空断熱材を作製している。
まず、芯材材料としてガラス繊維を用いる。ガラス繊維の繊維径分布は３〜５μｍ、平均繊維長は３０ｍｍ程度である。そしてガラス繊維のシートは、湿式抄造方式によって得る。前記ガラス繊維をほぐして分散させるための離解用の薬液としては硫酸水溶液を用いる。硫酸水溶液の量は芯材１ｇに対して約１〜５Ｌの比率で、ＰＨを２〜４の範囲に調整した硫酸水溶液にガラス繊維を投入し、これを分散液とする。ここで、硫酸水溶液のＰＨは、調整が可能であれば２未満であっても良い。本実施例では、前記のガラス繊維を含む分散液を撹拌してガラス繊維を離解させた。すなわち、中心軸の箇所に撹拌羽を設置した円筒容器内に分散液を投入し、約２０００ｒｐｍで撹拌させることで繊維の絡みやまとまりをほぐして、分散液中にガラス繊維が均等に分布した状態まで離解させた。

次に、前記撹拌後の分散剤を目開き０.１ｍｍのメッシュ上にガラス繊維を集合させてシート状にした。この時、メッシュ状にガラス繊維が不均一に分布するとシートの厚さが周囲よりも厚い箇所や逆に薄い箇所、穴が生じる恐れがある。そうした問題発生の抑制のため、絡み合い、まとまった状態のガラス繊維を十分に離解させることが重要である。それには、ガラス繊維間に作用する静電気的な引力がなるべく弱い状態で攪拌することが、ガラス繊維を損傷させずに離解可能になるという点で望ましい。本実施例では、硫酸水溶液中にガラス繊維を投入することで、Ｈ^＋（Ｈ₃Ｏ^＋）の作用でガラス繊維の表面に分布する基における電位発生が抑制された状態、等電点に近い状態での攪拌を行っている。

今回は、真空断熱材の芯材に用いる場合に、真空引き後の真空断熱材の厚さやシート１枚の厚さの仕様に応じて、シートをおおよそ１０〜４０枚積層して用いることを想定している。積層して用いる場合、個別のシート内におけるガラス繊維分布のばらつきが多少存在しても、厚い箇所と薄い箇所の分布がランダムであればある程度相殺されるのに加え、真空断熱材の開口部封止後にローラ等で加圧することで表面を整形しうるため、真空断熱材の外形としての、面内での極端な厚さのばらつきや輪郭の乱れは発生しにくくなる。しかし、装置や製法の仕様から特定の厚くなりやすいまたは薄くなりやすい範囲が存在した場合、シートを積層して芯材とした真空断熱材を作る際に、トリムや積層の寸法や位置決め基準が各シートで共通となって前記の範囲が重なっていく可能性がある。その様に積層された場合、シート内の厚さの差が相殺されず蓄積していくことになる。この時、厚さの差とガラス繊維がその箇所に存在する量の差には相関があると考えられ、ガラス繊維の密度の差が生じることになる。シートを積層して真空断熱材とした時に、芯材の密度が大きい箇所は固体の熱伝導の影響が大きく現れるために周囲に比べて断熱性能が低くなり、また、表面をならすために加圧を行った場合には周囲よりもより押されることになるので、ガラス繊維がよりダメージを受け易いという点でも望ましくない。

本実施例では、ガラス繊維が均等に分散した状態に保った分散液中をメッシュコンベアが進行することで、ガラス繊維を液中の存在比率に近い状態でメッシュ上にシートが形成されていく。このシート成形過程で、メッシュ上に形成されたシートの上側を、更にメッシュまたはプレートやローラ等で加圧し、シートの両面の平面性改善することも可能である。特に、前記加圧を離解液中で施すことで、水揚げ後に加圧した場合と比較して液体の存在と前述の静電気力低減の作用で繊維の移動が容易な状態であるため、繊維の損傷が起きにくい状態でシート内のガラス繊維の分布を一様にならすことが出来る。

この時形成されたシート面内のガラス繊維の存在量の分布を以下の方法で評価した。
まず、基本となるシートサイズとして２５０ｍｍ×２５０ｍｍを切り出せるシートを用意し、図１の様に５０ｍｍ×５０ｍｍサイズの合計２５枚（５列×５行）にカットして、それぞれの質量を測定して各部分の目付量（＝重量／面積）[単位：ｇ／ｍ^２]を測定した。そして、目付量の標準偏差の分布を求めることにより、シート面内におけるガラス繊維の存在比率を評価した。硫酸水溶液のＰＨを変えた時の目付の測定結果（攪拌時間５分）を図２に示す。

以上のようにして得られた、ガラス繊維（狙い：１８０ｇ／ｍ^２）の目付量分布の標準偏差が３０〜５０[ｇ／ｍ^２] の範囲内にあるシートを芯材として真空断熱材とした。
ここで、前記のシートを１６枚積層させて芯材とした真空断熱材を作製すると、芯材全体としての目付量（面積当り重量）の標準偏差は、最大で８００[ｇ／ｍ^２]程度と考えられる。
比較例として、離解条件の硫酸水溶液のＰＨをおおよそ５に変更した場合を取り上げる。この場合、目付量の標準偏差はおおよそ５０〜６５[ｇ／ｍ^２]になった。すなわち、１６枚積層した場合に生じうる最大の偏差は約１０４０[ｇ／ｍ^２]となり、実施例１の標準偏差を基準として比較すると、差にして２４０[ｇ／ｍ^ｓ]、比にして約３割の芯材分布のバラツキが硫酸水溶液のＰＨの違いで発生する。

本実施例における芯材は目付量１８０ｇ/ｍ²のシートを１６枚積層したものであり、積層の中間（８枚ずつの間）の面内に水分を物理吸着するための合成ゼオライトを散布した。
上記の芯材を、溶着層であるＰＥフィルム、水分や気体の進入を防止するバリア層としてのＥＶＯＨフィルム（アルミ蒸着処理品）、傷付き防止のための最外層のＯＰＰフィルムをラミネートして三方を溶着したラミネートフィルム製袋品の袋に投入した。
上記の外包材を投入した外包材の内部を真空引きして減圧し、減圧状態を維持したまま開口部を熱溶着し、封止することで真空断熱材とした。この時の真空断熱材の熱伝導率は約２ｍＷ/ｍ・Ｋ であった。

本実施例における芯材材料や分散液の仕様、物性、シート化の条件等の概要を以下に示す。
シート強度を高める目的で、実施例１よりも大きいガラス繊維を用い、繊維径分布が６〜8μｍ、平均繊維長が５０〜１００ｍｍで、離解用の薬液である硫酸水溶液の量を芯材１ｇに対して約１〜５Ｌの比率となるようにする。実施例１と比較するとガラス繊維１ｇ当たりの繊維表面積が小さく、作用させる必要のあるＨ^＋（Ｈ₃Ｏ^＋）の量が減るため、硫酸水溶液のＰＨは２〜４の範囲に調整する。前記ガラス繊維を前記硫酸水溶液に投入し、攪拌を行い離解させる、この時、用いるガラス繊維の長さが長くなるに従い、攪拌羽の軸に絡む恐れがあるため、攪拌羽を軸が太い大寸法のものと交換したり、軸が攪拌対象の液中に存在しないパルセータタイプの攪拌機を用いたりし、攪拌機の構成や仕様に応じた回転数での攪拌を適宜行う。

そして、シートを形成するために用いるメッシュの幅方向の両端付近に凹凸形状を設けるための凹凸形状や曲げ形状を設ける。これによって、形成されたシートが所定の位置で前記冶具の凹凸形状と対応する凹凸形状を有する図３の様な断面を有するようにした。
そして、このシートを積層して三方を溶着した袋状の外包材内に封入する芯材とする際に、前記凹凸の位置を合わせて重ねることにより、外包材の内部に入れる作業時および外包材内部の真空引きおよび外包材の開口部封止までの過程において、芯材の位置ずれが抑制される。これは、シート面内の目付量分布の標準偏差が３０〜５０[ｇ／ｍ^２]の範囲内にあり、高い平面性を持っていることによって、凹凸形状の位置合わせを行った際のシート間での位置のズレや隙間の発生といったことが抑制されていることで、より効果を高められる。
前記の図３では、両端付近に同じ向きに各１個の凹凸形状を有しているが凹凸の向きは互い違いでも構わず、個数も限定しない。また、幅寸法や真空断熱材の形状等により、凹凸形状を増減させたり位置を変えたり、あるいは図４の様に幅方向に延びず、一部にしか存在しない位置決め用の構造を任意の形状で設けたりしても構わない。また、凹凸形状が真空断熱材の表面性に与える影響の抑制を図るために、例えば凸形状の存在する位置に回避形状を設けたり、凹形状の存在する位置に穴埋めのためのシート小片やグラスウールといった芯材を別途配置したりも構わない。

これにより、芯材積層作業時のズレが抑えられ、積層したシートのズレによって真空断熱材の形状が乱れるのを防ぐための処置をしなくても良くなる。つまり、まず真空断熱材の芯材として必要なサイズよりも大きめにカットしたシートを積層した後で、真空断熱材の芯材としての所定のサイズにトリムカットする必要が無くなり、材料のロスやトリムおよび廃棄に伴う作業を省くことが可能となる。

本実施例においては、前記実施例２の様な幅方向の凹凸に加えて、図５の様に長さ方向にも凹凸を有している。また、幅方向と長さ方向の両方の位置を合わせられるように、芯材の伸び等でのズレの影響を抑えるようにするため、芯材がシート状に集合して挟み込まれている状態において、分散液に用いた硫酸よりも高濃度の硫酸を表面に塗布することで図６に示すような硫黄の針状結晶を発生させ、繊維同士を絡み合い易くする処理を行った。これにより、積層芯材の作業工程および真空引き時の圧縮に伴う変形による芯材のズレが抑制され、最終的な真空断熱材の寸法や形状の精度向上につながる。

反面、前記の硬質化処理においては、前記の硫黄の針状結晶の割合が増大すると、真空断熱材における硫黄の固体としての熱伝導率の影響や外包材との接触での微細な傷の発生といった影響につながる可能性もあるため、例えば各シートの表面の５％程度に収めたり、真空断熱材に封入する積層芯材の両サイド付近のシートのみに前記の硬質化処理を施したものを使用したりといった調整を、真空断熱材の仕様に応じて行うことが望ましい。

本実施例では、図７に示すような断面形状を有する真空断熱材を作製する。前記形状は、冷蔵庫の箱体あるいは扉体の端部付近の狭い箇所まで配置可能にすることや、他部品を回避しつつ配置可能にすることを想定し、一部分を薄型形状としたものである。この時、薄型形状部は狭い部位に設置するため、周辺部品との計画外の接触を防止することや発泡ウレタンの流動を妨げない様に寸法や形状が一定範囲内に収まっている必要があるが、過剰に真空断熱材が小さくなると断熱性能の面で計画を下回ってしまう恐れがあるため、安定した寸法および形状を得られることが肝要である。また、真空断熱材の作業現場までの運搬や取り付けといった各作業における便宜も考慮すると、ある程度の硬さを持っていた方が、前記端部の変形発生のリスクを低減できるという点で望ましい。そこで、本実施例における芯材積層体の構成としては、図７に示す斜線部に関して、前述の針状結晶の作用によりガラス繊維の絡まり合いを与えたシートを用いて前記の形状精度向上と維持の効果を得ている。

本実施例においては、シート面内のうち図８の斜線部で示した箇所に針状結晶による繊維の絡み合いを発生させている。これは、冷蔵庫壁面の鋼板の内側に設置された冷媒用パイプを回避しつつ真空断熱材を貼付することを想定したもので、鋼板との接触面は接着性を保ち剥がれを防ぐために繊維の絡み合いを多くして平面性を高めつつ、冷媒用パイプを真空断熱材で覆う箇所に関しては柔軟性を維持することによって、前記冷媒用パイプの周囲に隙間が発生することを防ぎ発泡ウレタンの進入による剥がれの防止の効果もある。

また、前記の効果を得るために、真空断熱材の冷媒用パイプの側の面にあたる芯材をグラスウール等の柔軟性が高い仕様のものにしておけば同様の硬質化の有無での剥がれ防止がより効果的に得られる。

本実施例では冷媒用パイプをくるむために図８の様に処理を施したが、逆に図９の様に処理を行い、断熱材の減少量を抑えつつ、リークに繋がる恐れの有るエッジやシャープの存在箇所を回避するといったことも、あるいは図８と図９の斜線部を合わせた範囲に絡み合い強化処理を施すことも可能である。

本実施例においては、シート面内のうち図１０の斜線部で示した位置に針状結晶による硬質化処理が施されている。このように硬質化された箇所を配置することによって、面全体を硬質化せずとも、芯材が格子状に硬質化された部分の変化が抑えられることにより平面性が向上する。

また、硬質化箇所と相対的に軟らかい箇所を設けることで、曲げ加工を実施する際に相対的に軟らかな箇所が変形の起点となることから、位置決めに利用することが可能である。
この時、積層したシートの間で硬質化箇所がずれると折り曲げ時の各層での力の集中しやすい箇所がずれて、真空断熱材としての“折り曲がり易い位置”が明確に定まらなくなる可能性があるが、本実施例においては分散液の液性調整により各シート内におけるガラス繊維の分布が標準偏差にして３０〜５０[ｇ／ｍ^２]の範囲にあることから、略平行な形状が得られるため前述の問題は起こりづらい。また、例えば実施例２や実施例３に示すような凹凸形状による位置決めを適宜併用することにより更に精度を向上させることも可能である。

Claims (6)

1. ガラス繊維のシートを複数枚積層した芯材と、前記芯材を収納する外包材と、を備えた真空断熱材において、前記芯材の目付量（＝重量／面積）分布が標準偏差として３０〜５０ｇ/ｍ^２の範囲になっていることを特徴とする真空断熱材。
2. 前記ガラス繊維のシートは、湿式抄造方式で得られたものであり、平均繊維径が３〜５μｍ，平均繊維長が１０〜５０ｍｍ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. 前記ガラス繊維のシートは、湿式抄造方式で得られたものであり、平均繊維長が５〜８ｍｍ，平均繊維長が５０〜１００ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
4. 前記ガラス繊維のシートは、湿式抄造方式で得られたものであり、前記芯材を分散させる液が硫酸を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
5. 前記硫酸の水溶液はＰＨが４以下であることを特徴とする請求項４に記載の真空断熱材。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の真空断熱材を用いた冷蔵庫。

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