JP2008045580A - 真空断熱パネル及びそれを備えた機器 - Google Patents

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Takayuki Nakakawaji
孝行 中川路
Hisashi Echigoya
恒 越後屋
Katsumi Fukuda
克美 福田
Hisao Yokokura
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Abstract

【課題】熱伝導率特性の経時劣化を抑制すること及び突き刺し切り裂き性に対する高強度やコスト低減も図れ、高温環境下で対応できる高性能真空断熱パネルを提供する。
【解決手段】平均繊維径が3〜5μmの結合剤を含まないグラスウールと、ゲッター剤とを金属箔で構成した外被材で覆い、酸素透過度に優れる有機高分子(ポリイミド,ポリアミドイミド,ポリイミドシロキサン,ポリアミド)を用いて外被材を溶着し、内部を減圧し封止する真空断熱パネルであり、溶着層は溶着部のみを枠状に形成することで、接着強度を維持しアウトガスの発生を抑制する。該真空断熱パネルを、少なくとも150℃の発熱部を有する機器内の断熱が必要な箇所に敷設する。
【選択図】図2

Description

本発明は、熱影響を遮断する真空断熱パネルに関し、特に高温部発熱体等に使用する真空断熱パネルと、その製造方法及びそれを用いた機器に関する。
近年、地球温暖化に対する観点から、家電品を含め種々の製品に対し消費電力等のエネルギー削減が望まれている。例えば、冷蔵庫の消費電力は庫内の負荷量が一定であれば、冷却用圧縮機の効率や、熱漏洩量に関与する断熱材の断熱性能を向上させることにより、消費するエネルギーが削減できる。
これまで、熱伝導率を低減した高性能な真空断熱パネルが開発され、冷蔵庫や冷凍庫等に多く使用されてきた。特に、真空断熱パネルは発泡ウレタン等の断熱材に比べ熱伝導率が非常に優れる。真空断熱パネルの構造は、芯材となるコア材,アウトガスを吸着するゲッター剤を外被材に入れ、内部を減圧するものである。現在用いられている外被材は、汎用品の安価な有機フィルムを用いてガスバリヤ層の全面に接着剤で接着したラミネート法で作製している。ガスバリヤ層としてアルミ薄箔,アルミ蒸着,エバールフィルム,ポリエステルフィルム等を張り合わせ、保護層にナイロンフィルムを貼り付けるものである。溶着層にはポリエチレンフィルムやポリプロピレンフィルムを用いる。
電子レンジ,加熱調理機,恒温槽,複写機,レーザープリンタ,車など、高温部材の周辺へも真空断熱パネルの適用が望まれており、耐熱性を有する真空断熱材の開発が要求されている。
耐熱性の向上には、外被材の耐熱化が必要である。市販の高温用の外被材として、レトルト食品用であって、熱溶着層にプロピレンホモポリマー(CPP)を用いたラミネートフィルムがある。CPP層を熱溶着に用いた外被材の耐熱温度は約120℃である特開
2004−332929号公報(特許文献1)は熱溶着層,ガスバリヤ層,保護層を有するラミネートの外被材を備える真空断熱材が記載されており、熱溶着層として融点の高いフィルムを使用することが記載されている。
特開2005−114013号公報(特許文献2)には断熱材の最外層に難燃性の自己消火性フィルムを備えることが記載されている。
特開2005−114014号公報(特許文献3)は、接着層をアクリル,ポリエステル,エポキシ,シリコーン系の接着剤とすることが記載されている。
特開2001−141179号公報(特許文献4)は、ガスバリヤ層に金属を使用した真空断熱材について記載されている。
特開2004−332929号公報 特開2005−114013号公報 特開2005−114014号公報 特開2001−141179号公報
例えばオーブンレンジやクッキングヒータ等に使用する断熱パネルは少なくとも150℃以上の耐熱性が必要である。しかしながら、従来では耐熱性が高くコストの安い真空断熱材は提供されていない。
特許文献1ないし4に記載の真空断熱パネルは、耐熱フィルムでラミネートされる構成であり、高温環境下でアウトガスが発生するために真空断熱パネルの熱伝導率が高くなる。また、耐熱フィルムが非常に高価なことから、外被材のコストが高く問題となる。
また、高温用の外被材として、アルミラミネート薄箔等の金属を溶接する方法がある。しかしながら、例えば200×1500mmのような現在の大きさにするのは困難である。その理由は、外被材の金属箔が厚くなり熱伝導率が高くなったり、外被材が大きく溶接時の平行を保つことが困難になる問題が生ずるからである。
また融点200℃以上のフッ素系フィルムの熱溶着層は、耐熱性や難燃性に優れるものの、非粘着性(接触角が100〜115度でシール剤として接着不可)のため、外被材の熱溶着層に用いると接着強度が低下し、断熱効果の維持がされない可能性がある。
そこで本発明の目的は、安価で断熱効果の高い真空断熱パネルを提供することにある。
上記本願の課題を解決する発明の特徴は、一対の金属箔と、前記金属箔間に一または複数の開口部を有する形状に形成されまたは配置された接着層と、前記開口部に重ねて配置され、結合剤を含まない無機繊維の芯材と、ガス成分を吸着するゲッター剤とを有し、前記芯材及びゲッター剤を前記金属箔で被覆して減圧封止した真空パネルである。
前記溶着層は、溶着を行う金属箔の周縁部に額縁状に形成する。従来の前面に付す場合に比して、真空断熱パネルの厚みを薄くできると共に、コストを低減することが可能となる。なお、一の金属箔に複数の開口を設けた枠状の溶着層を形成し、それぞれに芯材等を配置して内部が複数に区切られた真空断熱パネルとすることも可能である。
溶着層は、酸素透過度の低い有機高分子を用いる。特に、有機高分子がポリイミド,ポリアミドイミド,ポリイミドシロキサン,ポリアミド樹脂の少なくともいずれかが好ましい。なお、ワニスを用いて溶着層を形成する場合は、ワニスの段階で、有機高分子化反応が完了していることが好ましい。
前記芯材は、平均繊維径が3〜5μmのグラスウールが好ましい。繊維径が大きくなると、熱伝導率が大きくなり、繊維径が小さいと取り扱いが不便になるからである。また、芯材はバインダー等の結合材を含まないものとする。バインダーよりアウトガスが発生し、熱伝導率が上がるのを避けるためである。
金属箔はアルミ合金箔,ステンレス箔が好ましい。頻繁に使用されるアルミ箔に比して、熱伝導率を低くすることが可能である。厚さは、ステンレス箔では20〜100μmの箔厚又はアルミ合金箔では15〜30μmの箔厚がよい。本発明によれば、従来よりもやや厚い金属箔でも使用が可能となる。
ラミネートフィルムはアルミ箔との組み合わせでよく使用されており、本願発明についても同様にラミネート加工を付しても問題はないが、必須ではない。ラミネートフィルムをなくすことにより、製造工程やコストの低減を図ることが可能である。
上記構成によれば、高温条件での使用が可能であって、断熱性が高くかつ価格の安い真空断熱パネルが提供可能である。
さらに、本発明の断熱パネルを各種の高温部を有する製品に採用することにより、消費エネルギーを低減することが可能となる。特に、恒温槽,オーブンレンジやIHクッキングヒータなど機器又は機器内部が少なくとも150℃程度の高温の発熱部の熱影響を遮断することにより、消費電力量が低減できる。
本発明の真空断熱パネル及び該真空断熱パネルを挿入した機器の構造と作製について、図面を参照して説明する。図1(a)は、従来真空断熱パネルの構造、図1(b)は外被材及び溶着部の断面模式図を示す。真空断熱パネル1内に無機繊維の芯材2とゲッター剤3を外被材4,溶着部5で減圧封止される構成の真空断熱パネルである。図2(a)は、本発明の真空断熱パネルの構造、図2(b)に外被材及び溶着部の断面模式図を示す。真空断熱パネル6内に結合剤を含有しない無機繊維材の芯材2とゲッター剤3を外被材7,溶着部8で減圧封止される構成の真空断熱パネルである。また、図2(c)には、金属箔9に溶着部8を額縁状形成した、溶着層形成部の斜視図を示す。
溶着層としては額縁状に構成されるもので、太さは約10〜30mm程、厚み約10〜
50μm程であることが好ましい。溶着層と外被材との間には、接着性を高める層や外被材の強度を高める層など、予め他の目的の層を設けてもよい。上記構成によれば、従来外被材の作製法のように高価格の耐熱フィルムを全面にラミネートすることがなく、価格が安くなる。また、接着強度が優れ、アウトガスの発生が抑えられるため、耐熱性が向上する。
結合剤を含まない無機繊維の芯材、及びゲッター剤を、金属薄箔で構成した外被材で覆い、内部を減圧して封止した真空断熱パネルである。特に、外被材の周縁部に、溶着層として枠状の有機高分子を用いる。シール層のみに酸素透過度が優れる有機高分子を使用することで各種のガス透過を防ぐことができる。また、アウトガスを抑制でき、経時劣化が抑制できる。さらに低コスト化を図ることができる。
溶着層は、酸素透過度の小さい有機高分子を用いる。酸素透過度が500cc/m2・day以下のものが好ましい。ここで、酸素透過度とはH2O,CO2,O2 ガス等の透過指標である。溶着層として、ポリイミド,ポリアミドイミド,ポリイミドシロキサン,ポリアミド樹脂の少なくともいずれかを用いることが好ましい。これらの樹脂は熱硬化性樹脂であるため、軟化温度がなく、高温での使用に適する。また、特に、ガラス転移温度が160〜230℃であるものが好ましい。ガラス転移温度の比較的低いポリイミド等の有機高分子を用いることで、約200℃の低温でも熱圧着が容易となる。
このような構成によれば、高温での劣化が少なく、耐熱性の高い真空断熱パネルが得られる。また、接着の強度が強い。
ここで、ポリイミド,ポリアミドイミド,ポリイミドシロキサン,ポリアミドは溶剤可溶であり、ワニスにできる。溶剤にはN−メチル−2−ピロリドン,ジメチルアセトアミド,ジメチルホルムアミド,ジメチルスルホキサイド,スルホラン,アニソール,テトラヒドロフラン,ジオキサン,ブチルラクトン等が用いられる。
ポリイミド等のワニスは、溶剤中に原料、例えばジアミン成分と酸成分とをほぼ等モルで加え、直接合成できる。
ポリイミド樹脂を例に、以下説明する。一般的にポリイミドはジアミン成分と酸成分を反応させて合成する。ポリイミド樹脂は室温付近で反応させるとポリイミド前駆体ワニスが得られ、180℃付近で反応させるとポリイミドワニスが合成できる。
ポリイミド樹脂を通常使用する場合、例えば銅箔積層基板のフレキシブルプリント配線板,半導体パッシベーション等にポリイミドを用いる場合には、ポリイミド前駆体タイプのポリイミドが適用され、塗膜形成後に250℃以上の高温で加熱脱水閉環させることができる。
しかし、本願で用いる真空断熱用の外被材シール層としては、ポリイミド前駆体よりもポリイミドワニスが好適である。ポリイミド前駆体ワニスを外被材の熱溶着層に用いると、イミド化時の脱水閉環により水のアウトガスが発生し、ゲッター剤の量を多くしたりする必要が生じるからである。また、200℃程の温度で熱圧着のシールをした際、直接のポリイミドワニスの場合と比して接着強度が劣るためである。
本発明に使用するポリイミド等の樹脂は、原料から1段階で直接ワニス(反応液)が合成でき、ワニスの段階でイミド化が完了して、保存安定性に優れたワニスが好ましい。
ポリイミド合成のためのジアミン成分には例えば、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル、3,3′−ジアミノジフェニルエーテル、3,3′−ジアミノジフェニルメタン、4,4′−ジアミノジフェニルメタン、3,3′−ジアミノジフェニルプロパン、2,2−ビス[4−(4−アミノフェノキシ)フェニル]プロパン、ビス[4−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、ビス[3−(3−アミノフェノキシ)フェニル]スルホン、1,7−ジアミノヘプタン、1,6−ジアミノヘキサン、4,4′−メチレンビス
(2−メチルシクロヘキサンアミン),イソフタル酸ジヒドラジド,セバシン酸ジヒドラジド,コハク酸ジヒドラジド,ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサン、1,1,3,3−テトラメチル−1,3−ビス(4−アミノフェニル)ジシロキサン、1,1,3,3−テトラフェノキシ−1,3−ビス(4−アミノエチル)ジシロキサン等をあげることができる。
ポリイミド合成のための酸成分には例えば、ビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物、3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物、1,2,3,4−ブタンテトラカルボン酸二無水物,シクロペンタンテトラカルボン酸二無水物,イソフタル酸クロライド,ステアリン酸クロライド等を用いて合成されるものである。
溶着層は、150℃での接着強度が10N/15mm以上のものがよい。高温環境下でもシール溶着部の接着強度が優れ、熱伝導率が経時劣化しにくいからである。真空断熱パネルの耐久性が向上する。なお、接着強度はステンレス箔やアルミ合金箔に有機高分子の塗布膜等を形成し、テンシロンを用いて評価した90°剥離力で確認した。
無機繊維材は、グラスウールが好ましい。グラスウールの平均繊維径により熱伝導率やコストが大きく異なる。平均繊維径が大きいグラスウールはコストが安価で好ましい。また、芯材の厚みを出しやすく、扱いが容易である。また、平均繊維径が小さいグラスウールは、繊維が同一方向に配列しにくく、接触熱抵抗が大きいため熱伝導率が低く好ましい。
本願発明には、無機繊維は3〜5μmの平均繊維径を有するものが特に好ましい。この繊維径のものは、熱流路がジグザクとなり、接触抵抗以外でも熱抵抗を増大させ、熱伝導率を低くさせることができる。
無機繊維材は、結合材を含まないものが好ましい。結合材よりアウトガスが生じるものは、熱伝導率の維持のためにゲッター剤を多くする必要があるためである。
上述のとおり、内部のガスを吸着し熱伝導率を低く保つゲッター剤を芯材と共に封止する必要がある。真空断熱パネルの信頼性を高めるためである。ゲッター剤は必要に応じてドーソナイト,ハイドロタルサイト,金属水酸化物のガス吸着剤等、又はモレキュラ−シ−ブス,シリカゲル,酸化カルシウム,ゼオライト,活性炭,水酸化カリウム,水酸化ナトリウム,水酸化リチウム等の水分吸着剤等をそれぞれ、または混合して使用することが好ましい。
金属薄箔は、従来よりもやや厚い金属箔でも使用することができる。その結果、突き刺し切り裂きに対する高強度化やコストの低減を図ることができる。特にステンレス箔又はアルミ合金箔のいずれかが好ましい。熱伝導率のほか、強度や取り扱い性の観点より、ステンレス箔厚みが20〜100μm、アルミ合金箔の厚みは15〜30μmがよい。
なお、金属箔を伝わって流れ込む熱量が少ない金属である、鉄,ニッケル,スズ,チタン,炭素鋼等を併用してもよい。また、アルミニウム,コバルト,ニッケル,亜鉛等の金属蒸着の併用してもかまわない。
溶着層の製法は特に限定はなく、適宜溶液塗布膜,フィルムの貼り付け,不織布等の含浸体の貼り付け等により行うことができる。
溶液塗布膜はスクリーン印刷,ロールコータ等により製造する。フィルムはガラス基板上にワニスをキャスティングし、90℃で乾燥した後、塗膜を引き剥がして得る。不織布等の含浸体は、強化繊維からなる補強材に溶液を含浸し、プリプレグ等として用いる。補強材はシート状,不織布状,繊維状のものを使用できる。特にガラス繊維を用いると熱伝導率が小さく好ましい。
溶着層の溶着・封止は、熱圧着により行われる。熱圧着の手段には特に制限はなく、溶着層が固定されればよい。例えば熱プレス,熱ロール等が上げられる。特に真空プレス法を採用すると、減圧状態で加熱及び加圧ができ、欠陥のない外被材を作製できる。
本発明の真空断熱パネルは、家電品や建材等、断熱が必要な部位に適宜使用できる。特に、オーブン,レンジ,クッキングヒータ,給湯器等の高温部を保温する必要があるもの、また高温部と低温部を分離する必要のあるものに好適に採用可能である。
例として、家電品としては、冷蔵庫,エアコン室外機等、建材としては壁材,浴室周り、その他自動車・鉄道等の車両や医療用検査機器,恒温容器等が挙げられる。なお、本発明は高温の150℃以上の発熱部を有する製品等に限らず、150℃以下で使用しても耐久性に優れ断熱を維持できるので好ましい。
また、最高温度を220℃程度以下のものとすることが好ましい。有機高分子の溶着層の劣化や変質が促進され、接着性が維持できなくなる場合が生ずるからである。
図3は、本発明の真空断熱パネル6を挿入した恒温槽の断面模式図を示す。恒温槽の扉10と庫内スペース12の周辺に使用した例である。
図4は、オーブンレンジの断面模式図を示す。オーブンレンジの扉14と庫内スペース13の内側に、本発明の真空断熱パネル6を挿入した例である。
図5は、IHクッキングヒータの断面模式図を示す。IHクッキングヒータのグリル周辺部に、本発明の真空断熱パネル6を挿入する。
〔実施例〕
実施例により本発明に使用したポリイミド,ポリアミドイミド,ポリイミドシロキサン,ポリアミドについて、合成方法,真空断熱パネルの作製及び熱伝導率の評価、それを用いた機器等について以下詳細に説明する。表1に真空断熱パネルに用いた芯材,外被材,溶着層,酸素透過度,ガラス転移温度,接着強度,初期熱伝導率,経時劣化後の熱伝導率を示す。なお、本発明はこれらの実施例によって何ら制限されるものではない。
Figure 2008045580
実施例においては、酸素透過度,接着強度,ガラス転移温度の測定は下記の方法で行った。
酸素透過性
ワニスをガラス基板上にキャスティングし90℃で乾燥した後、引き剥がしさらに230℃で加熱処理してフィルムを得た。得られたフィルムを幅と長さが100mmになるように切断し、酸素透過度測定装置(MOCON社製,型式OX−TRAN2/21)を用いて、温度25℃,ドライ,24時間の条件で酸素透過度測定を行った。
接着強度
幅15mmの試料フィルムをステンレス箔の上に載せ、これを熱プレスにセットしてプレスを閉じて0.3〜1.0kgf/cm2 程の圧力のもとに200℃で5〜30分加圧し、その後、冷却することによって得られた試験試料を用いて90°剥離力の測定を行った。測定はJIS C6481に準拠して行い、試験機としてはオリエンテック社製のテンシロンMPW−300Sを使用した。
ガラス転移温度
セイコー電子工業製の熱機械分析装置TMAを用いて、試験作製したフィルムに円筒石英ブローブを用い荷重をかけながら、昇温速度10℃/min の条件で室温より300℃の範囲内で測定した。
実施例1は、溶着層としてガラス転移温度176℃,酸素透過度390cc/m2・dayのポリイミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリイミド溶着材1の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けた反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル12.0g 、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン
30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g 、1,7−ジアミノヘプタン10.4g 、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で2時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除してポリイミドワニスを合成した。
更に、ワニスの純度を向上して使用する場合には、得られた反応液(ワニス)を過剰のメタノールに注入し、ミキサーで撹拌することで樹脂粉末を析出させる。この粉末をメタノールで洗浄し常温で乾燥後、約150℃で減圧乾燥して、N−メチル−2−ピロリドンに再溶解させ使用することで高純度のポリイミドワニスが得られる。
ワニスの重量平均分子量(Mw)は、東ソー社製TSK gel GMH−M 型ゲルカラム及びUV−8020型検出器を使用し測定した結果、重量平均分子量が42000、樹脂分含有量が23.2 重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度390cc/m2・dayでガラス転移温度が176℃、温度150℃における接着強度が13.8N/15mmあった。
(ポリイミド溶着材1を用いた真空断熱パネル実施例1の作成)
合成したポリイミド溶着材1を外被材のシール層に使用し、真空断熱パネル例1を作成した。
厚さ約30μmのステンレス箔にスクリーン印刷機を用いて、上記で合成したポリイミドワニスを周縁部に額縁状に約30μmの厚さで塗布した。塗膜を約70〜90℃で半固化し、一対のステンレス箔同士を熱プレス機に設置して、約200℃の温度と0.83kg/cm2の圧力をかけて三方を密閉シールした外被材を作製した。
真空断熱パネルの芯材として、180℃で1時間のエージング処理を行い平均繊維径が3μmのグラスウールを使用した。半固化させた袋状の外被材に芯材のグラスウールとガス吸着のゲッター剤(モレキュラ−シ−ブス13X/活性炭)を詰めた。
最終封着部にポリイミドを塗布し、真空断熱パネルの内部圧力が1.3Pa になるまで真空包装機のロータリーポンプで10分間、拡散ポンプで10分間排気させた。その後、端部をヒートシールで封止した。
このようにして得られた真空断熱パネル例1(厚み:約8mm)の熱伝導率を測定した。英弘精機(株)製のAUTO−Λ、10℃の条件で初期熱伝導率は4.1mW/m・K であった。160℃で1ヶ月の劣化試験を行ったところ、劣化試験後の熱伝導率は5.2mW/m・Kを示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
さらにポリイミドは熱硬化性樹脂であり、高温にしても軟化点はないため、ガラス転移温度より70〜80℃程度の高温までは接着性が維持できる。従って、真空断熱パネル実施例1は240〜260℃程度での使用まで耐えうると予想される。
(真空断熱パネル実施例1を用いた恒温槽例)
高温で使用される恒温槽の周辺部、扉背面は高温となるため、従来の真空断熱パネルを敷設できなかった。上記の真空断熱パネル実施例1を恒温槽の周辺部及び扉背面に挿入して使用した。
真空断熱パネルを設けない場合と比して、消費電力量が約5%削減された。また、断熱効果は長期間維持できた。さらに、真空断熱パネルを用いることにより、従来の断熱パネルよりも断熱層を薄くでき、装置容積に対して庫内スペースを広くすることができた。
実施例2は、溶着層としてガラス転移温度226℃,酸素透過度420cc/m2・dayのポリイミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリイミド溶着材2の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けた反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル12.0g 、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン
30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g 、4,4′−メチレンビス(2−メチルシクロヘキサンアミン)19.1g 、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で1.5 時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除してポリイミドワニスを合成した。
ワニスの重量平均分子量は62000、樹脂分含有量が20重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度420cc/m2・dayでガラス転移温度が226℃、温度150℃における接着強度が15.1N/15mm あった。
(ポリイミド溶着材2を用いた真空断熱パネル実施例2の作成)
合成したポリイミド溶着材2を外被材のシール層に使用し、平均繊維径が3.5μm のグラスウールを芯材とした以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例2を作成した。
このようにして得られた真空断熱パネル例2(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.1mW/m・K 、200℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が5.9mW/m・K を示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
実施例1と同様に、ガラス転移温度より70〜80℃程度の高温までは接着性が維持できるので、真空断熱パネル実施例2は280℃程度での使用まで耐えうると予想される。
(真空断熱パネル2を用いたオーブンレンジ例)
上記の真空断熱パネル例2をオーブンレンジの周辺部及び扉背面に挿入して効果を見た。恒温槽と同様、オーブンレンジは高温で従来真空断熱パネルを敷設できなかった。
真空断熱パネルを設けない場合と比して、消費電力量が約3%削減された。また、断熱効果は長期間維持できた。さらに、真空断熱パネルを用いることにより、従来の断熱パネルよりも断熱層を薄くでき、装置容積に対して庫内スペースを広くすることができた。
実施例3は、溶着層としてガラス転移温度161℃,酸素透過度390cc/m2・dayのポリイミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリイミド溶着材3の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けることにより反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,
4′−ジアミノジフェニルエーテル4g、1,7−ジアミノヘプタン5.2g 、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g 、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g、1,7−ジアミノヘプタン10.4g、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で2.0時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除して、ポリイミドワニスを合成した。
ワニスの重量平均分子量は25000、樹脂分含有量が20重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度390cc/m2・dayでガラス転移温度が161℃、温度150℃における接着強度が12.5N/15mm あった。
(ポリイミド溶着材3を用いた真空断熱パネル実施例3の作成)
合成したポリイミド溶着材2を外被材のシール層に使用し、平均繊維径が4.5μm のグラスウールを芯材とした以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例3を作成した。
このようにして得られた真空断熱パネル例3(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.3mW/m・K、150℃ で1ヶ月間の劣化試験後の初期熱伝導率が5.5mW/m・K を示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
実施例1と同様に、ガラス転移温度より70〜80℃程度の高温までは接着性が維持できるので、真空断熱パネル実施例3は230〜240℃程度での使用まで耐えうると予想される。
(真空断熱パネル3を用いたクッキングヒータ例)
上記の真空断熱パネル例3をIHクッキングヒータのグリル周辺部に使用して効果を見た。恒温槽と同様、クッキングヒータには高温で従来真空断熱パネルを敷設できなかった。
グリル壁面を断熱することにより制御回路への熱影響を排除することができた。さらに、真空断熱パネルを設けない場合と比して、消費電力量が約5%削減された。また、断熱効果は長期間維持できた。
上記の例より、同様に制御回路等の低温が必要な部分と高温部とを断熱する必要のある製品、例えば自動車等に適用しても同様の効果が得られると考える。
実施例4は、溶着層としてガラス転移温度170℃,酸素透過度450cc/m2・dayのポリアミドイミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリアミドイミド溶着材4の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けた反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル4g、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g 、3,
3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g 、イソフタル酸ジヒドラジド15.5g 、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で2.5 時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除してポリアミドイミドワニスを合成した。
ワニスの重量平均分子量が45000、樹脂分含有量が23.4 重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度450cc/m2・dayでガラス転移温度が170℃、温度150℃における接着強度が12.8N/15mmあった。
(ポリアミドイミド溶着材4を用いた真空断熱パネル実施例4の作成)
合成したポリアミドイミド溶着材4を外被材のシール層に使用した以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例4を作成した。
このようにして得られた真空断熱パネル例4(厚み:約5mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.2mW/m・K 、160℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が5.3mW/m・K を示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
実施例1と同様に、ポリアミドイミド樹脂も熱硬化性樹脂であり、ガラス転移温度より70〜80℃程度の高温までは接着性が維持できるので、真空断熱パネル実施例4は230〜250℃程度での使用まで耐えうると予想される。
実施例5は溶着層としてガラス転移温度165℃,酸素透過度400cc/m2・dayのポリイミドシロキサンを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリイミドシロキサン溶着材5の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けた反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル4g、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g 、3,
3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g 、ビス(3−アミノプロピル)テトラメチルジシロキサン19.8g 、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で3.5 時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除してポリイミドシロキサンワニスを合成した。
ワニスの重量平均分子量が21000、樹脂分含有量が21.3 重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度400cc/m2・dayでガラス転移温度が165℃、温度150℃における接着強度が12.9N/15mmあった。
(ポリイミドシロキサン溶着材5を用いた真空断熱パネル実施例5の作成)
合成したポリイミドシロキサン溶着材5を外被材のシール層に使用し、ワニスを約40μmになるように塗布した以外は真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例5を作成した。
このようにして得られた真空断熱パネル5(厚み:約10mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.1mW/m・K 、150℃で1ヶ月間の経時劣化試験後の熱伝導率が5.3mW/m・K を示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
実施例1と同様に、ポリイミドシロキサン樹脂も熱硬化性樹脂であり、ガラス転移温度より70〜80℃程度の高温までは接着性が維持できるので、真空断熱パネル実施例5は230〜250℃程度での使用まで耐えうると予想される。
実施例6は、溶着層としてガラス転移温度161℃,酸素透過度490cc/m2・dayのポリアミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリアミド溶着材6の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、原料であるイソフタル酸クロライド8.1g、3,4′−ジアミノジフェニルエーテル12.0g 、N−メチル−2−ピロリドン
200gを入れ、常温以下の窒素ガス雰囲気下で、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷しながら、更にイソフタル酸クロライド20.3g、4,4′−メチレンビス(2−メチルシクロヘキサンアミン)19.1g 、N−メチル−2−ピロリドン160gを加え、約3時間の撹拌反応を行い、ポリアミドワニスを合成した。得られた反応液(ワニス)を過剰のメタノールに注入し、ミキサーで撹拌を行い樹脂粉末を析出させた。この粉末をメタノールで洗浄して常温で乾燥後、約150℃で減圧乾燥し、N−メチル−2−ピロリドンに再溶解させてポリアミドワニスを得た。
ワニスの重量平均分子量(Mw)が32000、樹脂分含有量量が20.2 重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度490
cc/m2・day でガラス転移温度が161℃、温度150℃における接着強度が13.2N/15mmあった。
(ポリアミド溶着材6を用いた真空断熱パネル実施例6の作成)
合成したポリアミド溶着材6を外被材のシール層に使用し対外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例6を作成した。なお、芯材の大きさは500mm×300mm×
10mmとした。
このようにして得られた真空断熱パネル例6(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.2mW/m・K 、150℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が5.1mW/m・Kを示した。
上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
実施例7は、実施例2のポリイミド溶着材をガラス繊維に含浸して用い、アルミ合金箔を外被材として使用した真空断熱パネルの例である。
実施例1に示したポリイミド溶着材1のワニスをガラス繊維に含浸して約90℃で乾燥することで半固化状態のプリプレグを作製した。厚さ約15μmのアルミ合金箔上に前記プリプレグを額縁状に設置し、その上に同型のアルミ合金箔を置き、約200℃の温度と0.83kg/cm2の圧力をかけて熱プレス機を用いて、三方を密閉シールした外被材を作製した。
芯材は、平均繊維径が3μmのグラスウールを180℃で1時間のエージング処理を行い用いた。外被材に、芯材とガス吸着のゲッター剤(モレキュラ−シ−ブス13X/活性炭)を詰め、最終封着部に前記プリプレグを設置し真空包装機のロータリーポンプで10分,拡散ポンプで10分,真空断熱パネルの内部圧力が1.3Pa になるまで排気させて、端部をヒートシールで封止した。
このようにして得られた真空断熱パネル例7(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.2mW/m・K、200℃ で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が5.4mW/m・K を示した。上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。
平均繊維径が6μmのグラスウール材を芯材として、実施例1と同様の真空断熱パネル例8を作製した。
このようにして得られた真空断熱パネル例8(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が6.2mW/m・K 、160℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が9.8mW/m・Kを示した。
上記のとおり、本発明の真空断熱パネルは高温環境下においても経時劣化せず熱伝導率の維持が可能であった。ただし、グラスウール平均繊維径を6μmとすると熱伝導率の初期値が大きくなった。
実施例9は、溶着層としてガラス転移温度152℃,酸素透過度390cc/m2・dayのポリイミドを用いた真空断熱パネルの例である。
(ポリイミド溶着材9の合成)
撹拌機を取り付けたセパラブルフラスコに、シリコンコック付きトラップを備えた冷却管を取り付けることにより反応槽を構成し、この反応槽に、原料であるビシクロ(2,2,2)オクタ−7−エン−2,3,5,6−テトラカルボン酸二無水物9.9g 、3,
4′−ジアミノジフェニルエーテル2g、1,7−ジアミノヘプタン6.5g 、N−メチル−2−ピロリドン200g及びトルエン30gを入れ、常温で窒素ガス雰囲気下に10分間撹拌した後、反応槽の内容物を180℃に昇温させ、撹拌機の回転数を180rpm に設定して1時間反応させた。その後、反応液を空冷し、更に3,3′,4,4′−ビフェニルテトラカルボン酸二無水物14.7g 、3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボン酸二無水物16.1g、1,7−ジアミノヘプタン10.4g、N−メチル−2−ピロリドン160g及びトルエン30gを加え、再度180℃に昇温させた状態で2.0時間の撹拌反応を行った。この間、撹拌機の回転数は180rpm とし、生成する水はシリコンコックから排除して、ポリイミドワニスを合成した。
ワニスの重量平均分子量が180000、樹脂分含有量が20重量%であった。また、約25μmのフィルムを作製して、物性値を測定した結果、酸素透過度390cc/m2
dayでガラス転移温度が152℃、温度150℃における接着強度が8.5N/15mmあった。
(ポリイミド溶着材9を用いた真空断熱パネル実施例9の作成)
合成したポリイミド溶着材8を外被材のシール層に使用した以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例9を作成した。
このようにして得られた真空断熱パネル例9(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が5.2mW/m・K 、200℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が18.5mW/m・Kを示した。
このことから、従来品に比べて厚みが押さえられ、また通常の温度での断熱という効果は奏するものの、溶着層に用いる樹脂のガラス転移温度が160℃以下で、温度150℃における接着強度が10N/15mm以下となると、高温条件下では加温により接着力が低下して真空断熱パネルが破壊し長期間の熱伝導率の劣化を抑制できないことがわかった。従って、このような断熱パネルの用途は例えば温度130℃までの製品や、短期で使用する製品に限る必要がある。
なお、従来頻繁に使用されているポリウレタン樹脂の使用開始時(劣化前)の熱電導率は18〜22mW/m・K程度である。
実施例10は、溶着層としてガラス転移温度140℃,酸素透過度220cc/m2・day、150℃での接着強度6.5N/15mm のエポキシ樹脂を用いた真空断熱パネルの例である。
上記のエポキシ樹脂溶着材を外被材のシール層に使用した以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例10を作成した。
得られた真空断熱パネル例10(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が6.5mW/m・K 、160℃で1ヶ月間の劣化試験後の熱伝導率が18.4mW/m・Kを示した。
このことから、従来品に比べて厚みが押さえられるという効果は奏するものの、溶着層にエポキシ樹脂を用いるとステンレス箔と接着性が低く、高温条件下では加温により真空断熱パネルが破壊し熱伝導率の劣化を抑制できないことがわかった。
実施例11は、溶着層としてガラス転移温度−10℃,酸素透過度8100cc/m2
dayのポリプロピレンホモポリマーを用いた真空断熱パネルの例である。
上記のポリプロピレンホモポリマーを外被材のシール層に使用した以外は、真空断熱パネル例1と同様に真空断熱パネル例11を作成した。
得られた真空断熱パネル例11(厚み:約8mm)の熱伝導率は、断熱パネル例1と同様の測定で、10℃の条件で初期熱伝導率が4.9mW/m・K であった。しかし、160℃で1ヶ月間の劣化試験を行ったところ、溶着部が破壊され熱伝導率の測定はできなかった。従って、従来品に比べて厚みが押さえられるという効果は奏するものの、溶着層樹脂のガラス転移温度より高い温度では、真空断熱パネルの使用はできなかった。
(a)従来真空断熱パネルの構造図、(b)従来真空断熱パネルの外被材及び溶着部の断面模式図。 (a)本発明真空断熱パネルの構造図、(b)本発明真空断熱パネルの外被材及び溶着部の断面模式図、(c)本発明溶着層形成部の斜視図。 本発明真空断熱パネルを挿入した恒温槽の断面模式図。 本発明真空断熱パネルを挿入したオーブンレンジの断面模式図。 本発明真空断熱パネルを挿入したIHクッキングヒータの断面模式図。
符号の説明
1…従来真空断熱パネル、2…芯材、3…ゲッター剤、4,7…外被材、4−1…ポリエチレンテレフタレートフィルム、4−2…ナイロンフィルム、4−3…アルミ箔、5,8…溶着部、6…本発明真空断熱パネル、9…金属箔、10…恒温槽扉、11…仕切り板、12…恒温槽庫内スペース、13…オーブンレンジ庫内スペース、14…オーブンレンジ扉、15…トッププレート、16…インダクションヒータ、17…グリル扉、18…グリルガラス、19…グリルハンドル、20…制御回路。

Claims (12)

  1. 無機繊維の芯材と、ゲッター剤と、前記芯材およびゲッター剤を覆う金属箔の外被材とを備え、前記外被材の周縁部を密閉封止する溶着層を有し、前記外被材の内部を減圧した真空断熱パネルであって、
    前記溶着層は、一または複数の開口部を有する形状に形成されまたは配置されていることを特徴とする真空断熱パネル。
  2. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、前記溶着層は有機高分子を含有し、前記溶着層は厚さ25μmでの酸素透過度が500cc/m2・day以下であることを特徴とする真空断熱パネル。
  3. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、前記溶着層はポリイミド樹脂,ポリアミドイミド樹脂,ポリイミドシロキサン樹脂,ポリアミド樹脂の少なくともいずれかを含有することを特徴とする真空断熱パネル。
  4. 請求項3に記載された真空断熱パネルであって、
    前記樹脂のガラス転移温度が160〜230℃であることを特徴とする真空断熱パネル。
  5. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、前記溶着層は150℃における外被材との接着強度が10N/15mm以上であることを特徴とする真空断熱パネル。
  6. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、
    前記金属箔はステンレス箔又はアルミ合金箔であることを特徴とする真空断熱パネル。
  7. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、
    前記芯材は平均繊維径が3〜5μmのグラスウールであることを特徴とする真空断熱パネル。
  8. 請求項1に記載された真空断熱パネルであって、
    前記溶着層は溶液塗布した塗膜,フィルム、または不織布含浸体の少なくともいずれかであることを特徴とする真空断熱パネル。
  9. 加熱手段により加熱される被保温部と、前記被保温部の温度状態を保つための断熱部材とを有する断熱箱体であって、
    前記断熱部材は、無機繊維の芯材と、ゲッター剤と、前記芯材およびゲッター剤を覆う金属箔の外被材と、額縁形状を有し前記外被材の周縁部を密閉封止する溶着層を有し、前記外被材の内部を減圧した真空断熱パネルであることを特徴とする断熱箱体。
  10. 請求項9に記載された断熱箱体であって、前記溶着層はポリイミド樹脂,ポリアミドイミド樹脂,ポリイミドシロキサン樹脂,ポリアミド樹脂の少なくともいずれかを含有することを特徴とする断熱箱体。
  11. 請求項9に記載された断熱箱体であって、前記溶着層は溶液塗布した塗膜,フィルム、または不織布含浸体の少なくともいずれかよりなることを特徴とする断熱箱体。
  12. 請求項9に記載された断熱箱体であって、前記被保温部の最高温度が150〜220℃であることを特徴とする断熱箱体。
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