JP2010024673A - 複合断熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】接着剤が不要で断熱性能に優れた複合断熱材を提供する。
【解決手段】複合断熱材１０１は、発泡ポリウレタン１０３が単一芯材型真空断熱材１０２の全部を被覆している。発泡ポリウレタン１０３は、ポリオールと発泡剤としてシクロペンタンが予め混合されているポリイソシアネートを化学反応させて形成されるポリウレタン樹脂である。また、水を共存させると、水とポリイソシアネートが尿素生成反応をし、同時に二酸化炭素が生成して、ポリウレタン樹脂を発泡する。この化学反応の直前に外部から超臨界二酸化炭素を供給する。超臨界二酸化炭素は、ポリウレタン樹脂原料への拡散性に優れ、短時間で一様に分散する。そのため、接着剤が不要で安価な製造コストで異なる断熱材を複合化でき、さらに気泡内の放射および対流による熱伝導率を低減できることから、断熱性能の向上が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、発泡断熱材の中に、発泡断熱材より断熱性能に優れた別の断熱材を埋設した複合断熱材に関するものである。

近年、地球環境保護の観点から、熱エネルギーの有効利用に対する社会的要望が高まっている。このような背景から、熱を扱う冷凍冷蔵機器や温熱機器を製造するメーカーでは、各部品や機器全体の省エネ設計に加えて、断熱技術の開発に注力している。広く用いられる断熱材料として、発泡ポリウレタンや発泡ポリスチレンなどの発泡樹脂がある。

発泡ポリウレタンは、原料であるポリオールとポリイソシアネートが反応して形成されるポリウレタン樹脂の骨格と、発泡剤が気化することによって形成される無数の気泡で構成されている。

また、最近では、グラスウールやシリカ粉末を芯材として、この芯材を樹脂と金属箔のラミネートフィルムなどのガスバリア性に優れたフィルムで覆い、余分な水分を吸着する水分吸着剤を同封したあと、内部を真空状態にして作製される真空断熱材が高性能な断熱材として利用されている。

このような断熱材の性能は、断熱材の骨格である固体部分の熱伝導率と、骨格間の空間部の放射による熱伝導率と、その空間に存在する気体の熱伝導率およびその気体の対流熱伝導率との総和で決定される。断熱材の高性能化のためには、これらの各熱伝導率を低減する必要がある。発泡ポリウレタンを高性能化するためには、熱伝導率の低い発泡剤を用いることと、気泡を微細化することによる放射および対流による熱伝導率を低減する手段がある。低熱伝導率発泡剤としては、過去に広く用いられたフロンガスがあるが、これはオゾン層破壊物質であるため、現在では使用できない。そのため、シクロペンタンなどの炭化水素や、環境負荷の小さい二酸化炭素などが用いられる。

また、真空断熱材は、内部圧力を低減し、気体に関わる熱伝導率を低減することが有効である。このために、従来の水分吸着剤の高性能化や空気吸着剤を用いることにより、熱伝導率の低減を図ることができる。

さらに、真空断熱材と発泡ポリスチレンを複合化することにより、高性能かつ高強度な断熱材が考案されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来の複合断熱材の平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。図に示すように、従来の複合断熱材は、発泡ポリスチレン１の中に真空断熱材２が埋め込まれた状態になっており、両者はホットメルト接着部において接着されている。

真空断熱材２は、芯材３を包む外被材４の周縁部が熱溶着されてシールされた状態となっており、一体成形時にはこの周縁部を折り返して真空断熱材２の上面または下面にテープ止めされている。

以上のように、熱伝導率の低い真空断熱材２を発泡ポリスチレン１の中に埋設することにより、曲げ強度および衝撃強度に優れた高性能断熱材を提供できる。
特開２００８−８４３１号公報

しかしながら、上記従来の構成では、複合断熱材は、金型内に表面にホットメルト系接着剤を塗布された真空断熱材２を配置し、そこに発泡性ポリスチレン粒子を充填する。次に金型を加熱することにより発泡性ポリスチレン粒子が発泡し、複合断熱材が成形される。発泡性ポリスチレン粒子は粒径が１ｍｍ以下と非常に小さいため、静電気や湿度による粒子間付着力の影響を受けやすく、真空断熱材２の周りに一様に充填することが困難であり、複合断熱材の品質（断熱性能）がばらつくという課題があった。

また、真空断熱材２と発泡ポリスチレン１との接着に、ホットメルト系接着剤を用いない場合は、真空断熱材２に貫通孔および切欠部を設け、上下面を発泡スチロールで繋ぐ必要であるので、部品点数と製造工程が増加することから製造コストが増大するという課題があった。

また、この発泡方法では気泡径が大きく、放射や対流による熱伝導率が比較的高くなり、断熱材としての性能を向上することが困難であるという課題があった。

本発明は、上記従来の課題に鑑み、接着剤が不要で断熱性能に優れた複合断熱材を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明の複合断熱材は、第１の断熱材の一部または全部を被覆する第２の断熱材に、超臨界流体と炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂を用いたのである。

上記構成において、ポリウレタン樹脂は接着性が高く、第１の断熱材の表面に自ら接着していく。さらに、原料には拡散性の高い超臨界流体が、高濃度で一様に混合されていくため、発泡した気泡径は微細なものとなることに加え、気泡内には比較的熱伝導率が低い炭化水素が存在する。このことから、接着剤などの付加材料を用いることなく安価な製造コストで異なる断熱材を複合化でき、さらに気泡内の放射および対流による熱伝導率を低減できることから、断熱性能の向上が可能となる。

本発明によれば、第１の断熱材の一部または全部を被覆する第２の断熱材に、溶解性、拡散性に優れた超臨界流体と比較的熱伝導率が低い炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂を用いたので、第１の断熱材と第２の断熱材とを接着するための接着剤が不要となり、低コストかつ高品質の複合断熱材を製造できる。また、第２の断熱材の内部に熱伝導率が低い炭化水素を含んだ微細気泡が無数に形成されるため、気泡を微細化して放射や対流による熱伝導を抑制して、高性能化した複合断熱材を提供できる。

請求項１に記載の複合断熱材の発明は、第１の断熱材と、前記第１の断熱材の一部または全部を被覆する第２の断熱材で構成され、前記第２の断熱材は、超臨界流体と炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂であることを特徴とするものであり、ポリウレタン樹脂は、自らが他の材料に接着する特性を有するので、第１の断熱材に接着剤を用いることなく複合化できる。また、発泡剤として拡散性に優れた超臨界流体を用いるので、ポリウレタン樹脂原料内に一様に分散し、気泡径を微細化する。同時に、比較的熱伝導率が低い炭化水素も発泡剤として用いるので、気泡内の放射および対流による熱伝導を低減できる。このため、安価な製造コストで異なる断熱材を複合化でき、さらに断熱性能を向上できる。

請求項２に記載の複合断熱材の発明は、請求項１に記載の発明における第１の断熱材に、真空断熱材を用いたものであり、真空断熱材の断熱性能は極めて高い。複合断熱材の断熱性能は、第１の断熱材と第２の断熱材のそれぞれの熱伝導率の複合熱伝導率で決まるため、内部に配置される第１の断熱材を真空断熱材にすることにより、安価な製造コストの複合断熱材の性能をさらに向上できる。

請求項３に記載の複合断熱材の発明は、請求項２に記載の発明における真空断熱材として、熱溶着層同士が対向するガスバリア性フィルムからなる外被材の間に、複数の芯材が厚み方向に垂直な方向に互いに所定間隔以上離れるように配置されて、前記外被材の間に前記芯材がない部分の前記外被材同士を密着させて、密着した前記外被材同士を熱溶着してなり、複数の前記芯材のそれぞれが互いに独立した空間に密閉されており、前記外被材同士が密着する全ての部分の前記外被材同士が熱溶着されている真空断熱材を用いたものである。

この真空断熱材は、厚み方向に見て外被材の間に芯材がある部分（芯材部）と、外被材の間に芯材が無く外被材同士が熱溶着されている部分（熱溶着部）とで厚みが異なる。ポリウレタン樹脂原料に超臨界流体を混合した場合、真空断熱材の形状が複雑になっても、原料液が低粘度化するため一様に被覆した発泡ポリウレタン層が形成されるため、安価な製造コストで高性能な複合断熱材を製造できる。

請求項４に記載の複合断熱材の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載の発明における超臨界流体として、二酸化炭素を用いたものであり、二酸化炭素は、臨界温度が３０４Ｋで、臨界圧力が７．３８ＭＰａであり、比較的容易に超臨界状態に達する。このことから、安価な製造コストで高性能な複合断熱材を製造できる。

請求項５に記載の複合断熱材の発明は、請求項１から４のいずれか一項に記載の発明における炭化水素として、シクロペンタンを用いたものであり、シクロペンタンは、冷蔵庫壁面や建材用断熱材などの発泡剤として単独で用いられている。このことから、複合断熱材を製造するにあたり、従来の設備を利用できることから、安価な製造コストで高性能な複合断熱材を製造できる。

以下、本発明の複合断熱材の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における複合断熱材の概略構成図である。

図１に示すように、複合断熱材１０１は、第１の断熱材としての単一芯材型真空断熱材１０２と第２の断熱材としての発泡ポリウレタン１０３で構成され、発泡ポリウレタン１０３は、超臨界流体と炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂であり、単一芯材型真空断熱材１０２の全部を被覆している。

単一芯材型真空断熱材１０２は、シリカ粉末やグラスウールを焼成して板状にした一つの芯材を、ガスバリア性に優れた樹脂とアルミ箔のラミネートフィルムを袋状にして作製した外被材に挿入し、内部を真空状態にしたあと開口部を熱溶着してシールした真空断熱材である。

発泡ポリウレタン１０３は、ポリオールと発泡剤としてシクロペンタンが予め混合されているポリイソシアネートを化学反応させて形成されるポリウレタン樹脂である。この化学反応は、添加する触媒量を調整することにより反応速度を制御する。また、水を共存させると、水とポリイソシアネートが尿素生成反応をし、同時に二酸化炭素が生成して、ポリウレタン樹脂を発泡する。本実施の形態では、この化学反応の直前に外部から超臨界二酸化炭素を供給する。超臨界二酸化炭素は、ポリウレタン樹脂原料への拡散性に優れ、短時間で一様に分散する。

以上のように、本実施の形態の複合断熱材１０１は、第１の断熱材（単一芯材型真空断熱材１０２）の全部を被覆する第２の断熱材（発泡ポリウレタン１０３）が、超臨界流体（二酸化炭素）と炭化水素（シクロペンタン）を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂である。

ポリウレタン樹脂は、接着性が高く、自らが他の材料に接着する特性を有するので、第１の断熱材（単一芯材型真空断熱材１０２）の表面に自ら接着していく。そのため、第１の断熱材（単一芯材型真空断熱材１０２）に接着剤を用いることなく複合化できる。また、発泡剤として拡散性に優れた超臨界流体（二酸化炭素）を用いるので、ポリウレタン樹脂原料内に一様に分散し、気泡径を微細化する。同時に、比較的熱伝導率が低い炭化水素（シクロペンタン）も発泡剤として用いるので、気泡内の放射および対流による熱伝導を低減できる。このため、安価な製造コストで異なる断熱材を複合化でき、さらに断熱性能を向上できる。

さらに、本実施の形態のポリウレタン樹脂では、原料には拡散性の高い超臨界流体が、高濃度で一様に混合されていくため、発泡した気泡径は微細なものとなることに加え、気泡内には比較的熱伝導率が低い炭化水素が存在する。このことから、接着剤などの付加材料を用いることなく安価な製造コストで異なる断熱材を複合化でき、さらに気泡内の放射および対流による熱伝導率を低減できることから、断熱性能の向上が可能となる。

また、本実施の形態では、第１の断熱材に芯材が一つの単一芯材型真空断熱材１０２を用いている。複合断熱材１０１の断熱性能は、第１の断熱材（単一芯材型真空断熱材１０２）と第２の断熱材（発泡ポリウレタン１０３）のそれぞれの熱伝導率の複合熱伝導率で決まるため、内部に配置される第１の断熱材を断熱性能は極めて高い真空断熱材にすることにより、安価な製造コストの複合断熱材の性能をさらに向上できる。

また、本実施の形態では、超臨界流体として、二酸化炭素を用いている。二酸化炭素は、臨界温度が３０４Ｋで、臨界圧力が７．３８ＭＰａであり、比較的容易に超臨界状態に達する。このことから、安価な製造コストで高性能な複合断熱材１０１を製造できる。

また、本実施の形態では、炭化水素として、シクロペンタンを用いている。シクロペンタンは、冷蔵庫壁面や建材用断熱材などの発泡剤として単独で用いられている。このことから、複合断熱材１０１を製造するにあたり、従来の設備を利用できることから、安価な製造コストで高性能な複合断熱材１０１を製造できる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における複合断熱材の概略構成図である。

図２に示すように、本実施の形態の複合断熱材１０４は、第１の断熱材としての複数芯材型真空断熱材１０５と第２の断熱材としての発泡ポリウレタン１０３で構成され、発泡ポリウレタン１０３は、超臨界流体と炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂であり、複数芯材型真空断熱材１０５の全部を被覆しており、実施の形態１の複合断熱材１０１において、第１の断熱材としての単一芯材型真空断熱材１０２の代わりに、複数芯材型真空断熱材１０５を用いたものに相当する。

そのため、実施の形態１と同様の部分については説明を省略し、実施の形態１と異なる点について説明する。

複数芯材型真空断熱材１０５は、熱溶着層同士が対向するガスバリア性フィルムからなる外被材の間に、複数の芯材が厚み方向に垂直な方向に互いに所定間隔以上離れるように配置されて、前記外被材の間に前記芯材がない部分の前記外被材同士を密着させて、密着した前記外被材同士を熱溶着してなり、複数の前記芯材のそれぞれが互いに独立した空間に密閉されており、前記外被材同士が密着する全ての部分の前記外被材同士が熱溶着されている真空断熱材である。

この複数芯材型真空断熱材１０５は、厚み方向に見て外被材の間に芯材がある部分（芯材部）と、外被材の間に芯材が無く外被材同士が熱溶着されている部分（熱溶着部）とで厚みが異なる。ポリウレタン樹脂原料に超臨界流体を混合した場合、真空断熱材の形状が複雑になっても、原料液が低粘度化するため一様に被覆した発泡ポリウレタン層が形成されるため、安価な製造コストで高性能な複合断熱材を製造できる。

また、複数芯材型真空断熱材１０５は、各芯材部が独立しているので、外被材の一部が破袋したとしても真空断熱材全体の性能低下への影響が小さいという特徴がある。このため、たとえば住宅壁面へ釘打ちなどで設置する場合に適している。

本発明に係る複合断熱材は、高性能な断熱材を安価な製造コストで製造できる。このため、建築物やコンテナなどの板状の断熱材が適用可能な物に適用できる。

本発明の実施の形態１における複合断熱材の概略構成図 本発明の実施の形態２における複合断熱材の概略構成図 従来の複合断熱材の平面図 図３のＡ−Ａ断面図

符号の説明

１０１，１０４ 複合断熱材
１０２ 単一芯材型真空断熱材
１０３ 発泡ポリウレタン樹脂
１０５ 複数芯材型真空断熱材

Claims (5)

1. 第１の断熱材と、前記第１の断熱材の一部または全部を被覆する第２の断熱材で構成され、前記第２の断熱材は、超臨界流体と炭化水素を発泡剤として発泡成形されたポリウレタン樹脂であることを特徴とする複合断熱材。
2. 第１の断熱材は、真空断熱材であることを特徴とする請求項１に記載の複合断熱材。
3. 真空断熱材は、熱溶着層同士が対向するガスバリア性フィルムからなる外被材の間に、複数の芯材が厚み方向に垂直な方向に互いに所定間隔以上離れるように配置されて、前記外被材の間に前記芯材がない部分の前記外被材同士を密着させて、密着した前記外被材同士を熱溶着してなり、複数の前記芯材のそれぞれが互いに独立した空間に密閉されており、前記外被材同士が密着する全ての部分の前記外被材同士が熱溶着されていることを特徴とする請求項２に記載の複合断熱材。
4. 超臨界流体は、二酸化炭素であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の複合断熱材。
5. 炭化水素は、シクロペンタンであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の複合断熱材。

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