JP2017129237A

JP2017129237A - 真空断熱材及び真空断熱材を用いた機器並びに芯材の製造方法

Info

Publication number: JP2017129237A
Application number: JP2016010233A
Authority: JP
Inventors: 大五郎嘉本; Daigoro Kamoto; 越後屋　恒; Hisashi Echigoya; 恒越後屋; 祐志新井; Yushi Arai; 一輝柏原; Kazuteru Kashiwabara
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2017-07-27

Abstract

【課題】断熱特性に優れた真空断熱材及び芯材及び真空断熱材を用いた機器並びに芯材の製造方法を提供する。【解決手段】ガラス繊維５を有する芯材２と、カチオン系又はノニオン系の界面活性剤を含む分散剤６と、を備える真空断熱材１。【選択図】図１

Description

本発明は、真空断熱材及び真空断熱材を用いた機器並びに芯材の製造方法に関する。

伝熱は空間中に存在する固体成分と気体成分の熱伝導、輻射、対流熱伝達により引き起こされるところ、真空断熱材は内部を減圧して気体成分を低減していることから、固体成分の熱伝導が伝熱の主要因となる。固体成分の熱伝導を抑制する方法として、芯材となるグラスウール繊維等の構造を制御し伝熱経路を少なくすることが検討されている。

例えば、芯材として多孔質体や繊維集合体を用いることで固体成分を減らすとともに、これら多孔質体や繊維の構造を制御して固体中の伝熱経路を少なくすることが知られている。

特開２０１３−２３８２８３号公報

特許文献１は、無機繊維ストランドを水に分散する際の分散剤としてポリアルキレングリコール脂肪酸エステル型のノニオン性界面活性剤を用いている（００３９等）。しかし、無機繊維ストランドの表面は水酸基を持っており、ノニオン性の界面活性剤では十分な分散性を付与することが困難である。分散性が低いと、固体成分が偏在又は連続することで固体成分間の伝熱が生じやすくなり、非繊維構造や非多孔質体に比較的近い構造となり、断熱性能がさほど優れたものではなくなってしまう。

上記事情に鑑みてなされた本発明は、ガラス繊維を有する芯材と、カチオン系又はノニオン系の界面活性剤を含む分散剤と、を備える真空断熱材である。

本発明によれば、断熱特性に優れた真空断熱材、真空断熱材を備えた機器及び芯材を提供できる。

実施例１の真空断熱材の断面模式図比較例１の真空断熱材の断面模式図実施例１の真空断熱材を用いた冷蔵庫の断面模式図実施例１又は２の真空断熱材を用いたヒートポンプ給湯器の断面模式図

スペーサの役割を持つ芯材は熱伝導率低減の観点から空隙率の高い部材を用いることが望ましい。また、芯材中の空隙は減圧により気体を除去できるように、空間が連続的につながった形状であることが望ましい。このような特性をもつ材料の例として、無機材料を繊維化し集積した繊維集合体等がある。ソーダライムガラス等のガラスを原料とし、溶融したガラス材料を延伸法や火炎法などにより繊維化することで作製され、繊維化後は吸引機能を持ったコンベア等で集積される。

溶融紡糸により作製した繊維を水に分散した後、抄造法でシート化することでも繊維集合体を作製可能である。実施例に手詳細を説明する湿式法において繊維を水に分散する際には、分散剤が必要となるが、ガラス繊維の表面状態を考慮した分散剤を選択することが重要である。ガラス繊維は前述の様にソーダライムガラス等を原料としており、非晶質の金属酸化物からなるものである。このことから、ガラス繊維の表面は金属酸化物結合の端部にある酸素に水素が結合した水酸基が存在し、マイナスにチャージしている。一方、分散剤の種類としては、カチオン系（陽イオン性）、アニオン系（陰イオン性）ノニオン系（非イオン性）が挙げられる。分散剤は繊維の表面に吸着し、表面の状態が変化することで分散性付与等の作用が発現することから、マイナスにチャージしているガラス繊維に対しては、陰イオン性であるアニオン性より陽イオン性であるカチオン性を用いることが好ましい。また、ノニオン系（非イオン性）分散剤も用いることができる。すなわち、ガラス繊維表面には水酸基があり、マイナスチャージであることからカチオン系（陽イオン性）の界面活性剤を用いることが最も好ましく、ノニオン系（非イオン性）の界面活性剤を用いることが次に好ましい。

カチオン系界面活性剤としては、ポリオキシエチレンアルキルアミン・乳酸塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等のアルキルアミン塩や、四級アンモニウム塩が挙げられる。後述する実施例が示す熱伝導率（指数）に照らすと、ポリオキシエチレンアルキルアミン・乳酸塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩又はアルキルベンジルジメチルアンモニウム塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩の順に好ましい。

また、非イオン系の界面活性剤としては、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、アルキルモノグリセリルエーテル等を使用することができるが、特に、ポリビニルアルコールが好ましい。

芯材を包むガスバリア性を有する外包材は表面保護層、ガスバリア層、および熱溶着層によって構成し、それぞれ１種類以上のフィルムを積層して用いることができる。

表面保護層としては、ポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリアミドフィルム、ポリプロピレンフィルム等の延伸加工品、ガスバリア層としては、金属蒸着フィルム、無機質蒸着フィルム、金属箔等、熱溶着層としては、低密度ポリエチレンフィルム、高密度ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム、無延伸ポリエチレンレテレフタレートフィルム、直鎖状低密度ポリエチレンフィルム等を用いることができる。

また、芯材とともに減圧封止後の残存ガスおよび水分を吸着するゲッター剤を同包することもできる。

ゲッター剤としては、モレキュラーシーブス、シリカゲル、酸化カルシウム、合成ゼオライト、活性炭、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、水酸化リチウム等を用いることができる。

本開示における真空断熱材は、芯材がガラス繊維と、カチオン系界面活性剤又は非イオン性の界面活性剤の少なくともいずれか一つを含むことができる。これにより、湿式抄造後に残留する界面活性剤が少なくなり、固体の熱伝達に与える影響が小さくなり、熱伝導率を低くすることが可能となる。

さらに、界面活性剤が繊維集合体に対して０．５重量部以下の含有量であることができる。これにより、湿式抄造後に残留する界面活性剤が少なくなり、固体の熱伝達に与える影響が小さくなり、熱伝導率を低くすることが可能となる。

さらに、芯材を湿式抄造法で作製できる。これにより、いわゆる乾式芯材に比して分散剤の効果を良く得ることができる。また、均一な繊維集合シートを作製することが可能となり、真空断熱材の熱伝導率を低くすることが可能となる。

さらに、芯材の平均繊維径を１０μｍ以下にできる。これにより、固体分の熱伝導を抑制でき、真空断熱材の熱伝導率を低くすることができる。

さらに、上記の真空断熱材を断熱が必要な機器に用いることができる。

以下、本発明の実施例を添付の図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本実施例の真空断熱材１の断面模式図である。真空断熱材１は、ガラス繊維５が分散した芯材２、芯材２を内部に収納する外包材３、ゲッター剤４、及び分散剤６を有する。

芯材２の一例であるガラス繊維５の集合体（繊維集合体）は、ソーダライムガラスを遠心法により溶融紡糸した平均繊維径５．０μｍのグラスウール繊維を抄紙法で多層シート化したグラスウールシートである。グラスウールシートは、以下のようにして作成した。まず、繊維の濃度を溶媒の重量に対して０．１重量パーセントとした水を溶媒とする水溶液を用意するとともに、分散剤６としてカチオン系であるポリオキシエチレンアルキルアミン乳酸塩を用意した。分散剤６は繊維の重量に対して０．１重量パーセントとした。離解機（熊谷理機工業製回転数２０００ｒｐｍ時間２分間）を使用して分散液を作製した。その後、これらの繊維水溶液を角型手すき装置（熊谷理機工業製抄紙サイズ２５０×２５０ｍｍ）を用いてシート状に成型した。その後、成形したシートを１５０℃の温度で２０分間乾燥させた。このように、水溶液中に分散させた繊維集合体を抄いた後乾燥させる工程を含む製造方法を湿式抄造法と呼称する。

作製したグラスウール繊維シートの目付は１８０ｇ／ｍ^２となった。目付とはシート状のグラスウール１ｍ²あたりの重量である。

次に、成形したシート状の芯材２（グラスウールシート）を１５枚積層して多層化したものを外包材３に入れ真空封止を行った。外包材３は多層構造となっており、保護層としてナイロンフィルム（厚さ２５×１０^-6ｍ）、ガスバリア層としてアルミの蒸着層を形成したポリエチレンテレフタレートフィルム（厚さ１２×１０^-6ｍ）およびアルミ蒸着層を形成したエチレンビニルアルコール共重合体フィルム（厚さ１５×１０^-6ｍ）、熱溶着層として高密度ポリエチレンフィルム（厚さ５０×１０^-6ｍ）を用いている。これらをドライラミネート法で積層した４層構成からなる。

略長方形状の積層フィルムを熱溶着層同士が接触するように２枚重ね、長辺方向の１辺を残し、３辺をヒートシールにより接着して袋状としたものを準備した。

ゲッター剤４としては合成ゼオライト（重量１０ｇ）を用いた。乾燥により水分を除去した芯材２とゲッター剤４を一緒に袋状の外包材３中に入れた後、減圧用のチャンバー内にセットし減圧操作を行った。減圧操作は油回転ポンプで５分間行い、続いて油拡散ポンプで５分間行った。減圧操作が終了した後、開口部（ヒートシールされていない１辺）を熱溶着により接着し封止した。

このようにして作製した真空断熱材１の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材１の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果、９０（後述する比較例１に記載の真空断熱材を１００とした場合の指数）と非常に低い値であった。

さらに同様の方法で種々の大きさの真空断熱材１を作製し、これを搭載した冷蔵庫８を作製した。冷蔵庫８の断面模式図を図３に示す。冷蔵庫外箱９または冷蔵庫内箱１０に真空断熱材を張り付けた後、冷蔵庫外箱８と冷蔵庫内箱９を組み合わせ、形成された隙間に発泡ウレタン１１を注入し冷蔵庫箱体を作製した。冷蔵庫扉１２についても冷蔵庫箱体と同様に作製した。作製した冷蔵庫箱体と冷蔵庫扉、コンプレッサー１３、熱交換機、電気品等の部品とを用いて冷蔵庫を作製し消費電力を測定したところ、真空断熱材を用いない場合と比較して約４０％低くなった。このことから、本実施例の真空断熱材を用いることで、機器の消費電力を低く抑えられることが明らかとなった。なお、本開示における各実施例及び比較例の概要を表１に纏めた。

実施例２の構成は、以下の点を除き実施例１と同様にできる。

本実施例は、分散剤６として、カチオン系であるアルキルトリメチルアンモニウム塩を使用した。分散剤６は、繊維の重量に対して０．１重量パーセントとした。

作製したグラスウール繊維シートの目付けは１８０ｇ／ｍ^２となった。作製した真空断熱材１の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材１の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果、９２と非常に低い値であった。

複数枚の真空断熱材を用いてヒートポンプ給湯器１３を作製した。断面模式図を図４に示す。ヒートポンプ給湯器の貯湯タンク１０にはヒートポンプユニットで暖められたお湯が貯められており、お湯を使用しない場合にタンク内の湯温が低下すると沸かし直しを行う必要があるため、給湯器の成績係数（ＣＯＰ：Coefficient of Performance）が低下してしまう。本実施例の真空断熱材１を適用した場合ＣＯＰに約１０％の改善が確認された。このことから、機器の消費電力を低く抑えられることが明らかとなった。

実施例３の構成は、以下の点を除き実施例１又は２と同様にできる。

本実施例は、分散剤６として、カチオン系であるジアルキルジメチルアンモニウム塩を使用した。分散剤６は、繊維の重量に対して０．１５重量パーセントとした。

作製したグラスウール繊維シートの目付けは１８０ｇ／ｍ^２となった。作製した真空断熱材１の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材１の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果、９１と非常に低い値であった。

実施例４の構成は、以下の点を除き実施例１乃至３と同様にできる。

本実施例は、分散剤６として、カチオン系であるアルキルベンジルジメチルアンモニウム塩を使用した。分散剤６は、繊維の重量に対して０．１２重量パーセントとした。

実施例５の構成は、以下の点を除き実施例１乃至４と同様にできる。

本実施例は、分散剤６として、ポリビニルアルコールを使用した。分散剤６は、繊維の重量に対して０．４５重量パーセントとした。

作製したグラスウール繊維シートの目付けは１８０ｇ／ｍ^２となった。作製した真空断熱材１の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材１の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果、９５と非常に低い値であった。

比較例１

真空断熱材１は芯材２とゲッター剤４および外包材３を用いて作製した。芯材２はソーダライムガラスを溶融し、延伸により繊維化し集積したグラスウールマット（サイズ２５０×２５０ｍｍ）からなる。グラスウールマットの目付は２７００ｇ／ｍ²のものを用いた。すなわち、芯材２は湿式抄造法によって製造されたものではなく、公知の乾式法によって製造された物を用いた。その他の点は実施例１と同様にした。例えば、外包材３は、実施例１と同様に作成した。ゲッター剤４は実施例１と同一の物質及び質量を用いた。

作製した真空断熱材２の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材２の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果を１００（指数）とする。

比較例２

比較例２では、分散剤６として、ノニオン系であるヘキサメタリン酸ナトリウムを使用した。分散剤６は、繊維の重量に対して０．１重量パーセントとした。その他の点は実施例１と同様にした。

作製したグラスウール繊維シートは繊維の塊が多く、均一な状態とはならなかった。作製した真空断熱材１の厚さは１０ｍｍであった。作製した真空断熱材１の熱伝導率を英弘精機（株）製のＡＵＴＯ−Λを用いて平均温度１０℃で測定した結果、１０１であった。

１…真空断熱材
２…芯材
３…外包材
４…ゲッター剤
５…ガラス繊維
６…分散剤（カチオン系）
８…冷蔵庫
９…冷蔵庫外箱
１０…冷蔵庫内箱
１１…発泡ウレタン
１２…冷蔵庫扉
１３…コンプレッサー
１４…ヒートポンプ給湯器
１５…貯湯タンク
１６…逃し弁
１７…漏電遮断器
１８…逃し弁操作バルブ
１９…排水操作バルブ
２０…排水管
２１…元栓
２２…給水管
２３…止水バルブ
２４…給湯配管
２５…ヒートポンプユニット
２６…貯湯タンクユニット

Claims

ガラス繊維を有する芯材と、
カチオン系界面活性剤を含む分散剤と、を備える真空断熱材。
前記分散剤は、ポリオキシエチレンアルキルアミン・乳酸塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等のアルキルアミン塩、四級アンモニウム塩から成る群の何れか１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
前記分散剤は、ポリオキシエチレンアルキルアミン・乳酸塩、アルキルトリメチルアンモニウム塩、ジアルキルジメチルアンモニウム塩、アルキルベンジルジメチルアンモニウム塩等のアルキルアミン塩から成る群の何れか１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。
ガラス繊維を有する芯材と、
ノニオン系界面活性剤を含む分散剤と、を備える真空断熱材。
前記分散剤は、ポリビニルアルコール、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、脂肪酸ソルビタンエステル、アルキルポリグルコシド、脂肪酸ジエタノールアミド、アルキルモノグリセリルエーテルから成る群の何れか１種又は２種以上を含むことを特徴とする請求項４に記載の真空断熱材。
前記分散剤は、ポリビニルアルコールを含むことを特徴とする請求項４に記載の真空断熱材。
ガラス繊維及びカチオン系界面活性剤又はノニオン系界面活性剤を含む分散剤を準備する工程と、
前記ガラス繊維及び前記分散剤を含む水溶液を抄く工程と、を含む芯材の製造方法。
前記界面活性剤が繊維集合体に対して０．５重量部以下の含有量であり、
前記芯材は、湿式抄造法で作製された多層化した繊維集合体を含み、
前記芯材の平均繊維径が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項７に記載の製造方法。
請求項１乃至６何れか一項に記載の真空断熱材を備えた機器。