JP4679324B2 - 断熱材 - Google Patents
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Description
しかし、切り込み溝を形成する上記文献に記載の技術では、断熱成形体に切り込み溝を形成させるための加工や、真空を維持する構造が必要であり、それらに加えて、自由な形状には適用することができないという加工面やコスト面での問題があった。
本発明の他の目的は、より容易に目的とする形状に加工・成形することができ、優れた断熱性を有する断熱材を提供することにある。
少なくとも無機繊維からなる中空成形体と、
上記中空成形体の中空部に充填された、少なくとも無機粉体からなる充填材とから構成されていることを特徴とする。
上記中空成形体は、さらに無機粉体を含むことが望ましく、また、上記充填材は、さらに無機繊維を含むことが望ましい。
上記中空成形体は、湿式成形により得られた成形体であることが望ましい。
従って、本発明の断熱材を一体型成形体により構成した場合には、複数の断熱材を組み合わせた際に生じる断熱材同士の隙間が存在せず、また、分割型成形体により構成した場合であっても分割された成形体の数が極めて少なく、やはり断熱材同士の間での隙間の発生を極力抑制することができる。さらに、断熱材と被断熱体との間での空隙の発生を防止することができるので、本発明の断熱材では、断熱材外部への熱の漏洩がなく、優れた断熱性能を発揮させることができる。
特に、本発明の断熱材は、円筒状の外形状を有する燃料電池用改質器に対して有効に適用することができ、使用上の安全性やコストパフォーマンスを向上させることができる。
上記中空成形体の中空部に充填された、少なくとも無機粉体からなる充填材とから構成されていることを特徴とする。
上記中空成形体は、少なくとも無機繊維からなる。
上記無機繊維としては、例えば、シリカ−アルミナ繊維、アルミナ繊維、シリカ繊維、ジルコニア繊維、ガラス繊維、及び、チタン酸カリウムウィスカ繊維等が挙げられる。これらの無機繊維は、耐熱性・強度・入手容易性等の点で望ましい。上記無機繊維は、単独で使用してもよいし、2種以上組み合わせて使用してもよい。
上記無機繊維のうち、耐熱性・取り扱い性の観点から、特にシリカ−アルミナ繊維が望ましい。
上記無機繊維の平均繊維長が0.1mm未満であると、無機繊維同士の絡み合いが生じにくく、得られる中空成形体の機械的強度が低下する場合があり、一方、50mmより長いと、補強効果は得られるものの無機繊維同士が緊密に絡み合うことができなったり、単一の無機繊維だけで丸まったりし、それにより連続した空隙が生じやすくなるので断熱性の低下を招くおそれがある。
上記無機繊維の平均繊維径が1μm未満であると、無機繊維自体の機械的強度が低下し、一方、10μmより大きいと、無機繊維を媒体とする固体伝熱が増加して断熱性が低下することがあるからである。
本発明の断熱材を構成する中空成形体は、少なくとも無機繊維を含んでいればよく、このような中空成形体の使用により本発明の断熱材としての効果を発揮させることができるが、さらに無機粉体を含むことが望ましい。
中空成形体が上記無機粉体をさらに含むことによって、輻射伝熱を効率的に抑制することができ、また、無機繊維が絡み合って生じた構造中の連続した空隙を分断することができるので、中空成形体における対流伝熱をも有効に低減させることができる。
上記無機粉体を組み合わせて使用する場合、好ましい組み合わせとしては、TiO2粉体とSiO2粉体との組み合わせ、TiO2粉体とBaTi3粉体との組み合わせ、SiO2粉体とBaTi3粉体との組み合わせ、又は、TiO2粉体とSiO2粉体とBaTi3粉体との組み合わせが挙げられる。
この配合量が5重量%未満では、無機繊維による補強効果が得られず中空成形体又は断熱材の取り扱い性、機械的強度が低下してしまう。一方、50重量%を超えると、中空成形体を構成する無機繊維が絡み合った構造において連続した空隙が多く存在することになり、対流伝熱、分子伝熱、輻射伝熱が増大するので断熱特性が低下してしまう。
無機粉体の配合量が上記範囲にあると、無機繊維による補強効果を維持しつつ、輻射伝熱を低減することができ、さらに、無機繊維の交絡構造中の連続した空隙を分断することによる対流伝熱低減効果を得ることができる。
上記無機粉体の平均粒径が0.5μm未満では断熱材の製造が困難になるばかりでなく、輻射熱の散乱が不十分になり、断熱材の熱伝導率が上昇(すなわち、断熱性が低下)してしまう。一方、平均粒径が20μmより大きい無機粉体を用いると、断熱材中に生じる空隙が極めて大きくなってしまうため、対流伝熱及び分子伝熱が増大し、この場合も熱伝導率が上昇してしまう。
なお、無機粉体の形状としては、平均粒径が上記範囲内にあれば特に限定されず、例えば、球体、楕円体、多面体、表面に凹凸や突起を有する形状及び異形体等の任意の形状が挙げられる。
上記無機粉体は、輻射熱の散乱材として極めて重要な役割を有しており、屈折率が大きいほど、輻射熱をより効果的に散乱させることができる。また、比屈折率については、フォノン伝導の抑制について極めて重要であり、この値が大きいほど抑制効果が良好である。従って、本発明においては、無機粉体の望ましい比屈折率の値は1.25以上である。
室温での固体熱伝導率が18kcal/m・h・℃より大きい無機粉体を原料として用いると、断熱材中において固体伝熱が支配的になり、熱伝導率が上昇(断熱性が低下)してしまう。
この無機結合材は、中空成形体の構成材料の合計重量に対し、1〜10重量%の範囲で必要に応じて使用することができる。上記無機結合材の使用態様としては、例えば、原料中に混合したり、もしくは得られた断熱材へ含浸したりして使用することができる。
上記有機弾性物質は、構成材料として含まれていても、含まれていなくてもよいが、構成材料として含まれている場合、その配合量が5重量%を超えると、700℃以上の高温域で使用する際に有機弾性物質が焼失し、空隙が著しく増大するため、断熱性が低下してしまう。
中空成形体の形状としては、中空部を有している限り特に限定されず、立方体、直方体、平板状、円盤状、円柱型、二重管形状型、三重管形状型、ドーナツ型、球状等の任意の形状が挙げられる。このような中空成形体で構成されている本発明の断熱材は分割する必要がないので、曲面形状を有する被断熱体に対しても一体的かつ全体的に隙間なく組み付けることができる。
上記中空成形体の壁厚が3mm未満であると、充分な機械的強度を断熱材に付与することができず、一方、20mmを超えると、中空成形体の成形自体が困難となることに加えて、中空部に充填する充填材の充填量が減少し,充填材による断熱作用が低下するおそれがある。
特に、上記の場合であっても、本発明の断熱材では、中空成形体を構成する無機粉体は無機繊維が絡み合った構造に包摂されているので、無機繊維間から容易には外部に脱出しない。ただ、使用環境によっては非常に強い衝撃等が断熱材に負荷されて、無機粉体が空気中に脱出する可能性も考えられるので、無機粉体を包摂した部分の無機繊維構造を緻密化し、無機粉体が脱出しないようにしてもよい。
このかさ密度が0.35g/cm3未満では、対流伝熱及び分子伝熱が増大し、一方、0.45g/cm3を超えると固体伝熱が増大するために熱伝導率が上昇し、いずれの場合も断熱性が低下することになる。
上記中空成形体の中空部は、中空成形体の内部に形成された、充填材を充填することのできる閉じた空間である。
上記中空部は、通常、中空成形体の内部に一区画(すなわち、中空成形体の内部に閉じた空間が1つのみ)で形成されているが、一区画に限定されず、二区画以上の多区画に形成されていてもよい。
上記中空部を多区画に形成することにより、全体として多区画構造及び/又は多層構造を有する断熱材を構成することができる。
中空成形体の中空部に充填される充填材は、少なくとも無機粉体からなる。
上記無機粉体としては、上記中空成形体の説明において記載した無機粉体を好適に使用することができる。上記無機粉体は単独で又は2種以上組み合わせて使用してもよい。無機粉体を組み合わせて使用する場合、望ましい組み合わせについては、上記中空成形体の説明において記載した無機粉体の組み合わせを使用することができる。上記少なくとも無機粉体からなる充填材を中空部に充填することで、対流伝熱、分子伝熱、輻射伝熱を効率的に抑制することができる。
上記充填材が無機繊維をさらに含むと、無機粉体のみでは反射又は分散させることができなかった波長の光を反射又は分散させることができ、本発明の断熱材の断熱性を補強的に向上させることができる。
充填材に含まれる無機繊維としては、上述の中空成形体の説明において記載した無機繊維を使用することができる。上記無機粉体と同様、無機繊維も単独で又は組み合わせて使用してもよい。
充填材のかさ密度が0.15g/cm3未満では、振動等の外的作用により充填材が再充填されて空隙部分が大きくなり、断熱性が低下する可能性がある。一方、0.4g/cm3を超えると、固体伝熱の影響が大きくなって断熱性が低下する可能性があり、また、断熱材全体の熱容量が大きくなって蓄熱量が増加するので、全体を加熱する際のエネルギーが大きくなってしまう。
充填材が上記材料の混合物である場合にはもとより、かさ密度は混合物全体のかさ密度をいう。
〔断熱材の製造方法〕
本発明の断熱材は、少なくとも無機繊維からなる中空成形体を型成形して中空成形体を作製し、上記中空成形体の中空部に、少なくとも無機粉体を充填して充填材を形成することにより製造される。上記中空成形体は、乾式成形法又は湿式成形法のいずれによっても製造することができ、以下に、中空成形体をそれぞれの成形法により得る場合の本発明の断熱材の製造方法を説明する。
まず、乾式成形法では、上記無機繊維及び必要に応じて無機粉体や無機結合材、有機弾性物質を所定の割合でV型混合機等の混合機に投入し、充分に混合した後、所定の型内に混合物を投入し、プレスすることにより一部に開口を有する中空成形体を得る。プレス時には、必要に応じて加熱してもよい。
上記中空成形体は、中空部を有するように一体成形してもよく、必要に応じて分割成形して、得られる分割成形物を複数組み合わせることにより、中空成形体を製造してもよい。
また、プレス時の加熱温度としては、上記有機弾性物質を含む場合は200〜400℃の範囲であることが望ましく、上記有機弾性物質を含まない場合は400〜700℃の範囲であることが望ましい。この範囲であると、適度な加工性を維持しながら、充分な断熱性も保つことができる。
なお、上記成形物は、無機接着剤等により上記開口を塞ぐように固定すればよい。また、充填材を充填する前に、得られた成形体や成形物に無機結合材を含浸しておくことも可能である。
次に、湿式成形法では、上記無機繊維及び必要に応じて無機粉体や無機結合材を水中で混合撹拌して充分に分散させ、その後、凝集剤として硫酸アルミニウム水溶液等を添加し、無機繊維に無機粉体や無機結合材を添着させた一次凝集体を得る。次に、必要に応じて有機弾性物質のエマルジョン等を所定の範囲内で上記水中に添加した後、カチオン系高分子凝集剤を添加することにより凝集体を含むスラリーを得る。
ここで、中空成形体の構成材料としてさらに有機弾性物質を使用する場合、硫酸アルミニウム水溶液と有機弾性物質の添加順序を逆にすると無機結合材が繊維に添着されにくくなり、高温時の強度維持が著しく困難になるので充分注意する必要がある。
ここで、乾燥前の中空成形体の含水率は200%以下であることが望ましく、200%を超える含水率では、乾燥時に中空成形体の収縮が起こり所定の寸法が得られにくくなる場合がある。
このように、本発明の構成を有する断熱材においては、断熱性と成形性・加工性とをバランスよく両立させることができる。
なお、有機弾性物質を用いて湿式成形法にて製造された中空成形体については、柔軟性を効率的に向上させることができる。
燃料電池は、水素と酸素を燃料とするエネルギー供給源であり、クリーンな発電システムとして注目されている。燃料となる水素は、改質器において都市ガスやアルコール類を触媒反応により水素に変換することで得られる。このとき、燃焼による触媒反応に必要な触媒温度が、600〜900℃程度と高熱であり、改質器外側を断熱する必要がある。
円筒形状の改質器2の外周に、二重管形状の本発明の断熱材1が隙間なく組み付けられている。また、断熱材1は、中空成形体3と、その内部の中空部に充填された充填材4とで構成されている。断熱材1の長手方向の長さや内径は、使用される改質器のサイズに応じて調整することができる。
従って、本発明の断熱材は、定置用の発電システムに使用される燃料電池用改質器だけでなく、燃料電池自動車等のスペースが限られた発電システムにおいて使用される燃料電池用改質器にも有効に適用することができる。
必要量の水に、中空成形体を構成する無機繊維として、シリカ−アルミナ系セラミックファイバーから粗大粒子を除いた、いわゆる脱ショットバルク(イビデン株式会社製:商品名イビウール)を添加し解繊させた。
また、実施例6で得られた一体成形型断熱材の内側にヒーターを配し、温度を800℃に加熱したところ、断熱材外周壁の温度は約50℃であり、優れた断熱性能を示した。
市販されている厚さ50mmの平板状のマイクロポーラス系断熱材(日本マイクロサーム社製:商品名マイクロサーム)を、機械加工により内径90mm、外径200mmの円盤状に加工し、これを6段積み重ねることにより高さ300mmとして、実施例と同形状の多分割型断熱材とした。
実施例と同様の手順で、セラミックファイバー83重量%、TiO2粉末14重量%、コロイダルシリカ3重量%を水中で混合撹拌し、凝集剤として硫酸アルミニウム水溶液を添加して一次凝集体を得た後、カチオン系高分子凝集剤を添加し再度凝集させることによりスラリーを調整した。上記スラリーを金型成形により、内径90mm、外径200mm、高さ300mmの実施例と外形が同形状で中実の成形体を得た。従って、比較例3の成形体には、図1(a)において充填材4が充填される中空部は存在しない。
2 改質器
3、13、23 中空成形体
4 充填材
Claims (4)
- 無機繊維及び無機粉体からなる中空成形体と、
前記中空成形体の中空部に充填された、少なくとも無機粉体からなる充填材とから構成されている断熱材であって、
前記中空成形体を構成する材料の合計重量に対して、前記無機繊維の配合量は、5〜50重量%であり、前記無機粉体の配合量は、50〜95重量%であることを特徴とする断熱材。 - 前記充填材は、さらに無機繊維を含む請求項1に記載の断熱材。
- 前記充填材のかさ密度が、0.15〜0.4g/cm3である請求項1又は2に記載の断熱材。
- 前記中空成形体は、湿式成形により得られた成形体である請求項1〜3のいずれかに記載の断熱材。
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