JP4895597B2 - 高性能断熱構造 - Google Patents
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特に、極低温の液化天然ガスや液化石油ガスの貯蔵タンクに施す断熱材において、断熱材を薄く軽量に形成することができれば断熱材原料の節約ばかりでなく、運搬船にタンクを搭載する場合に運行経費の節減に結びつくので効果が大きい。
なお、断熱材の赤外線透過を減少させる方法として、発泡体内に赤外線減衰剤材を混入することが効果があることが知られている。赤外線減衰剤は赤外線反射物質もしくは赤外線吸収物質で、たとえばアルミニウムなどの金属の粒状フレーク、カーボンブラック、グラファイト、二酸化チタンなどが使用される。
なお、特許文献2には、発泡体に赤外線減衰剤を混入した上で、気泡径を70μm以下にすることにより、顕著に熱伝導率が低下することが開示されている。特に、平均気泡径が1.0μm以下であるとき、および気泡が絶対圧力0.1Torr(約13Pa)以下に排気されているときに最も大きな熱伝導率低下が見られる。
発泡体材料は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エーロゲル、セラミックス、ガラスなど、各種の有機及び無機の材料を含む。なお、これら発泡体材料には、必要に応じて公知の発泡剤が添加される。
たとえば硬質ウレタンフォームでは、フォームとしての密度が約35kg/m3程度で熱伝導率が最低になり、密度がそれ以下に減少すると熱伝導率が急激に増加する。
したがって、たとえば密度を10〜30kg/m3、特に20kg/m3程度にして使用する場合に針状単結晶を添加すると効果が高い。10kg/m3以下では固体比率が低くなりすぎて破損しやすくなり、30kg/m3以上では赤外線透過率が大きくないので本発明固有の効果が余り期待できない。
本発明において使用するウィスカーは径が1μmに近いので、この条件に適合する。
これに対して、ウィスカーは、適度な反射率と吸収率を持って赤外線の透過率を低下させ、また熱伝導率も高くないため、断熱材の熱伝導率を実質的に低下させることができる。
低温断熱部材は、発泡体を発泡させて作った気泡で全体を形成した断熱材からなる。気泡はごく微細で、大部分が互いに連通した連続気泡になっていることが好ましい。雰囲気を真空にする場合は、連続気泡は雰囲気と連通して内部も真空になるので、ガスの対流による伝熱が排除され熱伝導率は十分に低い。対流のない自由分子熱伝導の領域では伝導伝熱量は圧力に比例し、完全真空ではゼロになる。
クライオポンプに負荷をかけず簡単に到達する水準として1000Paで運転するとすれば、平均自由行程はほぼ7μmになり、100Paで運転すれば70μm程度になる。
赤外線遮断物質として好ましいものには、カーボンウィスカーや酸化亜鉛ウィスカーなどの針状単結晶がある。なお、針状単結晶に代えて、炭素繊維などの細長い硬質繊維物体でも良い。また、防水・防湿シートなどによる保護が十分であるときなど高温断熱部材に高い強度が要求されないときは、針状単結晶を酸化鉄粉末に置き換えてもよい。
このような高性能断熱材は、単位体積当たりの重量が小さいのに断熱効率がよいので、使用量を抑えることができ、また高温断熱部材の重量も軽減する。
図1は本発明の高性能断熱材の1実施例を表わす概念的な構成図、図2は本実施例に使用する赤外線遮断物質の比較表、図3は高性能断熱材の赤外線透過率の測定例を示すグラフ、図4は高性能断熱材の赤外線反射率の測定例を示すグラフ、図5は高性能断熱材の性能を説明する表、図6は本発明の第2実施例に係る高性能断熱構造を概念的に説明する断面図である。図7は硬質ウレタンフォームの密度と熱伝導率の関係を示す図である。
発泡体材料は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、エーロゲル、セラミックス、ガラスなど、各種の有機及び無機の材料などで、これら発泡体材料にはそれぞれ適合する発泡剤が添加される。発泡剤には、二酸化炭素、窒素、アルゴン、水、空気、ヘリウムなどの無機発泡剤、メタン、プロパン、ブタンなどの脂肪族炭化水素やハロゲンか炭化水素などの有機発泡剤、アゾジカルボンアミド等化学作用による発泡剤がある。
気泡の大きさを内部ガスの平均自由行程程度の径を持つように調整すると、ガス伝導熱Qgは、たとえばガス静止伝導熱の1/3以下になり断熱材10の熱伝導率を効果的に低下させる。
また、気泡はそれぞれ独立した空間として形成される場合と、互いに連続して気通するように形成される場合がある。連続気泡は雰囲気を排気することにより容易に真空状態にすることができる。気泡中の気体分子密度が低いほど熱伝導率が低下するので、連続気泡にして雰囲気を真空にすることが好ましい。
断熱材10の伝熱量Qは、樹脂などで形成されるマトリックス内を伝導する固体伝導熱Qs、気泡中のガスにより伝導するガス伝導熱Qg、および断熱材を透過する赤外線による輻射伝熱Qrの和になる。すなわち、
Q=Qs+Qg+Qr
と表わすことができる。
そこで、低密度の断熱材10で見かけの熱伝導率を低減させるためには、輻射伝熱Qr、あるいはガス伝導熱Qgを低減させることが必要になる。
従来から、赤外線吸収能が大きくほぼ完全に赤外線を遮断するカーボンブラックなどを添加して輻射伝熱Qrを低減し熱伝導率を低下させた断熱材があるが、本実施例の高性能断熱材では、むしろ適度な散乱と吸収を行わせることによって、断熱材の熱伝導率をさらに効果的に低減することに成功したものである。
断熱材としてウレタンフォームを使い、サンプル材は、P液(ポリオール)とI液(イソシアネート液)の2液混合法により作製した。上記添加剤は、2液の混合時に添加し、発泡ガスとしてフロンHFC14bを使って発泡させた。サンプル材のかさ密度は約20kg/m3、気泡率は約98%であった。なお、気泡率は、
気泡率(%)=(1−(見かけ密度)/真密度)×100(%)
により求めた。
比較対象のカーボンブラックは、径が0.04μmの粒子で赤外線吸収機能が強い。
酸化鉄粒体はカーボンブラックより粒度が大きいこともあり、赤外線の散乱効果が大きい。
カーボンウィスカーは、径が0.3〜0.6μm、長さが5〜15μmの針状の粒体で、補強材としての機能も有する。酸化亜鉛ウィスカーは、径が0.2〜0.3μm、長さが2〜50μmの針状の粒体で、補強機能を有する。
サンプルは30mm×30mm×5mmのサイズで、各添加剤は発泡体材料に対していずれも5重量%添加して比較が容易にできるようにした。
一方、同じ範囲における赤外線反射率を見ると、ブランクサンプルに対して酸化亜鉛ウィスカー添加のサンプルが高い反射率を示し、酸化鉄粉末とカーボンウィスカーがブランクサンプルに対してほぼ半分程度に低下し、カーボンブラックを添加したサンプルが最も小さい反射率を示す。
これらの測定結果から下の式を用いて吸収率を求めることができる。
吸収率=1−透過率−反射率
これら光線の透過率、反射率、吸収率の測定結果を用いて、0.8〜2.5μmの近赤外線領域において平均値を算出し、図5に、これらの平均値と、測定した見かけの熱伝導率と、熱伝導率の低減率を示した。
また、酸化亜鉛ウィスカー添加断熱材は赤外線の透過率も反射率も大きいところが無添加断熱材(ブランク)と似ているが、透過率が大きく低減し、熱伝導率は無添加断熱材に対して19%減少している。
なお、カーボンブラックを添加した断熱材は、赤外線はほぼ遮断するが、熱伝導率は9.4%減少するだけで、他の添加剤と比較すると寄与が小さいことが分かる。カーボンブラック自体が高い固体熱伝導率を有するためと考えられる。
カーボンブラック添加断熱材では、低密度になると薄膜隔壁に粒状体が混入するため脆くなる畏れがあるが、ウィスカー添加の断熱材は、ウィスカーの補強効果が見込めるので、断熱材の見かけの密度を大幅に低下させても強度が維持できる。
一方、酸化鉄添加断熱材では熱伝導率低減効果は大きいが、添加物が粒状体なので、脆性が大きくなって断熱材が破損しやすい。したがって、酸化鉄添加断熱材は、強度を問題にしない部分に利用することにより大きな効果が期待できる。
気泡内の圧力が小さいほどガス伝熱は小さいので、気泡内圧力をできるだけ低くする。気泡内を低圧力にするためには、発泡を真空下で行う方法がある。また、連続気泡を形成して外部と連通させ、外部の雰囲気を真空にして気泡内を真空にする方法がある。
また、高性能断熱材の見かけ密度が同じであれば気泡が細かいほど熱伝導率が低下する。気泡中のガス対流を抑制し伝熱を抑えるからである。そこで、気泡の径はできるだけ小さくすることが好ましい。なお、同じ見かけ密度で気泡径を小さくすると気泡の仕切壁が薄く弱くなるが、ウィスカーを添加することにより補強することができる。
本実施例の高性能断熱材は、住宅用、家電用など各種の用途に利用できるが、特に低温貯蔵容器の断熱材としてあるいはその構成部品として最適に利用することができる。
本実施例の高性能断熱構造は、液化天然ガス貯蔵槽や液化石油ガス貯蔵槽など、極低温構造物の表面を被覆して保冷する断熱構造である。液化天然ガス貯蔵槽の表面温度は111Kと考えればよい。
本実施例の高性能断熱構造20は、保冷しようとする貯槽の容器壁21の表面にクライオポンプシステムのクライオ面22を配置し、その上から微細な連続気泡で形成された発泡体断熱材からなる低温断熱部材23を被覆し、さらにその上に気密シート24を被覆して密封し、さらに高性能断熱材で構成される高温断熱部材25を配置し、それらの表面に防水・防湿シート26を被覆して構成される。
高温断熱部材25に使用する高性能断熱材は、発泡体材料に赤外線遮断物質を加えて、発泡体材料自体の発泡体における熱伝導率が最低になる密度より低い密度になるように発泡させたものである。実施例1に係る高性能断熱材を用いることができることは言うまでもない。
なお、本実施例の断熱構造は、十分対策を講ずることにより、断熱材の強度が多少低下しても利用できるので、赤外線遮断物質として、カーボンウィスカーや酸化亜鉛ウィスカー等の針状単結晶、炭素繊維等の細長い硬質繊維物体などの他に、熱伝導率低減に大きな効果がある酸化鉄粉末などを使用することができる。
低温断熱部材23は、発泡体断熱材からなり、容器壁21と気密シート24の間に充填される。内部に形成される気泡はごく微細な連続気泡であって、雰囲気を真空にすれば連続気泡の内部も真空になって、熱伝導率が十分に低くなるようになっている。なお、絶対圧力が低いほどガス伝熱が小さくなり、断熱材の熱伝導率が低下する。
なお、ガス分子の平均自由行程L(m)は、温度T(K)、圧力P(Pa)、分子平均直径σ(m)を用いて次式で求めることができる。
L=3.11×10-24T/(Pσ2)
気密シート24は断熱構造の表面温度(300K)と液化天然ガス貯蔵槽の表面温度(111K)の中間に当る200Kになる辺りに設置される。したがって、低温断熱部材23は平均150Kの温度条件下で真空にして使用することになるので、形成される気泡の径と使用時の絶対圧力・絶対温度の組み合わせを適切に選択して、平均径と平均自由行程の関係を整合させることができる。
なお、低温断熱部材23の発泡体断熱材には外部の赤外線が直接照射することがなく、気密シート24の約200Kにおける再輻射を考えればよいので、赤外線遮断物質を添加する必要性は小さいが、真空下で使用するためマトリックスの補強を目的としてウィスカーや繊維性補強材を添加することは好ましい。
また、低温断熱部材23に使用される断熱材も従来機構と比較して熱伝導率が1/3程度になるので、材料として2/3が節約できることになる。
11 発泡体マトリックス
12 気泡
13 針状単結晶
20 高性能断熱構造
21 容器壁
22 クライオポンプシステム
23 低温断熱部材
24 気密シート
25 高温断熱部材
26 防水・防湿シート
Claims (3)
- 保冷する容器の壁表面にクライオポンプシステムのクライオ面を配置し、
該壁表面の上に発泡体断熱材からなる低温断熱部材を被覆し、
該低温断熱部材の上に気密シートを被覆し、
該気密シートの上に発泡体材料に赤外線遮断物質を加えた高性能断熱材で構成される高温断熱部材を被覆し、前記赤外線遮断物質は、径0.3〜0.6μm長さ5〜15μmのカーボンウィスカー、または径0.2〜0.3μm長さ2〜50μmの酸化亜鉛ウィスカーであることを特徴とする高性能断熱構造。 - 前記高温断熱部材の発泡体材料は硬質ウレタン発泡体であって、発泡により見かけ密度が10〜30kg/m3になるようにしたことを特徴とする請求項1記載の高性能断熱材。
- 前記低温断熱部材は、平均径が1〜70μmの連続気泡がその内部に形成されることを特徴とする請求項1または2に記載の高性能断熱構造。
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