JP7454827B2 - 真空断熱材 - Google Patents
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Description
特許文献1は、ガラスウールマットをプレス成形したグラスウール成形体を芯材とする真空断熱材を開示している。しかしながら、特許文献1は、芯材に立体形状を付与することを開示していない。また、特許文献1では、芯材の成形にバインダーが用いられておらず、芯材の剛性が不足するため、仮に芯材を立体形状に成形したとしても、ガスバリア性の外被材での減圧密封時に形状が崩れてしまう。
しかしながら、無機バインダーを用いると、芯材が必要以上に固くなり、角部や稜線部において外被材が損傷する場合があることを見いだした。また無機バインダーは高価であるため、製造コストが増大するという問題もある。
前記無機バインダーの問題は有機バインダーの使用により回避できたが、有機バインダーには経年劣化によりアウトガスが発生して真空度が低下するという問題があることを見いだした。
すなわち、本発明は、下記〔1〕~〔6〕に関するものである。
前記芯材が、無機繊維及びフェノール樹脂製バインダーを含み、
前記芯材の密度が、200~390kg/m3であり、
前記芯材が、前記フェノール樹脂製バインダーにより立体形状に成形されており、
前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)が、前記無機繊維の質量に基づいて7~15%であり、
前記ガス吸着剤の質量(b)に対する前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)の比(a/b)が、5.0~25.0であり、
前記水分吸着剤の質量(c)に対する前記ガス吸着剤の質量(b)の比(b/c)が、0.1~1.0であり、
前記芯材、前記ガス吸着剤及び前記水分吸着剤が、前記外被材内に減圧密封されている、真空断熱材。
〔2〕前記ガス吸着剤が、銅イオン交換ZSM-5型ゼオライトである、前記〔1〕に記載の真空断熱材。
〔3〕前記無機繊維が、1~8μmの平均繊維径を有する、前記〔1〕又は〔2〕に記載の真空断熱材。
〔4〕前記芯材が、長さ150mm及び幅50mmの寸法を有する試料を用いてスパン100mm及びひずみ速度50mm/分で3点曲げをして測定した場合に、1.0kN以上の曲げ最大荷重を有する、前記〔1〕~〔3〕のいずれか1項に記載の真空断熱材。
〔5〕前記芯材が、長さ150mm及び幅50mmの寸法を有する試料を用いてスパン100mm及びひずみ速度50mm/分で3点曲げをして測定した場合に、20N/cm以上の曲げ弾性勾配を有する、前記〔1〕~〔4〕のいずれか1項に記載の真空断熱材。
〔6〕前記芯材の厚み方向に10%圧縮したときの応力が70kPa以上である、前記〔1〕~〔5〕のいずれか1項に記載の真空断熱材。
芯材と、ガス吸着剤と、水分吸着剤と、ガスバリア性の外被材とを含み、
前記芯材が、無機繊維及びフェノール樹脂製バインダーを含み、
前記芯材の密度が、200~390kg/m3であり、
前記芯材が、前記フェノール樹脂製バインダーにより立体形状に成形されており、
前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)が、前記無機繊維の質量に基づいて7~15%であり、
前記ガス吸着剤の質量(b)に対する前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)の比(a/b)が、5.0~25.0であり、
前記水分吸着剤の質量(c)に対する前記ガス吸着剤の質量(b)の比(b/c)が、0.1~1.0であり、
前記芯材、前記ガス吸着剤及び前記水分吸着剤が、前記外被材内に減圧密封されている、ことを特徴とする真空断熱材である。
本発明の真空断熱材に用いる無機繊維は、例えば、溶融ガラスを繊維化してグラスウール等の無機繊維を紡出させて製造できる。繊維化の方法としては、従来公知の遠心法や、火焔法、吹き飛ばし法等が例示でき、特にこれらの方法に限定されない。遠心法による繊維化装置の例としては、スピナー等が挙げられる。グラスウール以外の他の無機繊維についても同様に製造することができる。
フェノール樹脂は大きくレゾール型とノボラック型とに分類されるが、アウトガス発生抑制、得られる芯材の硬度、芯材成形に必要なコスト、取扱性(硬化速度が速く、粘度が低い)等の観点から、揮発分(具体的には一酸化炭素、二酸化炭素、ホルムアルデヒド、低分子量アミン類、未反応フェノールなど)の発生が少ないレゾール型フェノール樹脂が好ましい。フェノール:ホルムアルデヒドのモル比が1:3のレゾール型フェノール樹脂がより好ましい。
本発明に適したフェノール樹脂としては、例えば、水溶性レゾール型やエマルジョン型のレゾール型のものが挙げられる。
フェノール樹脂製バインダーは公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
まず、繊維化装置から遠心力によって排出された無機繊維へフェノール樹脂性バインダーを噴霧しながら集綿して集綿物を得る。集綿物中の前記バインダーは硬化していない。
次に、前記集綿物を、加熱された金型(施工箇所の形状に対応する金型)へ投入し、オーブンで焼成して、前記バインダーを熱硬化させて立体形状の芯材を得る。焼成条件は、バインダーを熱硬化させるのに十分であれば特に制限は無く、焼成時の加熱温度は、例えば、200~250℃であり、加熱時間は、単位面積当たりの無機繊維の質量をA(g/m2)、無機繊維の質量に基づくバインダー付着量をB(%)とした場合に、A×B(秒)であることが好ましい。加熱時の圧力は、芯材の密度に合わせて適宜調節でき、例えば、1.5~3.5t/m2であってもよい。
ガス吸着剤は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
水分吸着剤は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
外被材の厚さは、特に制限はないが、損傷や真空度の低下を防ぐため、従来用いられているものよりも厚い外被材、例えば厚さ50~150μmのものを使用するのが好ましい。
金属箔の金属としては、アルミニウム、銅、ステンレス、鉄等が挙げられる。好ましくは、アルミニウムが用いられる。
蒸着膜は、蒸着法、スパッタ法等により、アルミニウム、ステンレス、コバルト、ニッケル等の金属又はシリカ、アルミナ、若しくはこれらの組み合わせを蒸着させて形成する。蒸着膜フィルムの基材となる樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂等の芳香族ポリエステル系樹脂;ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、オレフィン共重合体等のポリオレフィン系樹脂;ポリ塩化ビニル樹脂、塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂;ナイロン6、ナイロン66、メタキシリレンジアミン・アジピン酸縮合体等のポリアミド樹脂;ポリビニルアルコール樹脂、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体等のスチレン系樹脂;ポリメチルメタクリレート樹脂、アクリル酸エステル樹脂とメチルメタクリル酸エステル共重合体等のアクリル系樹脂、エチレン-ビニルアルコール共重合体、ポリビニルアルコール樹脂及びこれを部分ケン化した物等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂から製造されるフィルムが用いられる。
ガスバリア層は、好ましくはポリビニルアルコール樹脂上にアルミ蒸着を行った積層フィルム又はアルミ箔である。
ガスバリア層の厚さは特に制限はないが、蒸着膜フィルムの場合には、蒸着膜の厚さは800~2400Åであることが好ましく、金属箔の場合には、6~50μmであることが好ましい。
ガスバリア層に用いられる金属箔や蒸着膜フィルムは公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
ポリエチレン樹脂は、0.90~0.98g/cm3の密度のものが好ましい。
ポリプロピレン樹脂は、0.85~0.95g/cm3の密度のものが好ましい。
シール層の厚さは特に制限はないが、50~200μmであることが好ましい。
シール層に用いられる樹脂は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
これらの樹脂フィルムには、有機質、無機質のフィラーを添加することもできる。これらの樹脂は単独で又は2種以上を混合して用いることができる。
樹脂フィルム層には、ガスバリア性フィルムのガスバリア性能を更に向上させるために、塩化ビニリデン樹脂、アクリロニトリル樹脂、ビニルアルコール樹脂等のビニルモノマーを重合、共重合させて得られるガスバリア性樹脂を塗布したり、積層したり、それらの粒子を樹脂フィルム層中に混合分散させることもできる。
樹脂フィルム層の厚さは特に制限はないが、12~30μmであることが好ましい。
樹脂フィルム層に用いられる樹脂は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。
減圧密封時にガス吸着剤や水分吸着剤の位置がずれないよう、吸着剤の形状に応じた窪みや穴を予め芯材に設けておくことが好ましい。
外被材として2枚の多層フィルムで芯材を挟んで外縁のシール層を熱融着させる場合には、同じ大きさの多層フィルムを用いてもよく、減圧密封後の外被材のシワを減らすために、芯材の立体形状に応じて異なる大きさの多層フィルムを用いてもよい。
溶融遠心法による繊維化装置を用いてガラス繊維(平均繊維径3μm)を製造した。装置から排出されたガラス繊維にフェノール樹脂製バインダーを噴霧しながら集綿して、集綿物を得た。集綿物を210℃に加熱した金型へ投入し、2.5t/m2(実施例1~5及び比較例1~3)又は4.0t/m2(比較例4)の圧力をかけながら12分間焼成してバインダーを硬化させて、平板状(450mm×450mm×15mm)の芯材(密度250kg/m3(実施例1~5及び比較例1~3)又は400kg/m3(比較例4))を得た。
ポリエチレン(厚み50μm)、アルミ箔(厚み6.5μm)、ポリエチレンテレフタレート(厚み12μm)、ポリアミド(厚み25μm)をこの順に積層して構成されたガスバリア性の多層フィルムを、互いのポリエチレン層が接するように2枚重ね、芯材の挿入のための開口部を残して外周部をヒートシールして袋状に形成した。
芯材を210℃で1時間、袋状の外被材を80℃で1時間それぞれ乾燥した後、袋状の外被材の内部に、芯材、ガス吸着剤(銅イオン交換ZSM-5型ゼオライト、表1に示す量)及び水分吸着剤(酸化カルシウム、10g)を配置した。外被材を真空チャンバー内に置き、真空チャンバー内を2Pa以下に真空引きして5分保持し、ヒートシールして外被材の開口部を密封し、平板状(450mm×450mm×15mm)の実施例1~5及び比較例1~3の真空断熱材(密度250kg/m3)及び比較例4の真空断熱材(密度400kg/m3)を得た。各真空断熱材における、芯材中のガラス繊維の質量に基づくフェノール樹脂製バインダーの質量(強熱減量)、フェノール樹脂製バインダーの質量(樹脂量)、ガス吸着剤添加量、ガス吸着剤の質量(b)に対するフェノール樹脂製バインダーの質量(a)の比(a/b)、及び水分吸着剤の質量(c)に対するガス吸着剤の質量(b)の比(b/c)は、表1に示される通りであった。
製造した各真空断熱材について、90℃恒温槽でエージング試験を行ない、経過日数0、7、14、29及び57日での熱伝導率を測定した。熱伝導率は、JIS1412-2に準拠し、熱伝導率計(英弘精機製 HC-074/600)を用いて熱流計法で測定した。結果を、表3に示す。
本願発明では、三次元形状にすることで、継ぎ目をなくして(又は減らして)熱橋を低減できる。立体形状の真空断熱材では熱伝導率の直接の測定ができないため、平板形状の真空断熱材を用いて、継ぎ目をなくすことによる熱橋の低減を評価した。継ぎ目からの熱橋は、立体形状の場合でも平板形状の場合と同等に発生する。
(1)立体形状を有する芯材の製造
溶融遠心法による繊維化装置を用いてガラス繊維(平均繊維径3μm)を製造した。装置から排出されたガラス繊維にフェノールバインダーを、噴霧しながら集綿して、集綿物を得た。集綿物を210℃に加熱した立体形状を有する金型へ投入し、2.5t/m2の圧力をかけながら12分間焼成してバインダーを硬化させて、図2に示す立体形状を有する芯材(密度250kg/m3)を得た。
ポリエチレン(厚み50μm)、アルミ箔(厚み6.5μm)、ポリエチレンテレフタレート(厚み12μm)、ポリアミド(厚み25μm)をこの順に積層して構成されたガスバリア性の多層フィルムを、互いのポリエチレン層が接するように2枚重ね、芯材の挿入のための開口部を残して外周部をヒートシールして袋状に形成した。
芯材を210℃で1時間、袋状の外被材を80℃で1時間それぞれ乾燥した後、袋状の外被材の内部に、芯材、ガス吸着剤(銅イオン交換ZSM-5型ゼオライト)及び水分吸着剤(酸化カルシウム)を配置した。外被材を真空チャンバー内に置き、真空チャンバー内を2Pa以下に真空引きして5分保持し、ヒートシールして外被材の開口部を密封し、密度250kg/m3の、芯材の形状と同様の立体形状を有する真空断熱材を得た。
Claims (5)
- 芯材と、ガス吸着剤と、水分吸着剤と、ガスバリア性の外被材とを含む、平板形状ではない立体形状を有する真空断熱材であって、
前記芯材が、無機繊維及びフェノール樹脂製バインダーを含み、
前記芯材の密度が、200~390kg/m3であり、
前記芯材が、前記フェノール樹脂製バインダーにより平板形状ではない立体形状に成形されており、
前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)が、前記無機繊維の質量に基づいて7~15%であり、
前記ガス吸着剤の質量(b)に対する前記フェノール樹脂製バインダーの質量(a)の比(a/b)が、5.0~25.0であり、
前記水分吸着剤の質量(c)に対する前記ガス吸着剤の質量(b)の比(b/c)が、0.1~1.0であり、
前記芯材、前記ガス吸着剤及び前記水分吸着剤が、前記外被材内に減圧密封されており、
前記ガス吸着剤が、銅イオン交換ZSM-5型ゼオライトである、真空断熱材。 - 前記無機繊維が、1~8μmの平均繊維径を有する、請求項1に記載の真空断熱材。
- 前記芯材が、長さ150mm及び幅50mmの寸法を有する試料を用いてスパン100mm及びひずみ速度50mm/分で3点曲げをして測定した場合に、1.0kN以上の曲げ最大荷重を有する、請求項1又は2に記載の真空断熱材。
- 前記芯材が、長さ150mm及び幅50mmの寸法を有する試料を用いてスパン100mm及びひずみ速度50mm/分で3点曲げをして測定した場合に、20N/cm以上の曲げ弾性勾配を有する、請求項1~3のいずれか1項に記載の真空断熱材。
- 前記芯材の厚み方向に10%圧縮したときの応力が70kPa以上である、請求項1~4のいずれか1項に記載の真空断熱材。
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