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JP2019166443A - 酸素富化膜 - Google Patents

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Atsushi Tomita
篤志 冨田
英司 品川
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英司 品川
大謹 小林
Tomochika Kobayashi
大謹 小林
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Abstract

【課題】気体分離性能に優れた酸素富化膜を提供する。【解決手段】シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン樹脂からなる気体分離層101と、気体分離層101を支持する多孔質基材102とを有する、酸素富化膜62であって、気体分離層101が、架橋構造を有するシリコーン樹脂からなる部分と、架橋構造を有していないシリコーン樹脂からなる部分とを有するものである。【選択図】 図3

Description

本発明の実施形態は、酸素富化膜に関するものである。
冷蔵庫などの貯蔵庫に貯蔵される食品などの貯蔵品の劣化要因として、空気中に存在する酸素による酸化がある。そこで、貯蔵容器の内部の空気をポンプなどの排気手段によって酸素富化膜(酸素分離膜)を通じて吸引することにより、高酸素濃度の空気が貯蔵容器の外部に排出され、貯蔵容器内の酸素濃度を低減させることで貯蔵品の酸化を抑えて貯蔵品の鮮度を維持することができる貯蔵庫が知られている。
このような貯蔵庫に用いられる酸素富化膜は、一般的に、シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン系組成物に触媒などの反応促進剤を混合した混合液を多孔質基材に塗布し、加熱して架橋させることにより硬化させており、耐久性の観点から、シリコーン系組成物の全体を架橋させていた。
特開平5−111626号公報
ここで、酸素富化膜は、高分子膜のポリマー鎖間の自由体積に気体分子が入っていく溶解速度の違いを利用するものであり、この溶解速度は、主として、自由体積及び気体分子の大きさに影響される。従って、従来の酸素富化膜では、シリコーン系組成物の全体に架橋構造が形成されることで、自由体積が減少し、気体分離能が低下するという問題があった。
本発明は上記に鑑みてなされたものであり、耐久性を維持しつつ、気体分離能を向上させることができる酸素富化膜を提供することを目的とする。
本実施形態の酸素富化膜は、シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン樹脂からなる気体分離層と、前記気体分離層を支持する多孔質基材とを有する、酸素富化膜であって、前記気体分離層が、架橋構造を有するシリコーン樹脂からなる部分と、架橋構造を有していないシリコーン樹脂からなる部分とを有するものである。
本発明の一実施形態に係る酸素富化膜を備える冷蔵庫を説明するための断面図。 図1の要部断面図。 本発明の一実施形態に係る酸素富化膜の模式断面図。
以下、一実施形態の酸素富化膜62を備える冷蔵庫1について、図1〜3に基づいて説明する。
(1)酸素富化膜62を備える冷蔵庫1について
冷蔵庫1は、前面に開口する断熱箱体からなるキャビネット2を備える。キャビネット2は鋼板製の外箱3と合成樹脂製の内箱4との間に形成された断熱空間5に真空断熱材や発泡断熱材等の断熱材を有して構成されている。キャビネット2は内箱4の内側に複数の貯蔵空間が設けられており、貯蔵空間が断熱仕切壁6によって上下に区画されている。
断熱仕切壁6の上方の空間は、冷蔵温度帯(例えば、1〜4℃)に冷却される貯蔵室であり、内部がさらに仕切壁7によって上下に区画されている。仕切壁7の上方には冷蔵室10が設けられ、仕切壁7の下方には野菜室12が設けられている。
冷蔵室10の内部は、複数の棚板9によって上下に複数段に区画され、冷蔵室10の背面に冷蔵室10内の温度を測定する冷蔵温度センサ25が設けられている。
冷蔵室10の前面開口部には、ヒンジで枢支された回動式の冷蔵室扉11が設けられている。野菜室12の前面開口部は、引出し式の野菜室扉13により閉塞されている。野菜室扉13の庫内側には、貯蔵容器70を保持する左右一対の支持枠が固着され、開扉動作とともに貯蔵容器70が庫外に引き出されるように構成されている。野菜室12の前面開口部の周縁部には、扉センサ29が設けられ野菜室扉13が開放状態にあるか閉塞状態にあるかを検知する。
野菜室12内に設けられた貯蔵容器70は、前方壁、後方壁70a、左右側壁によって囲まれた有底の箱状の容器であり、上方に開口する上面開口部が設けられている。貯蔵容器70の内部は野菜等の貯蔵品を収納する貯蔵空間S1が形成され、貯蔵容器70の上面開口部より貯蔵品を出し入れするようになっている。貯蔵容器70は、その上面開口部が蓋体72によって開閉可能に閉塞されており、野菜室12を循環する空気(風)の直接的な進入が抑制された閉塞容器を構成している。貯蔵容器70の後方壁70aの下部には、開口部70bが穿設されるとともに、開口部70bの貯蔵空間S1側を、間隔をあけて覆うように設けられた風向板52が設けられている。風向板52は上方に行くほど前方へ傾斜しており、開口部70bから吹き出す空気が貯蔵容器70の天井面(つまり、蓋体72)に向けて吹き出すようにこれを案内する。
断熱仕切壁6の下方の空間には、自動製氷機を備えた製氷室(不図示)と第1冷凍室16とが左右に併設され、その下方に仕切板22を介して第2冷凍室17が設けられている。
製氷室、第1冷凍室16及び第2冷凍室17は、いずれも冷凍温度帯(例えば、−17℃以下)に冷却される。第2冷凍室17の背面には、第2冷凍室17内の温度を測定するための冷凍温度センサ26が設けられている。
製氷室、第1冷凍室16、及び第2冷凍室17の開口部は、野菜室12と同様、引き出し式の扉18,19により閉塞されている。各扉18,19の裏面側に固着した左右一対の支持枠には貯蔵容器20,21が保持されており、開扉動作とともに該貯蔵容器20、21が庫外に引き出されるように構成されている。
冷蔵室10及び野菜室12の後部には、エバカバー23で前後に仕切られた冷蔵冷却器室32が設けられている。
冷蔵冷却器室32には、冷蔵冷却器30、冷蔵ファン31、ドレインパン27及び排気部90が収納されている。冷蔵冷却器室32は、ダクト33によって冷蔵室10と連結され、冷蔵冷却器30が冷却した冷蔵冷却器室32の空気を冷蔵ファン31によってダクト33を介して冷蔵室10へ供給するようになっている。
ドレインパン27は、冷蔵冷却器30の下方に配置され、除霜運転時に冷蔵冷却器30から生じる結露水(除霜水)を受ける。ドレインパン27に溜まった結露水は、排水ホース28を介してキャビネット2の背面下部に設けられた機械室38に配置された蒸発皿41へ排出する。
ドレインパン27に溜まった結露水を機械室38へ排出する排水ホース28は、キャビネット2の背面壁に設けられた冷蔵冷却器室32と機械室38とを連通する挿通孔2aに挿通され、冷蔵冷却器室32から機械室38へ引き出されている。
キャビネット2に設けられた挿通孔2aは、挿通する排水ホース28より口径が大きくなっている。そのため、挿通孔2aに排水ホース28を挿入した状態で、挿通孔2aと排水ホース28との間には、冷蔵冷却器室32から機械室38まで一続きに繋がった隙間が形成されている。つまり、挿通孔2aと排水ホース28との間に形成された隙間が、野菜室12と機械室38とを連通する通気孔2cとして機能する。
製氷室、第1冷凍室16、及び第2冷凍室17の後部には、エバカバー24で前後に仕切られた冷凍冷却器室36と、製氷室、第1冷凍室16、及び第2冷凍室17と冷凍冷却器室36とを連結するダクト37とが形成されている。冷凍冷却器室36には、冷凍冷却器34及び冷凍ファン35が収納されており、冷凍冷却器34が冷却した冷凍冷却器室36の空気を冷凍ファン35によってダクト37を介して製氷室、第1冷凍室16、及び第2冷凍室17へ供給する。
冷蔵冷却器30及び冷凍冷却器34は、機械室38に収納された圧縮機39や凝縮器(不図示)とともに冷凍サイクルを構成する。冷凍サイクルでは、圧縮機39から吐出された冷媒が不図示の切替弁によって冷蔵冷却器30及び冷凍冷却器34の一方に供給されることで所定温度に冷蔵冷却器30及び冷凍冷却器34が冷却される。
冷蔵冷却器30は、冷蔵冷却器室32の空気を冷却して、例えば、−10〜−20℃の冷気を生成する。冷蔵冷却器室32で生成された冷気は、冷蔵ファン31の回転によって、ダクト33を介して冷蔵室10へ供給され、冷蔵室10を冷却する。
冷蔵室10を流れた冷気の一部は、仕切壁7の後部に設けられた吸込口から冷蔵冷却器室32へ戻り、残りの空気は仕切壁7に設けられた連通路7aを通って野菜室12の後方上部へ流れ込む。
野菜室12に流れ込んだ冷気は、野菜室12に設けられた貯蔵容器70の外側を流れながら野菜室12内を冷却することで、貯蔵容器70の外側から間接的にその内部を冷却する。野菜室12を流れた冷気は、吸込口から冷蔵冷却器室32へ戻る。冷蔵冷却器室32に戻った冷気は冷蔵冷却器30と熱交換して再び冷却される。
冷凍冷却器34は、冷凍冷却器室36の空気を冷却して、例えば、−20〜−30℃の冷気を生成する。生成した冷気は、冷凍ファン35の回転によってダクト37を介して製氷室、第1冷凍室16及び第2冷凍室17に供給され、これらの貯蔵室を冷却する。製氷室及び第1冷凍室16を冷却した空気は、不図示の透孔を通って第2冷凍室17へ流れ込み、第2冷凍室17に供給された冷気と合流し、その後、第2冷凍室17の背面に設けられた吸込口から冷凍冷却器室36に戻り、冷凍冷却器34と熱交換して再び冷却される。
(2)酸素分離モジュール60について
このような構成の冷蔵庫1では、図1及び図2に示すように、酸素富化膜62を備える酸素分離モジュール60が、野菜室12内、例えば、エバカバー23で区画された冷蔵冷却器室32の下方に貯蔵容器70の後方壁70aと対向するように設けられている。
酸素分離モジュール60は、箱形のケース61の内部に酸素富化膜62を備えたセル63が設けられている。セル63は、調整空間S3と、排気空間S4と、両空間S3,S4を仕切る酸素富化膜62とで構成されている。なお、酸素分離モジュール60は、ケース61の内部に酸素富化膜62の厚さ方向に複数のセル63を重ねて設けてもよい。
酸素富化膜62は、調整空間S3と排気空間S4との間に圧力差が生じると、高圧側の空気中の酸素が膜内部を拡散移動して低圧側の表面から離脱することで、高圧側の酸素濃度を低下させる。
セル63に設けられた調整空間S3は、酸素富化膜62に平行に近接して配置された隔壁との間に区画されたダクト状の空間であり、その一端に導入流路198が連結されている。導入流路198は、後述する排気部90Aと90Bのそれぞれに接続された2本の送気流路98が相互に合流してなる流路である。
調整空間S3の他端は、貯蔵容器70の後方壁70aに設けられた開口部70bと前後に対向する位置に開口し、この開口の周縁部を取り囲むようにゴム又はシリコーン等のゴム状弾性体からなるシール材66が設けられている。
図1に示すような貯蔵容器70を野菜室12内に収納した状態において、シール材66は開口部70bを取り囲むように貯蔵容器70の後方壁70aに当接する。これにより、貯蔵容器70の開口部70bと調整空間S3の先端とがシール材66によって接続され、貯蔵空間S1の下部(貯蔵空間S1の高さ方向中央部より下側)においてケース61内に設けられた調整空間S3と貯蔵容器70の貯蔵空間S1とが連通する。
また、セル63の排気空間S4には吸込流路197を接続する排気口65が設けられている。
酸素分離モジュール60は、排気部90が接続されており、酸素富化膜62を透過した貯蔵容器70内部の空気を、排気部90によって貯蔵容器70の外部へ排気することで、貯蔵空間S1の酸素濃度を低減する。
排気部90は、複数の排気手段、本実施形態では第1排気ポンプ90Aと第2排気ポンプ90Bとを備える。
第1排気ポンプ90Aの出口流路96と第2排気ポンプ90Bの出口流路96は、途中で合流して1つの庫外排気流路196となり、キャビネット2の背面壁に設けられた野菜室12と機械室38とを連通する挿通孔2bに挿通され、冷蔵冷却器室32から機械室38へ引き出されている。
第1排気ポンプ90Aと第2排気ポンプ90Bは基本的な構成が共通するものであり、セル63の排気空間S4の空気を吸込流路197及び入口流路97を介して、排気ポンプ90内のシリンダ室(不図示)へ取り込む吸気動作と、取り込んだ空気をシリンダ室から出口流路96及び庫外排気流路196を介して機械室38へ排出する排気動作とを繰り返す。
また、第1排気ポンプ90Aは、入口流路97からシリンダ室へ空気を取り込む際に、駆動室(不図示)の空気を送気流路98及び導入流路198を介して酸素分離モジュール60の調整空間S3へ送り出す。
キャビネット2の背面上部には、冷蔵庫1の動作全般を制御する制御部50が設けられている(図1参照)。制御部50は、冷蔵温度センサ25、冷凍温度センサ26、扉センサ29などの各種センサ等から入力される信号や、EEPROM等の不揮発性記録媒体からなるメモリに記憶された制御プログラムに基づいて、冷蔵ファン31、冷凍ファン35、圧縮機39、冷凍サイクルに設けられた切替弁(不図示)、排気ポンプ90などの各種電気部品を制御することで、各室を所定温度に冷却したり、野菜室12に設けた貯蔵容器70内部の貯蔵空間S1の酸素濃度を低減したりする。
(3)酸素富化膜62について
本実施形態に係る酸素富化膜62は、図3に示すように、シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン樹脂からなる気体分離層101と、気体分離層101を支持する多孔質基材102とを有し、多孔質基材102と気体分離層101との間には、中間層105を有する。
なお本明細書において、「シリコーン系組成物」とはシロキサン結合を有する化合物を含有し、反応促進剤の添加により架橋構造を形成しうる物質全般を指し、「シリコーン樹脂」とは、上記シリコーン系組成物が脱溶媒等により流動性を失ったもの全般を指し、反応促進剤の添加により架橋構造が形成されたものと形成されていないものの双方を含むものとする。
気体分離層101は、図3に示すように、シリコーン系組成物が架橋構造を形成していない第1気体分離層103と、シリコーン系組成物が架橋構造を形成している第2気体分離層104とを有し、第1気体分離層103が多孔質基材102側に配されている。
気体分離層101のうち、第2気体分離層104が占める割合は特に限定されないが、気体分離能の観点から、例えば、気体分離層101の厚さのうち、第2気体分離層104の厚さが50%以下であることが好ましく、10〜40%であることが好ましく、10〜30%であることがより好ましい。
中間層105は、多孔質基材102に、均一に気体分離層101を積層するのが難しい場合に、介在させることができるが、気体透過性が高いものであることが好ましく、そのような材質としては、例えば、ポリ(1−トリメチルシリル−1−プロピン)が挙げられる。
多孔質基材102に形成された細孔の孔径は、特に限定されないが、0.001〜1μmであることが好ましく、0.01〜0.1μmであることがより好ましい。
本実施形態に係る酸素富化膜62の製造方法は、特に限定されないが、例えば、多孔質基材102に対して、シリコーン系組成物を塗布し、第1気体分離層103を形成した後、第1気体分離層103の上面に反応促進剤を塗布し、架橋反応させて上面から所定の厚みの部分のみに架橋構造を形成することにより、第1気体分離層103の上面側の一定の厚みの部分を第2気体分離層104に変化させる方法であってもよく、また、多孔質基材102に対して、シリコーン系組成物を塗布し、第1気体分離層103を形成した後、第1気体分離層103の上面に反応促進剤とシリコーン系組成物との混合物を塗布し、架橋反応させて上面から所定の厚みの部分のみに架橋構造を形成することにより、第1気体分離層103の上面側の一定の厚みの部分を第2気体分離層104に変化させる方法であってもよい。
ここで反応促進剤とは、架橋剤、触媒、ラジカル開始剤等の、シリコーン系組成物の架橋反応を促進する物質全般を指し、2種以上を併用してもよく、シリコーン系組成物としては、そのような反応促進剤と混合することにより架橋反応が進行する二液硬化型であることが好ましい。
架橋剤としては、これらに限定されないが、例えばトリメトキシメチルシラン、トリエトキシフェニルシラン、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラブトキシシラン等のシラン系架橋剤が挙げられる。
触媒としては、付加反応や脱アルコール縮合反応に通常使用される、白金触媒等の金属触媒が使用可能である。
ラジカル開始剤としては、アシル系有機過酸化物やアルキル系有機過酸化物等の有機過酸化物やアゾ化合物等が使用可能である。
また、シリコーン系組成物には、本発明の効果を損なわない範囲で、シロキサン構造を有していないモノマーやプレポリマー、さらには酸素富化膜を形成する組成物に対して、通常用いられる添加剤を含有していてもよい。
第1気体分離層103の表面付近のシリコーン系組成物を架橋させて第2気体分離層104を形成する方法は、特に限定されず、反応促進剤の種類に応じて適宜選択する。すなわち、常温で架橋反応を進行させ得る架橋剤や触媒を反応促進剤として使用する場合は常温で放置すればよく、ラジカル開始剤を使用する場合は紫外線等のエネルギー線や電子線を照射するか加熱すればよく、加熱が必要な触媒を使用する場合は加熱すればよい。
反応温度等、その他の反応条件は、従来から用いられている方法に準じて選択すればよい。
上記シリコーン系組成物、及び上記反応促進剤は、均一に塗布する観点から、溶媒に溶かした状態で塗布することが好ましい。また、反応促進剤を溶解させた溶液の濃度を調整することにより、所望の厚さの第2気体分離層104を形成することができる。また、第1気体分離層103の上面に反応促進剤とシリコーン系組成物との混合物を塗布する場合、混合物中の反応促進剤やシリコーン系組成物の含有割合を調整することにより、所望の厚さの第2気体分離層104を形成することができる。
上記溶媒としては、特に限定されないが、シリコーン系組成物や反応促進剤などの溶解性や、溶媒の揮発性の観点から、ヘキサン、オクタン、ヘプタン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの炭化水素類や、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、ブタノールなどのアルコール類であることが好ましい。
塗布方法は特に限定されず、ダイコーターやロールコータを用いたコーター塗布、スプレー塗布、刷毛塗り、浸漬、流し込み等の方法を適宜用いることができる。
上記実施形態では、多孔質基材102と気体分離層101との間に、中間層105を有するものについて説明したが、これに限定されず、中間層105がなく、多孔質基材102に、気体分離層101が直接積層されたものであってもよい。
(4)冷蔵庫1の減酸素運転の実行について
貯蔵容器70の内部の酸素濃度を低減する減酸素運転を実行するには、扉センサ29によって野菜室扉13が閉扉状態にあることを検出している時に、排気部90を動作させる。
具体的には、排気部90を構成する第1排気ポンプ90Aと第2排気ポンプ90Bを動作させる。第1排気ポンプ90A及び第2排気ポンプ90Bが動作すると、酸素分離モジュール60の排気空間S4の空気は、排気口65から吸込流路197を介して第1排気ポンプ90A及び第2排気ポンプ90Bのシリンダ室へ取り込まれ、シリンダ室から庫外排気流路196を介して機械室38へ排出される。
これにより、排気空間S4が酸素富化膜62を挟んで対向する調整空間S3より低圧になるため、調整空間S3の酸素が酸素富化膜62を透過して排気空間S4へ移動し、調整空間S3の酸素濃度が低下する。
また、第1排気ポンプ90A及び第2排気ポンプ90Bの動作に伴って、各ポンプ90A,90Bの駆動室の空気が、送気流路98及び導入流路198を介して酸素分離モジュール60に設けられたセル63の調整空間S3へ供給される。
調整空間S3へ供給された空気は、酸素が排気空間S4へ排出されながら酸素富化膜62に沿って流れることで酸素濃度が低下し、その後、貯蔵容器70の後方壁70aに設けられた開口部70bから貯蔵空間S1へ供給される。
これにより、貯蔵空間S1の酸素濃度が低下して、貯蔵空間S1に収納した貯蔵品の酸化を抑えて貯蔵品の鮮度を維持することができる。
そして、第1排気ポンプ90A及び第2排気ポンプ90Bの動作を開始してから所定時間が経過する等の所定の終了条件を満たすと、第1排気ポンプ90A及び第2排気ポンプ90Bを停止して減酸素運転を終了する。
以上、本発明の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1…冷蔵庫、2…キャビネット、10…冷蔵室、12…野菜室、30…冷蔵冷却器、31…冷蔵ファン、32…冷蔵冷却器室、60…酸素分離モジュール、61…ケース、62…酸素富化膜、63…セル、65…排気口、66…シール材、70…貯蔵容器、70a…後方壁、70b…開口部、90…排気部、90A…第1排気ポンプ、90B…第2排気ポンプ、96…出口流路、97…入口流路、98…送気流路、196…庫外排気流路、197…排気流路、198…導入流路、S1…貯蔵空間、S3…調整空間、S4…排気空間、101…気体分離層、102…多孔質基材、103…第1気体分離層、104…第2気体分離層、105…中間層

Claims (10)

  1. シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン樹脂からなる気体分離層と、
    前記気体分離層を支持する多孔質基材と
    を有する、酸素富化膜であって、
    前記気体分離層が、架橋構造を有するシリコーン樹脂からなる部分と、架橋構造を有していないシリコーン樹脂からなる部分とを有する、酸素富化膜。
  2. 前記気体分離層が、架橋構造を有していないシリコーン樹脂からなる第1気体分離層と、架橋構造を有するシリコーン樹脂からなる第2気体分離層とを有し、前記第1気体分離層が前記多孔質基材側に配された、請求項1に記載の酸素富化膜。
  3. 前記気体分離層の厚さのうち、第2気体分離層の厚さが50%以下である、請求項1又は2に記載の酸素富化膜。
  4. 前記多孔質基材と前記気体分離層との間に、中間層を有する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の酸素富化膜。
  5. 前記中間層が、ポリ(1−トリメチルシリル−1−プロピン)からなる、請求項4に記載の酸素富化膜。
  6. 前記多孔質基材の孔径が0.001〜1μmである、請求項1〜5のいずれか1項に記載の酸素富化膜。
  7. 請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸素富化膜を備えた、冷蔵庫。
  8. 多孔質基材に対して、シロキサン結合を有する化合物を含有するシリコーン系組成物を塗布する工程と、
    塗布した前記シリコーン系組成物の表面に反応促進剤を塗布し、塗布された面及びその近傍に架橋構造を有する部分を形成させる工程を有する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の酸素富化膜の製造方法。
  9. 前記反応促進剤を溶媒に溶かした溶液として塗布し、この溶液の反応促進剤の濃度を調整することにより、形成される架橋構造を有する部分の厚みを調整する、請求項8に記載の酸素富化膜の製造方法。
  10. 前記反応促進剤を前記シリコーン系組成物との混合物として塗布する、請求項8又は9に記載の酸素富化膜の製造方法。
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