JP6767610B2

JP6767610B2 - 断熱体とその製造方法

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Publication number: JP6767610B2
Application number: JP2016024274A
Authority: JP
Inventors: 亨岡崎; 崇鶴田; 茂昭酒谷; 享和田
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-02-12
Filing date: 2016-02-12
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-02-12
Also published as: JP2017141913A

Description

本発明は、断熱体とその製造方法に関する。特に、高温環境にて使用する断熱体とその製造方法に関するものである。

従来の断熱体として、例えば、シリカエアロゲルを不織布へ含有させた断熱体がある。この断熱体は、シリカ粒子間のナノオーダーの細孔により、空気の流れを阻害するので、断熱性能が高い。

しかしながら、１００℃を越えるような高温環境では、この断熱材は、輻射率が高いシリカ粒子の表面（輻射率０．９５）で輻射熱が発生しやすくなる。結果、シリカ粒子の持つ細孔によって得られた断熱性に対して、輻射伝熱の影響が大きくなり、断熱性を失う（断熱材の見かけの熱伝導率が大きくなる）傾向にある。

これに対する従来の技術として、特許文献１がある。特許文献１を図１１の断面図で説明する。ここでは、断熱体１は、断熱層２１の上に、アルミニウム箔等の輻射防止用フィルムとして輻射反射層２３を配置し、輻射反射層２３の位置を固定するために樹脂等で構成された被覆用シート２２でパウチ状に包含させている。これにより、上部に熱源がある場合の輻射伝熱成分を輻射反射層２３により抑制するというものである。

また、特許文献２に記載されているのは、エアロゲル含有断熱体の内部に粒状の輻射散乱材を含有させ、輻射伝熱成分を抑制させている。

特開２００９−２９９８９３号公報特許第５４６５１９２号公報

しかしながら、図１１に示される特許文献１では、熱源が紙面上部にある場合、熱伝導率が大きい被覆用シート２２により、熱源からの熱が回り込み、Ｂの経路を辿って対面への熱パスが形成されるため、断熱性を大きく低下させる可能性がある。

また、特許文献２に示される構造では、振動等の外力が作用する場合、輻射散乱材が断熱材内部から脱落し、断熱性の低下、あるいは、場所による断熱性の粗密が生じる可能性がある。

そこで、本発明は、断熱性の低下や部材の脱落を起こさずに、輻射を防止した断熱体とその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、断熱体と、上記断熱体の表面に、金属を蒸着した第１繊維と熱可塑性樹脂の第２繊維とを含む樹脂層と、を有する断熱材を用いる。

また、金属を蒸着した第１繊維と熱可塑性樹脂からなる第２繊維とを編み輻射防止部を作製する第１工程と、上記第１工程でできた上記輻射防止部を断熱部の表面に配置し、熱処理をし、上記熱可塑性樹脂を溶かし、上記輻射防止部と上記断熱部とを合体させる第２工程と、を含む断熱体の製造方法を用いる。

本発明によれば、断熱性の低下や部材の脱落を起こさずに、輻射防止機能を持たせることができる。

実施の形態１の輻射防止機能を持つ断熱材の斜視図実施の形態１の輻射防止機能を持つ断熱材の断面構造図（ａ）実施の形態１のエアロゲル断熱部の模式図、（ｂ）実施の形態１の断熱ビーズの模式図、（ｃ）実施の形態１の断熱ビーズの二次粒子の模式図実施の形態１の輻射防止機能を持つ断熱材の輻射防止部（溶融前）の構造模式図実施の形態１の輻射防止部の経糸を構成するアルミ蒸着樹脂繊維の断面模式図実施の形態１の輻射防止機能を持つ断熱材の輻射防止部（溶融硬化後）の構造模式図実施の形態１の輻射防止機能を持つ断熱材の構成図（ａ）〜（ｄ）実施の形態１の輻射防止効果を示すグラフと各地点での状態を示す図実施の形態２の輻射防止機能を持つ断熱材の輻射防止部（溶融前）の構造模式図実施の形態３の輻射防止機能を持つ断熱材の輻射防止部（溶融前）の構造模式図特許文献１の輻射防止機能を持つ断熱材の断面構造図

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

＜断熱体１の構成＞
図１は、実施の形態１における輻射防止機能を持つ断熱体１の斜視図である。断熱体１は、エアロゲル断熱部２と輻射防止部３から構成されている。図２は、図１におけるＡ−Ａ´−Ｂ´−Ｂ面の断面構造図である。輻射防止部３は、エアロゲル断熱部２の上部に配置され、経糸であるアルミ蒸着樹脂繊維４と、熱可塑性樹脂５とである。なお、図１と図２に示すのは、熱可塑性樹脂繊維が、溶融し冷却して硬化した熱可塑性樹脂５である。

＜エアロゲル断熱部２の構成＞
図３（ａ）は、実施の形態１におけるエアロゲル断熱部２の模式図である。エアロゲル断熱部２は、エアロゲル等からなる断熱ビーズ１２と、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）繊維（第２繊維）、グラスウール等の繊維構造物１１とを、複合化したものである。

図３（ｂ）は、実施の形態１における断熱ビーズ１２の模式図であり、二次粒子１３が三次元ネットワークを形成した状態である。
図３（ｃ）は、実施の形態１における断熱ビーズ１２の二次粒子１３の模式図であり、さらに細かい一次粒子１４の集合体である。

図３（ａ）〜図３（ｃ）において、微小な一次粒子１４の集合体として成る二次粒子１３が、三次元ネットワーク骨格を形成し、断熱ビーズ１２と成る。この断熱ビーズ１２を繊維構造物１１と複合化することによりエアロゲル断熱部２を得る。断熱ビーズ１２の体積の９０％以上は、細孔である。一次粒子１４の粒子径は、１ｎｍ前後であり、二次粒子１３の粒子径は、１０ｎｍ前後であり、断熱ビーズ１２の粒子径は、２０〜２００μｍである。

断熱ビーズ１２の材質としては、断熱性能に優れることから二酸化ケイ素からなるシリカ粒子が望ましい。ここで、断熱ビーズ１２の細孔のサイズＤ（図３（ｂ））は、６８ｎｍ以下であることが望ましい。６８ｎｍは、空気の平均自由工程である。細孔が６８ｎｍ以下であると、空気が移動できず、断熱性が高くなる。

＜輻射防止部３の構成＞
図４は、実施の形態１における輻射防止部３の原料３０を上部から見た構造模式図である。輻射防止部３の原料３０は、経糸をアルミ蒸着樹脂繊維４、緯糸を熱可塑性樹脂繊維５１で構成されており、経糸、緯糸は平織構造により織られている。

図５にアルミ蒸着樹脂繊維４の断面構造図を示す。アルミ蒸着樹脂繊維４は、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルム、ナイロンフィルムなどの合成樹脂フィルム８に、アルミ蒸着膜７を蒸着させ、その上に腐食防止塗膜層６をコーティングしたものである。この構造は、いわゆる、金銀糸の構造である。

＜エアロゲル断熱部２の製造方法＞
エアロゲル断熱部２の製造方法としては、図３（ａ）に示すように、断熱ビーズ１２をエアロゲルとする場合、高モル珪酸ソーダなどの、エアロゲルの出発原料である液体を、ＰＥＴ繊維、グラスウールなどで構成される不織布など（繊維構造物１１）に含浸させ、ゲル化工程、養生（熟成）工程、疎水化工程、乾燥工程を経て、繊維構造物１１と断熱ビーズ１２を複合して形成することが望ましい。

＜輻射防止部３の製造方法＞
輻射防止部３の製造方法としては、図４に示すように、経糸をアルミ蒸着樹脂繊維４、緯糸を熱可塑性樹脂繊維５１として、平織を行い輻射防止部３の原料３０とする。なお、アルミ蒸着樹脂繊維４のベース樹脂フィルム（合成樹脂フィルム８）の材料としては、断熱体１の使用温度域よりも融点が十分高いもの（例えば、ＰＥＴ樹脂＝融点２６０℃）が望ましい。また、熱可塑性樹脂繊維５１の材料としては、断熱体１の使用温度域よりも融点が十分に高く、合成樹脂フィルム８の融点より低いもの（例えば、ＰＬＡ樹脂＝融点１９０℃）が望ましい。

＜エアロゲル断熱部２と輻射防止部３の原料３０との接着方法＞
エアロゲル断熱部２と輻射防止部３の原料３０との接着方法としては、熱接着を行う。まずは、図７に示すように、エアロゲル断熱部２の上に輻射防止部３の原料３０を配置する。次に、熱可塑性樹脂繊維５１の融点より高く、合成樹脂フィルム８の融点より低い温度帯の炉の中で、熱可塑性樹脂繊維５１が溶融するまで加熱する。

例えば、合成樹脂フィルム８をＰＥＴ樹脂、熱可塑性樹脂繊維５１をＰＬＡ樹脂とする場合、２００℃〜２６０℃の間の温度帯を使用する。

加熱により、図４に示すような構造をしていた輻射防止部３の原料３０が、図６に示すように、熱可塑性樹脂繊維５１のみ溶融する。次に、炉から出し、冷却を行うことで、溶融した熱可塑性樹脂繊維５１がエアロゲル断熱部２の繊維構造物１１と絡まり、アンカー効果によって強固に接着する。結果、図２に示したように、エアロゲル断熱部２と熱可塑性樹脂５とが接着した状態となる。

＜輻射防止機能を持つ断熱体１の効果＞
断熱体１を表面から裏面に通過する熱流量は、式１となる。

Ｗ＝Ｃ×ΔＴ・・・（式１）
ここで、断熱材全体を通過する熱流量の合計値Ｗ、熱コンダクタンスＣ、表裏面間の温度差ΔＴである。

熱コンダクタンスＣは、熱伝導成分Ｃｃと輻射成分Ｃｒにより構成され、式２である。

Ｃ＝Ｃｃ＋Ｃｒ・・・（式２）
ここで、熱伝導成分Ｃｃは、エアロゲル断熱部２が持つ熱伝導率λｂ、熱が通過する方向に対する断面積Ａ、断熱材の厚さＬから、式３である。

Ｃｃ＝（Ａ×λ）／Ｌ・・・（式３）
また、輻射成分Ｃｒは、輻射防止部３の面積Ｓ（アルミ蒸着樹脂繊維４の表面の面積）、輻射熱伝達率ｈｒから、式４である。

Ｃｒ＝Ｓ×ｈｒ・・・（式４）
放射熱伝達率ｈｒは、輻射防止膜（アルミ）の輻射率ε、固体表面の絶対温度Ｔａおよび周囲環境の絶対温度Ｔ∞から、式５となる。

ｈｒ＝５．６７×１０^−８×ε×（Ｔａ^２＋Ｔ∞^２）×（Ｔａ＋Ｔ∞）（式５）
輻射成分Ｃｒが大きくなると式４の熱コンダクタンスの輻射成分Ｃｒが大きな値をとり、式１に示す熱コンダクタンスＣの値が大きくなる。このため、式１に示す断熱体１を通過する熱流量が増え、断熱効果が小さくなってしまう。つまり、見かけの熱伝導率が大きくなる。

断熱体１の見かけの熱伝導率λｃは、式１の熱流量を用いて、式６となる。

λｃ＝（Ｗ・Ｌ）／（Ａ・ΔＴ）・・・（式６）
断熱体１の熱伝導率の測定規格である熱流計法（ＪＩＳＡ１４１２−２）では、式６にしたがい、断熱体１の表裏間を通過する熱流量Ｗ、断熱材の厚みＬ、断面積Ａと表裏面の温度差ΔＴから、熱伝導率（伝導、輻射成分を含む見かけの熱伝導率）を求める。

図８（ａ）に、アルミ蒸着樹脂繊維４の密度を変更して作製した断熱体１に対して、熱流計法による熱伝導率の測定結果を示す。

ここでは、輻射防止部３は、経糸のアルミ蒸着樹脂繊維４であるクラウン工業株式会社製金銀糸ＢＲＩＧＨＴＥＸＬＡＭＥ’平糸Ｍ１２メタリックと、緯糸の熱可塑性樹脂繊維５１であるＷＩＮＢＯ製フィラメントマテリアルＰＬＡ樹脂Ｍａｒｂｏｔとを、平織りにて作製した原料３０を溶かして製造した。

熱伝導率の測定には、ネッチ・ジャパン株式会社製熱流計法熱伝導率測定装置ＨＦＭ−４３６を使用し、サンプル温度（エアロゲル断熱部２の中心温度）９０℃の環境にて測定した。

用いたいくつかの輻射防止部３の原料３０の斜視図を図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示す。アルミ蒸着樹脂繊維４の密度の変更は、図８（ｂ）〜図８（ｄ）に示すように、輻射防止部３の原料３０を構成するアルミ蒸着樹脂繊維４の経糸を配置する間隔を調整することにより行った。アルミ蒸着樹脂繊維４を配置しない経糸には熱可塑性樹脂繊維５１を配置した。

図８（ｄ）より、輻射防止機能を持つアルミ蒸着樹脂繊維４が無いもの（図８の左側０：１００の構造）では、見かけの熱伝導率（伝導、輻射成分を含む熱伝導率）が約０．０２４Ｗ／（ｍ・Ｋ）と高いが、アルミ蒸着樹脂繊維４の割合を増やすごとに（図８の真ん中５０：５０の構造、図８の右側１００：０の構造へと移るごとに）、見かけの熱伝導率の値が小さくなっていることがわかる。すなわち、アルミ蒸着樹脂繊維４を備えた構造により、伝熱における輻射成分が抑えられていることがわかる。

図９は、実施の形態１における輻射防止機能を持つ断熱体１の輻射防止部３の原料３０の構造を上部から見た図である。熱可塑性樹脂繊維５１による輻射防止部３とエアロゲル断熱部２との接着力が十分に確保される場合、図９に示すように、輻射防止部３の原料３０の織構造を、アルミ蒸着樹脂繊維４が表面に多く出る綾織にし、輻射防止効果を高めることも可能である。

図１０は、実施の形態１における輻射防止機能を持つ断熱体１の輻射防止部３の原料３０の構造を上部から見た図である。熱可塑性樹脂繊維５１による輻射防止部３とエアロゲル断熱部２との接着力が十分に確保できる場合、図９に示すように、輻射防止部３の原料３０の織構造を、アルミ蒸着樹脂繊維４が表面に多く出る朱子織にし、輻射防止効果を高めることも可能である。

実施の形態の断熱材は、従来品よりも、断熱性の確保と輻射防止剤の脱落防止性に優れる。このため、特に１００℃あるいはそれ以上の、輻射伝熱が支配的である温度域での断熱効果が期待でき、省エネルギーに貢献できるあらゆる機器の断熱用途に適用できる。
（なお書き）
輻射防止部３は、エアロゲル断熱部２の上面全体にある必要はない。大部分を覆えばよい。輻射防止部３の原料３０は、平織、朱子織、綾織に限られない。規則正しく２つの繊維が織られているのが、物理的に、好ましい。不織布的な状態でおられていてもよい。

本発明の断熱材は、断熱材料として広く利用される。特に、１００℃あるいはそれ以上の、輻射伝熱が支配的である温度域で利用される。あらゆる機器の断熱用途に利用される。

１断熱体
２エアロゲル断熱部
３輻射防止部
４アルミ蒸着樹脂繊維
５熱可塑性樹脂
６腐食防止塗膜層
７アルミ蒸着膜
８合成樹脂フィルム
１１繊維構造物
１２断熱ビーズ
１３二次粒子
１４一次粒子
２１断熱層
２２被覆用シート
２３輻射反射層
３０原料
５１熱可塑性樹脂繊維

Claims

断熱部と、
金属を蒸着した第１繊維と熱可塑性樹脂繊維とを含み、前記断熱部の表面に配置される輻射防止部と、を含み、
前記第１繊維は、前記熱可塑性樹脂繊維と編まれて、
前記断熱部は、断熱ビーズとの複合物であり、
前記熱可塑性樹脂繊維のみが溶融され、前記断熱部と前記輻射防止部とが接着された断熱材。
前記第１繊維は、合成樹脂フィルムを前記金属で蒸着されており、前記合成樹脂フィルムは、溶融されていない請求項１記載の断熱材。
前記第１繊維は、前記熱可塑性繊維と、朱子織で編まれ、前記第１繊維が、前記熱可塑性樹脂繊維より多く表面に出る請求項１または２に記載の断熱材。
前記第１繊維は、前記熱可塑性繊維と、綾織で編まれ、前記第１繊維が、前記熱可塑性樹脂繊維より多く表面に出ている請求項１または２に記載の断熱材。
前記断熱ビーズは、シリカである請求項１〜４のいずれか１項に記載の断熱体。
金属を蒸着した第１繊維と、熱可塑性樹脂からなる第２繊維とを含む輻射防止部を作製する第１工程と、
前記第１工程で作製された前記輻射防止部を断熱部の表面に配置し、熱処理をし、前記第２繊維のみを溶かすことで、前記輻射防止部と前記断熱部とを合体させる第２工程と、を含む断熱体の製造方法。
前記第１工程では、前記第１繊維と前記第２繊維とは織らせている請求項６記載の製造方法。