JP2011056882A - ビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体及び芯材の製造方法とその方法による真空発泡断熱体 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来断熱材として使用しているビーズ法ポリスチレンの発泡体は、独立気泡体構造であるため、通気性が全く無いために、それ自体の真空引きが不可能であったが、特別な加工技術を用いることなく、簡便な手段により真空引き可能な構造体のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体及び芯材の製造方法とその方法による真空発泡断熱体を提供する。
【解決手段】 容器に発泡粒子を入れ、これを釜内の蒸気で加熱しＶ／Ｗ（嵩倍数）が２０倍から５０倍、好ましくは３７倍の予備発泡ビーズ３を作り、これを金型に入れて加熱し所望の形状の芯材３０とし、この芯材３０を真空封止材６で被覆し真空引きをして溶着封止することにより真空発泡断熱体５が形成される。
【選択図】 図６

Description

本発明は、ビーズ法ポリスチレン発泡体を用いたビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体及び芯材の製造方法とその方法による真空発泡断熱体に関する。

現在、低炭素社会と省エネ技術の普及は量重要課題であるが、それに関連する技術に断熱技術があるが、目立たない技術であるだけに見過ごされている。しかし断熱のシステム及び断熱材料は依然として進歩していない。断熱の効果を上げるには、材料の嵩を増すか或いはコスト高のため、本質的省エネの施工になっていなく、その損失は計り知れない。断熱不良による放熱分は、冷凍機（電気）や加熱器（化石燃料）を増加させ、エネルギーの二重損失となる。かかる観点から、断熱効率の優れた断熱材、安価な材料と製造コスト、軽量と容積の僅少化とこれらのシステム技術が求められている。

従来から使用されている断熱材は、ビーズ法ポリスチレン発泡体が大部分を占めており、鮮魚の輸送箱（どろ箱）等あらゆる包装箱に使用されている。一方、運用で廃棄した通い箱などには補強細工しなければならず、強度上適合しないものである。また、石油製品の産業廃棄物としてその処分にも問題がある。特に、保冷用断熱箱として、嵩が大となり、輸送コスト増大に繋がっているが、一方軽量、安価であるだけに普及されている。しかしもっと断熱効果のある材料が期待されている。断熱能力を増す場合は、本発泡体の肉厚を厚くしなければならず、収納箱の構造が大となり、材料コスト、輸送費、輸送スペースに影響するものとなっている。よって本発泡体自身の断熱効率を上げ、材料コストを大幅に減らすことが切実な要望である。

もともと本発泡体の原料は、ブタンガスの発泡剤が入った１ｍｍ程のポリスチレンのビーズに蒸気をかけるとポリスチレン樹脂が軟化し、ブタンガス発泡剤の働きでビーズは膨張する（予備発泡）。この予備発泡させたビーズを金型に充填し、もう一度蒸気をかけると、更に膨張したビーズは熱で粒同士がくついて、型通りの発泡成形品となる。無数の細かな独立した空気の部屋で仕切られた独立気泡の集合体である。従って、部屋は空気の対流が少ないので、熱が伝わり難い。しかし本来固有の熱伝導率は略一定である。

これに対して更なる熱伝導率の優れた本発泡体を得るためには、真空断熱材の適合が可能になれば良いことである。ビーズ法ポレスチレン発泡体は上記のように各気泡の部屋が独立気泡で構成されているため、全くの通気性がないため、真空断熱の芯材には適合できないのである。なお、真空断熱材の公知技術としては「引用文献１」、「引用文献２」、「引用文献３」、「引用文献４」及び「引用文献５」が挙げられる。

特開２００９−６３０６５（全文） 特開平４−３３７１９５（全文） 特開平４−２９７７５（全文） 特開平９−１３８０５８（全文） 特開２００６−１１２４３８（全文）

「特許文献１」の特開２００９−６３０６５は真空断熱材の芯材が微細連続気泡をもつ発泡成形体であって、ガラス、石油合成樹脂等を超臨界状態の二酸化炭素や窒素などを発泡剤として用いた超臨界発泡成形の押し出し発泡技術である。また、「特許文献２」の特開平４−３３７１９５公報は真空包装の芯材がグラスウールマットを挿入した真空断熱材である。また、「特許文献３」の特開平４−２９７７７５は熱伝導率の低い粉末のスペーサー材と通気性連通ウレタンフオームとで成形され、その中空部にスペーサー材を真空密閉した真空断熱材である。これらは何れも技術的に真空度、熱伝導率が上がらないものである。また、「特許文献４」の特開平９−１３８０５８公報は微細のグラスウールを有機系バインダーで固め成形した芯材を真空被覆断熱材があるが、バインダーガスの発生により真空度が保たれない。また、「特許文献５」の特開２００６−１１２４３８公報はバインダーを用いず芯材に無機繊維集合体を用いた真空断熱材の成形方法である。

以上の観点から、ビーズ法ポリスチレン発泡体（発泡スチロール）は、構造が夫々独立した細かな空気の部屋（セル）が独立気泡で仕切られており、空気の通気性は全く無いことが特徴であり、それゆえ熱を通しにくく、軽量、安価なことと、それ自体が断熱材として普及している。然し、これが真空断熱材として、独立気泡で、通気性が無いため、前記に提案される「特許文献」に係る発明は総て発泡スチロールではない材料による真空断熱材が提案されている。
然し、材料コスト、前処理、製造コスト、真空適応性等から満足すべき材料が無いのが現状である。しかしながら、真空断熱材の性能をアップすることは材料や製造コストの節減と設計条件を有利にし、省エネと石油の消費を抑制することになる。

本発明は以上の事情に鑑みて発明されたものであり、ビーズ法ポリスチレン発泡体を用いて通気性がよく低コスト及び省エネの可能なビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体及び芯材の製造方法とその方法による真空発泡断熱体を提供することを目的とする。

本発明は、以上の目的を達成するために、請求項１のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法の発明は（以下、本発明と言う）、ビーズ法ポリスチレン発泡体の原料の発泡粒子を容積Ｖ（ｍｌ）の容器に質量Ｗ（ｇ）挿入し蒸気で加熱して予備発泡倍数（嵩倍数）Ｖ／Ｗの値を２０倍から５０倍の予備発泡ビーズを作成し、この予備発泡ビーズを金型に入れて加熱して形成されることを特徴とする。

また、請求項２の本発明は、前記嵩倍数Ｖ／Ｗが３７倍であることを特徴とする。

また、請求項３の本発明は、真空発泡断熱体の製造方法であって、該方法は、請求項１又は２に記載の製造方法による前記芯材を真空封止材で被包して真空引きした後に前記真空封止材を封止することを特徴とする。

また、請求項４の本発明は、前記嵩倍数が、３７倍以上の芯材の場合には前記芯材内に貫通細孔を形成することを特徴とする。

また、請求項５の本発明は、前記真空封止材が、ガスバリア性被覆体からなることを特徴とする。

また、請求項６の本発明は、前記ガスバリア性被覆体が、ポリエチレン、ナイロン等の機密性樹脂フイルム及び該フイルムを被覆するアルミフイルム、アルミ蒸着フイルム、金属薄板からなることを特徴とする。

また、請求項７の本発明は、前記芯材と前記真空封止材との間にポリエステルネットのスペーサ又はゲッター材を介設することを特徴とする。

また、請求項８のビーズ法ポリスチレン発泡材を用いた真空発砲断熱体の発明は、前記請求項３乃至７に記載の真空発泡断熱体の製造方法により製造されることを特徴とする。

本発明の請求項１のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法によれば、予備発泡倍数（嵩倍数）のＶ／Ｗの値を２０倍乃至５０倍にすることにより通気性が良くなり、真空引きが可能となり、芯材がパネル状になり変形が少ない断熱性のある発泡スチロールの芯材を製作することができる。

また、本発明の請求項２のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法によれば、予備発泡倍数（嵩倍数）を３７倍にすることにより、最も通気性と軽量性の両方の利点を有する芯材を形成することができる。

また、本発明の請求項３のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法によれば、請求項１又は２によって製造された芯材を用い、これを真空封止材で被包して真空引して封止することによりパネル形状で変形の少ない真空発泡断熱体を作ることができる。

また、本発明の請求項４のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法によれば、Ｖ／Ｗの嵩倍数が３７倍を越える倍数のものの場合には真空引きが十分に出来ないため貫通細孔を設けこの貫通細孔によって真空引きを可能にすることができ、結果として所望の形状の真空発泡断熱体を得ることができる。

また、本発明の請求項５のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法によれば、ガスバリア性被覆体により芯材を被包して真空封止することができ、これにより真空断熱板として容易に製造商品化でき、構造材として流通することができる。

また、本発明の請求項６のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法によれば、ガスバリア性被覆体としてポリエチレン、ナイロン等の樹脂フイルムやアルミフイルム、アルミ蒸着フイルムや金型薄板が用いられこれにより安価の真空断熱体が容易に出来る効果が上げられる。

また、本発明の請求項７のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法によれば、芯材と真空封止材との間にスペーサやゲッター材を介在させることによって芯材と被覆体とが真空室内で接触して熱伝達が低下することを防止することができる。

また、本発明の請求項８のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体によれば、前記の請求項３乃至７に記載の製造方法によって所望の形状及び性能の真空断熱体を作ることができる。

本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の予備発泡ビーズの製造方法を示す模式図工程図（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）。 本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法を示す模式的工程図（ａ），（ｂ）。 本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の内のＶ／Ｗが３７倍のものを示す模式的断面図。 本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の内のＶ／Ｗが５０倍のものを示す模式的断面図。 本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の真空封止材を示す部分断面図。 本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の詳細構造の一例を示す断面図。 本発明のビーズ法ボリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の内のＶ／Ｗが５０倍以上のものを示す模式的断面図でありこのものは本発明の除外品となる。 また、本発明におけるビーズ法ポリスチレン発泡体の発泡粒子（ビーズ）の気泡の変化とその形状や隙間を示す断面図であり、（ａ）はＶ／Ｗが３０倍、（ｂ）は６０倍、（ｃ）は８０倍のものを示す。

以下、本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材や真空発泡断熱体及びその製造方法の実施の形態を図面を参照して説明する。

まず、実施例の説明に先立ってＶ／Ｗの倍数とその場合の気泡の形態を図８により説明する。
ビーズ法ポリスチレン発泡体の原料である発泡粒子を嵩倍数Ｖ／Ｗの値を３０倍、６０倍、８０倍にしたものが図８（ａ）、図８（ｂ）、図８（ｃ）に示されている。ここで、Ｒ₁，Ｒ₂，Ｒ₃は夫々の場合の気泡径であり、ｄ₁，ｄ₂，ｄ3は夫々の場合気泡膜厚（気泡と気泡との間の壁の厚み）である。また、嵩倍数が変わっても図示のように気泡数は同一である。図示のように嵩倍数が小さい方がＲ値は小さく、逆に嵩倍数が小さい方がｄ値は大きい。即ち、図８に示す通り、８０倍のモデルは気泡径は大きく、気泡膜厚は薄くなり、気泡同士の密着性は良好となり、機密性が優れ、強固な独立気泡を形成している。一方、発泡倍数３０倍は、気泡径は小さいため、気泡膜厚は厚くなり、気泡同士の密着性が疎になり、不均一な結合状態となり、空隙を作ることになる。従って、独立気泡の気密性が保持されないで、通気性があるポーラス状を形成している。３０倍、６０倍、８０倍の夫々の気泡膜厚ｄは前記のようにｄ₁＞ｄ₂＞ｄ₃の傾向にあり、倍数が小さいほど気泡膜厚は大となり、また、通気性は増える傾向にある。

以上のように発泡倍数が大きいほど、発泡体の空気の部屋（独立気泡）は大きくなり、同じ容積なら質量は軽くなる。一方、発泡倍数が小さいほど、独立気泡は小さくなり、同じ容積では質量は重くなる。
以上のビーズ法ポリスチレン発泡体は、無数の細かい空気の部屋が独立気泡で仕切られているため、隙間はなく、通気性は全くなく、それ自体の断熱性に優れ、断熱成形体等に最も利用されている断熱材である。
ここにおいて、安価、断熱性に優れた材料でありながら、これを真空断熱材の芯材に利用することが出来なかったのは、前記に説明したように、独立気泡であるため、通気性はなく、真空引きが不可能であった。なお、前記のように特許文献技術に挙げた「引用文献」の何れにも、発泡スチロールを真空断熱材の芯材に使用できないものである。

発泡スチロールが、真空断熱材の芯材として使用できる実施例について説明する。一般には、発泡スチロールが使用される製品の発泡倍数は、１５倍〜１００倍の範囲であるが、倍数に応じて夫々商品の用途分野がある。１５倍〜２０倍の前後は工作機械ロボットの加工部品用トレイ等、３０倍〜４０倍前後は、製品保護のクッション成形に使用されている。断熱材としては、２０倍〜１００倍の範囲であるが、倍数の高い５０倍以上が一般的である。
気泡倍数の大小により、気泡径と気泡膜厚が異なることに着目し、独立気泡であり、真空引きが出来ないとされていたが、真空引きのテストを試験した結果、真空引きの出来る範囲があることが判明した。テストの結果、発泡倍数が６０倍、８０倍は真空引きは出来なかったが、４０倍以下３７倍、３５倍、２０倍が真空引きが可能な範囲があることが判明した。特に、３７倍が真空引きが顕著であった。以上により３０倍〜４０倍の発泡スチロールは、真空引き可能な通気性のある好適材料であることが判明した。
このことから、発泡倍数の大きい方はそれ自身で断熱材であり、倍数の小さい方は、熱伝導率が大となり、断熱材には適さない傾向である。しかし、通気性があるために、真空断熱体の芯材に適用出来ることが解った。

次に、ビーズ法ポリスチレン発泡体の発泡粒子を用いての予備発泡ビーズを作る工程図の概要を図１に示す。
容器１内に例えば、１ｍｍ径の発泡粒子２を入れる（図１（ａ））。次に、この容器１を釜内に入れて蒸気で加熱する。この加熱温度の変化により発泡粒子２が膨張して嵩倍数Ｖ／Ｗの異なる予備発泡ビーズ３が出来る（図１（ｂ））。ここで図１（ｂ）において３ａは嵩倍数３７倍のものであり、３ｂは嵩倍数６０倍のものであり、夫々の大きさや形態が異なる。なお、図１（ｃ）及び図１（ｄ）は図１（ａ）及び図１（ｂ）の横断面図であり、図１（ｄ）は図１（ｂ）を拡大視したものである。

図２は製品としての芯材３０の製造方法の１つを示す模式的工程図である。図１に示した方法によって製作された予備発泡ビーズ３を図２（ａ）に示すように金型４内に充填し、もう一度蒸気をかけることにより、予備発泡ビーズ３の粒同士がくっつき、結果として金型４通りの芯材３０ができる。なお、図２（ｂ）におけるＡで示す芯材３０Ａは嵩倍数３７倍のものであり、Ｂで示す芯材３０Ｂは嵩倍数６０倍のものである。

図３は以上のようにして製造された芯材３０を用いた真空発泡断熱体５の一例を示す。図３に示す真空発泡断熱体５ａは嵩倍数３７倍の芯材３０Ａを用いたものである。
図示のように真空発泡断熱体５ａは芯材３０Ａを真空封止材６で被覆し、真空引きをして芯材３０Ａの形を整えた後、真空封止材６を溶着封止して完成される。

図４の真空発泡断熱体５ｂは嵩倍数が５０倍の芯材３０Ｂを用いたものです。このものは通気性が不十分のため芯材３０Ｂ内に貫通細孔８を設けたものからなります。その他の全体の製造は前記の図３のものと同一であり、重複説明を省略する。

図５は真空発泡断熱体５ａや５ｂ及び後に説明する真空発泡断熱体５ｃ等の芯材３０Ａ，３Ｂ，３Ｃを被覆する真空封止材６の一例を示すものである。このものはアルミ箔６ａをポリエチレンフイルム６ｂ及びナイロンフイルム６ｃで覆ったものからなる。なお、この真空封止材６は以上のものに限定するものではなくガスバリア性被覆体からなり、このガスバリア性被覆体は、例えば、ポリエチレン、ナイロン等の気密性樹脂フイルム及び該フイルムを被覆するアルミフイルム、アルミ蒸着フイルム、金属薄板等からなる。

図６は本発明の真空発泡断熱体５の詳細構造の１つを示すものである。図示のように、この真空発泡断熱体５は芯材３０Ａを真空封止材６で被覆すると共に芯材３０Ａと真空封止材６との間にポリエステルネットのスペーサ又はゲッタ材７を介在させたものからなる。これにより断熱と水分やガスの吸着を行い真空度の経年保持をするためのものである。

図７は真空発泡断熱体５ｃを示すものであるが、このものは芯材３０Ｃが嵩倍数５０倍以上のものであり、真空引きが不可能のものであり形態としては本発明に係る真空発泡断熱体５ａ，５ｂと似ているが本発明に係るもの以外の断熱材であり、参考として図示したものである。

本発明は以上の内容のものからなるが、本発明は以上の説明に限定するものでなく、同一技術的範疇のものに適用されることは勿論である。

本発明のビーズ法ポリスチレン発泡体（発泡スチロール）を、真空断熱材に適用されることは、従来の発泡スチロールの限界を超えて、断熱の範囲が飛躍的に拡大される。保冷、保温用通い箱や貯蔵箱の輸送の手段が一変し、省エネと低炭素の貢献は大きいものとなる。真空断熱パネルによる新しい用途開発が期待される。一般断熱体の製造方法と同じであり、原料も同じであり、安価な真空断熱材が得られる。断熱効率が良くなり、石油原料の節約に繋がることになる。

１ 容器
２ 発泡粒子
３ 予備発泡ビーズ
３ａ 予備発泡ビーズ
３ｂ 予備発泡ビーズ
３ｃ 予備発泡ビーズ
４ 金型
５ 真空発泡断熱体
５ａ 真空発泡断熱体
５ｂ 真空発泡断熱体
５ｃ 真空発泡断熱体
６ 真空封止材
６ａ アルミ箔
６ｂ ポリエチレンフイルム
６ｂ ナイロンフイルム
７ａ ポリエステルネットのスペーサ又はゲッタ材
８ 貫通細孔
３０Ａ 芯材
３０Ｂ 芯材
３０Ｃ 芯材

Claims (8)

1. 真空発泡断熱体の芯材の製造方法であって、該方法はビーズ法ポリスチレン発泡体の原料の発泡粒子を容積Ｖ（ｍｌ）の容器に質量Ｗ（ｇ）挿入し蒸気で加熱して予備発泡倍数（嵩倍数）Ｖ／Ｗの値を２０倍から５０倍の予備発泡ビーズを作成し、この予備発泡ビーズを金型に入れて加熱して形成されることを特徴とするビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法。
2. 前記嵩倍数Ｖ／Ｗが３７倍であることを特徴とする請求項１に記載のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の芯材の製造方法。
3. 真空発泡断熱体の製造方法であって、該方法は、請求項１又は２に記載の製造方法による前記芯材を真空封止材で被包して真空引きした後に前記真空封止材を封止することを特徴とするビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法。
4. 前記嵩倍数が、３７倍以上の芯材の場合には前記芯材内に貫通細孔を形成することを特徴とする請求項３に記載のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法。
5. 前記真空封止材が、ガスバリア性被覆体からなることを特徴とする請求項３又は４に記載のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法。
6. 前記ガスバリア性被覆体が、ポリエチレン、ナイロン等の機密性樹脂フイルム及び該フイルムを被覆するアルミフイルム、アルミ蒸着フイルム、金属薄板からなることを特徴とする請求項５に記載のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法。
7. 前記芯材と前記真空封止材との間にポリエステルネットのスペーサ又はゲッター材を介設することを特徴とする請求項５又は６に記載のビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体の製造方法。
8. 前記請求項３乃至７に記載の真空発泡断熱体の製造方法により製造されることを特徴とするビーズ法ポリスチレン発泡体を用いた真空発泡断熱体。