JPH08105592A - 真空断熱体および真空断熱体の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は冷蔵庫などの断熱材として使用可能
な真空断熱体に関するものであり、生産性に優れた真空
断熱材を得ようとするものである。 【構成】 積層された連続気泡構造の発泡プラスチック
からなる芯材２と外装材３とから構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷蔵庫などの断熱材と
して使用可能な真空断熱体に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、地球環境保護の観点から、冷蔵庫
の断熱材の発泡剤として使用されているＣＦＣ−１１に
よるオゾン層破壊が世界的規模で注目されている。

【０００３】このような背景から新規発泡剤を用いた断
熱材の研究が行われており、代替フロンとしてはＨＣＦ
Ｃ−１４１ｂ、非フロン系ではシクロペンタンなどが適
用されている。

【０００４】しかしながら、これらの新規発泡剤はいず
れもＣＦＣ−１１より気体熱伝導率が大きく、冷蔵庫の
断熱性能の低下は避けられない状況である。

【０００５】一方、将来のエネルギー規制などに対し、
冷蔵庫の省エネ化は避けられない問題であり断熱性能を
向上させることが重要である。以上のように、代替フロ
ン対応による断熱性能の低下と省エネ化達成のための断
熱性能の向上という相反する課題を現状の冷蔵庫は抱え
ている。

【０００６】このような相反する課題を解決する一手段
として、特開昭６１ー１５３４８０号公報に連続気泡構
造の硬質ウレタンフォームを用いた真空断熱体が記載さ
れている。

【０００７】その内容は、気泡連通化剤としてポリオー
ル１００部に対し０．１〜５．０重量部の粉末状の不飽
和カルボン酸の２価金属塩を混合し、発泡して得られた
連続気泡率１００％の硬質ウレタンフォームを金属ープ
ラスチックフィルムからなる容器で被い、内部を減圧密
封することによって真空断熱体を得ようとするものであ
る。

【０００８】特に、連続気泡率が１００％であるので短
時間に所望の真空度を得ることができ、かつ独立気泡部
がないため長期間に亘って使用する場合、気泡内部のガ
スが拡散し真空度が低下するといった問題が解決できる
ことを特徴としている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】真空断熱体の断熱原理
は、熱を伝える空気を排除することである。しかしなが
ら、工業的レベルで高真空にすることは困難であり、実
用的に達成可能な真空度は０．１〜１０ｍｍＨｇであ
る。したがって、この真空度で目的とする断熱特性が得
られなければならない。

【００１０】空気が介在して熱伝導が行なわれる場合、
断熱特性に影響をおよぼす物性として平均自由行程があ
る。平均自由行程とは、空気を構成する分子の一つが別
の分子と衝突するまでに進む距離のことで、平均自由行
程よりも形成されている空隙が大きい場合は空隙内にお
いて分子同士が衝突し、空気による熱伝導が生じるため
真空断熱体の熱伝導率は大きくなる。逆に平均自由行程
よりも空隙が小さい場合は真空断熱体の熱伝導率は小さ
くなる。これは、空気の衝突による熱伝導がほとんどな
くなるためである。

【００１１】したがって、真空断熱体の実用性を考慮す
ると、０．１ｍｍＨｇでの空気の平均自由行程よりも空
隙を小さくすることが重要となる。０．１ｍｍＨｇの真
空度における空気の平均自由行程は約５００μｍ（２５
℃）であり、連続気泡構造の硬質ウレタンフォームを真
空断熱体の芯材として使用する場合、伝熱方向の気泡径
は５００μｍ以下にする必要がある。一方、実用的に真
空断熱体を得るためには短時間で所望の真空度を得るこ
とが必要となり、連続気泡構造を有する硬質ウレタンフ
ォーム内部の空気をいかに短時間で排気除去するかが重
要となる。

【００１２】空気の排気除去の難易度は気体分子の状態
に大きく依存する。気体分子の状態はある真空度におけ
る気体分子の平均自由行程と、気体分子が通過する空孔
径（気泡膜の破泡径）との比によって粘性流、中間流、
分子流の３つに分類され、その流れは伝熱方向に対し垂
直に生じる。

【００１３】粘性流とは、通過する空孔径よりも気体分
子の平均自由行程が小さい場合に生じ、気体分子は圧力
差によって排気除去される。分子流とは、粘性流と逆で
通過する空孔径よりも気体分子の平均自由行程が大きい
場合に生じ、気体分子はブラウン運動を行い圧力差に関
係なく移動するので、気体分子を排気除去するには非常
に長い時間が必要となる。中間流は粘性流と分子流との
中間に位置するものであり、その挙動については学術的
に解明されていない。

【００１４】以上のように、実用的に真空断熱体を得る
ためには粘性流の状態で気体分子を排気除去することが
必要となるが、上記引例特許では限定しているものが連
続気泡率のみであるので、通過する空孔径よりも気体分
子の平均自由行程が大きい時などは気体分子の排気除去
に長時間を要し、実用的な生産ができない課題がある。

【００１５】本発明は、実用的に真空断熱体が生産でき
ることを目的に、短時間で気体分子を排気除去できるよ
う芯材の適正化を図ったものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】従来の課題を解決するた
め本発明の真空断熱体は、外装材中に連続気泡構造の発
泡プラスチックからなる芯材を充填した真空断熱体にお
いて、前記芯材が伝熱方向に対し垂直に積層されている
ことを特徴とする。

【００１７】また、本発明の真空断熱体は、積層された
芯材と芯材の間に吸着剤を充填したことを特徴とする。

【００１８】また、本発明の真空断熱体は、積層された
芯材と芯材の間に５００×１０ー5μｍ以上１０００×１
０ー5μｍ以下の厚みを有する金属層を設けたことを特徴
とする。

【００１９】また、本発明の真空断熱体の製造方法は、
少なくとも前記芯材の製造工程として、芯材の一部分を
残し伝熱方向に対し垂直に切断する工程を有することを
特徴とする。

【００２０】

【作用】本発明は粘性流によって生じる粘性力により、
気泡内の気体分子を強制的に排気除去するという新しい
概念を導入し、連続気泡構造の発泡プラスチックを積層
化することにより積層間部に粘性流を著しく増大させ、
短時間で所望の真空度が得られることを特徴とするもの
である。

【００２１】実用的に真空断熱体を得るためには、０．
１ｍｍＨｇまでの真空度で生産する必要がある。この場
合、気体分子の平均自由行程は５００μｍ（２５℃）な
ので、伝熱方向の気泡径は５００μｍ以下にする必要が
ある。

【００２２】一方、ウレタンフォームにおける気泡構造
は一般に正１２面体構造をしており、その一つの気泡膜
の一部分が破泡して連続気泡を形成している場合、その
破泡径は５〜１０μｍである。 したがって、１０ｍｍ
Ｈｇ程度の真度になると気体分子の平均自由行程が５μ
ｍとなり、破泡径よりも平均自由行程の方が大きい分子
流状態となる。このような状態では圧力差に関係なく気
体分子がブラウン運動を行うので、気体分子を排気除去
するのに長時間必要となる。

【００２３】本発明では、連続気泡構造からなる発泡プ
ラスチックを伝熱方向に対し垂直に積層させているので
積層間に粘性流が著しく生じ、粘性流によって生じる粘
性力が強制的にフォーム内部の気体分子を除去するの
で、排気時間が短縮される。

【００２４】また、上記真空断熱体において、積層され
たフォーム間に気体吸着剤を設けることにより、経時的
にフォームから発生する有機ガスなどの吸臓ガスを除去
することができ、長きに亘って使用した場合における真
空度の低下による断熱性能の低下が改善される。

【００２５】また、上記真空断熱体において、積層され
たフォーム間に５００×１０ー5μｍ以上１０００×１０
ー5μｍ以下の厚みを有する金属層を設けることにより輻
射による熱伝導が低くなり、真空断熱体の熱伝導率が小
さくなる。

【００２６】また、本発明の製造方法によれば、芯材の
一部分が伝熱方向に対し垂直に切断されず一体になって
いる部分を有しているので、排気時の粘性流によって生
じる粘性力によって芯材が移動し、密封できないといっ
た問題が解決される。

【００２７】

【実施例】以下に、本発明の一実施例を図１，２を用い
て説明する。

【００２８】図において１は真空断熱体であり、（表
１）に示す原料および配合部数を用いて得られた連続気
泡構造の硬質ウレタンフォームを積層した芯材２を金属
ープラスチックラミネートフィルムからなる外装材３内
に充填後、内部を減圧密閉して得たものである。

【００２９】

【表１】

【００３０】（表１）において、ポリオールは芳香族ジ
アミンを開始剤としてプロピレンオキサイドを付加重合
させて得た水酸基価４４０ｍｇＫＯＨ／ｇのポリエーテ
ルポリオールである。整泡剤は、信越化学（株）製のシ
リコーン界面活性剤Ｆ−３１７、発泡剤は昭和電工
（株）製フロンＲ−１４１ｂである。触媒はジメチルエ
タノールアミン、気泡連通化剤は日本油脂（株）製のス
テアリン酸カルシウムである。有機ポリイソシアネート
は、トリレンジイソシアネートとトリメチルプロパンお
よびジエチレングリコールを反応させて得たアミン等量
１５０のポリイソシアネートである。

【００３１】これらの原料を（表１）に示した配合部数
により混合撹拌することによって連続気泡構造の硬質ウ
レタンフォームが得られる。なお、前記のようにして得
られた連続気泡の硬質ウレタンフォームは、その表面部
に高密度であるスキン層が形成されており、独立気泡が
含まれているので芯材２に適用する場合にはあらかじめ
除去しておく必要がある。

【００３２】上記のようにして得られた芯材２は（表
２）に示す物性を有しており、連続気泡率については、
デジタルピクノメーター（（株）島津製作所製ｍｉｃｒ
ｏｍｅｒｉｔｉｃｓ Ａｃｃｕｐｙｃ１３３０）により
測定した。

【００３３】

【表２】

【００３４】（表３）、図２は（表１）に示した物性を
有する芯材２を用いた真空断熱体１の排気時間と内部圧
力との関係を表したものであり、比較例として伝熱方向
に対し平行に積層した場合および積層していない場合の
連続気泡構造の硬質ウレタンフォームを用いた。

【００３５】

【表３】

【００３６】図２の結果から、同じ物性を有する連続気
泡構造の硬質ウレタンフォームであっても、伝熱方向に
対し垂直に積層することにより短時間で所望の真空度に
到達することがわかる。これは伝熱方向に対し垂直に積
層することにより、気体の流れに抵抗が生じないため層
間に著しい粘性流が生じる。

【００３７】その結果、同じフォーム体積であっても伝
熱方向に対し垂直に積層した方が粘性流が多く、粘性力
によってフォーム内部の気体分子が強制的に除去される
からである。したがって、伝熱方向に対し垂直に積層し
た場合、積層枚数の多い方がより短時間で所望の真空度
に到達することになり、本実施例においても図２に示し
たようにこれを裏付ける結果が得られている。

【００３８】なお、積層方法として芯材の一部分が接合
された状態のものを用いても同様の結果が得られる。

【００３９】表４は有機ガス吸着剤として活性炭シート
をフォーム積層間に適用した場合と、比較例としてフォ
ーム外表面に活性炭シートを適用した場合、および活性
炭シートを適用しない場合における真空度と断熱性能の
経時変化の結果を示したものである。なお、断熱性能に
ついては熱伝導率測定装置（真空理工（株）製Ｋ−Ｍａ
ｔｉｃ）を用い、平均温度２４℃で測定した。

【００４０】

【表４】

【００４１】今回使用した活性炭は、武田薬品工業
（株）製白鷺Ａであり、通気性を有する布織布に充填
後、真空乾燥加熱機中において１５０℃の温度で５時間
乾燥したものを使用した。

【００４２】（表４）の結果から、活性炭吸着剤を適用
することによって長期間真空度の保持が可能となり、初
期断熱性能を維持できることがわかる。特に、本発明の
仕様のようにフォーム積層間に吸着剤シートを設けるこ
とにより、フォーム外表面に吸着剤シートを適用するよ
りもより効果が大きくなる。

【００４３】これは、ウレタン樹脂中に吸臓されている
ガスは樹脂中のガス分圧と気層中のガス分圧が等しくな
るまで気層中に拡散していくが、フォーム表面に活性炭
シートを設けている場合、フォーム表面にまでガスが拡
散しなければ吸着することができず吸着効果は小さくな
る。

【００４４】したがって、本発明のように積層したフォ
ーム間に活性炭シートを設けることにより、長期間を要
して気層中に拡散してくる吸臓ガスを容易に物理吸着に
より取り除けるので、断熱性能の低下を最小限にするこ
とができる。

【００４５】（表５）、図３は積層された芯材と芯材の
間に５００×１０ー5μｍ以上１０００×１０ー5μｍ以下
の厚みを有するアルミ蒸着層を１層設けた場合の断熱性
能の評価結果を示したものであり、比較例として２００
×１０ー5μｍ、４００×１０ー5μｍ、１１００×１０ー5
μｍ、１３００×１０ー5μｍの厚みからなるアルミ蒸着
層を設けた場合、およびアルミ蒸着層を設けない場合の
結果を示す。

【００４６】

【表５】

【００４７】図３の結果から明らかなように、フォーム
積層間にアルミ蒸着層を１層設けることにより断熱性能
が向上していることがわかる。これはアルミ蒸着層を設
けることにより輻射による熱伝導が低減されるためであ
り、蒸着層の厚みとしては５００×１０ー5μｍ以上１０
００×１０ー5μｍ以下が望ましい。５００×１０ー5μｍ
よりもアルミ蒸着の厚みが薄い場合は、輻射による熱伝
導を十分に低減できず効果が小さい。また、１０００×
１０ー5μｍよりもアルミ蒸着の厚みを増やしたとしても
その効果は同等である。

【００４８】したがって、真空断熱体において最も効果
的な使用としては、５００×１０ー5μｍ以上１０００×
１０ー5μｍ以下の厚みを有するアルミ蒸着層を設けるこ
とである。なお、蒸着としてはアルミに限定されるもの
ではなく、金、銀、銅などを用いても同様の効果が得ら
れる。また、金属箔を用いても同様の効果が得られる。

【００４９】次に本発明の製造方法について述べる（図
示せず）。芯材を伝熱方向に対し垂直に積層することに
より、積層間に著しい粘性流が生じ排気時間が短縮され
ることは前記の通りであるが、この時粘性流によって生
じる粘性力が芯材を移動させてしまう。

【００５０】このため、所望の真空度が短時間で得られ
たとしても、密閉を行うことができない。本発明の製造
方法では、芯材を伝熱方向に対し垂直に切断するが、一
部分は一体のまま芯材が残されているので粘性力によっ
て芯材が移動することがなく、所望の真空度が得られた
時点で容易に密閉かできる。

【００５１】なお、通気性を有する布織布などを用いて
も同様の効果が得られるが、部品点数が多くなり好まし
くない。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、本発明の真空断熱体は、
連続気泡構造の発泡プラスチックからなる芯材を伝熱方
向に対し垂直に積層して得た真空断熱体であるので、積
層間部に粘性流が著しく増大し、粘性力で芯材内部の気
体分子を排気除去し短時間で所望の真空度が得られる。

【００５３】また、本発明の真空断熱体は積層された芯
材と芯材の間に吸着剤を充填しているので、芯材に吸臓
されているガスが経時的に気層中に拡散してきても容易
に物理吸着することができ、長期間に亘って性能を維持
することがきる。

【００５４】また、本発明の真空断熱体は、積層された
芯材と芯材の間に５００×１０ー5μｍ以上１０００×１
０ー5μｍ以下の厚みを有する金属層を設けているので輻
射伝熱を低減し、優れた断熱性能を有する真空断熱体が
得られる。

【００５５】また、本発明の真空断熱体の製造方法は、
芯材の一部分を残し伝熱方向に対し垂直に切断する工程
を有しているので、芯材は一部分だけ一体形成を有して
おり、排気時の粘性力によって芯材が移動し密閉封がで
きないといった問題が解決される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における真空断熱体の断面図

【図２】本発明の一実施例における排気時間と内圧との
関係を示す図

【図３】本発明の一実施例における経時変化と真空度と
の関係を示す図

【符号の説明】

１ 真空断熱体 ２ 芯材 ３ 外装材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外装材中に連続気泡構造の発泡プラスチ
   ックからなる芯材を充填した真空断熱体において、前記
   芯材が伝熱方向に対し垂直に積層されている真空断熱
   体。
2. 【請求項２】 積層された芯材と芯材の間に吸着剤を充
   填してなる、請求項１記載の真空断熱体。
3. 【請求項３】 積層された芯材と芯材の間に５００×１
   ０ー5μｍ以上１０００×１０ー5μｍ以下の厚みを有する
   金属層を設けてなる、請求項１記載の真空断熱体。
4. 【請求項４】 外装材中に連続気泡構造の発泡プラスチ
   ックからなる芯材を充填した真空断熱体の製造におい
   て、少なくとも前記芯材の製造工程として、芯材の一部
   分を残し伝熱方向に対し垂直に切断する工程を有する真
   空断熱体の製造方法。