JPH10507978A - 乾留アスファルト被覆ガラス繊維充填材を備えた真空断熱パネルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 乾留アスファルトで被覆されたガラス繊維で形成された断熱媒体（１０６）を有する真空断熱パネル（１００）。このようなカーボン被覆ガラス繊維を、金属ジャケット（１０２）を備えた真空断熱パネルの充填材として使用すると、断熱パネルをかなり高温の用途に使用できる。カーボン被覆繊維上のカーボンは、パネル内の断熱媒体から生じるあらゆる放出ガスを吸収すべく活性化され、満足できる真空レベルを長期間確保することを助ける。

Description

【発明の詳細な説明】 乾留アスファルト被覆ガラス繊維充填材を備えた真空断熱パネルおよびその製 造方法 背景技術 本発明は、広くは断熱パネルに関し、より詳しくは、高温の用途に使用するた めの乾留アスファルト被覆ガラス繊維充填材を備えた改良形真空断熱パネルおよ び該パネルの製造方法に関する。 真空断熱パネルは当業界において良く知られており、一般に、密封包囲体内に 収容された断熱媒体を有している。包囲体は、この中に真空を形成して、パネル を通る熱伝達を低減させるべく真空引きされている。 慣用的なシリカパウダー充填形またはガラス繊維充填形真空断熱パネルは、一 般に、約４００℃以下の実働温度に制限される。残念ながら、例えばオーブン、 炉、ガソリンおよびディーゼルエンジンの触媒排気装置を含む多くの用途は、約 1,000℃ほどの高温に耐え得る断熱体を必要とする。また、これらの高温の用途 には、真空断熱パネルの高性能断熱特性が必要になる。 ４００℃以上では、ジャケット部材または充填材のいずれか一方または両方の 経時劣化が生じる。殆どのシリカパウダー真空断熱パネルは、数年の耐用寿命を 要する用途において、９０℃以上でポリマージャケット膜の劣化を受ける。金属 箔が積層された高性能ポリマーコンパウンドを用いるこれらの用途でも、３１５ ℃以上では、ジャケットの透過性およびガス放出特性(outgassing properties) の増大のため、真空保全性を急速に喪失する。 慣用的な石英ガラスは、パウダー形態であってもまたは繊維形態であっても、 圧縮荷重を受けると４００℃以上で変形し始める。このため、隣接繊維間または 隣接パウダー粒子間の接触領域の経時増大、および充填材の断熱特性の付随的損 失を伴う充填材の密度の経時増大が生じる。 セラミック繊維およびセラミックパウダーのような他の充填材は広い作動温度 範囲を与えるけれども、これらの材料は、コスト高、低い赤外線遮断特性、健康 に有害であるという懸念およびリサイクルの困難性という固有の欠点を有してい る。赤外線遮断特性を向上させるには、耐熱性物質ベースの断熱体にカーボンを 添加できる。しかしながら、カーボンの比較的高い熱伝導率（特に、例えば真空 断熱パネルにおいて遭遇する高負荷のパウダー形態において顕著である）のため 、カーボンパウダーを添加しても利益は得られない。 従って、真空断熱パネルを、より高温の用途に適用できるように改良すること が要望されている。 発明の開示 この要望は、真空断熱パネルが、乾留アスファルト被覆ガラス繊維で形成され た断熱媒体を備えている本発明の方法および装置により満たされる。このような カーボン被覆ガラス繊維は真空断熱パネルの充填材として使用され、得られるパ ネルは高温用途に使用できかつ慣用的なガラス繊維充填材を備えたパネルの所望 の特性を保有している。すなわち、本発明のパネルは製造が容易で、良好な断熱 性能を発揮し、容易に入手できる豊富な材料から作られ、環境的に安全であり、 ガス放出能力が低く、リサイクルが容易で、かつ種々の形状に成形可能である。 また、カーボン被覆繊維の表面上のカーボンは、断熱媒体から出る全ての放出ガ スを吸収すべく作用し、パネル内に満足できる真空レベルを長期間に亘って確保 することを助ける。 本発明の一態様によれば、真空断熱パネルは、内部空間を形成する密封真空金 属ジャケットと、乾留アスファルトで被覆されたガラス繊維からなる、前記内部 空間内の断熱媒体とを有している。 本発明の他の態様によれば、真空断熱パネルの製造方法は、低熱伝導率を有す る金属からなりかつ内部空間および該内部空間と連通する開口を形成するジャケ ットを形成するステップと、内部空間に、乾留アスファルトで被覆されたガラス 繊維で形成された断熱媒体を充填するステップと、真空を維持しながら内部空間 を密封するステップとを有する。繊維上のカーボンは、真空断熱パネル内のゲッ ターとして機能させるべく活性化される。ガラス繊維は、乾留アスファルトおよ びガラス繊維の全重量に基づいて、1.0〜40.0重量％の乾留アスファルトを含有 するのが好ましい。 ７００℃までの実働温度で使用するパネル構造は、その酸化抵抗性から、ジャ ケット部材として３０４Ｌステンレス鋼の箔を使用できる。しかしながら、700 〜1,000℃の範囲の実働温度の用途に対しては、断熱媒体およびジャケット材料 は、単純なカーボン被覆ガラス繊維およびステンレス鋼の箔より優れた高グレー ドのものでなくてはならない。ガラス組成は、シリカ含有量を約９０％に増大さ せることにより改質しなければならない。この実働温度で使用する好ましいジャ ケット材料はInconel ６０１である。 従って本発明の目的は、改良された真空断熱パネルおよび該パネルの改良され た製造方法を提供すること、カーボン被覆ガラス繊維からなる断熱媒体をパネル に使用することにより、改良された真空断熱パネルおよび該パネルの改良された 製造方法を提供すること、および、活性炭で被覆されたガラス繊維からなる断熱 媒体をパネルに使用することにより、改良された真空断熱パネルおよび該パネル の改良された製造方法を提供することにある。 本発明の他の目的および長所は、以下の説明、添付図面および請求の範囲の記 載から明らかになるであろう。 図面の簡単な説明 第１図は、本発明による真空断熱パネルを示す斜視図である。 第２図は、第１図の真空断熱パネルの概略断面図である。 発明を実施するための最良の形態 第１図および第２図に示すように、本発明による真空断熱パネル１００は、頂 部１０２ａおよび底部１０２ｂを備えたジャケット１０２を有している。ジャケ ット１０２は、低熱伝導率および低ガス放出性を有する金属（例えば３ミルのス テンレス鋼）で形成するのが好ましい。もちろん、本発明に他の金属を使用する こともできる。 図示のように、底部１０２ｂは、断熱媒体１０６を受け入れるキャビティ１０ ４および該キャビティ１０４の周囲に延びている平フランジ１０８を備えたパン 形に形成されている。フランジ１０８は、平らで、薄過ぎずかつしわがなくて、 頂部１０２ａとの気密シールを形成することが重要である。頂部１０２ａ（該頂 部は平らなものとして示されているが、パン形または他の形状にすること もできる）は、気密シールを形成すべく、レーザ溶接法またはロール抵抗シーム 溶接法を用いてフランジ１０８に溶接される。 多数の他の真空断熱パネル構造およびこれらのパネルの製造方法が当業界にお いて知られており、これらを本発明に使用できる。米国特許第5,330,816号およ び「真空断熱パネルおよびその製造方法(VACUUM INSULATION PANEL AND METHOD FOR MANUFACTURING)」という名称に係る1994年７月７日付米国特許出願第08/217 ,163号を参照することにより、真空断熱パネル構造およびこれらの製造に関する 他の情報が得られる。これらの米国特許および米国特許出願は、本件出願人に譲 渡されており、本願に援用する。 本発明の図示の実施例によれば、断熱媒体１０６は、乾留アスファルトで被覆 されたガラス繊維で形成された断熱ウール媒体からなる。高温用の真空断熱パネ ルにこのようなカーボン被覆ガラス繊維を使用すると、従来のガラス繊維ベース 真空断熱パネルをこのような高温用途に使用するときに遭遇する問題を解消でき る。例えば、従来の真空断熱パネルのガラス繊維は、４５０℃以上の高温で使用 すると、弾性係数の経時劣化を受ける。 パネルの全面に作用する約１５ PSI(１０３kPa)の大気圧によりガラス繊維が 弛緩し、この弛緩によって、パネルの充填材またはスペーサ媒体が徐々に押し潰 され、断熱性能が低下する。この断熱性能の低下は、繊維／繊維接触角の増大と 、スペーサ媒体を通る有効熱通路の減少（これは、多数の繊維が隣接繊維と接触 することによる）とに起因する。 後述のように、カーボン被覆ガラス繊維は、ガラス繊維の表面から容易には擦 り減らないカーボンの強固な付着層により、カーボン層の下にあるガラス繊維に 構造的剛性を付与する。炭化温度でガラス繊維の収縮が生じるので、二次元カー ボン層が高密度化されかつガラスに強固に接合される。顕微鏡的評価によれば、 カーボンは、スペーサ媒体に三次元構造を付与する繊維／繊維交差点で結合すな わち架橋していることが証明されている。本発明の真空断熱パネルを高温で使用 すると、カーボン／カーボン結合がより完全なものとなり、これにより、カーボ ン被覆ガラス繊維の経時強度が増大すると考えられる。 カーボンパウダーを添加するのではなく、ガラス繊維をカーボンで被覆するこ とにより、媒体の密度が低下する。この密度低下は２つの態様、すなわち、第１ にカーボンのランダムな繊維／繊維架橋と、第２に繊維の大きな弾性係数とによ り達成される。カーボン架橋と弾性係数の向上との組合せにより、繊維が互いに 過度に押し潰されることが防止され、このため、スペーサ媒体の内部を通る熱伝 達の固体伝導要素（solid conduction component）の長い熱通路が確保される。 本発明によれば、密度の低下に加え、より薄い真空断熱パネルを製造できる。 厚さが0.5インチ（12.7mm）以下の薄い真空断熱パネルは、薄いスペーサ媒体の 赤外線遮断能力、すなわち熱伝達の輻射要素を妨げる能力が不充分なため、パネ ルを通る全熱流量のうちの大きな割合の熱流量を伝導し始める。カーボン被覆ガ ラス繊維の充填材媒体を備えた真空断熱パネルは、単純なガラス繊維充填材媒体 を備えた厚いパネルに比べ、輻射遮断特性が優れている。 真空断熱パネルにカーボン被覆ガラス繊維充填材媒体を使用することの他の特 徴は、活性炭の浄化特性(scavenging property)である。真空断熱パネルの有効 寿命の間、真空断熱パネル内に最小レベルの真空を維持しなければならないため 最終的に真空密封する前に、ゲッターすなわちガス成分およびガス化合物の吸収 剤をパネルに機械的に添加される。ゲッターは、パネル内の断熱媒体から出るあ らゆる放出ガスを吸収することにより、長期間満足できる真空レベルを確保する ことを助ける。かくして、活性炭被覆ガラス繊維を使用する場合には、選択され るジャケット材料および実働温度によってはゲッターを添加する必要はなく、製 造業者にコスト節減をもたらす。 カーボン被覆ガラス繊維の好ましい形態を、活性炭被覆ガラス繊維について以 下に説明する。アスファルトは、従来、下方に流れるガラス繊維の流れにバイン ダを直接噴霧するのに使用されている機器を用いて、水性エマルジョンの形態で 付着される。これらの繊維は、従来と同様に、ブランケットの形態でコンベア上 に収集され、水を除去するのに充分な温度および時間で加熱される。従って、ガ ラス繊維は、慣用的なガラス繊維をサイジングするのと全く同じ方法で、アスフ ァルトで被覆される。これらの繊維は、また、部分的に乾燥される。 用語「アスファルト」は、ゴムが存在せずかつ化学的に改質されていないアス ファルトを意味する。すなわち、ここにいうアスファルトとは、ゴムと結合され ていない、またはアスファルト反応性物質と反応していない普通のアスファルト である。本願で使用するアスファルトは、空気吹込みアスファルト並びにアスフ ァルトフラックス、またはアスファルトセメントとして知られた舗装用アスファ ルトが好ましい。代表的なアスファルトとして、ＡＣ−２０、ＡＣ−１０および ＡＣ−５がある。このようなアスファルトは、最も好ましくは水性エマルジョン として適用され、エマルジョンは当業界で良く知られた技術で作ることができる 。しかしながら、商業的に入手できる多くのエマルジョンのうちの任意のエマル ジョンを使用すれば一層便利である。このようなエマルジョンとして、例えば、 K-oppers Chemical Company社からＣＲＳ−１の名称で、およびByerlite社から Ｋ−１−Ｃの名称で市販されているものがある。本発明の実施に使用されるエマ ルジョンは、陰イオン、陽イオンまたは非イオン性エマルジョンのいずれでもよ い。容易に理解されようが、このようなエマルジョンに、分散アスファルト、水 および適当な乳化剤を含有させることができる。連続ヤーン加工のため、これら のエマルジョンにガラス潤滑剤を添加できる。適当な潤滑剤の１つとして、テト ラエチレンペンタミンとステアリン酸との酢酸安定化反応生成物(acetic acid s tabilized-reaction)がある。他の適当な潤滑剤として、スルホン化鉱物油、ポ リオキシエチレンステアレートおよびポリオキシエチレンオレエート、ソルビタ ンオレエートおよびソルビタンステアレート並びにイソステアレートがある。 適用されるエマルジョンは、約２０〜約98.5重量％の水を含有するものが適当 である。断熱用では、エマルジョンのアスファルト含有量は約１〜約40.0％であ る。連続ヤーン用では、エマルジョンのアスファルト含有量は30.0〜65.0％であ る。アスファルトエマルジョンの残余の部分として、アスファルトを乳化させる のに充分な量で存在する例えば陰イオン、陽イオンまたは非イオン性表面活性剤 のような乳化剤を含有させることができ、また、潤滑剤を含有させるのが好まし い。潤滑剤は、(エマルジョンの重量に基づいて)約0.05〜約1.0％の量が存在す るのが好ましい。一般に、エマルジョンの非水部分は、上記物質を約１〜約１０ ％含有する。通常、エマルジョンは、最終製品が（アスファルトおよびガラスの 全重量に基づいて）約1.0〜約50.0重量％の乾留アスファルトを含有するように 、充分な量で適用される。乾留アスファルトの重量％は、断熱用には10.0〜40.0 重 量％の範囲、連続ロービング用には5.0〜30.0重量％の範囲が好ましい。 アスファルトエマルジョンを繊維の流れに付着させた後、繊維は、ブランケッ トとしてコンベア上に収集するか、連続ストランドの補強パッケージとして巻回 される。次に、不活性雰囲気中でガラス繊維を加熱することによりアスファルト 被覆を乾留する。一般に、乾留温度は６００〜2,200℃、好ましくは６００〜1,1 00℃である。不活性雰囲気は、ヘリウム、ネオンまたはアルゴン等の任意の不活 性ガスでよいが、アルゴンが好ましい。 ガラス繊維上に非溶融性アスファルト被覆を形成するため、早期加熱または乾 燥が、一般に２００〜４００℃の比較的低い温度で行なわれる。次に、これらの 繊維は、不融化された繊維を乾留する慣用的方法に従って、不活性ガス雰囲気中 で、１分間につき１０〜１００℃の加熱速度で乾留温度まで加熱される。ガラス 繊維ウール断熱体の試料は、次のようにして製造した。 例 Ｉ ウール試料は、浸水／抽出法（flood and extract method）を用いて、アスフ ァルトで被覆された。アスファルトは、乾燥されかつ硬化されて厚さ１インチ（ ２５mm）の試験片を形成した。密度は、21.8％の強熱減量（loi; loss on ig-ni tion）で、4.4pcf（70.481kg/m³）と測定された。試料は次のように処理された 。出発材料は、アルゴン雰囲気中で、１分間につき１０℃の速度で６００℃に加 熱された。次に、冷却されて取り出された。試料は黒色で、その元の寸法に保持 された。繊維は依然として無傷であり、試料から引き出された。 例 ＩＩ 第１ステップからの材料の一部がオーブンに戻され、アルゴン雰囲気中で、１ 分間につき１０℃の加熱速度で７００℃に再加熱され、この温度に１時間保持し た。試料は、６００℃からの材料より幾分黒いけれども、他の全ての点では本質 的に同じである。アルゴン雰囲気中で７００℃に加熱されたガラス繊維断熱体の 未被覆試料は、溶融してガラスボールになった。乾留構造は、ガラス繊維を安定 化させたように思われる。 例 ＩＩＩ 重量3.30グラムの他のアスファルト／ガラス繊維試料が、アルゴン雰囲気中で 、 １分間につき１０℃の加熱速度で６００℃に加熱され、この温度に１時間保持し た。次に、１分間につき１０℃加熱速度で７００℃まで加熱を続け、この温度に １時間保持した。最後に、１分間につき１０℃の加熱速度で８００℃まで加熱を 続け、この温度に１時間保持した。最後に、１分間につき１０℃の加熱速度で９ ００℃まで加熱を続け、この温度に１時間保持した。最終製品の重量は、8.2％ の被覆重量を除き、2.85グラムであった。製造された材料は、出発物質の外観を 保有している。繊維は無傷であり、これらの形状を保持している。被覆は明らか に乾留された。 例 ＩＶ 引張り試験用積層体のインプットとして、ウェットプロセスマットを製造した 。マットは、アスファルトエマルジョン中に浸漬されかつ乾留された。ガラス繊 維ウールから約２８％アスファルトに製造されたウエットプロセスマットの試料 をアスファルト被覆することにより、試験データを得た。次に、この材料を、例 ＩＩにおけるようにして７００℃で乾留した。試料は、エポキシ積層体の補強 体としてのマットを用いて試験された。試験結果は次の通りである。 この乾留プロセスにより、本質的に無アスファルトと同じ性能が得られた。ア スファルトおよび乾留された試料の応力が小さいことは、関連する接着のためで あろう。使用したガラス繊維はサイジングされていない。最初にサイジングして おくことにより、接着の問題が矯正されよう。乾留された試料の弾性係数（mod- ulus）は、慣用的なアスファルト被覆試料より増大したが、制御できないほど大 きいものではない。 乾留された繊維は、カーボンの一部の酸化（ガス化）により「活性化」され、 これにより高多孔質構造が形成される。活性化プロセスとして、酸素、ＣＯ₂ま たは水蒸気等の酸化ガスを用いる乾留物質の熱活性化がある。あらゆる場合にお いて、反応には、ＣＯまたはＣＯ₂へのカーボンの酸化が含まれる。水蒸気を用 いる反応は約７００℃で行なわれ、一方、ＣＯ₂は約９００℃を必要とする。反 応速度に予測可能な影響を与えるが、幾分低い（または高い）温度（±２００℃ 好ましくは±１００℃）を使用できる。ＣＯ₂または水蒸気はコントロールが容 易であるため、好ましい方法はこれらを使用することである。最も好ましい方法 は、コントロールが最も容易なＣＯ₂を使用することである。しかしながら、水 蒸気は活性化温度が低く（７００℃）、９００℃程度まではガラス強度を損なう ことがない。 活性化ステップは、ガラス繊維を包囲する雰囲気を、乾留中に使用される不活 性雰囲気から、何らかの酸化ガスを含有する雰囲気に変えることにより便利にス タートする。例えば、ガラス繊維はアルゴンの雰囲気中で乾留され、次に活性化 プロセスをスタートさせ、雰囲気中に二酸化炭素を導入できる。好ましい方法で は、使用されるＣＯ₂／アルゴンの重量比は、２５／７５である。雰囲気中の酸 化ガスの量は、活性化ステップ中の微孔形成速度を増大させるため１００重量％ まで増大するか、活性化プロセスのコントロールを向上させるため約５重量％ま で減少できる。雰囲気は、約１０〜約４０重量％の酸化ガスおよび約６０〜約９ ０重量％の不活性ガスを含有するのが好ましい。 活性化の度合いは、酸化ガスの量、温度および熱い酸化ガスへの露出時間に基 づいて定まる。活性化が続くと、微孔が拡大しかつ残余のカーボンの重量が減少 する。これは、プローブとして窒素を使用する良く知られた「Ｂ．Ｅ．Ｔ．」法 により測定した比表面積（カーボンの単位グラム当たり平方メートル）の増大に 反映される。活性化が過度になると、カーボンがガスにまで過度に酸化され、一 方、活性化が足りないと微孔形成が不充分になり有効なゲッタリングを行なうこ とができない。従って、活性化プロセスは、被覆繊維の表面積が約５０〜約2,00 0m²/gカーボン、好ましくは約２００〜約1,000m²/gカーボン、より好ましくは約 ４００〜約1,000m²/gカーボンの範囲内になるまで行なわれる。一般的 な活性化時間は約１０分〜約５時間の間であるが、活性化時間は特定のプロセス および物質に基づいて定まる。 繊維上のカーボンが所望の度合いまで活性化されたならば、繊維を冷却するこ とにより活性化プロセスを終了する。繊維は、不活性雰囲気中で約２００℃以下 に冷却するのが好ましい。 例 Ｖ 浸水／抽出法を用いて、ガラス繊維ウールの試料にアスファルトエマルジョン を被覆した。ガラス繊維ウールは、約５ミクロンの平均直径をもつロータリコン ジュゲートファイバ（rotary bicomponent fiber）を含有している。エマルジョ ンは、約３％のアスファルト、約６２％の水、および約２％のIndulan Sal 乳化 剤を含有している。アスファルト被覆試料は、アルゴンのブランケットの下で、 １分間につき１０℃の加熱速度で加熱された。試料が９００℃に加熱されると、 ブランケットガスは、２５重量％の二酸化炭素と７５重量％のアルゴンとの混合 物に変えられた。表面活性部位（surface active sites）を形成するため、試料 は種々の時間で、９００℃に保持された。試料の表面積はＢ．Ｅ．Ｔ．法により 測定した。結果を下記の表に示す。 試料３及び４は活性炭の表面積が大きく、かつ活性炭と好意的に比較して、優 れたゲッタリング特性を有している。また、９００℃でのＬＯＩおよび反応時間 を増大させることにより、表面積を増大できる。 以上、本発明をその好ましい実施例を参照して詳細に説明したが、請求の範囲 に記載された本発明の範囲を逸脱することなく、本発明に種々の変更を加え得る ことは明白であろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホール ハーバート エル ジュニア アメリカ合衆国 オハイオ州 43055 ニ ューアーク プレザント ヴァリー ロー ド 1371 (72)発明者 ポン フレデリック エイチ アメリカ合衆国 オハイオ州 43023 グ ランヴィル ランカスター ロード 4234

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．内部空間（１０４）を形成する密封真空金属ジャケット（１０２）と、 乾留アスファルトで被覆されたガラス繊維からなる、前記内部空間内の断熱 媒体（１０６）とを有することを特徴とする真空断熱パネル（１００）。 ２．前記ガラス繊維上の前記乾留アスファルト被覆が活性化されていることを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の真空断熱パネル。 ３．前記ガラス繊維は、乾留アスファルトおよびガラス繊維の全重量に基づいて 、1.0〜40.0重量％の乾留アスファルトを含有していることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載の真空断熱パネル。 ４．低熱伝導率を有する金属からなりかつ内部空間（１０４）および該内部空間 と連通する開口を形成するジャケット（１０２）を形成するステップと、 前記内部空間に、乾留アスファルトで被覆されたガラス繊維で形成された断 熱媒体（１０６）を充填するステップと、 前記真空を維持しながら前記内部空間を密封するステップとを有することを 特徴とする真空断熱パネル（１００）の製造方法。 ５．前記内部空間（１０４）を前記断熱媒体（１０６）で充填する前に、ガラス 繊維上の乾留アスファルト被覆を活性化させるステップを更に有することを特徴 とする請求の範囲第４項に記載の真空断熱パネルの製造方法。 ６．前記乾留アスファルトおよびガラス繊維の全重量に基づいて、1.0〜40.0重 量％の乾留アスファルトを含有するガラス繊維の断熱媒体（１０６）を形成する ステップを更に有することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の真空断熱パネ ルの製造方法。