特許 6961447 真空断熱材

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6961447

(24)【登録日】2021年10月15日

(45)【発行日】2021年11月5日

(54)【発明の名称】真空断熱材

(51)【国際特許分類】

   F16L 59/065 20060101AFI20211025BHJP

   G01M 3/16 20060101ALI20211025BHJP

【ＦＩ】

   F16L59/065

   G01M3/16 Z

   G01M3/16 L

【請求項の数】14

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2017-193570(P2017-193570)

(22)【出願日】2017年10月3日

(65)【公開番号】特開2019-65995(P2019-65995A)

(43)【公開日】2019年4月25日

【審査請求日】2020年8月21日

(73)【特許権者】

【識別番号】313012349

【氏名又は名称】旭ファイバーグラス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100088694

【弁理士】

【氏名又は名称】弟子丸 健

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100176418

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 嘉晃

(72)【発明者】

【氏名】山本 秀哉

【審査官】 藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１８０９０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１５／１１５４６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１５−０９７４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０２６４４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１４４５６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２１８４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１４０４９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表昭６２−５０１９３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−２３９１９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第４６４１５６５（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１６Ｌ ５９／０６５

Ｇ０１Ｍ ３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

芯材と、前記芯材を覆うガスバリア性フィルムと、前記ガスバリア性フィルムの外側に設けられた外層とを含み、内部を減圧密封した真空断熱材において、
前記真空断熱材は、前記外層よりも内側に、小型無線真空計を含み、
前記小型無線真空計は、圧力センサと、前記圧力センサに電力を供給するバッテリーと、ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記バッテリーを充電する充電ユニットと、前記圧力センサで測定された、少なくとも圧力値を含む測定データを送信する送信ユニットと
を少なくとも含み、
前記圧力センサは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で形成され、
前記バッテリーは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して充電ユニットに接続され、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記充電ユニットから得られる電圧を、前記バッテリーの充電に必要な電圧に変換し、
前記充電ユニットは、外部電源との電気的な接続なしに前記バッテリーを充電する充電機構を含み、
前記小型無線真空計の体積は、前記真空断熱材の体積の７．５％以下であること
を特徴とする真空断熱材。

【請求項2】

前記充電ユニットは、充電機構としてペルチェ素子を含み、前記真空断熱材の外部から熱が加えられることで、ゼーベック効果により生じた電力により、前記バッテリーを充電すること
を特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。

【請求項3】

前記充電ユニットは、充電機構として受電側コイルを含み、前記真空断熱材の外部にある送電側コイルとの非接触給電により、前記バッテリーを充電すること
を特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。

【請求項4】

前記非接触給電は、前記受電側コイルと前記送電側コイルとの間で発生する誘導磁束を利用して電力を伝送する方式である電磁誘導方式を用いたこと
を特徴とする請求項３に記載の真空断熱材。

【請求項5】

前記非接触給電は、送電側共振回路に含まれる前記送電側コイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する受電側共振回路に含まれる前記受電側コイルに伝わることで、磁界共鳴させて電力を伝送する方式である磁界共鳴方式を用いたこと
を特徴とする請求項３に記載の真空断熱材。

【請求項6】

前記圧力センサは、熱電対型真空センサであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項7】

前記圧力センサは、ピエゾ抵抗型真空センサであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項8】

前記圧力センサは、クリスタル真空センサであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項9】

前記圧力センサは、熱電対型真空センサ、ピエゾ抵抗型真空センサ及びクリスタル真空センサの中から選択された２つ以上の真空センサを併用したものであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項10】

前記小型無線真空計の体積は、前記真空断熱材の体積の５．０％以下であること
を特徴とする請求項１に記載の真空断熱材。

【請求項11】

前記小型無線真空計の厚みは、１２ｍｍ以下であること
を特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項12】

前記真空断熱材の厚みは、２５ｍｍ以下であり、かつ、前記小型無線真空計の厚みよりも厚いこと
を特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項13】

前記小型無線真空計は、温度センサ、湿度センサ、各種分子種を計測するセンサ及び内部時計のうち少なくとも１つをさらに含むこと
を特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【請求項14】

前記送信ユニットは、１ＧＨｚ未満のサブギガ帯無線又は２．４ＧＨｚ帯無線又は５ＧＨｚ帯無線によって、前記測定データを送信すること
を特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の真空断熱材。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱エネルギーを効率的に利用するために住宅やプラントの外壁等に用いられる真空断熱材に関する。具体的には、真空断熱材において内部の物性を測定できる小型のセンサと、無線送信装置と、バッテリーを備えた真空断熱材に関する。

【背景技術】

【0002】

真空断熱材は、発泡スチロールよりも断熱性能の高い断熱材として冷蔵庫、魔法瓶、住宅やプラントの外壁等の様々な分野に多用されている。この真空断熱材は、例えば、内部に多くの空隙をもつ多孔体からなる芯材に、芯材を封入する袋状のガスバリア性フィルムを被せて減圧し、ガスバリア性フィルムの開口部を熱溶着（ヒートシール）し、ガスバリア性フィルムの外側に外層を設けて構成することができる。

【0003】

一般に、真空断熱材は、長期的に運用することで経年劣化が進行し、外部から空気等のガスが長い時間をかけて徐々に内部に流入して、ガスの流入による断熱性能が低下するという問題を有しており、長期的な運用・性能予測の面で課題をかかえている。そして、真空断熱材の施工後に断熱性能を確認する方法は乏しく、真空断熱材を取り外して熱伝導率等を測定することによって、正確な断熱性能の変化を読み取るしか方法が無かった。

【0004】

そこで、長期にわたって真空断熱材の性能をモニタリングするために、真空断熱材の断熱性能に直接的に関係する真空度に加えて、温度、湿度、ガス分子等の様々な情報を測定し、真空断熱材の内側の情報を外部に送信可能な機構を内側に備えた真空断熱材が従来技術として提案されている。

【0005】

例えば、特許第４６４１５６５号公報（特許文献１）に記載の真空断熱パネルは、芯材にガスバリア性の外皮材を被せ、周辺の温度の計測が可能な温度センサ部、温度センサ部による計測結果を無線通信可能な通信部、及びバッテリーが外皮材の内側に配置されるように構成されている。また、特開２０１２−１３６２５４号公報（特許文献２）に記載の真空断熱パネルは、断熱材をガスバリア性フィルムで覆い、内部を真空にした断熱パネルにおいて、外皮材の内側に少なくとも真空センサと、真空センサで検知した真空データを外部に送信可能な通信部と、バッテリーを設けられている。その他、特開２０１５−５１３３２７号公報（特許文献３）にも同様の真空断熱パネルが記載されている。

【0006】

このように、センサを内蔵した従来の真空断熱パネルは、真空断熱パネルの真空度や、周辺の温度を計測することができ、計測値を外部に送信し、真空断熱パネルの断熱性能をモニタリングすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４６４１５６５号公報

【特許文献2】特開２０１２−１３６２５４号公報

【特許文献3】特開２０１５−５１３３２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、上記従来例の真空断熱材には、センサ等を用いて内部の物性を測定することには多くの課題があり、その解決に至っていない。主な課題は４つあり、１つ目の課題は、長期的な物性測定手法である。一般的な真空断熱材の使用年数は半年以上となっており、長期的な運用が見込まれるが、上記従来例の真空断熱パネルのように、バッテリーを内部に搭載した場合、長期的な運用に耐え得る十分な電力を継続して供給することができず、すぐに測定ができなくなることが予想される。

【0009】

２つ目の課題は、真空下では内部が１Ｐａ程度の時約１０ｔ／ｍ²の力が断熱材表面に加わり、センサ、ケーブル、無線送信機等の表面に大きな力が加わる為、それらを保護できるように構成する必要がある。

【0010】

そして、３つ目の課題は、圧力測定の方法として、例えば、特開２０１２−１３６２５４号公報（特許文献２）では、ピラニ、隔膜、静電容量型、マイクロメカニカル真空計等を用いているが、大きさの面でピラニ・隔膜真空計は真空断熱材内部に挿入することは困難である。静電容量型の真空計は小型のタイプがあるものの、精度不十分である。

【0011】

最後に、４つ目の課題は、真空性能を発揮するために、真空断熱材は内部に繊維で多数の独立した部屋（pore、 セルとも呼ぶ）を構成することでガスの流入を防止してガス熱伝導率を抑制できるが、センサによって真空断熱材内部のスペースが埋まってしまうとガス流入を防止するセルの容積が減ってしまう。そのため、真空断熱材の内部分圧がセンサ無しに比べて上昇し、断熱性能が落ちやすくなる。よって、センサのサイズについては、なるべく小型化できることが望ましい。

【0012】

そこで、上述の課題をすべて解決するために、本発明では、真空断熱材の内側に、熱電対型真空センサ又はピエゾ抵抗型真空センサ又はクリスタル真空センサ（クリスタルゲージ）又はそれらを併用したものである圧力センサと、バッテリーと、充電ユニットと、少なくとも圧力値を含む測定データを送信する送信ユニットとを含む小型無線真空計を設け、圧力センサを微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で形成し、充電ユニットを外部電源との電気的な接続なしにバッテリーを充電するように構成した真空断熱材を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る真空断熱材の１つの実施形態として、真空断熱材は、芯材と、前記芯材を覆うガスバリア性フィルムと、前記ガスバリア性フィルムの外側に設けられた外層とを含み、内部を減圧密封し、
前記真空断熱材は、前記外層よりも内側に、小型無線真空計を含み、
前記小型無線真空計は、圧力センサと、前記圧力センサに電力を供給するバッテリーと、前記バッテリーを充電する充電ユニットと、前記圧力センサで測定された、少なくとも圧力値を含む測定データを送信する送信ユニットと
を少なくとも含み、
前記圧力センサは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で形成され、
前記充電ユニットは、外部電源との電気的な接続なしに前記バッテリーを充電する充電機構を含むことを特徴とする。

【0014】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記充電ユニットは、充電機構としてペルチェ素子を含み、前記真空断熱材の外部から熱が加えられることで、ゼーベック効果により生じた電力により、前記バッテリーを充電することを特徴とする。

【0015】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記充電ユニットは、充電機構として受電側コイルを含み、前記真空断熱材の外部にある送電側コイルとの非接触給電により、前記バッテリーを充電することを特徴とする。

【0016】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記非接触給電は、前記受電側コイルと前記送電側コイルとの間で発生する誘導磁束を利用して電力を伝送する方式である電磁誘導方式を用いたことを特徴とする。

【0017】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記非接触給電は、送電側共振回路に含まれる前記送信側コイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する受電側共振回路に含まれる前記受信側コイルに伝わることで、磁界共鳴させて電力を伝送する方式である磁界共鳴方式を用いたことを特徴とする。

【0018】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記圧力センサは、熱電対型真空センサであることを特徴とする。

【0019】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記圧力センサは、ピエゾ抵抗型真空センサであることを特徴とする。

【0020】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記圧力センサは、クリスタル真空センサであることを特徴とする。

【0021】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記圧力センサは、熱電対型真空センサ、ピエゾ抵抗型真空センサ及びクリスタル真空センサの中から選択された２つ以上の真空センサを併用したものであることを特徴とする。

【0022】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記小型無線真空計の体積は、前記真空断熱材の体積の７．５％以下であることを特徴とする。

【0023】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記小型無線真空計の体積は、前記真空断熱材の体積の５．０％以下であることを特徴とする。

【0024】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記小型無線真空計の厚みは、１２ｍｍ以下であることを特徴とする。

【0025】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記真空断熱材の厚みは、２５ｍｍ以下であり、かつ、前記小型真空計の厚みよりも厚いことを特徴とする。

【0026】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記小型無線真空計は、温度センサ、湿度センサ、各種分子種を計測するセンサ及び内部時計のうち少なくとも１つをさらに含むことを特徴とする。

【0027】

本発明に係る真空断熱材の好ましい実施形態として、前記送信ユニットは、１ＧＨｚ未満のサブギガ帯無線又は２．４ＧＨｚ帯無線又は５ＧＨｚ帯無線によって、前記測定データを送信することを特徴とする。

【発明の効果】

【0028】

本発明の１つの実施形態に係る真空断熱材は、外部電源との電気的な接続なしに前記バッテリーを充電する充電機構を含む充電ユニットを設けたことで、長期的な運用に耐え得る十分な電力を継続して供給することができる。また、真空断熱材に含まれる小型無線真空計の圧力センサをＭＥＭＳで形成し、小型無線真空計の体積を真空断熱材の体積の７．５％以下、好ましくは５．０％以下となるように真空断熱材を構成したことで、小型無線真空計の表面積が小さくなり、真空下で小型無線真空計に加わる力を弱くすることができ、小型無線真空計を保護することができる。

【0029】

そして、小型無線真空計を上述のとおり極力小さく構成したことで、真空断熱材の内部に繊維で構成された多数の独立したセルのスペースを埋めずに、ガス流入を防止して断熱性能を低下させない十分なセルの容積を確保することができる。さらに、真空断熱材に含まれる小型無線真空計の圧力センサに熱電対型真空センサ又はピエゾ抵抗型真空センサ又はクリスタル真空センサ又はそれらを併用したものを採用したことで、小型無線真空計でありながら、真空断熱材の内部に挿入することが困難なピラニ真空計等の大きな真空計と同等の測定精度を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の一実施形態に係る真空断熱材に含まれる小型無線真空計の部品構成を示すブロック図である。

【図2】小型無線真空計の精度確認試験の装置構成を示すブロック図である。

【図3】小型無線真空計の精度確認試験の結果を示すグラフである。

【図4】真空断熱材の長期断熱性能試験の結果を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、実施の形態を説明するための全ての図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

【0032】

図１は、本発明の一実施形態に係る真空断熱材に含まれる小型無線真空計の部品構成を示すブロック図である。小型無線真空計１０は、圧力センサ１と、オペアンプ２と、Ａ／Ｄコンバータ３と、ＣＰＵ・無線送信ユニット４と、温湿度センサ・内部時計５と、充電ユニット６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、バッテリー８とを含むことができる。

【0033】

圧力センサ１は、真空断熱材内部の圧力を測定し、圧力センサ１に接続されたオペアンプ２は、測定された圧力値のアナログ信号を増幅することができる。オペアンプ２に接続されたＡ／Ｄコンバータ３は、増幅されたアナログ信号をデジタル信号に変換し、Ａ／Ｄコンバータ３に接続されたＣＰＵ・無線送信ユニット４は、デジタル信号を受け取り、受け取ったデジタル信号を測定データとして、１ＧＨｚ未満のサブギガ帯無線又は２．４ＧＨｚ帯無線又は５ＧＨｚ帯無線によって外部の受信ユニット（図示せず）に送信することができる。

【0034】

ＣＰＵ・無線送信ユニット４の周波数帯は、無線送信可能な周波数帯であれば、どれでも選択が可能であるが、送信距離の問題から１ＧＨｚ以下範囲が好ましい。９２０ＭＨｚ帯はＩＳＭバンド帯を利用しており、１回の送信にかかる消費電力も大きい。しかしながら、９２０ＭＨｚ帯は２．４ＧＨｚ帯に比べて、回折性が高いので障害物を回りこんで通信することができ、電波の到達距離も長いことから、真空断熱材の外層表面から数ｍの送信が可能である。

【0035】

一方、ＢＬＥ（Bluetooth（登録商標） Low Energy）通信を含む２．４ＧＨｚ帯の通信方法では、消費電力は少ないが、電波の到達距離は、一般的な真空断熱材の外層表面から５ｃｍ程度である。壁内部に真空断熱材を設置した場合の計測が難しいが、壁厚の薄い所や、壁から真空断熱材の表面が剥き出しである場合に用いることができる。

【0036】

外部の受信ユニットは、測定データの受信時に測定電圧を記録し、既知の校正値（電圧/圧力）の変換値から圧力値に変換することができ、変換で出力される圧力値は、例えば、受信ユニットで実行されるプログラムによって計算される。

【0037】

圧力センサ１は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）で形成された熱電対型真空センサを用いることができる。また、圧力センサ１は、ＭＥＭＳで形成された熱電対型真空センサを用いることもできる。

【0038】

ＣＰＵ・無線送信ユニット４に接続された温湿度センサ・内部時計５は、例えば、Ｉ２Ｃ通信等のシリアル通信で直接ＣＰＵに信号を送信することができる。ＣＰＵ・無線送信ユニット４は、温湿度センサ・内部時計５からの信号を無線で外部の受信ユニットに送信することができる。なお、温湿度センサについては無くても、圧力センサ１により真空断熱材の内側の圧力を測定することが可能な為、必要がない場合には、小型無線真空計１０の構成に含めなくてもよい。つまり、温湿度センサは、真空断熱材の内部に侵入する水蒸気圧の問題を確認する等の必要な場合に応じて、小型無線真空計１０に含めることができる。さらに、各種分子種（二酸化炭素、一酸化炭素、酸素、ＶＯＣ等）を計測するセンサも小型無線真空計１０に含めることができる。すなわち、小型無線真空計１０は、温度センサ、湿度センサ、各種分子種を計測するセンサ及び内部時計のうち少なくとも１つをさらに含むことができる。

【0039】

ＣＰＵ・無線送信ユニット４に接続されたバッテリー６は、ＣＰＵ・無線送信ユニット４及び該ユニットに電気的に接続されたその他の部品（素子）に電力を供給することができる。また、バッテリー６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して充電ユニット８に接続され、充電ユニット８は、バッテリー６を充電するための電力を供給することができる。ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、充電ユニット８から得られる電圧を、バッテリー６の充電に必要な電圧に変換することができる。

【0040】

充電ユニット８は、充電機構としてペルチェ素子又は非接触給電用のコイルを採用することができる。充電ユニット８の充電機構としてペルチェ素子を用いた場合には、ペルチェ素子に熱が加えられることで、ゼーベック効果により生じた電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介してバッテリー６に供給することができる。例えば、バッテリー６として、８５ｍＡｈの小型リチウムイオンポリマー（ＬｉＰｏ）バッテリーを採用した場合には、充電ユニット８のペルチェ素子に８０℃の熱を約５分間加えることで、当該小型ＬｉＰｏバッテリーの充電を完了することができる。８０℃の熱を約５分間加える程度であれば、真空断熱材にはほぼダメージを与えずに充電することができる。

【0041】

充電ユニット８は、充電機構として非接触給電用のコイルを用いた場合、電磁誘導方式又は磁界共鳴方式によって生じた電力を、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介してバッテリー６に供給することができる。例えば、電磁誘導方式の場合、充電ユニット８には受電側コイルが含まれ、真空断熱材の外部の充電器等に含まれる送電側コイルと、受電側コイルとの間で発生する誘電磁束を利用して生じた電力を充電ユニット８で受け取ることができる。

【0042】

また、電界共鳴方式の場合、受電側コイルは受電側共振回路に含まれ、送電側コイルは送電側共振回路に含まれる。充電器送電側共振回路に含まれる送信側コイルに電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する受電側共振回路に含まれる受信側コイルに伝わることで、磁界共鳴させて生じた電力を充電ユニット８で受け取ることができる。

【0043】

小型無線真空計１０は、真空断熱材の減圧密閉された内部に設けられる。真空断熱材は、芯材と、該芯材を覆うガスバリア性フィルムと、該ガスバリア性フィルムの外側に設けられた外層とを含み、小型無線真空計１０は、真空断熱材の外層よりも内側、好ましくは、ガスバリア性フィルムの内側に含まれる。

【0044】

このように、小型無線真空計１０は、外部電源との電気的な接続なしにバッテリーを充電できる充電機構を含む充電ユニットを設けたことで、小型無線真空計１０が真空断熱材に内蔵されても、長期的な運用に耐え得る十分な電力を継続して供給することができる。

【0045】

真空断熱材の芯材としては、真空断熱材分野で用いられているものを特に制限なく用いることができる。具体例としては、連続気泡硬質ポリウレタンフォーム、無機繊維、有機繊維、無機粉体、エアロゲル等を使用することができる。ハンドリング、断熱性の観点から、シート状に形成された無機繊維が好ましい。無機繊維としては、ガラス繊維、アルミナやシリカ等のセラミック繊維、スラグウール繊維、ロックウール繊維等が挙げられる。これらの中では、断熱性、成形加工性等の観点から、ガラス繊維が好ましい。なお、芯材の耐熱性を向上させるため、ステンレス鋼、クロム−ニッケル系合金、高ニッケル合金、高コバルト合金等の耐熱性金属繊維を少量混合することもできる。芯材は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0046】

本発明の一実施形態に係る真空断熱材において、吸着剤が芯材と共に袋状のガスバリア性フィルムに封入されてもよい。吸着剤は、例えば、窒素、酸素、二酸化炭素等のガス、及び／又は水分を吸着する物質である。吸着剤としては、酸化カルシウム、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、酸化バリウム、バリウム−リチウム合金又はこれらの混合物等が挙げられる。ガス吸着性能及び生産性の観点から、酸化カルシウムが好ましい。吸着剤は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0047】

本発明に用いられるガスバリア性フィルムは、ガスバリア性を有するフィルムであれば特に制限はないが、シール層及びガスバリア層を積層したものが好ましく、芯材に接する側から順にシール層、ガスバリア層及び１層以上の樹脂フィルム層を積層したものがより好ましい。ガスバリア性フィルムの厚さは、特に制限はないが、通常５０〜２００μｍであり、好ましくは６０〜１８０μｍである。

【0048】

ガスバリア層は、ガスを透過しない層であり、真空断熱材の真空度の低下を防ぐ観点から用いられる。ガスバリア層としては、金属箔や、樹脂フィルム上に蒸着膜を形成した蒸着フィルム等が挙げられる。蒸着フィルムは、蒸着法、スパッタ法等により、基材上に蒸着膜を形成することにより得られる。ガスバリア性及び経済的観点から、金属箔及び蒸着材料のいずれにおいても、好ましくは、アルミニウムが用いられる。

【0049】

蒸着フィルムの基材となる樹脂フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の芳香族ポリエステル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン共重合体等のポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂；ナイロン６、ナイロン６６、メタキシリレンジアミン・アジピン酸縮合体等のポリアミド樹脂；アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体等のスチレン系樹脂；ポリメチルメタクリレート、アクリル酸エステルとメチルメタクリル酸エステル共重合体等のアクリル系樹脂、エチレン−ビニルアルコール共重合体、ポリビニルアルコール及びポリ酢酸ビニルを部分ケン化した物等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂から製造されるフィルムが用いられる。

【0050】

ガスバリア層の厚さは特に制限はないが、金属箔の場合は、１〜６０μｍであり、好ましくは５〜３０μｍである。厚さが１μｍ以上であれば、金属箔の強度が高く、ピンホールの形成等が抑えられる。蒸着フィルムの場合は、ガスバリア層の厚さは、１０〜６０μｍ、好ましくは１２〜３０μｍであり、そのうち蒸着膜の厚さは、０．２〜３．０μｍ、好ましくは０．５〜２．０μｍである。蒸着膜の厚さが０．２μｍ以上であればガスバリア性を発揮でき、３．０μｍ以下であれば蒸着膜形成の技術的な困難さは大きくはない。ガスバリア層に用いられる金属箔や蒸着フィルムは公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0051】

シール層は、加熱により融着可能な樹脂である。熱融着可能な樹脂であれば、特に制限はない。具体的には、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、ポリアクリロニトリル、ＰＥＴ、エチレン−ビニルアルコール共重合体、又はそれらの混合体からなるフィルム等を用いることができる。好ましくはポリエチレン、ポリプロピレン、エチレン-ビニルアルコール共重合体が用いられる。ポリエチレンは、０．９０〜０．９８ｇ／ｃｍ³の密度のものが好ましい。ポリプロピレンは、０．８５〜０．９５ｇ／ｃｍ³の密度のものが好ましい。シール層の厚さは特に制限はないが、通常１０〜１００μｍであり、好ましくは２５〜６０μｍである。シール層に用いられる樹脂は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0052】

樹脂フィルム層は、ガスバリア層を保護する目的で、ガスバリア層上に任意に設けられる層である。樹脂フィルム層としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）等の芳香族ポリエステル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、オレフィン共重合体等のポリオレフィン系樹脂；ポリ塩化ビニル、塩化ビニル共重合体等の塩化ビニル系樹脂；ナイロン６、ナイロン６６、メタキシリレンジアミン・アジピン酸縮合体等のポリアミド樹脂；ポリビニルアルコール、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体、アクリロニトリル・スチレン共重合体等のスチレン系樹脂；ポリメチルメタクリレート、アクリル酸エステルとメチルメタクリル酸エステル共重合体等のアクリル系樹脂等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂等の熱硬化性樹脂から製造されるフィルムが用いられる。好ましくは、ＰＥＴ、ナイロン６又はナイロン６６である。これらの樹脂フィルムには、有機質、無機質のフィラーを添加することもできる。これらの樹脂は単独で又は２種以上を混合して用いることができる。樹脂フィルム層には、ガスバリア性フィルムのガスバリア性能を更に向上させるために、塩化ビニリデン、アクリロニトリル、ビニルアルコール等のビニルモノマーを重合、共重合させて得られるガスバリア性樹脂を塗布したり、積層したり、それらの粒子を樹脂フィルム層中に混合分散させることもできる。樹脂フィルム層の厚さは特に制限はないが、通常５〜４０μｍであり、好ましくは１０〜３０μｍである。樹脂フィルム層に用いられる樹脂は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0053】

ガスバリア性フィルムは、袋状に形成される。袋状とは、中に芯材及び吸着剤を入れられる形状である。ガスバリア性フィルムを袋状に形成する工程には、特に制限はない。例えば、ガスバリア性フィルムがシール層有する場合に、互いのシール層が接するように２枚のガスバリア性フィルムを重ねて、芯材及び吸着剤を納める部位の周りを、芯材及び吸着剤の挿入のための開口部を残して熱融着することにより、ガスバリア性フィルムを袋状に形成してもよい。

【0054】

本発明に用いられる外層は、紙及び／又は不織布である。紙とは、植物繊維その他の繊維を膠着させて製造した物である。有機繊維及び無機繊維のいずれも紙の材料として使用し得る。紙の材料となる有機繊維としては、例えば、植物由来の繊維、合成繊維等があり、紙の材料となる無機繊維は、例えば、鉱物、金属からなる繊維、合成繊維等がある。不織布とは、繊維シート、ウェブまたはバットで、線が一方向またはランダムに配向しており、交流、及び/又は融着、及び/又は接着によって繊維間が結合されたものである。有機繊維及び無機繊維のいずれも不織布の材料として使用し得る。

【0055】

不織布の材料となる有機繊維は天然繊維及び化学繊維を含み、天然繊維としては綿、羊毛、フェルト、麻、パルプ、絹等があり、化学繊維としてはレーヨン、ポリアミド、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル繊維、ビニロン、アラミド繊維、アセテート等がある。不織布の原料となる無機繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、鉱物繊維等がある。好ましい材料は、ポリアミド、ポリエステル、ポリプロピレンである。紙及び不織布は公知であり、市場において容易に入手することができるか、又は調製可能である。

【0056】

外層の厚さは、０．０１ｍｍ〜３ｍｍであり、好ましくは０．０３〜０．５ｍｍである。外層の目付は特に制限はないが、好ましくは１０〜２００ｇ／ｍ²であり、より好ましくは２０〜１００ｇ／ｍ²である。

【0057】

外層は、例えば、ラミネートによって、ガスバリア性フィルムの、芯材と接しない側（真空断熱材の外側）に接着される。ラミネートの方法としては、ドライラミネート、押し出しラミネート、ホットメルトラミネート、ウェットラミネート、サーマルラミネート等が挙げられる。

【0058】

本発明の一実施形態に係る真空断熱材は、板状である。板状とは、薄く平たい形状を言い、対向する２つの面及びこれら２つの面を接続する側周面を有する。外層は、板状の真空断熱材の少なくとも片面の一部を覆っており、好ましくは、使用する際に熱源側に配置される面の縁を枠状に覆っている。外層は、好ましくは真空断熱材の側周面も覆っており、より好ましくは真空断熱材の全面（すなわち、両面及び側周面）を覆っている。また、複数の真空断熱材を組み合わせて用いる場合には、真空断熱材同士の継ぎ目部分における熱の漏洩を防ぐために、側周面を外層で覆うことが有利である。

【0059】

以下、本発明の真空断熱材について、実施例により詳細に説明する。しかしながら、本発明は、実施例に制限されるものではない。

【実施例】

【0060】

小型無線真空計の精度確認試験
図１に示したブロック図と実質的に同一な小型無線真空計１０を構成し、圧力センサ１としてＭＥＭＳ加工された熱電対型真空センサを採用した。ＤＣ／ＤＣコンバータ７として、Ｌｉｎｅａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社製ＬＴＣ３１０５を採用した。当該ＤＣ／ＤＣコンバータは、２５０ｍＶの小電圧で起動する昇圧コンバータであり、最大５．０Ｖまで昇圧可能である。バッテリー６は、過放電しない電池であればよく、例えば、８５ｍＡｈの小型リチウムイオンポリマー（ＬｉＰｏ）バッテリーを採用した。ＬｉＰｏバッテリーのサイズが大きくなれば、ＬｉＰｏバッテリーの容量は増える関係にあるが、本実施例では、真空断熱材に内設可能な小型無線真空計１０を実現するために、サイズが大きくなるのを抑えるという観点から、ＬｉＰｏバッテリーは、８５ｍＡｈの電池を採用した。当然のことながら、真空断熱材の断熱性能を阻害することがなければＬｉＰｏバッテリーのサイズを変えて、ほかの容量の電池を選択してもよい。

【0061】

真空断熱材内部に小型無線真空計を入れ、真空断熱材には真空用排気穴を設ける為配管を接続し、図２に示すような接続を行った。図２は、小型無線真空計の精度確認試験の装置構成を示すブロック図である。真空断熱材２０の真空用排気孔に配管が接続治具３３によって取り付けた。小型無線真空計の精度確認試験の手順は次のとおりである。
１）真空容器用のバルブ３２を開き、真空ポンプ３０を作動させて真空断熱材内部の減圧を行う。
２）真空断熱材２０の内部の圧力が０．５Ｐａになるまで真空引きして一旦バルブ３２を閉じる。
３）その後、徐々にバルブ３２を開いて真空断熱材２０の内部の圧力を調整し、ピラニ真空計３１の値と小型無線真空計１０から出力される値を比較する。

【0062】

小型無線真空計の精度確認試験の結果、小型無線真空計１０の出力値とピラニ真空計の出力値との関係をプロットしたグラフを図３に示す。図３は、小型無線真空計の精度確認試験の結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、小型無線真空計の圧力（小型圧力計圧力）（Ｐａ）であり、グラフの横軸はピラニ真空計の圧力（ピラニ出力）（Ｐａ）である。四角形（■）でプロットした線が、ピラニ真空計の圧力で小型無線真空計の圧力を割った値（小型無線真空計／ピラニ出力）を表し、ひし形（◇）でプロットした線が、ピラニ真空計の圧力でピラニ真空計の圧力を割った値（ピラニ出力／ピラニ出力）を表す。

【0063】

ひし形（◇）でプロットした線は、ピラニ出力／ピラニ出力の値であるから１．０を示す直線となる。ピラニ真空計３１は、真空断熱材２０の外部に配置され、真空断熱材２０の内部の圧力を高精度で測定することが可能であることから、ピラニ真空計３１で測定される値は、小型無線真空計１０で測定される値の理想値とみなすことができる。真空断熱材２０の内部に配置された小型無線真空計１０で測定された値が、ピラニ真空計３１で測定された値と同じになれば、四角形（■）でプロットされる小型無線真空計／ピラニ出力の値も１．０となる。つまり、四角形（■）でプロットされる小型無線真空計／ピラニ出力の値が、ひし形（◇）でプロットされるピラニ出力／ピラニ出力の値に近づけは、小型無線真空計１０で測定される値は、理想値（ピラニ真空計３１で測定される値）に近い値ということである。

【0064】

図３に示す小型無線真空計１０の精度確認試験の結果より、小型無線真空計１０が示す約３００Ｐａ程度までの圧力値が、ピラニ真空計３１が示す圧力値とほぼ一致した。つまり、約０Ｐａから約３００Ｐａ程度までの範囲では、真空断熱材内部の真空度を正しく測定することが可能であり、その真空度から熱伝導率を予測することが可能となる。繊維系真空断熱材では、当該圧力範囲がカバーできていれば断熱性能の寿命をカバーできると考えられる。なお、当該圧力範囲よりも大きな圧力を測定、及び運用したい場合はＭＥＭＳ加工されたピエゾ抵抗型真空計を運用することが好ましい。ＭＥＭＳ加工されたピエゾ抵抗型真空計では高真空領域の計測が不確かであり、不十分であるが、約７００Ｐａ以降の圧力の計測では十分な精度を得ることができる。

【0065】

ピラニ真空計及びピエゾ抵抗型真空計の他に、圧力センサ１０として、クリスタル真空計（クリスタルゲージ）を用いることもできる。一般に、クリスタル真空計は、水晶振動子の共振インピーダンスが圧力に応じて変化するという現象を利用することで、大気圧から１×１０^-2Ｐａまでの広い範囲にわたって、再現性が高く、また大気圧付近での安定性の高い測定が可能である。好ましい１つの実施形態としては、圧力センサ１０として、熱電対型真空センサ、ピエゾ抵抗型真空センサ及びクリスタル真空センサの中から選択された２つ以上の真空センサを併用したものを採用することもできる。

【0066】

このように、真空断熱材に含まれる小型真空計の圧力センサに熱電対型真空センサ又はピエゾ抵抗型真空センサ又はクリスタル真空センサ又はそれらを併用したものを採用したことで、小型無線真空計でありながら、真空断熱材の内部に挿入することが困難なピラニ真空計等の大きな真空計と同等の測定精度を実現することができる。

【0067】

小型無線真空計を備えた真空断熱材の長期断熱性能試験
一般に、真空断熱材は、内部に空気が透過すると、繊維間で作られる（又は粒子間で作られる）セルによって空気の移動を阻害することができる。しかし、センサを真空断熱材の内部に入れることで、センサの体積分のセルをつぶすことになり、長期性能面で不具合が生じる可能性がある。本試験では、小型無線真空計１０に対応する異なるサイズ（体積）のセンサを、真空断熱材内部に挿入して、断熱性能の低下度合について確認を行った。真空断熱材のサンプル及びセンサのサイズ、真空断熱材の材料及び製造法等の概要は、次の表のとおりである。

【0068】

【表1】

ここで、エージングとは真空断熱材の性能低下を速める為に行われる手法であり、一般的には高温加熱で行われる。

【0069】

長期断熱性能試験のために作成した真空断熱材の試験体の一覧を次の表に示す。真空断熱材Ｎｏ１の試験体は、センサを内蔵しない単なる真空断熱材であり、水分吸着剤（ＣａＯ 20g）を用いたものである。真空断熱材Ｎｏ２から６の試験体は、センサ１からセンサ５をそれぞれ内蔵した真空断熱材であり、水分吸着剤を用いたものである。真空断熱材Ｎｏ７からＮｏ１１の試験体は、センサ１からセンサ５をそれぞれ内蔵した真空断熱材であり、水分吸着剤の他に、ガス吸着剤（5g）を用いたものである。

【表2】

【0070】

真空断熱材Ｎｏ１から１１の試験体に対して、表１に示したエージング条件で１４日間エージングを行った。エージングによる長期断熱性能試験の０日目、７日目、１４日目での各試験体の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）の値と共に、各試験体の性能評価を次の表に示す。

【表3】

【0071】

表３中の性能評価の判断において、「◎」はセンサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体の１４日目の熱伝導率よりも十分に良い（例えば、真空断熱材Ｎｏ１よりも、熱伝導率が、0.0002以上低い）試験体を示す。「〇」はセンサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体の１４日目の熱伝導率と同等（例えば、真空断熱材Ｎｏ１の熱伝導率±0.0002未満）の試験体を示す。「△」は、センサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体の１４日目の熱伝導率よりも高い（例えば、真空断熱材Ｎｏ１よりも、熱伝導率が、0.0002以上高い）試験体を示す。

【0072】

図４は、真空断熱材の長期断熱性能試験の結果を示すグラフである。図４に示す折れ線グラフは、エージングによる長期断熱性能試験の０日目、７日目、１４日目での各試験体の熱伝導率（Ｗ／ｍＫ）の値を示す。表３及び図４に示す熱伝導率の値の変化から、センサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体の性能低下に対して、センサ１からセンサ４を搭載した真空断熱材Ｎｏ２からＮｏ５の試験体は、性能評価が「〇」であり、エージングによりほぼ同一の性能低下を引き起こしたことが分かる。

【0073】

センサ５を搭載した真空断熱材Ｎｏ６の試験体は、性能評価が「△」であり、センサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体と比較して、若干性能低下がみられた。しかしながら、センサ５を搭載し、ガス吸着剤を用いた真空断熱材Ｎｏ１１の試験体では、性能評価が「〇」であり、ガス吸着剤を用いたことで断熱性能の改善がみられた。同様に、センサ１からセンサ４を搭載し、ガス吸着剤を用いた真空断熱材Ｎｏ７から１０の試験体では、性能評価が「◎」であり、センサを搭載していない真空断熱材Ｎｏ１の試験体よりも熱伝導率が低くなり、断熱性能の向上がみられた。

【0074】

センサ１からセンサ５の各々と真空断熱材との体積比率は次の表のとおりである。表中の体積比率は、真空断熱材の体積からセンサ（センサ１から５のいずれか）の体積を引いた体積を真空断熱材の体積で割った値である。つまり、
体積比率＝（真空断熱材の体積−センサの体積）／（真空断熱材の体積）
で求められる。

【表4】

【0075】

表３に示す性能評価の結果及び表４に示す体積比率に鑑みれば、真空断熱材にガス吸着剤を用いた仕様であれば、センサのサイズ（体積）が真空断熱材の体積の１割でも動作が可能であるが、ガス吸着剤を用いていない仕様も満たす場合はセンサのサイズ（体積）は、真空断熱材の体積の７．５％以下にするのが望ましく、より望ましくは５．０％以下であることが良い。

【0076】

実際に使用する小型無線真空計１０は、圧力センサに充電ユニット８等を搭載するため、表４中のセンサ１の体積の約２．５倍程（4.75 x 10^-5m³程）の大きさとなるため、上述のとおり体積比率が７．５％以下、好ましくは５．０％以下となるように真空断熱材のサイズ（体積）を決めることが望ましい。つまり、本発明の一実施形態に係る小型無線真空計の体積は、真空断熱材の体積の７．５％以下であり、より好ましくは、５．０％以下である。

【0077】

このように、真空断熱材に含まれる小型無線真空計の圧力センサをＭＥＭＳで形成し、小型無線真空計の体積を真空断熱材の体積の７．５％以下、好ましくは５．０％以下となるように真空断熱材を構成したことで、小型無線真空計の表面積が小さくなり、真空下で小型無線真空計に加わる力を弱くすることができ、小型無線真空計を保護することができる。そして、小型無線真空計を上述のとおり極力小さく構成したことで、真空断熱材の内部に繊維で構成された多数の独立したセルのスペースを埋めずに、ガス流入を防止して断熱性能を低下させない十分な部屋の容積を確保することができる。

【0078】

本試験で用いた真空断熱材の厚みは１５ｍｍであり、真空断熱材の内部に搭載するために、小型無線真空計の厚み１２ｍｍ以下であることが望ましい。また、真空断熱材の厚みは、２５ｍｍ以下であり、かつ、小型真空計の厚みよりも厚ければよい。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本発明に係る真空断熱材は、熱エネルギーを効率的に利用するために住宅やプラントの外壁等に利用することができる。特に、真空断熱材の施工後に断熱性能を計測して、真空断熱材の長期的な運用・性能予測を行うことなどに利用することができる。

【符号の説明】

【0080】

１ 圧力センサ
２ オペアンプ
３ Ａ／Ｄコンバータ
４ ＣＰＵ・無線送信ユニット
５ 温湿度センサ・内部時計
６ バッテリー
７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ 充電ユニット
１０ 小型無線真空計
２０ 真空断熱材
３０ 真空ポンプ
３１ ピラニ真空計
３２ バルブ
３３ 接続治具

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】