(57)【要約】【課題】内部空間における温度分布を均一にする設計が可能な断熱容器を提供する。【解決手段】内部空間の外径をｒ1、比熱をｃ1、密度をρ1、体積をＶ1とし、断熱壁の外径をｒ2、比熱をｃ2、密度をρ2、体積をＶ2としたとき、下記の式（１）を満たすように各諸元を設定した。【数１】2011033182.tif 000034【選択図】図５
2011033182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部空間を断熱壁で外部と遮断する断熱容器であって、
内部空間の外径をｒ1、比熱をｃ1、密度をρ1、体積をＶ1とし、断熱壁の外径をｒ2、比熱をｃ2、密度をρ2、体積をＶ2としたとき、下記の式（１）を満たすように各諸元を設定した断熱容器。
【数１】
2011033182.tif 000030
【請求項２】
内部空間の熱抵抗をΨC1、断熱壁の熱抵抗をΨC2としたとき、下記の式（２）を満たすように各諸元を設定した請求項１記載の断熱容器。
【数２】
2011033182.tif 000031
【請求項３】
内部空間を断熱壁により外部と遮断する断熱容器を製造するための方法であって、
内部空間の外径をｒ1、比熱をｃ1、密度をρ1、体積をＶ1とし、断熱壁の外径をｒ2、比熱をｃ2、密度をρ2、体積をＶ2としたとき、下記の式（１）を満たすように各諸元を設定する断熱容器の製造方法。
【数１】
2011033182.tif 000032
【請求項４】
内部空間の熱抵抗をΨC1、断熱壁の熱抵抗をΨC2としたとき、下記の式（２）を満たすように各諸元を設定する請求項１記載の断熱容器の製造方法。
【数２】
2011033182.tif 000033
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部空間を断熱壁で外部と遮断する断熱容器及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
断熱容器は、内部空間を外部と断熱壁で遮断する用途に使用され、例えば恒温槽（例えば特許文献１）や、火力炉・原子炉などの発電炉の炉壁（例えば特許文献２）、あるいは住宅の外壁（例えば特許文献３）として幅広い用途で使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１８５２８５号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８２８４号公報
【特許文献３】特開２００３−９６９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、本発明者は、特願２００８−４４５５２において、外壁に囲まれた内部空間における発熱量をＰ、内部空間から外部への放熱量をＷ1としたとき、Ｋ＝Ｗ1／Ｐで表されるＫ値が小さければ内部空間の温度は発散傾向にあり、Ｋ値が大きければ内部空間の温度は収束傾向にあることを示した。
【０００５】
さらに本発明者は、内部空間における最高温度（中心温度）と最低温度（端部温度）との温度差θBmaxと、上記Ｋ値との関係を検証するため、以下のような測定を行った。その結果を図１に示す。
【０００６】
図１に示すグラフから、θBmaxが大きいほどＫ値は小さく（すなわち内部空間の温度が発散傾向にあり）、θBmaxが小さいほどＫ値は大きい（すなわち内部空間の温度が収束傾向にある）ことがわかる。このことから、密閉容器の内部空間の温度分布は、内部空間における温度差θBmaxを小さくし、なるべく均一にすることが好ましいと言える。
【０００７】
しかし、断熱容器における断熱壁の設計は、上記特許文献１〜３のように、専ら断熱性の向上のみに着目して行われており、内部空間の温度分布を均一にするための具体的手法は提案されていない。このため、断熱壁の設計は実験結果に依存せざるを得ず、明確性に欠けている。
【０００８】
本発明の解決すべき課題は、内部空間における温度分布を均一にする設計が可能な断熱容器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、図２に示すような多重層の球体モデルに基づいて、以下に示すような解析を行った。
【００１０】
第ｎ層（最外層を第１層としたときのｎ番目の層）における熱の出入を考えると、第ｎ層における発生熱ΔＰnと、第（ｎ＋１）層から第ｎ層に流入する熱量Ｗn+1とが、第ｎ層における温度上昇に用いられる熱と、第ｎ層から第（ｎ−１）層に流出する熱Ｗnとなる。すなわち、以下の式（１）が成り立つ。ここで、ΔＣnは第ｎ層における熱容量、Δθnは第ｎ層における温度差、ｔは時間を示す。
【数１】
2011033182.tif 000003
【００１１】
また、第ｎ層における熱抵抗をΔＲnとすると、以下の式（２）及び式（３）が成り立つ。尚、式（３）中のΔＲn’は、式（４）で表されるパラメータである。
【数２】
2011033182.tif 000004
【数３】
2011033182.tif 000005
【数４】
2011033182.tif 000006
【００１２】
一方、第ｎ’層（中心層を第１層としたときのｎ’番目の層）の熱容量ΔＣn'及び熱抵抗ΔＲn'は、以下の式（５）及び式（６）で表される。尚、ｃは比熱、ρは密度、Ψは単位体積あたりの熱抵抗、ΔＶn'は第ｎ’層の体積を示す。
【数５】
2011033182.tif 000007
【数６】
2011033182.tif 000008
【００１３】
以上の式（１）〜（６）より、下記の式（７）が成立し、第ｎ’層の時定数τn'が表され、この時定数τn'は球体モデル全体の時定数に等しい。尚、ｒmaxは、多重層球体モデルの外径である。また、ΨCは定数であり、後述の式（１５）で示される。
【数７】
2011033182.tif 000009
【００１４】
次に、第ｎ’層からの流出熱量Ｗn'を表す式を求める。まず、第ｎ’層における温度θは、次の式（８）で表される。尚、θmaxは球体モデル内の最高温度（中心温度）、ｍは球体モデルの分割総数である。
【数８】
2011033182.tif 000010
【００１５】
一方、実験値から、物体の温度が収束する時、温度θは次の式（９）で表されることが知られている。
【数９】
2011033182.tif 000011
【００１６】
以上の式（８）及び（９）の係数を比較することにより、次の式（１０）及び式（１１）が求められる。
【数１０】
2011033182.tif 000012
【数１１】
2011033182.tif 000013
【００１７】
ここで、複数層分Δｒの体積ΔＶは、次の式（１２）で表される。
【数１２】
2011033182.tif 000014
【００１８】
この式（１２）から、第ｎ’層の体積ΔＶn'は次の式（１３）で表される。
【数１３】
2011033182.tif 000015
【００１９】
従って、Ｗn'は次の式（１４）で表される。
【数１４】
2011033182.tif 000016
ここで、Ψはｒの関数であり、次の式（１５）で表される。
【数１５】
2011033182.tif 000017
【００２０】
上記の式（１４）及び式（１５）より、Ｗn'は次の式（１６）で表される。
【数１６】
2011033182.tif 000018
【００２１】
ここで、解析条件を簡略化して、図３に示すような２重層モデルを考える。この２重層モデルにおいて、２重層モデル全体の時定数τは、第１層（１）の時定数τ1、及び第１層（１）と第２層（２）とをまとめた系の時定数τ2のうち、大きい方の時定数に従う。従って、例えばτ1＜τ2の場合、第１層（１）の時定数τ1は、ΨC1とｍ1が変化することで、第２層（２）までをまとめた系の時定数τ2に従う（τ＝τ1＝τ2）。このことから、上記の式（７）に基づいて、以下の式（１７）が成立する。尚、ここでは、第１層（１）の外径をｒ1、比熱をｃ1、密度をρ1、体積をＶ1、熱抵抗Ψに関する定数をΨC1とし、第２層（２）の外径をｒ2、比熱をｃ2、密度をρ2、体積をＶ2、熱抵抗Ψに関する定数をΨC2とする。
【数１７】
2011033182.tif 000019
【００２２】
さらに、各層で分割数ｎ’に対して熱流Ｗが連続であることから、Ｗn'を表す式（１６）に基づいて、以下の式（１８）が成り立つ。
【数１８】
2011033182.tif 000020
【００２３】
上記の式（１７）及び式（１８）から、θmax、ｒ1、ｒ2、ｃ1ρ1、τ、ΨC2が既知の場合、ｍ1及びΨC1は以下の式（１９）及び式（２０）で表される。尚、時定数がτ2に従うことからｍ2＝１とみなすことができ（上述の特願２００８−２７２２０８参照）、これによりｍ1が算出可能となる。
【数１９】
2011033182.tif 000021
【数２０】
2011033182.tif 000022
【００２４】
第１層において、０≦ｒ≦ｒ1ではｎ’＝０、ｒ＝０ではθ＝θmax、ｒ＝ｒ1ではｎ’＝ｍ1、且つ、θ＝θmax（１−ｍ1／ｍ2）となる。この境界値と上記の式から、第１層における温度分布は以下の式（２１）で表される。
【数２１】
2011033182.tif 000023
【００２５】
また、第２層において、ｒ1＜ｒ≦ｒ2ではｎ’＝ｍ1、ｒ＝ｒ2ではｎ’＝ｍ2、且つ、θ＝０となる。この境界値と上記の式から、第２層における温度分布は以下の数（２２）で表される。
【数２２】
2011033182.tif 000024
【００２６】
上記の式（２１）から、ｒの係数ｍ1／ｍ2が１より十分に小さければ、θ≒θmaxとなり、内部空間（第１層）における温度分布が均一に近づくことが分かる。ｍ2／ｍ1は、上記の式（１７）及び式（１８）からΨc1及びΨc2を消去することにより、以下の式（２３）で表される。従って、内部空間（第１層）を断熱壁（第２層）で外部と遮断する断熱容器の場合、下記の式（２４）を満たすように内部空間及び断熱壁の各諸元を設定すれば、内部空間の温度を均一に近づけることができる。
【数２３】
2011033182.tif 000025
【数２４】
2011033182.tif 000026
【００２７】
また、上記の式（１７）及び式（１８）からｍ1及びｍ2を消去することにより、以下の式（２５）が得られる。第１層から流出する熱流を少なくするためには、式（２５）から得られるΨC1が固有のΨC1よりも大きくなればよいことから、下記の式（２６）を満たせば良いことが分かる。すなわち、内部空間及び断熱壁の各諸元が、上記の式（２４）を満たし、且つ、下記の式（２６）を満たせば、内側空間における温度分布が均一で、且つ、冷めにくい断熱容器を得ることができる。
【数２５】
2011033182.tif 000027
【数２６】
2011033182.tif 000028
【発明の効果】
【００２８】
以上のように、本発明によれば、内部空間の温度分布が均一な断熱容器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】θmaxとＫ値との関係を示すグラフである。
【図２】多重層の球体モデルを概念的に示す図である。
【図３】２重層の球体モデルを概念的に示す図である。
【図４】断熱容器の断面図である。
【図５】比較例に係る２重層モデルの温度分布を示すグラフである。
【図６】実施例に係る２重層モデルの温度分布を示すグラフである。
【図７】比較例に係る２重層モデルの流出熱量を示すグラフである。
【図８】実施例に係る２重層モデルの流出熱量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態を説明する。
【００３１】
本発明の一実施形態にかかる断熱容器１は、例えば図４に示すように、断熱壁２０で囲まれた内部空間１０を有し、恒温槽や発電炉（原子炉・火力炉等）、あるいは住宅の外壁等として使用される。図示例では、内部空間１０が円柱状に形成され、その外周を円筒状の断熱壁２０の側部２１で囲み、内部空間１０と外部とを断熱壁２０で遮断している。尚、図示例では、内部空間１０が円柱状であるが、これに限らず、角柱状や他の形状であってもよい。同様に、断熱壁２０は円筒状に限らず、内部空間１０と外部とを遮断する形状であればよい。尚、断熱壁２０は、内部空間１０を完全に密閉するものに限らず、内部空間１０を外部と遮断して保温する役割を果たすものであればよい。また、断熱壁２０は、図示例のように単層であっても良いし、複数層（図示省略）であっても良い。
【００３２】
例えば、断熱容器が図３に示すような球体モデルである場合、すなわち、内部空間及び断熱壁の外径が共に一定である場合、内部空間及び断熱壁の諸元（内部空間の外径ｒ1、比熱ｃ1、比重ρ1、熱抵抗ΨC1、断熱壁の外径ｒ2、比熱ｃ2、比重ρ2、熱抵抗ΨC2）は、上記の式（２４）及び式（２６）を同時に満たすように設定される。一方、図４に示すように、断熱容器１の内部空間１０及び断熱壁２０の外径が一定でない場合は、内部空間１０の外径ｒ1を断熱容器１の中心（重心）からの距離とし、断熱壁２０の外径ｒ2を断熱容器１の中心からの距離として、上記の式（２４）及び式（２６）を満たすように設定される。例えば、ｒ1＜＜ｒ2、ｃ1ρ1＜＜ｃ2ρ2、且つ、Ψc1＜＜Ψc2となるように、内部空間１０及び断熱壁２０の諸元が設定される。これにより、内部空間１０の温度分布が均一で、且つ、断熱性に優れた断熱容器１を得ることができる。
【実施例】
【００３３】
本発明による効果を確認するために、上記の式（２１）及び式（２２）に基づいて、２重層モデルの温度分布をシミュレーションした。図５は、下記の表１の実施例に示す諸元からなる２重層モデル（比較例）の温度分布を示し、図６は、下記の表１の比較例に示す諸元からなる２重層モデル（実施例）の温度分布を示している。各表に示す諸元は、内側層となる第１層の材料は同じであり、外側層となる第２層の材料が異なっている。すなわち、実施例では、第２層のｃ2ρ2が第１層のｃ1ρ1よりも十分に大きく（１００倍程度）設定されているのに対し、比較例では、第２層のｃ2ρ2が第１層のｃ1ρ1とほぼ同程度に設定されている。このため、実施例は、ｍ2／ｍ1が１より十分に大きく（１００以上）、上記の式（２４）を満たすことは明らかであるが、比較例は、ｍ2／ｍ1が２以下であり、１より十分に大きいとは言えず、上記の式（２４）を満たしていない。
【表１】
2011033182.tif 000029
【００３４】
このシミュレーション結果から、上記の式（２４）を満たす断熱容器によれば、内部空間（第１層）の温度を均一にできることが分かる（図５参照）。尚、ｍ2／ｍ1が１よりどの程度大きければ良いかは内部空間や外部温度等によって異なるが、例えばｍ2／ｍ1を１０より大きく、好ましくは１００より大きくしておけば、おおよそ内部空間を均一にできる。このとき、各層の諸元を式（２１）及び式（２２）に代入して温度分布をグラフ化することにより、内部空間の温度分布が十分に均一化されているかどうかを確認することができる。
【００３５】
また、表１に示すように、実施例はΨC2が大きく、且つ、式（２６）を満たしているが、比較例はΨC2が小さく、且つ、式（２６）を満たしていない。一方、比較例及び実施例の２重層モデルにおける流出熱量のシミュレーション結果を図７（実施例）及び図８（比較例）に示す。この図から、比較例の流出熱量はおよそ１２００Ｗであるのに対し、実施例の流出熱量はおよそ１２０Ｗであることが分かる。従って、上記の式（２６）を満たし、且つ、ΨC2が大きい実施例は断熱性が高く、式（２６）を満たさず、且つ、ΨC2が小さい比較例は断熱性が低いと言える。
【符号の説明】
【００３６】
１ 断熱容器
１０ 内部空間
２０ 断熱壁
２１ 側部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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