(57)【要約】【課題】断熱性能にすぐれた真空断熱材、及びその製造方法を提供する。【解決手段】真空断熱材１は、熱可塑性樹脂からなる連続した長繊維が一方向に略直線状に延伸されて配列した繊維配列層が２層以上積層されて形成され、互いに隣接する繊維配列層の長繊維が互いに交差する方向に整列している充填材２と、充填材２を包囲し、内部が真空にされた外被材３と、を有している。【選択図】図１
2009264409.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂からなる連続した長繊維が一方向に略直線状に延伸されて配列した繊維配列層が２層以上積層されて形成され、互いに隣接する前記繊維配列層の前記長繊維が互いに交差する方向に整列している充填材と、
前記充填材を包囲し、内部が真空にされた外被材と、
を有する、真空断熱材。
【請求項２】
互いに隣接する前記繊維配列層の前記長繊維は互いに直交する方向に整列している、請求項１に記載の真空断熱材。
【請求項３】
複数の前記繊維配列層は、前記熱可塑性樹脂の融点以下の温度で相互に接合されている、請求項１または２に記載の真空断熱材。
【請求項４】
熱可塑性樹脂からなる繊維を溶融押出しながら、前記繊維を折り畳んで、連続した長繊維が一方向に略直線状に配列した繊維配列層を形成する工程と、
前記繊維配列層を前記長繊維の配列方向に延伸する工程と、
延伸された２つ以上の前記繊維配列層を、互いに隣接する前記繊維配列層の前記長繊維が互いに交差する方向に整列するように積層して、充填材を形成する工程と、
前記充填材を外被材で包囲し、該外被材の内部を真空にした後、該外被材を密封する工程と、
を有する、真空断熱材の製造方法。
【請求項５】
前記充填材を形成する工程は、互いに隣接する前記繊維配列層の前記長繊維が互いに直交する方向に整列するように前記繊維配列層を積層することを含む、請求項４に記載の真空断熱材の製造方法。
【請求項６】
前記充填材を形成する工程は、前記繊維配列層を前記熱可塑性樹脂の融点以下の温度で相互に接合することを含む、請求項４または５に記載の真空断熱材の製造方法。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂はポリエチレンテレフタレート樹脂であり、前記融点以下の温度は９０度以上、１６０度以下である、請求項６に記載の真空断熱材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空断熱材、及びその製造方法に関し、特に、不織布を充填材として用いた真空断熱材の構成とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
真空断熱材は、冷蔵庫、自動販売機など断熱性が要求される製品に広範に用いられている。真空断熱材は内部が真空にされた外被材を有しており、真空を利用した高い断熱効果が得られる。真空断熱材では、大気圧による外被材の圧縮変形をできるだけ防止する必要があり、外被材の内部には充填材が入れられている。しかし、充填材は熱の媒体として機能するため、外被材の内部を真空にしても、充填材を介した熱移動により断熱性能が低下する。このため、真空断熱材においては、充填材の構成や充填方法が、断熱性能を左右する上で重要となる。
【０００３】
特許文献１には、ガラス繊維を充填材として利用した真空断熱材が開示されている。この真空断熱材は、所定方向に整列したガラス繊維と、当該ガラス繊維と直交する方向に整列したガラス繊維とが交互に積層された充填材を備えている。ガラス繊維の整列する２つの方向はともに、熱移動を防止すべき方向（以下、断熱方向という。）と直交している。この結果、熱がガラス繊維の内部を辿って断熱方向に伝わることが防止される。一方、外被材の内部は真空にされているため、断熱方向において隣接するガラス繊維は大気圧によって相互に押し付けられ、交差部では接触した状態となる。このため、交差部を介した断熱方向への熱の移動が生じるが、交差部における熱移動量は限られているため、断熱性能の低下を防止することができる。
【０００４】
特許文献２には、不織布を充填材として利用した真空断熱材が開示されている。プラスチック繊維からなる不織布は繊維の配列方向が互いに交差するように積層されている。このため、特許文献１に記載した真空断熱材と同様、繊維同士の接触点が抑えられ、充填材による断熱性能の低下を防止することができる。
【特許文献１】特開２００６−３０７９２１号公報
【特許文献２】特開２００６−１７１５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の技術では、ガラス繊維が高い熱伝導率を有しているだけでなく、ガラス繊維が容易に折損し、折損した破片が断熱方向に隣接するガラス繊維同士の間に挟まるため、断熱方向への熱の移動が生じやすい。このため、特許文献１に記載の技術は、断熱性能の向上に限界がある。また、ガラス繊維は柔軟性に劣り、ハンドリングに難があるという課題もある。
【０００６】
特許文献２に記載の技術は、プラスチック繊維を用いているが、繊維の具体的な構成については明らかでない。しかし、一般に不織布においては繊維の配列方向は十分に揃っているわけではなく、部分的に湾曲ないし蛇行した形状となっていることが多いため、繊維の交差部の範囲(面積）が増加しやすい。また、繊維自体も短いことが多く、真空断熱材として完成させるまでの工程で繊維屑が発生しやすい。この繊維屑は、ガラス繊維の場合と同様に、繊維同士の間に挟まって断熱性能を低下させる。以上により、特許文献２に記載の技術も断熱性能の向上には限界がある。
【０００７】
本発明は、上記の課題に照らし、断熱性能にすぐれた真空断熱材、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施態様によれば、真空断熱材は、熱可塑性樹脂からなる連続した長繊維が一方向に略直線状に延伸されて配列した繊維配列層が２層以上積層されて形成され、互いに隣接する繊維配列層の長繊維が互いに交差する方向に整列している充填材と、充填材を包囲し、内部が真空にされた外被材と、を有している。
【０００９】
このように構成された真空断熱材では、熱可塑性樹脂からなる連続した長繊維を用いているので、真空断熱材として完成させるまでの工程で繊維屑が発生しにくく、隣接する繊維配列層同士の間に繊維屑が挟まれる現象が生じにくい。熱可塑性樹脂の繊維はガラス繊維と比較して熱伝導係数が低いため、熱移動を防止しやすい。長繊維は延伸されているため、繊維が一方向に整列しやすく、湾曲した形状や蛇行した形状になりにくい。このため、繊維の交差部の範囲を最小限に抑えることができる。これらは、断熱性能の向上に寄与する。また、ガラス繊維と異なり熱可塑性樹脂の繊維は柔軟性に富み折損しにくいため、製造工程中のハンドリングも容易である。
【００１０】
本発明の別の一実施態様によれば、真空断熱材の製造方法は、熱可塑性樹脂からなる繊維を溶融押出しながら、繊維を折り畳んで、連続した長繊維が一方向に略直線状に配列した繊維配列層を形成する工程と、繊維配列層を長繊維の配列方向に延伸する工程と、延伸された２つ以上の繊維配列層を、互いに隣接する繊維配列層の長繊維が互いに交差する方向に整列するように積層して、充填材を形成する工程と、充填材を外被材で包囲し、外被材の内部を真空にした後、外被材を密封する工程と、を有している。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、断熱性能にすぐれた真空断熱材、及びその製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の真空断熱材の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る真空断熱材の断面図である。真空断熱材１は、充填材２と、充填材２を包囲し、内部が真空にされた外被材３と、を有している。外被材３は変形性と密封性に優れたラミネートフィルムからなる。図示の真空断熱材１では、断熱方向Ｄは図の上下方向である。実際の製品に組み込まれた際には、面Ｍ１と面Ｍ２の一方が高温側、他方が低温側を向くよう設置される。「真空」とは、外被材３の内部に気体（空気）が全く存在しない状態のほか、外被材３の内部が大気圧に対して減圧された状態も含んでいる。真空にする理由は気体による断熱方向Ｄの熱移動を防止することにあるため、外被材３の内部圧力は一般的には低いほど望ましいが、実現すべき断熱性能に応じ適宜定めることができる。
【００１３】
図２は、充填材の分解斜視図である。充填材２は、熱可塑性樹脂からなる連続した長繊維が一方向に略直線状に延伸されて配列した繊維配列層を複数枚積層して構成されている。図では４枚の繊維配列層１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを示しているが、積層する枚数は適宜定めることができ、数十枚が積層されていてもよい。繊維配列層１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、外被材３の外部の大気圧によって互いに押し付けられ密着しており、全体として一つの充填材２を形成している。
【００１４】
図３は、充填材の繊維配列層の一部を拡大して示す部分斜視図である。同図には繊維配列層１２Ａ，１２Ｂだけが示されているが、他の繊維配列層も同様の構成となっている。図示するように、繊維配列層１２Ａは、互いに平行にかつ直線状に整列した多数の繊維１３Ａの集合体である。同様に、繊維配列層１２Ｂは、互いに平行にかつ直線状に整列した多数の繊維１３Ｂの集合体である。繊維１３Ａ，１３Ｂは途中で折り畳まれたり、２層以上積層されたりしている場合もある。
【００１５】
繊維配列層１２Ａは、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリウレタン、フッ素系樹脂等の熱可塑性樹脂およびこれらの変性樹脂から作成することができる。ポリビニルアルコール系樹脂、ポリアクリルニトリル系樹脂等の湿式または乾式の紡糸手段による樹脂も使用することができる。繊維配列層１２Ｂも同様である。各繊維１３Ａ，１３Ｂの直径は１〜２０μｍの範囲が好適であり、一実施例では１０μｍ程度である。
【００１６】
繊維配列層１２Ａ，１２Ｂは、繊維配列層１２Ａの繊維１３Ａの延伸方向１５Ａと繊維配列層１２Ｂの繊維１３Ｂの延伸方向１５Ｂとが互いに直交するように積層されている。繊維配列層１２Ｃの繊維１３Ｃの延伸方向１５Ｃは繊維配列層１２Ｂの繊維１３Ｂの延伸方向１５Ｂと直交している。同様に、繊維配列層１２Ｄの繊維１３Ｄの延伸方向１５Ｄは繊維配列層１２Ｃの繊維１３Ｃの延伸方向１５Ｃと直交している。
【００１７】
繊維配列層は、繊維の延伸方向が隣接する繊維配列層同士で互いに直交している必要はなく、一定の角度差で順次積層されていてもよい。要するに、本実施形態においては、互いに隣接する繊維配列層の長繊維が互いに交差する方向に整列していればよい。このような構成をとることによって、繊維配列層同士の接触範囲を限定することができ、断熱性能を向上させることができる。しかし、互いに隣接する繊維配列層の長繊維が互いに直交する方向に整列している場合が、繊維同士の接触範囲（面積）が最小にすることができるため、最も好ましい。
【００１８】
繊維配列層１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄは、材料樹脂の融点以下の温度で相互に接合されている。熱可塑性樹脂がポリエチレンテレフタレート樹脂である場合、この温度は９０度以上、１６０度以下であることが望ましい。このような接合方法を取る理由は以下のとおりである。一般に繊維配列層同士を接合する場合、熱圧着やエンボス加工が用いられる。前者は、材料樹脂の融点以上の温度で繊維配列層を融解または軟化させて、繊維配列層同士を接触位置において固着させるものである。後者は押し付け力による塑性変形から生じる繊維同士の絡みを利用するものである。しかし、これらの接合方法はいずれも接触面積が大きくなり、その分、断熱方向Ｄにおける熱移動量が増加し、断熱性能の低下につながる。特にエンボス加工の場合、一定の面積を押し付けるため、エンボス加工を受ける範囲のほぼ全域が断熱方向Ｄにおける熱移動経路となってしまう可能性がある。
【００１９】
これに対して融点以下の温度で加熱した場合、材料の溶融は生じないが、紡糸過程において一部の樹脂の分子量が低下し、その分子量の低下した樹脂が紡糸した繊維の表面に糊状となって現れ、接着の作用を奏すると考えられる。この接着力は大きなものではないが、後工程において積層された繊維配列層が剥離せず、一体性を維持するには十分なものである。充填材２の外被材３への封入後は、繊維配列層同士は外被材３内部の真空によって互いに密着するので、この程度の接着力でも問題はない。むしろ、このような接合方式をとることによって、繊維同士の接触範囲の広がりが防止され、断熱方向Ｄにおける熱移動経路を抑制することができる。発明者は従来の熱圧着を用いた充填材と、本接合方式を用いた充填材とを比較し、本接合方式を用いた充填材の方が優れた断熱性能を示すことを確認している。
【００２０】
各繊維配列層１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄの繊維１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄは延伸方向１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄに延伸されて配列している。このため、従来のメルトブロー法等を用いて作成した不織布と比べて、繊維の直線性と方向性（整列度）が極めて高い。この結果、繊維配列層同士はほぼすべての交差部において直交する向きで接触するため、接触範囲を一層限定することができる。
【００２１】
本実施形態の充填材は、連続した長繊維からなるため、例えば外被材３への封入時などに、繊維が脱落して、繊維配列層の間に挟まれる可能性が低い。これによって、断熱方向への熱の移動がさらに抑制され、断熱性能の一層の向上につながる。
【００２２】
本実施形態の充填材は延伸して形成されているため、従来の充填材と比べて本来的に嵩薄い（厚さが小さい。）。従って、完成した真空断熱材は従来の真空断熱材よりも薄くてすむ。これによって、一層の薄肉化と軽量化が達成される。このことは、軽量化が特に要求される自動車等の製品に真空断熱材が適用される場合、大きなメリットとなる。さらに、嵩薄いという特徴は、保管、運搬等のハンドリングのしやすさにもつながる。一般に従来の不織布では３０ｇ／ｍ2程度の目付の場合、２００μｍ程度の厚みであるが、本実施形態の充填材では３０ｇ／ｍ2程度の目付の場合、１００μｍ程度の厚みに低減できる。
【００２３】
次に、以上説明した充填材２の製造方法について説明する。図４は、充填材を構成する繊維配列層の作成に用いられる製造装置の概略図を示す。繊維配列層製造装置２１は、主にメルトブローンダイス２４とコンベア２５とで構成される紡糸ユニット２２と、延伸シリンダ２６ａ，２６ｂ、引取ニップローラ２７ａ，２７ｂ等で構成される延伸ユニット２３と、を有している。メルトブローンダイス２４は、先端（下端）に、紙面に対して垂直な方向に並べられた多数のノズル２８を有している（図では１つのみ表示している。）。ギアポンプ（図示せず）から送入された溶融樹脂３０がノズル２８から押出されることで、多数の繊維３１が形成される。各ノズル２８の両側にはそれぞれエアー溜３２ａ，３２ｂが設けられている。樹脂の融点以上に加熱された高圧加熱エアーは、これらエアー溜３２ａ，３２ｂに送入され、エアー溜３２ａ，３２ｂと連通してメルトブローンダイス２４の先端に開口するスリット３３ａ，３３ｂから噴出される。これにより、ノズル２８から押出される繊維３１の押出し方向とほぼ平行な高速気流が生じる。この高速気流により、ノズル２８から押出された繊維３１はドラフト可能な溶融状態に維持され、高速気流の摩擦力により繊維３１にドラフトが与えられ、繊維３１が細径化される。高速気流の温度は、繊維３１の紡糸温度よりも８０℃以上、望ましくは１２０℃以上高くする。メルトブローンダイス２４を用いて繊維３１を形成する方法では、高速気流の温度を高くすることにより、ノズル２８から押出された直後の繊維３１の温度を繊維３１の融点よりも十分に高くすることができるため、繊維３１の分子配向を小さくすることができる。ポリエチレンテレフタレート樹脂の連続繊維を作成する場合は、溶融押出しするときに熱風により１０〜２３μｍの直径に細化することができる。
【００２４】
メルトブローンダイス２４の下方にはコンベア２５が配置されている。コンベア２５は、駆動源（図示せず）により回転されるコンベアローラ２９やその他のローラに掛け回されており、コンベアローラ１３の回転によりコンベア２５を駆動することで、ノズル２８から押出された繊維３１は図示右方向へ搬送される。
【００２５】
繊維３１は、ノズル２８の両側のスリット３３ａ，３３ｂから噴出された高圧加熱エアーが合流した流れである高速気流に沿って流れる。高速気流は、スリット３３ａ，３３ｂから噴出された高圧加熱エアーが合流して、コンベア２５の搬送面とほぼ垂直な方向に流れる。
【００２６】
メルトブローンダイス２４とコンベア２５との間には、スプレーノズル３５が設けられている。スプレーノズル３５は、高速気流中へ霧状の水を噴霧するもので、これにより繊維３１が冷却され、急速に凝固される。スプレーノズル３５ｂは実際には複数個設置されるが、図４では１個のみを示している。スプレーノズル３５から噴射される流体は、繊維３１を冷却することができるものであれば必ずしも水分等を含む必要はなく、冷エアーであってもよい。
【００２７】
メルトブローンダイス２４の近傍の、スリット３３ａ，３３ｂによる高速気流が発生している領域には、楕円柱状の気流振動機構３４が設けられている。気流振動機構３４は、コンベア２５上での繊維３１の搬送方向Ｄとほぼ直交した、すなわち製造すべき繊維配列層の幅方向とほぼ平行に配置された軸３４ａの周りを、矢印Ａ方向に回転させられる。一般に、気体や液体の高速噴流近傍に壁が存在しているとき、噴流は壁面に沿った方向の近くを流れる傾向があり、これはコアンダ効果といわれる。気流振動機構３４は、このコアンダ効果を利用して繊維３１の流れの向きを変える。図４の場合、気流振動機構３４の楕円形の長軸が高速気流の向き（図面の上下方向）に一致するとき、繊維３１はコンベア２５に向けてほぼ鉛直に落下する。気流振動機構３４が軸３４ａの周りを９０度回転し、気流振動機構３４の楕円形の長軸が高速気流の向きと直交するとき、繊維３１はコンベア２５の搬送方向Ｄ（図中右側）に偏位し、偏位量はこのときが最大となる。さらに気流振動機構３４が軸３４ａの周りを回転すると、繊維３１のコンベア２５への落下位置は搬送方向Ｄに対して前後方向に周期運動する。すなわち、凝固した繊維３１は、縦方向に振られながらコンベア２５上に集積し、縦方向に部分的に折り畳まれて連続的に捕集され、連続長繊維が形成される。
【００２８】
コンベア２５上に捕集された繊維３１は、コンベア２５により搬送方向Ｄに搬送され、延伸温度に加熱された延伸シリンダ２６ａと押えローラ３６とにニップされ、延伸シリンダ２６ｂに移される。その後、繊維３１は、延伸シリンダ２６ｂと押えゴムローラ３７とにニップされて延伸シリンダ２６ｂに移され、２つの延伸シリンダ２６ａ，２６ｂに密着される。このように繊維３１が延伸シリンダ２６ａ，２６ｂに密着しながら送られることで、繊維３１は、縦方向に部分的に折り畳まれた状態のまま、隣接する繊維３１同士が融着したウェブとなる。
【００２９】
延伸シリンダ２６ａ，２６ｂに密着して送られることにより得られたウェブは、さらに、引取ニップローラ２７ａ，２７ｂ（後段の引取ニップローラ２７ｂはゴム製）で引き取られる。引取ニップローラ２７ａ，２７ｂの周速は延伸シリンダ２６ａ，２６ｂの周速よりも大きく、これによりウェブは縦方向に延伸され、縦延伸繊維配列層３８となる。このように、紡糸したウェブを縦方向に延伸することにより、繊維の整列度をさらに向上することができる。ポリエチレンテレフタレート樹脂の連続繊維を作成する場合は、３〜１０倍の長さに繊維を延伸することで、繊維の直径を１〜２０μｍ程度まで細化し、この延伸操作によって繊維の整列度を増すことが可能となる。繊維３１が十分に急冷されることによって、延伸応力が小さく伸度が大きい繊維３１が形成される。これは、上述したようにスプレーノズル３５から霧状の水を噴霧し、高速気流に霧状の液体を含ませることによって実現される。以上述べた方法で形成された繊維配列層は、連続した長繊維が一方向に略直線状に配列されている。
【００３０】
このようにして製造した繊維配列層を、繊維の方向が互いに直交するように順次積層する。その後、上述したように、材料樹脂の融点以下の温度をかけて繊維配列層を接合する。これによって、上述した充填材２が完成する。
【００３１】
さらに、以上のようにして作成した充填材２を外被材３で包囲し、外被材の内部を真空にした後、外被材３を密封することによって、真空断熱材１が完成する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施形態に係る真空断熱材の断面図である。
【図２】図１に示す充填材の分解斜視図である。
【図３】図１に示す充填材の部分分解斜視図である。
【図４】繊維配列層の作成に用いられる製造装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３３】
１  真空断熱材
２  充填材
３  外被材
１２Ａ〜１２Ｄ  繊維配列層
１３Ａ〜１３Ｄ  繊維
１５Ａ〜１５Ｄ  延伸方向
２４  メルトブローンダイス
２８  ノズル
３１  繊維
Ｄ  断熱方向
【図１】
2009264409.tif 000003
【図２】
2009264409.tif 000004
【図３】
2009264409.tif 000005
【図４】
2009264409.tif 000006