〈日本知財学会誌〉Vol. 13 No. 2― 2016 : 39 42【事例報告】-

自然に学ぶ省エネ賢材
井須紀文（株式会社 LIXIL 分析・評価室室長）
Nature Inspired Energy Saving Housing Materials
Norifumi Isu

Senior Manager, Analysis & Assessment Office, LIXIL Corporation【要旨】 地球環境への負荷低減のため，CO2 排出量 80% 削減を目指した研究開発を進めている．そのためには，つくる，つかう，もどす，の各段階で環境負荷低減と商品価値向上を同時に実現する必要があり，その一つのヒントは自然にあると考えている．事例として，古くから身近な建築材料として用いられてきた土に学び，ナノ多孔質構造を制御した電気を使わずに自律的に湿度を調整する調湿タイルと薄くて耐久性が高い粒子系真空断熱材について述べる．また，真空断熱材についてはヨーロッパが先導して ISO 化が進行中であり，その状況についても紹介する．
【キーワード】 ナノ多孔質構造

自然に学ぶ

土調湿真空断熱材【Abstract】 The future manufacturing for the recirculation-based society needs to take into consideration
environmental impact for the earth and functions for people simultaneously. The energy consumption for air
conditioning of houses and buildings accounts for about 27% of household energy consumption in Japan（34.3 billion J）,and energy conservation in this field is an important challenging issue. One of the most effective methods of reducing
the amount of energy is to improve the autonomously humidity control property and the thermal conductivity of theindoor materials. The authors have investigated the functional indoor housing materials having nanopore structure.
Two examples using the nanotechnology to build healthy and comfortable dwelling space were explained. One ismesoporous ceramic tile using soil to control indoor humidity autonomously and adsorb VOCs. The other example isthe vacuum insulation panels（VIP）having thermal conductivity of 0.005 W/mK. The nano porous silica particle used
had the mean particle size of 5 µm and the mean pore diameter of about 30 nm. The VIPs reduced the electrical power
consumption by 25 to 54% in the field test, showing the effectiveness of energy-saving renovation.
【Keywords】 Nano Porous Structure

Nature-inspired

Soil

Self-humidity Control

VacuumInsulation Panel

している．筆者らは地球環境への負荷低減のために，1．はじめにCO2 排出量 80% 削減を目指した研究開発を進めている．難易度の高い目標ではあるが，「つくる」，「つ2015 年 5 月に NOAA（米国海洋大気庁）が観測

かう」，「もどす」，の各段階で環境負荷を下げると開始以降初めて，世界の CO2 月平均濃度が 400 ppm

ともに，同時に人にとって新しい価値を生み出す「人の 危 険 水 準 を 越 え た と 発 表 し た（NOAA, 2015）．と地球を考えたものつくり」を目指す必要があると

NOAA によれば産業革命以前から CO2 濃度は 120考えている（井須・石田，2002）．特に「つかう」ppm 以上増加し，その約半分が 1980 年以降に発生段階においては，東日本大震災，原発事故をきっかしたと考えられ，CO2 濃度の上昇を食い止めるには，けに，環境負荷を低減する技術がますます重要と化石燃料からの排出量を 8 割削減する必要があるとなっている．それを実現する一つのヒントは，エネ

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ルギーや物質をカスケード的に効率良く利用してい己検知し，湿度を制御する高い機能を有する調湿タる生物や地球にあると考えている．

イルを産総研中部センターとの共同研究で開発し日本の総消費エネルギーは 13,558 PJ（2014 年度）た．人間が快適と感じる湿度範囲は 40〜70% といで，その内訳は産業部門 44.8%，家庭部門 14.3%，われており，湿度が 70% よりも高くなった時は水業務他部門 17.8%，運輸部門 23.1% となっている（経蒸気を吸着し，40% より低くなった時に水蒸気を済産業省，2016）．1973 年度のオイルショック当時

放出してくれる機能を持った材料が理想的な調湿材と比較すると，産業部門は約 0.8 倍と横這いから減である．Kelvin 毛細管凝縮として知られているよう少傾向にあるのに対して，家庭部門は約 2.0 倍，業に，水蒸気は相対湿度に応じてナノサイズの孔に吸務他部門 2.4 倍，運輸部門 1.7 倍と，家庭と業務を着される．湿度 70% では半径 3.7 nm の細孔，40%合わせた民生部門が大きく伸びている．家庭でのエでは半径 1.6 nm の細孔で水蒸気が凝縮液化して吸ネルギー消費の内訳を見ると，冷暖房が約 25%，着される（渡村ほか，1997）．この大きさの細孔を給湯が約 28% と熱源としてのエネルギー利用が半持つ天然原料の一つに粘土の一種であるアロフェン分以上の割合を占めており，家庭における省エネにがある．

は断熱性能の向上が重要な課題である．

土を焼成してタイルにする場合，焼成温度が高す

土は調湿性能や蓄熱性能に優れた身近な材料であぎると細孔が減少して調湿性能が低下し，逆に，温り，自然界では過酷な気象条件に生きるシロアリの度が低すぎると材料強度が低下するという，調湿性住居としてのアリ塚，人類には竪穴式住居にはじま能と強度はトレードオフの関係にある．この問題をり，日干し煉瓦，土蔵，三和土，タイルなど住宅材解決するために，陶磁器用原料粘土や廃ガラスを加料としての用途に用いられている．本稿では土に学えることによって，約 900°C での低温焼成が可能とび，住環境における環境負荷を低減する自律型調湿なり，調湿性能と強度の両立が実現された（福水ほ材および真空断熱材について述べる．

か，2005）．製造エネルギーは約 1200°C で焼成する

2.

土の呼吸メカニズムを利用した自律型
調湿タイル

通常タイルの約 3/4 であり，高強度であるため厚さを 5.5 mm まで薄くすることができ，内装壁材として用いられている．調湿タイルは木材や珪藻土壁の3 倍以上の調湿能力を持つ他，ホルムアルデヒドを夏の高温多湿，冬の低温低湿を特徴とする日本ではじめとした揮発性有機化合物や臭い物質の低減効は，古くから快適に暮らすための工夫として通気性果もあわせ持ち，日本建築センターから国内初のホが良い住宅が建てられてきたが，オイルショック以ルムアルデヒド低減建材としての認定を受けた．

降は省エネルギー化の促進と生活様式の変化によ

自律型調湿タイルは，厚さ 5.5 mm，熱伝導率 0.38り，高気密・高断熱型住宅が一般化した．このタイ

W/mK と蓄熱性能や断熱性能は不十分であり，ナノプの住宅では温度制御は容易であるが，湿度制御は多孔質構造を持つシリカ系粒子を用いた真空断熱材容易ではない．さらに，不十分な換気や，吸放湿性の研究開発を進めている．に乏しい合成建材が多用されたため，室内空気が高湿度や過乾燥という極端な状態になりやすく，結露の発生，カビ・ダニの繁殖など，直接または間接的

3.

ナノ多孔質セラミックス粒子を用いた真空断熱材に人体や住宅に大きな被害を及ぼす場合がある．対策として空気清浄機や加湿器等の機器が使われるよ真空断熱材の芯材として粒子を用いる場合，断熱うになったが，本来の目的の省エネとは逆に，家庭性能を上げるためには，粒子自体の密度を下げて固のエネルギー消費を増加させる一因となった．これ

体伝導を抑制することが必要であり，さらに粒子間らの問題を本質的に解決するために，土が持つ調湿の接触面積を低下させて熱抵抗を向上させることが性を活かしてエネルギーを使わずに室内の湿度を自有効である．また，気体分子の対流による熱伝導を40自然に学ぶ省エネ賢材抑制するためには，対流空間を気体分子の平均自由

図1

ナノ多孔質セラミックス粒子の電子顕微鏡写真

図2

熱伝導率の真空度依存性行程以下にすることが効果的である．さらに，輻射による熱伝導を抑制するためには，赤外領域の光を反射する，もしくは吸収して再輻射を防ぐために熱に変換する層を高温境界側に設けることが有効である．この 3 つの要求を同時に満たす素材として，ナノ多孔質構造を有するセラミックス粒子について検討を行なった．
セラミックス粒子は，水ガラスを油性溶媒および界面活性剤と共に攪拌混合して W/O コロイド状態にした後に，沈殿，乾燥の処理によって合成した．
ナノ多孔質粒子径は小さいほど理論的な断熱性能は優れているが，一方で強く凝集し，ハンドリング性などに大きな支障となる．そこで，良好な流動性が得られる最小の粒子径を検討し，低密度でも真空封

0.06

止時に圧壊しない粒子径を 5〜10 μm，気孔率 85〜

温度：25℃90% とした（図 1）．この他，輻射を抑える機能をナノ多孔質粒子の熱伝導率の真空度の依存性を図2 に示す．一般に高真空になるほど熱伝導率は減少するが，ナノ多孔質粒子を用いた場合は空気と比較して，低真空領域で急激に熱伝導率が低下し，約熱伝導率（ W/mK）付与するため添加物を加える検討も行なっている．

0.04
N20.02

103 Pa で 0.01 W/m･K を 下 回 り，102 Pa 以 下 で は 真

ナノ多孔質
セラミックス粒子

空度に対して熱伝導率は緩やかに変化するようにな

0り，ナノ多孔質粒子が気体の対流による熱伝導の抑制に有効であることを示唆している．このことは，

10-2

10-1 100 101 102
圧力（Pa）

103 104 105（=1atm）

樹脂層を含むラミネートフィルムを用いた真空断熱材においては避けられない真空漏れという劣化に対して有利であり，長期にわたって高い断熱性能が保持されることを意味する．

ネルギーの 25〜44% 削減を確認することができた．

4.

おわりに─ ISO 化の動向─

北海道の既存住宅の断熱内装リフォームを行い，冬季における暖房器具のエネルギー消費量や室温変真空断熱材は従来の断熱材よりもはるかに高性能動の実証試験を行なった．実験は，北海道広尾郡にであるが，まだ国内規格，ISO 規格が制定されておある在来工法木造平屋建て住宅の約 18 m2 の洋室をらず，普及の障壁の一つとなっている．2001 年か用いた．施工前には，壁および床は厚さ 100 mm，ら 2005 年にかけて国際エネルギー機構／建物とコ

天井は約 200 mm の厚さのグラスウールの断熱材がミュニティーのエネルギー作業部会 Annex39 でヨー用いられていた．真空断熱材は，ナノ多孔質粒子をロッパが中心となり，真空断熱材の性能や施工につラミネートフィルムに真空封入したもので（18 cm

いての研究が進められた歴史的な背景もあり，現在

× 18 cm ×厚み 1 cm），熱伝導率は 0.0058 W/m･K

CEN と ISO が共同で ISO の規格化が進められていであった．外気温等によりエネルギー削減率は異なる（図 3）．日本も国際委員会に参加し，真空断熱るが，2 年間の冬季の実験を通じて夜間の暖房用エ材と現行断熱材の組合せた場合の熱伝導率の評価法
41

〈日本知財学会誌〉 Vol.13 No.2― 2016

図3

真空断熱材の ISO 化動向

2000
IEA/EBC( 国際エネルギー機構／建物とコミュニティーのエネルギー作業部会 )

2005

2001

2010

2005

2015
2017

Annex 65Annex 39

Long Term Perform. of Super-Insulating
Mat. in Build. Compo. ＆ Sys.

High Performance
Thermal Insulation Sys.

2013

CEN/TC88

2018

WG11

(Thermal insulationmaterials and products)

ISO/TC163/SC3(Thermal insulation products)

日本（グリーン建材・設備製品に関する国際標準化・普及基盤構築事業）や長期性能の評価法などの検討が進められており，普及に向けた ISO，JIS の制定が待ち望まれる．
参考文献
福水浩史・横山茂・北村和子（2005）「アロフェン系調湿建材に関する研究─調湿建材の材料設計」『 環境資源工学』第 52 巻第 3 号，pp.
128-135.
井須紀文・石田秀輝（2002）「新しいものつくりを考える─循環システ

4220202013

VIP20142009

WG5VIP

韓国
提案

CEN へ移行予定

WG11VIP2014

2017/3ISO・製品規格（CEN ベース）・長期耐久性試験法

ムの拡大に向けて─」『 セラミックス』第 37 巻第 12 号，pp. 925930.
経済産業省資源エネルギー庁（2016）エネルギー白書 2016，http://www.enecho. meti.go.jp/
National Oceanic and Atmospheric Administration（2015）
http:/ / r e s e a r c h . n o a a . g o v / N e w s / N e w s A r c h i v e / L a t e s t
News/TabId/684/ArtMID/1768/ArticleID/11153/
渡村真治・前田雅喜・犬飼恵一・大橋文彦・鈴木正哉・芝崎靖雄（1997）「多孔質セラミックスによる調湿材料の開発」『機能材料』第 17 巻第 2号，pp. 22-30.