特集

放熱する吸音材 ～ MIF ®～Noise Absorbing Material with Thermal Conductance “MIF®”＊富山 幸治吉田Koji Tomiyama

Shinji Yoshida

真司

鈴木 康雄

井門Yasuo Suzuki

Yasushi Ido

片山直樹

Naoki Katayama康司

近年の自動車分野において、静粛性の高い EV/HEV へのシフトが進む中、モータやインバータ等のカーエレクトロニクス製品に対しても静音化ニーズが高まっている。ポリウレタンフォームは軽量で柔軟な吸音・遮音材料として自動車、建材など幅広い分野で用いられるが、多孔質構造に由来した高い断熱性を有するため、モータ等のジュール熱を伴う発熱部品に対しては熱的な弊害があり、防音材としての適用は困難であった。それに対し本件では、マトリックス内に充填した熱伝導粒子を磁場により配向・構造化し、ポリウレタンフォームの熱伝導率を高める技術を開発した。さらに当社独自の高耐熱ポリウレタン材料、およびモールド成型による形状自由度との組み合わせにより、熱対策と騒音対策を両立できる制遮音製品を実現した。

With the advanced development of environment-friendly cars such as electric and hybrid vehicles, automotive electronic
products are required to have lower acoustic noise performance to create quiet vehicles. Polyurethane foam is widely used
as a sound proof material; however, it cannot be used for electronic products like motors with fever due to Joule heat.
Because it has high heat insulating property. This paper reports on our new polyurethane foaming technology thatsignificantly enhances the thermal conductivity. We also succeeded in the creation of sound proof products that have highsound insulation property and thermal conductivity by using the technology in combination with our original heat resistancepolyurethane material and molding technology.
キーワード：騒音低減、放熱、磁気誘導発泡成形法、ポリウレタンフォーム、モータ

1.

緒

言

近年の自動車分野では、安全運転支援システム、テレマと し て 、磁 気 誘 導 発 泡 成 形 法 （Magnetic Induction

ティクスなど、高度な制御・電装化が進み、多くのエレク（3）。これによFoaming；以下MIFと称す）※1 を考案した（2）、トロニクス製品が自動車に使用されるようになった。一方り、これまで化学的処方では困難であった領域まで特性をで、車両は低燃費・クリーンエネルギーへの潮流から、静変化させることが可能となった。MIF では、セル構造の制粛性の高い EV/HEV へのシフトが進んでいる。そのため、御による機械的物性の制御（4）や、IMC 法との併用による吸これまでエンジン音にマスキングされてきた小型モータや音特性の向上（5）など様々な応用が可能となるが、本開発は、インバータなどのカーエレクトロニクス製品の音に対して断熱材であるポリウレタンフォームに放熱性能を付与するも静音化ニーズが高まっている。

ことを目的とした。具体的には、マトリックス内に充填し当社では 1997 年から独自の高耐熱・難燃性ポリウレタた磁性熱伝導粒子を、磁場配向・連接構造とすることによンフォームを開発し、主に自動車用の制遮音製品として量り ヒ ー ト ブ リ ッ ジ を 形 成 し 、放 熱 可 能 な ポ リ ウ レ タ ン産してきた。ポリウレタンフォームは、セルとよばれる気フォーム防音材の実用化に成功したので、以下報告する。

泡部分と、ポリマー構造を有する骨格部分からなる多孔質材料であり、軽量で柔軟な吸音・遮音材料として様々な分野で広く用いられる。しかし、その多孔質構造由来の高い断熱性のため、通電によるジュール熱を伴うエレクトロニクス製品に対しては熱的弊害となり、防音材としての適用が困難であった。図 1 にポリウレタンフォーム断面の SEM
画像およびモデル図を示す。
ポリウレタンフォームの物性向上に際しては、整泡剤の選択を主とした配合設計の最適化など、化学的な処方によるものが一般的である（1）。そのため特性変化は限られた範囲でしか得ることができず、熱的物性も同様であった。それに対し筆者らは、磁場を用いた新しいポリウレタンフォーム成形法

46

放熱する吸音材～ MIF®～

図1

ポリウレタンフォーム多孔質構造のモデル図および SEM 画像

2.

MIF の原理

2－1

磁場中における磁性粒子の挙動

磁性粒子を磁場中に置くと、磁気誘導により磁性粒子に磁極が生じる。磁性粒子が磁場により受ける磁気体積力 F M は

F M = µ ⋅ ∇H............................................（1）と表せる。磁場中の磁性粒子は磁気双極子を生じ、その磁気モーメントを µ と定義する。H は粒子が受ける磁場である。ここで∇H は磁場勾配を意味するが、磁場勾配は外部

図2

非一様磁場条件におけるシミュレーション結果と実験結果の比較

図3

一様磁場条件におけるシミュレーション結果と実験結果の比較から印加される磁場によって発生する巨視的な磁場勾配と、近傍の磁性粒子からの誘起磁場によってつくられる微視的な磁場勾配の双方からなり、後者による力は特に磁気双極子相互作用力とよばれる。
一方、磁場分布という観点でみると、印加される磁場の状態は非一様磁場、一様磁場の 2 つに大別できる。前者の非一様磁場においては、磁性体がクラスターを形成しながら磁極に近い領域へと移動し、巨視的な磁場勾配に応じて偏った分布をとる。他方、後者の一様磁場においては、巨視的な磁場勾配が存在しないため、磁性粒子は磁気双極子相互作用力のみを受け、磁力線に沿って互いに連接した、“鎖状クラスター構造”を形成する（6）、（7）。
これに対し筆者らは、可視粒径領域における簡素なモデル実験を通じて、このような現象に対する数値計算との比較検証を行った。表 1 に主な実験条件を、図 2 に一様磁場中、図 3 に非一様磁場中における磁性粒子の定常状態の様子を示す。

2－2

MIF の成形プロセス

ここで実施した数値計算には、粒子一個一個の動きを追MIFの原理を述べるにあたり、まずはポリウレタンフォー跡できる粒子法（discrete particle method）を採用した。

ムの発泡原理を説明する必要がある。その過程は原料混合か式（1）で示される磁気体積力、磁気双極子相互作用力のら発泡完了まで化学的・物理的に動的な現象であり、実際に他、重力、粒子の接触による反力などを外力項として導入は各過程が重なり合いながら反応が進行する。ここでは、し、粒子のバラつきも考慮したオリジナルの計算モデルおTurner らが示したフォーム生成の総括モデル（9）を基に、ポよびソースコード※2（8）を用いており、定性的にモデル実験

リウレタンフォームの成形プロセスを述べる。の結果とよく一致している。

ポリウレタンフォームではポリイソシアネートとポリオー

この結果からも、上述の通り磁場状態により磁性粒子のルの 2つの液状原料を化学反応させることで、ポリウレタン挙動が異なること、および一様磁場中においては磁性粒子ポリマーを生成すると同時に、ポリイソシアネートと水の反が磁力線に沿って鎖状クラスター構造を形成することが確

応により尿素結合を有するポリマーの生成と、炭酸ガスの生認された。

成による発泡現象が進行する。二液を混合すると初期状態では液状であり（図4（1）、（2））
、炭酸ガスの発生により気泡核が形成され混合液はクリーム状となりながら、膨張が開始される（図 4（3））
。反応液は膨張を続けると同時に高分子量表1

検証実験における一般実験条件化が進み粘度が上昇する（図 4（4））
。やがて気体発生（及び温度上昇）による体積膨張とポリマーの気泡膜の強さとの均衡により発泡現象が完了する。連続気泡フォームでは発泡反応末期の時点で気泡膜が破壊されて、気泡内ガスが放出、空気と置換される（図 4（5））
。膨張完了後も高分子量化反応は継続するため、骨格部の強度は暫く増大し続ける。なお、ここではカップでの発泡状態を模擬して説明したが、実際のモールドフォームにおいては、金型内へこの原料を注型し2014 年 7 月・ S E I テクニカルレビュー・第 185 号

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成形を行う。そのため、成形後のフォーム形状は、必然的ラーを用いても、マトリックス中のフィラーの分散状態にに金型のキャビティー形状が転写される。

より実際の熱伝導率は大きく異なる。

これに対し MIF においては、磁場による物理的制御をもMIF の簡易モデルとして、熱伝導材料を熱伝導方向と平たらすために、初期の段階で原料へ第三成分として磁性体行に樹脂と複合したモデルを Model‐A とする。また比較とを混合する（図 4（A））。このとき磁性体の形態は粒子状でして、熱伝導材料を粒子として樹脂へ単純分散したモデルも、あらかじめベース液へ粒子を分散させた懸濁液状でもを Model‐B とする。

良く、目的に応じて使い分けることができる。今回の目的においては、粒子状のものを用いる。粒子の挙動は磁場により決定されるが、2 項で示した結果から、少なくとも磁場方向に対し均質な構造を持つ成形体を得るためには、一様磁場を作用させる必要がある。なお、ここでは一様磁場

Model‐A 複合体の熱伝導率は理想的には複合則で計算できるので、

λc = (1 − ø) λ m + øλ f...............................（2）を印加した際の概念図となっているが、必要に応じて非一ここで、λc は複合体の熱伝導率、λm は樹脂（マトリック様磁場を用いて成形を行うこともある。

ス）の熱伝導率、λf はフィラーの熱伝導率を示す。ø はこのような制御が可能となる要因の一つとしては、基本的にフォームの体積膨張速度に比べて粘度上昇速度の方が遅いため、発泡中に磁性粒子が移動可能な期間が存在するフィラーの体積分率である。
また、Model‐B 複合体のようなフィラー単純分散での熱伝導率は Bruggeman の式が良く知られており、ことが挙げられる。つまり必然的に、磁場印加のタイミン
グは図 4（C）～（E）の期間が好適となる。また、フォームの樹脂化に伴い磁性粒子のつくる構造はその後崩れること

1(1 − ø ) =なく保持されるため、上記期間以降に磁場を印加し続けたとしても得られる結果は同様である。

λc − λ f ⎛ λ m ⎞ 3⎜⎟

λm − λ f ⎝⎜ λ f ⎟⎠.....................（3）となる。
本件において、マトリックスはポリウレタンフォームと3.

なるが、その熱伝導率は非常に低く、熱伝導率の高いフィ熱伝導率の向上

3－1

ラーを単純分散しても大きな熱伝導率向上は難しい。一例

フィラーの分散状態と熱伝導率

一般的に、エラストマー、樹脂等に対しては、熱伝導率の高い粒子（フィラー）を高充填することで、熱伝導率を高める方法が知られている。ただし、同じ熱伝導率のフィ

図448

放熱する吸音材～ MIF®～として図 5 に、λm＝0.03W/mK、λf＝50W/mK とした場
合の、フィラー体積分率に対するそれぞれの複合体の熱伝導率計算値を示す。
この結果からも、熱伝導粒子の単純分散では熱伝導率向通常のポリウレタンフォーム発泡工程と MIF 発泡工程との比較

図7
図5

各サンプル内部の X 線 CT 画像

熱伝導率のモデル計算結果

4.

MIF® の音響性能

4－1

吸音性能の特徴上は難しいと言える。一方で、Model‐A の結果から、MIF

ポリウレタンフォームは多孔質構造、および面密度に由来のコンセプト通り、熱伝導粒子を熱流方向に沿って配向・する吸音・遮音性能を有するが、MIF®においては、充填さ連接することで、低充填率でも熱伝導率の向上が見込める。

れるフィラー、および配向構造によりその性能が変化する。

3－2

MIF による熱伝導率の向上

図8に Sample No.1（0.2W/mk）相当の MIF®シートサン

MIFにより成形したポリウレタンフォームの熱伝導率につプルt20mmでの垂直入射吸音率を示す。比較として、同じいて図 6に示す。通常のポリウレタンフォームが 0.03W/mK

配合にて磁場印加せずに成形したもの、およびフィラーを充であるのに対し MIF では、最大で 1.2W/mK となり、熱伝填しないベースのポリウレタンフォームの吸音率も示す。

®

導率を 40 倍にまで向上させることができた。
フィラーは当社独自の複合磁性粒子を用いており、配合設計上の体積分率はそれぞれ数％〜十数％vol である。実際とは条件の異なるモデル計算のため、厳密な比較はできないが、改めて図 5 の結果をみても、単純分散では発現し難い向上幅であることは明白である。
ここで、Sample No.3 相当の試料、および同じ配合にて磁場印加せずに成形した試料について、X 線 CT により内部構造の観察を行った。図 7 に撮像を示す。この結果から、MIF®においては、狙い通りフィラーが配向・連接すること

図81.4

各サンプルの垂直入射吸音率

1.21この結果から、単純にフィラーを分散した状態では、0.8ベースのポリウレタンフォームに比べ高周波での吸音率が0.6悪化する傾向がみられる。これはフォームの吸音性能と相0.4関の高い、流れ抵抗（AFR）の変化が主な要因と考えられ0.2

る。フィラーがランダムに充填されることで、音の入射方

図6

各サンプルの熱伝導率（実測値）

MIF® Sample
No.3MIF® Sample
No.2

MIF® Sample
No.10

Polyurethane
Foam

Thermal conductivity [W/mK]

により高い熱伝導率を発現していると考えられる。

向に対する流れ抵抗が大きくなることが挙げられる。一方、MIF®においては、フィラーは音波の入射方向に対し平行なため、流れ抵抗の悪化が少ないと考えられる。その結果、吸音率はベースウレタンにほぼ近い性能を発現している。
4－2

遮音性能の特徴

遮音性能については、一般的に質量則に基づく面密度の2014 年 7 月・ S E I テクニカルレビュー・第 185 号

49

影響が支配的であるが、これについてもフィラーの配向構
造 に よ る 特 徴 が み ら れ る 。図 9 に MIF ® sample No.2（0.5W/mk）相当、サイズ t6mm×300mm 角のサンプルにおける音響透過損失の測定結果を示す。

図 10

図9モータ近接騒音レベル

各サンプルの音響透過損失

本結果から、フィラー充填のないベースのポリウレタンフォームに対し、単純にフィラーを分散するだけでも、面密度が UP するため遮音性能が向上する。一方、MIF®においては、磁場印加のないフィラー単純分散のサンプルに比図 11べ 、同 じ 面 密 度 に も 関 わ ら ず 、1〜 8kHz の 範 囲 で 最 大モータ表面温度10dB 程度の遮音性能向上が確認された。これは、フィラーの配向構造により試料のヤング率が変化し、この周波数域でのコインシデンス効果※3 の影響が小さくなったためと考

通常のポリウレタンフォームによるカバーでは、断熱効えられる。なお、この MIF sample No.2（0.5W/mk）相果によりモータの表面温度が単体駆動時に比べ 20℃程度上

当 t6mm の遮音性能は t1mm の鉄板に匹敵する高い遮音性昇した。一方、MIF®を用いたカバーでは、2 時間連続駆動能である。

でも、ほぼ単体駆動時と同等の昇温カーブが得られた。

®

以上の結果から、MIF®とモールド成型を組み合わせ、放5.

熱と防音を両立する防音カバーを製作可能であることが示

モーターカバーでの効果確認された。

次に、実際の製品での効果を検証するため、小型の汎用DC モータを用いた実証実験を行った。モータは 16V 定電圧駆動で、ø 36mm 程度の単純な円筒形状である。それに対し

6.

結

言

MIF® sample No.2（0.5W/mk）相当材をモールド発泡に磁気誘導発泡成形法（MIF）により、ポリウレタンフォーて成型し、防音カバーとした。防音カバーの外観写真は本ムの熱伝導率を大きく向上させ、放熱する吸音材（MIF®）

稿の文頭口絵に示している。なお、このときの配向方向はを開発し、実用化した。また、MIF によりポリウレタンカバー上下に設けたフィン形状の方向とした。図 10 に近接フォームの音響特性においても幾つかの良好な特性が確認

100mm の位置でのモータ騒音レベルの測定結果を示す。

された。

この結果から、特にモータ騒音特有の高周波騒音に対し今後、自動車を始め多くの分野で電装化が進んでいくこてオーバーオール値で約 10dB 程度の効果騒音低減効果がとが予想され、エレクトロニクス部品への静音化要求も高確認できた。

まると考えられる。MIF®は熱対策と騒音対策を同時に対策

一方、モータのジュール熱による発熱に対して MIF の®

放熱効果を確認するため、モータ表面温度の測温実験を実施した。図 11 に測定結果を示す。

50

放熱する吸音材～ MIF®～

できるアイテムとして、モータ用防音材をはじめとした幅広い用途での活用が期待できる。

用 語 集ーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーーー

執※1

富山幸 治＊：東海ゴム工業㈱ ウレタン事業部
博士（工学） 技術士（機械部門）吉田真 司 ：東海ゴム工業㈱課長

ウレタン事業部

片山直 樹 ：東海ゴム工業㈱担当課長

材料技術研究所

鈴木康 雄 ：東海ゴム工業㈱

材料技術研究所

井門康 司 ：名古屋工業大学 大学院
工学研究科 教授
工学博士

磁気誘導発泡成形法（MIF）

筆

MIF は東海ゴム工業㈱の登録商標であり、磁気誘導発泡成者 ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑形法（MIF）を用いた防音材等の商品全般を指す。本稿において、技術名称としての MIF には商標マークを付けず、両者を区別している。
※2

オリジナルの計算モデルおよびソースコード

元となるソースコードは名古屋工業大学 井門研究室によるもの。拡張計算モデルは同研究室と東海ゴム工業㈱との共同研究による。
※3

コインシデンス効果

遮音材に音波を入射すると、音響加振された板の屈曲振動と、音波の斜め方向成分の波長との一致により一種の共振状態となり、特定の周波数帯域以降で急激に遮音性能が低下する。その周波数はコインシデンス限界周波数とよばれ、試料のヤング率や面密度等により決まる。

参考文献（1） 最新ポリウレタンの設計・改質と高機能化技術全集、技術情報協会（2007）（2） 富山幸治、井門康司、「磁気誘導発泡成形法を用いた機能性材料の開発」、日本 AEM 学会誌、Vol.16,No.2, pp.70‑75（2008）‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑＊主執筆者（3） 富山幸治、井門康司、特許 4906527、吸音体及び吸音構造体（2007）（4） 富山幸治、井門康司、「非一様磁場を用いた発泡性樹脂の多孔質構造制御」、実験力学、第 8 巻、第 4 号、pp.366‑370（2008）（5） 富山幸治、井門康司、「磁気誘導発泡成形法を用いた新しいインモールドコーティング成形法の開発」、日本 AEM 学会誌、Vol.18、
No.4、pp.359‑364（2010）（6） G. L. Gulley and R. Tao, Structures of a magnetorheological fluid,
International Journal of Modern Physics B, Bol.15, Nos. 6&7,
pp851‑858（2001）（7） 日本機械学会編、機能性流体・知能性流体、コロナ社（2000）（8） Koji Tomiyama and Yasushi Ido,“Behavior of Magnetic Particles ina Liquid under Non‑uniform Magnetic Field and Gravity”
Magnetohydrodynamics, Vol.44, No.4（2008）（9） ポリウレタンの基礎と応用、シーエムシー出版（2000）

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