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1. (WO2018131369) 真空断熱材及び真空断熱ガラス
Document

明 細 書

発明の名称 真空断熱材及び真空断熱ガラス

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007  

発明の効果

0008  

図面の簡単な説明

0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055  

符号の説明

0056  

請求の範囲

1   2   3   4   5  

図面

1   2   3   4   5  

明 細 書

発明の名称 : 真空断熱材及び真空断熱ガラス

技術分野

[0001]
 本発明は、真空層を備える真空断熱材及び真空断熱ガラスに関する。

背景技術

[0002]
 真空層は、熱の対流、伝導を大きく減少させるため、従来から、真空層を備える断熱材である真空断熱材(真空断熱ガラス)が提供されており、例えば、下記特許文献1~3に真空断熱材が開示されている。
[0003]
 ところで、真空層を形成する部材には、真空層を圧縮させる方向に大気圧力がかかるため、真空層を維持するために真空層内にスペーサー等の芯材を設置して、真空層が縮小しないように維持させる必要がある。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特開平6-17579号公報
特許文献2 : 特開2004-323317号公報
特許文献3 : 特開2004-11705号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 しかし、真空断熱材の真空層内に芯材を設置すると、芯材を介して熱が伝導してしまうため、断熱性能の低下を招いてしまう。また、建物の窓に設置される透明な真空断熱ガラスに関しては、芯材が視界の妨げになり、ガラスを通した視界や視認性が阻害されてしまう。
[0006]
 本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、芯材を設置しなくても真空層を維持することのできる真空断熱材及び真空断熱ガラス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

[0007]
 上記課題を解決するための本発明に係る真空断熱材又は真空断熱ガラスは、真空層である隙間空間を挟んで対向設置される第一プレートと第二プレートとを備える真空断熱材又は真空断熱ガラスにおいて、前記第一プレートは、外側から順に積層された、第一導電層と、第一帯電絶縁体と、を有し、前記第二プレートは、外側から順に積層された、第二導電層と、前記第一帯電絶縁体と同種電荷に帯電された第二帯電絶縁体と、を有し、前記第一帯電絶縁体と前記第二帯電絶縁体との間に作用するクーロン力である斥力が、周囲の大気圧力と釣り合うように構成されていることを特徴とする。

発明の効果

[0008]
 本発明に係る真空断熱材及び真空断熱ガラスによれば、芯材を設置しなくても真空層を維持することができる。

図面の簡単な説明

[0009]
[図1] 図1は、本発明の第一実施形態に係る真空断熱材の斜視図である。
[図2] 図2は、本発明の第一実施形態に係る真空断熱材の断面図である。
[図3] 図3は、本発明の第一実施形態に係る帯電絶縁体の帯電領域を示す図である。
[図4] 図4は、本発明の第二実施形態に係る真空断熱ガラスの斜視図である。
[図5] 図5は、本発明の第二実施形態に係る真空断熱ガラスの断面図である。

発明を実施するための形態

[0010]
(第一実施形態)
 以下、図面を参照しながら、本発明の第一実施形態について説明する。第一実施形態では、本発明を適用した真空断熱材について説明する。図1は、第一実施形態に係る真空断熱材の斜視図である。図2は、第一実施形態に係る真空断熱材の断面図である。図3は、第一実施形態に係る帯電絶縁体の帯電領域を示す図である。
[0011]
 真空断熱材1は、第一プレート10と、第二プレート20と、第一プレート10と第二プレート20とを密封した隙間空間を挟んで対向した状態で保持する導電性シール材30とを備えている。
[0012]
 第一プレート10と第二プレート20との間の密封隙間空間は真空層であり、この真空層により真空断熱材1の高い断熱性能が担保されている。第一実施形態では、第一プレート10及び第二プレート20は、向かい合う第一帯電面13a及び第二帯電面が共に同種電荷のプラスに帯電されており、第一プレート10と第二プレート20には、離れる方向にクーロン力である斥力が作用している。
[0013]
 真空層を挟み込む第一プレート10と第二プレート20には真空層を圧縮する方向、すなわち両者が近づく方向に大気圧力が作用するが、本実施形態では、このクーロンの斥力が、真空断熱材1が設置されている場所の周囲の大気圧力と釣り合うことで、真空断熱材1の構造が維持されている。
[0014]
 第一プレート10は、外側から順に積層された、第一基材11と、第一導電層12と、第一帯電絶縁体13とを備え、全体として可撓性のプレートである。第一基材11は、フレキシブルな樹脂製の基板であり、例えば、ナイロン6(ポリアミド)やポリイミドの樹脂を用いることができる。
[0015]
 第一導電層12は、金属メッキ層であり、アルミ、銅等の金属を用いて、第一基材11上にメッキ処理を施すことで形成される。
[0016]
 第一帯電絶縁体13は、絶縁体の表面を帯電させることで形成され、本実施形態では、プラスに帯電されている。具体的には、第一導電層12の上にシリカをコーティングすることで、まず絶縁層を形成し、この絶縁層の内側表面を表面電荷密度2.5×10 -3[C/m 2]で帯電させている。
[0017]
 図3に示すように、第一帯電絶縁体13の第一帯電面13aにおいては、円形の第一帯電領域14が所定のピッチで規則的に多数配列されている。一様に帯電された無限平面が対向設置される場合には、クーロン力は平面板間の隙間の長さに依存せず、表面電荷密度でよって決まる。
[0018]
 これに対して、本実施形態のように、第一帯電面13aにおいて円形帯電領域14を規則的に配列した場合には、クーロン力は、第一帯電絶縁体13と第二帯電絶縁体23との間の隙間の長さdに依存し、隙間長さdが変化すると、プレート10,20間に作用する斥力も変化する。本実施形態では、隙間長さdと斥力とは、隙間長さdが増加すると、斥力が単調減少する関係である。
[0019]
 第二プレート20は、第一プレート10と同じ構造であり、外側から順に積層された、第二基材21と、第二導電層22と、第二帯電絶縁体23とを備え、全体として可撓性のプレートである。
[0020]
 導電性シール材30は、可撓性のシール材であり、本実施形態では、第一導電層12と同様に、銅又はアルミ等の金属メッキにより導電性が施されている。導電性シール材30は、第一帯電絶縁体13と第二帯電絶縁体23とを向き合わせながら、1mmの隙間を挟んで第一プレート10と第二プレート20とを対向保持すると共に、この隙間空間を密封する。
[0021]
 導電性シール材30は、隙間空間を密封するため、対向する第一プレート10及び第二プレート20の周縁全体に周回設置されており、四角形枠形状である。導電性シール材30は、可撓性であるため、第一プレート10と第二プレート20とは相対的に微少距離移動可能であり、隙間長さdは可変である。
[0022]
 また、プレート10,20の周縁全体を周回して設置される導電性シール材30は、第一導電層12及び第二導電層22と導電接触しており、第一導電層12、第二導電層22及び導電性シール材30により、中空導体が構成され、この中空部分に、第一帯電絶縁体13と第二帯電絶縁体23とが対向設置された構成となっている。
[0023]
 このように、中空導体の中空部分に帯電絶縁体13,23を配置することで、帯電絶縁体13,23は中空導体(導電層12,22及び導電性シール材30)により静電遮蔽されることになり、帯電絶縁体13,23の電荷による電場の影響が外部に及ばない。なお、静電遮蔽を良好に実現するためには、真空断熱材1を設置する際に、導電性シール材30をアースさせておくのが望ましい。
[0024]
 ここで、真空断熱材1のサイズについて説明する。第一基材11及び第二基材21の厚みは500μm、第一導電層12及び第二導電層22の厚みは20μm、第一帯電絶縁体13及び第二帯電絶縁体23の厚みは40μm、プレート10,20間の隙間長さdは約1mmである。但し、隙間長さdは、大気圧の変化により可変である。また、帯電絶縁体13,23の帯電領域14,24は、直径2mmの円である。
[0025]
 続いて、真空断熱材1の作用について説明する。このような構成の真空断熱材1においては、同種電荷(プラス)に帯電した第一プレート10と第二プレート20との間にクーロン力として斥力が働く。一方、隙間空間が真空である第一プレート10と第二プレート20との間には密着する方向に大気圧力が作用する。
[0026]
 プレート10,20に作用する大気圧は、約1kgf/cm 2であるのに対して、クーロン力である斥力Fは、一様に帯電された無限平面板(理想的な平面帯電体)であると仮定すると、帯電絶縁体13,23の表面電荷密度で決まり、F=σ 2/2ε 0(σ:表面電荷密度、ε 0:真空の誘電率)で表される。
[0027]
 上述したように、本実施形態では、σ=2.5×10 -3[C/m 2]であり、理想的な平面帯電体であれば、このとき発生する斥力Fは、1.44kgf/cm 2となる。一方、本実施形態では、帯電領域が所定のピッチで配列された円形領域であるため、斥力Fは、理想的な平面帯電体の場合(1.44kgf/cm 2)よりも小さくなり、第一プレート10と第二プレート20と間の隙間長さdが1mmのときに大気圧力と同じ約1kgf/cm 2近傍の値となる。
[0028]
 もちろん、帯電絶縁体13,23の表面電荷密度は適宜変更可能であるが、本実施形態のように、理想的な平面帯電体の場合の斥力Fが大気圧力よりも4割程度以上大きくなるようにマージンを持たせておくのが望ましい。
[0029]
 大気圧は、標高や気候により変化する。一方、第一プレート10と第二プレート20との間に作用する斥力Fは、第一プレート10と第二プレート20との隙間の長さdが変化したり、可撓性のプレートである第一プレート10や第二プレート20が内側や外側に撓んだりすることで、大気圧力に追従し、釣り合う。
[0030]
 なお、第一プレート10と第二プレート20とを対向保持する導電性シール材30は、可撓性部材であり、導電性シール材30が変形することで、第一プレート10との第二プレート20との隙間長さdが変化することができる。
[0031]
 このように、本実施形態に係る真空断熱材1においては、大気圧力の変化に応じて、プレート10,20間に作用する斥力Fが可変であり、大気圧が変化しても、真空断熱材1が変形して斥力も変化することで、斥力Fと大気圧力との釣り合い状態を維持することができ、真空断熱材1の構造を安定して維持することができる。
[0032]
 次に、真空断熱材1の製造方法について説明する。まず、基材11,21上にアルミ、銅等の金属を用いてメッキ処理を施し、導電層12,22を形成する。次に、導電層12,22の上に絶縁体であるシリカをコーティングし、絶縁層を形成し、さらに、この絶縁層の上側表面(内側表面)を上記所定のプラスの電荷密度に帯電させることで、帯電絶縁体13,23を形成する。
[0033]
 絶縁層を所定の電荷密度に帯電させる際には、イオン注入装置により絶縁層の表面全体を所定の電荷密度よりも高い電荷密度に帯電させた後、除電器により所定の電荷密度まで除電するようにすれば良い。除電の際には、表面電位計等により帯電絶縁体13,23の表面電位を測定しながら除電を行うことで、電荷密度をコントロールすることができる。
[0034]
 これにより、下から第一基材11、第一導電層12、第一帯電絶縁体13が順に積層された第一プレート10と、下から第二基材21、第二導電層22、第二帯電絶縁体23が順に積層された第二プレート20とが作られる。
[0035]
 続いて、第一帯電絶縁体13と第二帯電絶縁体23とを向かい合わせると共に所定の隙間(d=1mm)を介して対向させた状態で第一プレート10と第二プレート20とを貼り合わせる。貼り合わせは、真空チャンバー室内で行い、第一プレート10及び第二プレート20の周縁を導電性シール材30で覆って隙間空間を密封する。以上の工程により、密封隙間空間が真空状態の真空断熱材1が製造される。
[0036]
 もちろん、製造工程は適宜変更可能であり、例えば、隙間空間を真空状態とするために、第一プレート10と第二プレート20とを貼り合わせる工程を真空チャンバー室内で行うのではなく、両プレート10,20を大気圧中で貼り合わせた後に、導電性シール材30を設置しながら隙間空間の真空引きを行うようにしても良い。
[0037]
 以上、第一実施形態に係る真空断熱材1によれば、第一プレート10と第二プレート20との間に真空層を備えており、熱の対流、伝導を抑え、高い断熱性能を発揮することができる。
[0038]
 特に、本実施形態においては、真空断熱材1の隙間空間内にスペーサー等の芯材を設置することなく、クーロン力である斥力を用いて真空層を維持しており、シンプルな構造を実現できると共に、芯材を介して熱伝導が行われたりすることなく、高い断熱性能を発揮することができる。また、真空層に芯材が設置されていないことで、高い防音性能を発揮することもできる。
[0039]
 また、真空断熱材1においては、帯電絶縁体13,23が、導電層12,22及び導電性シール材30からなる中空導体の中空部分に配置され、静電遮蔽されているので、外部に電場の影響を与えることがない。
[0040]
 また、一般に電荷は移動し易く、帯電状態を維持するのは困難を伴うが、本実施形態では、帯電絶縁体13,23の帯電面13a,23aが、真空層内において高い電気抵抗率の絶縁体の上に設置されているので、電荷が移動することなく、帯電状態を安定して維持することができる。
[0041]
 なお、帯電絶縁体13,23の絶縁材としては、高い電気抵抗率を有する材料であれば適宜他の絶縁材を採用することができる。本実施形態で採用するシリカ(石英)の電気抵抗率は約10 16Ωmであり、帯電状態を安定して維持するためには、10 15Ωm以上の電気抵抗率を有する絶縁材を採用するのが望ましく、例えば、ポリエチレン等を採用することができる。
[0042]
(第二実施形態)
 次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態では、本発明を真空断熱ガラスに適用した場合について説明する。図4は、第二実施形態に係る真空断熱ガラスの斜視図である。図5は、第二実施形態に係る真空断熱ガラスの断面図である。第二実施形態に係る真空断熱ガラス2は、上記第一実施形態に係る真空断熱材1と同様の構成を有するため、同様の構成については説明を省略する。
[0043]
 真空断熱ガラス2は、第一プレート40と、第二プレート50と、第一プレート40と第二プレート50とを密封した隙間空間を挟んで対向した状態で保持する導電性シール材60とを備えている。
[0044]
 第一プレート40と第二プレート50との間の密封隙間空間は真空層であり、この真空層により真空断熱ガラス2の断熱性が担保されている。第二実施形態においても、第一プレート40及び第二プレート50は向かい合う面が共にプラスに帯電されており、第一プレート40と第二プレート50には、離れる方向にクーロン力である斥力が作用している。第一実施形態と同様に、この斥力を大気圧力と釣り合わせることで、真空断熱ガラス2の構造が維持されている。
[0045]
 第一プレート40は、外側から順に積層された第一基材41と、第一導電層42と、第一帯電絶縁体43とを備えている。第一基材41は、透明な板ガラスであり、例えば、フロートガラスを用いることができる。
[0046]
 第一導電層42は、Low-E金属膜の導電層であり、第一基材41の上に、厚み10nmで形成されている。Low-E金属膜は、例えば、銀とそれを保護する酸化金属を重ねた多層膜構造である。第一帯電絶縁体43は、上記第一実施形態の第一帯電絶縁体13と同様の構成であり、第一実施形態と同様に図3に示すような帯電領域が形成されている。
[0047]
 第二プレート50は、第一プレート40と同じ構造であり、外側から順に積層された、第二基材51と、第二導電層52と、第二帯電絶縁体53とを備えている。導電性シール材60は、上記第一実施形態に係る導電性シール材30と同様の構成である。
[0048]
 ここで、真空断熱ガラス2のサイズについて説明する。板ガラスである第一基材41及び第二基材51の厚みは3mm、第一導電層42及び第二導電層52の厚みは10nm、第一帯電絶縁体43及び第二帯電絶縁体53の厚みは40μmであり、プレート40,50間の隙間の長さdは約1mmである。但し、隙間長さdは、大気圧の変化に合わせて可変である。
[0049]
 このような構成の真空断熱ガラス2においては、上記第一実施形態の真空断熱材1と同様の作用効果を奏し、クーロン力である斥力によりプレート40,50間の真空隙間空間を維持しているため、スペーサー等の芯材のない真空断熱ガラスを提供することができる。
[0050]
 建物の窓等に使用される透明な窓ガラスにおいては、従来の真空断熱ガラスのように、真空隙間空間を維持するためのスペーサーが多数設置されていると、窓ガラスを通した視界の妨げとなり、美観も損なわれるが、本実施形態に係る真空断熱ガラス2おいては、真空隙間空間を維持するためのスペーサーが不要であり、このような問題が生じない。
[0051]
 以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施の形態は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。例えば、真空断熱材や真空断熱ガラスを構成する各部材の形状やサイズ、素材等は適宜変更可能である。
[0052]
 また、帯電絶縁体の帯電態様、すなわち、帯電領域の形状、サイズ、配列態様、配列ピッチ等も適宜変更可能である。但し、帯電領域の形状は、電荷が偏らないように、円形、楕円形又は正多角形状であるのが望ましい。
[0053]
 また、帯電絶縁体をマイナスに帯電しても良い。また、帯電方法についても、イオン注入に限らず、摩擦帯電、剥離帯電、誘導体電、分極、絶縁体への帯電体の塗布等、適宜他の帯電方法を採用することができる。
[0054]
 また、上記実施形態では、プレート間の隙間長さdの変化と、撓みにより斥力Fを大気圧の変化に追随させるように変化させているが、プレート間の隙間長さdの変化のみにより斥力Fを変化させるように構成しても良いし、プレートの撓みだけにより斥力Fを変化させるように構成しても良い。
[0055]
 また、上記実施形態では、基材の上に導電層と帯電絶縁体とを順に積層しているが、帯電絶縁体に基材としての機能を兼用させれば、別途基材を設置しなくても良い。例えば、絶縁材としてポリエチレンを採用し、ポリエチレン絶縁基板の内側表面を帯電すると共に、外側表面に金属メッキ層を形成すれば、導電層と基材兼用の帯電絶縁体とからなる真空断熱材を構成することができる。

符号の説明

[0056]
1  真空断熱材
10 第一プレート
11 第一基材
12 第一導電層
13 第一帯電絶縁体
14 第一帯電領域
20 第二プレート
21 第二基材
22 第二導電層
23 第二帯電絶縁体
24 第二帯電領域
30 導電性シール材
2  真空断熱ガラス
40 第一プレート
41 第一基材
42 第一導電層
43 第一帯電絶縁体
50 第二プレート
51 第基材
52 第二導電層
53 第二帯電絶縁体
60 導電性シール材

請求の範囲

[請求項1]
 真空層である隙間空間を挟んで対向設置される第一プレートと第二プレートとを備える真空断熱材又は真空断熱ガラスにおいて、
 前記第一プレートは、外側から順に積層された、第一導電層と、第一帯電絶縁体と、を有し、
 前記第二プレートは、外側から順に積層された、第二導電層と、前記第一帯電絶縁体と同種電荷に帯電された第二帯電絶縁体と、を有し、
 前記第一帯電絶縁体と前記第二帯電絶縁体との間に作用するクーロン力である斥力が、周囲の大気圧力と釣り合うように構成されていることを特徴とする真空断熱材又は真空断熱ガラス。
[請求項2]
 前記第一内側表面及び前記第二内側表面は、円形、楕円形又は正多角形の帯電領域が規則的に配列されていることを特徴とする請求項1記載の真空断熱材又は真空断熱ガラス。
[請求項3]
 前記第一プレート及び前記第二プレートは可撓性プレートであり、前記第一プレート及び前記第二プレートが内側又は外側に撓むことで、前記斥力が変化することを特徴とする請求項1又は2記載の真空断熱材又は真空断熱ガラス。
[請求項4]
 対向設置された前記第一プレート及び前記第二プレートの周縁部を対向保持して、前記隙間空間を密封する可撓性の導電性シール材を備え、
 前記第一プレートと前記第二プレートとの隙間の長さが変わることで、前記斥力が変化することを特徴とする請求項1乃至3何れか1項記載の真空断熱材又は真空断熱ガラス。
[請求項5]
 前記第一導電層、前記第二導電層及び前記導電性シール材により、前記第一帯電絶縁体及び前記第二帯電絶縁体を静電遮蔽していることを特徴とする請求項1乃至4何れか1項記載の真空断熱材又は真空断熱ガラス。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]