建物用の魔法瓶 - 真空断熱による壁と天井

建物用の魔法瓶 - 真空断熱による壁と天井

「無」よりも効率的な断熱材は存在しません。魔法瓶の効果はこの原則に基づいています。魔法瓶の中空の壁の内部は真空です。この原理は、今では建物の断熱にも応用されています。真空パネルは、最小限の厚みで最高の断熱性を提供します。
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熱の伝わり方には、基本的に、対流、伝導、輻射の3つのタイプがあります。輻射は一般的な熱画像で観察することができます。対流については、カクテルに氷を入れる例がよく引き合いに出されます。建物の場合は、2番目の伝道が最も重要な役割を果たします。冬に締め切った家から逃げる熱のほとんどが、伝導によるものです。温かい地域のエアコンの効いた建物内に入る熱は、同じ経路で逆向きに伝わっているものです。

伝導を防止する

熱伝導は、主に原子の移動の問題です。固体の中により多くのエネルギー(熱)が存在すればするほど、原子格子の振動が強くなります。ここで言う固体を、例えばレンガとしてみましょう。外の空気が冷たく、暖房の効いた室内が温かい場合、レンガの内部で温度の勾配が生じます。温かい側の強い振動が冷たい側の弱い振動を活性化するのに消耗され、熱が「失われて」いきます。

原子格子が存在しなければ、振動するものは何もありません。つまり、熱伝導を防ぐという点で、真空に勝るものはありません。残念ながら、魔法瓶の仕組みを、大規模なものに対してそのまま応用することはできません。完全に何もない、脱気されたパネルは、空気圧で押しつぶされてしまいます。したがって、できるだけ真空の空間を残すような内側の支持構造が必要となります。

コア材と空であること

真空断熱パネル(VIP)には、開気孔のコア材が入っています。この素材は通常、二酸化ケイ素です。この素材には耐火性があり、無害でリサイクルも可能です。アルミプラスチックフィルムで覆われてるこのコア材により、パネル内の輻射熱が制限され、真空も維持されます。コア材、フレームおよび外側のケーシングを取り付けた後、パネルを真空ポンプにつないで空気を抜きます。

VIPの断熱効果は、従来の断熱材の4~5倍です。言い換えると、同様の断熱を実現するための素材の厚みが4分の1、あるいは5分の1ということになります。このため、VIPは主に、古い建物、天井および窓枠の断熱の改修など、スペースが限られている場合や構造的要件が特に高い場合、あるいは非常に高い性能が求められる場合などで利用されています。いずれにしても、製造工程に手がかかることから、ミネラルウールやプラスチックの発泡体と比較すると価格は高くなります。輸送や加工においても、VIPは単純な量産品よりも要件が厳しくなります。このように、総費用は大きくなりますが、非常に薄い断熱材で最高の断熱性能を得ることができます。 


物理的および技術的な理由から、絶対真空には到達することができません。ある程度の量の空気分子が必ず残り、その数の大小は使用する真空技術によって異なります。真空パネルの外側のシーリングでも、無期限で完璧な密閉状態を保証することはできません。最小限の空気分子の拡散を防ぐことはできないのです。 このような基本的な制約がありながら、長期間にわたって望ましいレベルの真空を維持するために、パネルにはゲッターが組み込まれています。これは、表面積の大きな反応性多孔質素材でできており、ほとんどの空気分子と化学的に結合します。たとえば、バリウム、リチウム、ジルコニウム、バナジウム、コバルトなどの素材が使われます。これらは主に、窒素、酸素、二酸化炭素といった空気中のほとんどの気体分子と結合します。不活性の希ガス原子に対する作用はありませんが、これらの希ガス原子が空気中に存在する割合はごくわずかです。空気中に含まれる水蒸気と結合させるために、乾燥剤(カルシウム、バリウム、酸化コバルトが一般的)も使用されます。


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