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株式会社日進技術開発は『断熱セラミック ガイナ』株式会社日進産業グループです。

TEL. 082-836-7271

〒731-3167 広島県広島市安佐南区大塚西3-3-33 西風ビル2F

ガイナとはGAINA

第43回岩谷直治記念賞受賞
株式会社日進産業は、公益財団法人岩谷直治記念財団より、栄えある岩谷直治記念賞を受賞しました。1996年に始まり現在まで種々の大企業(含む公立研究所)が受賞されています。

開発業績 『特殊中空セラミックを使用した断熱塗料の開発と応用』

文書名 _岩谷直治記念賞受賞企業一覧.pdf へのリンク

岩谷直治記念賞選考理由.pdf へのリンク

岩谷直治記念賞とは 目的
『エネルギーおよび環境に関する優れた技術開発で、かつ産業上の貢献が認められている業績を表彰することにより、科学技術の一層の発展を図り、国民生活の向上に寄与することを目的』

平成29年3月7日 贈呈式においての選考理由の講評を抜粋して書き起こし

断熱材は省エネ技術の基本の基本で、高温度側から低温度側への熱の移動をできるだけ抑えるものです。石子氏(開発者)らは断熱材の熱伝導度を小さくするとともに、新しい発想を思いつきました。すなわち、塗膜の厚みを0.4mmとし、それを直径50ミクロン以下の中空セラミック球体を主体として、塗膜としました。その比熱と熱伝導度がともに極めて小さいために、太陽光線があたると、塗膜の表面が即座に高温度になり、中空セラミックの放射特性で、入射した方向に遠赤外線を放射する。すなわち、『ガイナ』は遠赤外線放射により、高温度側へ熱を積極的に戻すことで、低温度側への熱の流れをさらに減少させる新しい断熱材なのです。
太陽が当たらない場合にも比熱が小さいことで
塗膜の表面はすぐに周りの温度に近づき、周囲からの熱の取り込みを遅くする効果が発揮されます。
ガイナ塗膜の表面で起きている作用

『ガイナ』は遠赤外線放射により、高温度側へ熱を積極的に戻すことで、低温度側への熱の流れをさらに減少させる新しい断熱材

一般に、空気から物体に熱エネルギー(以下 熱)が移動することを熱伝達、物体内の熱の移動を熱伝導、物体から空気に熱が移動することも熱伝達といい、熱伝達→熱伝導→熱伝達の一連の熱の移動を熱の還流といいます。熱還流は、温度の高い方から温度の低い方への一方方向に流れる熱の移動で、物体の熱伝導度が低いほど、熱の移動スピードは遅くなります。
ガイナは、塗膜の表面に熱エネルギーが到達すると、塗膜の表面は即座に発熱し、その熱エネルギーを遠赤外線として瞬時に入射側(=高温側)に放射します。その放射光率が極めて高いため、物体に伝わる熱エネルギーを大幅にカットします。また、近赤外線を反射するセラミックも組み入れているので、近赤外線の反射(高反射塗料=遮熱塗料 と同じ作用)も同時に行っています。しかしあくまでガイナの断熱メカニズムは熱エネルギーの再放射です。
ロケットの断熱技術

ロケットの熱処理技術

COSMODE PROJECTによりJAXAから供与された技術はロケットの先端部分(フェアリング)の吹付断熱技術。
機体やフェアリング内部に格納された人工衛星を 打ち上げ時の空気との摩擦熱をロケット外部に瞬時に放熱して守ります。
遮熱塗料と断熱塗料

高反射塗料=遮熱塗料

宇宙空間を飛行する人工衛星は、太陽光線に暴露される時には表面の温度は約200℃程度になり、地球の影ではー200℃程度と大きな温度の格差に曝されます。
ですから宇宙空間では、太陽光線と熱反応しないことが断熱の基本です。特に太陽光線に含まれる近赤外線は強いエネルギーをもって物体の表面で強く発熱します。その近赤外線を反射することで熱反応を抑制することができ、その原理で開発された塗料が高反射塗料=遮熱塗料です。
しかし反射能力を超えて発生してしまった熱エネルギーについては対処できませんから結局物体に熱は伝わり、蓄熱してしまいます。言い換えるなら、蛇口からバケツに水を入れるとき、蛇口を絞ることでバケツに水がたまるスピードを遅らせるイメージですが結局バケツは満水になります(物体に熱が伝わるイメージ)。その蛇口を絞るほど、そのバケツが大きいほど満水になってこぼれるまでの時間が長くなりますが、バケツの容量が大きいほど熱容量が大きいイメージです。熱容量(≒蓄熱量とも考えられる)が大きい(水など)と温まりにくく冷めにくくなり、小さい(空気など)と温まりやすく冷めやすくなります。
ガイナは、セラミックに近赤外線を反射する物質を練りこんでいますから、遮熱塗料と同じ反応も起こします。そしてそのセラミックが微細で中空であるために熱容量は極めて小さく、また遠赤外線を効率的に吸収し瞬時に再放射することがメインの作用ですから、近赤外線反射の能力を超えて発生した熱エネルギーも、遠赤外線再放射により瞬時に放射し物体に熱を伝えません。言い換えると、絞り込んだ蛇口から落ちる水を小さなしかし穴の開いたバケツで受けるイメージです。水は僅かにゆっくりバケツに落ちますが、バケツの穴から外へ捨てられるためにバケツは更に満水になりにくい(=物体に熱は伝わらない)ということになります。
スペースシャトルは地上と宇宙を行き来しますから、スペースシャトルのタイルは、ただ近赤外線を反射するだけでなく、容量は極めて小さく、遠赤外線放射の効率が極めて高くなっています。これが断熱塗料であるガイナの商品構成の基本的な概念だといえ、このタイルを細かく砕いて微細な中空子にして樹脂に混ぜて塗料化するイメージです。
また、熱容量が極めて小さいので、曇りの時には周辺の空気と同じ温度になろうとしますから、塗膜に触れる空気との間で熱の移動(対流 熱伝達:放射ではない)を起こしません。
ガイナの特性
ガイナ塗膜での作用

ガイナの特性

1.太陽光線に含まれる近赤外線を反射し、熱の発生を抑制します。
2.遠赤外線をよく吸収し、同じだけ放射します。
3.塗膜には熱容量はほとんどありません。
4.表面積が普通の塗料の50倍程度あります。
5.主原料は近赤外線と熱反応しにくい性質の無色透明のセラミック中空子です。
6.セラミックが紫外線を吸収~無害化し基材の劣化を抑制します。
7.静電気を帯電しませんから粉塵汚れが付き難く、親水性も高いので高いので汚れにくくなります


ガイナの主材は近赤外線と熱反応しにくい無色透明のセラミック中空子です。セラミックは熱エネルギーを蓄えず放射する性質を有します。ストーブの芯材にセラミックが用いらるのはこの性質を利用するから。そしてロケットの先端部分で応用されているのも基本的にはこの性質です。

太陽光線には紫外線、可視光線、近赤外線、遠赤外線などが含まれます。近赤外線は密度の高い強いエネルギーで物体に貫入して発熱します。建物を熱する最大の要因がこの近赤外線。ガイナを塗布した面では近赤外線は殆ど熱に変化しません。加えてガイナの高い放熱性と熱容量を持たない性質により、建物は蓄熱しません。

遠赤外線は物体の表面で瞬時に熱に変化します。これは遠赤外線の周波数と物体を構成している分子の振動がほとんど同じで同調しやすいため簡単に吸収され、振動を活発にして温度上昇を招きます。非金属の大半の物体は遠赤外線をよく吸収します。ガイナの主材であるセラミックも遠赤外線を高効率で吸収し同じ効率で放射します(吸収=放射)。ですからガイナ塗布面に到達した遠赤外線は瞬時に吸収され再放射されます。

近赤外線は高温の物体から放射される赤外線で物体に貫入して発熱するため工場では接着剤を乾かす時に用いられます。これは近赤外線が貫入することを利用し、接着剤を上からではなく一気にむらなく乾かすためです。一般の家庭では近赤外線はハロゲンヒーターなどで利用されています。室内には近赤外線は人工的に作り出さない限り存在しません。ですから室内空間を快適にるためには遠赤外線のコントロールが不可欠です。遠赤外線は絶対0℃ではないかぎりどんな物からも放射されます。遠赤外線は物の表面で大変高効率に熱に変わりますが、近赤外線のように物を焦がすような熱量はありません。しかし人を温めるには十分な熱量を有します。冬に暖房機から放射される遠赤外線の効果を増幅する目的で室内に塗装するのもガイナのスタイルの一つです。

ガイナの表面では近赤外線は反射して熱反応を抑制し、遠赤外線は吸収=放射してコントロールします。

また熱容量が大変小さく、塗膜は温まりやすく冷めやすい性質を有します。塗膜の表面温度は強い赤外線が照射されていない時には塗膜にふれる空気の温度と瞬時に同化します。空気に限らず、塗膜表面の温度にかかわらず表面により熱量の大きなものが触れれば接点の温度は瞬時に同化します。空気と物体、物体と流体、流体と気体のいづれも同じ温度同士なら熱の移は発生しません。

ですからガイナは同化、平衡により熱の貫流を抑制します。

また、ガイナを内壁や天井など室内に用いた場合、ガイナ塗布面は室内空気と平衡し、塗装面と室内空気温度は常に同じ温度になります。

一般に室内の体感温度は、

室内空気に接するものの表面放射温度の平均(単純には、床+壁+天井の表面温度の平均値)+室内空気温度/2

ですから、壁40℃、天井44℃、内壁30℃、室内空気温度30℃の室内の体感温度は34℃になります。人の体表の温度は概ね33℃ですからこの空間は暑いということになります。

以下掲載の遮熱・断熱実験では高温の塗膜の上に置いた氷が溶けない現象を掲載しています。これが同化です


ガイナの断熱
断熱実験機での実験
写真の実験は、ガイナの遮熱性能と断熱性能を別々に実験したものです。同じ鉄板を2 枚用意し、片方の鉄板の片面にガイナを塗布しました。 次に各々の鉄板に同じ条件で熱を加えます。電球は100W のレフ電球です。電球からはあらゆる波長の赤外線が放射されます。鉄板表面での発熱温度は200℃以上になります。

遮熱実験は塗装面を加熱、断熱実験は未塗装面からの加熱です。

①が遮熱実験です。電球からの放射をガイナ塗装面で受けます。外壁に太陽光線が照射されているイメージです。鉄板の裏面の温度を計測しています。

点灯5 分後にガイナ塗装鉄板は54℃、未塗装鉄板は74℃となり、20℃の温度差が生じています。ガイナ塗装面で熱反応を抑制した結果、鉄板の裏面の温度に差が生じたと言えます。これは建物外壁に塗布した時、太陽光線の熱反応を抑制することを証明しています。

②が断熱実験です。遮熱実験に引き続きの計測です。遮熱測定直後のガイナ塗装鉄板を反対に向け、未塗装面から熱を加えます。ですから、両方の試験体とも熱が加わる条件は同じです。次に試験体の上に氷を乗せます。その時のガイナ塗装鉄板の表面温度は56℃、未塗装鉄板は74℃です。その上に氷を乗せます。鉄板に氷を乗せると氷に熱が移動しますから74℃あった未塗装鉄板の表面の熱は、表面温度を63℃に低下させるだけの量が瞬時に氷に移動したことになります。その後も2 分後に45℃3 分後に43℃と下がり続け、3 分後には熱を受け取った氷はほとんど形を残していません。

ところがガイナ塗装鉄板では、氷を乗せた瞬間に56℃だった鉄板の表面温度は2 分後には63℃3 分後には64℃と上昇し、氷はほとんど溶けていません。これは鉄板の未塗装面から加えられた熱と、鉄板表面の熱が氷に移動していないことを示しています。氷に熱を奪われないから塗装面の温度は上昇することになり、氷は熱を奪わないから溶けないという事になります。

氷と塗膜の接点では、温度は低いが熱量は多い氷と、温度は高いが熱量がほとんどないガイナ塗膜の間で瞬時に熱が平衡します。ですから接点の塗膜の表面温度は氷の温度になります。同じ温度同士では熱の移動は起こりませんからこのような現象になります。64℃のガイナ鉄板の上では氷も溶けないわけですから、手で触っても熱いとは全く感じません。

このようにガイナ塗膜は表面に触れる物の温度に瞬時に影響され、平衡します。これを同化と呼んでいます。この性質を利用して平成11 年には広島最大の屋外プールであるチチヤスチューピープールの椅子にガイナが塗布されました。この椅子は真夏の炎天下に水着のまま座っても熱く感じることはありません。

断熱と蓄熱性
断熱とは建物の蓄熱性を高めること
生物は温熱環境が安定している空間の方が生息しやすい。だから建築では室内温熱環境が屋外の環境に影響されないように工夫してきました。
その代表的な方法が断熱です。断熱とは片側から伝わった熱が反対側に移動しないようにする技術です。
その方法は断熱材という蓄熱性の良い材料で建物を包むことです。
異なる物質に同じ熱量を加えても上昇する温度は物質によって差が生じます。これは、物質によって比熱が異なるからです。比熱とは1g あたりの物質の温度を1 度あげるのに必要な熱量のことです。つまり、比熱とは物質1g あたりの熱容量ということになります。 比熱は大きくなるほど、温まりにくく、さめにくい性質をもっています。
熱伝導率が小さく蓄熱量(比熱が大きい)が大きい状態が蓄熱性が良いということになり、その代表的な物質が断熱材です。言い換えるとたくさんの熱を溜め込むかわりにあまり温度上昇しないもので、しかも熱を少しずつしか受け取らない。それが断熱材です。

空気比熱0.24kcal/kg℃、空気密度1.2kg/ ㎥のとき、1㎥の空気の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量は

0.24kcal/kg℃×1.2kg/ ㎥=0.288kcal となります。

本来は体積と質量での比較は出来ませんが、水1 ㎥の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量は1000kcalです。

6 帖間、天井高2.4m では気積=26.21 ㎥ですから、6帖間の温度を1℃上昇させるのに必要な熱量は

0.288kcal×26.21 ㎥=7.55kcal で足ります。

反対にこれだけの熱量を奪えば温度は1℃低下します。空気を相手にするだけなら冷暖房エネルギーなど僅かで済むのに実際の生活で膨大なエネルギーを要するのは躯体が蓄熱するからです。躯体の蓄熱をゆるし、その蓄熱を相手にするからです。ガイナを外壁に塗装すると建物の蓄熱を抑制し、内壁に塗ると建物の蓄熱を無害化(相手にしない)することができます。ガイナを使えば従来の断熱の概念を大きく変えてしまうことができ、欠点のない住宅の断熱を実現できます

ガイナを内装に塗装する
ガイナを内装に
夏期には、建物外郭で発生した熱が躯体に蓄積され、室内に伝わり、内壁の温度が上昇し、室温も上昇します。

室内では対流による熱移動の他、放射による熱の移動も起こります。人は赤外線を吸収し、放射もしています。その吸収~放射のバランスにより暑さや寒さを感じます。夏には放射<吸収となることが多く、当然暑く感じます。

ガイナを室内に塗布すれば内壁は空気の温度と同じになりますから体温>内壁温度(=空気温度)となり、放射バランスは、放射>吸収となります。だから室温の割りに涼しく感じます。

冷房は空気を冷やすことで内壁や躯体の熱を冷ましています。ですから蓄熱量が多くなるコンクリートの建物では冷房費用が多くかかり、夜間の室温低下が鈍くなります。ガイナを室内に塗布すると、躯体が含む熱は内壁に伝わりませんから、冷房は空気だけを冷やせば良くなり、素早く安価に室内を快適になります。しかも体感温度と空気温度は一致しますから、3程度の設定で充分涼しく感じます。

冬期には室内で発生させた熱が、冷たい躯体に奪われます。冬にはコンクリート住宅の方が暖かいと言われますがコンクリートは蓄熱しますから充分な熱量で躯体を温めれば木造住宅より暖かくなります。ただし、躯体を充分に温めるには大きなエネルギーと費用が必要です。

ガイナを室内に塗装すると空気の温度だけ上昇させればその温度と内壁温度は常に一致し、躯体に熱を奪われにくくなります。また空気だけを温めるわけですから、エネルギー量も費用も少なくて済みます。

またガイナは遠赤外線を大変良く吸収して熱に変え、放射する性質を持ちますから、遠赤外線系の暖房機の効率を格段に高めます。これは温室で見られる温室効果と同じ現象です。温室効果の高い室内では、室内に差し込む日射はその暖かさをそのまま伝えます。放射バランスは放射<吸収となり、室温の割りに暖かくなります


遮音・防音

音波(入射波)は壁に到達すると、その壁自体を音波と同じように振動させます。その物体の振動により再び音波が発生します(反射波)。

これによって生じたものが反響で、物体によって、反響する音波は変化します。音波は、壁の内部に有る空気も振動させ、空気は膨張収縮を繰り返します。空気の粘性、空気と繊維の摩擦、繊維同士の摩擦により熱エネルギーが発生し、その熱エネルギーは壁等に吸収されます。残りの音波は透過波となり室内に侵入します。この時、エネルギー保存の法則により、入射波=反射波+熱エネルギー+透過波となります。

透過波や開口部から侵入した音は、内壁で同じ作用を繰り返します。コンクリートのような剛体で、平行な壁では何度も反響を繰り返して残響となることがあり、場合によっては生活に不向きな空間となります。ガイナの表面はミクロの凹凸があり、単位当たりの表面積は極端に大きくなっています。平滑ではない塗装膜の表面に到達した音波は複雑に反響し、効率的に熱に変わり、透過波と反射波を小さくします。室内に平行な壁があっても、その表面のミクロの凹凸によって実際には平行ではなく、残響も起こしにくくなります


汚れ・耐久年数

ガイナは静電気を全く帯びません。タバコの煙や自動車の排気ガス等の粉塵はそれ自体に粘着力があるわけではなく、壁の表面にある静電気により吸い寄せられ付着します。ですから静電気を帯びない塗膜には粉塵等の汚れはほとんど付着しません。ただし、表面はミクロの凹凸に覆われているため、圧着する汚れは付着します。しかし塗膜は親水性が高く、塗膜と汚れの間に水が入り込んで汚れを浮かして落とします。藻に関しては付着しにくいとはいえません。もともとは藻などは付着しにくい無機のセラミックが表面を覆っていますが、表面積が大きすぎるため結局は他の塗料と同程度の耐性となっています。最初から藻が付着しやすい環境であると解っている場合には抗菌材を添加します。 物質を劣化させる大きな原因として紫外線があげられます。赤外線も可視光線も紫外線も電磁波です。波ですから周期があります。遠赤外線が物質に吸収され熱に変わりやすいのは、遠赤外線の周期が物質を構成している分子の熱伸縮や熱振動の周期と似ているのからです。周期が似ていると相互作用を起こしやすく、遠赤外線を吸収してその動きを増幅させ、その結果、熱振動(つまり温度)が増えるのです。 紫外線は周期が早くエネルギーが高いため、相互作用を起こしにくく、物質の活性化エネルギーを超えてしまい化学反応が起きてしまいます。その反応は、分子の結合を切断してしまうという働きになります。これが紫外線劣化の正体です。有機化合物であるアクリルシリコン樹脂は分解されやすく無機化合物であるセラミックは分解されません。そしてセラミックは紫外線を吸収しやすい物質です。特殊熱遮断塗料は紫外線に耐性の有るセラミックに紫外線を吸収させてアクリルシリコン樹脂をセラミックが保護する設計になっています。ですから普通の外装塗装材と比較して3 倍程度の寿命を有します。 ですからガイナを塗装した住まいは、粉塵汚れに強く、騒音にも強い住宅となります。国道沿いの敷地でも安心して採用していただけます。

有色での効果の検証(夏季)
この建物は東広島市のリフォーム店のショールーム

屋根にガイナN50 を塗装しての展示会。

屋根裏に大きな部屋があり階段を設置しました。ガイナ塗装前は、収納階段を開けるだけで熱風が吹き、とても使えない部屋でしたが、ガイナを塗装したことで活用できる部屋となり、展示会を開催しました。

猛暑のこの日は、日陰の外気温で36℃。日射も強く、屋根の表面温度は50℃を差しています。白色なら39℃くらいで収まる発熱も色素が熱を吸収するため50℃となっています(直射がある無風時に測定。風が吹いたり日が陰ると急激に温度は低下しますし、場所によっては外気温と同じくらいの温度です)。しかし、その50℃は触った感じでは白色の39℃と差は感じません。差を感じないのは、共に手に熱が伝わらない、言い換えると手に熱を伝える程の熱量を持たないからです。

この建物では外気温が36℃であるにもかかわらず、屋根裏部屋に有る温度計はどの部位もすべて36℃以下になっています。前述の東広島の家もロフトの室温は1階の室温より低く、外気温より低くなります。

ですから現象から考えれば、夏期にはガイナは建物の蓄熱を阻害するだけでなく、建物を冷ます効果もあると考えられます。ガイナは冷めやすい性質を持ち、自らが冷めるだけでなく、ある程度高温の熱は汲み取って捨てる(低温の熱は捨てる力がありません=保温します)性質を有します。

また有色と白色で表面温度の違いは生じますが、保有する熱量は同じ程度になりますから、有色でも商品が持つ性能(遮熱・断熱)を正当に発揮します


冬の検証
下の写真は、鉄箱を2 つ用意し外部にそれぞれ、ガイナと通常塗料の白色を塗布しています。蓋の下3 センチの高さにセンサーを固定し、内部の空気温度の変化を測定できるようにしています。

内部に鉄箱と絶縁させた状態で沸騰した湯が入った缶を投入。

その直後と10 分後のデータです。投入直後、未塗装は22.5℃(温度計周辺温度23.2℃)、ガイナは23.1℃23.1℃)とほぼ変わりませんが、10 分後には未塗装は34.4℃23.4℃)、ガイナは42.4℃23.9℃)と8℃の温度差が生じています。

これはガイナを建物外郭に塗布した時に、室内の暖気を屋外に逃がさない(保温)ことを示します。

(この実験はもともと内部発熱のある屋外電気設備での効果実験の冒頭部分です。箱の上の照明は、10 分後から加熱用に照射し、一定時間後消灯して温度変化を測定するためのものです)写真の説明を書きます
空調光熱費低減実例

某工場実測データ

工場・倉庫での空調光熱費削減実例

地域   埼玉県志木市
塗装箇所 瓦棒屋根(1300㎡)
塗装色  ライトブルー(69-70L


下記は実測光熱費です。ガイナ塗装前には、夏期の暑さ対策で屋根に散水していました。ガイナ塗装で散水の必要も無くなり、一年を通して冷暖房用電力消費が低減され光熱費の差額(経済効果)は初年度で¥815,925。7年目のは経済効果は¥691,14210年目で¥887,283(カタログ参照)と効果は持続します

表詳細.pdf へのリンク


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バナースペース

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