オープンセルとクローズドセルの断熱材には、どのような違いがあるのか？

直接的な回答

オープンセル断熱材とクローズドセル断熱材の根本的な違いは、セル同士が相互に連結しているかどうかにあります。

**クローズドセル材（独立気泡材）**では、各セルは互いにほぼ隔離され、連続したセル壁によって囲まれています。これらのセルは熱伝導率の低い気体を内部に閉じ込め、空気の移動を制限するとともに、一般に水分の侵入も抑えます。

その結果、クローズドセル材は通常、

低い熱伝導率 ＋ 高い圧縮強度 ＋ 優れた耐湿性

を備えています。

一方、**オープンセル材（開放気泡材）**では、細孔が相互につながっているため、空気や水蒸気が構造内部を比較的自由に移動できます。

そのため、一般に柔らかく、柔軟性が高く、透湿性に優れ、吸音用途にも適しています。また、多くの場合、クローズドセル材より低コストです。

ただし、オープンセル材は一般に水分の影響を受けやすく、連結した細孔構造の内部に水が侵入すると、断熱性能が大きく低下する可能性があります。

簡単に整理すると、

クローズドセル ＝ 低透湿性 ＋ 高強度 ＋ 優れた耐湿性

オープンセル ＝ 柔らかさ ＋ 高い透湿性 ＋ 優れた吸音性

となります。

どちらか一方があらゆる用途で優れているわけではありません。最適な構造は、使用環境や要求性能によって異なります。

I. オープンセル材とクローズドセル材を比較する際の重要な条件

オープンセルとクローズドセルの違いは一見単純ですが、実際の材料を比較する際には、いくつかの重要な工学的条件を考慮する必要があります。

1. オープンセル構造とクローズドセル構造は連続的に存在する

実際の材料では、すべての気孔が完全に開放されている、あるいは完全に閉鎖されているとは限りません。

そのため、発泡体の構造はしばしば**独立気泡率（closed-cell content）**によって定量的に評価されます。

独立気泡率は、例えば次のような規格に基づいて測定できます。

• ASTM D6226

• ISO 4590

独立気泡率が非常に高い材料は一般にクローズドセルフォームとして扱われる一方、相互に連通した気孔が主体の材料はオープンセルフォームと見なされます。

ただし、特定の製品を評価する際には、「オープンセル」「クローズドセル」といった名称だけに頼るのではなく、実際に測定された独立気泡率を確認することが望まれます。

2. 乾燥した実験室条件では、熱伝導率の差が必ずしも大きいとは限らない

乾燥した実験室条件下では、同様のポリマーマトリックスから作られたオープンセルフォームとクローズドセルフォームの熱伝導率に、必ずしも極端な差が生じるとは限りません。

実用上の違いは、むしろ次のような実環境条件において顕著になります。

• 吸湿

• 結露

• 空気の流動

• 圧力差

• 長期的な環境曝露

これは、オープンセル材のような相互に連通した細孔構造では、水分や空気が材料内部をより容易に移動できるためです。

3. 繊維系断熱材はセル状発泡体とは異なる

ロックウールやグラスウールなどの繊維系断熱材は、発泡体のようなセル構造を持っているわけではありません。

その代わりに、繊維間に多数の相互連結した空隙が形成されています。

そのため、通気性や水分移動などの点では開放多孔質構造に似た挙動を示すことがありますが、厳密にはオープンセルフォームとして分類される材料ではありません。

比較対象として取り上げることはできますが、その構造的定義は区別する必要があります。

4. 耐熱性と火災安全性能は主に材料の化学組成によって決まる

PU、EPS、XPS、NBRなどの有機発泡体の耐熱性や可燃性は、主として基材ポリマーの化学的性質と熱安定性によって決まります。

オープンセルかクローズドセルかという気孔構造だけで、最高使用温度や火災安全性能が決まるわけではありません。

したがって、

断熱性能
と
火災安全性能

は、それぞれ独立して評価する必要があります。

II. 気孔構造は材料の挙動をどのように左右するのか？

オープンセルフォームとクローズドセルフォームの実用上の違いの多くは、一つの基本的な構造上の違いから説明できます。

セル壁が閉じているのか、それとも気孔同士が相互につながっているのか？

この違いは、次のような性能に大きく影響します。

気体の移動 ＋ 熱伝達 ＋ 水分移動 ＋ 機械的挙動

2.1 気体の閉じ込め：熱伝導率と対流

クローズドセルフォームでは、気体が互いに隔離されたマイクロメートルスケールの気泡内部に閉じ込められています。

気体が気泡間を自由に移動できないため、大規模な気体移動が強く制限され、自然対流も抑制されます。

一部のクローズドセルフォームでは、HFOやペンタンなど、空気よりも熱伝導率の低い発泡剤が使用されています。

これらの気体をセル内部に保持することで、フォーム全体の実効熱伝導率をさらに低減できる場合があります。

一方、オープンセル構造では、細孔が相互につながっています。

そのため、気相は周囲環境とより容易に連通し、温度差、圧力差、外部からの気流などが、材料内部の気体移動に影響を与える可能性があります。

実際の使用環境では、こうした気体移動によって、理想化された乾燥実験条件よりも熱伝達が増加する場合があります。

2.2 水分移動：耐久性と長期的な断熱性能

水分は、オープンセル断熱材とクローズドセル断熱材の実用上の違いを考える上で、特に重要な要素です。

クローズドセル構造は、液体水の侵入を抑えるとともに、水蒸気の移動も制限する傾向があります。

これによって、断熱性能を担う気体充填構造を維持しやすくなります。

液体の水の熱伝導率は約

0.6 W/(m·K)

です。

これに対して、静止空気の熱伝導率は約

0.026 W/(m·K)

であり、液体水は静止空気の20倍以上の熱伝導率を持っています。

そのため、多孔質断熱材の内部に水が侵入し、低熱伝導率の気体に置き換わると、熱伝達が大幅に増加する可能性があります。

オープンセル材では細孔同士が相互に連通しているため、水分が構造内部へ侵入し、移動しやすくなります。

一度湿潤状態になると、材料や環境条件によっては、次のような影響が生じる可能性があります。

• 熱伝導率の上昇

• 熱抵抗の低下

• 凍結融解による損傷

• カビ発生リスクの増加

• 材料マトリックスの劣化

このため、高湿度環境や湿潤環境では、オープンセル材とクローズドセル材の性能差が、乾燥条件よりも顕著になる場合があります。

2.3 機械的特性：強度、圧縮性、柔軟性

気孔構造は、材料の機械的挙動にも大きな影響を与えます。

クローズドセル構造は、多数の微細な気体充填セルによって構成されています。

圧縮荷重が加わると、セル壁だけでなく、内部に閉じ込められた気体も荷重支持に寄与します。

そのため、クローズドセルフォームは一般に、

• 高い圧縮強度

• 高い構造剛性

• 荷重下での優れた変形抵抗性

を示します。

一方、オープンセル材では、圧縮されると気体が相互に連通した細孔ネットワークを通じて移動できます。

そのため、材料は比較的容易に変形し、

• 柔らかい

• 圧縮しやすい

• 柔軟性が高い

• 弾力性がある

といった特徴を示します。

ただし、一般にこうした柔軟性と引き換えに、圧縮強度は低くなります。

まとめ

気孔構造そのものが新しい物理法則を生み出すわけではありません。

重要なのは、気孔構造によって、材料内部における次の経路がどの程度許容されるか、あるいは制限されるかという点です。

気相熱伝導 ＋ 対流・気流 ＋ 水分移動 ＋ 機械的荷重伝達

III. オープンセル断熱材とクローズドセル断熱材の比較

以下の数値は、室温かつ比較的乾燥した条件における、代表的な公表値の範囲を示したものです。

実際の性能は、配合、密度、水分、温度、経時変化、施工方法、試験方法などによって異なります。

これらの数値は、普遍的な材料定数ではなく、代表的な範囲として捉える必要があります。

断熱材を選定する際に重要なのは、熱伝導率だけで判断しないことです。

次のような条件も、最適な気孔構造を決める重要な要素となります。

湿気への曝露 ＋ 機械的荷重 ＋ 厚さ制限 ＋ 透湿性 ＋ 音響性能 ＋ 耐久性 ＋ 施工条件

IV. 主要な工学的指標と試験方法

オープンセル材とクローズドセル材を評価する際には、いくつかの標準化された指標が役立ちます。

4.1 独立気泡率

独立気泡率は、例えば次の規格を用いて評価できます。

• ASTM D6226

• ISO 4590

これによって、発泡構造全体のうち、互いに独立した気泡がどの程度の割合を占めているかを定量的に評価できます。

4.2 吸水率

吸水率は、例えば次のような試験方法によって評価できます。

• ASTM D2842

• EN 12087

この指標は、地下部、屋根、冷凍設備、その他の湿気にさらされる用途において特に重要です。

4.3 水蒸気透過性

水蒸気透過性は、例えば次のような規格によって評価できます。

• ASTM E96

液体水をほとんど吸収しない材料であっても、一定量の水蒸気を透過する場合があります。

そのため、吸水性と水蒸気透過性は別の性能として評価する必要があります。

4.4 水と空気の熱伝導率

室温付近における代表的な値は次の通りです。

• 液体水： 約0.6 W/(m·K)

• 静止空気： 約0.026 W/(m·K)

この大きな差が、多孔質断熱材において水分の侵入が断熱性能を低下させる重要な理由の一つです。

V. 用途によって、どの構造を選ぶべきか？

最適な構造は、環境条件や機械的要求によって大きく異なります。

概略的には、次のように整理できます。

乾燥環境 ＋ 柔らかさ ＋ 透湿性 ＋ 吸音性

→ オープンセル構造が適する場合がある

湿潤環境 ＋ 圧縮荷重 ＋ 結露対策 ＋ 構造性

→ クローズドセル構造が適する場合が多い

極薄 ＋ 柔軟性 ＋ 透湿性

→ 先進的な柔軟多孔質断熱材が選択肢となる

5.1 クローズドセル材：湿潤・低温・荷重環境

クローズドセル材は、断熱材が湿気、圧力、あるいは低温表面への長期曝露に耐える必要がある用途に特に適しています。

地下部・床下断熱

XPSは、

• 断熱性

• 低吸水性

• 高い圧縮強度

を兼ね備えているため、地下部や床下の断熱用途で広く使用されています。

逆転屋根

逆転屋根では、断熱層が防水層の上側に配置されます。

断熱材が繰り返し水にさらされる可能性があるため、低吸水性が重要な性能となります。

そのため、クローズドセル材はこうした構造に適しています。

冷凍配管・冷蔵設備

クローズドセル構造を持つNBRやEPDM断熱材は、冷凍配管や冷水配管などに広く使用されています。

これらの用途では、

断熱 ＋ 結露抑制

の両方が求められます。

水蒸気透過性が低いことは、低温表面へ水分が移動するのを抑える上で有効です。

コールドチェーン・船舶用途

クローズドセル材は、

• 断熱性

• 機械的支持

• 耐湿性

• 浮力

など複数の機能を同時に付与できます。

そのため、コールドチェーン用コンテナや船舶分野などの厳しい環境にも利用されています。

5.2 オープンセル材：乾燥・柔軟・吸音・透湿用途

オープンセル構造は、耐湿性や圧縮強度よりも、柔軟性、吸音性、水蒸気移動などが重視される用途で有利になる場合があります。

屋根裏・内壁空間

オープンセルスプレーフォームや繊維系断熱材は、比較的乾燥した屋内用途で、空間への追従性や充填性が求められる場合に使用されます。

建築システム全体の設計によっては、水蒸気の移動を許容することが、構造体の乾燥に寄与する場合もあります。

吸音用途

オープンセル構造は、音響エネルギーを散逸させるのに適しています。

音波が相互に連通した細孔内部へ侵入すると、粘性摩擦や内部空気の運動によって、音響エネルギーの一部が熱へ変換されます。

代表的な用途には、

• レコーディングスタジオ

• オフィス天井

• 機械室

• 吸音パネル

などがあります。

柔軟な充填・緩衝用途

オープンセル材は柔らかく圧縮しやすいため、

• 家具用クッション

• 保護緩衝材

• 柔軟支持材

• ソフトシーリング材

などにも適しています。

5.3 アパレル・アウトドア用品

衣料用途では、建築用断熱材とはまったく異なる課題があります。

建築分野では、断熱層への湿気の侵入を防ぐため、水蒸気透過性が低いことが有利になる場合があります。

しかし衣料用途では、人体が継続的に熱と水蒸気を発生させます。

そのため、ウェアラブル断熱材には、

断熱性 ＋ 柔軟性 ＋ 薄さ ＋ 透湿性 ＋ 快適性

のバランスが求められます。

ダウン、合成中綿、繊維系中綿などの従来型衣料用断熱材は、三次元構造の内部に空気を保持することで断熱性を確保しています。

こうした構造は効果的な断熱性能を発揮できますが、一般に一定のかさ高さが必要であり、水分の影響によって性能が低下する場合があります。

一方、先進的な柔軟多孔質断熱材は、異なるアプローチを取ることができます。

例えば、Y-Warmのような材料は、薄く柔軟な構造の中で熱伝達を抑えながら、水蒸気を透過させることを目的として設計されています。

したがって、ウェアラブル断熱を単純に「オープンセルかクローズドセルか」という二択で考える必要はありません。

より本質的には、

低熱伝導率 ＋ 透湿性 ＋ 柔軟性 ＋ 厚さ ＋ 耐久性

をどのようにバランスさせるかという、材料設計上の問題として捉えることができます。

5.4 複合・ハイブリッド構造

実際の工学システムでは、オープンセル材とクローズドセル材が組み合わせて使用されることも少なくありません。

例えば、冷蔵倉庫の外皮構造では、

• 断熱性と耐湿性を担うクローズドセルパネル

• 接合部や熱橋を処理するクローズドセルフォーム

• 吸音や仕上げ機能を担う、より開放的な内部層

を組み合わせることがあります。

これは重要な原則を示しています。

オープンセル材とクローズドセル材は、必ずしも競合する材料ではありません。同一システムの中で、それぞれ異なる機能を補完し合うことができます。

VI. よくある質問

Q1. 断熱性能が高いのは、オープンセルフォームとクローズドセルフォームのどちらですか？

同程度の乾燥条件かつ同じ厚さで比較した場合、一般にクローズドセルフォームの方が低い熱伝導率を示すことが多くあります。

また、オープンセル材は水分を取り込みやすいため、高湿度環境や湿潤環境では、両者の実用上の性能差がさらに大きくなる場合があります。

ただし、実際の性能は、密度、ポリマー組成、発泡剤、温度、水分量、試験条件などによって異なります。

Q2. オープンセル断熱材は屋外や地下で使用できますか？

使用すること自体は可能ですが、システム全体として水や湿気から十分に保護されている必要があります。

常時湿潤状態となる場所、地下部、結露リスクの高い用途では、吸水率や水蒸気透過性が低いクローズドセル材の方が一般に適しています。

Q3. なぜクローズドセルフォームは高価な場合が多いのですか？

クローズドセルフォームの製造では、場合によって、

• 発泡条件

• セル核生成

• 温度

• 圧力

• 発泡剤の組成

• プロセス安定性

などをより厳密に管理する必要があります。

そのため、製造プロセスが複雑になり、コストが高くなる場合があります。

一方、オープンセルフォームは低密度で製造できる場合が多く、材料使用量を減らせることも、コスト面で有利になる要因の一つです。

Q4. 吸音にはどちらの構造が適していますか？

一般に、吸音用途にはオープンセル材の方が適しています。

相互に連通した細孔内部へ音波が侵入し、粘性摩擦や内部空気の運動によって音響エネルギーが散逸されるためです。

一方、クローズドセル材は一般に吸音性能が低くなりますが、高密度な層として多層構造の一部に使用することで、空気伝搬音に対する遮音性能へ寄与する場合があります。

Q5. EPSはオープンセル材ですか、それともクローズドセル材ですか？

EPSは一般に、主としてクローズドセル構造を持つ材料と考えられています。

個々の発泡ポリスチレンビーズ内部に存在する気泡の多くは独立しています。

ただし、ビーズ同士が融着した境界部分には、水分が移動しやすい経路が形成される場合があります。

そのため、EPSとXPSはいずれも主として独立気泡構造を持つ断熱材ですが、一般にEPSの方がXPSより長期的な吸水率が高くなる傾向があります。

結論

オープンセル断熱材とクローズドセル断熱材の根本的な違いは、気孔構造にあります。

クローズドセル材は、互いにほぼ独立した気泡を持つのに対し、オープンセル材は相互に連通した細孔構造を持っています。

この構造差は、熱伝導率だけでなく、

気体の移動 ＋ 自然対流 ＋ 水分移動 ＋ 圧縮強度 ＋ 柔軟性 ＋ 音響特性

にも大きな影響を与えます。

断熱材に、

• 耐湿性

• 結露抑制

• 耐圧縮性

• 構造との一体化

が求められる場合には、一般にクローズドセル材が適しています。

一方、

• 柔らかさ

• 柔軟性

• 透湿性

• 吸音性

を重視する場合には、オープンセル材が有利になることがあります。

しかし、現代の断熱材料工学では、単純な「オープンセル対クローズドセル」という二分類だけでは説明できない用途も増えています。

特にアパレル、履物、その他の柔軟な用途では、非常に薄い構造の中で、断熱性能と水分輸送性能を同時に成立させることが求められる場合があります。

そこから、より本質的な設計原則が導き出されます。

最適な断熱構造とは、単に「最も開放的な構造」でも「最も密閉された構造」でもありません。用途に応じて、熱、水分、空気、そして機械的荷重の伝達を最も適切に制御できる構造こそが、最適な断熱構造なのです。