KR100211851B1 - 절연패널 - Google Patents

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KR100211851B1
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죠셉 러섹 스탠리
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휴스톤 로버트 엘
오웬스 코닝
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Abstract

절연 패널(10)은 128 내지 449Kg/㎥의 밀도를 갖는 광물 섬유보드(12)를 포함하여, 섬유(18)는 유기 결합제를 갖지 않고 입자 재료(16)의 5 내지 40중량% 사이로 상기 보드내에 채워져 있으며, 기밀성 외피(14)로 상기 섬유보드(12)를 캡슐화하며, 상기 외피 (14)는 10-4Torr 내지 10 Torr사이의 진공도로 배기되어 있다.

Description

[발명의 명칭]
절연 패널
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 전기기구, 운송 수단 및 산업 장비를 절연하는데 적합한 절연 제품에 관한 것이다. 보다 상세하게는 본 발명은 최소의 절연제품으로 양호한 절연성을 제공하기 위해 매우 높은 내열전도성을 갖는 절연 제품에 관한 것이다.
[기술배경]
종래의 전기기구, 운송 수단 및 산업 장비용의 절연 재료는 광물 섬유 및 발포 재료를 포함한다. 냉장고, 냉동기 또는 물 가열기에 있어서, 광물 섬유 절연물은 인치(inch) 당 약 4R's인 R값을 제공하고, 여기서 R값은 1HrFt2。F/Btu(0.176㎡。K/Watt)와 동일하다. 발포 셀(Foam cell)내에 염소 처리 탄화플루오르를 함유하는 발포 재료는 ㎝당 3.15R's(inch 당 8R's)의 R값을 제공한다. 환경으로부터 탄화플루오르를 제거하고 에너지를 절약하기 위해 더욱 효과적인 절연제품을 제공할 필요성으로 인해, 전기기구, 운송장비 및 산업 장비의 제조업자는 더 효과적인 절연제품을 찾고 있었다. 하나의 가능한 해결책은 단순히 절연 제품의 두께를 증가시킴으로써 총 R값은 증가시키는 것이다. 이러한 해결책은 절연한 물체의 부피를 증가시키므로 바람직하다.
매우 효과적인 절연 제품(초절연물)을 제공하기 위해, 약간 정교한 절연 시스템이 개발되어 왔다. 이러한 시스템의 몇몇은 NASA 및 타정부 기관의 우주 장비용으로 개발되었다.
공지의 초절연제품중 하나는 판형 구조로 압축되고 무기 입자 재료를 함유하도록 캡슐화된 미세하게 분할된 무기 입자 재료의 초절연물이다. 이 재료는 밀가루와 같은 분말과 유사하다. 사용되는 양호한 재료로는 이산화 실리콘 또는 특히 발연 실리카 또는 침전 실리카 형태가 있다. 적합한 재료로는 결정질 구조보다는 비정질 재료가 바람직하다. 이들 제품을 캡슐화 외피(envelope)를 진공배기할 때 4.5℃(40。F)의 온도 구동력과 23.9℃(75。F)의 평균 온도에서 ㎝당 5.9R's(inch 당 15R's)인 R값을 갖는 보드로 압축될 수 있는 것으로 알려져 있다.
상기 입자 재료는 열 전달의 복사 성분을 차단시키는 역할이 아닌 열 전달의 가스전도 성분을 차단시키기 역할을 한다. 또한, 진공도가 높으면 높을수록(즉, 측정압이 낮으면 낮을수록)입자재료가 더욱더 압축됨으로써 입자 대 입자를 더욱 접촉시켜 양호한 열 전달 경로를 제공한다. 따라서, R값에 대한 상한치는 밀집 입자 재료의 고체 열 전도성에 의존하여 도달하게 된다. 진공도를 더욱 증가시켜도 고체 전도 때문에 상기 입자 재료의 절연성에 대한 R값은 향상되지 않는다. 또한 투명 분말도 복사열 전도를 차단하는데에는 충분하지 않다.
다른 정교한 초절연제품은 열 전도의 복사 성분을 차단시키기 위해 고반사 재료층을 사용하고 있다. 반사층은 통상적으로 포일(foil)이며 이들은 얇은 유리섬유 매트 또는 유리 구슬 같은 열적으로 유효한 스페이서로 분리되어야 한다. 이 절연 제품은 가스 열 전도를 방지하도록 캡슐화 및 배기될 수 있어야 한다. 이 포일 시스템의 결점을 포일은 가공작업이 곤란하고 절연 제품은 재료 비용이 높다는 점이다. 또한, 진공 배기 절연 시스템에 있어서의 고유의 문제점은 시스템이 패널 측부상에 가압되는 대기업을 견딜 수 있어야 한다는 점이다. 진공도가 높아질수록 패널 외측에서 생성되는 압력도 커진다. 비록 스페이서에 의해 분리된 채로 있을지라도 얇은 포일층은 대기압에 의해 변형되게 된다. 포일층이 서로 접촉하는 경우에, 고체 열 전도의 경로가 형서되어 열적 브리지(bridge)를 제공하게 된다.
종래의 초절연 제품에는 이상적인 절연 제품의 많은 바람직한 특성이 결여되어 있는 것을 알 수 있다. 이들 특성은 압축성, 용이 제작성, 비교적 낮은 재료 비용, 고진공 회피 및 장기간의 제품 수명 중 높은 R값은 유지 등이 있다.
[발명의 설명]
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 최소의 절연 제품으로 양호한 절연 성질을 부여할 수 있는 내열 전도성을 갖는 절연 제품을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 입방 m당 128내지 449Kg(8내지 28pound/ft3)의 밀도를 갖는 보드(board)를 형성하는 다량의 광물 섬유를 포함하는 절연 패널에 관한 것이다. 이 보드의 틈새는 입자 재료의 5내지 40 중량퍼센트로 채워진다. 상기 밀도의 광물섬유는 복사에너지 열 전도에 대한 양호한 장벽(barrier)을 제공한다. 상기 입자재료는 가스 전도에 의한 열 전도에 대한 양호한 장벽을 제공한다. 전체 구조는 패널이 캡슐화되고 진공 배기될 때 대기압에 대한 양호한 구조를 제공하기 위해 압축에 충분히 견딜 수 있다. 상기 재료는 본 발명의 제품으로 만들기 쉽고 비교적 본 발명의 제품과 함께 가공하기 용이하다. 또한, 상기 재료는 비교적 저렴하다.
끝으로, 본 발명의 절연 제품은 일정한 R값을 갖는 긴 수명의 제품에 적합해야 한다.
본 발명의 적합한 실시예에 있어서, 입자 재료는 그램당 적어도 50평방 미터의 표면적을 가진다. 특히, 입자재료는 비정질 실리카 분말이다.
본 발명의 특정 실시예에 있어서, 패널은 두께가 0.0127mm 내지 0.102mm(1/2 내지 4mil)인 금속 포일을 포함하는 기밀 외피로 에워싸여 있다. 적합하게, 상기 기밀 외피 10-4Torr 내지 10Torr의 진공으로 배기된다.
[도면의 간단한 설명]
제1도는 본 발명의 절연패널을 정면에서 본 개략적인 횡단면도.
제2도는 본 발명에 따른 유리 섬유와 비정질 실리카 입자의 개략적인 확대도.
제3도는 본 발명의 절연 패널을 포함한 냉장고 및 냉동기의 개략적인 횡단면도.
제4도는 본 발명의 절연 패널을 제조하는 제작 공정을 도시하는 개략적인 측면도.
[본 발명을 실행하는 최선의 형태]
본 발명은 광물 섬유로서 유리 섬유를 갖는 절연 패널을 대해 설명한다. 암석, 슬래그 또는 현무암으로 만들어진 섬유 등의 다른 광물 섬유가 본 발명에 사용 될 수 있다.
제1도를 참조하면, 절연 패널(10)은 코어보드(12, coreboard) 및 외피(14,envelope)로 구성되어 있음을 알 수 있다. 상기 외피는 상기 코어보드를 캡슐화 또는 에워싸기에 적합한 임의의 재료이다. 상기 재료는 낮은 열전도성을 갖고 하는 진공도를 유지하기 위해 가스 비투과성인 것이 적합하다. 상기 외피는 이 기술분야에 숙련된 자들에게 공지되어 있다. 통상적인 외피는 금속 포일의 얇은층으로 만들어진다. 상기 기밀성 금속 포일 외피는 0.0127mm 내지 0.102mm(1/2mil 내지 4mil)의 두께를 가진다.
상기 절연 패널 내부를 진공으로 할 때, 외피내에 존재하는 표류 저분자량 가스를 배출시키기 위해 게터링 재료(gettering material)를 외피내에 위치시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 게터링 재료는 기술분야에 숙련된 자들에게 공지되어 있다.
상기 코어보드는 유리 섬유로 만들어지는 것이 좋으며, 특히 1 내지 25㎛의 직경을 갖는 유리섬유, 특히, 바람직하게는 3 내지 12㎛의 직경을 갖는 유리섬유로 만들어진다. 입자 재료를 가하지 않았을 때의, 상기 보드의 밀도는 128 내지 449Kg/㎥(8 내지 28pcf)이다. 이 밀도는 192 내지 320Kg/㎥(12 내지 20pcf)이 적합하다.
제2도에 도시한 바와 같이, 비정질 실리카 입자(16)가 상기 코어보드에 있는 섬유(18)사이의 틈새에 채워진다. 제2도에 섬유들이 개략적으로 도시되어 있으며, 실제보다 훨씬 더 짧게 도시되어 있다.
상기 입자 재료는 예를 들어, 비정질 실리카fumed silica), 발연 실리카, 용융 실리카 및 흑연동 본 발명에 적합한 임의의 수의 재료일 수 있다. 입자 재료는 적어도 그램 당 50㎡, 적합하게는 적어도 그램 당 150㎡, 가장 적합하게는 적어도 그램 당 400㎡인 커다란 표면적 대 중량비를 가진다. 입자 재료의 단위 중량 당표면적을 측정하는 적합한 시험법은 문헌 ASTM Specification Technical Bulletin No.51, 1941. pp95의 BET 시험법(Brown Emit Teller)이 있다.
밀도가 128 내지 449Kg/㎥인(8 내지 28pcf.)유리 섬유 보드를 본 발명에 사용했을 때, 이 섬유를 현미경으로 관찰하면 섬유 사이의 틈새에 커다란 공간이나 공동(void)이 보인다. 이는 제2도에 개략적으로 도시되어 있다. 이들 공간 내에는 실리칸 입자들이 위치된다. 이들 입자는 상기 섬유보드의 틈새에 채워지고, 즉, 이들 입자들은 유리 섬유사이에 그리고 유리 섬유 위에 위치된다.
유리섬유는 투명하고, 결합제 특히, 유기 결합체를 함유하지 않으므로, 진공 상태에서 외피의 진공내에서 전도를 위한 가스를 형성할 수 있는 유기물질의 가스 형성이 없어 매우 바람직하다. 본 발명의 놀라운 결과중의 하나는 실리카 입자 자체가 종래 기술에서는 전혀 기대할 수 없었던 방법으로 판형 구조내에 유리 섬유를 함께 유지하는 결합제 형태로 작용한다는 점이다. 유리 섬유와 접촉하는 실리카 입자는 상기 보드가 실리카 입자를 갖지 않을 때보다 틈새에 채워진 실리카 입자를 가질 때 더욱 커다란 점착 강도를 가지므로 분명히 결합체로서 작용한다.
본 발명의 일 실시예에서, 가스 전도에 의한 열 절단을 차단하기 위해 약간의 또는 모든 공기가 외피에서 제거되고 아르곤 같은 무거운 가스로 대체된다. 적합하게는 이와 같은 무거운 가스는 기체 산소의 분자량보다 큰 분자량을 가지며, 무거운 가스는 외피내에 함유된 가스 분자중 적어도 50%로 구성된다.
제3도에 도시한 바와 같이, 냉장고 및 냉동기는 냉동실(20)과 냉장실(22)로 구성된다. 절연 패널은 냉장실 및 냉동실 모두의 외벽(24)과 내벽(26)사이에 위치한다.
제3도에 도시한 바와 같이, 냉장고 및 냉동기는 냉동실(20)과 냉장실(22)로 구성된다. 절연 패널은 냉장실 및 냉동실 모두의 외벽(24)과 내벽(26)사이에 위치한다. 본 발명의 절연 패널은 단순 곡선형태에 맞도록 주조 또는 성형될 수 있다.
냉장고 및 냉동기용 절연물로서 사용하는 것외에, 본 발명의 절연 패널은 물 가열기, 철도 차량 및 그 밖의 운송 차량, 액화 산소 및 액화 질소와 같은 저온 액체를 저장하는 용기, 우주선, 가정용 레인지 등을 절연하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 절연 패널의 그 외의 용도는 이 기술분야에 숙련된 자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 산업 장비의 절연에도 사용될 수 있다.
약 10-2Torr의 진공도를 갖는, 본 발명에 따른 절연 패널은 약 5.90 내지 19.7R's/㎝(약 15내지 509's/inch)의 R값을 갖는 것으로 예견된다. 이것은 비정질 실리카 분말의 10중량%를 갖는 12파운드 밀도(0.192m/cc)의 보드로 여겨진다.
시판의 분말은 노오스 아메리카 실리카 캄파니(North American Sillica Company, Rich field Park, New Jersey)제의 상표명 FK 500LS의 침전 실리카이다. 침전 실리카 및 발연 실리카도 카보트 코포레이션(Cabot corporation)에 의해 판매되고 있다.
제4도를 참조하면, 유리 섬유가 섬유 생성기(28, fiberizer)의 작동으로 생성됨을 알 수 있다. 섬유 생성기는 로터리 섬유 생성기와 같이 유리 섬유를 제조하는데 적합한 어떤 수단일 수 있으며, 이는 기불 분야에 공지되어 있다. 유리 섬유는 수집실내로 하향으로 이송되어 수집 컨베이어(30)위에서 수집될 수 있다.
실리카 분말은 섬유 생성기로부터 수집 컨베이어로 하향으로 이동될 때 섬유에 가해하는 것이 적합하다. 이를 위해 노즐(32)은 입자 재료를 섬유의 하향 이동 흐름에 분사시키기 위해 위치한다. 입자 재료의 미세도로 인해, 재료를 용액, 적합하게는 수성 용액에 현탁하고 섬유의 하향 이동 흐름에 용액을 분무하는 것이 적합하다. 섬유하는 난류 및 고온 환경을 지나 이동하여 섬유가 수집 컨베이어에 도달하는 시간까지 수성 용액 내부의 액체 대부분(전부가 아닌)은 증발한다.
섬유는 블랭킷 또는 팩(34)의 형태로 수집된다. 그후 팩은 상부 컨베이어(38)와 하부 컨베이어(40)가 팩을 원하는 밀도로 압축하는 압축 스테이션(36)을 통과한다. 이 압축 공정중 열을 가하는 것이 바람직하며 보드의 온도는 적어도 315℃(600。F), 적어도 538℃(1000。F)로 상승시키는 것이 바람직하다.
보드가 압축 스테이션을 벗어난 후, 절단기(42)에 의해 절연 패널로 잘려진다. 캡슐화 전에 패널을 세척하기 위해 진공 베이킹 동작이 패널에 행해진다. 이 세척 단계는 가스 제거 및 그 후의 진공 손실을 감소시키는데 필요하다. 그후에 절연 패널은 외피로 캡슐화되며, 이 기술 분야에 공지된 공정에 따라 진공으로 배기된다.
유리 섬유와 실리카 분말을 함유하는 코어보드내의 실리카 분말의 양을 측정하는 적합한 방법은 질량 분석기를 사용하여 코어보드내의 실리카 원자의 실제 백분율 측정하는 것이다. 유리 조성물은 공지이므로, 추가의 실리콘 양이 계산될 수 있으므로, 보드내의 실리카 분말의 정확한 백분율을 측정할 수 있게 된다. 유리섬유 이외의 광물 섬유 및 다른 재료의 분말에 대해서도 유사한 측정 방법을 취할 수 있다.
다양한 변형 예가 본 발명의 정신 및 범주를 이탈하지 않고 도시 및 설명된 구조 및 방법으로 만들어질 수 있다.
[적용 분야]
본 발명은 전기기구, 운송 수단 및 산업 장비의 절연물로 유용하다는 것을 알았다.

Claims (11)

128 내지 449Kg/㎥(8 내지 28pound/ft3)의 밀도를 갖는 광물 섬유 보드를 포함하는 절연 패널로서, 상기 광물 섬유는 유기 결합체를 갖지 않고, 5 내지 40중량%의 입자 재료가 상기보드 내부에 채워져 있고, 상기 광물 섬유는 1 내지 25㎛의 직경을 가지며, 상기 입자 재료는 적어도 g당 50㎡의 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제1항에 있어서, 상기 절연 패널은 보드를 에워싸는 기밀성 외피를 부가로 포함하며, 상기 외피는 부분적으로 진공 배기되는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제2항에 있어서, 상기 외피는 기체 산소의 분자량보다 큰 분자량을 갖는 가스를 함유하며, 상기 가스는 외피에 함유된 가스 분자의 50%이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제2항에 있어서, 상기 입자 재료는 비정질 실리카 분말인 것을 특징으로 절연 패널.
제4항에 있어서, 상기 기밀성 외피는 0.0127내지 0.102mm(1/2mil 내지 4mil)의 두께를 갖는 금속 포일을 포함하는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제5항에 있어서, 상기 광물 섬유는 유리 섬유인 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제6항에 있어서, 게터링 재료(gettering material)가 상기 기밀성 외피내에 위치되는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제6항에 있어서, 상기 진공도는 10-4Torr 내지 10 Torr인 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제8항에 있어서, 상기 비정질 실리카는 150㎡/g이상의 표면적을 갖는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제9항에 있어서, 상기 절연 패널은 냉장고 또는 냉동기 벽내에 위치되는 것을 특징으로 하는 절연 패널.
제 9항에 있어서, 상기 패널내의 유리 섬유의 밀도는 복사 열 전달을 차단하기에 충분하며, 상기 비정질 실리카는 가스 전도에 의해 열 전달을 차단하기에 충분한 것을 특징으로 하는 절연 패널.
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