KR101017969B1 - 진공 단열체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 진공 단열체에 관한 것이다.
본 발명에 따른 진공 단열체는, 격자구조를 가지고, 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 빔 및 하부 빔, 상부 빔의 격자구조의 모서리 및 하부 빔의 격자구조의 모서리 사이에 고정설치되는 지지기둥, 그 상 하단이 각각 상부 빔 및 하부 빔에 부착되고, 그 좌 우단이 각각 지지기둥에 부착되고, 격자구조를 둘러싸, 해당 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 하는 필름, 상부 빔 및 하부 빔의 외측을 덮는 외피재를 포함한다.
격자구조, 상부 빔, 하부 빔, 지지기둥
Description
본 발명은 건물이나 냉장고 등의 단열재로 사용될 수 있는 진공 단열체에 관한 것이다.
인류가 소비하는 에너지 총량의 절반은 주거 및 상업용 건물의 냉난방에 소비되고 있으며, 이러한 비율은 국내의 경우에도 동일하다. 대체 에너지의 수급량이 현재 총 에너지 소비량의 1 내지 2%에 불과하고, 장기적인 계획도 10%를 넘지 못함을 고려해보면, 냉난방 에너지의 절감이 현재의 에너지 위기를 타개할 수 있는 가장 효과적인 방안이라고 할 수 있다. 이렇게 많은 에너지를 냉난방에 소비하는 이유는, 기존 단열체의 열전도계수가 지난 일세기 동안 30mW/m·K라는 한계치에서 조금도 더 발전하지 못하고 있기 때문이다. 현재의 단열재를 가지고 에너지 소비를 절반으로 줄이고자 한다면 단열재의 두께가 너무 두꺼워져서 경제적으로 타당성이 있는 건축이 불가능하고, 더욱이 기존의 건물의 경우에는 이를 허물지 않고는 달리 방도가 없다. 따라서, 기존 및 신축 건물에 내외장재의 형태로 적용할 수 있는 초단열재가 개발되어야 하며, 진공 단열체가 그것을 가능하게 할 수 있다. 여기서, 진공 단열체는 다공성 충진물과 이를 싸고 있는 차단성 외피재로 구성되는데, 외피 재 내부의 기체를 제거하여 진공 상태를 수년 동안 유지함으로써, 매우 낮은 열전도율을 가지는 것을 말한다. 즉, 진공 단열체는 기존 단열재에 비하여 10 내지 100배의 단열성능을 가지는 것으로서, 이를 적용하면, 단열의 효과가 증대되는 것과 함께 단열재의 두께가 감소되는 것에 의해 내부 공간의 활용도도 더 커질 것이다.
진공 단열체의 내부는 진공 상태로 유지가 되어 내부에서의 대류 열전달을 막아준다. 하지만, 천공이나 못질 등 외부에서의 충격으로 인한 일부 파손으로 진공 단열체의 내부 전체로 외부 공기가 퍼져들어 간다면 그 단열 성능이 현저히 저하될 수 있고, 이로 인하여 진공 단열체로서의 역할을 수행하지 못하는 문제점이 발생된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외부의 충격으로 인하여 진공 단열체가 파손되는 경우 진공 단열체 내부로 침투된 공기를 파손 부위에만 가두어 두도록 가스투과도가 낮은 필름을 이용하여 독립된 영역의 격자 구조를 형성하는 것에 의하여, 파손된 부분을 제외한 나머지 부분의 진공도는 유지되어 진공 단열체의 전체적인 성능저하를 막을 수 있는 진공 단열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 건물이나 냉장고 등의 단열이 필요한 내부공간의 효율적인 단열이 이루어질 수 있고, 단열재의 두께 감소로 인해 사용자로 하여금 내부공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 진공 단열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체는, 격자구조를 가지고, 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 빔 및 하부 빔, 상부 빔의 격자구조의 모서리 및 하부 빔의 격자구조의 모서리 사이에 고정설치되는 지지기둥, 그 상 하단이 각각 상부 빔 및 하부 빔에 부착되고, 그 좌 우단이 각각 지지기둥에 부착되고, 격자구조를 둘러싸, 해당 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 하는 필름, 상부 빔 및 하부 빔의 외측을 덮는 외피재를 포함한다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 외부의 충격으로 인 하여 진공 단열체의 내부가 파손되는 경우 진공 단열체 내부로 침투된 공기를 파손 부위에 가두어 두도록 가스투과도가 낮은 필름을 이용하여 독립된 영역의 격자 구조를 형성하는 것에 의하여, 파손된 부분을 제외한 나머지 부분의 진공도는 유지되어 진공 단열체의 전체적인 성능저하를 막을 수 있다.
청구항 2에 관한 발명인 진공 단열체는, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 있어서, 격자구조의 형상은, 삼각형, 사각형 또는 육각형 중 어느 하나이다.
따라서, 청구항 2에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 격자구조의 형상을 삼각형, 사각형 또는 육각형 중 어느 하나로 형성하여주는 것에 의하여, 각각 독립된 영역에서의 진공상태를 유지할 수 있다.
청구항 3에 관한 발명인 진공 단열체는, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 있어서, 지지기둥은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질을 포함한다.
따라서, 청구항 3에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 지지기둥을 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질로 구성하는 것에 의하여, 진공상태에서 외부의 대기 압력으로부터 진공 단열체 내부를 지지할 수 있고, 지지기둥을 통한 열전도를 최소화할 수 있다.
청구항 4에 관한 발명인 진공 단열체는, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 있어서, 필름은, 가스투과도가 낮은 물질을 포함한다.
따라서, 청구항 4에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 필름을 가스투과도가 낮은 물질로 구성하는 것에 의하여, 외부의 압력을 받지 않고, 독립된 영역에서의 진공상태를 유지할 수 있다.
청구항 5에 관한 발명인 진공 단열체는, 격자구조를 가지고, 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 빔 및 하부 빔, 그 상 하단이 각각 상부 빔 및 하부 빔에 부착되고, 격자구조를 둘러싸, 해당 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 하는 필름, 상부 빔의 격자구조 내의 소정영역 및 하부 빔의 격자구조 내의 소정영역 사이에 위치되는 지지기둥, 상부 빔, 하부 빔 및 지지기둥의 상 하단을 덮는 외피재를 포함한다.
따라서, 청구항 5에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 외부의 충격으로 인하여 진공 단열체의 내부가 파손되는 경우 진공 단열체 내부로 침투된 공기를 파손 부위에 가두어 두도록 가스투과도가 낮은 필름을 이용하여 독립된 영역의 격자 구조를 형성하는 것에 의하여, 파손된 부분을 제외한 나머지 부분의 진공도는 유지되어 진공 단열체의 전체적인 성능저하를 막을 수 있다. 또한, 상부 빔의 격자구조 내의 소정영역 및 하부 빔의 격자구조 내의 소정영역 사이에 지지기둥을 위치시키는 것에 의하여, 진공상태에서 외부의 대기 압력으로부터 진공 단열체 내부를 지지할 수 있다.
청구항 6에 관한 발명인 진공 단열체는, 청구항 5에 관한 발명인 진공 단열체에 있어서, 상부 빔 및 하부 빔의 격자구조 내에 위치되는 지지기둥은 적어도 한 개 이상이다.
따라서, 청구항 6에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 상부 빔 및 하부 빔의 격자구조 내에 위치되는 지지기둥을 적어도 한 개 이상으로 위치시키는 것에 의하여, 진공상태에서 외부의 대기 압력으로부터 진공 단열체 내부를 상대적으로 강 하게 지지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 외부의 충격으로 인하여 진공 단열체가 파손되는 경우 진공 단열체 내부로 침투된 공기를 파손 부위에 가두어 두도록 가스투과도가 낮은 필름을 이용하여 독립된 영역의 격자 구조를 형성하는 것에 의하여, 파손된 부분을 제외한 나머지 부분의 진공도는 유지되어 진공 단열체의 전체적인 성능저하를 막을 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 건물이나 냉장고 등의 단열이 필요한 내부공간의 효율적인 단열이 이루어질 수 있고, 단열재의 두께 감소로 인해 사용자로 하여금 내부공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체의 내부 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체의 전체구조를 나타내는 상 측면도이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 단열체의 전체구조를 나타내는 상 측면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 연결관계를 설명하기 위한 회로도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체는, 상부 빔(110) 및 하부 빔(120), 지지기둥(140), 필름(130), 외피재(150)를 포함한다.
상부 빔(110) 및 하부 빔(120)은 격자구조를 가지고, 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치된다. 본 발명의 일 실시예에서는, 독립된 진공을 유지하기 위한 영역을 나누기 위해 격자구조가 사용되며, 이 격자구조의 형상으로는 삼각형, 사각형 또는 육각형 중 어느 하나의 형상이 사용될 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 독립된 영역에서의 진공 상태를 유지하기 위하여 격자구조를 형성하는 다른 형상도 사용될 수 있다.
지지기둥(140)은 상부 빔의 격자구조의 모서리 및 하부 빔의 격자구조의 모서리 사이에 고정설치된다. 즉, 지지기둥(140)은 가로측 필름과 세로측 필름이 서로 교차하는 부위에 위치된다. 또한, 지지기둥(140)은 진공 단열체 내부가 진공상태에서 외부의 대기 압력을 견디기 위한 것으로서, 지지기둥(140) 자체를 통한 열전도가 최소가 되도록 설계된다. 이 지지기둥(140)은 여러 가지 단면을 가진 기둥이 사용될 수 있고, 또한 진공 단열체의 내부에 다양하게 위치할 수 있다(도 3에서 상세하게 설명하기로 함.). 또한, 지지기둥(140)의 재질로는 기계적 강도(즉, 인장 강도)와 열전도 계수의 비를 고려하여 폴리머(Polymer)를 사용한다. 보다 상세하게는, 폴리머 중 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 폴리카보네이트(Polycarbonate)나 폴리이미드(Polyimide)를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 지지기둥(140)의 단면 형상으로 삼각형, 사각형 등의 다각형상이 사용될 수 있다.
필름(130)은 그 상 하단이 각각 상부 빔(110) 및 하부 빔(120)에 부착되고, 그 좌 우단이 각각 지지기둥(140)에 부착되고, 격자구조를 둘러싸, 해당 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 한다. 즉, 서로 평행한 가로측 필름과, 가로측 필름과 수직으로 교차하는 서로 평행한 세로측 필름으로 상부 빔(110) 및 하부 빔(120)의 격자 구조에 대응되는 구조의 복수의 독립 진공 셀을 형성한다. 또한, 필름(130)은 격자구조의 독립된 공간을 나누기 위해 사용되는 것으로서, 외부의 대기 압력을 받지 않으며, 독립된 진공상태를 유지하기 위해 가스 투과도가 낮은 필름이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 필름(130)은 가스 투과성(permeability)이 낮은 물질들로 형성되는데, 그 물질은 폴리카보네이트(Polycarbonate), LDPE(Lowdensity polyethylene), HDPE(Highdensity polyethylene), PET(Polyethylene terephthalate), 폴리에스터(Polyester), OPET(Oriented Polyethylene terephthalate)중 어느 하나인 것이 바람직하다.
외피재(150)는 상부 빔(110) 및 하부 빔(120)의 외측을 덮는다. 여기서, 외피재(150)는 외부로부터 진공 단열체의 내부로 가스가 투과되는 것을 막는 역할을 하고, 가스투과도가 낮아 진공도를 장기간 유지할 수 있는 외피재(150)가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 외피재(150)는 진공포장재로 일반적으로 사용되는 PET(Polyethylene terephthalate), LDPE(Lowdensity polyethylene), 알루미늄, LLDPE(Linear-Lowdensity polyethylene) 중 어느 하나가 적층된 필름이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 단열체는, 상부 빔(210) 및 하부 빔(220), 필름(230), 지지기둥(240), 외피재(미도시)를 포함한다. 한편, 이하에서는, 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체의 구조와 중복되는 구조인 상부 빔(210) 및 하부 빔(220), 필름(230), 외피재(미도시)에 대한 설명은 생략하기로 한다.
지지기둥(240)은 상부 빔(210)의 격자구조 내의 소정영역 및 하부 빔(220)의 격자구조 내의 소정영역 사이에 위치된다. 이를 통하여, 진공상태에서 외부의 대기 압력으로부터 진공 단열체 내부를 지지할 수 있게 된다. 또한, 지지기둥(240)은 상부 빔(210)의 격자구조 내의 소정영역 및 하부 빔(220)의 격자구조 내의 소정영역 사이에 다수 개로 형성될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 필름과 지지기둥의 최적설계를 위한 방법에 대하여 설명하기로 한다. 여기서, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 전체 격자구조에서 반복되는 격자구조를 단위구조로 사용한다.
우선, 진공상태에서 외부의 대기압을 견디기 위해 압축응력에 대한 강도조건은 다음 수학식 1과 같다.
여기서, 
는 대기 압력, 
은 단위 벌집구조의 면적, 
는 지지기둥의 임계 압축응력, 
는 지지기둥의 단면적을 나타낸다.
또한, 진공상태에서 외부의 대기압을 견디기 위해 좌굴(Buckling)에 대한 강도조건은 다음 수학식 2와 같다.
여기서, 
는 영률, 
는 지지기둥의 단면 2차 모멘트, 
는 지지기둥의 높이를 나타낸다. 수학식 2는 지지 기둥이 일정한 단면적을 가지고, 바닥 면과 수직을 이루는 경우에만 국한되며, 다른 조건을 가지는 기둥의 경우에는 다른 식이 사용될 수 있다.
따라서, 수학식 1과 수학식 2에 의해 지지기둥의 높이 및 두께 등의 설계변수를 구할 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 격자구조에서 하나의 독립 된 영역이 외부의 충격으로 인해 파괴되었을 때, 대기 압력을 견디기 위한 필름의 강도 조건은 다음 수학식 3과 같다.
여기서,
는 필름의 임계 인장 응력, 
는 필름의 두께를 나타낸다.
따라서, 수학식 1과 수학식 2에 의해 구해진 설계변수로부터 수학식 3을 이용하여 외부의 대기 압력을 견디기 위한 필름의 두께를 구할 수 있다.
수학식 1 내지 수학식 3에 의하여 구해진 필름의 두께에 대하여 예를 들어 설명하자면, 아래 표 1과 같다. 아래 표 1에 기재된 두께는, 다양한 필름의 재질에 따른 최소 필요 두께를 나열한 것이다.
| Section | Thickness [um] |
| 폴리카보네이트(Polycarbonate) | 3 |
| LDPE(Lowdensity polyethylene) | 24 |
| HDPE(Highdensity polyethylene) | 9 |
| PET(Polyethylene terephthalate) | 5 |
| 폴리에스터(Polyester) | 2 |
| OPET(Oriented Polyethylene terephthalate) | 2 |
또한, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체에 사용되는 지지기둥은, 격자구조로 형성된 독립된 영역, 즉 셀의 크기 상부 및 하부 빔의 두께를 아래 표 2와 같이 고려하여 설계되는 것이 바람직하다. 표 2는 지지기둥의 단면 형상이 사각형(square)일 경우를 예로 하여 산출된 것이다.
| Section | t pillar | w | h | t beam |
| Square | 1 | 22 | 7 | 1 |
여기서, tpillar는 지지기둥의 두께(mm)이고, w는 셀의 가로, 세로 크기(mm)이며, h는 지지기둥의 높이(mm)고, tbeam은 상부 빔 및 하부 빔의 두께(mm)이다.
상기와 같이 설계된 필름 및 지지기둥을 포함하는 진공 단열체는 일부 파손시 독립 진공 상태를 유지할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체는, 간단하게 지지기둥(Rpillar)과 상부 빔(Rbeam) 및 하부 빔(Rbeam), 필름(Rfilm)의 연결관계를 저항소자로 치환하여 설명할 수 있다.
또한, 상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 유효 열전도 계수는 아래 수학식 4에 의하여 계산될 수 있다.
여기서, Kpillar, Kbeam 은 폴리카보네이트(polycarbonate)로 형성된 지지기둥과 상부 빔 및 하부 빔의 열 전달 계수 값으로 0.173 W/mK이고, Kfilm은 OPET(techbarrier OPET)의 열 전달 계수 값으로 0.24 W/mK이다.
따라서, 상기 변수값을 대입하여 수학식 4을 통해 산출된 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 유효 열 전달 계수(Kcore)값은 0.531mW/mK값을 가진다. 이는 기존 단열재보다 수십 내지 수백배까지 개선된 유효 열전도 계수이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체는, 기존 단열재의 10 내지 100배로 절감된 유효 열전달 계수를 가짐으로써, 일부 파손에도 내부 진공을 유지할 수 있고, 건물이나 냉장고 등의 단열이 필요한 내부공간의 효율적인 단열이 이루어질 수 있으며, 단열재의 두께 감소로 인해 내부공간을 보다 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 외부의 충격에 의한 파괴에도 하나의 영역만 파괴되므로 진공 단열체의 성능이 전체적으로 저하되는 것을 막을 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체의 내부 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 진공 단열체의 전체구조를 나타내는 상 측면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 진공 단열체의 전체구조를 나타내는 상 측면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 연결관계를 설명하기 위한 회로도.
Claims (6)
- 격자구조를 가지고, 상기 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 빔 및 하부 빔;상기 상부 빔의 격자구조의 모서리 및 상기 하부 빔의 격자구조의 모서리 사이에 고정설치되는 지지기둥;그 상 하단이 각각 상기 상부 빔 및 하부 빔에 부착되고, 그 좌 우단이 각각 상기 지지기둥에 부착되고, 상기 격자구조를 둘러싸, 상기 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 하는 필름; 및상기 상부 빔 및 하부 빔의 외측을 덮는 외피재를 포함하는, 진공 단열체.
- 제1항에 있어서,상기 격자구조의 형상은, 삼각, 사각 또는 육각형 중 어느 하나인,진공 단열체.
- 제1항에 있어서,상기 지지기둥은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질을 포함하는,진공 단열체.
- 제1항에 있어서,상기 필름은, 가스투과도가 낮은 물질을 포함하는,진공 단열체.
- 격자구조를 가지고, 상기 격자구조가 서로 대응되도록 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 빔 및 하부 빔;그 상 하단이 각각 상기 상부 빔 및 상기 하부 빔에 부착되고, 상기 격자구조를 둘러싸, 상기 격자구조 각각이 독립된 영역이 되도록 하는 필름;상기 상부 빔의 격자구조 내의 소정영역 및 상기 하부 빔의 격자구조 내의 소정영역 사이에 위치되는 지지기둥; 및상기 상부 빔, 상기 하부 빔 및 상기 지지기둥의 상 하단을 덮는 외피재를 포함하는, 진공 단열체.
- 제5항에 있어서,상기 상부 빔 및 상기 하부 빔의 격자구조 내에 위치되는 지지기둥은 적어도 한 개 이상인,진공 단열체.
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