KR101148869B1 - 진공단열재 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공상태를 유지하는 외피와 일정한 두께를 유지시키기 위해 상기 외피 내부에 인입되는 다공성 심재를 포함하되; 준비된 소재를 고진공상태를 유지하고 있는 메인챔버 내부로 공급하는 소재투입단계; 상기 메인챔버에 투입된 소재를 가압융착시킴으로써 판상의 형태를 완성하는 가압융착단계; 상기 형태가 완성된 진공단열재를 상기 메인챔버로부터 버퍼챔버를 거쳐 반출하는 단열재 반출단계를 포함하되; 상기 모든 단계는 진공환경에서 시행되도록 하며; 상기 소재투입단계 이전에 상기 심재와 외피의 소재로부터 수분과 이물질을 제거하는 소재 전처리단계를 더 포함하는 것에 있어서, 상기 심재가 글라스울인 경우에는 대기압 상태의 가열로에서 가열하여 1차적으로 수분을 제거한 후 상기 소재 전처리단계로 투입되도록 하되, 상기 소재 전처리단계는 진공가열로 내에서 100℃이상의 온도로 시행되며; 상기 진공가열로에는 가스퍼지장치를 이용하여 질소 또는 헬륨 가스를 퍼지시키는 것을 특징으로 한다.

Description

진공단열재 제조방법{Method For Manufacturing Vacuum Insulator}

본 발명은 진공단열재의 제조방법에 관한 것으로, 특히 진공단열재 전체 제조공정을 청정환경, 특별히 극저온 트랩이나 극저온 펌프(Cryopump)를 사용한 고진공 환경에서 연속, 자동화로 수행함으로써 기존에 연속공정이건 배치 타입이건 관계없이 공통적으로 가지고 있던 품질의 한계-상대적으로 낮은 진공도 및 높은 진공도 상승률-를 극복하고, 상당히 많은 부분을 무인 자동화함으로써 생산 속도를 향상시키고 이에 따른 제조원가의 절감을 도모한 고진공 청정환경에서의 진공단열재 제조방법에 관한 것이다. 진공단열재의 응용분야로는 건축물의 단열재에서 냉동, 냉장 컨테이너 및 냉동탑차, 각종 단열을 필요로 하는 가전제품 등에 이르기까지 다양하다. 아래 배경기술의 설명은 건축물의 예로 설명한다.

진공단열재의 원리는 단열재 내부를 진공으로 만들어서 한쪽 측면에서 다른 쪽 측면으로의 열전달을 최소화시키는 원리를 이용한 것이다. 이를 다르게 표현하면 다음과 같다. 열전달은 크게 3가지 경로를 통해서 이루어진다. 전도, 대류, 복사가 그것이다. 그런데 진공 중에는 (비록 진공도에 따라 다르겠지만) 대류 열전달이 무시될 수 있다. 그리고 진공 중에는 전도매개체(고체)가 없다면 전도도 이루어지지 않는다. 오직 복사를 통한 열전달뿐인 것이다. 그런데 일반적으로 단열재를 사용하는 환경에서(건축물, 냉동, 냉장, 가전제품 등) 복사를 통한 열전달만을 고려한다면, 단열재 좌, 우 또는 단열재가 포함된 벽면 내부와 외부의 온도차는 상대적으로 아주 작기 때문에 복사열전달량 자체는 거의 무시될 수 있을 정도로 미미하다. 이는 복사열전달이 절대온도의 함수이기 때문이고 이것이 진공단열재의 단열원리인 것이다.

따라서 만약 건축물 벽면이 내부가 완전히 진공인 챔버 형식으로 되어 있다면 거의 완벽한 방음과 단열효과를 볼 수 있을 것이다. 그러나 현실적으로 건축물의 벽면을 금속재질의 챔버 형식으로 제작하기에는 비용이나 공법상의 여러 가지 문제점들이 있을 것이다. 이런 단점들을 극복하면서 진공의 열전달 원리를 적용한 것이 현재 널리 제작되고 있는 판넬형태의 진공단열재인 것이다.

현재까지의 진공단열재의 제작공정은 아주 단순하다. 통칭 폴리머 필름(알루미늄 호일 점착된 것 포함) 외피재를 일정한 형상(타일형태)의 외피로 만든 다음 내부에 각종 단열성능이 뛰어난 단열재를 심재로 삽입한 후에 외피 내부를 감압하여 원하는 진공도까지 펌핑한 후에 외피의 입구부를 히트실링(가압융착) 하는 것으로 공정이 마무리된다. 여기서 심재의 사용은 기회비용의 측면이 있지만 필수적이다. 즉, 단열재로써 일정한 형상을 가져야하기 때문에 심재를 삽입하여 골격을 유지해야하지만, 이로 인해 심재를 통한 전도열전달은 기회비용으로써 불가피하다는 점이다.

그러나 이러한 진공단열재들은 제작 환경에 따라 외피나 심재에 수분이나 유분이 남아 있을 수 있고, 진공영역에서는 계속해서 외피나 심재의 표면에서 아웃게스(outgas)가 방출되기 때문에 시간이 경과함에 따라 진공도가 저하되는 단점이 있다. 즉 물리적으로 아웃게싱을 0(zero)으로 만드는 것은 불가능하다. 그러나 실제로 진공영역인 외피재의 내부와 심재에 대해서 적절한 전처리 과정을 거친다면 아웃게싱(표면방출)을 상당히 줄일 수 있다. 그리고 당연히 실링부에서의 누설률(leak rate)도 가능한 억제시켜야 한다.

따라서 진공단열재의 제작환경과 외피와 심재의 전처리 과정에서 세심한 관리가 필요하다. 결국 진공단열재의 핵심 성능과 품질은 실링될 당시에 도달했던 그 진공도(피크 진공도)를 얼마나 오랫동안 유지하느냐가 관건이기 때문이다. 따라서 이렇게 품질이 좋은 진공단열재를 제작하기 위해서는 다음의 조건들이 필요하다고 할 수 있다. 즉 아래의 주요한 몇 가지 사항들을 충분히 만족시키는 공정을 개발한다면 최고성능의 진공단열재를 제작할 수 있을 것이라 판단된다.

위와 같은 문제에 대한 본 발명의 기본적인 목적은, 고진공도를 유지할 수 있는 진공단열재의 제조방법을 제공하는 것에 있다. 이를 달성하기 위한 구체적인 목적은 다음과 같다.

첫째, 표면방출량 및 아웃게싱을 줄이는 것이다. 고진공 영역에서는 재료의 표면에 쌓여있던 각종 가스들이 방출되는 것을 아웃게싱(outgasing)이라하는데 아웃게싱을 줄이는 것이 고품질 진공단열재를 제작하는 핵심사항이다. 따라서 이런 표면방출량이 최소가 되도록 외피재의 내부와 심재의 상태를 면밀히 확인해야 하며 필요에 따라 전처리 작업을 통해서 아웃게싱량을 줄여야 한다.

둘째, 심재 가운데 포함된 수분을 제거해야 한다. 외피재 내부 표면에 붙어 있을 수 있는 수분도 문제가 될 수 있겠지만, 실제로 가장 심각한 것은 심재 가운데 포함된 수분의 양일 것이다. 특히 글라스울을 습식으로 제작했을 경우에는 심재 내부에 있는 수분을 제거하는 것이 쉽지 않다. 왜냐하면 수분(Water)은 수소 2개와 산소 1개가 결합된 분자로써 그 특성상 극성이 있다 보니 물질 표면에 붙게 되면 쉽게 이탈되지 않는 특성이 있다. 진공환경에서조차도 대상물의 표면을 가열하지 아니하면 쉽게 수분을 제거하기 어려운 것이 현실이다.

셋째, 오일성분을 없애는 것이다. 진공을 만들기 위해서 통상 로터리 펌프를 사용하는데, 오일실링의 로터리 펌프를 사용할 경우 제대로 관리하지 못하면 백스트림(back stream)에 의한 오일 미스트(mist)의 역류가 발생하여 진공단열재 내부가 오일 성분으로 오염될 수가 있다. 특히 고진공을 만들기 위해 드라이 펌프(dry pump)를 사용하지 않고 디퓨전 펌프(diffusion pump)를 사용하는 경우에는 더욱 그러할 수 있다.

넷째, 사람에 의한 오염원을 없애는 것이다. 수동으로 공정을 진행하거나 또는 반자동으로 진공단열재 제작공정을 진행한다 할지라도 나머지 부수적인 작업을 인력에 의지할 수밖에 없게 된다. 이럴 경우 인체 활동에 의해 외부 오염원을 내부 작업장으로 옮길 가능성이 크고, 특히 수작업에 의한 지문과 유분, 호흡 시 발생하는 불순물, 머리카락 등이 2차 오염원이 될 수도 있다. 따라서 전처리에서 메인 공정 및 후처리까지 모두 청정 진공환경에서 자동화로 진행해야할 것이다.

위와 같은 목적은, 진공상태를 유지하는 외피와 일정한 두께를 유지시키기 위해 상기 외피 내부에 인입되는 다공성 심재를 포함하되;
준비된 소재를 고진공상태를 유지하고 있는 메인챔버 내부로 공급하는 소재투입단계; 상기 메인챔버에 투입된 소재를 가압융착시킴으로써 판상의 형태를 완성하는 가압융착단계; 상기 형태가 완성된 진공단열재를 상기 메인챔버로부터 버퍼챔버를 거쳐 반출하는 단열재 반출단계를 포함하되;
상기 모든 단계는 진공환경에서 시행되도록 하며;
상기 소재투입단계 이전에 상기 심재와 외피의 소재로부터 수분과 이물질을 제거하는 소재 전처리단계를 더 포함하는 것에 있어서,
상기 심재가 글라스울인 경우에는 대기압 상태의 가열로에서 가열하여 1차적으로 수분을 제거한 후 상기 소재 전처리단계로 투입되도록 하되, 상기 소재 전처리단계는 진공가열로 내에서 100℃이상의 온도로 시행되며;
상기 진공가열로에는 가스퍼지장치를 이용하여 질소 또는 헬륨 가스를 퍼지시키는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법에 의해 달성될 수 있다.

또한, 본 발명의 특징에 의하면, 상기 질소 또는 헬륨 가스는 가스히터에 의해 가열한 다음 상기 진공가열로로 투입하여 퍼지되도록 하는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 공정을 따를 경우 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 진공단열재를 제작하는 전공정을 청정환경(진공환경) 중에서 진행하기 때문에 고진공으로 가는데 가장 걸림돌이 되는 수분과 아웃게싱 문제를 최소화 할 수 있다.

둘째, 진공단열재의 품질은 내부의 진공도가 좌우하는데 고진공 펌프(크라이오 펌프, 터보펌프)를 사용함으로 최고성능의 제품을 제조할 수 있다.

셋째, 전처리, 후처리 과정에 버퍼챔버를 두어 고진공 영역인 메인챔버와 구분함으로 진공장비의 효율을 높일 수 있다. 넷째, 전과정을 연속 및 자동화함으로 대량생산에 적합하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 진공단열재 제조장비의 정면 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 의한 진공단열재 제조장비의 정면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 진공단열재 제조방법의 블록도이다.
도 4는 진공단열재의 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 내용을 상세하게 설명한다. 도 1 내지 도 2를 우선 참조하되 필요에 따라 다른 도면을 인용하는 형식으로 설명한다.

본 발명에서의 진공단열재(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 내부 공간으로 하여금 진공상태를 유지하게 하는 외피(101)와, 일정한 두께를 유지시키기 위해 외피 내부에 인입되는 것으로서 다공성 소재로 된 심재(102)를 포함하는 구성을 가진다. 외피(101) 내부에서 발생되거나 외부로부터 침입하는 수분 내지 이물질을 포집하기 위한 게터(getter, 미도시됨)가 더 포함될 수 있으나 이는 선택적 구성요소이다. 외피(101)는 통상 무기소재가 증착된 폴리머 필름이나 알루미늄 호일과 폴리머 필름이 접착된 형태의 것이 사용될 수 있다. 심재(102)로는 글라스울, 흄드실리카, 폴리우레탄폼 등이 사용될 수 있다.

이상 언급된 소재는 예시에 불과하다. 외피(101)나 심재(102)의 재질에 의해 본 발명의 권리범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 된다.

이하 본 발명의 진공단열재의 제조방법은 도 3과 같이 크게 4개의 단계로 구성되는데 이를 차례로 설명한다.

<소재 전처리단계>

심재(102)와 외피(101)의 소재를 준비하는 단계로서 특히 심재(102)와 외피재(101)를 전처리 가공하는 단계를 말한다. 심재(102)가 글라스울일 경우, 심재(102)는 도 1에서와 같은 롤의 형태일 수도 있고, 도 2에서와 같이 이미 일정한 크기로 재단된 상태일 수 있다. 일반적으로 습식 글라스울의 경우 수분이 많기 때문에 가열로(미도시됨)나 오븐에서 충분히 수분을 제거해야 한다.

그러나 일반적인 가열로나 오븐에서는 대기 중의 공기를 그대로 사용하기 때문에 공기 중에 포함된 수분을 완전히 제거하기는 어렵다. 특히 습도가 높은 여름철에는 더욱 어려울 것이다. 따라서 일반 가열로(오븐)에서 1차 수분제거 과정을 거친 심재(102, 특히 글라스울로 되어 있는 심재)를 진공가열로(1, 또는 진공오븐)에서 넣고 100℃이상의 온도로 2차 전처리 과정을 거쳐야 한다. 이때 질소(N2) 또는 헬륨(Helium) 등 안정된 가스들을 간헐적으로 투입하여 심재(102) 내의 수분이 충분히 이탈되어 진공펌프(3)로 펌핑될 수 있도록 한다. 이 과정을 가스 퍼지과정이라 하며 도 1 및 도 2에 각각 표시된 가스퍼지장치(21)에 의해 시행된다. 때에 따라 공급하는 가스를 별도의 가스히터를 사용하여 가열한 후에 퍼지할 수 있다. 가스 퍼지과정은 난류를 조성하여 수분의 이탈을 촉진시키기 위한 것이다.

진공가열로(1)에 장착되는 진공펌프(3)는 로터리 펌프, 드라이 펌프 등이 사용되어질 수 있다. 필요시에는 수분을 잘 포집하는 극저온트랩(Cryotrap)이나 극저온펌프(Cryopump)를 사용할 수도 있다.

외피재(101')가 롤의 형태로 되어 있건 재단된 형태로 되어 있건 관계없이 필요시에는 외피재(101')에 포함된 각종 오염원들을 제거하기 위한 전처리 과정을 진행할 수도 있다. 그리고 이 외피재(101')의 전처리 과정도 진공챔버에서 행해지게 된다. 전처리된 외피재(101')는 메인챔버(5)에 설치되는데 이는 후술되는 소재투입단계에 해당한다.

<소재 투입단계>

준비된 소재를 고진공상태를 유지하고 있는 메인챔버(5) 내부로 공급하는 단계이다. 심재(102)는 진공가열로(1)를 통해서 메인챔버(5)로 공급된다. 진공가열로(1)는 메인챔버(5)의 전단에 설치되는 것으로서 제1게이트밸브(7)로 연결되어 있다.

언급했던 것처럼 외피의 소재인 외피재(101')는 고진공화시키기 전에 미리 메인챔버(5) 내부에 설치해놓을 수 있다. 외피재(101')는 통상 얇은 소재로서 롤형태로 제공되기 때문이다.

<가압융착단계>

가압융착단계는 메인챔버(5)에 투입된 소재를 가압융착시킴으로써 판상의 형태가 되도록 하는 단계이다. 메인챔버(5)는 극저온트랩(Cryotrap)이나 극저온펌프(9, Cryopump)중 어느 하나 이상을 사용하여 고진공상태를 유지하도록 한다. 진공도는 예를 들어 10^-6 Torr 이하까지 떨어뜨릴 것을 추천한다. 이때 ROR Test(Rate of Rise)를 통해서 제품의 아웃게싱 정도 및 챔버의 상황 등을 예측할 수 있다. 필요할 경우 극저온펌프(9)와 함께 터보펌프(11, TMP)를 사용해도 무방하다. 진공펌프(3')가 부가적으로 사용될 수도 있다.

가압융착방식은 도 1 또는 도 2에 도시된 방식이 이용될 수 있다.

도 1은 시트 형태로 공급되는 심재(102)의 상하부에서 외피재(101')를 풀어가며 연속적으로 가압융착시키는 방식을 표현하고 있다. 접합 직후에는 칼날(13)을 이용하여 심재(102)와 심재(102) 사이의 각 마디를 커팅하여 재단하게 된다. 롤형태로 된 심재(102)는 풀리면서 일정한 길이로 절단된 다음 컨베이어에 의해 가열융착기(15)로 공급된다.

도 2는 외피재(101')를 사전에 재단한 후 제1가열융착기(15a)로써 일부면(4각의 진공단열재를 제작할 경우 2면 또는 3면)을 가압융착한 다음, 이를 별도로 공급되는 시트 형태의 심재(102)를 끼워 넣고 제2가열융착기(15b)로써 나머지 면을 가압융착하여 완전히 밀봉시키는 공정이 도시되어 있다. 여기서는 심재(102)가 시트 형태로 되어 있는 것을 볼 수 있다.

<단열재 반출단계>

메인챔버(5) 내에서 가압융착을 통해 형태가 완성된 진공단열재(100)를 메인챔버(5)로부터 반출하는 단열재 반출단계가 이어진다. 이는 후처리 단계라고 할 수 있다.

보통의 경우 메인공정을 거친 신품 진공단열재를 바로 대기 중에 노출시킬 수는 없다. 왜냐하면 메인챔버(5)는 고진공이기 때문에 대기압 상태로 오픈 한 후에 다시 고진공을 만드는 과정이 어렵기 때문에 고진공인 메인챔버의 후단에 버퍼챔버(17) 또는 로드락 챔버를 두는 것이다. 그리고 메인챔버(5)와 버퍼챔버(17)는 제2게이트 밸브(19)를 통하여 필요시 서로 소통될 수 있다. 버퍼챔버(17)는 로타리펌프 또는 드라이펌프와 같은 진공펌프(3")에 의해 소정의 진공도를 유지하고 있다.

메인챔버(5)의 전단에도 이러한 작용을 위한 버퍼챔버가 설치될 수 있다. 다만 본 발명의 실시예에 의하면 전술한 진공가열로(1)가 이 버퍼챔버의 기능을 수행한다. 때에 따라서 버퍼챔버의 기능을 더 보완하기 위해서는 진공가열로(1)와 메인챔버(5) 사이 또는 진공가열로(1)의 전단에도 버퍼챔버가 더 설치될 수 있다.

본 발명에 의한 진공 단열재 제조방법은 무인 자동화라인을 통해 구현되는 것이 바람직하다. 도 1 및 도 2는 선형으로 배치된 자동화 라인의 예이다.

도 1 또는 도 2에 도시된 것은 본 발명의 기술적 사상에 의한 예시에 불과하다. 심재(102)와 외피재(101')의 구체적 특성에 따라 다양한 형태의 공정이 제안될 수 있다. 그러나 특허청구범위에 나타난 본 발명의 사상을 구현하는 한 이들은 모두 본 발명의 보호범위 내의 실시에 해당한다.

1 : 진공가열로 3 : 진공펌프
5 : 메인챔버 7,19 : 제1,2게이트밸브
9 : 극저온펌프 11 : 터보펌프
13 : 칼날 15, 15a, 15b : 가압융착기
17 : 버퍼챔버 21 : 가스퍼지장치
100 : 진공 단열재 101 : 외피
101' : 외피재 102 : 심재

Claims (5)

1. 진공상태를 유지하는 외피와 일정한 두께를 유지시키기 위해 상기 외피 내부에 인입되는 다공성 심재를 포함하되;
   준비된 소재를 고진공상태를 유지하고 있는 메인챔버 내부로 공급하는 소재투입단계; 상기 메인챔버에 투입된 소재를 가압융착시킴으로써 판상의 형태를 완성하는 가압융착단계; 상기 형태가 완성된 진공단열재를 상기 메인챔버로부터 버퍼챔버를 거쳐 반출하는 단열재 반출단계를 포함하되;
   상기 모든 단계는 진공환경에서 시행되도록 하며;
   상기 소재투입단계 이전에 상기 심재와 외피의 소재로부터 수분과 이물질을 제거하는 소재 전처리단계를 더 포함하는 것에 있어서,
   상기 심재가 글라스울인 경우에는 대기압 상태의 가열로에서 가열하여 1차적으로 수분을 제거한 후 상기 소재 전처리단계로 투입되도록 하되, 상기 소재 전처리단계는 진공가열로 내에서 100℃이상의 온도로 시행되며;
   상기 진공가열로에는 가스퍼지장치를 이용하여 질소 또는 헬륨 가스를 퍼지시키는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법.
   
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3. 제1항에 있어서, 상기 질소 또는 헬륨 가스는 가스히터에 의해 가열한 다음 상기 진공가열로로 투입하여 퍼지되도록 하는 것을 특징으로 하는 진공단열재 제조방법.
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