KR101401100B1 - 긴 열전달 경로를 가지는 진공 단열체의 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 긴 열전달 경로를 가지는 향상된 단열 성능의 진공 단열체의 내부구조에 관한 것이다. 본 발명에 있어서, 상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 원주 방향으로 일정하게 반복되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공된다.

Description

긴 열전달 경로를 가지는 진공 단열체의 구조{STRUCTURE OF INSULATOR WITH A LONG HEAT TRANSFER PATH}

본 발명은 긴 열전달 경로를 가지는 향상된 단열 성능의 진공 단열체의 내부구조에 관한 것이다.

인류가 소비하는 에너지 총량의 절반은 주거 및 상업용 건물의 냉난방에 소비되고 있는데, 만일 냉난방 에너지 소비를 현재의 1/4 수준으로 줄인다면 현재의 에너지 위기 및 이산화탄소 배출 문제를 해결할 수 있을 것이다. 그러나 현재의 단열재를 가지고 에너지 소비를 줄이고자 한다면 단열재의 두께가 너무 두꺼워져 경제적으로 타당성이 있는 건축이 불가능하다.

따라서 현재 건축물들, 즉 지금의 생활환경을 희생하지 않으면서 에너지를 줄이기 위해서는 현재의 단열재의 성능을 뛰어넘는 슈퍼 단열체가 필요한데 이 단열체의 내부를 지지하고 열전도저항을 높이기 위해서는 현재 형상의 지지체가 필요하다.

진공 단열체는 내부를 진공상태로 만들어 기체에 의한 대류 및 전도 열전달을 억제하여 종래의 일반단열재인 폴리우레탄 폼 또는 폴리스타이렌 폼 등에 비해 10배 이상의 뛰어난 단열효과를 나타내는 것을 말한다. 진공 단열체는 건물 및 냉장고 외벽, 소형보온기기 등에 적용되어 뛰어난 에너지절감 효과뿐만 아니라 단열재가 차지하는 공간을 줄임으로써 추가의 가용공간을 얻을 수 있다.

그러나, 종래의 진공 단열체의 내부 지지체 및 충진재에 의하면, 그 내부 지지체 및 충진재를 통한 복사 열전달로 인해서 진공 단열체의 단열 성능이 저하되어 그 역할을 수행하지 못하는 문제점이 있다.

수학적 모델에서 얻은 변수를 기준으로 형상최적화를 수행 후 반경방향으로의 다중 왕복 열전달 경로를 갖는 형상을 개량하여, 단열 성능을 향상시키기 위해, 원주 방향으로의 다중왕복 열전달 경로를 갖는 진공단열재의 내부 지지체로서 단열재 상하면에 작용하는 대기압을 견디며 내부 진공간극을 보호하는 기능을 가지는 진공 단열체를 제공하고자 한다.

일반적인 형상의 원기둥에 비해 열전달 경로가 길뿐 아니라 열전달 면적을 작게 하여 열전도저항이 훨씬 커지게 되고 균일한 응력분포를 가지는 구조를 가지는 진공 단열체를 제안하고자 한다.

상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 원주 방향으로 일정하게 반복되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공될 수 있다.

일측에 있어서, 내부 지지체는 폴리카보네이트를 재료로 사용할 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 진공 단열체는 단열재를 포함하고, 내부 지지체의 최대 응력과, 단열재를 통해 내부 지지체의 접촉면에 작용하는 대기압을 이용해 내부 지지체의 면적을 계산할 수 있다.

또 다른 측면에 있어서, 계산된 면적을 내부 지지체의 안지름이나 바깥지름의 크기 변화를 이용해 일정하게 유지할 수 있다.

상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로가 두 개인 더블 패스(Double-Path) 패턴이 원주 방향으로 일정하게 반복되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공될 수 있다.

상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 원주 방향과 반경 방향으로 형성되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공될 수 있다.

단열이 필요한 모든 제품과 건축물에 들어가는 단열재로서 기존 단열재보다 부피는 줄어들고 복사열전달과 전도열전달을 줄여 단열효과는 높이는 역할을 한다.

냉장고와 같은 가전제품의 단열용 및 주고, 상업용 건축물의 외피 단열용에 사용되는, 기존 단열재들의 성능을 뛰어넘는 슈퍼 단열체를 위한 내부 지지체로 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 진공 단열체의 일례로 3D와 정면도로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 1의 진공 단열체의 반복되는 패턴의 분할 형상을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 진공 단열체의 또 다른 일례로 3D와 정면도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 도 3의 진공 단열체의 반복되는 패턴의 분할 형상을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 본 발명을 적용한 또 다른 진공 단열체의 일례를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 진공 단열체의 또 다른 일례로 3D와 열전달 경로를 나타낸 것이다.

이하, 본 발명에서 제안하는 진공 단열체의 구조를 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

본 발명에서 제안하는 진공 단열체는 도 1과 같은 일례로 나타낼 수 있다. 그림 (a)는 진공 단열체를 3D로 나타낸 것이며, 그림 (b)는 그림 (a)와 같은 진공 단열체를 정면에서 본 형태를 도시한 것이다. 도면에 나타낸 바와 같이 상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 원주 방향으로 일정하게 반복되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공될 수 있다.

도 1의 경우, 화살표 방향으로 나타낸 것과 같은 왕복 열전달 경로의 패턴을 한 개 포함하며, 이러한 패턴이 대칭 구조로 8번 반복되어 진공 단열체를 구성한다. 이러한 열전달 경로는 원기둥처럼 일직선의 경로가 아닌 위에서 아래로, 아래에서 위로 반복되는 왕복 경로이기 때문에, 열 저항이 커지고 그로 인해 열전달 계수(단위시간에 단위 온도 차의 단위 면적에서 이루어지는 열전달 량)를 낮출 수 있는 형상이 될 수 있다.

도 1의 진공 단열체를 반복되는 패턴의 분할 형상 단위로 보게 되면 도 2와 같다. 왼쪽의 그림에 나타낸 것과 같이 점선을 기준으로 절단해서 보면 오른쪽의 그림과 같이 분할 형상을 볼 수 있다. 이 하나의 분할 형상에 하나의 왕복 열전달 경로 패턴을 가질 수 있는데, 도면에 나타난 바와 같이 실선으로 나타낸 사이 각(210)과 점선으로 나타낸 사이 각(220)이 절단 점선을 기준으로 대칭 형태로 나타난 것으로 보아, 분할 형상은 대칭으로 연결될 수 있으며, 대칭으로 연결됨으로써 위, 아래로 반복되는 왕복 경로가 나타날 수 있다.

이러한 형태로 나타나는 진공 단열체의 내부 지지체는 폴리카보네이트를 재료로 사용할 수 있다. 내부 지지체는 단열재의 상하면에서 작용하는 대기압을 견디며, 내부 진공간극을 보호하는 기능을 하기 때문에 열전달이 최소가 되도록 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질로 형성되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 폴리카보네이트는 충격 강도와 인장 강도의 균형이 잡힌 탄산 에스테르형 구조를 갖는 고분자 화합물을 총칭하는 것으로, 유리에 가까운 투명도가 있으며 안전유리 등에 이용되며, 또한 기계적 성질이 뛰어나고, 온도 변화에 의한 강도 변화도 적기 때문에 기계, 전기 부품, 헬멧 등에 사용된다.

진공 단열체는 단열재를 포함하고, 단열재를 통해 내부 지지체의 접촉면에 작용하는 대기압과 내부 지지체의 최대 응력을 이용해서 내부 지지체의 면적을 계산할 수 있는데, 이는 내부 지지체의 파손을 방지하기 위함이다. 이렇게 계산된 면적의 크기를 내부 지지체의 안지름이나 바깥지름의 크기 변화를 이용해 일정하게 유지함으로써, 단열재 상하면에 작용하는 대기압을 견디며 내부 진공간극을 보호하는 기능을 가지는 진공 단열체를 제공할 수 있다.

진공 단열체의 또 다른 일례로, 도 3의 그림을 참조할 수 있다. 그림 (a)는 상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로가 두 개인 더블 패스(Double-path) 패턴이 원주 방향으로 일정하게 반복되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체로, 도 1의 일례보다 왕복 열전달 경로가 하나 더 추가된 형태를 가지는 진공 단열체이며, 그림 (b)는 그림 (a)를 정면에서 본 것을 도시한 것이다. 도시된 화살표 방향에 따르면, 열전달 경로는 상부 접촉면에서 하부 접촉면으로까지 상하를 두 번 왕복하여 나타난다.

도 3의 경우는 도 4를 참조하면 알 수 있듯이, Double-path 패턴의 분할 형상이 4개 연결되어 있는 형태이며, 도 1의 경우와 마찬가지로 대칭 구조로 연결되어, 분할 형상의 응력 분포가 균일하게 나타날 수 있다.

도 4와 같은 경우, 도 2의 진공 단열체에 왕복 열전달 경로가 추가 된 경우로, 실선으로 나타낸 사이 각(410, 430)과 점선으로 나타낸 사이 각(420, 440) 또한 각각 추가되며, 절전 점선을 기준으로 대칭으로 구성될 수 있다. 나아가, 하나의 분할 형태의 왕복 경로가 반복되어 열전달 경로가 길어짐으로써 복사열 및 전도열을 줄이는 효과가 나타날 수 있다.

내부 지지체는 단열재의 상하면에서 작용하는 대기압을 견디며, 내부 진공간극을 보호하는 기능을 하기 때문에 열전달이 최소가 되도록 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질, 즉 폴리카보네이트와 같은 물질을 재료로 형성되는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.

일례의 진공 단열체는 단열재를 포함한다. 진공 단열체는 내부 지지체를 보호하기 위해서, 단열재를 통해 내부 지지체의 접촉면에 작용하는 대기압과 내부 지지체의 최대 응력을 이용해서 내부 지지체의 면적을 계산할 수 있다. 또한, 이렇게 계산된 면적의 크기를 내부 지지체의 안지름이나 바깥지름의 크기 변화를 이용해 일정하게 유지함으로써, 단열재 상하면에 작용하는 대기압을 견디며 내부 진공간극을 보호하는 기능을 가지는 진공 단열체를 제공할 수 있다.

상기한 설명에서는 한정된 횟수의 분할 형상에 대해서 다루었지만 이에 한정되는 것은 아니고, 이외의 다양한 경우의 분할 형상에 대해서도 해당될 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 진공 단열체가 더 많은 분할 형상으로 구성될 수 있다. 먼저 그림 (a)는 도 1이나 도 2에 균등하게 구성된 것으로, 다만 진공 단열체의 분할 형상 16개를 대칭으로 구성한 것을 도시한 것이며, 그림 (b)는 도 3과 도 4에 균등하게 구성된 것으로 마찬가지로 Double-path 패턴의 분할 형상 16개를 대칭으로 구성한 것을 도시하였다. 이렇게 전체 형상에서 1/4 이나 1/8로 분할된 형상뿐만 아니라 1/16 이나 1/32로 패턴이 분할될수록 모멘트 팔이 감소하여 최대 응력값이 줄어들게 된다. 분할할수록 접촉 면적이 늘어나게 되는 반면에, 더 많은 분할을 할 때에 대기압과 응력값을 통해 계산하고 내부 지지체의 안지름, 또는 바깥지름을 이용하여 접촉 면적의 크기를 일정하게 유지할 수 있다.

진공 단열체의 또 다른 일례로, 도 6과 같이 상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 원주 방향과 반경 방향으로 형성되는 구조를 가지는 내부 지지체를 포함하는 진공 단열체가 제공될 수 있다. 그림 (a)는 형상 최적화를 수행한 후 원주방향과 반경방향으로의 다중 왕복 열전달 경로를 가지는 복합적인 형상을 모델링 한 것이며, 그림 (b)는 진공 단열체의 열전달 경로를 나타낸 것을 도시한 것이다. 도 6에 나타나듯이 열은 고온(상부 접촉면)에 닿은 외부 기둥을 통해 원통 면에 형성되어있는 경로를 따라서 저온면(하부 접촉면)에 닿은 외부 기둥으로 열이 흐르는 열전달 경로가 왕복 되는 구조를 가진다.

도 6의 일례도 마찬가지로, 내부 지지체는 단열재의 상하면에서 작용하는 대기압을 견디며, 내부 진공간극을 보호하는 기능을 하기 때문에 열전달이 최소가 되도록 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질, 즉 폴리카보네이트와 같은 물질을 재료로 형성될 수 있다.

진공 단열체는 단열재를 포함하고, 단열재를 통해 내부 지지체의 접촉면에 작용하는 대기압과, 내부 지지체의 최대 응력을 이용해 내부 지지체의 면적을 계산할 수 있으며, 계산된 면적을 내부 지지체의 안지름이나 바깥지름의 크기 변화를 이용해 일정하게 유지할 수 있다.

이러한 구조는 일반적인 형상의 원기둥에 비해 열전달 경로가 길 뿐 아니라 열전달 면적이 작기 때문에 열전도 저항이 커지게 되고, 균일한 응력 분포를 가지게 될 수 있다.

상기 설명한 일례에 대해 본 발명을 한정하지 않는다. 일례로, 진공 단열체의 분할 형상의 구성이 대칭을 이루지 않도록 형성되는 것이나, 하나의 분할 형상에 Double-path 이상의 왕복 열전달 경로가 나타나는 것 등의 구성에 그 효과가 본 발명의 효과와 크게 상이하지 않다면 본 발명의 구성 범위에 속한다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등한 것들에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (12)

1. 안지름 및 바깥지름을 갖고, 상기 안지름의 내부가 진공 상태인 원통형 내부 지지체
   를 포함하고,
   상기 내부 지지체는
   상부 접촉면에서 하부 접촉면으로 왕복 열전달 경로의 패턴이 상기 바깥지름에 따른 원주 방향으로 일정하게 반복되고, 상기 왕복 열전달 경로의 패턴에 따른 분할 형상이 대칭으로 연결되는 구조를 갖는 진공 단열체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내부 지지체는 폴리카보네이트를 재료로 사용하는 것
   을 특징으로 하는 진공 단열체.
3. 제1항에 있어서,
   상기 진공 단열체는 단열재를 포함하고,
   상기 단열재를 통해 상기 내부 지지체의 접촉면에 작용하는 대기압과, 상기 내부 지지체의 최대 응력을 이용해 상기 내부 지지체의 면적을 계산하는 것
   을 특징으로 하는 진공 단열체.
4. 제3항에 있어서,
   상기 계산된 면적을 상기 내부 지지체의 상기 안지름이나 상기 바깥지름의 크기 변화를 이용해 일정하게 유지하는 것
   을 특징으로 하는 진공 단열체.
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