KR101544453B1 - 진공 단열재의 코어 및 이를 이용한 진공 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 단열재의 코어 및 이를 이용한 진공 단열재에 관한 것으로서, 서로 이격되어 적층되는 복수의 플레이트; 및 상기 플레이트 사이에서 플레이트를 지지하는 지지부재;를 포함하는 진공 단열재용 코어가 제공된다.

진공 단열재, 코어, 플레이트

Description

진공 단열재의 코어 및 이를 이용한 진공 단열재{CORE FOR A VACUUM INSULATION PANEL AND VACUUM INSULATION PANNEL USING THE SAME}

본 발명은 진공 단열재의 코어 및 이를 이용한 진공 단열재에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉장고의 벽체에 포함되어 단열 성능을 배가시키는 진공 단열재 및 그 내부에 포함되는 코어에 관한 것이다.

진공 단열재는 내부 공간을 감압하여 진공으로 함으로써, 진공의 낮은 열전도도 특성을 이용하는 단열재의 일 종이다. 이러한 진공 단열재는 통상 소정의 두께를 가지는 패널(PANEL)의 형태로 구현될 수 있다.

진공단열패널은, 내부에 소정의 공간을 형성하는 외피(envelope)(재)와, 상기 외피의 내부에 수용되어 상기 외피가 소정의 공간을 유지하도록 지지하는 심재 또는 코어(core)를 구비하여 구성될 수 있다. 또한, 상기 외피의 내부에는 외피의 내부의 가스를 흡수하기 위한 게터(getter)(제)가 구비될 수 있다.

상기 외피(필름제)는 진공 단열재의 내부 진공도를 일정한 수준으로 유지하기 위한 것으로서 다층의 폴리머(polymer)와 알루미늄을 라미네이팅한 필름 등으로 구성되며, 상기 코어는 소위 글래스 파이버(glass fiber)라고 하는 유리섬유를 바 인더 등을 이용하여 경화하거나 보드 형태로 성형한 것이다. 상기 게터는 상기 외피의 내부에 잔존하거나 새로 유입되는 가스 및/또는 수분을 흡수하기 위한 흡기, 흡습제의 일종이다.

이러한 유리섬유를 이용한 진공 단열재는 통상적으로는 0.0035W/m·K 정도의 열전도계수를 갖고 있으며, 최근에는 그 재질 및 구조의 변경 등을 통해서 최대한의 단열 성능을 얻을 수 있도록 개량하여 약 0.002W/m·K 정도의 열전도계수(K)를 갖는 진공 단열재가 개발된 바 있다.

그렇지만, 진공 단열재의 성능이 좋을수록 보다 얇은 두께를 갖는 진공 단열재를 사용할 수 있게 되고, 이러한 진공 단열재가 냉장고 등에 적용되는 경우 동일한 외형에 대해서 보다 넓은 내부 체적을 얻는데 매우 유리하다. 따라서, 단열 성능이 더욱 우수한 진공 단열재가 요구되고 있지만 종래의 유리 섬유를 이용한 진공 단열재에는 일정한 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 유리 섬유를 이용한 코어를 대체하여 보다 우수한 단열 성능을 갖는 진공 단열재용 코어를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

또한, 본 발명은 종래의 유리 섬유를 이용한 진공 단열재에 비해서 보다 우수한 단열 성능을 갖는 진공 단열재를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 서로 이격되어 적층되는 복수의 플레이트; 및 상기 플레이트 사이에서 플레이트를 지지하는 지지부재;를 포함하는 진공 단열재용 코어가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는, 진공 단열재의 코어로서 종래의 유리 섬유를 압착한 형태가 아니라, 외피와 접하여 진공 단열재의 외면을 지지하게 되는 플레이트과 상기 플레이트 사이에 형성되는 공간이 유지될 수 있도록 하는 지지부재를 갖는 형태의 코어를 사용하도록 한 것이다. 이외에도, 상기 지지부재는 코어의 두께 방향으로 발생되는 열전달량을 제한하는 역할을 하는데, 즉, 코어가 속이 채워진 직육면체의 형태를 갖는 경우에는 내부면 전체가 열전달 경로가 되지만, 본원의 상기 측면에서는 상기 지지부재가 열전달 경로가 되므로 그만큼 열전달 면적을 줄이는 역할을 하기 때문이다.

이때, 상기 플레이트 사이의 공간은 진공으로 유지되므로 진공 단열재로서 사용시에는 대기압으로 인한 압력을 받게 되므로 플레이트를 균일하게 지지하기 위해서는 다수의 포스트가 상기 플레이트 전체에 걸쳐서 고르게 분포되도록 할 수 있다. 여기서, 상기 플레이트나 지지부재는 강도가 높고 낮은 열전도계수를 갖는 재질을 사용할 수 있으며, 일 예로서 합성수지를 사용할 수 있다.

여기서, 상기 지지 부재는 한 쌍의 플레이트 사이에서 연장되는 복수의 포스트를 포함할 수 있다. 상기 포스트의 양단부는 대향하는 플레이트와 접하여 플레이트를 지지하게 된다. 물론, 상기 포스트는 상기 플레이트와 일체로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 포스트는 원형 또는 다각형 단면을 가질 수 있다.

여기서, 상기 포스트의 양단부 중 적어도 어느 하나에는 상기 플레이트와 평행하게 연장되는 접합면이 형성될 수 있다. 열전도계수를 낮추기 위해서는 포스트의 단면적이 적을 수록 유리하지만, 지나치게 적은 경우에는 플레이트에 집중되는 응력이 커져서 플레이트가 손상될 우려가 있으므로, 이러한 응력 집중을 완화하기 위한 수단으로서 상기 접합면이 사용될 수 있다.

상기 접합면이 포스트의 양단부에 각각 형성되는 경우, 상기 포스트는 측면에서 보았을 때 "U"자 형태를 가질 수 있다.

한편, 상기 플레이트의 양측에 위치하는 포스트들은 상기 플레이트의 두께방향으로 서로 중첩되지 않도록 할 수 있다. 이는 열전달경로를 길게 하여 그만큼 열전도계수를 낮추기 위한 것으로서, 플레이트의 상하부면에 위치하는 포스트들이 서로 일렬로 정렬되어 있는 경우 열은 포스트를 타고 코어를 직접 횡단하게 된다. 그 러나, 플레이트의 상하부면에 위치하는 포스트들이 서로 중첩되지 않게, 즉 엇갈리게 배치되면, 포스트를 통해 전달된 열이 플레이트를 타고 일정 정도 전달된 후 다시 포스트로 전달되므로 그만큼 열전달 경로를 늘릴 수 있는 것이다.

경우에 따라서는, 상기 플레이트의 양측에 위치하는 포스트들은 상기 플레이트의 두께방향으로 부분적으로만 중첩되도록 할 수도 있다.

한편, 상기 플레이트 중 적어도 하나에는 복수의 관통부가 형성될 수 있다. 상기 관통부는 플레이트의 면적을 줄여서 열이 전달될 수 있는 경로를 줄이는 역할을 한다. 여기서, 상기 플레이트 중 최상부 및 최하부를 제외한 나머지 플레이트에 형성되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 관통부는 직사각형의 형태를 갖도록 할 수 있으며, 그로 인해상기 플레이트는 격자 형태를 갖도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 격자 형태의 교차점에 상기 포스트가 위치하도록 할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 평판 형태의 제1 및 제2 플레이트; 상기 제1 및 제2 플레이트 사이에 배치되는 하나 또는 복수의 중간 플레이트; 및 상기 각각의 플레이트를 지지하도록 각각의 플레이트 사이에 배치되는 포스트;를 포함하는 진공 단열재용 코어가 제공된다.

여기서, 상기 중간 플레이트에는 복수의 관통부가 형성될 수 있고, 상기 관통부는 직사각형의 형태를 가질 수 있다. 또한, 상기 중간 플레이트는 격자 형태를 가질 수 있다.

한편, 상기 격자의 일부는 절단부를 가질 수 있다. 여기서, 절단부를 갖는다 는 것은 격자를 이루는 각 변이 연결되지 않고 끊어져 있다는 것을 의미하며, 이를 통해서 열이 전달될 수 있는 경로를 어느 정도 차단하는 역할을 할 수 있다.

그리고, 상기 절단부는 상기 포스트의 단부에 위치하도록 할 수 있다. 이 경우, 포스트와의 접합면적인 절단부의 면적만큼 줄어들게 되므로 그만큼 열전달 면적이 줄게 된다.

그리고, 상기 격자 형태의 교차점에 상기 포스트가 배치될 수 있다.

또한, 상기 플레이트의 양측에 위치하는 포스트들은 상기 플레이트의 두께방향으로 서로 중첩되지 않도록 할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 외피; 상기 외피에 의해 봉입되는 코어; 및 상기 코어에 위치하는 게터;를 포함하는 진공 단열재로서, 상기 코어는 상술한 코어 중 어느 하나인 진공 단열재가 제공된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 플레이트들 사이에 형성되는 진공 공간이 단열 성능을 향상시킬 뿐만 아니라, 지지 부재를 통해서 코어의 구조를 안정적으로 유지하면서도 열전달 경로를 최소화하므로 종래에 비해 더욱 우수한 단열 성능을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 진공단열재의 단면도이고, 도 2는 도 1중 일부를 확대하여 도시한 단면도이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 진공단열재(100)는, 가스 배리어성을 가지고 내부에 소정의 감압 공간을 형성하는 외 피(110)와, 상기 외피 내부에 배치되어 상기 외피를 지지하는 코어(150); 및 상기 외피의 내부에 구비되는 게터(200)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 감압 공간은 내부의 압력이 대기압보다 낮아지게 감압된 공간을 의미한다.

상기 외피(110)는 내부에 소정의 감압 공간을 형성할 수 있게 내 투기(透汽)성 또는 가스 배리어(gas barrier)성을 구비하게 구성된다. 아울러, 상기 외피의 일측에는 상기 코어(150)의 수용후 형성되는 접합부(112)가 형성될 수 있다. 즉, 상기 외피는 제조 과정에서 봉투와 같이 일측이 개방된 형태로 제공되며, 완성된 코어를 상기 개방된 측면을 통해 밀어넣어 봉입한 후 개방된 측면을 밀봉하게 된다. 이렇게 밀봉된 측면이 상기 접합부(112)에 해당된다.

한편, 상기 외피는 서로 적층된 복수의 필름층을 구비한다. 도 2에 이러한 필름층이 도시되어 있는 바, 상기 코어와 접하는 최하층은 열 차단층(120)으로서 형성되고, 그 상부에 순서대로 알루미늄 포일(122), 보호층(124) 및 알루미늄박 필름(126)이 적층된다.

상기 외피(110)의 내부에는 상기 외피의 내부에 잔존하는 가스 성분 또는 상기 외피의 외부에서 내부로 유입되는 가스 성분을 흡수하는 게터(200)가 구비된다. 통상적으로는, 외부로부터 침투하는 침투 가스 및 내부의 코어 등으로부터 발생되는 누출 가스 등의 다양한 종류의 가스를 흡수하기 위해서 다양한 성분을 포함하는 게터가 사용되지만, 상기 실시예에서는 코어로부터 누출되는 가스가 없거나 매우 극소량이기 때문에 수분이 단열 성능에 영향을 미치는 주요한 인자가 된다. 따라서, 상기 게터는 수분을 주로 흡수하기 위해 CaO 또는 제올라이트(zeolite)를 포함 하는 것으로 충분하다. 여기서, 상기 게터(200)는 도시된 바와 같이 소정의 블럭(block) 또는 직육면체 형상을 가고 있으나, 경우에 따라서는 상기 외피의 내면 또는 코어의 표면에 코팅하는 방법으로 구비되게 구성될 수도 있다.

상기 코어(150)는 합성수지재로 구성되며, 그에 따라 유리 섬유 코어를 사용하는 경우에 생길 수 있는 전처리 공정(예를 들면 핫 프레스(hot press) 또는 니들 펀치(needle punch) 공법 등)을 필요로 하지 않는다. 또한, 유리 섬유 코어의 경우 일정한 경도 및 형태를 갖도록 하기 위해 사용되는 바인더로부터 누출되는 가스로 인한 진공도의 저하와 같은 문제가 있으나, 상기 코어(150)의 경우 합성수지재로 구성되므로 누출 가스로 인한 진공도 저하와 같은 문제는 생기지 않는다.

도 3은 상기 코어(150)만을 확대하여 도시한 사시도로서, 도 3을 참조하면, 상기 코어(150)는 총 3개의 플레이트를 포함하는데, 최상부에 위치하는 상부 플레이트(160), 최하부에 위치하는 하부 플레이트(180) 및 중앙에 위치하는 중간 플레이트(170)가 그것이다. 이들 각각의 플레이트들은 소정 간격으로 이격되도록 배치되어 있으며, 각각의 플레이트들 사이에 존재하는 공간은 진공 단열재 상에서 진공 공간으로서 작용하게 된다. 아울러, 상기 공간 내에는 상술한 게터(200)가 배치된다.

상기 플레이트들 사이에 지지부재로서의 복수의 포스트(190)가 배치된다. 상기 포스트(190)는 도 3에서 원기둥 형태를 가지며, 그 양단부는 각각 대향하는 두 개의 플레이트와 접합된다. 도 3에서, 상기 포스트의 직경은 약 1mm 정도이고 높이는 3mm 정도이다.

도 3에서 상기 포스트(190)들은 상측 공간(A) 및 하측 공간(B)에 각각 배치되어 있는데, 상측 공간(A)에 위치하는 포스트와 하측 공간(B)에 위치하는 포스트는 서로 엇갈리게 배치된다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 플레이트, 예를 들어 중간 플레이트(170)의 상부에 위치한 포스트(도 4에서 실선으로 표시)는 중간 플레이트(170)의 하부에 위치한 포스트(도 4에서 은선으로 표시)와 중첩되지 않는다. 이로 인해서, 하부 플레이트(180)로 전달된 열은 포스트를 따라 수직한 방향으로 전달된 후, 중간 플레이트(170)를 따라서 수평한 방향으로 전달되고, 다시 포스트를 따라서 수직한 방향으로 전달된 후 상부 플레이트로 전달된다.

따라서, 상하부에 위치한 포스트가 일렬로 정렬된 경우에 비해서 열전달 경로가 길어지고 이는 열저항을 증가시키는 역할을 하게 된다.

한편, 상기 포스트는 도 4에 도시된 직사각형 배열 외에도 다양한 형태로 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 삼각형, 오각형 또는 육각형 형태로 배열되는 예도 고려할 수 있다.

또한, 포스트의 형태도 도시된 바와 같이 원기둥 형태외에도 다각형의 단면을 갖는 예도 고려할 수 있다. 특히, 상기 포스트의 단면적은 코어 전체의 열저항에 상당한 영향을 미치는 인자이고, 열저항의 측면에서는 단면적이 작을 수록 좋지만, 지나치게 작은 경우에는 강도가 저하되어 좌굴 현상(buckling)이 있을 수 있고, 플레이트에 응력을 집중시킬 수도 있다. 따라서, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 포스트의 양단부에 상기 플레이트와 평행하게 연장되는 접합면(192)을 형성하여 포스트가 전체적으로 "U"자 형태를 갖는 예도 고려할 수 있다. 이러한 형태는 열저 항을 줄이면서도 플레이트로의 응력집중을 완화시킬 수 있도록 한다.

한편, 상술한 바와 같이 열은 플레이트를 통해서도 전달된다. 특히, 포스트를 통과한 열은 플레이트를 따라서 전달되는데 플레이트의 열저항을 줄이기 위한 방법으로서 플레이트에 관통부를 형성하는 예도 고려할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 코어재의 제2 실시예를 도시한 사시도로서, 도 9에 도시된 예에서 상부 플레이트(160), 하부 플레이트(180) 및 포스트(190)는 도 3에 도시된 실시예와 동일하므로 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 도 8을 참조하면, 상기 중간 플레이트(270)에는 직사각형 형태의 다수의 관통부(272)가 형성되어 있다. 상기 관통부(272)로 인해서 상기 중간 플레이트(270)는 격자 형태를 갖게 되며, 상기 포스트(190)는 상기 각각의 격자의 꼭지점과 접합되게 된다.

이러한 관통부로 인해서, 전달된 열이 플레이트를 따라서 전달되는 경로의 단면적이 줄어들게 되고 이는 열저항을 늘리게 된다. 아울러, 도 9에서, 일부의 꼭지점에는 절단부(274)가 형성되어 있다. 이로 인해서, 상기 격자를 구성하는 각 변이 연속되지 않고 단절되게 되며, 이는 열전달 경로를 차단하는 역할을 하게 된다. 여기서, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 절단부(274)의 절단폭은 상기 포스트의 직경보다 작게 형성되므로, 절단부(274)의 각 단부가 상기 포스트의 상부에 놓여져서 접합이 이루어질 수 있도록 한다.

한편, 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트에는 관통부가 형성되어 있지 않은데, 이는 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트는 진공 단열재의 외피의 배면을 지지하는 역할을 하기 때문이다. 만일, 상기 상부 플레이트와 하부 플레이트에도 관통부가 형성되는 경우 대기압으로 인해 외피의 표면이 울퉁불퉁해지게 되고, 관통부에 해당되는 부분은 지지가 되질 않으므로 외피가 손상되는 등의 문제가 있을 수 있다.

한편, 상기 포스트와 상기 플레이트는 일체로 형성될 수 있다. 이러한 포스트 및 플레이트를 성형하기 위해서는 통상적인 사출방법을 사용할 수도 있으며, 그 외에도 다양한 방법을 사용할 수 있다.

도 11은 상기 포스트 및 플레이트를 성형하는 방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 플레이트(160)를 준비한 후, 그 표면에 성형툴(300)을 압접시킨다. 상기 성형틀(300)의 표면에는 포스트(190)와 동일한 치수를 갖는 홈(302)이 형성되어 있고, 상기 성형틀(300)을 가열상태에서 압접하면 도 12에 도시된 바와 같이, 플레이트의 용융된 표면 일부가 상기 홈(302)의 내부로 유입되게 된다. 이 상태에서, 성형틀(300)을 분리하면 포스트가 형성된 플레이트를 얻을 수 있게 된다. 이렇게, 다수의 플레이트를 형성한 후 이들을 차례로 적층하면 상술한 바와 같은 코어를 얻을 수 있다.

다른 방법으로서, 도 13에 도시된 바와 같이, 플레이트(160)의 표면에 돌기부(402)를 갖는 성형틀(400)을 접촉시켜서 포스트를 갖는 플레이트를 얻을 수도 있다. 즉, 가열된 성형틀(400)을 상기 플레이트(160)의 표면에 접촉시킨 후 서서히 들어올리면, 용융된 플레이트의 표면이 상기 돌기부(402)을 따라서 상부로 돌출되게 된다. 그 후, 성형틀(400)을 분리한 후, 돌출된 표면의 단부를 커팅하면 포스트가 형성된 플레이트를 얻을 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 코어를 갖는 진공 단열재의 일 실시예를 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 실시예의 일부를 확대하여 도시한 단면도이다.

도 3은 도 1에 도시된 예에서 코어 부분을 도시한 사시도이다.

도 4는 도 3에 도시된 코어의 중간 플레이트를 도시한 평면도이다.

도 5는 도 3에 도시된 코어의 다른 예를 도시한 도 4 상당도이다.

도 6은 도 3에 도시된 코어의 다른 예를 도시한 도 4 상당도이다.

도 7은 도 3에 도시된 코어의 다른 예를 도시한 도 4 상당도이다.

도 8은 도 3에 도시된 코어 중 포스트의 변형예를 도시한 사시도이다.

도 9는 도 3에 도시된 코어의 다른 예를 도시한 분해 사시도이다.

도 10은 도 9에 도시된 코어의 중간 플레이트의 일부를 도시한 평면도이다.

도 11 및 도 12는 도 3에 도시된 코어를 제조하는 과정을 도시한 설명도이다.

도 13 및 도 14는 도 3에 도시된 코어를 제조하는 또 다른 과정을 도시한 설명도이다.

Claims (25)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 평판 형태의 제1 및 제2 플레이트;

    상기 제1 및 제2 플레이트 사이에 배치되는 하나 또는 복수의 중간 플레이트; 및

    상기 각각의 플레이트를 지지하도록 각각의 플레이트 사이에 배치되는 포스트를 포함하고,

    상기 중간 플레이트에는 복수의 관통부가 형성되어, 상기 중간 플레이트는 격자 형태를 가지며,

    상기 격자의 일부는 절단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 제12항에 있어서,

    상기 절단부는 상기 포스트의 단부에 위치하는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
17. 제12항에 있어서,

    상기 격자 형태의 교차점에 상기 포스트가 배치되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
18. 제16항에 있어서,

    상기 중간 플레이트의 양측에 위치하는 포스트들은 상기 중간 플레이트의 두께방향으로 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
19. 삭제
20. 제12항에 있어서,

    상기 포스트는 원형 또는 다각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
21. 제12항에 있어서,

    상기 포스트의 양단부 중 적어도 어느 하나에는 상기 플레이트와 평행하게 연장되는 접합면이 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
22. 제12항에 있어서,

    상기 중간 플레이트의 양측에 위치하는 포스트들은 상기 플레이트의 두께방향으로 부분적으로만 중첩되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
23. 제12항에 있어서,

    상기 포스트는 상기 제1플레이트, 상기 제2플레이트 및 상기 중간 플레이트 중 하나와 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재용 코어.
24. 외피;

    상기 외피에 의해 봉입되는 코어; 및

    상기 코어에 위치하는 게터;를 포함하는 진공 단열재로서,

    상기 코어는 제12항, 제16항 내지 제18항 및 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항의 진공 단열재용 코어인 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
25. 제24항에 있어서,

    상기 코어는 합성수지재로 형성되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재.

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