KR101562590B1 - 진공 단열재 및 이 진공 단열재의 제조 방법 및 이 진공 단열재를 적용한 냉동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 진공 단열재 및 이 진공 단열재의 제조 방법 및 이 진공 단열재를 적용한 냉동장치는, 유기 재료를 발포하여서 미세 기공이 형성된 코어를 가지는 진공 단열재의 제조 방법에 있어서, 코어는 유기 재료를 발포하여 경화된 발포폼을 소정의 온도로 가열하는 동시에 두께방향을 소정의 압축률로 압축하여서 된 진공 단열재가 제공될 수 있다.

Description

진공 단열재 및 이 진공 단열재의 제조 방법 및 이 진공 단열재를 적용한 냉동장치{VACUUM INSULATION PANEL, MANUFACTURING METHOD FOR VACUUM INSULATION PANEL AND REFRIGERATOR WITH VACUUM INSULATION PANEL}

본 발명은 개방형 셀 구조의 코어를 가지는 진공 단열재 및 이 진공 단열재의 제조 방법 및 이 진공 단열재를 적용한 냉동장치에 관한 것이다.

일반적으로 단열재는 프레온(Freon)과 같은 염화 불화 탄화 수소(CFC)를 이용하여 발포시킨 폴리우레탄 발포체를 주로 사용하고 있었다. 하지만, 이를 사용할 경우 열전도도(이하, K-factor)가 0.014 내지 0.016 W/mK 정도로 높아 단열 효과가 낮고 에너지 요율이 떨어지는 단점이 있었다. 뿐만 아니라 환경 문제로 인해 염화 불화 탄화 수소(CFC)의 사용이 규제되어 새로운 단열 시스템이 요구되었다. 따라서 최근 냉장고나 냉동고와 같은 제품의 단열 특성을 향상시키기 위하여 단열재의 내압을 낮추어 진공 상태로 만드는 진공 단열재가 소개되어 있다.

상기와 같은 진공 단열재는 통상 내부에 소정의 공간을 형성하는 외피(envelope)의 내부에는 상기 외피가 소정의 형태를 유지하도록 지지하는 동시에 단열부를 이루는 코어(core)가 수용되고, 상기 외피의 일측 내부에는 그 외피 내부로 유입되는 침투 가스를 흡수하거나 또는 상기 코어로부터 발생되는 누출가스를 흡수하는 게터(getter)가 구비되어 있다.

상기 외피나 게터와 달리 코어는 그 형상이나 재질에 따라 진공 단열재의 제작 자유도 및 단열 성능 등에 많은 영향을 끼치게 되는데, 상기 코어로는 유리 섬유(glass fiber) 또는 실리카코어 등을 전처리 공정을 거쳐서 원하는 크기로 절단하여 사용하거나, 또는 폴리우레탄(polyurethane)과 같은 다공성 고분자 물질을 발포시켜 형성하고 있다.

전자의 경우는 유리 섬유에 대해 인체 유해성 논란이 제기되고 있을 뿐만 아니라, 보드 형태의 코어를 소정의 크기와 형상으로 잘라 사용하기 때문에 곡면지거나 요철진 부위 등 세밀한 형상을 구현하기가 어렵고 이로 인해 냉장고 등에 적용할 때 냉장고 전체를 단열시키는데 어렵다는 단점이 있었다.

반면, 후자의 경우는 환경적으로 유리할 뿐만 아니라, 폴리우레탄을 발포하여 원하는 형상으로 형성함에 따라 유리 섬유 등에 비해 구조적으로 자유도가 높다는 장점이 있다. 하지만, 단열성능 측면에서는 유리 섬유에 비해 낮은 단점이 있었다.

본 발명의 목적은, 유리섬유 코어에 비해 친환경적이면서도 단열 성능이 우수하고 보드 형태의 코어에 비해 설치자유도가 높은 코어를 가지는 진공 단열재를 제공하려는데 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 가스 배리어성을 가지며 내부에 소정의 감압 공간을 형성하는 외피; 및 상기 외피의 내부에서 상기 외피를 지지하는 코어;를 포함하고, 상기 코어는 다수 개의 미소 기공을 가지며, 상기 미소 기공은 개방 셀 구조로 형성되며, 상기 미소 기공은 이방성 구조를 가지는 진공 단열재를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 미소 기공의 크기는 상기 코어의 두께방향 양 측면 영역보다 중앙 영역에서 크게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 코어는 폴리우레탄 발포폼으로 이루어지고, 상기 폴리우레탄 발포폼의 압출률은 70 ~ 80%, 열전도도는 0.0059kcal/mhr℃ 이하일 수 있다.

그리고, 상기 폴리우레탄 발포폼의 원액은 핵제(PF-5056)를 포함하며, 상기 핵제량은 2phr이상이며, 밀도는 35~40g/㎤로 형성될 수 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 유기 재료를 발포하여서 미세 기공이 형성된 코어를 가지는 진공 단열재의 제조 방법에 있어서, 상기 코어는 유기 재료를 발포하여 경화된 발포폼을 소정의 온도로 가열하는 동시에 두께방향을 소정의 압축률로 압축하는 진공 차단기의 제조 방법이 제공될 수 있다.

여기서, 상기 발포폼의 압축률은 70~80% 이고, 상기 발포폼의 가열온도는 유리전이 온도 이상즉, 120~140℃ 또는 190~210℃ 로 가열될 수 있다.

그리고, 상기 발포폼의 가열시간은 120~140℃일 때 9~11분이고, 190~210℃일 때 1~2분 내외에서 가열될 수 있다.

그리고, 상기 발포폼의 열전도도는 0.0059kcal/mhr℃ 이하가 되도록 제조될 수 있다.

본 발명에 의한 진공 단열재는, 일정 온도로 가열된 프레스를 이용하거나 또는 가열수단을 갖는 프레스를 이용하여 일정 시간 동안 폴리우레탄 코어를 압축하여 폴리우레탄 코어를 70~80% 정도로 압축함으로써, 폴리우레탄 코어가 압축 후 원상태로 복원되지 않고 압축된 상태를 유지할 수 있다.

또, 폴리우레탄 코어가 개방 셀 형상을 띄는 것은 물론 셀이 압축과정에서 쭈그러져 열의 전달 길이가 늘어나 단열 성능이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 진공 단열재의 일례를 보인 종단면도,
도 2는 본 실시예에 의한 폴리우레탄 발포폼의 압축전과 압축후를 보인 전자 현미경 사진으로, 도 2의 (a)는 압축전 일반적인 개방 셀의 단면도이고, (b)는 압축후 개방 셀의 단면도,
도 3은 압축비율에 따른 진공 단열재의 성능을 보인 그래프,
도 4는 프레스를 이루는 플레이트의 온도에 따른 복원률 변화를 보인 그래프,
도 5 및 도 6은 가열 프레스 공정 이후의 개방 셀 형상을 보인 전자 현미경 사진으로, 도 5의 (a)와 (b)는 130℃에서 10분(min)간 프레스를 진행한 개방 셀의 수평확대와 측면확대를 각각 보인 사진이고, 도 6의 (a)와 (b)는 200℃에서 1분(min)간 프레스를 진행한 개방 셀의 수평확대와 측면확대를 각각 보인 사진,
도 7은 200℃에서 1분(min)간 프레스를 진행한 개방 셀의 측면 전체를 확대하여 보인 사진,
도 8은 폴리우레탄 발포폼의 코어 밀도에 따른 진공 단열재의 성능을 보인 그래프,
도 9는 폴리우레탄 발포폼(PU foam)의 핵제량에 따른 진공 단열재의 성능을 비교하여 보인 그래프,
도 10은 본 발명에 따른 진공 단열재를 갖는 냉장고의 일 실시예의 내부구조를 개략적으로 보인 단면도,
도 11은 도 10에 따른 진공 단열재의 일례를 보인 개략도.

이하, 본 발명에 의한 진공 단열재 및 이 진공 단열재의 제조 방법 및 이를 적용한 냉동장치를 첨부도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 실시예에 의한 진공 단열재의 일례를 보인 종단면도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 의한 진공 단열재(100)는 외피(110)의 내부에 단열부를 이루는 코어(120)가 수용되고, 상기 외피(110)의 내부 일측에는 외피 내부로 유입되는 침투 가스를 흡수하거나 또는 상기 코어(120)로부터 발생되는 누출가스를 흡수하는 게터(130)가 구비되어 이루어질 수 있다.

상기 외피(110)는 진공 단열재의 내부 진공도를 일정한 수준으로 유지하기 위한 것으로, 다층의 폴리머(polymer)와 알루미늄을 라미네이팅한 필름 등으로 이루어질 수 있다. 그리고 상기 게터(130)는 상기 외피의 내부에 잔존하거나 새로 유입되는 가스 및/또는 수분을 흡수하기 위한 흡기, 흡습제의 일종으로, 생석회 또는 제올라이트 등과 같은 물질이 혼합되어 이루어질 수 있다.

상기 코어(120)는 다공성 고분자 물질의 일종인 폴리우레탄을 발포시켜 개방 셀 형상(open cell shape)으로 형성될 수 있다.

상기 다공성 고분자 물질은 폐쇄 셀(closed cell)과 개방 셀(open cell)로 대별할 수 있다. 폐쇄 셀로 이루어진 고분자 물질은 주로 단열재로 많이 이용되는 반면, 개방 셀로 이루어진 고분자 물질은 그 용도가 다양하여 위생용품, 흡유성 수지 및 이온 교환 수지 등으로 이용되어 왔다. 하지만, 최근에는 이러한 개방 셀로 이루어진 고분자 물질을 코어 재료로 적용하여 다층 필름 내에서 감압하여 밀봉시킴으로써 냉장고의 진공 단열재로 적용되고 있다.

여기서, 열전달이 일어나는 원인을 경로를 기준으로 나누어 보면 전도에 의한 원인, 대류에 의한 원인, 그리고 복사에 의한 원인 등으로 나눌 수 있다. 기공의 크기가 mm 이하인 다공질 발포체의 경우 대류에 의한 열전달은 무시할 수 있다. 반면 단열재의 효율을 좌우하는 전도에 의한 열전달은 발포체의 본체인 다공층 고체에 의한 전도와 기공을 채우고 있는 기체에 의한 전도로 나눌 수 있다. 다공층의 고체 부분에 의한 열전도는 재료 고유의 열전도도가 낮은 재료를 이용하고 다공층의 공극률을 높힘으로써 낮출 수 있다. 또한 고체를 타고 흐르는 열의 경로를 길게하거나, 그 경로를 끊음으로써도 고체에 의한 열전달을 줄일 수 있다.

반면, 다공층 내의 기공을 채우고 있는 기체에 의한 전도를 줄이기 위해서는 열전도도가 낮은 가스를 사용하는 방법과 가스를 배기시켜 진공 상태를 만드는 방법이 있다. 후자의 경우 기공의 크기가 클수록 진공도가 높아야 충분히 낮은 수준의 열전도도를 얻을 수 있다. 복사에 의한 열전달은 기공의 크기, 고체의 방사율(emissivity) 등이 주요한 원인일 수 있다.

상기 진공 단열재의 다공층 재료로는 입자나 섬유 형태의 무기 물질이 알려져 있다. 그 중에서 실리카 파우더를 이용한 진공 단열재는 미세 기공을 형성함으로써 양호한 단열 특성을 얻을 수 있다. 하지만, 가격, 비중, 작업성, 폐기시의 공해 문제 등의 단점을 지니고 있다. 진공 단열재로서 글라스 화이버를 이용하는 방법도 알려져 있다. 이 방법은 복사에 의한 열전달을 감소시켜 0.0001 torr 이하의 높은 진공도 하에서의 열전도도는 0.0025∼0.0040 W/mK 정도로 매우 낮으나, 이를 유지하기 위해서는 차단층으로 비교적 두꺼운 금속 호일을 사용해야 되는 등 차단층 외피 재료 설계도 고려해야 하고, 제조 비용, 비중, 작업성, 폐기시 공해 문제 등이 여전히 문제가 되고 있다.

한편, 무기 재료 대신 유기 재료로서 개방 셀 구조를 갖는 폴리우레탄 발포폼(PU foam)을 이용할 수 있다. 폴리우레탄 발포폼의 경우는 공정이 간단한 장점이 있는 반면에 소량의 폐쇄 셀(closed cell)의 존재로 인해 그 속에 갇혀있던 가스들이 시간이 지남에 따라 빠져 나와 처음 진공을 걸어 주었을 때보다 셀 내부의 압력이 올라가게 되어 단열 특성이 저하하게 될 수 있다. 뿐만 아니라, 수지 내부에 남아 있는 미반응 단량체 및 기타 저 분자량 화합물의 존재로 인해 단열 특성이 저하되고 셀 직경이 100 μm 내지 1000 μm 정도로 크기 때문에 고진공도가 필요할 수 있다. 그러나, 폴리우레탄 발포폼을 이용하는 경우 기존의 무기물에 비해 비중이 낮고 열전도도가 0.0075 W/mK 내지 0.0085 W/mK 정도의 비교적 우수한 단열 특성을 나타낸다. 하지만 무기 재료 진공 단열재에 비하여 여전히 단열 성능이 떨어지며, 실제 냉장고 등에 적용시 얇은 진공 단열재를 사용하기 위해서는 보다 우수한 단열 성능이 요구된다고 할 수 있다.

본 실시예와 같이 경화된 폴리우레탄 발포폼으로 된 코어(이하, 폴리우레탄 코어)를 프레스로 압축하여 기공을 쭈그러뜨림으로써 열의 셀간 이동 경로를 복잡하게 하여 폴리우레탄 코어의 단열 성능을 향상시킬 수 있다. 즉, 유기 재료인 폴리우레탄 코어의 경우는 무기 재료인 유리섬유로 된 코어(이하, 유리섬유 코어)의 단열 성능에 미치지 못하므로 폴리우레탄 코어를 압축하는 과정에서 셀을 형성하는 고체 부위가 쭈그러져 기공 속 기체가 배출됨에 따라 기체를 통해 열이 전도되는 것을 줄이는 동시에, 고체 부위가 끊겨 고체 부위를 통해 열이 전도되는 것도 줄어들게 되면서 전체적으로 폴리우레탄 코어의 단열 성능이 향상될 수 있다.

도 2는 본 실시예에 의한 폴리우레탄 발포폼의 압축전과 압축후를 보인 전자 현미경 사진이다. 도 2의 (a)는 압축전 일반적인 개방 셀의 단면도이고, (b)는 압축후 개방 셀의 단면도이다. 이에 도시된 바와 같이, 폴리우레탄 발포폼이 프레스 장비에서 소정의 압력으로 가압(press)되면 도 2의 (a)같이 등방성 구조를 가지던 미세 기공이 도 2의 (b)와 같이 이방성 구조로 변환되는 동시에 기공 사이의 고체도 쭈그러들어 늘려지면서 일부는 단절되기도 하여 열의 이동 경로가 길어지게 될 수 있다.

여기서, 상기 진공 단열재(100)의 단열 성능은 그 폴리우레탄 코어(120)가 압축되는 정도에 따라 차이가 있다. 도 3은 압축비율에 따른 진공 단열재의 성능을 보인 그래프이다. 이에 도시된 바와 같이, 압축률이 대략 70%되는 지점에서 열전도도가 급격하게 하강하였다가 80% 전에서부터는 압축을 더하더라도 열전도도의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있다. 따라서, 압축률은 70~80% 내외가 되는 것이 바람직함을 알 수 있다.

하지만, 프레스로 폴리우레탄 코어를 가압하여 일정한 압축률만큼 압축을 하더라도 거의 원래의 형태로 복원되어 단열 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 프레스로 압축된 폴리우레탄 코어가 복원되지 못하도록 하거나 복원되더라도 최소한으로 복원되도록 하는 것이 폴리우레탄 코어의 단열 성능을 좌우하는데 중요할 수 있다.

이를 위해, 본 실시예에서는 일정 온도로 가열된 프레스를 이용하거나 또는 가열수단을 갖는 프레스를 이용하여 일정 시간 동안 폴리우레탄 코어를 압축하는 소위 가열 압축 방식(heating-press process)을 진행하여 폴리우레탄 코어를 압축하는 방식을 적용하였다. 아래의 표1.은 압축조건과 압축률에 따른 열전도도의 차이와 폴리우레탄 코어의 복원 정도를 보인 표다.

	시료	실험1.	실험2.	실험3.
공정 조건		200℃& 2min 프레스	130℃pre-heating(120℃,2hr) -> 30sec 프레스	상온 & 30sec 프레스 -> 프레임 삽입(120℃, 1일)
압축률		70%	52%	60%
열전도도	0.0052	0.0059	0.0037	0.0028
건조후 복원률		0%	0%	0%
기타			프레스 직후 일부 복원	프레스 이전 열전도도 0.0070

위 표1.에서 보는 바와 같이, 실험1(200℃에서 2min간 프레스)과 실험2(130℃에서 pre-heating -> 30sec간 프레스), 그리고 실험3(상온에서 30초 프레스 -> 프레임 삽입)은 모두 건조후 코어가 복원되지 않는 것을 알 수 있다. 하지만, 실험 1의 경우는 실험2 및 실험 3에 비해 상대적으로 열전도도는 약간 높아 단열 성능을 낮을 수 있지만, 실험2는 가열 공정과 프레스 공정이 분리될 뿐만 아니라 압축률이 높아 그만큼 공정 조건과 압축 공정이 복잡하다는 것을 알 수 있다. 또, 실험3의 경우는 별도의 프레임을 구비하여야 하므로 더욱 공정 조건이 까다롭고 압축율도 높다.

반면, 실험1은 간단한 공정으로도 압축률이 상대적으로 높아 냉장고와 같은 제품에 적용할 때 홈바와 같은 얇은 부위에도 충분히 적용할 수 있어 냉장고 전체로 보면 단열 성능이 향상되어 소전 효과가 향상될 수 있다. 실제, 냉장고 전열면적 대비 단열재를 약 30% 정도 피복할 경우 약 8.5%, 50% 정도 피복할 경우 약 14.9%의 소전효과가 있는 것으로 알려져 있다.

또, 상기 프레스의 온도에 따라서도 폴리우레탄 코어의 복원률이 달라질 수 있다. 도 4는 프레스를 이루는 플레이트의 온도에 따른 복원률 변화를 보인 그래프이다. 이를 참조하면, 130℃ 내지 200℃에서 폴리우레탄 코어의 두께 변화가 큰 것을 알 수 있다. 반면, 130℃(또는, 120~140℃) 이하 및 200℃(또는, 190~210℃) 이상에서는 복원이 잘 되지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 프레스 작업시 130℃ 부근 또는 200℃ 부근에서 실시하는 것이 바람직함을 알 수 있다. 도 5 및 도 6은 가열 프레스 공정 이후의 개방 셀 형상을 보인 전자 현미경 사진이다. 도 5의 (a)와 (b)는 130℃에서 10분(min)간 프레스를 진행(조건 1)한 개방 셀의 수평확대와 측면확대를 각각 보인 사진이고, 도 6의 (a)와 (b)는 200℃에서 1분(min)간 프레스를 진행(조건 2)한 개방 셀의 수평확대와 측면확대를 각각 보인 사진이다. 이에 도시된 바와 같이, 조건 1과 조건 2 모두 기공이 심하게 쭈그러드는 것을 볼 수 있으나, 조건 1에 비해 조건 2에서의 기공이 더욱 쭈그러진 상태가 되는 것을 볼 수 있다.

여기서, 조건 2에서 압축된 폴리우레탄 코어의 전체 측면 사진을 보인 도 7을 참고하면, 프레스와 접하는 양쪽 측면 영역(A)보다 프레스로부터 먼 중앙 영역(B)에서의 기공 크기가 더 큰 것을 볼 수 있다. 이를 통해, 폴리우레탄 코어에 전달되는 프레스의 온도가 그 폴리우레탄의 압축정도에 크게 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

한편, 상기 폴리우레탄 코어(120)는 그 폴리우레탄 코어의 압축을 통해 셀을 쭈그러뜨림으로써 셀 구조를 개방 셀 형상으로 변화시켜 열의 이동거리(heat path)를 길어지게 하는데, 이는 프레스 무게, 프레스 시간, 프레스 온도 등의 단순한 프레스 조건 외에도 발포액의 조성 변경을 통해서도 최적 프레스 조건을 도출하여 단열 성능을 더욱 개선할 수 있다.

도 3은 앞서 설명을 하였듯이 단순 press 비율에 따른 진공 단열재 성능을 보인 그래프이다. 이는, 핵제량은 3phr로 고정하고, 핸드 발포폼을 사용하였으며, 120℃에서 2시간 동안 폼 건조 후 다시 120℃에서 1분간 가열 프레스(heating press)를 진행하여 얻은 결과이다. 이에 따르면 폴리우레탄 발포폼(PU foam)을 70%이상 프레스 하는 힘을 가하였을 때 발포폼 내부의 셀이 파괴되고, 열의 이동거리가 길어져 단열 성능이 급격히 개선되는 것을 알 수 있다. 하지만, 프레스 비율을 증가시킬 수록 단열 성능이 개선되지만 80% 이상 프레스할 경우 오히려 열전도도가 증가하여 단열 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 따라서, 폴리우레탄 발포폼의 경우 프레스 비율을 70~80% 정도로 하는 것이 단열 성능을 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있다.

도 8은 폴리우레탄 발포폼의 코어 밀도에 따른 진공 단열재의 성능을 보인 그래프이다. 먼저, 폴리우레탄 코어의 원액은 폴리올(Polyol), 엠디아이(MDI, Methylene diphenyl diisocyanate), 발포제(C-P), 핵제(PF-5056)로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 원액의 배합비, 특히 핵제량을 조절하여 폴리우레탄 발포폼의 밀도를 조절할 수 있으며, 밀도에 따라 진공 단열재의 성능이 달라지게 되는 것을 알 수 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이 코어의 밀도에 따른 진공 단열재 성능을 보면, 핵제량은 3phr로 고정하고 핸드 발포폼을 사용하였으며, 120℃에서 2시간 동안 폼 건조 후 다시 120℃ 조건에서 1분간 가열 프레스(heating press)를 진행하여 얻은 결과이다. 밀도는 약 45g/㎤까지 실험하였다. 이에 따르면 코어의 밀도가 높아질수록 진공 단열재 성능이 개선되는 것을 알 수 있다. 특히 밀도가 35~40g/㎤까지는 열전도도가 상대적으로 급격하게 낮아지나, 40g/㎤이후에는 열전도도의 하락폭이 낮아짐을 알 수 있다. 따라서, 밀도는 45g/㎤미만, 더욱 정확하게는 35~40g/㎤정도가 되도록 형성하는 것이 바람직할 수 있다.

또, 도 9는 폴리우레탄 발포폼(PU foam)의 핵제량에 따른 진공 단열재의 성능을 비교하여 보인 그래프이다. 여기서, 코어의 밀도는 35g/㎤로 고정하였으며, 핸드 발포 폼을 사용하였고, 120℃에서 2시간 동안 폼 건조 후 120℃ 조건에서 1분간 가열 프레스를 진행하였다. 핵제량은 3phr까지 실험하였다. 이의 결과로는 핵제량이 많아질수록 프레스 후 진공 단열재 성능이 개선되는 것을 알 수 있다. 특히 핵제량이 2phr 이상에서는 열전도도가 상대적으로 급격하게 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 핵제량은 2phr 이상으로 하는 것이 바람직할 수 있다.

이들 실험을 통해 프레스 조건 뿐만 아니라 원액 조성을 최적화하여 유리섬유보다 우수한 단열 성능을 나타내는 개방 셀 구조를 갖는 폴리우레탄 진공 단열재를 제작할 수 있다.

한편, 상기와 같은 본 실시예에 의한 진공 단열재가 냉장고에 적용되는 경우는 다음과 같다.

도 10은 본 발명에 따른 진공 단열재를 갖는 냉장고의 일 실시예의 내부구조를 개략적으로 보인 단면도이다.

도 1 및 도 10를 참조하면, 본 실시예의 냉장고(1)는 내부에 냉각실(16)을 형성하는 냉장고 본체(15)와, 상기 냉각실(16)을 개폐하는 도어(17)와, 상기 냉장고 본체(15) 또는 도어(17)에 구비되는 진공 단열재(100)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 냉각실(16)은 냉동실 및 냉장실을 총칭하는 말이며, 상기 냉장고 본체(15)는 냉동실 및 냉장실 중 어느 하나를 구비하여 구성될 수도 있다.

상기 냉장고 본체(15)는 외관을 형성하는 외부 케이스(15a)와, 상기 외부 케이스(15a)의 내측에 단열재(발포재)(15c)의 충전간격을 두고 이격 배치되어 내부에 냉각실(16)을 형성하는 내부 케이스(15b)를 포함할 수 있다.

상기 냉장고 본체(15)에는 냉각실(16)에 냉기를 제공하기 위한 냉동사이클이 구비되며, 상기 냉장고 본체(15)의 후방 하부영역에는 이러한 냉동사이클을 구성하는 장치들이 수용될 수 있는 기계실(18)이 형성될 수 있다.

상기 기계실(18)의 내부에는 압축기(18a), 응축기 등을 포함하는 냉동사이클의 일부 구성 요소가 설치되고, 상기 냉각실(16)의 내부 일측에는 증발기(18c)가 구비되며, 상기 증발기(18c)의 일측에는 냉각팬(18e)이 구비될 수 있다.

상기 냉장고 본체(15)의 적어도 일측 벽면에는 상기 진공 단열재(100)가 구비될 수 있다.

상기 진공 단열재(100)는 외부 케이스(15a)와 내부 케이스(15b)의 사이에 위치하게 되며, 도시된 바와 같이 금속재질로 이루어져 평활도가 높은 외부 케이스(15a)에 접착제 등을 이용하여 부착될 수 있다. 이는 상기 냉장고 본체(15)의 제작시 발포 작업 중에 진공 단열재(100)가 제위치에서 이탈되는 것을 방지하기 위한 것으로서, 이러한 고정 작업이 완료된 후에 상기 외부 케이스(15a)와 상기 내부 케이스(15b) 사이에는 발포액이 주입될 수 있다.

상기 외부 케이스(15a) 및 내부 케이스(15b)의 내부로 주입된 발포액은 상기 외부 케이스(15a) 및 내부 케이스(15b) 사이의 내부 공간을 유동하면서 팽창하여 단열층을 형성하게 된다.

한편, 상기 도어(17)도 냉장고 본체(15)와 유사하게, 외관을 형성하는 도어외판(17a)과 상기 도어외판(17a)의 내측에 단열재(발포재)(17c)의 충전 간격을 두고 이격배치되는 도어내판(17b)을 구비하여 구성되며, 이들 사이에 상기 진공 단열재(100)가 구비될 수 있다. 이 경우에도 상기 진공 단열재(100)는 도어외판에 부착되어 고정될 수 있다.

도 1을 참조하면, 상기 진공 단열재(100)는 가스 배리어성을 가지고 내부에 소정의 감압 공간을 형성하는 외피(110)와, 상기 외피 내부에 배치되어 상기 외피를 지지하는 코어(120)와, 상기 외피의 내부에 구비되는 게터(130)를 포함할 수 있다.

여기서, 감압 공간은 내부의 압력이 대기압보다 낮아지게 감압된 공간을 의미하며, 진공에 가깝게 유지될 수록 단열성능이 높아지게 된다.

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(120)의 수용후 형성되는 접합부(111)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(111)에 해당된다.

한편, 상기 외피는 서로 적층된 복수의 필름층을 구비한다. 구체적으로 상기필름층은 상기 코어와 접하는 최하층인 열 차단층과, 상기 열 차단층의 상부에 순서대로 알루미늄 포일, 보호층 및 알루미늄박 필름이 적층될 수 있다.

상기 외피(110)의 내부에는 상기 외피의 내부에 잔존하는 가스 성분 또는 상기 외피의 외부에서 내부로 유입되는 가스 성분을 흡수하는 게터(130)가 구비될 수 있다. 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. 여기서, 상기 게터(130)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.

여기서, 상기 게터(130)는 상기 진공 단열재(110)의 중심선을 기준으로 하여 일측으로 편심된 위치에 배치되는데, 구체적으로는 외피의 내면과 접하도록 배치되어 있고, 상기 게터와 접하는 외피의 타측면은 상기 본체(15)의 외부 케이스(15a)와 접하고 있다.

상기 외피(110)의 내부에는 상기 외피(110)가 소정의 감압 공간을 형성 및 유지할 수 있게 상기 외피를 지지하는 코어(130)가 구비될 수 있다. 상기 코어(130)는 앞서 설명한 바와 같이 친환경적이면서도 형상성이 우수한 폴리우레탄 발포폼을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 그리고 이 경우, 폴리우레탄 발포폼으로 된 코어는 앞서 설명한 바와 같이 130℃ 또는 200℃ 부근의 온도로 가열되거나 또는 그 온도로 가열할 수 있는 가열장치를 갖는 프레스를 이용하여 일정 시간(예를 들어, 130℃는 10분, 200℃ 1~2분)정도로 가열 프레스 공정을 거쳐 원래 두께의 70~80% 정도로 압축함으로써 폴리우레탄 발포폼의 기공이 쭈그러지면서 서로 연결되는 소위 개방 셀 형상이 되는 동시에 기공을 분리하는 고체부분의 열 전도 거리가 늘어나게 될 수 있다. 그리고 이를 통해 진공 단열재의 단열 성능이 향상될 수 있다. 아울러, 폴리우레탄 코어의 원액의 배압비를 조절하여 폴리우레탄 발포폼의 밀도를 조절하는 한편 핵제량을 적절하게 조절하여 열전도도를 최적화함으로써 진동 단열재의 단열 성능을 높일 수 있다.

상기 게터(130)는 내부의 온도에 따라서 포함된 성분이 갖는 흡습성에 차이를 갖게 된다. 특히, 제올라이트 또는 CaO 등을 주성분으로 하는 경우에는 상온 또는 그 이상의 온도가 될수록 흡습성이 개선되지만 냉장고의 특성상 고 내의 공간은 5 내지 10℃ 이하의 온도로 유지되므로 게터의 성분을 최대화하지 못하는 문제가 있다.

따라서, 상기 본 실시예에서는 상기 게터(130)를 상대적으로 고온인 외부 케이스와 접하도록 하여 게터(130)가 흡습성 개선에 유리한 환경에 놓일 수 있도록 하고 있다. 즉, 상기 외부 케이스(15a)는 열전도도가 높은 금속재질로 이루어지며, 상대적으로 고온으로 유지되는 외부 환경과 접하고 있으므로 냉장고 고내 보다는 고온으로 유지되게 된다. 따라서, 이러한 고온의 외부 케이스와 외피를 사이에 두고 게터가 배치되어 있으므로 상기 게터는 종래에 비해서 보다 유리한 환경에서 작동될 수 있게 된다.

다만, 상기 게터의 경우 상술한 코어와는 달리 그 표면 평활도가 좋지 못하여 외부 케이스와의 사이에 간격이 생길 수 있다. 이렇게 간격이 생기는 경우 제조 과정에서 발포액이 스며들 수 있고, 이러한 발포액은 발포 과정중에서 팽창하게 되므로 그로 인해 진공 단열재가 외부 케이스로부터 분리될 가능성이 있다. 따라서, 외부 케이스에 진공 단열재를 부착하기 전에 외부 케이스 또는 상기 진공 단열재의 외피에 열전달 물질을 도포할 수 있다. 이렇게 도포된 열전달 물질은 게터의 외측에서 발생될 수 있는 표면 불량으로 인해서 외피와 외부 케이스 사이에 생긴 틈새를 메워주어 상술한 바와 같은 문제가 생기는 것을 방지할 수 있다.

이외에도, 상기 외피의 두께를 일정하는 것 대신에 상기 게터가 위치하는 부분의 두께를 다른 부분에 비해서 크게 하여 강성을 증가시키는 예도 고려할 수 있다.

상기와 같이, 본 실시예에 의한 냉장고에는 폴리우레탄 발포폼으로 된 폴리우레탄 코어를 갖는 진공 단열재가 적용됨에 따라 성형성이 개선되어 곡면이 많은 냉장고의 모든 부위에 적절하게 설치될 수 있다. 이에 따라, 냉장고의 단열 성능을 향상시켜 소전 효과를 크게 높일 수 있다. 또, 본 실시예의 냉장고에 설치되는 진공 단열재는 폴리우레탄 발포폼을 적용하면서도 그 폴리우레탄 코어의 제작시 원래 두께의 70~80% 정도로 가열 프레스함에 따라 폴리우레탄 코어의 두께를 얇게 유지시킬 수 있고 이에 따라 홈바와 같은 얇은 단열재가 필요한 곳에도 적용할 수 있어 냉장고의 소전 효과를 더욱 높일 수 있다.

한편, 상기 진공 단열재는 곡면지거나 절곡되는 부위를 일체로 형성할 수도 있지만, 도 11에서와 같이 복수 개의 진공 단열재(100a)(100b)를 서로 대응하도록 요철 형성하여 필요시 요철 결합할 수 있다. 이 경우, 상기 진공 단열재(100a)(100b)가 서로 결합되는 부위에는 단열접착제(200)를 넣어 결합부위에서의 단열 성능이 저하되는 것을 줄일 수 있다.

Claims (15)

1. 가스 배리어성을 가지며 내부에 소정의 감압 공간을 형성하는 외피; 및
   상기 외피의 내부에서 상기 외피를 지지하며, 개방 셀 구조로 된 다수 개의 미소 기공이 이방성 구조을 가지는 코어;를 포함하고,
   상기 코어는 폴리우레탄 발포폼으로 이루어지고, 압출률은 70 ~ 80%인 진공 단열재.
2. 제1항에 있어서,
   상기 미소 기공의 크기는 상기 코어의 두께방향 양 측면 영역보다 중앙 영역에서 크게 형성되는 진공 단열재.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 코어는 열전도도는 0.0059kcal/mhr℃ 이하인 진공 단열재.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코어는 상기 폴리우레탄 발포폼의 원액은 핵제(PF-5056)를 포함하며, 상기 핵제량은 2phr 이상인 진공 단열재.
6. 제1항에 있어서,
   상기 코어는 상기 폴리우레탄 발포폼의 밀도는 35~40g/㎤인 진공 단열재.
7. 제1항 내지 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 진공 단열재를 가지는 냉동 장치.
8. 유기 재료를 발포하여서 미세 기공이 형성된 코어를 가지는 진공 단열재의 제조 방법에 있어서,
   상기 코어는 유기 재료를 발포하여 경화된 발포폼을 120~140℃ 또는 190~210℃의 온도로 가열하는 동시에 두께방향을 70~80%의 압축률로 압축하여 상기 코어의 복원을 억제하는 진공 단열재의 제조 방법.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 제8항에 있어서,
    상기 발포폼의 가열시간은 120~140℃일 때 9~11분이고, 190~210℃일 때 1~2분 내외인 진공 단열재의 제조 방법.
13. 제8항에 있어서,
    상기 발포폼의 열전도도는 0.0059kcal/mhr℃ 이하인 진공 단열재의 제조 방법.
14. 제8항, 제12항 내지 제13항중 어느 한 항의 제조 방법으로 제작되는 진공 단열재를 가지는 냉동 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 진공 단열재는 복수 개가 결합되고, 서로 이웃하는 진공 단열재의 접촉면은 단열접착제가 도포되어 요철 결합되는 냉동 장치.

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