KR102498210B1 - 진공단열체 및 냉장고 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 진공단열체에는 제1플레이트 부재; 제2플레이트 부재; 밀봉부; 서포팅유닛; 열저항유닛; 및 배기포트가 포함되고, 상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고, 상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고, 상기 플레이트 부재의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성되고, 상기 복수의 굴곡부 중에서 적어도 하나의 굴곡각은 0.25×10-3rad 이상 1.0×10-3rad 이하이다.

Description

진공단열체 및 냉장고{Vacuum adiabatic body and refrigerator}
본 발명은 진공단열체 및 냉장고에 관한 것이다.
진공단열체는 몸체의 내부를 진공으로 유지하여 열전달을 억제하는 물품이다. 상기 진공단열체는 대류 및 전도에 의한 열전달을 줄일 수 있기 때문에 온장장치 및 냉장장치에 적용되고 있다. 한편, 종래 냉장고에 적용되는 단열방식은 냉장과 냉동에 따라서 차이는 있지만 대략 30센티미터가 넘는 두께의 발포 폴리우레탄 단열벽을 제공하는 것이 일반적인 방식이었다. 그러나, 이로써 냉장고의 내부 용적이 줄어드는 문제점이 있다.
냉장고의 내부 용적을 늘리기 위하여 상기 냉장고에 진공단열체를 적용하고자 하는 시도가 있다.
먼저, 본 출원인의 등록특허 10-0343719(인용문헌 1)가 있다. 상기 등록특허에 따르면 진공단열패널(Vacuum adiabatic panel)을 제작하고, 상기 진공단열패널을 냉장고의 벽에 내장하고, 상기 진공단열패널의 외부를 스티로폼인 별도 성형물로 마감하는 방식이다. 상기 방식에 따르면 발포가 필요 없고, 단열성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 이 방식은 비용이 상승하고 제작방식이 복잡해지는 문제가 있다. 다른 예로서 공개특허 10-2015-0012712(인용문헌 2)에는 진공단열재로 벽을 제공하고 그에 더하여 발포 충전재로 단열벽을 제공하는 것에 대한 기술에 제시되어 있다. 이 방식도 비용이 증가하고 제작방식이 복잡한 문제점이 있다.
또 다른 예로서 냉장고의 벽을 전체로 단일물품인 진공단열체로 제작하는 시도가 있었다. 예를 들어, 미국공개특허공보 US20040226956A1(인용문헌 3)에는 진공상태로 냉장고의 단열구조를 제공하는 것에 대하여 개시되어 있다. 그러나 냉장고의 벽을 충분한 진공상태로 제공하여 실용적인 수준의 단열효과를 얻는 것은 어려운 일이다. 상세하게 설명하면, 온도가 서로 다른 외부케이스와 내부케이스와의 접촉부분의 열전달 현상을 막기가 어렵고, 안정된 진공상태를 유지하는 것이 어렵고, 진공상태의 음압에 따른 케이스의 변형을 방지하는 것이 어려운 등의 문제점이 있다. 이들 문제점으로 인하여 인용문헌 3의 기술도 극저온의 냉장장치에 국한하고, 일반 가정에서 적용할 수 있는 수준의 기술은 제공하지 못한다.
등록특허 10-0343719 공개특허 10-2015-0012712의 도 7 미국공개특허공보 US20040226956A1
본 발명은 상기되는 배경에서 제안되는 것으로서, 진공에 의한 충분한 단열효과를 얻고, 상업적으로 적용할 수 있는 진공단열체 및 냉장고를 제안한다.
또한, 진공단열체의 내부의 진공압에 의해 형성된 플레이트 부재의 표면 굴곡을 사용자가 인지할 수 없는 진공단열체 및 냉장고를 제안한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 진공단열체에는 제1플레이트 부재; 제2플레이트 부재; 진공 상태의 공간인 제3공간을 제공할 수 있도록 상기 제1프레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 상기 제3공간을 유지하는 서포팅유닛; 상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재 간의 열전달량을 감소시키기 위한 열저항유닛; 및 상기 제3공간의 기체를 배출하는 배기포트가 포함되고, 상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고, 상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위격자를 감싸는 상기 플레이트 부재의 표면은 단위 격자 영역으로 정의되고, 상기 단위 격자 영역에는 상기 복수의 바가 배치된 지점을 최고점으로 하며, 상기 단위 격자 영역의 중심부에서 상기 제3공간 측으로 함몰된 지점을 최저점으로 하는 굴곡부가 형성되고, 상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고, 상기 플레이트 부재의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성되고, 상기 복수의 굴곡부 중에서 적어도 하나의 굴곡각은 0.25×10-3rad 이상 1.0×10-3rad 이하이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 다른 측면에 따른 진공단열체에는 제1플레이트 부재; 제2플레이트 부재; 진공 상태의 공간인 제3공간을 제공할 수 있도록 상기 제1프레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 상기 제3공간을 유지하는 서포팅유닛; 상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재 간의 열전달량을 감소시키기 위한 열저항유닛; 및 상기 제3공간의 기체를 배출하는 배기포트가 포함되고, 상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고, 상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위격자를 감싸는 상기 플레이트 부재의 표면은 단위 격자 영역으로 정의되고, 상기 단위 격자 영역에는 상기 복수의 바가 배치된 지점을 최고점으로 하며, 상기 단위 격자 영역의 중심부에서 상기 제3공간 측으로 함몰된 지점을 최저점으로 하는 굴곡부가 형성되고, 상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고, 상기 플레이트 부재의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성된다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 냉장고에는 본체; 및 도어가 포함되고, 상기 본체로 냉매를 공급할 수 있도록 하기 위하여, 압축기; 응축기; 팽창기; 및 증발기가 포함되고, 상기 본체 및 상기 도어 중의 적어도 하나는 진공단열체를 포함하고, 상기 진공단열체에는, 제1플레이트 부재; 제2플레이트 부재; 진공공간부를 제공할 수 있도록 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 상기 진공공간부를 유지하는 서포팅유닛; 열저항유닛; 및 상기 진공공간부의 기체를 배출하는 배기포트가 포함되고, 상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고, 상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위격자를 감싸는 상기 플레이트 부재의 표면은 단위 격자 영역으로 정의되고, 상기 단위 격자 영역에는 상기 복수의 바가 배치된 지점을 최고점으로 하며, 상기 단위 격자 영역의 중심부에서 상기 제3공간 측으로 함몰된 지점을 최저점으로 하는 굴곡부가 형성되고, 상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고, 상기 플레이트 부재의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성된다.
본 발명에 따른 진공단열효과를 얻을 수 있다.
또한, 진공단열체의 내부의 진공압에 의해 형성된 플레이트 부재의 표면 굴곡을 사용자가 인지할 수 없도록 설계할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 냉장고의 사시도이다.
도 2는 냉장고의 본체 및 도어에 사용되는 진공단열체를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 진공공간부의 내부구성에 대한 다양한 실시예를 보이는 도면이다.
도 4는 전도저항쉬트 및 그 주변부의 다양한 실시예를 보이는 도면이다.
도 5는 시뮬레이션을 적용하여 진공압에 따른 단열성능의 변화와 가스전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 서포팅유닛이 사용되는 경우에 진공단열체의 내부를 배기하는 공정을 시간과 압력으로 관찰하는 그래프이다.
도 7은 진공압과 가스전도도(gas conductivity)를 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공단열체를 보여주는 도면이다.
도 9는 도 8의 진공단열체가 진공압에 의해 변형되는 모습을 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9의 진공단열체의 표면 조도를 나타낸 그래프이다.
도 11은 플레이트 부재의 표면 굴곡각의 크기에 따른 인지 가능 영역을 나타낸 그래프이다.
도 12는 플레이트 부재가 소정의 범위의 굴곡각을 갖도록 하는 플레이트 부재의 두께 및 복수의 바의 피치 조건을 나태내는 그래프이다.
도 13은 플레이트 부재의 굴곡각과 진공단열체의 무게 및 단열성능을 동시에 만족시키는 플레이트 부재의 두께 및 복수의 바의 피치 조건을 나태내는 그래프이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 제안한다. 그러나, 본 발명의 사상이 이하에 제시되는 실시예에 제한되지는 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이하에 제시되는 도면은 실제 물품과는 다르거나 과장되거나 간단하거나 세밀한 부품은 삭제하여 표시될 수 있으나, 이는 본 발명 기술사상 이해의 편리를 도모하기 위한 것으로서, 도면에 제시되는 크기와 구조와 형상으로 제한되어 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 진공압은 대기압보다 낮은 그 어떤 압력상태를 의미한다. 그리고, A가 B보다 진공도가 높다는 표현은 A의 진공압이 B의 진공압보다 낮다는 것을 의미한다.
도 1은 실시예에 따른 냉장고의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 냉장고(1)에는 저장물을 저장할 수 있는 캐비티(9)가 제공되는 본체(2)와, 상기 본체(2)를 개폐하도록 마련되는 도어(3)가 포함된다. 상기 도어(3)는 회동할 수 있게 배치되거나 슬라이드 이동이 가능하게 배치되어 캐비티(9)를 개폐할 수 있다. 상기 캐티비(9)는 냉장실 및 냉동실 중의 적어도 하나를 제공할 수 있다.
상기 캐비티에 냉기를 공급하는 냉동사이클을 이루는 부품이 마련된다. 상세하게는, 냉매를 압축하는 압축기(4)와, 압축된 냉매를 응축하는 응축기(5)와, 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창기(6)와, 팽창된 냉매를 증발시켜 열을 빼앗는 증발기(7)가 포함된다. 전형적인 구조로서, 상기 증발기(7)가 인접하는 위치에 팬을 설치하고, 팬으로부터 송풍된 유체가 상기 증발기(7)를 통과한 다음에 캐비티(9)로 송풍되도록 할 수 있다. 상기 팬에 의한 송풍량 및 송풍방향을 조정하거나 순환 냉매의 양을 조절하거나 압축기의 압축률을 조정함으로써 냉동부하를 조절하여, 냉장공간 또는 냉동공간의 제어를 수행할 수 있다.
도 2는 냉장고의 본체 및 도어에 사용되는 진공단열체를 개략적으로 나타내는 도면으로서, 본체 측 진공단열체는 상면과 측면의 벽이 제거된 상태로 도시되고, 도어 측 진공단열체는 전면의 벽 일부가 제거된 상태의 도면이다. 또한, 전도저항쉬트(60)(63)가 제공되는 부분의 단면을 개략적으로 나타내어 이해가 편리하게 되도록 하였다.
도 2를 참조하면, 진공단열체에는, 저온공간의 벽을 제공하는 제 1 플레이트 부재(10)와, 고온공간의 벽을 제공하는 제 2 플레이트 부재(20)와, 상기 제 1 플레이트 부재(10)와 상기 제 2 플레이트 부재(20)의 사이 간격부로 정의되는 진공공간부(50)가 포함된다. 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20) 간의 열전도를 막는 전도저항쉬트(60)(63)가 포함된다. 상기 진공공간부(50)를 밀폐상태로 하기 위하여 상기 제 1 플레이트 부재(10)와 상기 제 2 플레이트 부재(20)를 밀봉하는 밀봉부(61)가 제공된다. 냉장고 또는 온장고에 상기 진공단열체가 적용되는 경우에는, 상기 제 1 플레이트 부재(10)는 이너케이스라고 할 수 있고, 상기 제 2 플레이트 부재(20)는 아웃케이스라고 할 수 있다. 본체 측 진공단열체의 하측 후방에는 냉동사이클을 제공하는 부품이 수납되는 기계실(8)이 놓이고, 상기 진공단열체의 어느 일측에는 진공공간부(50)의 공기를 배기하여 진공상태를 조성하기 위한 배기포트(40)가 제공된다. 또한, 제상수 및 전기선로의 설치를 위하여 진공공간부(50)를 관통하는 관로(64)가 더 설치될 수 있다.
상기 제 1 플레이트 부재(10)는, 제 1 플레이트 부재 측에 제공되는 제 1 공간을 위한 벽의 적어도 일부를 정의할 수 있다. 상기 제 2 플레이트 부재(20)는, 제 2 플레이트 부재 측에 제공되는 제 2 공간을 위한 벽의 적어도 일부를 정의할 수 있다. 상기 제 1 공간과 상기 제 2 공간은 온도가 서로 다른 공간으로 정의할 수 있다. 여기서, 각 공간의 위한 벽은, 공간에 직접 접하는 벽으로서의 기능을 수행하는 경우뿐만 아니라, 공간에 접하지 않는 벽으로서의 기능을 수행할 수도 있다. 예를 들어 각 공간에 접하는 별도의 벽을 더 가지는 물품의 경우에도 실시예의 진공단열체가 적용될 수 있는 것이다.
상기 진공단열체가 단열효과의 손실을 일으키는 요인은, 제 1 플레이트 부재(10)와 제 2 플레이트 부재(20) 간의 열전도와, 제 1 플레이트 부재(10)와 제 2 플레이트 부재(20) 간의 열복사, 및 진공공간부(50)의 가스전도(gas conduction)가 있다.
이하에서는 상기 열전달의 요인과 관련하여 단열손실을 줄이기 위하여 제공되는 열저항유닛에 대하여 설명한다. 한편, 실시예의 진공단열체 및 냉장고는 진공단열체의 적어도 어느 한쪽에 또 다른 단열수단을 더 가지는 것을 배제하지 않는다. 따라서, 다른 쪽 일면에 발포 등을 이용하는 단열수단을 더 가질 수도 있다.
도 3은 진공공간부의 내부구성에 대한 다양한 실시예를 보이는 도면이다.
먼저 도 3a를 참조하면, 상기 진공공간부(50)는 상기 제 1 공간 및 상기 제 2 공간과는 다른 압력, 바람직하게는 진공 상태의 제 3 공간으로 제공되어 단열손실을 줄일 수 있다. 상기 제 3 공간은 상기 제 1 공간의 온도 및 상기 제 2 공간의 온도의 사이에 해당하는 온도로 제공될 수 있다. 상기 제 3 공간은 진공 상태의 공간으로 제공되기 때문에, 상기 제 1 플레이트 부재(10) 및 상기 제 2 플레이트 부재(20)는 각 공간의 압력차만큼의 힘에 의해서 서로 접근하는 방향으로 수축하는 힘을 받기 때문에 상기 진공공간부(50)는 작아지는 방향으로 변형될 수 있다. 이 경우에는 진공공간부의 수축에 따른 복사전달량의 증가, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 접촉에 따른 전도전달량의 증가에 따른 단열손실을 야기할 수 있다.
상기 진공공간부(50)의 변형을 줄이기 위하여 서포팅유닛(30)이 제공될 수 있다. 상기 서포팅유닛(30)에는 바(31)가 포함된다. 상기 바(31)는 제 1 플레이트 부재와 제 2 플레이트 부재의 사이 간격을 지지하기 위하여 상기 플레이트 부재에 대하여 실질적으로 수직한 방향으로 연장될 수 있다. 상기 바(31)의 적어도 어느 일단에는 지지 플레이트(35)가 추가로 제공될 수 있다. 상기 지지 플레이트(35)는 적어도 두 개 이상의 바(31)를 연결하고, 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)에 대하여 수평한 방향으로 연장될 수 있다. 상기 지지 플레이트는 판상으로 제공될 수 있고, 격자형태로 제공되어 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)와 접하는 면적이 작아져서 열전달이 줄어들도록 할 수 있다. 상기 바(31)와 상기 지지 플레이트는 적어도 일 부분에서 고정되어, 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)의 사이에 함께 삽입될 수 있다. 상기 지지 플레이트(35)는 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20) 중 적어도 하나에 접촉하여 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 상기 바(31)의 연장방향을 기준으로 할 때, 상기 지지플레이트(35)의 총단면적은 상기 바(31)의 총단면적보다 크게 제공하여, 상기 바(31)를 통하여 전달되는 열이 상기 지지 플레이트(35)를 통하여 확산될 수 있다.
상기 서포팅유닛(30)의 재질로는, 높은 압축강도, 낮은 아웃게싱(outgassing) 및 물흡수율, 낮은 열전도율, 고온에서 높은 압축강도, 및 우수한 가공성을 얻기 위하여, PC, glass fiber PC, low outgassing PC, PPS, 및 LCP 중에서 선택되는 수지를 사용할 수 있다.
상기 진공공간부(50)를 통한 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20) 간의 열복사를 줄이는 복사저항쉬트(32)에 대하여 설명한다. 상기 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)는 부식방지과 충분한 강도를 제공할 수 있는 스테인레스 재질로 제공될 수 있다. 상기 스테인레스 재질은 방사율이 0.16으로서 비교적 높기 때문에 많은 복사열 전달이 일어날 수 있다. 또한, 수지를 재질로 하는 상기 서포팅유닛의 방사율은 상기 플레이트 부재에 비하여 낮고 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)의 내면에 전체적으로 마련되지 않기 때문에 복사열에 큰 영향을 미치지 못한다. 따라서 상기 복사저항쉬트는 제 1 플레이트 부재(10)와 제 2 플레이트 부재(20) 간의 복사열 전달의 저감에 중점적으로 작용하기 위하여, 상기 진공공간부(50)의 면적의 대부분을 가로질러서 판상으로 제공될 수 있다. 상기 복사저항쉬트(32)의 재질로는, 방사율(emissivity)이 낮은 물품이 바람직하고, 실시예에서는 방사율 0.02의 알루미늄 박판이 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 한 장의 복사저항쉬트로는 충분한 복사열 차단작용을 얻을 수 없기 때문에, 적어도 두 장의 복사저항쉬트(32)가 서로 접촉하지 않도록 일정 간격을 두고 제공될 수 있다. 또한, 적어도 어느 한 장의 복사저항쉬트는 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)의 내면에 접하는 상태로 제공될 수 있다.
도 3b를 참조하면, 서포팅유닛(30)에 의해서 플레이트 부재 간의 간격을 유지하고, 진공공간부(50)의 내부에 다공성물질(33)을 충전할 수 있다. 상기 다공성물질(33)은 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)의 재질인 스테인레스보다는 방사율이 높을 수 있지만, 진공공간부를 충전하고 있으므로 복사열전달의 저항효율이 높다.
본 실시예의 경우에는, 복사저항쉬트(32)가 없이도 진공단열체를 제작할 수 있는 효과가 있다.
도 3c를 참조하면, 진공공간부(50)를 유지하는 서포팅유닛(30)이 제공되지 않는다. 이를 대신하여 다공성물질(33)이 필름(34)에 싸인 상태로 제공되었다. 이때 다공성물질(33)은 진공공간부의 간격을 유지할 수 있도록 압축된 상태로 제공될 수 있다. 상기 필름(34)은 예시적으로 PE재질로서 구멍이 뚫려있는 상태로 제공될 수 있다.
본 실시예의 경우에는, 상기 서포팅유닛(30)이 없이 진공단열체를 제작할 수 있다. 다시 말하면, 상기 다공성물질(33)은 상기 복사저항쉬트(32)의 기능과 상기 서포팅유닛(30)의 기능을 함께 수행할 수 있다.
도 4는 전도저항쉬트 및 그 주변부의 다양한 실시예를 보이는 도면이다. 도 2에는 각 전도저항쉬트가 구조가 간단하게 도시되어 있으나, 본 도면을 통하여 더 상세하게 이해될 수 있을 것이다.
먼저, 도 4a에 제시되는 전도저항쉬트는 본체 측 진공단열체에 바람직하게 적용될 수 있다. 상세하게, 상기 진공단열체의 내부를 진공으로 유지하기 위하여 상기 제 2 플레이트 부재(20)와 상기 제 1 플레이트 부재(10)는 밀봉되어야 한다. 이때 두 플레이트 부재는 각각이 온도가 서로 다르므로 양자 간에 열전달이 발생할 수 있다. 종류가 다른 두 플레이트 부재 간의 열전도를 방지하기 위하여 전도저항쉬트(60)가 마련된다.
상기 전도저항쉬트(60)는 상기 제 3 공간을 위한 벽의 적어도 일부를 정의하고 진공상태를 유지하도록 그 양단이 밀봉되는 밀봉부(61)로 제공될 수 있다. 상기 전도저항쉬트(60)는 상기 제 3 공간의 벽을 따라서 흐르는 열전도량을 줄이기 위하여 마이크로미터 단위의 얇은 박판으로 제공된다. 상기 밀봉부(610)는 용접부로 제공될 수 있다. 즉, 전도저항쉬트(60)와 플레이트 부재(10)(20)가 서로 융착되도록 할 수 있다. 서로 간의 융착 작용을 이끌어내기 위하여 상기 전도저항쉬트(60)와 플레이트 부재(10)(20)는 서로 같은 재질을 사용할 수 있고, 스테인레스를 그 재질로 할 수 있다. 상기 밀봉부(610)는 용접부로 제한되지 않고 코킹 등의 방법을 통하여 제공될 수도 있다. 상기 전도저항쉬트(60)는 곡선 형상으로 제공될 수 있다. 따라서, 상기 전도저항쉬트(60)의 열전도의 거리는 각 플레이트 부재의 직선거리보다 길게 제공되어, 열전도량은 더욱 줄어들 수 있다.
상기 전도저항쉬트(60)를 따라서 온도변화가 일어난다. 따라서, 그 외부와의 열전달을 차단하기 위하여, 상기 전도저항쉬트(60)의 외부에는 차폐부(62)가 제공되어 단열작용이 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 냉장고의 경우에 제 2 플레이트 부재(20)는 고온이고 제 1 플레이트 부재(10)는 저온이다. 그리고, 상기 전도저항쉬트(60)는 고온에서 저온으로 열전도가 일어나고 열흐름을 따라서 쉬트의 온도가 급격하게 변한다. 그러므로, 상기 전도저항쉬트(60)가 외부에 대하여 개방되는 경우에는 개방된 곳을 통한 열전달이 심하게 발생할 수 있다. 이러한 열손실을 줄이기 위하여 상기 전도저항쉬트(60)의 외부에는 차폐부(62)가 제공되도록 한다. 예를 들어, 상기 전도저항쉬트(60)가 저온공간 또는 고온공간의 어느 쪽에 노출되는 경우에도, 상기 전도저항쉬트(60)는 노출되는 양만큼 전도저항의 역할을 수행하지 못하기 때문에 바람직하지 않게 된다.
상기 차폐부(62)는 상기 전도저항쉬트(60)의 외면에 접하는 다공성물질로 제공될 수도 있고, 상기 전도저항쉬트(60)의 외부에 놓이는 별도의 가스켓으로 예시가능한 단열구조물로 제공될 수도 있고, 본체 측 진공단열체가 도어 측 진공단열체에 대하여 닫힐 때 대응하는 전도저항쉬트(60)와 마주보는 위치에 제공되는 진공단열체의 일 부분으로 제공될 수도 있다. 상기 본체와 상기 도어가 개방되었을 때에도 열손실을 줄이기 위하여, 상기 차폐부(62)는 다공성물질 또는 별도의 단열구조물로 제공되는 것이 바람직할 것이다.
도 4b에 제시되는 전도저항쉬트는 도어 측 진공단열체에 바람직하게 적용될 수 있고, 도 4a에 대하여 달라지는 부분을 상세하게 설명하고, 동일한 부분은 동일한 설명이 적용되는 것으로 한다. 상기 전도저항쉬트(60)의 바깥쪽으로는 사이드 프레임(70)이 더 제공된다. 상기 사이드 프레임(70)은 도어와 본체와의 실링을 위한 부품과 배기공정에 필요한 배기포트와 진공유지를 위한 게터포트 등이 놓일 수 있다. 이는 본체 측 진공단열체의 경우에는 부품의 장착이 편리할 수 있지만, 도어측은 위치가 제한되기 때문이다.
도어 측 진공단열체의 경우에는 상기 전도저항쉬트(60)는 진공공간부의 선단부, 즉 모서리 측면부에 놓이기 어렵다. 이는 도어(3)의 모서리 에지부는 본체와 달리 외부로 드러나기 때문이다. 더 상세하게 상기 전도저항쉬트(60)가 진공공간부의 선단부에 놓이면, 상기 도어(3)의 모서리 에지부는 외부로 드러나기 때문에, 상기 전도저항쉬트(60)의 단열을 위하여 별도의 단열부를 구성해야 하는 불리함이 있기 때문이다.
도 4c에 제시되는 전도저항쉬트는 진공공간부를 관통하는 관로에 바람직하게 설치될 수 있고, 도 4a 및 도 4b에 대하여 달라지는 부분을 상세하게 설명하고, 동일한 부분은 동일한 설명이 적용되는 것으로 한다. 관로(64)가 제공되는 주변부에는 도 4a와 동일한 형상으로 제공될 수 있고, 더 바람직하게는 주름형 전도저항쉬트(63)가 제공될 수 있다. 이에 따르면 열전달경로를 길게 할 수 있고, 압력차에 의한 변형을 방지할 수 있다. 또한 전도저항쉬트의 단열을 위한 별도의 차폐부도 제공될 수 있다.
다시 도 4a를 참조하여 제 1 플레이트 부재(10)와 제 2 플레이트 부재(20) 간의 열전달경로를 설명한다. 진공단열체를 통과하는 열에는, 상기 진공단열체의 표면, 더 상세하게 상기 전도저항쉬트(60)를 따라서 전달되는 표면전도열(①)과, 상기 진공단열체의 내부에 제공되는 서포팅유닛(30)을 따라서 전도되는 서포터전도열(②)과, 진공공간부의 내부 가스를 통한 가스전도열(③)과, 진공공간부를 통하여 전달되는 복사전달열(④)로 구분할 수 있다.
상기 전달열은 다양한 설계 수치에 따라서 변형될 수 있다. 예를 들어 제 1, 2 플레이트 부재(10)(20)가 변형되지 않고 진공압에 견딜 수 있도록 서포팅유닛을 변경할 수도 있고, 진공압을 변경할 수 있고, 플레이트 부재의 간격길이를 달리할 수 있고, 전도저항유닛의 길이를 변경할 수 있고, 플레이트 부재가 제공하는 각 공간(제 1 공간 및 제 2 공간)의 온도차를 어느 정도를 하는지에 따라서 달라질 수 있다. 실시예의 경우에는 총열전달량이 종래 폴리우레탄을 발포하여 제공되는 단열구조물에 비하여 열전달량이 작아지도록 하는 것을 고려할 때 바람직한 구성을 알아내었다. 여기서, 종래 폴리우레탄을 발포하는 냉장고에서의 실질열전달계수는 19.6mW/mK으로 제시될 수 있다.
이에 따른 실시예의 진공단열체의 열전달량을 상대적으로 분석하면, 가스전도열(③)에 의한 열전달이 가장 작아지게 할 수 있다. 예를 들어 전체 열전달의 4%이하로 이를 제어할 수 있다. 상기 표면전도열(①) 및 상기 서포터전도열(②)의 합으로 정의되는 고체전도열에 의한 열전달이 가장 많다. 예를 들어 75%에 달할 수 있다. 상기 복사전달열(③)은 상기 고체전도열에 비해서는 작지만 가스전도열에 의한 열전달보다는 크게 된다. 예를 들어, 상기 복사전달열(③)은 전체 열전달량의 대략 20%를 차지할 수 있다.
이러한 열전달분포에 따르면, 실질열전달계수(eK: effective K)(W/mK)는 상기 전달열(①②③④)을 비교할 때 수학식 1의 순서를 가질 수 있다.
Figure 112015075270810-pat00001
여기서 상기 실질열전달계수(eK)는 대상 물품의 형상과 온도차를 이용하여 측정할 수 있는 값으로서, 전체 열전달량과 열전달되는 적어도 하나의 부분의 온도를 측정하여 얻어낼 수 있는 값이다. 예를 들어 냉장고 내에 정량적으로 측정이 가능한 가열원을 두고서 발열량을 알고(W), 냉장고의 도어 본체와 도어의 테두리를 통하여 각각 전달되는 열을 도어의 온도분포를 측정하고(K), 열이 전달되는 경로를 환산값으로 확인함으로써(m), 실질열전달계수를 구할 수 있는 것이다.
전체 진공단열체의 상기 실질열전달계수(eK)는 k=QL/A△T로 주어지는 값으로서, Q는 열전달량(W)으로서 히터의 발열량을 이용하여 획득할 수 있고, A는 진공단열체의 단면적(m2)이고, L은 진공단열체의 두께(m)이고, △T는 온도차로서 정의할 수 있다.
상기 표면전도열은, 전도저항쉬트(60)(63)의 입출구의 온도차(△T), 전도저항쉬트의 단면적(A), 전도저항쉬트의 길이(L), 전도저항쉬트의 열전도율(k)(전도저항쉬트의 열전도율은 재질의 물성치로서 미리 알아낼 수 있다)를 통하여 전도열량을 알아낼 수 있다. 상기 서포터전도열은, 서포팅유닛(30)의 입출구의 온도차(△T), 서포팅유닛의 단면적(A), 서포팅유닛의 길이(L), 서포팅유닛의 열전도율(k)을 통하여 전도열량을 알아낼 수 있다. 여기서, 상기 서포팅유닛의 열전도율은 재질의 물성치로서 미리 알아낼 수 있다. 상기 가스전도열(③)과 상기 복사전달열(④)의 합은 상기 전체 진공단열체의 열전달량에서 상기 표면전도열과 상기 서포터전도열을 빼는 것에 의해서 알아낼 수 있다. 상기 가스 전도열과 상기 복사전달열의 비율은 진공공간부의 진공도를 현저히 낮추어 가스 전도열이 없도록 하였을 때의 복사전달열을 구하는 것으로서 알아낼 수 있다.
상기 진공공간부(50)의 내부에 다공성물질이 제공되는 경우에, 다공성물질전도열(⑤)은 상기 서포터전도열(②)과 복사열(④)을 합한 양으로 고려할 수 있다. 상기 다공성물질전도열은 다공성물질의 종류와 양 등의 다양한 변수에 의해서 변경될 수 있다.
실시예에 따르면, 서로 인접하는 바(31)가 이루는 기하학적 중심과 바가 위치하는 곳과의 온도차(△T1)는 0.5도씨 미만으로 제공되는 것이 바람직하다. 또한, 인접하는 바가 이루는 기하학적 중심과 진공단열체의 에지부와의 온도차(△T2)는 5도씨 미만으로 제공되는 것을 바람직하게 제안할 수 있다. 또한, 상기 제 2 플레이트 부재에 있어서, 상기 전도저항쉬트(60)(63)를 통과하는 열전달 경로가 제 2 플레이트 부재와 만나는 지점에서, 제 2 플레이트 부재의 평균온도와의 온도차이가 가장 클 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 공간이 상기 제 1 공간에 비하여 뜨거운 영역인 경우에는, 상기 전도저항쉬트를 통과하는 열전달 경로가 제 2 플레이트 부재와 만나는 제 2 플레이트 부재의 지점에서 온도가 최저가 된다. 마찬가지로, 상기 제 2 공간이 상기 제 1 공간에 비하여 차가운 영역인 경우에는, 상기 전도저항쉬트를 통과하는 열전달 경로가 제 2 플레이트 부재와 만나는 제 2 플레이트 부재의 지점에서 온도가 최고가 된다.
이는 전도저항쉬트를 통과하는 표면전도열을 제외하는 다른 곳을 통한 열전달량은 충분히 제어되어야 하고, 표면전도열이 가장 큰 열전달량을 차지하는 경우에 비로소 전체적으로 진공단열체가 만족하는 전체 열전달량을 달성할 수 있는 이점을 얻는 것을 의미한다. 이를 위하여 상기 전도저항쉬트의 온도변화량은 상기 플레이트 부재의 온도변화량보다 크게 제어될 수 있다.
상기 진공단열체를 제공하는 각 부품의 물리적 특징에 대하여 설명한다. 상기 진공단열체는 진공압에 의한 힘이 모든 부품에 가하여진다. 따라서, 일정한 수준이 강도(strength)(N/m2)를 가지는 재료가 사용되는 것이 바람직하다.
이러한 배경하에서, 상기 플레이트 부재(10)(20)와 상기 사이드 프레임(70)은 진공압에도 불구하고 파손되지 않는 충분한 강도(strength)가 있는 재질로 제공되는 것이 바람직하다. 예를 들어 서포터전도열을 제한하기 위하여 바(31)의 개수를 작게 하는 경우에는 진공압에 의한 플레이트 부재의 변형이 발생하여 외관이 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 상기 복사저항쉬트(32)는 방사율이 낮으면서 용이하게 박막가공이 가능한 물품이 바람직하고, 외부충격에 변형되지 않은 정도의 강도가 확보되어야 한다. 상기 서포팅유닛(30)은 진공압에 의한 힘을 지지하고 외부충격에 견딜 수 있는 강도로 제공되고 가공성이 있어야 한다. 상기 전도저항쉬트(60)는 얇은 판상이면서도 진공압을 견딜 수 있는 재질이 사용되는 것이 바람직하다.
실시예에서는 상기 플레이트 부재, 사이드 프레임, 및 전도저항쉬트는 동일한 강도인 스테인레스 재질을 사용할 수 있다. 상기 복사저항쉬트는 스테인레스보다는 약한 강도인 알루미늄을 사용할 수 있다. 상기 서포팅유닛은 알루미늄보다 약한 강도인 수지를 그 재질로 사용할 수 있다.
상기되는 바와 같은 재질의 측면에서 바라본 강도와 달리, 강성 측면에서의 분석이 요청된다. 상기 강성(stiffness)(N/m)은 쉽게 변형되지 않는 성질로서 동일한 재질을 사용하더라도 그 형상에 따라서 강성이 달라질 수 있다. 상기 전도저항쉬트(60)(63)는 강도가 있는 재질을 사용할 수 있으나, 열저항을 높이고 진공압이 가하여질 때 거친면이 없이 고르게 펼쳐져 방사열을 최소화하기 위하여 강성이 낮은 것이 바람직하다. 상기 복사저항쉬트(32)는 변형으로 다른 부품에 닿지 않도록 하기 위하여 일정 수준의 강성이 요청된다. 특히, 상기 복사저항쉬트의 테두리 부분은 자중에 따른 처짐이 발생하여 전도열을 발생시킬 수 있다. 그러므로, 일정 수준의 강성이 요청된다. 상기 서포팅유닛(30)은 플레이트 부재로부터의 압축응력 및 외부충격에 견딜 수 있는 정도의 강성이 요청된다.
실시예에서는 상기 플레이트 부재, 및 사이드 프레임은 진공압에 의한 변형을 방지하도록 가장 강성이 높은 것이 바람직하다. 상기 서포팅유닛, 특히 바는 두번째로 큰 강성을 가지는 것이 바람직하다. 상기 복사저항쉬트는 서포팅유닛보다는 약하지만 전도저항쉬트보다는 강성을 가지는 것이 바람직하다. 마지막으로 상기 전도저항쉬트는 진공압에 의한 변형이 용이하게 일어나는 것이 바람직하여 가장 강성이 낮은 재질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 진공공간부(50) 내부를 다공성물질(33)로 채우는 경우에도 전도저항쉬트가 가장 강성이 낮도록 하는 것이 바람직하고, 플레이트 부재 및 사이드 프레임이 가장 큰 강성을 가지는 것이 바람직하다.
이하에서는 진공단열체의 내부 상태에 따라서 바람직하게 제시되는 진공압을 설명한다. 이미 설명된 바와 같이 상기 진공단열체의 내부는 열전달을 줄일 수 있도록 진공압을 유지해야 한다. 이때에는 가급적 낮은 진공압을 유지하는 것이 열전달의 저감을 위해서 바람직한 것은 용이하게 예상할 수 있을 것이다.
상기 진공공간부는, 서포팅유닛(30)에 의해서만 열전달에 저항할 수도 있고, 진공공간부(50)의 내부에 서포팅유닛과 함께 다공성물질(33)이 충전되어 열전달에 저항할 수도 있고, 서포팅유닛은 적용하지 않고 다공성물질로 열전달에 저항할 수도 있다.
서포팅유닛만이 제공되는 경우에 대하여 설명한다.
도 5는 시뮬레이션을 적용하여 진공압에 따른 단열성능의 변화와 가스전도도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 진공압이 낮아질수록 즉, 진공도가 높아질수록 본체만의 경우(그래프 1) 또는 본체와 도어를 합한 경우(그래프 2)의 열부하는, 종래의 폴리우레탄을 발포한 물품과 비교하여 열부하(heat load)가 줄어들어서 단열성능이 향상되는 것을 볼 수 있다. 그러나, 단열성능이 향상되는 정도는 점진적으로 낮아지는 것을 볼 수 있다. 또한, 진공압이 낮아질수록 가스전도도(그래프 3)가 낮아지는 것을 볼 수 있다. 그러나, 진공압이 낮아지더라도 단열성능 및 가스전도도가 개선되는 비율은 점진적으로 낮아지는 것을 알 수 있다. 따라서, 가급적 진공압을 낮추는 것이 바람직하지만, 과도한 진공압을 얻기 위해서는 시간이 많이 들고, 과도한 게터(getter)사용으로 비용이 많이 드는 문제점이 있다. 실시예에서는 상기 관점에서 최적의 진공압을 제안한다.
도 6은 서포팅유닛이 사용되는 경우에 진공단열체의 내부를 배기하는 공정을 시간과 압력으로 관찰하는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 진공공간부(50)를 진공상태로 조성하기 위하여, 가열하면서(baking) 진공공간부의 부품에 남아있는 잠재적인 기체를 기화시키면서 진공펌프로 진공공간부의 기체를 배기한다. 그러나, 일정 수준 이상의 진공압에 이르면 더 이상 진공압의 수준이 높아지지 않는 지점에 이르게 된다(△t1). 이후에는 진공펌프의 진공공간부의 연결을 끊고 열을 가하여 게터를 활성화시킨다(△t2). 게터가 활성화되면 일정 시간 동안은 진공공간부의 압력이 떨어지지만 정상화되어 일정 수준의 진공압을 유지한다. 게터 활성화 이후에 일정수준의 진공압을 유지할 때의 진공압은 대략 1.8×10-6Torr이다.
실시예에서는 진공펌프를 동작시켜 기체를 배기하더라도 더이상 실질적으로 진공압이 낮아지지 않는 지점을 상기 진공단열체에서 사용하는 진공압의 하한으로 설정하여 진공공간부의 최저 내부 압력을 1.8×10-6Torr로 설정한다.
도 7은 진공압과 가스전도도(gas conductivity)를 비교하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 진공공간부(50) 내부의 사이 갭의 크기에 따라서 진공압에 따른 가스전도열(gas conductivity)을 실질열전달계수(eK)의 그래프로 나타내었다. 상기 진공공간부의 갭은 2.76mm, 6.5mm, 및 12.5mm의 세 가지 경우로 측정하였다. 상기 진공공간부의 갭은 다음과 같이 정의된다. 상기 진공공간부의 내부에 상기 복사저항쉬트(32)가 있는 경우는 상기 복사저항쉬트와 인접한 플레이트 사이의 거리이고, 상기 진공공간부의 내부에 복사저항쉬트가 없는 경우는 상기 제 1 플레이트 부재 및 상기 제 2 플레이트 부재 사이의 거리이다.
폴리우레탄을 발포하여 단열재를 제공하는 종래의 실질열전달계수 0.0196 W/mk과 대응되는 지점은 갭의 크기가 작아서 2.76mm인 경우에도 2.65×10-1Torr인 것을 볼 수 있었다. 한편, 진공압이 낮아지더라도 가스전도열에 의한 단열효과의 저감효과가 포화되는 지점은 대략 4.5×10-3Torr인 지점인 것을 확인할 수 있었다. 상기 4.5×10-3Torr의 압력은 가스전도열의 저감효과가 포화되는 지점으로 확정할 수 있다. 또한, 실질열전달계수가 0.1 W/mk일때에는 1.2×10-2Torr이다.
상기 진공공간부에 상기 서포팅유닛이 제공되지 않고 상기 다공성물질이 제공되는 경우에는, 갭의 크기가 수 마이크로미터에서 수백 마이크로미터이다. 이 경우에는, 다공성물질로 인하여 비교적 진공압이 높은 경우에도, 즉 진공도가 낮은 경우에도 복사열전달은 작다. 따라서 그 진공압에 맞는 적절한 진공펌프를 사용한다. 해당하는 진공펌프에 적정한 진공압은 대략 2.0×10-4Torr이다. 또한, 가스 전도열의 저감효과가 포화되는 지점의 진공압은 대략 4.7×10-2Torr이다. 또한, 가스전도열의 저감효과가 종래의 실질열전달계수 0.0196 W/mk에 이르는 압력은 730Torr이다.
상기 진공공간부에 상기 서포팅유닛과 상기 다공성물질이 함께 제공되는 경우에는 상기 서포팅유닛만을 사용하는 경우와 상기 다공성물질만을 사용하는 경우의 중간 정도의 진공압을 조성하여 사용할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 진공단열체를 보여주는 도면이며, 도 9는 도 8의 진공단열체가 진공압에 의해 변형되는 모습을 보여주는 도면이고, 도 10은 도 9의 진공단열체의 표면 조도를 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 진공단열체(100)에는 제1플레이트 부재(10), 제2플레이트 부재(20) 및 서포팅 유닛(30)이 포함된다. 상기 서포팅 유닛(30)은 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20) 사이에 개재된다.
도 9의 (a)는 도 8의 Ⅰ-Ⅰ`을 따라 절한 단면도이고, 도 9의 (b)는 도 9의 (a)의 진공단열체가 내부의 진공압에 의해 변형된 모습을 보여주는 도면이다.
상기 서포팅 유닛(30)은 복수의 바를 포함하며, 상기 바는 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20)에 대하여 수직하게 배치될 수 있다. 이에 따라 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20) 사이의 간격을 유지하는 기능을 한다.
상기 복수의 바는 서로 이격되어 배치될 수 있다. 구체적으로, 상기 복수의 바는 일정한 값의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된다. 도면 상에는 인접한 네 개의 바가 정사각형의 단위 격자를 구성하도록 배치된다. 다만, 본 발명의 사상은 이와 같은 구성으로 제한되는 것은 아니며, 상기 복수의 바 사이의 피치가 다르게 형성될수도 있으며, 하나의 단위 격자를 이루는 바의 개수가 달리 설정될 수 있다.
상기 단위 격자는 양단부에서 상기 제1플레이트 부재(10) 및 상기 제2플레이트 부재(20)가 감싸며, 상기 단위 격자를 감싸는 상기 제1플레이트 부재(10)의 외부 표면 및 상기 제2플레이트 부재(20)의 외부 표면을 단위 격자 영역으로 정의할 수 있다. 즉, 상기 단위 격자 영역은 상기 플레이트 부재(10)(20)의 외부로 노출된 표면을 의미한다.
상기 단위 격자 영역은 도면상 상기 제1플레이트 부재(10)의 표면에서 점선에 의해 이루어진 하나의 사각형 영역(O)을 의미한다.
상기 단위 격자 영역에서 상기 복수의 바가 배치된 지점(S)에서는 도시된 것과 같이 상기 제1플레이트 부재(10)의 표면에서 점선이 교차하는 지점으로 표시된다.
상기 복수의 바가 배치된 지점(S)의 하부에서 상기 복수의 바가 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20)를 지지하게 된다.
그리고, 상기 단위 격자 영역(O)에서 상기 복수의 바가 배치된 지점(S)을 제외한 영역은 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20)의 사이 공간이 이격된다.
상기 진공단열체(100) 내부에는 진공압이 형성되므로 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20)의 표면은 상기 진공공간부(50)를 향하여 함몰된 굴곡부가 형성될 수 있다.
상기 굴곡부는 상기 복수의 바가 배치된 지점(S)으로부터 멀어질수록 상기 진공공간부(50)를 향하여 함몰되는 형상으로 이루어질 수 있다. 즉, 상기 굴곡부는 상기 단위 격자 영역(O)의 중심 지점을 최저점으로 하고, 상기 복수의 바가 배치된 지점(S)을 최고점으로 한다.
사용자가 상기 굴곡을 인지하게 되면 이를 제품 하자로 인식할 수 있으므로, 진공단열체 설계 시 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께와, 상기 복수의 바 사이의 피치를 고려하여 설계하여야 한다.
상기 복수의 바가 배치된 지점(S)인 최고점이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도를 상기 단위 격자 영역(O)에 형성된 굴곡부의 굴곡각(θ)으로 정의한다.
상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각(θ)이 증가될수록 사용자는 육안으로 굴곡을 인지할 확률이 높아진다. 여기서, 상기 표면 굴곡각(θ)은 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 조도와 상기 복수의 바의 피치 크기(P)의 비에 의해 결정된다.
이하에서는 상기 굴곡각(θ)을 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선의 기울기로 정의하여 이를 수학적으로 정의한다.
상기 단위 격자 영역(O)의 최고점과 최저점 사이의 수평방향으로의 거리는 상기 단위 격자 영역(O)의 꼭짓점으로부터 상기 단위 격자 영역(O)의 중심까지의 거리와 같다. 상기 복수의 바의 피치는 P이므로 정사각형의 한변의 길이는 P가 되므로, 상기 단위 격자 영역(O)의 최고점과 최저점 사이의 수평방향으로의 거리는 P/√2 가 된다.
그리고, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 상의 최고점과 최저점의 수직 방향으로의 거리를 굴곡량(δ)으로 정의한다.
상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선의 탄젠트 값은 상기 단위 격자 영역(O)의 꼭짓점으로부터 중심까지의 거리에 대한 상기 굴곡량(δ)의 비에 해당하며, 상기 굴곡각(θ)의 값은 매우 작으므로 상기 직선의 탄젠트 값을 상기 굴곡각(θ)의 값으로 근사시킬 수 있다. 따라서, 상기 상기 굴곡각(θ)을 수식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure 112015075270810-pat00002
한편, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡을 줄이기 위해서는 상기 복수의 바 간의 피치(P)를 줄이는 방법과 상기 제1플레이트 부재(10)와 상기 제2플레이트 부재(20)의 두께를 증가시키는 방법이 있다.
상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각(θ)을 0이 되도록 하는 것이 가장 이상적이나, 상기 방법은 상기 진공단열체(100)의 중량과 제작 비용을 과도하게 증가시킬 수 있다.
한편, 표면 굴곡각(θ)이 0이 아닌 소정의 범위의 값을 갖는 경우에도 사용자가 표면 굴곡을 인지하지 못하는 구간이 존재한다.
이하에서는, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡을 사용자가 인지하지 못하도록 하는 범위에 대하여 설명한다.
도 11은 플레이트 부재의 표면 굴곡각의 크기에 따른 인지 가능 영역을 나타낸 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각이 0.5*10-3rad이하인 경우에는 사용자가 표면의 굴곡을 인지하지 못하게 된다. 또한, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각이 0.5*10-3rad 이상 1.0*10-3rad 이하인 경우에는 사용자가 표면의 굴곡을 간헐적으로 인지하게 된다. 그리고, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각이 1.0*10-3rad 이상인 경우에는 사용자가 표면 굴곡을 인지할 수 있는 영역에 해당한다.
간헐적 인지란 극히 일부의 사용자만이 표면의 굴곡을 인지하는 경우를 의미한다. 따라서, 표면 굴곡 인지 불가 영역으로 진공단열체를 설계할 것인지, 간헐적 인지 영역으로 진공단열체를 설계할지 설계자가 결정하여야 한다.
상기 진공단열체(100) 설계 시 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각을 최대한 작게 하는 동시에 다음과 같은 사항을 고려하여야 한다.
먼저, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께는 가능하면 얇게 하는 것이 무게 및 재료비 측면에서 효율적이다.
상기 복수의 바의 재료는 가능한 적게 사용하는 것이 재료비, 진공공간부의 진공유지시간 및 열전도 측면에서 효율적이다. 또한, 상기 복수의 바의 직경은 1mm 이상으로 하는 것이 변형에 강하며, 생산성 측면에서 효과적이다.
다만, 상기 진공단열체(100)가 냉장고를 이루는 단열재로 사용될 경우, 냉장고 외부로 노출되는 상기 제2플레이트 부재(20)의 외부 표면에 별도의 패널이 장착되도록 할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2플레이트 부재(20)의 굴곡이 외부로 노출되는 것을 방지할 수 있다.
이하에서는, 사용자가 표면 굴곡을 인지하지 못하도록 하는 동시에 중량 조건을 만족하는 상기 복수의 바 간의 피치(P)와 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께 범위의 설계조건을 설명한다.
도 12는 플레이트 부재가 소정의 범위의 굴곡각을 갖도록 하는 플레이트 부재의 두께 및 복수의 바의 피치 조건을 나태내는 그래프이다.
도 12를 참조하면, 그래프 상에서 L1은 굴곡 인지 불가 영역의 경계선이며, L2는 간헐적 굴곡 인지 영역의 경계선이다. 구체적으로, L1 그래프의 상측은 굴곡 인지 불가 영역이고, L2 그래프의 상측은 간헐적 굴곡 인지 영역에 해당한다.
그래프의 가로축(P)은 상기 복수의 바 사이의 피치의 길이이며, 세로축(T)은 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께를 나타낸다.
L1은 T = 0.033×P + 0.067 의 식을 갖는다. T > 0.033×P + 0.067를 만족하도록 T와 P를 설계하면, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡부의 굴곡각은 0.5*10-3rad 이하로 설계되며, 이 경우 사용자가 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡을 인지하지 못하게 된다.
L2은 T = 0.032×P 의 식을 갖는다. T > 0.032×P를 만족하도록 T와 P를 설계하면, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡부의 굴곡각은 0.75*10-3rad 이하로 설계되며, 사용자가 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡을 간헐적으로만 인지할 수 있게 된다. 도 11에서는 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡부의 굴곡각이 1.0*10-3rad 이하인 경우를 간헐적 표면 굴곡 인지 영역으로 설명하였으나, 설계 및 제작 상의 오차를 감안하여 상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡부의 굴곡각을 0.75*10-3rad 이하로 설계하는 것이 바람직하다.
도 13은 플레이트 부재의 굴곡각과 진공단열체의 무게 및 단열성능을 동시에 만족시키는 플레이트 부재의 두께 및 복수의 바의 피치 조건을 나태내는 그래프이다.
도 13을 참조하면, L1은 도 12의 L1과 동일하다. 따라서 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 본 그래프에서는 상기 진공단열체가 표면의 굴곡각 조건을 만족하는 동시에 무게 및 열전도율을 만족하도록 설계하기 위하여 상기 복수의 바 사이의 피치(P)와 상기 플레이트 부재(10)(20)의 제한조건을 설정할 수 있다.
곡선 C1은 상기 진공단열체의 열전도율(conductivity)이 0.002W/mK를 만족하도록 하는 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)와 상기 복수의 바 사이의 피치(P)의 값을 나타낸다. 곡선 C1은 대략 수직하게 배치된다.
상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각을 작게하기 위해서는, 상기 복수의 바 사이의 피치(P)를 작게 하여야 하나, 열전도율을 낮춰 단열성능 조건을 만족시키기 위해서는 P > C1를 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.
한편, 그래프 C1 는 하단부가 좌측으로 약간 치우친 형태를 이루는데, 이는 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께가 일정한 값보다 얇은 경우에는 피치(P)가 작아도 전도율이 일정하게 유지되기 때문이다.
곡선 C2는 상기 진공단열체가 일정한 무게를 갖도록하는 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)와 상기 복수의 바 사이의 피치(P)의 값을 나타낸다. 곡선 C2은 거의 수평하게 배치된다.
상기 플레이트 부재(10)(20)의 표면 굴곡각을 작게하기 위해서는 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)를 크게 하여야 하나, 진공단열체의 무게 조건을 만족시키기 위해서는 T < C2를 만족하도록 설계하는 것이 바람직하다.
한편, 그래프 C2은 우상향 곡선을 이루는데, 피치(P)가 증가할수록 바의 개수가 감소하여 진공단열체 전체의 무게가 감소하고 진공단열체의 무게가 감소한 만큼 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께는 증가되기 때문이다.
따라서, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)와 상기 복수의 바 사이의 피치(P)는 T > 0.033×P + 0.067, T < C1, P > C2 세개의 부등식을 만족하도록 설계하여야 한다. 이는, 그래프에서 역삼각형을 이루는 영역을 의미한다.
정리하면, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)는 0.84mm 이상 0.92mm이하, 상기 복수의 바 사이의 피치(P)는 23mm 이상 25mm 이하로 설계하는 것이 바람직하다.
특히, 상기 플레이트 부재(10)(20)의 두께(T)는 0.9mm, 상기 복수의 바 사이의 피치(P)는 23mm으로 하는 것이 이상적이다. 이 경우, 굴곡각은 0.385*10-3rad이고, 진공단열체의 무게 및 열전도율은 기존의 수준을 유지하게 된다.
본 발명에 제시되는 진공단열체는 냉장고에 적용되는 것이 바람직하다. 그러나 진공단열체의 적용은 냉장고로 제한되지 아니하고, 초저온냉장장치, 온장장치, 및 송풍장치와 같은 다양한 개소에 적용될 수 있을 것이다.
본 발명은 진공단열체가 다양한 단열설비에 산업적으로 적용될 수 있도록 하였다. 단열효과를 높여서 에너지 사용효율을 높이고, 설비의 유효용적을 높일 수 있어서, 시급한 산업상의 적용이 적극적으로 기대된다.

Claims (23)

  1. 제 1 온도를 가지는 제 1 플레이트 부재;
    상기 제 1 온도와 다른 제 2 온도를 가지는 제 2 플레이트 부재;
    상기 제 1 온도와 상기 제 2 온도의 사이 온도이며 진공 상태의 공간을 제공할 수 있도록 상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 및
    상기 진공 상태의 공간을 유지하는 서포팅유닛이 포함되고,
    상기 서포팅유닛에는 상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재의 사이에 개재되며, 소정의 피치를 갖도록 배치된 복수의 바가 포함되고,
    상기 제 1 및 제 2 플레이트 부재의 표면의 어느 굴곡부의 굴곡각은 0.25×10-3rad 이상 0.5×10-3rad 이하인 진공단열체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면에 형성된 모든 굴곡부의 굴곡각의 범위는 0.5×10-3rad 이상 1.0×10-3rad 이하로 제한된 진공단열체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면에 형성된 모든 굴곡부의 굴곡각은 0.25×10-3rad 이상 0.5×10-3rad 이하로 제한된 진공단열체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면에 형성된 모든 굴곡부의 굴곡각의 범위는 0.5×10-3rad 이상 5.0×10-3rad 이하로 제한된 진공단열체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께는 0.5mm 이상 1.0mm 이하인 진공단열체.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 바 사이의 피치는 23mm 이상인 진공단열체.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께는 0.9mm 이하이고, 상기 복수의 바 사이의 피치는 23mm 이상인 진공단열체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께는 0.84mm 이상 0.92mm 이하인 진공단열체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 바 사이의 피치는 23mm 이상 25mm 이하인 진공단열체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    각각의 바의 직경은 1mm 이상인 진공단열체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재 간의 열전달량을 감소시키기 위한 열저항유닛이 포함되는 진공단열체.
  12. 제 1 온도를 가지는 제 1 플레이트 부재;
    상기 제 1 온도와 다른 제 2 온도를 가지는 제 2 플레이트 부재;
    상기 제 1 온도와 상기 제 2 온도의 사이 온도이며 진공 상태의 공간을 제공할 수 있도록 상기 제 1 플레이트 부재와 상기 제 2 플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 및
    상기 진공 상태의 공간을 유지하는 서포팅유닛이 포함되고,
    상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고,
    상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위격자를 감싸는 상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면은 단위 격자 영역으로 정의되고,
    상기 단위 격자 영역에는 상기 복수의 바가 배치된 지점을 최고점으로 하며, 상기 단위 격자 영역의 중심부에서 상기 진공 상태의 공간 측으로 함몰된 지점을 최저점으로 하는 굴곡부가 형성되고,
    상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성된 진공단열체.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께를 T라 하고, 상기 복수의 바 사이의 피치를 P라 할 때, T > 0.032×P 의 부등식을 만족하는 진공단열체.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께를 T라 하고, 상기 복수의 바 사이의 피치를 P라 할 때, T > 0.033×P + 0.067 의 부등식을 만족하는 진공단열체.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 진공 상태의 공간의 진공도는 1.8×10-6Torr이상 2.65×10-1Torr이하인 진공단열체.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께와 상기 복수의 바 사이의 피치는 서로 비례하는 진공단열체.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 열전달은, 고체전도열전달이 복사열전달보다 크고, 가스전도열이 가장 작은 진공단열체.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재 간의 열전달량을 감소시키기 위한 열저항유닛이 포함되는 진공단열체.
  19. 저장물을 저장할 수 있는 내부공간을 제공되는 본체; 및
    외부공간으로부터 상기 본체를 개폐할 수 있도록 제공되는 도어가 포함되고,
    상기 본체로 냉매를 공급할 수 있도록 하기 위하여,
    냉매를 압축하는 압축기;
    압축된 냉매를 응축하는 응축기;
    응축된 냉매를 팽창시키는 팽창기; 및
    팽창된 냉매를 증발시켜 열을 빼앗는 증발기가 포함되고,
    상기 본체 및 상기 도어 중의 적어도 하나는 진공단열체를 포함하고,
    상기 진공단열체에는,
    상기 내부공간을 위한 벽의 적어도 일부를 정의하는 제1플레이트 부재;
    상기 외부공간을 위한 벽의 적어도 일부를 정의하는 제2플레이트 부재;
    상기 내부공간의 온도와 상기 외부공간의 온도의 사이 온도이며 진공 상태의 공간인 진공공간부를 제공할 수 있도록 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재를 밀봉하는 밀봉부; 및
    상기 진공공간부를 유지하는 서포팅유닛이 포함되고,
    상기 서포팅유닛에는 상기 제1플레이트 부재와 상기 제2플레이트 부재의 사이에 개재되며 소정의 피치를 갖도록 격자형으로 배치된 복수의 바가 포함되고,
    상기 복수의 바 중에서 인접한 복수의 바는 단위 격자를 구성하며, 상기 단위격자를 감싸는 상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면은 단위 격자 영역으로 정의되고,
    상기 단위 격자 영역에는 상기 복수의 바가 배치된 지점을 최고점으로 하며, 상기 단위 격자 영역의 중심부에서 상기 진공 상태의 공간 측으로 함몰된 지점을 최저점으로 하는 굴곡부가 형성되고,
    상기 단위 격자 영역 내의 최고점들이 이루는 평면에 대하여 상기 최고점과 상기 최저점을 잇는 직선이 이루는 각도는 상기 굴곡부의 굴곡각으로 정의되고,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 표면에는 각각의 단위 격자에 의해 복수의 굴곡부가 형성된 냉장고.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2플레이트 부재는 상기 냉장고의 외부로 노출되고,
    상기 제2플레이트 부재 표면에 형성된 굴곡부의 굴곡각은 0.25×10-3rad 이상 1.0×10-3rad 이하인 냉장고.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 플레이트 부재 중의 적어도 하나의 두께를 T라 하고, 상기 복수의 바 사이의 피치를 P라 할 때, T > 0.032×P 의 부등식을 만족하는 냉장고.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 제2플레이트 부재에 부착되는 패널이 더 구비되는 냉장고.

  23. 삭제
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