KR20100099629A - 진공 단열체 및 진공 단열체용 충진재 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공 단열체 및 진공 단열체용 충진재에 관한 것이다.
본 발명에 따른 진공 단열체는, 소정간격을 두고 평행하게 위치되며, 서로 대응되는 격자구조를 가지는 상부 빔 및 하부 빔과, 상부 빔 및 하부 빔의 격자구조의 모서리를 수직으로 연결하는 기둥 빔으로 이루어진, 제1 격자구조물 및 제2 격자구조물, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물의 외측에 배치된 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고, 제2 격자구조물은, 그 기둥 빔이 제1 격자 구조물의 기둥 빔과 서로 엇갈려 위치하도록 제1 격자 구조물 상에 부착되어 있다.
진공 단열체, 격자구조, 다공성 충진재, 외피재

Description

진공 단열체 및 진공 단열체용 충진재{VACUUM INSULATOR AND FILLING MATERIAL FOR VACUUM INSULATOR}
본 발명은 건물 또는 냉장고 등의 외벽 단열재 및 휴대용 보온장치 등에 적용될 수 있는 진공 단열체 및 진공 단열체용 충진재에 관한 것이다.
인류가 소비하는 에너지 총량의 절반은 주거 및 상업용 건물의 냉난방에 소비되고 있으며, 이러한 비율은 국내의 경우에도 동일하다. 대체 에너지의 수급량이 현재 총 에너지 소비량의 1 내지 2%에 불과하고, 장기적인 계획도 10%를 넘지 못함을 고려해보면, 냉난방 에너지의 절감이 현재의 에너지 위기를 타개할 수 있는 가장 효과적인 방안이라고 할 수 있다. 이렇게 많은 에너지를 냉난방에 소비하는 이유는, 기존 단열체의 열전도계수가 지난 일세기 동안 30mW/m·K라는 한계치에서 조금도 더 발전하지 못하고 있기 때문이다. 현재의 단열재를 가지고 에너지 소비를 절반으로 줄이고자 한다면 단열재의 두께가 너무 두꺼워져서 경제적으로 타당성이 있는 건축이 불가능하고, 더욱이 기존의 건물의 경우에는 이를 허물지 않고는 달리 방도가 없다. 따라서, 기존 및 신축 건물에 내외장재의 형태로 적용할 수 있는 초단열재가 개발되어야 하며, 진공 단열체가 그것을 가능하게 할 수 있다. 진공 단열 체는 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.
일반적으로, 진공 단열체는, 단열재의 형태를 유지하는 내부심재(코어), 진공을 유지하기 위해 내부심재를 감싸는 가스차단성의 외부보호필름, 장기간 진공을 유지하기 위한 기체 흡착제 또는 게터(getter)로 구성된다. 여기서, 내부심재는 단열재 내외부의 압력차로 인한 하중을 견딜 수 있어야 하고, 공기가 쉽게 배기될 수 있는 다공성의 구조이어야 한다. 통상적으로 진공 단열체의 내부심재로 폴리우레탄 및 폴리스타이렌 폼, 유리섬유, 미네랄 울, 실리카 분말, 펄라이트 분말 등이 제시되어 왔다. 그러나, 이러한 종래 내부심재는 압축을 받게 되면 자체의 열전도도가 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 종래 내부심재는 랜덤한 구조를 가지므로, 잉여의 열전달경로가 존재하여 최적화된 구조라 할 수 없다.
그리고, 상술한 벌크 유형의 내부심재를 사용하지 않고, 인공적인 구조물이 제시되기도 하였다. 그 예로 벌집형 구조물을 여러 층으로 쌓고, 층 사이에 격막을 설치한 진공 단열체용 내부심재가 각각 미국특허공개공보 US20030207075A1과 US20050042416A1에 개시되어 있다. 또한, 격자형 빔을 여러 층으로 쌓은 예도 미국등록특허 US4,358,490와 US4,409,770에 개시되어 있다. 상기의 구성들은 최소한의 구조물로 열전달을 최소화하기 위하여, 구조적으로 안정적인 내부심재를 적용하여 구조체를 통한 열전도를 억제시킬 수 있다. 그러나, 다공성의 벌크한 심재에 비해 상대적으로 내부의 공극(pore; 내부심재 내에서 기체분자가 열을 전달할 수 있는 벽과 벽사이의 거리)이 커서 미량의 잔류 혹은 침투 기체에 의한 열전도도가 커지는 문제점이 있다.
한편, 기체의 열전도도는 기체 분자의 평균자유행로가 공극의 크기보다 같거나 작아질 때 급격히 감소된다. 여기서, 기체의 평균자유행로는 압력에 반비례하기 때문에, 내부심재의 공극의 크기가 작을수록 기체의 열전도효과가 급격히 줄어들어 기준 압력이 높아지게 된다. 예를 들면, 공극의 크기가 5um 정도인 실리카 분말의 경우, 약 1000Pa 이하의 압력만 유지되면 되지만, 인위적인 구조물의 공극의 크기가 약 5mm 정도라면 본래의 진공 단열체의 성능을 발휘하기 위해 압력이 약 1Pa 이하로 유지되어야 한다. 진공 단열체의 수명을 10년이라 가정할 때, 10년간 이 정도의 압력을 유지하기는 쉽지 않다. 따라서, 공극의 크기가 가능한 한 작아야 하지만, 인공적인 구조물의 경우 제조 한계상 벌크한 내부심재의 공극 크기인 수 마이크론에서 수백 마이트론 정도로 제작될 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외부 대기압에 의한 압축을 견뎌주는 격자구조물과 해당 격자구조물 내에 다공성의 충진재를 채워주는 것에 의하여, 격자구조물을 통한 전도열전달을 최소화시킬 수 있고, 복사열전달과 미량의 잔류 및 침투 기체에 의한 전도열전달을 최소화시킬 수 있는 진공 단열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 전체 진공 단열체의 유효 열전도 계수 값을 현저하게 감소시켜주는 것에 의하여, 진공 단열체의 단열성능을 향상시킬 수 있는 진공 단열체를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 방사율이 낮은 알루미늄 포일을 충진재에 사용하는 것에 의하여, 복사열 전달을 효과적으로 차단할 수 있고, 또한 전체 진공 단열체의 밀도를 낮출 수 있는 진공 단열체용 충진재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 방사율이 낮은 알루미늄 포일층 사이에 섬유물질층을 형성하여주는 것에 의하여, 복사열 전달 및 충진재 자체의 열전달 효과를 줄일 수 있는 진공 단열체용 충진재를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체는, 소정간격을 두고 평행하게 위치되며, 서로 대응되는 격자구조를 가지는 상부 빔 및 하부 빔과, 상부 빔 및 하부 빔의 격자구조의 모서리를 수직으로 연결하는 기둥 빔으로 이루어진, 제1 격자구조물 및 제2 격자구조물, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물의 외측에 배치된 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고, 제2 격자구조물은, 그 기둥 빔이 제1 격자 구조물의 기둥 빔과 서로 엇갈려 위치하도록 제1 격자 구조물 상에 부착되어 있다.
따라서, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 외부 대기압에 의한 압축을 견뎌주는 격자구조물과 해당 격자구조물 내에 다공성의 충진재를 채워주는 것에 의하여, 격자구조물을 통한 전도열전달을 최소화시킬 수 있고, 복사열전달과 미량의 잔류 및 침투 기체에 의한 전도열전달을 최소화시킬 수 있다.
청구항 2에 관한 발명인 진공 단열체는, 청구항 1에 관한 발명인 진공 단열체에 있어서, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질을 포함한다.
따라서, 청구항 2에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질로 구성하는 것에 의하여, 외부 대기압에 의한 압축에 대하여 견고하게 견딜 수 있다.
청구항 3에 관한 발명인 진공 단열체는, 제1 플레이트, 제1 플레이트 상에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치되는 중공 형의 제1 실린더 원기둥, 실린더 원기둥 상에 위치되는 제2 플레이트, 제2 플레이트 상에 소정 간격으로 이격되고, 제1 실린더 원기둥과 엇갈려 격자형으로 배치되는 중공형의 제2 실린더 원기둥, 제2 실린더 원기둥 상에 위치되는 제3 플레이트, 제1 플레이트 및 제2 플레이 트의 사이이고, 또한, 제1실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워지고, 제2 플레이트 및 제3 플레이트의 사이이고, 또한, 제2 실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재를 포함한다.
따라서, 청구항 3에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 외부 대기압에 의한 압축을 견뎌주는 제1 및 제2 실린더 원기둥에 의하여, 외부 대기압에 의한 압축을 견딜 수 있고, 제2 실린더 원기둥과 제1 실린더 원기둥을 엇갈리게 배치하는 것에 의하여, 열전달 경로를 더 복잡하게 할 수 있다.
청구항 4에 관한 발명인 진공 단열체는, 제1 플레이트, 제1 플레이트 상면에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치되고, 그 내부에 소정 높이까지 다공성의 충진재가 채워진 중공 형의 제1 실린더 원기둥, 충진재 상에 그 하단이 놓여지고, 그 외경이 제1 실린더 원기둥의 내경보다 작은 제2 실린더 원기둥, 제2 실린더 원기둥의 상단에 위치되는 제2 플레이트, 제1 플레이트 및 제2 플레이트의 사이이고, 또한, 제1실린더 원기둥 및 제2 실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재를 포함한다.
따라서, 청구항 4에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 제1 실린더 원기둥에 다공성 충진재를 채워놓고, 이를 제2 실린더 원기둥이 압축을 하는 것에 의하여, 전체적으로 외부 대기압에 의한 압축을 견딜 수 있고, 그 압축에 의한 힘을 받는 중공형의 제1 실린더 기둥을 통하여 열저항을 증가시켜 전도열전달을 감쇠시킬 수 있으며, 기체에 의한 열전도도를 최소화할 수 있다.
청구항 5에 관한 발명인 진공 단열체는, 소정 간격을 두고 평행하게 위치되 는 상부 및 하부 플레이트, 상부 플레이트 하면에 소정 간격으로 이격되어 평행하게 세워진 상부 지지기둥, 하부 플레이트 상면에 소정 간격으로 평행하게 세워진 하부 지지기둥, 산과 골이 형성되도록 절곡되고, 상부 지지기둥 및 하부 지지기둥의 사이에 위치되는 절곡 플레이트, 상부 플레이트, 하부 플레이트, 상부 지지기둥, 하부 지지기둥 및 절곡 플레이트에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재를 포함하고, 상부 지지기둥과 하부 기둥은 서로 엇갈리게 배치되어 있고, 상부 지지기둥의 하단과 하부 지지기둥의 상단은 절곡 플레이트의 골과 산에 각각 연결되어 있다.
따라서, 청구항 5에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 산과 골이 형성되도록 절곡되고, 상부 지지기둥 및 하부 지지기둥의 사이에 위치되는 절곡 플레이트를 형성하여 상부 지지기둥의 하단과 하부 지지기둥의 상단은 절곡 플레이트의 골과 산에 각각 연결되도록 하는 것에 의하여, 열전달 경로를 복잡하게 할 수 있다.
청구항 6에 관한 발명인 진공 단열체는, 상부 및 하부 플레이트, 삼각 형상의 단면을 복수 개 가지도록 절곡된 제1 및 제2 절곡 플레이트, 상부 플레이트, 하부 플레이트, 제1 절곡 플레이트 및 제2 절곡 플레이트에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재를 포함하고, 제1 절곡 플레이트는 하부 플레이트 상에 놓여지며, 제2 절곡 플레이트는 제1 절곡 플레이트와 90도 회전한 상태로 제1 절곡 플레이트 상에 놓여지고, 상부 플레이트는 제2 절곡 플레이트 상에 놓여진다.
따라서, 청구항 6에 관한 발명인 진공 단열체에 의하면, 삼각 형상의 단면을 복수 개 가지도록 절곡된 제1 및 제2 절곡 플레이트를 포함하고, 제2 절곡 플레이 트는 제1 절곡 플레이트와 90도 회전한 상태로 제1 절곡 플레이트 상에 놓여지게 하는 것에 의하여, 제1 및 제2 절곡 플레이트가 점접촉을 하면서 접촉 열저항이 발생되고, 열전달 경로를 복잡하게 할 수 있다.
청구항 7에 관한 발명인 진공 단열체용 충진재는, 소정 두께의 알루미늄 포일을 복수 개 적층하여 이루어진다.
따라서, 청구항 7에 관한 발명인 진공 단열체용 충진재에 의하면, 방사율이 낮은 알루미늄 포일을 충진재에 사용하는 것에 의하여, 복사열 전달을 효과적으로 차단할 수 있고, 또한 전체 진공 단열체의 밀도를 낮출 수 있다.
청구항 8에 관한 발명인 진공 단열체용 충진재는, 소정 두께를 가지고, 복수 층으로 적층된 알루미늄 포일층, 알루미늄 포일층 사이에 각각 배치된 소정의 섬유물질층을 포함하며, 섬유물질층은 서로 직각으로 회전하여 배치되어 있다.
따라서, 청구항 8에 관한 발명인 진공 단열체용 충진재에 의하면, 방사율이 낮은 알루미늄 포일층 사이에 섬유물질층을 형성하여주는 것에 의하여, 복사열 전달 및 충진재 자체의 열전달 효과를 줄일 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 외부 대기압에 의한 압축을 견뎌주는 격자구조물과 해당 격자구조물 내에 다공성의 충진재를 채워주는 것에 의하여, 격자구조물을 통한 전도열전달을 최소화시킬 수 있고, 복사열전달과 미량의 잔류 및 침투 기체에 의한 전도열전달을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 전체 진공 단열체의 유효 열전도 계수 값을 현저하 게 감소시켜주는 것에 의하여, 진공 단열체의 단열성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 방사율이 낮은 알루미늄 포일을 충진재에 사용하는 것에 의하여, 복사열 전달을 효과적으로 차단할 수 있고, 또한 전체 진공 단열체의 밀도를 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 방사율이 낮은 알루미늄 포일층 사이에 섬유물질층을 형성하여주는 것에 의하여, 복사열 전달 및 충진재 자체의 열전달 효과를 줄일 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제 해결 수단, 효과 외의 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도이고, 도 2a 및 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도이며, 도 3a 및 3b는 본 발명의 제3 실시예 에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도이고, 도 4a 및 4b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도이며, 도 5는 도 4a 및 4b의 변형예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도이고, 도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도이다.
도 1a 및 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 진공 단열체는, 제1 격자구조물(100) 및 제2 격자구조물(200), 다공성 충진재(P1), 제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b)를 포함한다. 본 발명의 제1 실시예에 따른 진공 단열체는, 제1 격자구조물(100)과 제2 격자 구조물(200)로 구성된 복 층의 셀 구조이다.
제1 격자구조물(100) 및 제2 격자구조물(200)은, 진공 단열체 내외부의 압력차에 의한 하중을 지탱해주는 구조적인 역할을 하는 것이다. 제1 격자구조물(100) 및 제2 격자구조물(200) 각각은, 소정간격을 두고 평행하게 위치되며, 서로 대응되는 격자구조를 가지는 상부 빔(110, 210) 및 하부 빔(120, 220)과, 상부 빔(110, 210) 및 하부 빔(120, 220)의 격자구조의 모서리를 수직으로 연결하는 기둥 빔(130, 230)으로 이루어진다. 여기서, 제2 격자구조물(200)은, 그 기둥 빔(230)이 제1 격자 구조물(100)의 기둥 빔(130)과 서로 엇갈려 위치하도록 제1 격자 구조물(100) 상에 부착되어 있다. 또한, 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질을 포함한다. 예를 들면, 인장강도, 열전도계수 및 제조성을 고려하여 폴리머(Polymer)를 사용한다. 보다 상세하 게는, 폴리머 중 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질인 폴리카보네이트(Polycarbonate)나 폴리이미드(Polyimide)를 사용하는 것이 바람직하다. 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)은 자체의 열전달을 최소화시키는 구조로서, 도 2a 이하 도 6까지와 같은 다양한 구조로 변경가능하다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
다공성 충진재(P1)는, 하중을 받지 않는 상태로 기체에 의한 전도 열전달과 복사 열전달을 억제하는 역할을 하는 것으로서, 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진다. 즉, 실리카(SiO2) 분말, 펄라이트(Perlite) 분말, 유리섬유(Glass Fiber), 울(Wool), 에어로젤(Aerogel) 등의 단열물질이 채워진다.
제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b)는 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자구조물(200) 각각의 외측을 덮을 수 있도록 각각의 표면이 평평하게 형성된다. 또한, 도시되어 있지는 않지만, 외피재를 통하여 제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b)의 외측을 덮는다. 여기서, 외피재는 외부로부터 진공 단열체의 내부로 가스가 투과되는 것을 막는 역할을 하고, 가스투과도가 낮아 진공도를 장기간 유지할 수 있는 외피재가 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 외피재는 진공포장재로 일반적으로 사용되는 PET(Polyethylene terephthalate), LDPE(Lowdensity polyethylene), 알루미늄, LLDPE(Linear-Lowdensity polyethylene)가 적층된 필름이 사용될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 진공 단열체의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 두 개의 평평한 제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b)와 그 사이의 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)이 가스차단성의 외피재 안에 놓여있고, 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)의 빈 공간을 다공성의 충진재(P1)로 채우게 된다. 즉, 제1 격자 구조물(100) 및 제2 격자 구조물(200)은, 두 개의 제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b) 사이에 105Pa 의 압력을 견딜 수 있는 복 층의 셀 구조물이다. 한 층의 셀 구조만으로는 구조 내 기둥(230, 130)이 두 개의 제1 플레이트(300a) 및 제2 플레이트(300b) 사이를 직접적으로 연결하기 때문에, 열전도 측면에서 불리하다. 따라서, 셀 구조물을 격자형으로 한 층 더 삽입하여 열전달 경로를 좀 더 길게 한 구조이다.
도 2a 및 2b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 단열체는, 제1 플레이트(410), 제1 실린더 원기둥(415), 제2 플레이트(420), 제2 실린더 원기둥(425), 제3 플레이트(430)를 포함한다.
제1 플레이트(410) 및 제2 플레이트(420)는, 각각의 상면에 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기둥(425)이 세워지고, 제2 플레이트(420) 및 제3 플레이트(430)는 각각의 하면에 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기둥(425)이 배치될 수 있도록 각각의 표면이 평평하게 형성되는 것이 바람직하다.
제1 실린더 원기둥(415)은, 내부가 비어있는 중공형이고, 제1 플레이트(410) 상에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치된다. 또한, 제1 실린더 원기둥(415) 상에 제2 플레이트(420)가 배치된다.
제2 실린더 원기둥(425)은, 내부가 비어있는 중공형이고, 제2 플레이트(420) 상에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치된다. 여기서, 제2 실린더 원기둥(425)은, 제1 실린더 원기둥(415)과 엇갈려 격자형으로 배치된다.
한편, 제1 플레이트(410) 및 제2 플레이트(420)의 사이이고, 또한, 제1실린더 원기둥(415)의 외부에 형성되는 내부공간에 채워지고, 제2 플레이트(420) 및 제3 플레이트(430)의 사이이고, 또한, 제2 실린더 원기둥(425)의 외부에 형성되는 내부공간에는는 별도의 다공성 충진재(P2)로 채워진다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 단열체의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 내부가 비어 있는 중공형의 제1 실린더 원기둥(415)을 제1 플레이트(410) 상에 격자형으로 배치하고, 그 위에 평평한 지지판인 제2 플레이트(420)를 놓고, 제1 실린더 원기둥(415)과 동일선상에 위치하지 않도록 제2 실린더 원기둥(415)을 배열하는 구조이다. 여기서, 원기둥의 두께(W1)는 구조적으로 견딜 수 있는 범위 내에서 최소화하는 것이 바람직하다. 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기둥(425)이 동일선상에 놓이지 않고 엇갈리게 배치함으로써, 열전달경로를 복잡하게 하여 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
여기서, 원기둥의 두께(W1)는 압축하중에 의한 좌굴(buckling)을 견딜 수 있는 최소 두께로 형성하여야 한다. 예를 들면, 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기둥(425)을 폴리카보네이트로 하고, 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기둥(425)의 높이를 약 5mm로 할 경우, 두께(W1)가 1mm만 되어도 구조적으로 외부의 하중을 지탱할 수 있다. 또한, 제1 실린더 원기둥(415) 및 제2 실린더 원기 둥(425)은 중공체이고 높이가 낮기 때문에, 좌굴에 유리한 구조이다. 그러나, 본 발명의 제2 실시예는 원기둥을 그 구조로 하여 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 강도가 높으며 열전도계수가 낮은 재질인 폴리이미드 또는 폴리카보네이트 등을 사용시 1~2mm 정도 두께이면 적용가능하다. 그리고, 본 발명의 제2 실시예는 하중을 지탱할 수 구조이면 다른 구조를 사용할 경우에도 적용될 수 있다. 또한, 원기둥의 내경(W2) 및 외경(W1)에 대한 수치 범위도 하중을 지탱할 수 있는 구조로서 당업자에 의하여 용이하게 변경될 수 있음은 자명하다.
도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 진공 단열체는, 제1 플레이트(510), 제1 실린더 원기둥(511), 제2 실린더 원기둥(512), 제2 플레이트(520)를 포함한다. 한편, 도 3a 및 3b에 도시된 본 발명의 제3 실시예에 따른 진공 단열체는, 도 2a 및 2b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 단열체에서 지지판(즉, 제2 플레이트)을 없애고, 제1 실린더 원기둥 및 제2 실린더 원기둥이 실린더와 피스톤 형태로 만나는 구조이다.
제1 플레이트(510) 및 제2 플레이트(520)는, 제1 플레이트(510)의 상면 및 제2 플레이트(520)의 하면에 제1 실린더 원기둥(511) 및 제2 실린더 원기둥(512)이 세워질 수 있도록 각각의 표면이 평평하게 형성되는 것이 바람직하다.
제1 실린더 원기둥(511)은, 내부가 비어있는 중공형이고, 제1 플레이트(510) 상면에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치되고, 그 내부에 소정 높이까지 다공성 충진재(P3')가 채워진다.
제2 실린더 원기둥(512)은, 제1 실린더 원기둥(511) 내부에 채워진 충진 재(P2) 상에 그 하단이 놓여지고, 그 외경(W2')이 제1 실린더 원기둥(511)의 내경(W1')보다 작다.
또한, 제1 플레이트(510) 및 제2 플레이트(520)의 사이이고, 또한, 제1실린더 원기둥(511) 및 제2 실린더 원기둥(512)의 외부에 형성되는 내부공간에는 별도의 다공성 충진재(P3)로 채워진다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 진공 단열체의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 하부의 중공형의 제1 원기둥 실린더(511)에 미세한 크기의 분말이나 수직방향의 배열로 이루어진 섬유 등의 다공성 충진재(P3')를 채워놓고, 이것을 상부의 중공형의 제2 실린더 원기둥(512)이 압축을 하여 전체적으로 외부의 하중에 대해 지지를 하는 구조이다. 따라서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 진공 단열체는 힘을 받는 부분이 분말과 중공형의 제1 원기둥 실린더(511) 및 제2 원기둥 실린더(512)뿐으로, 이 부분을 통한 열저항이 증가하게 된다.
도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4 실시예에 따른 진공 단열체는, 상부 플레이트(620) 및 하부 플레이트(610), 상부 지지기둥(621), 하부 지지기둥(611), 절곡 플레이트(615)를 포함한다.
상부 플레이트(620) 및 하부 플레이트(610)는, 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 평평한 면을 가진다.
상부 지지기둥(621)은, 상부 플레이트(620) 하면에 소정 간격으로 이격되어 평행하게 세워진다.
하부 지지기둥(611)은, 하부 플레이트(610) 상면에 소정 간격으로 평행하게 세워진다.
여기서, 상부 지지기둥(621)과 하부 지지기둥(611)은 서로 엇갈리게 배치되어 있고, 상부 지지기둥(621)의 하단과 하부 지지기둥(611)의 상단은 절곡 플레이트(615)의 골(615a)과 산(615b)에 각각 연결되어 있다.
절곡 플레이트(615)는, 산(615b)과 골(615a)이 형성되도록 절곡되고, 상부 지지기둥(621) 및 하부 지지기둥(611)의 사이에 위치된다. 절곡 플레이트(615)는 주름진 형태의 판 또는 메쉬일 수 있고, 이를 통하여 상부 지지기둥(621) 및 하부 지지기둥(611)을 지지한다.
또한, 상부 플레이트(620), 하부 플레이트(610), 상부 지지기둥(621), 하부 지지기둥(611) 및 절곡 플레이트(615)에 의하여 형성된 내부공간에는 별도의 다공성 충진재(P4)가 채워진다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 진공 단열체의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 상부 플레이트(620)에 연결된 상부 지지기둥(621)과 하부 플레이트(610)에 연결된 하부 지지기둥(611)이 동일선상에 놓이지 않도록 엇갈리게 배치되어 있고, 이 사이를 주름진 형태의 절곡 플레이트(615)가 존재하여 상부 지지기둥(620) 및 하부 지지기둥(610)을 지지하고 열전달 경로를 길게 하는 구조이다. 따라서, 상부 지지기둥(620) 및 하부 지지기둥(610)과 중간의 주름진 형태의 절곡 플레이트(615) 사이의 접촉을 점 접촉으로 하여줌으로써, 열저항이 늘어나게 되어 단열 성능이 향상될 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제4 실시예의 변형예에 따른 진공 단열체는, 상부 플레이트(720) 및 하부 플레이트(710), 절곡 도선(715)을 포함한다. 한편, 도 5에 도시된 본 발명의 제4 실시예의 변형예에 따른 진공 단열체는, 도 4에 도시된 본 발명의 제4 실시예에 따른 진공 단열체의 주름진 형태의 절곡 플레이트 대신 와이어 형태의 절곡 도선(715)을 삽입한 구조로서, 중복되는 구조인 상부 플레이트(720) 및 하부 플레이트(710)에 대한 설명은 생략하고, 절곡 도선(715)에 대하여만 설명하기로 한다.
절곡 도선(715)은, 상부 플레이트(720) 및 하부 플레이트(710) 사이에 소정 간격으로 평행하게 위치되고, 산과 골을 이루도록 주름진 형태로 절곡되어, 지지기둥(721, 711)을 지지한다. 즉, 상부 플레이트(720) 및 하부 플레이트(710)의 지지기둥(721, 711)이 서로 엇갈리게 배치되고, 각각 골 및 산에 접촉되어, 절곡 도선(715)에 의하여 지지된다.
또한, 도시되어 있지는 않지만, 상부 플레이트(720), 하부 플레이트(710), 상부 지지기둥(721), 하부 지지기둥(711) 및 절곡 도선(715)에 의하여 형성된 내부공간에는 별도의 다공성 충진재가 채워진다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 진공 단열체는, 상부 플레이트(820) 및 하부 플레이트(810), 제1 절곡 플레이트(811) 및 제2 절곡 플레이트(821)를 포함한다.
상부 플레이트(820) 및 하부 플레이트(810)는, 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 평평한 면을 가진다.
제1 절곡 플레이트(811) 및 제2 절곡 플레이트(821)는, 하부 플레이트(810) 및 상부 플레이트(820) 사이에 배치되고, 삼각 형상의 단면을 복수 개 가지도록 절곡된 형상을 가진다. 여기서, 제1 절곡 플레이트(811)는 하부 플레이트(810) 상에 놓여지며, 제2 절곡 플레이트(821)는 제1 절곡 플레이트(811)와 90도 회전한 상태로 제1 절곡 플레이트(811) 상에 놓여진다. 또한, 제2 절곡 플레이트(821) 상에 상부 플레이트(820)가 놓여진다.
또한, 도시되어 있지는 않지만, 상부 플레이트(820), 하부 플레이트(810), 제1 절곡 플레이트(811) 및 제2 절곡 플레이트(821)에 의하여 형성된 내부공간에는 별도의 다공성 충진재가 채워진다.
본 발명의 제5 실시예에 따른 진공 단열체의 구조에 대하여 보다 상세하게 설명하자면, 점 접촉을 통한 열저항을 증가시키는 방법으로 두 개의 상부 플레이트(820) 및 하부 플레이트(810) 사이에 삼각 주름 구조인 제1 절곡 플레이트(811)를 놓고, 그 위에 또 하나의 삼각 주름 구조인 제2 절곡 플레이트(821)를 90도 회전하여 쌓는 구조이다. 따라서, 본 발명의 제5 실시예에 따른 진공 단열체는 두 개의 삼각주름구조인 제1 절곡 플레이트(811) 및 제2 절곡 플레이트(821)가 점 접촉을 하면서 접촉 열저항이 발생되고, 열 전달경로 또한 복잡해져 유효 열전달 계수를 낮출 수 있기 때문에, 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 진공 단열체의 유효열전달 계수(keff )는, 수학식 1과 같이, 내부의 구조체 자체를 통한 전도 열전달(ks), 잔류가스, 즉 진공상태이지만 외부에서 침투해 들어오거나 잔류해 있던 미세량의 기체에 의한 전도 열전달(kg), 내부공간에서의 복사 열전달(kr)의 합으로 표현될 수 있다.
Figure 112009013159068-PAT00001
그러나, 진공 단열체 안에 내부공극(pore size:φ)이 상대적으로 커지는 구조상의 문제점으로 인하여, 기체의 열전도 계수를 최소화하기 위하여 사용되는 기체가 아래 수학식 2를 만족하여야 한다.
Figure 112009013159068-PAT00002
여기서, kg0는 대기압 및 상온 하에서의 공기의 열전도계수이고, P는 진공 단열체 내부의 압력(Pa)을 의미한다. 예를 들어, 진공 단열체 내부의 압력이 약 10Pa이고, 내부공극의 크기가 10um라면, kg = 1 x 10-4 W/m·K이 된다. 이때, 도출된 kg 값을 통하여 잔류가스에 의한 열전도가 무시할 수 있는 정도가 된다는 것을 알 수 있다.
또한, 복사 열전달의 효과에 있어서는, 내부의 다공성 충진재나 별도의 내부구조에 의해 거의 모든 복사열이 차단되어 kr은 대략 10-4 W/m·K값을 가지게 되므 로, 이 역시 거의 무시할 수 있는 정도가 된다. 한편, 상술한 수학식 1 및 수학식 2나 그에 의하여 도출된 값은, 진공 단열체 내부의 충진재 종류나 내부 구조의 특징에 따라 달라질 수 있다.
여기서, 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여도출된 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 유효 열전달 계수(keff)는 0.001W/m·K 이하로 된다. 따라서, 이러한 유효 열전달 계수는 종래의 것에 비하여 매우 낮아진 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 진공 단열체의 다양한 형태의 내부구조체는 구조적으로 외부의 대기압에 의한 하중을 견딜 수 있도록 견고하고, 내부구조체 자체를 통한 전도 열전달이 최소가 되도록 열전달 경로가 복잡하고 길다. 이러한 구조들은 대량생산을 고려하여 폴리머를 재료로 하여 사출성형을 통해 제작될 수 있다. 또한, 제작된 내부구조체 안의 빈 공간을 기체에 의한 열전도도를 최소화하고 낮은 진공도에서도 사용할 수 있도록, 공극의 크기가 수 내지 수십 마이크론 크기의 다공성 물질을 충진재로 채우게 된다.
이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 진공 단열체에 사용되는 다공성 충진재로서 벌크 형의 단열물질을 사용하였으나, 벌크 형의 단열물질 이외에 본 발명에 따른 진공 단열체에 사용될 수 있는 충진재에 관하여 도 7 및 도 8을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재의 구조를 나타내는 상측면도이고, 도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재의 구 조를 나타내는 상측면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재는, 소정 두께의 알루미늄 포일(910)을 복수 개 적층하여 이루어진다. 한편, 도시되어 있지는 않지만, 알루미늄 포일을 분쇄하여 진공 단열체 내부에 충진재로서 사용할 수도 있다.
알루미늄 포일(910)은 방사율(emissivity)이 낮아 복사열전달을 억제하는 동시에 공극크기(포일과 포일사이의 간격)를 최대한 줄일 수 있으므로, 분말이나 섬유 등의 벌크형 물질보다 진공 단열체 전체의 밀도를 낮출 수 있다. 또한, 알루미늄 포일(910)이 상대적으로 열전도 계수가 크기 때문에 열전도방향(즉, 충진재의 수직방향)으로의 열전도를 억제시킬 필요가 있으므로, 최대한 얇은 알루미늄 포일로 이루어진 필름을 사용하여야 한다. 따라서, 본 발명의 제6 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재로 사용되는 알루미늄 포일의 소정 두께는 약 7um 내지 10um인 것이 바람직하다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재는, 소정 두께를 가지고, 복수 층으로 적층된 알루미늄 포일층(910), 알루미늄 포일층(910) 사이에 각각 배치된 소정의 섬유물질층(920)을 포함한다. 여기서, 섬유물질층(920)은 서로 직각으로 회전하여 배치되어 있다. 한편, 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재로 사용되는 알루미늄 포일층(910)의 소정 두께는, 도 7에서와 같이 약 7um 내지 10um인 것이 바람직하다.
즉, 복수의 알루미늄 포일층(910) 중 하부의 알루미늄 포일층 위에 유리섬유 나 미네랄 울 등의 섬유 물질층을 일정방향으로 배열하고, 다시 그 위에 알루미늄 포일층을 배치한 후, 상기 섬유물질층의 배열방향에 대하여 90도 회전하여 배열하는 것을 반복한다. 여기서, 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재는, 섬유 물질층(920)의 배열을 90도 회전하는 것을 그 예로 들었으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 엇갈리게 배열하여 열전달 경로를 복잡화할 수 있는 구조에도 적용될 수 있다.
한편, 도시되어 있지는 않지만, 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재는, 섬유물질층(920)을 대신하여 10um 이하의 실리카 계열의 분말을 적용할 수도 있다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재를 통해 복사열전달 및 충진재 자체의 열전달 효과를 줄일 수 있으므로, 진공 단열체의 단열 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 외부 대기압에 의한 압축을 견뎌주는 격자구조물과 해당 격자구조물 내에 다공성의 충진재를 채워주는 것에 의하여, 격자구조물을 통한 전도열전달을 최소화시킬 수 있고, 복사열전달과 미량의 잔류 및 침투 기체에 의한 전도열전달을 최소화시킬 수 있으며, 이를 통하여 전체 진공 단열체의 유효 열전도계수가 0.001 W/m·K 이하의 값을 얻을 수 있다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도.
도 2a 및 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도.
도 3a 및 3b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도.
도 4a 및 4b는 본 발명의 제4 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도 및 단면도.
도 5는 도 4a 및 4b의 변형예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 진공 단열체의 구조를 나타내는 상측면도.
도 7은 본 발명의 제6 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재의 구조를 나타내는 상측면도.
도 8은 본 발명의 제7 실시예에 따른 진공 단열체용 충진재의 구조를 나타내는 상측면도.

Claims (8)

  1. 소정간격을 두고 평행하게 위치되며, 서로 대응되는 격자구조를 가지는 상부 빔 및 하부 빔과, 상기 상부 빔 및 하부 빔의 격자구조의 모서리를 수직으로 연결하는 기둥 빔으로 이루어진, 제1 격자구조물 및 제2 격자구조물;
    상기 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재; 및
    상기 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물의 외측에 배치된 제1 플레이트 및 제2 플레이트를 포함하고,
    상기 제2 격자구조물은, 그 기둥 빔이 상기 제1 격자 구조물의 기둥 빔과 서로 엇갈려 위치하도록 상기 제1 격자 구조물 상에 부착되어 있는,
    진공 단열체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 격자 구조물 및 제2 격자 구조물은 인장 강도와 열전도 계수의 비가 큰 물질을 포함하는,
    진공 단열체.
  3. 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트 상에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치되는 중공 형의 제1 실린더 원기둥;
    상기 실린더 원기둥 상에 위치되는 제2 플레이트;
    상기 제2 플레이트 상에 소정 간격으로 이격되고, 상기 제1 실린더 원기둥과 엇갈려 격자형으로 배치되는 중공형의 제2 실린더 원기둥; 상기 제2 실린더 원기둥 상에 위치되는 제3 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 사이이고, 또한, 상기 제1실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워지고, 상기 제2 플레이트 및 상기 제3 플레이트의 사이이고, 또한, 상기 제2 실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재;
    를 포함하는, 진공 단열체.
  4. 제1 플레이트;
    상기 제1 플레이트 상면에 소정 간격으로 이격되어 격자형으로 배치되고, 그 내부에 소정 높이까지 다공성 충진재가 채워진 중공 형의 제1 실린더 원기둥;
    상기 충진재 상에 그 하단이 놓여지고, 그 외경이 상기 제1 실린더 원기둥의 내경보다 작은 제2 실린더 원기둥;
    상기 제2 실린더 원기둥의 상단에 위치되는 제2 플레이트; 및
    상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 사이이고, 또한, 상기 제1실린더 원기둥 및 상기 제2 실린더 원기둥의 외부에 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재;
    를 포함하는, 진공 단열체.
  5. 소정 간격을 두고 평행하게 위치되는 상부 및 하부 플레이트;
    상기 상부 플레이트 하면에 소정 간격으로 이격되어 평행하게 세워진 상부 지지기둥;
    상기 하부 플레이트 상면에 소정 간격으로 평행하게 세워진 하부 지지기둥;
    산과 골이 형성되도록 절곡되고, 상기 상부 지지기둥 및 하부 지지기둥의 사이에 위치되는 절곡 플레이트; 및
    상기 상부 플레이트, 상기 하부 플레이트, 상기 상부 지지기둥, 상기 하부 지지기둥 및 상기 절곡 플레이트에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재;
    를 포함하고,
    상기 상부 지지기둥과 하부 기둥은 서로 엇갈리게 배치되어 있고,
    상기 상부 지지기둥의 하단과 상기 하부 지지기둥의 상단은 상기 절곡 플레이트의 골과 산에 각각 연결되어 있는,
    진공 단열체.
  6. 상부 및 하부 플레이트;
    삼각 형상의 단면을 복수 개 가지도록 절곡된 제1 및 제2 절곡 플레이트; 및
    상기 상부 플레이트, 상기 하부 플레이트, 상기 제1 절곡 플레이트 및 상기 제2 절곡 플레이트에 의하여 형성되는 내부공간에 채워진 다공성 충진재;
    를 포함하고,
    상기 제1 절곡 플레이트는 상기 하부 플레이트 상에 놓여지며,
    상기 제2 절곡 플레이트는 상기 제1 절곡 플레이트와 90도 회전한 상태로 상기 제1 절곡 플레이트 상에 놓여지고,
    상기 상부 플레이트는 상기 제2 절곡 플레이트 상에 놓여지는,
    진공 단열체.
  7. 소정 두께의 알루미늄 포일을 복수 개 적층하여 이루어진,
    진공 단열체용 충진재.
  8. 소정 두께를 가지고, 복수 층으로 적층된 알루미늄 포일층; 및
    상기 알루미늄 포일층 사이에 각각 배치된 소정의 섬유물질층;을 포함하며,
    상기 섬유물질층은 서로 직각으로 회전하여 배치되어 있는,
    진공 단열체용 충진재.
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