KR20130077506A - 단열성이 우수한 진공단열용 심재 구조물 및 이를 이용한 진공단열 패널 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 대기압에서의 부피밀도가 100 kg/m3 이상 300 kg/m3 이하인 고밀도 무기섬유 시트; 및 대기압에서의 부피밀도가 1 kg/m3 이상 100 kg/m3 미만인 저밀도 무기섬유 시트를 번갈아 3층 이상 포함하고, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 부피밀도차가 50 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하인 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 단열성이 우수한 진공단열재용 심재에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 밀도차가 있는 무기섬유 시트를 3층 이상 적층하여 단열성이 우수한 진공단열재용 심재에 관한 것이다.
일반적으로 냉장고, 냉동고, 자동판매기 등의 보온/보냉 기기는 외부로 방출되거나 외부로부터 유입되는 열을 효율적으로 차단하기 위해서 단열재를 필요로 하며, 이러한 단열재로서, 글래스 울 등의 섬유재나 우레탄 폼 등의 발포체가 이용되고 있다. 이들 단열재의 단열성을 향상시키기 위해서 단열재의 두께를 늘리기도 하나, 얇은 두께가 요구되는 제품과 같이, 공간 절감이나 공간의 효과적인 활용이 요구되는 경우에는 그러할 수 없다는 문제점이 있다.
그래서, 단열 성능이 높은 단열재로서, 진공 단열재가 주목받고 있다. 진공 단열재란, 심재를 가스 배리어성의 외피재로 감싸고 외피재의 내부를 감압하고 외피재의 개구부를 융착시킨 단열재를 말한다. 진공 단열재의 심재로서 주로 무기섬유인 글라스 울과 퓸드 실리카(Fumed silica) 소재를 사용하고 있다.
한국공개특허공보 제2003-0011828호는 진공 단열재와 이것을 이용한 기기에 관한 것으로, SiO2가 주성분인 무기섬유를 다층 적용한 심재를 개시하고 있다. 그러나, 이 문헌은 심재를 구성하는 소재 자체를 개량하는 방법만을 언급하고 있다.
일본공개특허공보 제2006-307921호는 진공단열재에 관한 것으로, 무기섬유의 방향을 열전달 방향에 수직으로 구성하고 층간 섬유가 교차되는 구조를 채택하여 열전도도를 개선하는 방법을 개시하고 있다. 그러나, 이 방법은 상기와 같은 이상적인 구조를 구현하는 데에 따른 어려움을 가지고 있다.
일본공개특허공보 제2007-182991호는 진공단열재 및 유리 섬유에 관한 것으로, 대기 압축에 의한 심재의 고밀도화 및 섬유 접촉부 증대를 억제하고, 심재부에 있어서 고체 성분의 열전도를 감소시키는 방법에 관한 것이다. 그러나, 이 문헌도 마찬가지로 심재를 구성하는 소재 자체를 개량하는 방법만을 언급하고 있다.
이에 따라, 본 발명자는 종래기술의 문제점을 해결하고 종래기술의 연구방향과는 새로운 방향으로 단열성을 개선하고자, 밀도차가 있는 무기섬유 시트를 3층 이상 적층하여 단열성이 우수한 진공단열재용 심재를 개발하기에 이른 것이다.
본 발명의 목적은 단열성이 우수한 진공단열재용 심재를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 밀도차가 있는 무기섬유 시트를 3층 이상 적층하여 단열성이 우수한 진공단열재용 심재를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 진공단열재용 심재를 포함하여 단열성이 우수한 진공단열재를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 모두 하기 설명되는 본 발명에 의해서 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 대기압에서의 부피밀도가 100 kg/m3 이상 300 kg/m3 이하인 고밀도 무기섬유 시트; 및 대기압에서의 부피밀도가 1 kg/m3 이상 100 kg/m3 미만인 저밀도 무기섬유 시트를 번갈아 3층 이상 포함하고, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 부피밀도차가 50 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 총개수는 홀수이고, 상기 고밀도 무기섬유 시트는 가장 바깥쪽에 배치된다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두는 글라스 울, 유리 섬유, 세라믹 파이버, 암면, 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 실리카 알루미나 섬유, 탄화규소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유길이는 1.2 mm 이상 1.5 mm 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유직경은 1 μm 이상 10 μm 미만이다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 공극율은 90% 이상 95% 이하이다.
본 발명에 따른 진공단열재는 상기 진공단열재용 심재; 및 상기 진공단열재용 심재를 감싸고 외부의 공기유입을 차단하는 외피재를 포함하고, 상기 외피재 내부의 기압이 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재용 심재의 두께는 상기 외피재 내부의 기압에서 5 mm 이상 30 mm 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, ASTM-C518에 준하여 24 ℃에서 측정한 상기 진공단열재의 열전도도는 1.5 mW/mk 이상 2.6 mW/mk 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재는 내부에 산화리튬, 수산화리튬, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화바륨, 수산화바륨, 황산칼슘 및 이들은 혼합물로부터 선택되는 흡습제를 진공단열재용 심재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 5 중량부 이하로 더 포함한다.
본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 단열성이 우수하다.
도 1은 실시예 1에 따라 제조된 진공단열재를 개봉한 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 다양한 구조를 나타내는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 다양한 구조를 나타내는 개요도이다.
진공단열재용 심재
본 발명에 따른 진공단열재용 심재는 대기압에서의 부피밀도가 100 kg/m3 이상 300 kg/m3 이하인 고밀도 무기섬유 시트; 및 대기압에서의 부피밀도가 1 kg/m3 이상 100 kg/m3 미만인 저밀도 무기섬유 시트를 번갈아 3층 이상 포함하고, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 부피밀도차가 50 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트의 대기압에서의 부피밀도는 100 kg/m3 이상 300 kg/m3 이하이며, 바람직하게 130 kg/m3 이상 250 kg/m3 이하, 더 바람직하게 150 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하이다. 또한, 상기 저밀도 무기섬유 시트의 대기압에서의 부피밀도는 1 kg/m3 이상 100 kg/m3 미만이며, 바람직하게 5 kg/m3 이상 70 kg/m3 이하, 더 바람직하게 10 kg/m3 이상 50 kg/m3 이하이다.
본 발명에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트는 번갈아 3층 이상, 예를 들어, 3층, 4층, 5층, 6층, 7층, 8층, 9층, 10층 등으로 포함되며, 층수의 제한은 없다. 또한, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두로서 서로 다른 부피밀도 값을 가지는 2종 이상의 무기섬유 시트를 사용할 수 있다. 이 경우에 부피밀도차는 고밀도 무기섬유 시트 중 부피밀도가 가장 작은 것과 저밀도 무기섬유 시트 중 부피밀도가 가장 큰 것의 차이다. 도 2를 보면, 본 발명에 따른 진공단열재용 심재의 구조가 다양하게 구성될 수 있음을 알 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 총개수는 바람직하게 홀수, 예를 들어 3, 5, 7, 9 등, 더욱 바람직하게 3 또는 5이며, 상기 고밀도 무기섬유 시트는 가장 바깥쪽에 배치된다. 이 경우에, 단열성이 더 우수해질 수 있다.
본 발명에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 부피밀도차는 50 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하이며, 바람직하게 70 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하, 더 바람직하게 100 kg/m3 이상 190 kg/m3 이하이다. 상기 부피밀도차가 상기 범위 내로 유지되는 경우에, 무기섬유 시트를 3층 이상 적층함에 따른 단열성 개선효과가 현저하게 나타날 수 있다.
상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 예로는 글라스 울, 유리 섬유, 세라믹 파이버, 암면, 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 실리카 알루미나 섬유, 탄화규소섬유 등이 있으며, 이들은 단독으로 또는 혼합물로 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유길이는 1.2 mm 이상 1.5 mm 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유직경은 1 μm 이상 10 μm 미만이다.
상기 섬유길이와 섬유직경은 광학현미경으로 이미지 분석을 통해 측정할 수 있으며, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있다.
상기 섬유길이와 섬유직경이 상기 범위 내인 경우에 섬유간 접촉면이 감소하고 이를 통해서 열전달량이 작아짐으로 인해 전체 고체 열전도도가 낮아져서 단열성이 우수해질 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 공극율은 90% 이상 95% 이하이다. 이 경우에, 단열성이 더 우수해질 수 있다. 상기 공극율은 본 발명이 속하는 기술반야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 측정될 수 있으며, 예를 들어 일본출원공개공보 제2004-011705호에 제시된 수은 공극율 분석법에 의해서 측정될 수 있다.
진공단열재
본 발명에 따른 진공단열재는 상기 진공단열재용 심재; 및 상기 진공단열재용 심재를 감싸고 외부의 공기유입을 차단하는 외피재를 포함하고, 상기 외피재 내부의 기압이 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 외피재로서 본 발명이 속하는 기술분야에서 공지된 것을 사용할 수 있으며, 이는 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 용이하게 실시될 수 있다. 예를 들어, 상기 외피재로서 두께 50 μm의 폴리에틸렌 필름, 두께 7 μm의 알루미늄 필름, 두께 12 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 두께 15 μm의 나일론 필름으로 이루어지고 열융착층이 폴리에틸렌 필름층인 라미네이트 필름을 사용할 수 있다.
본 발명에서, 상기 외피재 내부의 기압은 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하이며, 바람직하게 0.001 Torr 이상 0.05 Torr이다. 상기 외피재 내부의 기압이 상기 범위 내인 경우에, 공기를 통한 대류에 따른 열전도를 최소화시킬 수 있으며, 진공단열재의 두께를 얇게 유지시킬 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재용 심재의 두께는 상기 외피재 내부의 기압에서 5 mm 이상 30 mm 이하이다. 예를 들어, 상기 진공단열재용 심재의 두께는 상기 외피재 내부의 기압에서 10 mm 이상 15 mm 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, ASTM-C518에 준하여 24 ℃에서 측정한 상기 진공단열재의 열전도도는 1.5 mW/mk 이상 2.6 mW/mk 이하이다.
본 발명의 일 구체예에서, 상기 진공단열재는 내부에 산화리튬, 수산화리튬, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화바륨, 수산화바륨, 황산칼슘 및 이들은 혼합물로부터 선택되는 흡습제를 진공단열재용 심재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 5 중량부 이하로 더 포함한다.
본 발명에 따른 진공단열재는 냉장고 및 냉동고용 단열재, 건축용 단열재, 차량용 단열재 등에 바람직하게 적용될 수 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의해 보다 구체화될 것이나, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 사용될 뿐이며 본 발명의 보호범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
하기 실시예 및 비교실시예에서 사용한 성분은 하기와 같다.
GW - H1: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 섬유의 길이가 1200~1500 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 150 kg/m3인 글라스 울을 사용하였다.
GW - H2: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 섬유의 길이가 1200~1500 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 200 kg/m3인 글라스 울을 사용하였다.
GW - L1: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 섬유의 길이가 1200~1500 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 10 kg/m3인 글라스 울을 사용하였다.
GW - L2: 섬유의 직경이 1~10 μm이고 섬유의 길이가 1200~1500 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 50 kg/m3인 글라스 울을 사용하였다.
EPS - H1: 셀 오픈율이 90% 이상이고 셀 사이즈가 150~300 μm이고 대기압에서의 부피밀도가 50 kg/m3인 발포폴리스티렌을 사용하였다.
EPS - L1: 셀 오픈율이 90% 이상이고 셀 사이즈가 150~300 μm이고 대기압에서의 부피밀도가 30 kg/m3인 발포폴리스티렌을 사용하였다.
PUF - H1: 셀 오픈율이 90% 이상이고 셀 사이즈가 150~300 μm이고 대기압에서의 부피밀도가 60 kg/m3인 폴리우레탄 폼을 사용하였다.
PUF - L1: 셀 오픈율이 90% 이상이고 셀 사이즈가 150~300 μm이고 대기압에서의 부피밀도가 30 kg/m3인 폴리우레탄 폼을 사용하였다.
PF - H1: 섬유의 직경이 5~50 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 150 kg/m3인 폴리에스테르섬유를 사용하였다.
PF - L1: 섬유의 직경이 5~50 μm이고 공극율이 90% 이상이고 대기압에서의 부피밀도가 45 kg/m3인 폴리에스테르섬유를 사용하였다.
실시예
1-14 및
비교실시예
1-9
하기 표 1-3에 기재된 심재 구조로, 0.03 Torr에서 개개의 심재 두께가 균등하고 0.03 Torr에서 모두의 심재 두께가 12 mm가 되도록 진공단열재용 심재를 구성하고, 두께 50 μm의 폴리에틸렌 필름, 두께 7 μm의 알루미늄 필름, 두께 12 μm의 폴리에틸렌테레프탈레이트 필름, 두께 15 μm의 나일론 필름으로 이루어지고 열융착층이 폴리에틸렌 필름층인 라미네이트 필름에 상기 진공단열재용 심재와 산화칼슘 10 g을 넣고, 진공챔버 내에서 필름 내부의 압력이 0.03 Torr가 되도록 감압한 다음에, 폴리에틸렌 필름을 융착시켜 290 mm × 410 mm × 12 mm 크기의 진공단열재를 제조하였다.
제조된 진공단열재의 열전도도는 ASTM-C518에 준하여 Heat Flow Meter 법을 적용한 열전도도 분석기(Netzsch사의 HFM436)를 이용하여 24 ℃에서 측정하였으며, 그 결과를 표 1-3에 나타내었다.
상기 표 1을 보면, 실시예 1-7은 부피밀도차가 100 내지 190 kg/m3인 글라스 울이 번갈아 3층 적층된 진공단열재용 심재를 사용하여 열전도도가 현저히 낮음을 알 수 있다.
상기 표 2를 보면, 실시예 8-14은 부피밀도차가 100 내지 190 kg/m3인 글라스 울이 번갈아 5층 적층된 진공단열재용 심재를 사용하여 열전도도가 현저히 낮음을 알 수 있다.
상기 표 3을 보면, 비교실시예 1-3은 무기섬유가 아닌 발포폴리스티렌, 폴리우레탄 폼 및 폴리에스테르섬유를 각각 사용하여 실시예 1-7에 비해 현저히 높은 열전도도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 비교실시예 4-7은 부피밀도차가 없는 무기섬유 시트를 사용하여 실시예 1-7에 비해 현저히 높은 열전도도를 가짐을 알 수 있다. 또한, 비교실시예 8는 본원발명의 부피밀도차의 범위를 벗어난 진공단열재용 심재를 사용하여 열전도도가 현저히 높음을 알 수 있다. 또한, 비교실시예 9는 무기섬유 시트가 2층 적층된 진공단열재용 심재를 사용하여 열전도도가 현저히 높음을 알 수 있다.
상기 실시예 2-1 및 6-5를 비교해보면, 부피밀도차가 커질수록 열전도도도 감소함을 알 수 있다. 또한, 실시예 1과 3, 4와 5, 8과 10, 및 11과 12를 비교해보면, 고밀도 무기섬유 시트가 가장 바깥쪽에 배치되는 경우에 열전도도가 더 낮음을 알 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
Claims (10)
- 대기압에서의 부피밀도가 100 kg/m3 이상 300 kg/m3 이하인 고밀도 무기섬유 시트; 및
대기압에서의 부피밀도가 1 kg/m3 이상 100 kg/m3 미만인 저밀도 무기섬유 시트;
를 번갈아 3층 이상 포함하고, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 부피밀도차가 50 kg/m3 이상 200 kg/m3 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항에 있어서, 상기 고밀도 무기섬유 시트와 상기 저밀도 무기섬유 시트의 총개수가 홀수이고, 상기 고밀도 무기섬유 시트가 가장 바깥쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항에 있어서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두가 글라스 울, 유리 섬유, 세라믹 파이버, 암면, 알루미나 섬유, 실리카 섬유, 실리카 알루미나 섬유, 탄화규소섬유 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항에 있어서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유길이가 1.2 mm 이상 1.5 mm 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항에 있어서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 섬유직경이 1 μm 이상 10 μm 미만인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항에 있어서, 상기 고밀도 무기섬유 시트, 상기 저밀도 무기섬유 시트 또는 이들 모두의 공극율이 90% 이상 95% 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재용 심재.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 진공단열재용 심재; 및
상기 진공단열재용 심재를 감싸고 외부의 공기유입을 차단하는 외피재;
를 포함하고, 상기 외피재 내부의 기압이 0 Torr 이상 0.1 Torr 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제7항에 있어서, 상기 진공단열재용 심재의 두께가 상기 외피재 내부의 기압에서 5 mm 이상 30 mm 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제7항에 있어서, ASTM-C518에 준하여 24 ℃에서 측정한 상기 진공단열재의 열전도도가 1.5 mW/mk 이상 2.6 mW/mk 이하인 것을 특징으로 하는 진공단열재.
- 제7항에 있어서, 내부에 산화리튬, 수산화리튬, 산화칼슘, 수산화칼슘, 산화마그네슘, 수산화마그네슘, 산화바륨, 수산화바륨, 황산칼슘 및 이들은 혼합물로부터 선택되는 흡습제를 진공단열재용 심재 100 중량부에 대하여 0.1 중량부 이상 5 중량부 이하로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공단열재.
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