WO2025249986A1 - 진공 단열패널 - Google Patents

진공 단열패널

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WO2025249986A1
WO2025249986A1 PCT/KR2025/095195 KR2025095195W WO2025249986A1 WO 2025249986 A1 WO2025249986 A1 WO 2025249986A1 KR 2025095195 W KR2025095195 W KR 2025095195W WO 2025249986 A1 WO2025249986 A1 WO 2025249986A1
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layer
vacuum insulation
coating layer
insulation panel
core
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홍성환
박진현
서대우
오나은
임정수
정연경
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Samsung Electronics Co Ltd
Original Assignee
Samsung Electronics Co Ltd
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L59/00—Thermal insulation in general
    • F16L59/02—Shape or form of insulating materials, with or without coverings integral with the insulating materials
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16L—PIPES; JOINTS OR FITTINGS FOR PIPES; SUPPORTS FOR PIPES, CABLES OR PROTECTIVE TUBING; MEANS FOR THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16L59/02—Shape or form of insulating materials, with or without coverings integral with the insulating materials
    • F16L59/029—Shape or form of insulating materials, with or without coverings integral with the insulating materials layered
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16L59/06—Arrangements using an air layer or vacuum
    • F16L59/065—Arrangements using an air layer or vacuum using vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D2201/00—Insulation
    • F25D2201/10—Insulation with respect to heat
    • F25D2201/14—Insulation with respect to heat using subatmospheric pressure

Definitions

  • the present disclosure relates to a vacuum insulation panel comprising an improved structure.
  • Insulation is used to insulate or block heat.
  • insulation can be used in refrigerators to insulate the interior and exterior of the storage compartment.
  • polyurethane foam can be used as insulation in refrigerators.
  • polyurethane foam needs to be thick enough to provide adequate insulation for refrigerator use, which can reduce the storage space inside the refrigerator.
  • Vacuum insulation panels have lower thermal conductivity than polyurethane foam, allowing them to be manufactured thinner than polyurethane foam while still providing the desired insulation effect for refrigerators. Therefore, attempts are being made to use VIPs in refrigerators.
  • Vacuum insulation panels are insulation materials that encase a core material with multiple outer layers, with the interior vacuumed. While vacuum insulation panels offer superior insulation performance, their core material is mostly vacuumed, and the outer layer is thin, which can lead to insufficient rigidity.
  • One aspect of the present disclosure provides a vacuum insulation panel including a structure having improved rigidity.
  • One aspect of the present disclosure provides a vacuum insulation panel including a structure in which insulation performance is maintained.
  • a vacuum insulation panel comprises a shell material forming an internal accommodation space and a core material disposed within the accommodation space.
  • the core material comprises a core layer extending in the longitudinal direction of the shell material, a support material disposed between the shell material and the core layer, the support material including a porous material, and a plurality of plate-shaped materials having a higher flexural modulus than the support material, and a coating layer having a thickness thinner than the core layer.
  • a vacuum insulation panel comprises a shell material having an internal space formed therein and including a plurality of shell layers, and a core material disposed within the space.
  • the core material comprises a core layer including glass wool extending in the longitudinal direction of the shell material, a support material including a porous material disposed to contact the shell material and the core layer, and a coating layer including a plurality of plate-like materials having a higher flexural modulus than the support material, wherein the volume ratio of the plurality of plate-like materials to the volume of the core material is 2.7 vol% or more.
  • a vacuum insulation panel comprises a shell material having an internally formed accommodation space and including a plurality of shell layers, and a core material disposed within the accommodation space.
  • the core material comprises a core layer extending in the longitudinal direction of the shell material, a support material disposed to be in contact with the shell material and the core layer, respectively, and including a porous material, and a coating layer comprising a plurality of plate-like materials having a higher flexural modulus than the support material.
  • the coating layer comprises a first coating layer in contact with one surface of the core layer, and a second coating layer spaced apart from the first coating layer and in contact with the other surface of the core layer, and the volume ratio of the plurality of plate-like materials to the volume of the core material is provided to be 2.7 vol% or more and 3.6 vol% or less, and a thickness of the first coating layer or the second coating layer is 0.1 times or less the thickness of the core layer.
  • FIG. 1 is a schematic drawing of a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view of the vacuum insulation panel of Fig. 1 taken along line a-a'.
  • Figure 3 is a drawing showing an enlarged view of area A1 of Figure 2.
  • Figure 4 is a drawing showing an enlarged view of area A2 of Figure 2.
  • Figure 5 is a drawing showing an enlarged view of area A3 of Figure 3.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a process of peeling off a plurality of plate-like materials from vermiculite in a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • Figure 7 is a conceptual drawing illustrating a process of forming a coating layer by mixing a plurality of peeled plate-like materials of Figure 6 with glass wool.
  • FIG. 8 is a drawing showing a core material separated from a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • FIG. 9 is a drawing illustrating a process of coating a core layer on a coating layer in a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • Fig. 10 is a schematic drawing showing a vacuum insulation panel according to one embodiment being deformed by receiving an external force.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating how heat is transferred through a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • first may be referred to as the second component
  • second component may also be referred to as the first component.
  • the term “and/or” includes any combination of a plurality of related listed items or any item among a plurality of related listed items.
  • Fig. 1 is a schematic drawing of a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • Fig. 2 is a cross-sectional view taken along line a-a' of the vacuum insulation panel of Fig. 1.
  • Fig. 3 is an enlarged view of area A1 of Fig. 2.
  • a vacuum insulation panel (1) may include an outer covering material (10) and a core material (20, 30a, 30b) accommodated in a receiving space (15) formed by the outer covering material (10).
  • the outer covering material (10) may be arranged on the outside of the core material (20, 30a, 30b) to accommodate the core material (20, 30a, 30b).
  • the receiving space (15) of the outer covering material (10) may be provided so as to be vacuumed on the inside, and the core material (20, 30a, 30b) may be accommodated in the receiving space (15) in a vacuum state (see FIG. 9).
  • the core material (20, 30a, 30b) may have a support (21) including a porous material, and the empty space of the porous material may be maintained in a vacuum state, so that the vacuum outer shell material (10) may perform an insulating function.
  • the empty space of the porous material may be referred to as a void (22, described later).
  • the support (21) of the core material (20, 30a, 30b) may include glass wool or fumed silica.
  • the support (21) of the core material (20, 30a, 30b) is illustrated and described as including glass wool (21, Glass Wool), but is not limited thereto.
  • the core layer (20, 30a, 30b) may include a core layer (20) extending in the longitudinal direction (+-X direction) of the outer layer (10), and a coating layer (30) disposed between the outer layer (10) and the core layer (20).
  • the coating layer (30) may include a first coating layer (30a) in contact with one surface of the core layer (20), and a second coating layer (30b) disposed spaced apart from the first coating layer (30a) and in contact with the other surface of the core layer (20).
  • first coating layer (30a) may be in contact with the upper surface of the core layer (20), and the second coating layer (30b) may be in contact with the lower surface of the core layer (20).
  • first coating layer (30a) may be in contact with the upper surface of the core layer (20)
  • second coating layer (30b) may be in contact with the lower surface of the core layer (20).
  • the outer covering (10) may be designed to block the penetration of gases such as air or gas, and moisture.
  • the outer covering (10) may include a moisture and gas barrier film.
  • the core material (20, 30a, 30b) is protected by the outer covering (10) to maintain the insulation life.
  • the outer skin (10) may include a plurality of outer skin layers (11, 12, 13, 14).
  • the plurality of outer skin layers (11, 12, 13, 14) may be laminated outwardly to surround the core material (20, 30a, 30b).
  • the plurality of outer skin layers (11, 12, 13, 14) may be formed of different materials.
  • the plurality of outer skin layers (11, 12, 13, 14) may be formed to include different thicknesses.
  • the outer covering material (10) may include a first outer covering layer (14).
  • the first outer covering layer (14) may be arranged to surround the outer surface of the core material (20, 30a, 30b) and may be arranged to come into contact with the core material (20, 30a, 30b).
  • the first outer layer (14) may include, but is not limited to, LLDPE (Linear low density polyethylene) material.
  • LLDFE Linear low density polyethylene
  • LLDFE can stably support the core material (20, 30a, 30b) by contacting the outer surface of the core material (20, 30a, 30b).
  • the outer skin (10) may include a second outer skin layer (11) arranged to be spaced apart from the first outer skin layer (14) in the outward direction.
  • the second outer skin layer (11) may be arranged on the outermost portion of the outer skin material (10).
  • the second outer layer (11) may include, but is not limited to, a PA (Polyamide) fiber material.
  • the PA may be made of nylon to prevent external moisture vapor from penetrating the outer layer.
  • the outer skin (10) may include a third outer skin layer (12) disposed between the first outer skin layer (14) and the second outer skin layer (11).
  • the third outer layer (12) may be arranged to be in contact with the inner surface of the second outer layer (11).
  • the third outer layer (12) may include a PET (Polyethylene Terephthalate) material, but is not limited thereto.
  • the outer skin (10) may include a fourth outer skin layer (13) disposed between the first outer skin layer (14) and the second outer skin layer (11).
  • the fourth outer layer (13) may be arranged to be in contact with the inner surface of the third outer layer (12).
  • the fourth outer layer (13) may be arranged to be in contact with the outer surface of the first outer layer (14).
  • the fourth outer layer (13) may include, but is not limited to, EVOH (Ethylene vinyl alcohol) material.
  • EVOH Ethylene vinyl alcohol
  • EVOH may be placed on the outside of the core material (20, 30a, 30b) to perform the function of preventing oxygen, carbon dioxide, water vapor, etc. from penetrating into the core material (20, 30a, 30b).
  • any one of the above-described outer layers (11, 12, 13, 14) may include PVDF (Polyvinylidene Fluoride).
  • all of the above-described outer layers (11, 12, 13, 14) may include PVDF (Polyvinylidene Fluoride).
  • the outer covering material (10) may not include a metal or metal oxide material such as aluminum (AL) or aluminum oxide (ALO x ). Through this, thermal bridge phenomena through the outer covering material (10) can be prevented.
  • a metal or metal oxide material such as aluminum (AL) or aluminum oxide (ALO x ).
  • Fig. 4 is an enlarged view of area A2 of Fig. 2. More specifically, Fig. 4 is an enlarged view of the core layer (20) of the core material (20, 30a, 30b).
  • the core material (20, 30a, 30b) may include a core layer (20) extending in the longitudinal direction (+-X direction) of the outer covering material (10).
  • the core layer (20) may include glass wool.
  • Glass wool (21) may include glass fibers (211).
  • the glass fibers (211) may extend along the longitudinal direction (+-X direction) of the outer covering material (10).
  • the glass fibers (211) are shown as being formed to be bent in a roughly spiral direction, but this is only a conceptual expression of the glass fibers (211) forming the glass wool (21), and the glass fibers (211) may have various shapes and form the glass wool (21).
  • the glass wool (21) of the core layer (20) may include a plurality of glass fibers (211).
  • the glass wool (21) may provide rigidity to the core material (20, 30a, 30b) so that the core material (20, 30a, 30b) maintains its shape, and may play a role in supporting the vacuum insulation panel (1).
  • the glass wool (21) may be a porous material. That is, the glass wool (21) of the core layer (20) may include a plurality of glass fibers (211) and pores (22) formed by arranging the plurality of glass fibers (211). In other words, the plurality of glass fibers (211) may be arranged irregularly, thereby forming pores (22) within the glass wool (21).
  • the void (22) may refer to an empty space inside the glass wool (21). As will be described later, when the core layer (20) is placed in a vacuum-like receiving space (15), the void (22) may also be maintained in a vacuum-like state.
  • the flexural modulus of glass wool (21) can be set to 180 MPa.
  • the thermal conductivity of glass wool (21) can be set to 2 mW/mK. This will be described later.
  • Fig. 5 is an enlarged view of area A3 of Fig. 3.
  • Fig. 6 is a conceptual diagram illustrating a process of peeling off a plurality of plate-like materials from vermiculite in a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • Fig. 7 is a conceptual diagram illustrating a process of mixing the peeled off plurality of plate-like materials of Fig. 6 with glass wool (21) to form a coating layer.
  • the coating layer (30) may include a support (21) forming an outer shape and a plate-shaped material (33).
  • the support (21) may include a porous material and extend in the longitudinal direction (+-X direction) of the outer covering material (10).
  • the support (21) may include glass wool including glass fiber (211).
  • the support (21) will be described as being glass wool, but is not limited thereto.
  • the glass wool (21) may include a plurality of glass fibers (211) that are arranged irregularly with each other and a gap (22) formed by the arrangement of the plurality of glass fibers (211).
  • the coating layer (30) may include a plate-shaped material (33) that is prepared to be mixed with the support (21).
  • the plate-like material (33) may include vermiculite sheets (33) formed by peeling off verminulite (V). That is, the plate-like material (33) may include vermiculite material (V).
  • the plate-like materials (33) are explained assuming that they are vermiculite sheets (33).
  • the plate-like materials (33) may include a plurality of plate-like materials (33).
  • a plurality of plate-like materials (33) may be arranged within the pores (22) of the support (21).
  • the vermiculite sheet (33) may include a higher flexural modulus than the glass fiber (211) of the glass wool (21).
  • the coating layer (30) is formed by mixing the glass fiber (211) and the vermiculite sheet (33), and thus may have a higher flexural modulus than the core layer (20) having the glass wool (21). Therefore, compared to a case where it is formed only with the glass wool (21), a core material (20, 30a, 30b) including the core layer (20) and the coating layer (30) may be formed having a higher flexural modulus.
  • a detailed description of the flexural modulus of the core material (20, 30a, 30b) will be described later.
  • vermiculite sheets (33), which are a plurality of plate-like materials (33), can be formed by peeling off vermiculite as a raw material.
  • Vermiculite processed into expanded vermiculite can have impurities removed by utilizing a density gradient separation method.
  • a ball milling process is performed at 400 to 1000 rpm to separate vermiculite sheets (33), which are multiple plate-like materials (33), from the vermiculite (V).
  • ultrasonic and centrifugal separation steps may be performed to separate the multiple plate-like materials (33) more effectively.
  • the plurality of plate-shaped materials (33) separated through the above process can be mixed with water (W) and a support (21) including glass wool (21).
  • the plurality of plate-shaped materials (33) can be uniformly arranged within the pores (22) of the support (21).
  • a coating layer (30) can be formed.
  • the coating layer (30) may include a first coating layer (30a) that contacts one surface of the core layer (20) and a second coating layer (30b) that contacts the other surface of the core layer (20).
  • first coating layer (30a) manufactured using the above-described coating layer (30) is illustrated as an example, but it goes without saying that the second coating layer (30b) may also be manufactured using the above-described coating layer (30).
  • FIG. 8 is a drawing illustrating a vacuum insulation panel according to one embodiment, with the core material separated.
  • FIG. 9 is a drawing illustrating a process of coating a core layer on a coating layer (30) in a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • FIG. 10 is a drawing schematically illustrating a vacuum insulation panel according to one embodiment being deformed by receiving an external force.
  • FIG. 11 is a drawing conceptually illustrating a process of heat being transferred while passing through a vacuum insulation panel according to one embodiment.
  • the vacuum insulation panel (1) In order for the vacuum insulation panel (1) to perform a stable insulating function suitable for its intended use, the vacuum insulation panel (1) must have a rigidity exceeding a certain value.
  • the vacuum insulation panel (1) may be subjected to external force depending on the usage environment, and as a result, the panel may be deformed by a certain amount of deformation (see Fig. 10). If the vacuum insulation panel (1) does not have sufficient rigidity, the deformation may increase in an environment where an external force is applied, which may damage the panel, and thus, the insulation performance may decrease. Therefore, the vacuum insulation panel (1) needs to have a rigidity exceeding a certain value.
  • the flexural modulus can be used as a criterion.
  • the flexural modulus refers to the ratio of applied stress to the deformation occurring in a bending test, and can be used as a measurement standard for measuring the rigidity of a material.
  • a vacuum insulation panel (1) heat transfer can occur depending on the temperature difference between one side and the other side (see Fig. 11). In other words, in order for the vacuum insulation panel (1) to exhibit insulation performance according to its intended use, it is necessary to have a thermal conductivity below a certain value.
  • the target flexural modulus of the vacuum insulation panel (1) is 300 Mpa or more and the target thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less.
  • the ratio of the thickness of the core layer (20) and the coating layer (30) and the ratio of the volume of the plurality of plate-like materials included in the coating layer (30) to the volume of the core material (20, 30a, 30b) can act as variables that control the above-mentioned flexural modulus and thermal conductivity.
  • the ratio of the thickness of the core layer (20) and the coating layer (30) for the vacuum insulation panel (1) to have the above-mentioned flexural modulus and thermal conductivity values, and the ratio of the volume of the plurality of plate-like materials included in the coating layer (30) to the volume of the core material (20, 30a, 30b) are calculated with reference to FIGS. 8 to 11.
  • the ratio of the thickness of the core layer (20) and the coating layer (30) is referred to as the 'thickness ratio (L'/L1)'
  • the ratio of the volume of the plurality of plate-like materials included in the coating layer (30) to the volume of the core material (20, 30a, 30b) is referred to as the 'volume ratio (x)'
  • L2 and L3 may have the same value and may be referred to as L'. This will be described later.
  • the degree of contribution to the flexural modulus of the entire vacuum insulation panel (1) is very small compared to the core materials (20, 30a, 30b).
  • the degree of contribution when calculating the thermal conductivity may be low compared to the core materials (20, 30a, 30b). Therefore, in the calculations below, it is assumed that only the flexural modulus and thermal conductivity of the core materials (20, 30a, 30b) are considered.
  • the support (21) is glass fiber (211) forming glass wool (21), and the plurality of plate-like materials (33) are vermiculite sheets (33) exfoliated from vermiculite (V).
  • the flexural modulus of glass wool (21) alone is 180 MPa and the thermal conductivity is 2 mW/mK.
  • the flexural modulus and thermal conductivity of the vermiculite sheet (33), which is a plate-like material (33) can be obtained through the following process.
  • test piece contains glass fiber (211) of glass wool (21) at a volume ratio (x) of 10 vol% of the total, and vermiculite sheet (33) is uniformly contained at 5.4 vol% of the total (the remaining area of the test piece, 84.6 vol%, may be in a vacuum state).
  • the flexural modulus and thermal conductivity of the specimen were experimentally determined to be 277 MPa and 10 mW/mK, respectively. At this time, the flexural modulus and thermal conductivity of the specimen can be expressed by the following equations according to the Rules of Mixture.
  • E' is the flexural modulus of the test piece, and k' represents the thermal conductivity of the test piece.
  • Eg is the flexural modulus of the glass fiber (211) of the glass wool (21), and Ev represents the flexural modulus of the vermiculite sheet (33).
  • kg is the thermal conductivity of the glass fiber (211) of the glass wool (21), and kv represents the thermal conductivity of the vermiculite sheet (33).
  • Eg can be 180 MPa and kg can be 2 mW/mK. Therefore, by substituting these values and the values obtained through experiments on the test specimen into the above equation, the flexural modulus and thermal conductivity of the vermiculite sheet (33) itself can be calculated as follows.
  • the core material (20, 30a, 30b) may include a first coating layer (30a), a core layer (20), and a second coating layer (30b).
  • the effective flexural modulus of the core material (20, 30a, 30b), which is a composite material as described above, may be expressed by the following equation.
  • Ed is the effective flexural modulus
  • D is the sum of the flexural moduli of each element forming the core material as a composite
  • I' represents the moment of inertia of the core material as a composite.
  • D1 represents the flexural modulus of the core layer (20)
  • D2 represents the flexural modulus of the first coating layer (30a)
  • D3 represents the flexural modulus of the second coating layer (30b).
  • the flexural modulus of each layer can be expressed by the following equation.
  • the above E1 is the modulus of the core layer (20), and I1 refers to the secondary moment of inertia of the core layer (20).
  • the above E2 is the modulus of the first coating layer (30a), and I2 refers to the secondary moment of inertia of the first coating layer (30a).
  • the above E3 is the modulus of the second coating layer (30b), and I3 refers to the secondary moment of inertia of the second coating layer (30b).
  • the Modulus of each layer can be calculated as follows.
  • E2 Eg + Ev * x2 * (L1 + 2 * L2) / (2 * L2)
  • E3 Eg + Ev * x3 * (L1 + 2 * L3) / (2 * L3)
  • the above-mentioned x2 may be a volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the first coating layer (30a) with respect to the volume of the entire core material (20, 30a, 30b).
  • the above-mentioned x3 may be a volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the second coating layer (30b) with respect to the volume of the entire core material (20, 30a, 30b).
  • x1 and x2 have the same value and are expressed as x.
  • L1 refers to the thickness of the core layer (20)
  • L2 refers to the thickness of the first coating layer (30a)
  • L3 refers to the thickness of the second coating layer (30b).
  • the thickness may refer to the length in the direction in which the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b) of FIG. 8 are arranged relative to each other.
  • L2 and L3 may be provided to have the same value, which may be expressed as L'.
  • the first coating layer (30a) and the second coating layer (30b) may be provided to have a thickness thinner than the thickness of the core layer (20).
  • the secondary moment of inertia of each layer can be calculated as follows.
  • I1 ⁇ (S * L1 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ S * L1 * (z1 - Z) ⁇ 2 ⁇
  • I2 ⁇ (S * L2 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ S * L2 * (z2 - Z) ⁇ 2 ⁇
  • I3 ⁇ (S * L3 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ S * L3 * (z3 - Z) ⁇ 2 ⁇
  • the above S is assumed to have the same value as the width of the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b).
  • the above z1 refers to the distance from the reference point to the center of the core layer (20).
  • the above z2 refers to the distance from the reference point to the center of the first coating layer (30a).
  • the above z3 refers to the distance from the reference point to the center of the second coating layer (30b).
  • the above Z refers to the distance from the reference point to the center of the core material (20, 30a, 30b) in which the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b) are bonded to each other.
  • z1, z2, z3, and Z can be expressed as follows.
  • D2 Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L2) / (2 * L2) * ⁇ (S * L2 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ S * L2 * (L3 + L1 + L2 / 2 - L3 + L1 / 2) ⁇ 2 ⁇
  • D3 Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L3) / (2 * L3) * ⁇ (S * L3 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ S * L3 * (L3 / 2 - L3 + L1 / 2) ⁇ 2 ⁇
  • the I' value of the composite core material (20, 30a, 30b) can be expressed as follows.
  • the effective flexural modulus of the composite core material (20, 30a, 30b) can be expressed as follows (at this time, the width S is eliminated as a value included in both the numerator and denominator).
  • Ed [[Eg * ⁇ (L1 ⁇ 3) / 12 ⁇ ] + [Eg + Ev * L3) * ⁇ (L3 ⁇ 3) / 12 ⁇ + ⁇ L3 * (L3 / 2 - L3 + L1 / 2) ⁇ 2 ⁇ ]] / [ ⁇ (L1 + L2 + L3) ⁇ 3 ⁇ / 12]
  • L2 and L3 can be assumed to have various values. This can be expressed as L'.
  • the equation for the flexural modulus of the core material (20, 30a, 30b) has three variables: L1, L' (L2 or L3), and x. That is, it can be expressed as an equation for the volume ratio (x)(x) and the thickness ratio (L'/L1)(L'/L1).
  • the thermal conductivity at each layer can be expressed as follows.
  • k1 is the thermal conductivity in the core layer (20)
  • k2 is the thermal conductivity in the first coating layer (30a)
  • k3 is the thermal conductivity in the second coating layer (30b).
  • the core material (20, 30a, 30b), which is a composite of the present disclosure has a configuration having multiple layers, and the effective thermal conductivity of the composite can be calculated based on the thermal conductivity calculation formula of Multilayer.
  • the series thermal resistance calculation formula can be utilized for the calculation.
  • the above A is the cross-sectional area through which heat passes, and it can be assumed that the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b) all have the same value. If the above equation is rearranged in terms of the effective thermal conductivity K, the thermal conductivity of the core material (20, 30a, 30b) can be expressed as follows (at this time, L2 and L3 have the same value and are denoted as L').
  • K (L1 + 2*L') / [(2*L'/ ⁇ kg + kv * x * (L1 + 2*L')/(2*L') ⁇ + L1/kg]
  • the equation for the thermal conductivity of the core material (20, 30a, 30b) also has three variables, L1, L' (L2 or L3), and x, just like the equation for the flexural modulus. That is, it can be expressed as an equation for the volume ratio (x)(x) and the thickness ratio (L'/L1)(L'/L1).
  • the equations for the flexural modulus and the equation for the thermal conductivity of the core material (20, 30a, 30b) can have L1, L', and x as unknown variables. Assuming that the target flexural modulus of the core material (20, 30a, 30b) is 300 Mpa or more and the target thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less, a result including three unknown variables in two equations can be obtained.
  • the values of L1 and L' are determined by assuming the thickness ratio (L'/L1), and then the x value having the target flexural modulus and target thermal conductivity is calculated.
  • both the core layer (20) and the coating layer (30) may include glass wool (21).
  • the core layer (20) includes only glass wool (21), and the coating layer (30) can be manufactured by mixing a vermiculite sheet (33) with the glass wool (21).
  • the core material (20, 30a, 30b) can be manufactured to have a thickness of about 20 cm or less, and one bundle of glass wool (21) can be about 0.555 cm. That is, the core material (20, 30a, 30b) can be manufactured using 36 bundles of glass wool (21), which is merely an example.
  • the flexural modulus of the vacuum insulation panel (1) can be 300 Mpa or more and the target thermal conductivity can be 2.5 mW/mK or less.
  • x which is the volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the core material (20, 30a, 30b)
  • x which is the volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the core material (20, 30a, 30b)
  • x which is the volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the core material (20, 30a, 30b)
  • x which is the volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the core material (20, 30a, 30b)
  • x which is the volume ratio (x) of the vermiculite sheet (33) included in the core material (20, 30a, 30b)
  • the flexural modulus of the vacuum insulation panel (1) is 300 Mpa or more, the thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less, and the x value for preventing a decrease in insulation performance due to the percolation threshold can be calculated as 2.7 vol% ⁇ x ⁇ 3.33 vol%.
  • the flexural modulus is 300 Mpa or more, the thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less, and the x value to prevent a decrease in insulation performance due to the percolation threshold may be 2.6 vol% ⁇ x ⁇ 3.1 vol%.
  • the flexural modulus is 300 Mpa or more, the thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less, and the x value to prevent a decrease in insulation performance due to the percolation threshold may be 2.6 vol% ⁇ x ⁇ 2.8 vol%.
  • the flexural modulus is 300 Mpa or more
  • the thermal conductivity is 2.5 mW/mK or less
  • the x value to prevent a decrease in insulation performance due to the percolation threshold may be 2.6 vol% ⁇ x ⁇ 2.7 vol%.
  • the first coating layer (30a) and the second coating layer (30b) can be arranged to be in contact with the core layer (20) (see FIG. 9). Thereafter, the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b) can be arranged within the accommodation space (15) formed by the outer covering material (10).
  • the vacuum ejector (P) can discharge air in the accommodation space (15) to the outside to form the accommodation space (15) into a vacuum state (O).
  • the accommodation space (15) becomes a vacuum state the atmospheric pressure can become higher than the pressure inside the accommodation space (15). Therefore, the outer covering material (10) can be pressurized in a direction toward the center of the accommodation space (15).
  • the first outer layer (14) of the outer covering material (10) comes into contact with the first coating layer (30a) and the second coating layer (30b), and the first coating layer (30a) and the second coating layer (30b) can be strongly pressed in the direction toward the center of the receiving space (15).
  • the first coating layer (30a), the core layer (20), and the second coating layer (30b) received in the receiving space (15) can be strongly adhered to each other and fixed within the receiving space (15).
  • a vacuum insulation panel (1) includes a shell material (10) forming an accommodation space (15) therein and a core material (20, 30a, 30b) arranged within the accommodation space (15).
  • the core material (20, 30a, 30b) includes a core layer (20) extending in the longitudinal direction of the shell material (10), a support (21) arranged between the shell material (10) and the core layer (20), which includes a porous material, and a plurality of plate-shaped materials (33) having a flexural modulus higher than that of the support (21), and a coating layer (30) having a thickness thinner than that of the core layer (20).
  • the above support (21) may include glass wool (21), and the plurality of plate-shaped materials (33) may include vermiculite material.
  • the above glass wool (21) includes a plurality of glass fibers (211) that are arranged irregularly and a gap (22) formed by the arrangement of the plurality of glass fibers (211), and the plurality of plate-shaped materials (33) can be arranged within the gap (22).
  • the coating layer (30) may include a first coating layer (30a) that is in contact with one surface of the core layer (20) and a second coating layer (30b) that is spaced apart from the first coating layer (30a) and in contact with the other surface of the core layer (20).
  • the ratio of the volume of the plurality of plate-shaped materials (33) to the volume of the above core material (20, 30a, 30b) can be set to 2.7 vol% or more.
  • the ratio of the volume of the plurality of plate-shaped materials (33) to the volume of the above core material (20, 30a, 30b) can be set to 3.33 vol% or less.
  • the thickness of the core layer (20) may be set to be at least 10 times the thickness of the first coating layer (30a).
  • the flexural elastic modulus of the above vacuum insulation panel (1) can be set to 300 MPa or more.
  • the thermal conductivity of the above vacuum insulation panel (1) can be set to 2.5 mW/mK or less.
  • the above outer skin (10) may include a first outer skin layer (14) arranged to be in contact with the coating layer (30) and a second outer skin layer (11) spaced apart from the first outer skin layer (14) and forming the outer surface of the vacuum insulation panel (1).
  • the first outer layer (14) may include LLDPE (Linear Low Density Polyethylene), and the second outer layer (11) may include PA (Polyamide) fibers.
  • LLDPE Linear Low Density Polyethylene
  • PA Polyamide
  • the above-mentioned accommodation space (15) can be provided in a vacuum state.
  • a vacuum insulation panel (1) according to the invention of the present disclosure includes an outer covering material (10) that forms an accommodation space (15) therein and includes a plurality of outer covering layers, and a core material (20, 30a, 30b) that is arranged within the accommodation space (15).
  • the core material (20, 30a, 30b) includes a core layer (20) including glass wool (21) extending in the longitudinal direction of the outer covering material (10), a support (21) including a porous material and arranged to contact the outer covering material (10) and the core layer (20), and a coating layer (30) including a plurality of plate-shaped materials (33) having a higher flexural modulus than the support (21), and a volume ratio of the plurality of plate-shaped materials (33) to the volume of the core material (20, 30a, 30b) is 2.7 vol% or more.
  • the ratio of the volume of the plurality of plate-shaped materials (33) to the volume of the above core material (20, 30a, 30b) can be set to 3.33 vol% or less.
  • the above support (21) may include glass wool (21), and the plurality of plate-shaped materials (33) may include vermiculite material.
  • the above glass wool (21) includes a plurality of glass fibers (211) that are arranged irregularly with each other and a gap (22) formed by arranging the plurality of glass fibers (211), and the plurality of plate-shaped materials (33) can be arranged to be distributed within the gap (22).
  • the coating layer (30) includes a first coating layer (30a) that contacts one surface of the core layer (20) and a second coating layer (30b) that is spaced apart from the first coating layer (30a) and contacts the other surface of the core layer (20), and the thickness of the core layer (20) can be provided to be 10 times or more the thickness of the first coating layer (30a) or the second coating layer (30b).
  • the above vacuum insulation panel (1) can be provided with a flexural modulus of 300 MPa or more and a thermal conductivity of 2.5 mW/mK or less.
  • the above-described plurality of outer layers may include a first outer layer (14) that is arranged to be in contact with the coating layer (30) and includes LLDPE (Linear Low Density Polyethylene) and a second outer layer (11) that is spaced apart from the first outer layer (14) and includes PA (Polyamide)-based fibers.
  • LLDPE Linear Low Density Polyethylene
  • PA Polyamide
  • a vacuum insulation panel (1) includes an outer covering (10) having a receiving space (15) formed therein and including a plurality of outer covering layers, and a core material (20, 30a, 30b) disposed within the receiving space (15).
  • the core material (20, 30a, 30b) includes a core layer (20) extending in the longitudinal direction of the outer covering (10), and a coating layer (30) disposed to contact the outer covering (10) and the core layer (20), respectively, and including a support (21) including a porous material, and a plurality of plate-shaped materials (33) having a higher flexural modulus than that of the support (21).
  • the coating layer (30) includes a first coating layer (30a) that contacts one surface of the core layer (20), and a second coating layer (30b) that is spaced apart from the first coating layer (30a) and contacts the other surface of the core layer (20), and is provided so that the volume ratio of the plurality of plate-shaped materials (33) with respect to the volume of the core material (20, 30a, 30b) is 2.7 vol% or more and 3.6 vol% or less, and the thickness of the first coating layer (30a) or the second coating layer (30b) is 0.1 times or less the thickness of the core layer (20).
  • the core material includes a coating layer including a plurality of plate-like materials having a high flexural modulus, the rigidity of the vacuum insulation panel can be secured.
  • a vacuum insulation panel having high rigidity and low thermal conductivity can be manufactured by including a plurality of plate-like materials in a coating layer at a specific volume ratio.
  • a vacuum insulation panel having high rigidity and low thermal conductivity can be manufactured by forming the ratio of the thickness of the coating layer to the thickness of the core layer to have a specific value.

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Abstract

진공 단열패널은, 내부에 수용공간을 형성하는 외피재 및 수용공간 내에 배치되는 심재(Core Material)를 포함한다. 심재는, 외피재의 길이방향으로 연장되는 코어층 및 외피재와 코어층의 사이에 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체 및 지지체보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재들을 포함하며, 코어층의 두께보다 얇은 두께를 갖는 코팅층을 포함한다.

Description

진공 단열패널
본 개시는 개선된 구조를 포함하는 진공 단열패널에 관한 것이다.
단열재는 보온을 하거나 열을 차단하기 위해 사용된다. 예를 들면, 단열재는 냉장고의 저장실 내부와 외부를 단열하도록 냉장고에 사용될 수 있다.
일반적으로, 냉장고의 단열재로서 폴리우레탄 폼이 활용될 수 있다. 폴리우레탄 폼의 경우 냉장고 활용에 적합한 단열효과를 내기 위해서 다소 두껍게 마련될 필요가 있으므로, 냉장고 내부의 저장공간이 줄어들 수 있다.
진공 단열패널(Vacuum Insulation Panel)은 폴리우레탄 폼보다 낮은 열전도도를 가져, 냉장고 활용을 위해 목적한 단열효과를 내는 동시에 폴리우레탄 폼보다 얇게 만들어질 수 있다. 따라서, 진공 단열패널을 냉장고에 사용하려는 시도가 이루어지고 있다.
진공 단열패널은 심재(Core Material)의 외부를 복수의 외피층들로 구성된 외피재로 감싸고, 내부를 진공 처리한 단열재이다. 진공 단열패널의 경우 단열성능이 뛰어난 장점이 있으나, 심재 부분이 대부분 진공 상태로 마련되고, 외피재는 얇은 두께를 갖게 되므로 강성이 부족할 수 있다.
본 개시의 일 측면은 강성이 개선되는 구조를 포함하는 진공 단열패널을 제공한다.
본 개시의 일 측면은 단열성능이 유지되는 구조를 포함하는 진공 단열패널을 제공한다.
본 문서에서 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널은, 내부에 수용공간을 형성하는 외피재 및 상기 수용공간 내에 배치되는 심재(Core Material)를 포함한다. 상기 심재는, 상기 외피재의 길이방향으로 연장되는 코어층 및 상기 외피재와 상기 코어층의 사이에 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체 및 상기 지지체보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재들을 포함하며, 상기 코어층의 두께보다 얇은 두께를 갖는 코팅층을 포함한다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널은, 내부에 수용공간을 형성하고 복수의 외피층들을 포함하는 외피재 및 상기 수용공간 내에 배치되는 심재를 포함한다. 상기 심재는, 상기 외피재의 길이방향으로 연장되는 글라스울(Glass Wool)을 포함하는 코어층 및 상기 외피재 및 상기 코어층과 각각 접촉하도록 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체 및 상기 지지체보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재들을 포함하며, 상기 심재의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재들의 부피 비율이 2.7vol% 이상으로 마련되는 코팅층을 포함한다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널은, 내부에 수용공간을 형성하고 복수의 외피층들을 포함하는 외피재 및 상기 수용공간 내에 배치되는 심재를 포함한다. 상기 심재는, 상기 외피재의 길이방향으로 연장되는 코어층 및 상기 외피재 및 상기 코어층과 각각 접촉하도록 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체 및 상기 지지체보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재들을 포함하는 코팅층을 포함한다. 상기 코팅층은, 상기 코어층의 일면과 접촉하는 제1 코팅층과, 상기 제1 코팅층과 이격 배치되고 상기 코어층의 타면과 접촉하는 제2 코팅층을 포함하고, 상기 심재의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재들의 부피 비율이 2.7vol% 이상 및 3.6 vol% 이하가 되도록 마련되며, 상기 제1 코팅층 또는 상기 제2 코팅층의 두께는 상기 코어층의 두께의 0.1배 이하이다.
도 1은 일 실시예에 따른 진공 단열패널을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 진공 단열패널을 a-a'를 따라 절개하여 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2의 A1영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 A2영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 A3영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 질석(Vermiculite)으로부터 복수의 판상 소재들을 박리하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 박리된 복수의 판상 소재들을 글라스울과 혼합하여 코팅층을 형성하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 심재를 분리하여 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 코어층이 코팅층에 코팅되는 과정을 도시한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 진공 단열패널이 외력을 받아 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서 열이 진공 단열패널을 지나가며 전달되는 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 일 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있다.
또한, 본 명세서의 각 도면에서 제시된 동일한 참조번호 또는 부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부품 또는 구성요소를 나타낸다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 개시된 발명을 제한 및/또는 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 사용한 "제1", "제2" 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
한편, 하기의 설명에서 사용된 "전", "후", "좌", "우", "상" 및 "하" 등의 용어에 의하여 각 구성요소의 형상 및 위치가 제한되는 것은 아니다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합", "지지" 또는 "접촉"되어 있다고 할 때, 이는 구성요소들이 직접적으로 연결, 결합, 지지 또는 접촉되는 경우뿐 아니라, 제3 구성요소를 통하여 간접적으로 연결, 결합, 지지 또는 접촉되는 경우를 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 존재하는 경우도 포함한다.
회전 방향을 지칭함에 있어, 시계방향은 제1 방향, 제1 방향의 반대방향인 반시계 방향은 제2 방향으로 표현될 수 있다. 이러한 표현은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명함에 있어 통용될 수 있으나, 이 용어에 의해 본 발명의 구성요소들의 회전방향이 제한되는 것은 아니다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 진공 단열패널(1)을 구체적으로 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 진공 단열패널을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2는 도 1의 진공 단열패널을 a-a'를 따라 절개하여 도시한 단면도이다. 도 3은 도 2의 A1영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 1 내지 3을 참조하면, 진공 단열패널(1)은 외피재(10)와, 외피재(10)가 형성하는 수용공간(15)에 수용되는 심재(Core Material)(20, 30a, 30b)를 포함할 수 있다. 외피재(10)는 심재(20, 30a, 30b)를 수용하도록 심재(20, 30a, 30b)의 외측에 배치될 수 있다. 외피재(10)의 수용공간(15)은 내부가 진공이 되도록 마련될 수 있고, 심재(20, 30a, 30b)는 진공상태의 수용공간(15)에 수용될 수 있다(도 9 참조).
일례로, 심재(20, 30a, 30b)는 다공성 소재를 포함하는 지지체(21)를 가질 수 있고, 다공성 소재의 빈 공간은 진공상태로 유지될 수 있어 진공 외피재(10)는 단열기능을 수행할 수 있다. 상기한 다공성 소재의 빈 공간은 공극(22, 후술한다)이라고 지칭되고 호칭될 수 있다.
일례로, 심재(20, 30a, 30b)의 지지체(21)는 글라스울(Glass Wool) 또는 흄드 실리카(Fumed Silica) 등을 포함할 수 있다. 이하에서는, 심재(20, 30a, 30b)의 지지체(21)가 글라스울(21, Glass Wool)을 포함하는 것으로 도시하고 설명하도록 하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일례로, 심재(20, 30a, 30b)는 외피재(10)의 길이방향(+-X방향)으로 연장되는 코어층(20)과, 외피재(10)와 코어층(20)의 사이에 배치되는 코팅층(30)을 포함할 수 있다. 코팅층(30)은 코어층(20)의 일면과 접촉하는 제1 코팅층(30a)과, 제1 코팅층(30a)과 이격 배치되고 코어층(20)의 타면과 접촉하는 제2 코팅층(30b)을 포함할 수 있다.
일례로, 제1 코팅층(30a)은 코어층(20)의 상면과 접촉할 수 있고, 제2 코팅층(30b)은 코어층(20)의 하면과 접촉할 수 있다. 코어층(20)과 코팅층(30)에 관한 상세한 설명은 후술한다.
내부(15)를 진공 상태로 유지하기 위해, 외피재(10)는 공기나 가스 등의 기체 및 수분의 침투를 차단하도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 외피재(10)는 수분 및 가스 차단 필름을 포함할 수 있다. 심재(20, 30a, 30b)는 외피재(10)에 의해 보호되어 단열수명을 유지할 수 있다.
외피재(10)는 복수의 외피층들(11, 12, 13, 14)을 포함할 수 있다. 복수의 외피층들(11, 12, 13, 14)은 외측 방향으로 적층되어 심재(20, 30a, 30b)를 둘러싸도록 마련될 수 있다. 복수의 외피층들(11, 12, 13, 14)은 서로 다른 재질로 형성될 수 있다. 또한, 복수의 외피층들(11, 12, 13, 14)은 서로 다른 두께를 포함하도록 형성될 수 있다.
외피재(10)는 제1 외피층(14)을 포함할 수 있다. 제1 외피층(14)은 심재(20, 30a, 30b)의 외면을 감싸도록 배치되어 심재(20, 30a, 30b)와 접촉하도록 마련될 수 있다.
일례로, 제1 외피층(14)은 LLDPE(Linear low Density Polyethylene) 소재를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. LLDFE는 심재(20, 30a, 30b)의 외면과 접촉하여 심재(20, 30a, 30b)를 안정적으로 지지할 수 있다.
외피재(10)는 외측 방향으로 제1 외피층(14)과 이격되도록 배치되는 제2 외피층(11)을 포함할 수 있다. 제2 외피층(11)은 외피재(10)의 최 외측 부분에 배치될 수 있다.
일례로, 제2 외피층(11)은 PA(Polyamide)계 섬유 소재를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로, PA는 나일론(Nylon)으로 마련되어 외부의 수증기가 외피층을 투과하는 것을 방지할 수 있다.
외피재(10)는 제1 외피층(14)과 제2 외피층(11) 사이에 배치되는 제3 외피층(12)을 포함할 수 있다.
일례로, 제3 외피층(12)은 제2 외피층(11)의 내측 면과 접하도록 배치될 수 있다. 일례로, 제3 외피층(12)은 PET(Polyethylene Terephthalate)소재를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
외피재(10)는 제1 외피층(14)과 제2 외피층(11) 사이에 배치되는 제4 외피층(13)을 포함할 수 있다.
일례로, 제4 외피층(13)은 제3 외피층(12)의 내측 면과 접하도록 배치될 수 있다. 일례로, 제4 외피층(13)은 제1 외피층(14)의 외측 면과 접하도록 배치될 수 있다.
일례로, 제4 외피층(13)은 EVOH(Ethylene vinyl alcohol)소재를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. EVOH는 심재(20, 30a, 30b)의 외측에 배치되어 산소, 이산화탄소 및 수증기 등이 심재(20, 30a, 30b)로 투과되는 것을 방지하는 기능을 수행할 수 있다.
일례로, 상기한 외피층들(11, 12, 13, 14)중 어느 하나는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 포함할 수 있다. 일례로, 상기한 외피층들(11, 12, 13, 14)은 모두 PVDF(Polyvinylidene Fluoride)를 포함할 수도 있다.
일례로, 외피재(10)는 알루미늄(AL) 또는 알루미늄 산화물(ALOx) 등의 금속 또는 금속산화물 소재를 포함하지 않을 수 있다. 이를 통해, 외피재(10)를 통한 열교현상 등이 방지될 수 있다.
도 4는 도 2의 A2영역을 확대하여 도시한 도면이다. 보다 구체적으로, 도 4는 심재(20, 30a, 30b)의 코어층(20)을 확대도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 심재(20, 30a, 30b)는 외피재(10)의 길이방향(+-X방향)으로 연장되는 코어층(20)을 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 코어층(20)은 글라스울(Glass Wool)을 포함할 수 있다.
글라스울(21)은 유리섬유(Glass Fiber, 211)를 포함할 수 있다. 유리섬유(211)는 외피재(10)의 길이방향(+-X방향)을 따라 연장될 수 있다. 도시에서는 유리섬유(211)가 대략 나선형의 방향으로 휘어지도록 형성되는 것으로 도시되었으나, 이는 글라스울(21)을 형성하는 유리섬유(211)를 개념적으로 표현한 것에 불과하고, 유리섬유(211)는 다양한 형상을 가지며 글라스울(21)을 형성할 수 있다.
코어층(20)의 글라스울(21)은 복수의 유리섬유(211)들을 포함할 수 있다. 글라스울(21)은 심재(20, 30a, 30b)가 형태를 유지하도록 심재(20, 30a, 30b)에 강성을 부여하고, 진공 단열패널(1)을 지지하는 역할을 수행할 수 있다.
일례로, 글라스울(21)은 다공성 소재일 수 있다. 즉, 코어층(20)의 글라스울(21)은 복수의 유리섬유(211)들과, 복수의 유리섬유(211)들이 배열되며 형성하는 공극(孔隙, 22)을 포함할 수 있다. 달리 표현하면, 복수의 유리섬유(211)들은 서로 불규칙하게 배열될 수 있고, 이를 통해 글라스울(21)의 내부에는 공극(22)이 형성될 수 있다.
일례로, 공극(22)은 글라스울(21) 내부의 빈 공간을 의미할 수 있다. 후술하겠으나, 코어층(20)이 진공상태인 수용공간(15)에 배치될 때, 공극(22) 또한 진공상태로 유지될 수 있다.
일례로, 글라스울(21)의 굴곡탄성률은 180Mpa로 마련될 수 있다. 일례로, 글라스울(21)의 열전도도는 2mW/mK로 마련될 수 있다. 이에 관한 설명은 후술한다.
도 5는 도 3의 A3영역을 확대하여 도시한 도면이다. 도 6은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 질석(Vermiculite)으로부터 복수의 판상 소재들을 박리하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다. 도 7은 도 6의 박리된 복수의 판상 소재들을 글라스울(21)과 혼합하여 코팅층을 형성하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 5 내지 7을 참조하면, 코팅층(30)은 외형을 형성하는 지지체(21)와, 판상 소재(33)를 포함할 수 있다.
일례로, 지지체(21)는 다공성 소재를 포함하고, 외피재(10)의 길이방향(+-X방향)으로 연장될 수 있다. 일례로, 지지체(21)는 유리섬유(211)를 포함하는 글라스울(Glass Wool)을 포함할 수 있다. 이하에서는 지지체(21)가 글라스울인 것으로 설명하기로 하나, 이에 한정되는 것은 아니다.
앞서 살핀 바와 같이, 글라스울(21)은 서로 불규칙하게 배열되는 복수의 유리섬유(211)들과, 복수의 유리섬유(211)들이 배열되며 형성하는 공극(22)을 포함할 수 있다.
코팅층(30)은 지지체(21)와 혼합되도록 마련되는 판상 소재(33)를 포함할 수 있다.
일례로, 판상 소재(33)는 질석(Verminulite, V)으로부터 박리되어 형성되는 버미큘라이트 시트(Vermiculite Sheet, 33))들을 포함할 수 있다. 즉, 판상 소재(33)는 버미큘라이트 소재(V)를 포함할 수 있다.
이하에서는 판상 소재(33)들은 버미큘라이트 시트(33)인 것으로 가정하여 설명한다. 판상 소재(33)는 복수의 판상 소재(33)들을 포함할 수 있다. 일례로, 복수의 판상 소재(33)들은 지지체(21)의 공극(22) 내에 배치될 수 있다.
일례로, 버미큘라이트 시트(33)는 글라스울(21)의 유리섬유(211)보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 포함할 수 있다. 그리고 코팅층(30)은 유리섬유(211)와 버미큘라이트 시트(33)가 혼합되어 형성되는 바, 글라스울(21)을 갖는 코어층(20)보다 높은 굴곡 탄성률을 가질 수 있다. 따라서 글라스울(21)만으로 형성되는 경우에 비해, 코어층(20)과 코팅층(30)을 포함하여 보다 높은 굴곡 탄성률을 갖는 심재(20, 30a, 30b)를 형성할 수 있다. 심재(20, 30a, 30b)의 굴곡 탄성률에 관한 상세한 설명은 후술한다.
이하에서는, 지지체(21)와 판상 소재(33)가 서로 혼합되어 코팅층(30)이 형성되는 과정을 살핀다.
앞서 살핀 바와 같이, 복수의 판상 소재(33)들인 버미큘라이트 시트(33)들은 원재료인 질석에서 박리되어 형성될 수 있다. Expanded Vermiculite로 가공된 질석은, density gradient separation method를 활용하여 불순물이 제거될 수 있다.
이후 Nacl과 1대1의 질량비로 50mg/ml의 농도로 물과 혼합시킨 후, 400~1000rpm으로 ball milling process하여 질석(V)으로부터 복수의 판상 소재(33)들인 버미큘라이트 시트(33)들 박리해낼 수 있다. 그리고 보다 효과적으로 복수의 판상 소재(33)들을 박리해 내도록 초음파 및 원심분리 단계가 수행될 수도 있다.
상기 과정을 통해 박리된 복수의 판상 소재(33)들은, 글라스울(21)을 포함하는 지지체(21)와 함께 물(W)과 섞여 서로 혼합될 수 있다. 해당 과정에서 복수의 판상 소재(33)들은 지지체(21)의 공극(22) 내부에 균일하게 배치될 수 있다.
이후 지지체(21)와 복수의 판상 소재(33)들의 혼합물을 물(W)로부터 꺼내어 건조시키면 코팅층(30)이 형성될 수 있다.
코팅층(30)은 코어층(20)의 일면과 접촉하는 제1 코팅층(30a)과, 코어층(20)의 타면과 접촉하는 제2 코팅층(30b)을 포함할 수 있다. 도 5에서는 상술한 코팅층(30)을 활용하여 제작된 제1 코팅층(30a)을 일례로서 도시하였으나, 제2 코팅층(30b) 또한 상술한 코팅층(30)이 활용되어 제작될 수 있음은 물론이다.
도 8은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 심재를 분리하여 도시한 도면이다. 도 9는 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서, 코어층이 코팅층(30)에 코팅되는 과정을 도시한 도면이다. 도 10은 일 실시예에 따른 진공 단열패널이 외력을 받아 변형되는 모습을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 11은 일 실시예에 따른 진공 단열패널에서 열이 진공 단열패널을 지나가며 전달되는 모습을 개념적으로 도시한 도면이다.
진공 단열패널(1)이 활용목적에 맞는 안정적인 단열기능을 수행하도록 하기 위해서는, 진공 단열패널(1)이 특정 값 이상의 강성을 가져야 한다. 일례로, 진공 단열패널(1)에는 사용 환경에 따라 외력이 발생할 수 있고, 이를 통해 일정 변형량만큼 변형될 수 있다(도 10 참조). 만일 진공 단열패널(1)이 충분한 강성을 갖지 못하는 경우, 외력이 가해지는 환경에서는 변형량이 커져 패널이 손상될 수 있고, 이에 따라 단열성능이 하락할 수 있다. 따라서, 진공 단열패널(1)은 일정 수치 이상의 강성을 가질 필요가 있다.
진공 단열패널(1)의 강성을 판단할 때, 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)이 그 기준이 될 수 있다. 굴곡 탄성률은 굽힘 시험에서 발생하는 변형에 대하여 적용되는 응력의 비율을 의미하고, 재료의 강성을 측정하는 측정기준이 될 수 있다.
진공 단열패널(1)에서는 일측과 타측의 온도차에 따라 열전달이 일어날 수 있다(도 11 참조). 다시말해, 진공 단열패널(1)이 활용 목적에 따른 단열성능을 내기 위해서는 특정 값 이하의 열전도도를 가질 필요가 있다.
이하에서는 진공 단열패널(1)의 목표 굴곡 탄성률이 300Mpa이상이고, 목표 열전도도가 2.5mW/mK 이하인 것으로 가정한다.
본 개시에 따른 진공 단열패널(1)은, 코어층(20)과 코팅층(30)의 두께의 비율과, 심재(20, 30a, 30b)의 부피 대비 코팅층(30)에 포함되는 복수의 판상소재들의 부피의 비율이, 상기한 굴곡 탄성률과 열전도도를 조절하는 변수로 작용할 수 있다.
이하에서는 진공 단열패널(1)이 상기한 굴곡 탄성률 값과 열전도도 값을 갖기 위한 코어층(20)과 코팅층(30)의 두께의 비율 및 심재(20, 30a, 30b)의 부피 대비 코팅층(30)에 포함되는 복수의 판상소재들의 부피의 비율 값이 무엇인지에 관해 도 8 내지 11을 참조하여 계산하기로 한다.
이하에서는 설명의 편의를 위해 코어층(20)과 코팅층(30)의 두께의 비율을 '두께비(L'/L1)'로, 심재(20, 30a, 30b)의 부피 대비 코팅층(30)에 포함되는 복수의 판상소재들의 부피의 비율을 '부피비(x)'로 호칭하고 지칭하기로 한다. 일례로, L2 및 L3는 같은 값을 가질 수 있고, L'으로 지칭될 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.
진공 단열패널(1)의 외피재(10)의 경우, 두께가 수십 μm에 불과하여 심재(20, 30a, 30b)에 비해 진공 단열패널(1) 전체의 굴곡 탄성률에 기여하는 정도가 매우 적다. 또한, 열전도도의 계산 시 기여하는 정도가 심재(20, 30a, 30b)에 비해 저조할 수 있다. 따라서, 이하의 계산에서는 심재(20, 30a, 30b)가 갖는 굴곡 탄성률 및 열전도도만을 고려하기로 가정한다. 일례로, 지지체(21)는 글라스울(21)을 형성하는 유리섬유(211)인 것으로 가정하고, 복수의 판상 소재(33)들은 질석(V)에서 박리된 버미큘라이트 시트(33)들인 것으로 가정한다.
한편, 글라스울(21) 단독의 굴곡 탄성률은 180Mpa이고, 열전도도는 2mW/mK임을 실험을 통해 얻을 수 있다. 그리고, 판상 소재(33)인 버미큘라이트 시트(33)의 굴곡 탄성률 및 열전도도는 이하의 과정을 통해 얻을 수 있다.
우선, 글라스울(21)의 유리섬유(211)가 전체의 10vol%의 부피비(x)로 포함되고, 버미큘라이트 시트(33)가 전체의 5.4vol%로 균일하게 포함되어 있는 시험편을 가정한다(시험편의 나머지 영역인 84.6vol%은 진공상태일 수 있다).
해당 시험편의 굴곡 탄성률 및 열전도도는 실험을 통해 각각 277Mpa 및 10mW/mK임을 얻을 수 있다. 이때, Rules of Mixture에 의해 시험편의 굴곡 탄성률 및 열전도도는 이하의 식으로 표현될 수 있다.
E' = Eg + Ev * 0.054
k' = kg + kv * 0.054
E'는 시험편의 굴곡 탄성률이고, k'는 시험편의 열전도도를 의미한다. Eg는 글라스울(21)의 유리섬유(211)의 굴곡 탄성률이고, Ev는 버미큘라이트 시트(33)의 굴곡 탄성률을 의미한다. kg는 글라스울(21)의 유리섬유(211)의 열전도도이고, kv는 버미큘라이트 시트(33)의 열전도도를 의미한다.
앞서 살핀 바와 같이, Eg는 180Mpa이고, kg는 2mW/mK일 수 있다. 따라서, 해당 값들 및 시험편의 실험을 통해 얻은 값들을 상기 식에 대입하면, 버미큘라이트 시트(33) 자체의 굴곡 탄성률 및 열전도도를 이하와 같이 계산할 수 있다.
Ev = 1796Mpa
kv = 148mW/mK
이하에서는 진공 단열패널(1)의 굴곡 탄성률에 대한 식을 산출하기로 한다.
앞서 살핀 바와 같이, 심재(20, 30a, 30b)는 제1 코팅층(30a)과, 코어층(20)과, 제2 코팅층(30b)을 포함할 수 있다. 상기와 같은 복합체인 심재(20, 30a, 30b)의 유효 굴곡 탄성률은 이하의 식으로 표현될 수 있다.
Ed = D / I'
상기한 Ed는 유효 굴곡 탄성률이고, D는 복합체로서의 심재를 이루는 각 요소들의 굴곡 탄성률의 합이며, I'는 복합체로서의 심재의 관성모멘트를 의미한다.
D는 이하와 같이 표현될 수 있다.
D = D1 + D2 + D3
상기 D1은 코어층(20)의 굴곡 탄성률이고, D2는 제1 코팅층(30a)의 굴곡 탄성률이고, D3는 제2 코팅층(30b)의 굴곡 탄성률을 의미한다. 각 층의 굴곡 탄성률은 이하의 식으로 각각 표현될 수 있다.
D1 = E1 * I1
D2 = E2 * I2
D3 = E3 * I3
상기 E1은 코어층(20)의 Modulus이고, I1은 코어층(20)의 이차 관성모멘트를 의미한다. 상기 E2은 제1 코팅층(30a)의 Modulus이고, I2은 제1 코팅층(30a)의 이차 관성모멘트를 의미한다. 상기 E3은 제2 코팅층(30b)의 Modulus이고, I3은 제2 코팅층(30b)의 이차 관성모멘트를 의미한다.
각 층의 이차 관성모멘트를 계산하기 위하여, 도 8의 각 구성들이 서로 결합된 상태를 가정한다. 그리고, 제2 코팅층(30b)의 하면이 이차 관성모멘트 계산을 위한 기준점인 것으로 가정한다.
우선, 각 층의 Modulus는 이하와 같이 계산될 수 있다.
E1 = Eg
E2 = Eg + Ev * x2 * (L1 + 2 * L2) / (2 * L2)
E3 = Eg + Ev * x3 * (L1 + 2 * L3) / (2 * L3)
상기한 x2는 전체 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 제1 코팅층(30a)에 포함된 버미큘라이트 시트(33)의 부피비(x)일 수 있다. 상기한 x3는 전체 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 제2 코팅층(30b)에 포함된 버미큘라이트 시트(33)의 부피비(x)일 수 있다. 이하에서는, x1 및 x2가 같은 값을 갖는 것으로 가정하고, x로 표기하도록 한다.
상기한 L1은 코어층(20)의 두께이고, L2는 제1 코팅층(30a)의 두께이고, L3 은 제2 코팅층(30b)의 두께를 의미한다. 일례로, 두께란 도 8의 제1 코팅층(30a)과, 코어층(20)과, 제2 코팅층(30b)이 서로 배열된 방향으로의 길이를 의미할 수 있다. 일례로, L2와 L3는 같은 값을 갖도록 마련될 수 있고, 이를 L'로 표기할 수 있다. 일례로 제1 코팅층(30a) 및 제2 코팅층(30b)은 코어층(20)의 두께보다 얇은 두께를 갖도록 마련될 수 있다.
상기 식을 통해 각 층의 Modulus를 계산할 수 있게 된다.
그리고, 각 층의 이차 관성모멘트는 이하와 같이 계산될 수 있다.
I1 = {(S * L1^3) / 12} + {S * L1 * (z1 - Z) ^2}
I2 = {(S * L2^3) / 12} + {S * L2 * (z2 - Z) ^2}
I3 = {(S * L3^3) / 12} + {S * L3 * (z3 - Z) ^2}
상기 S는 제1 코팅층(30a)과, 코어층(20)과, 제2 코팅층(30b)의 너비로서 모두 같은 값을 갖는 것으로 가정한다. 상기 z1은 기준점으로부터 코어층(20)의 중심까지의 거리를 의미한다. 상기 z2는 기준점으로부터 제1 코팅층(30a)의 중심까지의 거리를 의미한다. 상기 z3은 기준점으로부터 제2 코팅층(30b)의 중심까지의 거리를 의미한다. 상기 Z는 기준점으로부터 제1 코팅층(30a), 코어층(20), 제2 코팅층(30b)이 서로 결합된 상태의 심재(20, 30a, 30b)의 중심까지의 거리를 의미한다.
z1과 z2와 z3와 Z는 이하와 같이 표현될 수 있다.
z1 = L3 + L1 / 2
z2 = L3 + L1 + L2 / 2
z3 = L3 / 2
Z = L3 + L1 / 2
상기 정리한 각 층의 Modulus와 이차 관성 모멘트의 식을, 굴곡 탄성률에 관한 식에 대입하면, 각 층의 굴곡 탄성률에 대한 식을 얻을 수 있다.
D1 = Eg * {(S * L1^3) / 12}
<코어층(20)의 굴곡 탄성률>
D2 = Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L2) / (2 * L2) * {(S * L2^3) / 12} + {S * L2 * (L3 + L1 + L2 / 2 - L3 + L1 / 2) ^2}
<제1 코팅층(30a)의 굴곡 탄성률>
D3 = Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L3) / (2 * L3) * {(S * L3^3) / 12} + {S * L3 * (L3 / 2 - L3 + L1 / 2) ^2}
<제2 코팅층(30b)의 굴곡 탄성률>
전술한 바와 같이, 상기 D1과 D2와 D3를 모두 더한 값이 D를 의미한다. 그리고, 유효 굴곡 탄성률을 구하기 위한 Ed = D / I'의 식에서 복합체인 심재(20, 30a, 30b)의 I'값은 이하와 같이 표현될 수 있다.
I' = {S * (L1 + L2 + L3) ^3} / 12
이제, 상술한 D에 관한 식과 I'에 관한 식을 Ed를 구하기 위한 식에 대입하여 정리하면, 복합체인 심재(20, 30a, 30b)의 유효 굴곡 탄성률을 이하와 같이 표현할 수 있다(이때, 너비인 S는 분모 분자에 모두 포함된 값으로서 소거된다).
Ed = [[Eg * {(L1^3) / 12}] + [Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L2) / (2 * L2) * {(L2^3) / 12} + {L2 * (L3 + L1 + L2 / 2 - L3 + L1 / 2) ^2}] + [Eg + Ev * x * (L1 + 2 * L3) / (2 * L3) * {(L3^3) / 12} + {L3 * (L3 / 2 - L3 + L1 / 2) ^2}]] / [{(L1 + L2 + L3) ^3} / 12]
<심재(20, 30a, 30b)의 유효 굴곡 탄성률>
앞서 살핀 바와 같이 L2와 L3는 갖은 값으로 가정될 수 있다. 이를 L'로 표현할 수 있다. 결론적으로, 심재(20, 30a, 30b)의 굴곡 탄성률에 대한 식은 L1, L'(L2 또는 L3), x라는 3개의 변수를 갖게 된다. 즉, 부피비(x)(x) 및 두께비(L'/L1)(L'/L1)에 관한 식으로 표현될 수 있게 된다.
이하에서는 진공 단열패널(1)의 열전도도에 대한 식을 산출하기로 한다.
우선, 각 층에서의 열전도도는 이하와 같이 표현될 수 있다.
k1 = kg
k2 = kg + kv * x * (L1 + L2 + L3) / (2 * L2)
k3 = kg + kv * x * (L1 + L2 + L3) / (2 * L3)
k1은 코어층(20)에서의 열전도도이고, k2는 제1 코팅층(30a)에서의 열전도도이고, k3는 제2 코팅층(30b)에서의 열전도도를 의미한다.
이때, 본 개시의 복합체인 심재(20, 30a, 30b)는 복수의 층을 갖는 구성으로서, 복합체의 유효 열전도도는 Multilayer의 열전도도 계산식에 의거하여 계산될 수 있다. 그리고 해당 계산을 위해 직렬 열저항 계산식을 활용할 수 있다.
유효 열전도도를 K로 표현할 때, 이하의 식이 성립할 수 있다.
(L1 + L2 + L3)/(K*A) = L1 / (k1 * A) + L2 / (k2 * A) + L3 / (k3 * A)
상기 A는 열이 통과하는 단면적으서, 제1 코팅층(30a)과 코어층(20)과 제2 코팅층(30b)은 모두 갖은 값을 갖도록 가정할 수 있다. 상기 식을 유효 열전도도인 K에 관하여 정리하면 심재(20, 30a, 30b)의 열전도도는 이하와 같이 표현될 수 있다(이때, L2 및 L3는 같은 값은 갖는 것으로서 L'로 표기한다).
K = (L1 + 2*L') / [(2*L'/ {kg + kv * x * (L1 + 2*L')/(2*L')} + L1/kg]
결론적으로, 심재(20, 30a, 30b)의 열전도도에 대한 식 또한 굴곡 탄성률에 관한 식과 마찬가지로 L1, L'(L2 또는 L3), x라는 3개의 변수를 갖게 된다. 즉, 부피비(x)(x) 및 두께비(L'/L1)(L'/L1)에 관한 식으로 표현될 수 있게 된다.
종합하면, 심재(20, 30a, 30b)의 굴곡 탄성률에 관한 식과 열전도도에 관한 식은 L1, L', x을 미지수로 변수로 가질 수 있다. 심재(20, 30a, 30b)의 목표 굴곡 탄성률은 300Mpa 이상이고, 목표 열전도도는 2.5mW/mK 이하인 것으로 앞서 가정한 바, 2개의 식에 3개의 미지수를 포함되는 결과를 얻을 수 있다.
따라서, 이하에서는 두께비(L'/L1)를 가정하여 L1과 L'의 값을 각각 결정한 후, 상기 목표 굴곡 탄성률 및 목표 열전도도를 갖는 x값을 계산하기로 한다.
일례로 진공 단열패널(1)을 제조함에 있어서, 코어층(20) 및 코팅층(30)에는 모두 글라스울(21)이 포함될 수 있다. 앞서 살핀 바와 같이 코어층(20)은 글라스울(21) 만을 포함하고, 코팅층(30)은 해당 글라스울(21)에 버미큘라이트 시트(33)를 섞어서 제조할 수 있기 때문이다.
일례로, 심재(20, 30a, 30b)는 약 20cm 이하의 두께를 포함하도록 제조될 수 있고, 글라스울(21) 한 다발은 대략 0.555cm일 수 있다. 즉, 심재(20, 30a, 30b)는 글라스울(21) 36다발을 활용하여 제조될 수 있고, 이는 예시에 불과하다.
일례로, L1은 10a인 것으로, L'는 a인 것으로 가정할 수 있다. 즉, L1 : L' = 10 : 1인 것으로 가정할 수 있다. 따라서, 심재(20, 30a, 30b)의 두께는 제1 코팅층(30a)과 코어층(20)과 제2 코팅층(30b)을 합쳐 12a인 것으로 가정할 수 있다. 상기와 같이 가정할 경우, 심재(20, 30a, 30b)를 제조하기 위한 글라스울(21)의 다발수인 36이 12의 배수에 해당하므로, 보다 용이하게 심재(20, 30a, 30b)를 제조할 수 있는 상태가 된다.
따라서, 이하에서는 L1 : L' = 10 : 1인 것으로 가정하여 x를 결정하기로 한다. 전술한 바와 같이, 해당 가정은 어디까지나 예시에 불과하는 바, L1 : L'은 얼마든지 다양한 값을 상정할 수 있음은 물론이다.
상기 가정에 의해, L1은 10a로, L'는 a로, 부피비(x)는 x가 되어 변수를 2개로 줄일 수 있고, 전술한 바와 같이 식이 2개에 해당하므로, x에 관한 범위를 계산할 수 있다. 즉 L1 : L' = 10 : 1일 때, 목표 굴곡 탄성률은 300Mpa 이상이고 목표 열전도도가 2.5mW/mK 이하이기 위한 부피비(x)인 x값은 0.027보다 큰 값을 가지는 경우로 계산될 수 있다(0.027<x, 즉 2.7vol% < x). 해당 범위의 x값의 경우 진공 단열패널(1)의 굴곡 탄성률은 300Mpa 이상이고 목표 열전도도가 2.5mW/mK이하일 수 있다.
한편, 심재(20, 30a, 30b)에 포함된 버미큘라이트 시트(33)의 부피비(x)인 x가 커지는 경우, 일반적으로 Percolation Threshold가 발생하여 열전도도가 상승할 수 있고, 이는 진공 단열패널(1)의 성능 하락을 야기할 수 있다. 일례로, 상기 Percolation Threshold 상황을 방지하기 위한 x의 바람직한 값은 이하의 식으로 산출될 수 있다.
x < 2 * L' / (2 * L' + L1) * 0.2
상기한 L1 : L' = 10 : 1을 상기 식에 대입하는 경우, x는 0.033 이하의 부피비(x)를 가져야 함을 알 수 있다.
종합하자면 L1 : L' = 10 : 1인 경우, 진공 단열패널(1)의 굴곡 탄성률이 300Mpa 이상이고 열전도도가 2.5mW/mK 이하이며, Percolation Threshold에 의한 단열성능 하락을 방지하기 위한 x값은 2.7vol% < x < 3.33vol%임을 계산할 수 있게 된다.
상술한 값은 L1 : L' = 10 : 1인 경우를 상정한 x의 범위이다.
일례로, L1 : L' = 11 : 1인 경우, 굴곡 탄성률이 300Mpa 이상이고 열전도도가 2.5mW/mK 이하이며 Percolation Threshold에 의한 단열성능 하락을 방지하기 위한 x값은 2.6vol% < x < 3.1vol%일 수 있다.
일례로, L1 : L' = 12 : 1인 경우, 굴곡 탄성률이 300Mpa 이상이고 열전도도가 2.5mW/mK 이하이며 Percolation Threshold에 의한 단열성능 하락을 방지하기 위한 x값은 2.6vol% < x < 2.8vol%일 수 있다.
일례로, L1 : L' = 13 : 1인 경우, 굴곡 탄성률이 300Mpa 이상이고 열전도도가 2.5mW/mK 이하이며 Percolation Threshold에 의한 단열성능 하락을 방지하기 위한 x값은 2.6vol% < x < 2.7vol%일 수 있다.
상기한 x값들은 L1 : L'의 비율을 조절함에 따라 얼마든지 다양하게 마련될 수 있음은 물론이다.
상술한 부피비(x)를 만족하도록 버미큘라이트 시트(33)가 제1 코팅층(30a) 및 제2 코팅층(30b)에 포함되면, 제1 코팅층(30a) 및 제2 코팅층(30b)은 코어층(20)과 접촉하도록 배치될 수 있다(도 9 참조). 이후, 제1 코팅층(30a)과 코어층(20)과 제2 코팅층(30b)은 외피재(10)가 형성하는 수용 공간(15) 내에 배치될 수 있다. 일례로, 진공 이젝터(P)는 수용 공간(15)의 공기들을 외부로 배출하여 수용 공간(15)을 진공상태로 형성시킬 수 있다(O). 수용 공간(15)이 진공 상태가 되면 대기압이 수용 공간(15)내부의 압력보다 높아질 수 있다. 따라서, 외피재(10)는 수용 공간(15)의 중심을 향하는 방향으로 가압될 수 있다.
상기 과정에서 외피재(10)의 제1 외피층(14)은 제1 코팅층(30a) 및 제2 코팅층(30b)과 접촉하고, 제1 코팅층(30a) 및 제2 코팅층(30b)을 수용 공간(15)의 중심을 향하는 방향으로 강하게 가압할 수 있다. 이를 통해, 수용 공간(15)에 수용된 제1 코팅층(30a)과 코어층(20)과 제2 코팅층(30b)은 서로 강하게 밀착되어 수용 공간(15) 내에 고정될 수 있게 된다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널(1)은, 내부에 수용공간(15)을 형성하는 외피재(10) 및 상기 수용공간(15) 내에 배치되는 심재(20, 30a, 30b)(Core Material)를 포함한다. 상기 심재(20, 30a, 30b)는, 상기 외피재(10)의 길이방향으로 연장되는 코어층(20) 및 상기 외피재(10)와 상기 코어층(20)의 사이에 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체(21) 및 상기 지지체(21)보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재(33)들을 포함하며, 상기 코어층(20)의 두께보다 얇은 두께를 갖는 코팅층(30)을 포함한다.
상기 지지체(21)는 글라스울(21)(Glass Wool)을 포함하고, 상기 복수의 판상 소재(33)들은 버미큘라이트(Vermiculite) 소재를 포함할 수 있다.
상기 글라스울(21)은 서로 불규칙하게 배열되는 복수의 유리섬유(211)(Glass Fiber)들 및 상기 복수의 유리섬유(211)들이 배열되며 형성하는 공극(22)(孔隙)을 포함하고, 상기 복수의 판상 소재(33)들은 상기 공극(22) 내에 배치될 수 있다.
상기 코팅층(30)은, 상기 코어층(20)의 일면과 접촉하는 제1 코팅층(30a) 및 상기 제1 코팅층(30a)과 이격 배치되고 상기 코어층(20)의 타면과 접촉하는 제2 코팅층(30b)을 포함할 수 있다.
상기 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재(33)들의 부피의 비율은 2.7vol% 이상으로 마련될 수 있다.
상기 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재(33)들의 부피의 비율은 3.33vol% 이하로 마련될 수 있다.
상기 코어층(20)의 두께는 상기 제1 코팅층(30a)의 두께의 10배 이상으로 마련될 수 있다.
상기 진공 단열패널(1)의 굴곡 탄성률은 300MPa 이상으로 마련될 수 있다.
상기 진공 단열패널(1)의 열전도도는 2.5mW/mK 이하로 마련될 수 있다.
상기 외피재(10)는, 상기 코팅층(30)과 접촉하도록 마련되는 제1 외피층(14) 및 상기 제1 외피층(14)과 이격 배치되고 상기 진공 단열패널(1)의 외면을 형성하는 제2 외피층(11)을 포함할 수 있다.
상기 제1 외피층(14)은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene)을 포함하고, 상기 제2 외피층(11)은 PA(Polyamide)계 섬유를 포함할 수 있다.
상기 수용공간(15)은 진공 상태로 마련될 수 있다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널(1)은, 내부에 수용공간(15)을 형성하고 복수의 외피층들을 포함하는 외피재(10) 및 상기 수용공간(15) 내에 배치되는 심재(20, 30a, 30b)를 포함한다. 상기 심재(20, 30a, 30b)는, 상기 외피재(10)의 길이방향으로 연장되는 글라스울(21)(Glass Wool)을 포함하는 코어층(20) 및 상기 외피재(10) 및 상기 코어층(20)과 각각 접촉하도록 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체(21) 및 상기 지지체(21)보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재(33)들을 포함하며, 상기 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재(33)들의 부피 비율이 2.7vol% 이상으로 마련되는 코팅층(30)을 포함한다.
상기 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재(33)들의 부피의 비율은 3.33vol% 이하로 마련될 수 있다.
상기 지지체(21)는 글라스울(21)(Glass Wool)을 포함하고, 상기 복수의 판상 소재(33)들은 버미큘라이트(Vermiculite) 소재를 포함할 수 있다.
상기 글라스울(21)은 서로 불규칙하게 배열되는 복수의 유리섬유(211)(Glass Fiber)들 및 상기 복수의 유리섬유(211)들이 배열되며 형성하는 공극(22)(孔隙)을 포함하고, 상기 복수의 판상 소재(33)들은 상기 공극(22) 내에 분포하도록 배치될 수 있다.
상기 코팅층(30)은, 상기 코어층(20)의 일면과 접촉하는 제1 코팅층(30a) 및 상기 제1 코팅층(30a)과 이격 배치되고 상기 코어층(20)의 타면과 접촉하는 제2 코팅층(30b)을 포함하고, 상기 코어층(20)의 두께는 상기 제1 코팅층(30a) 또는 상기 제2 코팅층(30b)의 두께의 10배 이상으로 마련될 수 있다.
상기 진공 단열패널(1)은, 굴곡 탄성률이 300MPa 이상이고, 열전도도는 2.5mW/mK 이하로 마련될 수 있다.
상기 복수의 외피층들은, 상기 코팅층(30)과 접촉하도록 마련되고, LLDPE(Linear Low Density Polyethylene)을 포함하는 제1 외피층(14) 및 상기 제1 외피층(14)과 이격 배치되고 PA(Polyamide)계 섬유를 포함하는 제2 외피층(11)을 포함할 수 있다.
본 개시의 사상에 따른 진공 단열패널(1)은, 내부에 수용공간(15)을 형성하고 복수의 외피층들을 포함하는 외피재(10) 및 상기 수용공간(15) 내에 배치되는 심재(20, 30a, 30b)를 포함한다. 상기 심재(20, 30a, 30b)는, 상기 외피재(10)의 길이방향으로 연장되는 코어층(20) 및 상기 외피재(10) 및 상기 코어층(20)과 각각 접촉하도록 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체(21) 및 상기 지지체(21)보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재(33)들을 포함하는 코팅층(30)을 포함한다. 상기 코팅층(30)은, 상기 코어층(20)의 일면과 접촉하는 제1 코팅층(30a)과, 상기 제1 코팅층(30a)과 이격 배치되고 상기 코어층(20)의 타면과 접촉하는 제2 코팅층(30b)을 포함하고, 상기 심재(20, 30a, 30b)의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재(33)들의 부피 비율이 2.7vol% 이상 및 3.6 vol% 이하가 되도록 마련되며, 상기 제1 코팅층(30a) 또는 상기 제2 코팅층(30b)의 두께는 상기 코어층(20)의 두께의 0.1배 이하이다.
본 개시의 사상에 따르면, 심재가 높은 굴곡 탄성률을 갖는 복수의 판상 소재들이 포함된 코팅층을 포함하므로, 진공 단열패널의 강성이 확보될 수 있다.
본 개시의 사상에 따르면, 복수의 판상 소재들이 코팅층에 특정 부피 비율만큼 포함됨에 따라, 고강성 및 저 열전도율의 진공 단열패널을 제조할 수 있다.
본 개시의 사상에 따르면, 코팅층의 두께와 코어층의 두께의 비율이 특정 값을 갖도록 형성됨에 따라, 고강성 및 저 열전도율의 진공 단열패널을 제조할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 내부에 수용공간을 형성하는 외피재; 및
    상기 수용공간 내에 배치되는 심재(Core Material); 를 포함하고,
    상기 심재는,
    상기 외피재의 길이방향으로 연장되는 코어층; 및
    상기 외피재와 상기 코어층의 사이에 배치되고, 다공성 소재를 포함하는 지지체 및 상기 지지체보다 높은 굴곡 탄성률(Flexural Modulus)을 갖는 복수의 판상 소재들을 포함하며, 상기 코어층의 두께보다 얇은 두께를 갖는 코팅층; 을 포함하는 진공 단열패널.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지체는 글라스울(Glass Wool)을 포함하고,
    상기 복수의 판상 소재들은 버미큘라이트(Vermiculite) 소재를 포함하는 진공 단열패널.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 글라스울은 서로 불규칙하게 배열되는 복수의 유리섬유(Glass Fiber)들 및 상기 복수의 유리섬유들이 배열되며 형성하는 공극(孔隙)을 포함하고,
    상기 복수의 판상 소재들은 상기 공극 내에 배치되는 진공 단열패널.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 코팅층은,
    상기 코어층의 일면과 접촉하는 제1 코팅층 및
    상기 제1 코팅층과 이격 배치되고 상기 코어층의 타면과 접촉하는 제2 코팅층을 포함하는 진공 단열패널.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 심재의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재들의 부피의 비율은 2.7vol% 이상으로 마련되는 진공 단열패널.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 심재의 부피에 대한 상기 복수의 판상 소재들의 부피의 비율은 3.33vol% 이하로 마련되는 진공 단열패널.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 코어층의 두께는 상기 제1 코팅층의 두께의 10배 이상으로 마련되는 진공 단열패널.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 진공 단열패널의 굴곡 탄성률은 300MPa 이상으로 마련되는 진공 단열패널.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 진공 단열패널의 열전도도는 2.5mW/mK 이하로 마련되는 진공 단열패널.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외피재는,
    상기 코팅층과 접촉하도록 마련되는 제1 외피층 및
    상기 제1 외피층과 이격 배치되고 상기 진공 단열패널의 외면을 형성하는 제2 외피층을 포함하는 진공 단열패널.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 외피층은 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene)을 포함하고,
    상기 제2 외피층은 PA(Polyamide)계 섬유를 포함하는 진공 단열패널.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 수용공간은 진공 상태로 마련되는 진공 단열패널.
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