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Description
本発明は、真空断熱材に関するものであり、より詳しくは、芯材をガラス繊維ウール及びガラス繊維ボードの2種類以上の複合材質で形成することにより、初期断熱性能及び長期耐久性に優れた真空断熱材に関する。
真空断熱材(Vacuum Insulation Panel)は、一般的にガスバリア性に優れた複合プラスチックラミネートフィルムからなる封止体に、芯材として連続気泡硬質プラスチック発泡体や無機物等を収納して内部を減圧した後、周縁のガスバリア性フィルム同士の積層部分をヒートシールして製造される。
このとき、真空断熱材に使用される芯材は、熱伝導率が小さく、ガス発生が少ない無機化合物が適している。特に、ガラス繊維の積層体が芯材として使用された真空断熱材は優れた断熱性能を有することで知られている。
既存の真空断熱材では、芯材として、ガラス繊維ウールが単独で使用されたり、ガラス繊維ボードが単独で使用されている。ガラス繊維ウールは、バルキー(bulky)なガラス繊維を集綿して熱圧着工程を通じて製造し、これを芯材として使用して真空断熱材製造時に0.0025Kcal/mhr℃以下レベルの熱伝導率の確保ができる。
しかし、ガラス繊維ウールを真空断熱材の芯材として使用する場合、優れた初期熱性能の確保はできるが、長時間使用時に外被材フィルムを通じて透過されるガスによって熱伝導率が上昇して長期耐久性が低下するという問題点がある。
その反面、ガラス繊維ボードを真空断熱材用芯材として使用すると、長期間使用してもガス透過時にガラス繊維ボードの小さな気孔直径によってガスの熱伝達を最小化し長期耐久性に優れるという長所があるが、初期熱伝導率は0.0035Kcal/mhr℃以下レベルでありガラス繊維ウールに比べて高いという短所がある。
結局、既存の真空断熱材において芯材としてガラス繊維ウールを使用した場合は、長期耐久性能が低下し比較的短い寿命を有することになるため、10年以上の寿命を要求する建築分野だけでなく、家電分野への適用時に信頼性に問題が生じる。
また、芯材としてガラス繊維ボードを使用した場合は、断熱性能が低下するため、断熱材としての応用に限界があるという問題点がある。
本発明の目的は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードが複合した複合体で形成された真空断熱材用芯材を用いて初期断熱性能と長期耐久性能が共に優れた芯材を提供することにある。
本発明の別の目的は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードを、積層法、熱圧着法、無機バインダー接着法、及びニードリング(needling)加工法から選ばれる方法を用いて複合された芯材を含む真空断熱材の製造方法を提供することである。
本発明のまた別の目的は、前記のような全ての因子を最適化することにより、最小10年以上の長期耐久性能を有し得る真空断熱材を提供することである。
前記の一つの目的を達成するための本発明の一実施例にかかる真空断熱材用複合芯材は、平均直径4〜6μmのガラス繊維からなるガラス繊維ウールと1〜4μmのガラス繊維ボードの複合積層構造からなり、フュームドシリカパウダー、シリカパウダー、パーライトパウダー、及びエアロジェルパウダーのうち一つ以上を含むことを特徴とする。
前記の別の目的を達成するための本発明の一実施例にかかる真空断熱材用複合芯材の製造方法は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードを複合した複合体で形成するが、このとき、ガラス繊維ウールとガラス繊維の複合は、積層法、熱圧着法、無機バインダー接着法、及びニードリング(needling)加工法から選ばれる方法からなることを特徴とする。
前記のまた別の目的を達成するための本発明の一実施例にかかる真空断熱材は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードが複合された複合体で形成された芯材及び前記芯材を真空包装する外被材を含むことを特徴とする。
以上の通り、本発明にかかる真空断熱材用芯材は、初期断熱性能に優れたガラス繊維ウールと長期耐久性能に優れたガラス繊維ボードが複合適用されることにより、初期断熱性能及び長期耐久性能に共に優れるという長所を有する。
また、上述の芯材及びその他材料の特性によって、本発明にかかる真空断熱材は最小10年以上断熱性能に優れる長期耐久性能を有するという効果を奏する。
本発明の利点及び特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付の図面と共に詳しく後述してある実施例を参照すると明確になる。しかし、本発明は以下で開示する実施例に限定されるのではなく、相違する多様な形態を具体化し、但し、実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に発明の範囲を完全に知らせるために提供するものであり、本発明は請求項の範囲によって定義されるだけである。明細書全体に亘り、同じ参照符号は同じ構成要素を指す。
以下、添付の図面を参照して本発明の好ましい実施例にかかる真空断熱材用複合芯材、その製造方法及びこれを用いた真空断熱材に関して詳しく説明する。
先ず、本発明にかかる芯材及びその製造方法について説明する。
図1〜図4は、実施例にかかる真空断熱材用芯材の断面図である。
図1を参照すると、形成しようとする芯材100の概略的な形状を備えた形状を有するガラス繊維ウール120を準備する。
前記ガラス繊維ウール120とガラス繊維ボード110が複合された複合体で形成された芯材100を、真空断熱材用芯材として使用する。前記複合は、前記ガラス繊維ウール120の片面または両面にガラス繊維ボード110を積層した形態でなり得る。
図2〜図4は、他の実施例にかかる真空断熱材用芯材の断面図である。
前記ガラス繊維ウール及びガラス繊維ボードを複合するために、それぞれ単層からなって積層することもでき、必要に応じて複数層からなって積層することもできる。前記複数層で積層された幾つかの実施例を図2〜図4に示した。
図2は、ガラス繊維ウール140上部にガラス繊維ボード110とガラス繊維ウール120が順に積層された形態の芯材である。
図3は、ガラス繊維ウール120上部にガラス繊維ボード二層130,110が順に積層された形態の芯材である。
図4は、ガラス繊維ウール140上部にガラス繊維ボード130、ガラス繊維ウール120、及びガラス繊維ボード110が順に積層された形態の芯材である。
前記図1〜図4に示した芯材以外にも、積層の順序や層数が異なる様々な形態のものを使用できる。
ガラス繊維ウール120は、ガラス繊維を集綿した形態の構造を有し、熱圧着工程によって製造できる。熱圧着工程は、10分間加圧及び加熱される工程を含み得る。
ガラス繊維ウール120のガラス繊維平均直径は、4〜6μmのものを使用することが好ましい。ガラス繊維の直径が4μm未満だと、繊維が集綿して形成されたガラス繊維ウール120において気孔率が低くなり、真空断熱材の芯材として使用すると初期断熱性能が低下し、6μmを超えると気孔サイズが大きくなるため、長期耐久性能が低下するという問題点がある。
ガラス繊維ウール120は、酸化ケイ素55〜70%、酸化アルミニウム0.5〜5.0%、酸化マグネシウム2.5〜4.0%、及び酸化カルシウム4.5〜12%、酸化カリウム0.1〜0.5%等で形成されたものを提示できる。これ以外にも、多様な構成を有するガラス繊維ウールを用いることができる。
ガラス繊維ウール120は、真空断熱材の形によって、四角形、円形等の形態にグラスウール布地を裁断して使用できる。
次に、芯材100の概略的な形状を備えた形状を有するガラス繊維ボード110を準備する。
ガラス繊維ボード110は、平均繊維直径が1〜4μmのガラス繊維を使用できる。ガラス繊維の直径が1μm未満だと、湿式製造法で形成されるガラス繊維ボード110において、気孔率が非常に低くなり断熱性能が低下して真空断熱材の芯材として適さなく、4μmを超えると気孔サイズが大きくなるため長期耐久性能を補完するためにガラス繊維ボードを複合して形成する効果が微々たるものとなる。
ガラス繊維ボードの製造は、ガラス繊維を無機バインダー(可溶性ケイ酸ソーダ、アルミナゾル、シリカゾル、アルミナフォスフェート中の一つ以上)に分散してボードに製造される湿式製造法で行うことができる。特に、可溶性ケイ酸ソーダは、水、シリカパウダー及び水酸化ナトリウムを含んで構成される。
ガラス繊維ボード110は、酸化ケイ素55〜70%、酸化アルミニウム0.5〜5.0%、酸化マグネシウム2.5〜4.0%、及び酸化カルシウム4.5〜12%、酸化カリウム0.1〜0.5%等で形成されたものを提示できる。これ以外にも多様な構成を有するガラス繊維ボードを用いることができる。
ガラス繊維ボード110は、優れた長期耐久性の確保が可能な材料が含まれており、ガラス繊維ボード、シート又はペーパー製品形態で使用できる。さらに、長期耐久性を増進させるための材料としては、フュームドシリカパウダー、シリカパウダー、パーライトパウダー及びエアロジェルパウダーがあり、このうちの一つ以上を含んで構成できる。
本発明の真空断熱材用芯材100の製造方法は、ガラス繊維ウール120とガラス繊維ボード110が複合される複合体に形成される段階を含むが、前記複合は、積層法、熱圧着法、無機バインダー接着法、及びニードリング(needling)加工法の少なくとも一つの方法で行うことができる。
複合構造を具現する前記方法のうち、積層法は2種類以上の材料を積層する方法である。
熱圧着法は、高温で熱圧着する方法であって、プレートプレス、ベルトプレス等の方法を用いることができる。熱圧着は、400〜1000℃の温度で行うことが好ましい。400℃未満の温度で行うと、ウール及びボードを構成しているガラス繊維組織の変形が上手く行われないため圧着が効果的にされず、温度が1000℃を超えると、製造コストが非常に嵩むという問題点がある。
無機バインダー接着法は、無機バインダーを用いてガラス繊維ウール120とガラス繊維ボード110を接着する方法であり、無機バインダーとしては、アルミナゾル、シリカゾル、アルミナフォスフェート、又は可溶性ケイ酸ナトリウム等を使用でき、場合によってはこれらの二つ又はそれ以上を含んでなり得る。
ニードリング(needling)加工法は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードを積層した後、針を用いてニードリング(needling)加工する方法である。
本発明にかかる真空断熱材は、ガラス繊維ウールとガラス繊維ボードが複合体からなる芯材及び前記芯材を真空包装する外被材を含んで形成され、前記芯材に付着または挿入されるゲッター材をさらに含んで形成することもできる。
図5は、実施例にかかる真空断熱材に含まれるゲッター材の断面図である。
外部の温度変化によって外被材内部でガス及び水分が発生し得るが、これを防止するためにゲッター材を使用し、本発明にかかるゲッター材は次の通りである。
図5には、パウチ210に入れられた生石灰(CaO)200が見られる。本発明では、純度95%以上の生石灰粉末を使用するが、パウチ210もまた、クレープ紙及びポリプロピレン(PP)含浸不織布で形成して25%以上の吸水性能を確保できるようにする。このとき、全体断熱パッドの厚さを考慮してゲッターの厚さは2mm以内に形成することが好ましい。
図6及び図7は、実施例にかかる真空断熱材に含まれる外被材の断面図である。
本発明の真空断熱材用芯材を覆う封止体になる外被材300,400が形成される。以下、その具体的な形状及び製造方法を説明する。
外被材300,400は、先ず接着層330,440上部に形成される金属バリア層320,430、及び表面保護層310が順に形成される。このとき、接着層330,440は封止体の内部に形成される層で、表面保護層310は最外郭に露出される層と定義できる。
また、接着層330,440は、ヒートシールによって相互熱溶着される層であり、真空状態が維持されるようにする機能を行う。よって、接着層330,440は、熱溶着が容易な高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、線形低密度ポリエチレン(LLDPE)、未延伸ポリプロピレン(CPP)、延伸ポリプロピレン(OPP)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、エチレン−アセト酸ビニル共重合体(EVA)、及びエチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)から選ばれた一つ以上を含む熱可塑性プラスチックフィルムで形成するが、十分なシール特性を提供するために1〜100μmの厚さに形成することが好ましい。
次に、接着層330,440上部にガス遮断及び芯材保護のためのバリア層320,430として6〜7μmの厚さの金属薄膜を形成する。このとき、一般的に、アルミニウムホイル(Foil)金属バリア層320,430が最も多く使用されており、アルミニウムホイルよりも更に優れた特性を有する薄膜が特に見付かっていない状態のため、本発明でもアルミニウムホイルを用いる。このとき、アルミニウムは、金属素材のため折り曲げ時にクラック(Crack)が発生する等の問題が生じ得るが、これを防止するために、金属バリア層320,430上部に表面保護層310を形成する。
本発明にかかる外被材の表面保護層は、10〜14μm厚のポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム410及び20〜30μm厚のナイロン(Nylon)フィルム420の積層構造で形成することが好ましい。
この場合、金属バリア層430で発生するクラック(Crack)の程度が深刻なときは、ポリエチレンテレフタレート/ナイロンフィルム410,420にも損傷が加えられ得るが、本発明ではこれを防止するためにポリエチレンテレフタレート層上部にビニル系樹脂層をコーティングして使用する。
前記ビニル系樹脂層は、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ酢酸ビニル(PVA)、ポリビニルアルコール(PVAL)、ポリビニルブチラール(PVB)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)樹脂から選ばれた一つ以上からなるビニル系樹脂を使用することが好ましい。
また、外被材の気密特性をより向上させるために、前記表面保護層310、金属バリア層320,430、及び接着層330,440は、それぞれポリウレタン(PU)系樹脂を用いて接着させることが好ましい。
このように外被材300,400を形成することにより、本発明にかかる真空断熱材は最上の気密性と長期耐久性能を有するようにする。
図8及び図9は、実施例にかかる真空断熱材を示した断面図である。
図8は、芯材500の表面にゲッター材510を付着させた状態で外被材520を利用して密封した状態の真空断熱材を示したもので、図9は、芯材600内部にゲッター材610を挿入した状態で外被材620を密封した状態の真空断熱材を示したものである。
このように製造された真空断熱材は、全て優れた断熱性能と長期耐久性能を発揮し、その具体的な実施例は次の通りである。
実施例
以下、本発明の好ましい実施例により本発明の構成および作用をより詳しく説明する。但し、これは本発明の好ましい例示として提示したものであり、如何なる意味でもこれによって本発明が制限されると解釈してはならない。
[真空断熱材の製造]
実施例1
先ず、前記図1で説明したガラス繊維ウールとガラス繊維ボードがそれぞれ一層ずつ積層法によって積層された複合体で構成された芯材を8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさに製造した後、真空断熱材用芯材として使用した。
次に、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)/ポリエチレンテレフタレートフィルム(PET)12μm、ナイロン(Nylon)フィルム25μm、アルミニウムホイル7μm、及び線形低密度ポリエチレン(LLDPE)フィルム50μmの構造で形成された外被材を形成した。
その次に、純度95%の生石灰(CaO)25gをパウチに入れて製造したゲッター材2個を前記図9のように芯材の表面に挿入させた。
続いて、芯材を封止体に挿入した後、10Paの真空度状態で密封して本発明にかかる真空断熱材を製造した。
実施例2
前記実施例1と同一条件で真空断熱材を製造するが、芯材はガラス繊維ウール二層の上部にガラス繊維ボード一層が積層法によって積層された複合体で構成され、8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさにして製造された。
比較例1
前記実施例1と全ての条件が同一な真空断熱材を製造するが、芯材はガラス繊維ボードだけで構成され、8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさにして製造された。
比較例2
前記実施例1と全ての条件が同一な真空断熱材を製造するが、芯材はガラス繊維ボード二層が積層法によって積層されて構成され、8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさにして製造された。
比較例3
前記実施例1と全ての条件が同一な真空断熱材を製造するが、芯材はガラス繊維ウールだけで構成され、8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさにして製造された。
比較例4
前記実施例1と全ての条件が同一な真空断熱材を製造するが、芯材はガラス繊維ウール二層が積層法によって積層されて構成され、8×190×250mm(厚さ×幅×長さ)の大きさにして製造された。
[性能試験及び評価]
前記の実施例1、2及び比較例1、2、3、4にかかる真空断熱材を85℃の恒温チャンバーにそれぞれ入れ、3ヶ月維持しながら、全体加熱を実施しないものと熱伝導率を比較しながら実施した。このとき、熱伝導率の測定には、HC−074−200(EKO社製造)熱伝導測定器を使用した。次に、加速ファクターを用いて0〜10年までの熱伝導率を予測し、その結果は図10の通りである。
図10は、実施例にかかる真空断熱材及び比較例にかかる真空断熱材の断熱性能を比較評価したグラフである。
前記図10を参照すると分かるように、実施例1、2の場合、初期熱伝導率が低く、経時的な熱伝導率の増加量が比較的低いため、複合芯材からなる真空断熱材は初期断熱性能と長期耐久性能が全て優れることが分かる。
一方、比較例1、2は、経時的な熱伝導率の増加量が低いため長期耐久性能は優れるものの、初期の熱伝導率が高いため初期断熱性能が良くないことが分かる。また、比較例3、4は、初期熱伝導率は実施例1、2とほぼ同一で初期熱性能は優れるものの、経時的な熱伝導率の増加量が高いため経時的な長期耐久性能が良くないことが分かる。
よって、上述の本発明の真空断熱材は、初期断熱性能を極大化させ得る構造を提供すると同時に、長期耐久性能を最小10年以上に増やすことができるという効果を提供する。
以上、添付の図面を参照して本発明の実施例を説明したが、本発明は前記実施例に限定されるのではなく、相違する多様な形態に製造でき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者は、本発明の技術的思想や必須的な特徴を変更せず他の具体的な形態で実施できるということを理解できると考える。そのため、以上で記述した実施例は、全ての面において例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。
Claims (23)
- ガラス繊維ウール(wool)とガラス繊維ボードが複合された複合体で形成された真空断熱材用芯材。
- 前記ガラス繊維ボードが、前記ガラス繊維ウールの片面または両面に形成されることを特徴とする、請求項1に記載の真空断熱材用芯材。
- 前記芯材が、ガラス繊維ウールと前記ガラス繊維ボードがそれぞれ1層以上積層されることを特徴とする、請求項1に記載の真空断熱材用芯材。
- 前記ガラス繊維ウールにおいて、ガラス繊維の平均直径が4〜6μmであることを特徴とする、請求項1に記載の真空断熱材用芯材。
- 前記ガラス繊維ボードにおいて、ガラス繊維の平均直径が1〜4μmであることを特徴とする、請求項1に記載の真空断熱材用芯材。
- 前記ガラス繊維ボードが、フュームドシリカパウダー、シリカパウダー、パーライトパウダー及びエアロジェルパウダーの一つ以上を含むことを特徴とする、請求項1に記載の真空断熱材用芯材。
- ガラス繊維ウール(wool)とガラス繊維ボードを複合して複合体で芯材を形成することを特徴とする、真空断熱材用芯材の製造方法。
- 前記ガラス繊維ウールと前記ガラス繊維ボードの複合が、積層法、熱圧着法、無機バインダー接着法、及びニードリング(needling)加工法の一つ以上の方法で実施することを特徴とする、請求項7に記載の真空断熱材用芯材の製造方法。
- 前記熱圧着法を、400℃以上の温度で実施することを特徴とする、請求項8に記載の真空断熱材用芯材の製造方法。
- 前記熱圧着法が、プレートプレス(plate press)又はベルトプレス(belt press)を用いることを特徴とする、請求項8に記載の真空断熱材用芯材の製造方法。
- 前記無機バインダー接着法に用いられる無機バインダーが、アルミナゾル、シリカゾル、アルミナフォスフェート及び可溶性ケイ酸ナトリウムの一つ以上を含むことを特徴とする、請求項8に記載の真空断熱材用芯材の製造方法。
- ガラス繊維ウール(wool)とガラス繊維ボードが複合された複合体で形成された芯材;及び
前記芯材を真空包装する外被材;を含むことを特徴とする、真空断熱材。 - 前記芯材に付着または挿入されるゲッター(getter)材をさらに含むことを特徴とする、請求項12に記載の真空断熱材。
- 前記ゲッター材は、純度95%以上の生石灰(CaO)粉末がパウチに包装されていることを特徴とする請求項13に記載の真空断熱材。
- 前記パウチが、クレープ紙及びポリプロピレン(PP)含浸不織布で形成されることを特徴とする、請求項14に記載の真空断熱材。
- 前記ゲッター材が、25%以上の吸水率を有することを特徴とする、請求項13に記載の真空断熱材。
- 前記外被材が、外部から、表面保護層、金属バリア層、及び接着層の積層構造を有することを特徴とする、請求項12に記載の真空断熱材。
- 前記表面保護層が、ポリエチレンテレフタレート(PET)及びナイロン(nylon)フィルムの積層構造を有することを特徴とする、請求項17に記載の真空断熱材。
- 前記ポリエチレンテレフタレート(PET)フィルム上部に、ビニル系樹脂がコーティングされていることを特徴とする、請求項18に記載の真空断熱材。
- 前記ビニル系樹脂が、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリ酢酸ビニル(PVA)、ポリビニルアルコール(PVAL)、ポリビニルブチラール(PVB)、及びポリ塩化ビニリデン(PVDC)樹脂から選ばれる1つ以上であることを特徴とする、請求項19に記載の真空断熱材。
- 前記金属バリア層が、アルミニウムホイル(Foil)で形成されることを特徴とする、請求項17に記載の真空断熱材。
- 前記接着層が、高密度ポリエチレン(HDPE)、低密度ポリエチレン(LDPE)、線形低密度ポリエチレン(LLDPE)、未延伸ポリプロピレン(CPP)、延伸ポリプロピレン(OPP)、ポリ塩化ビニリデン(PVDC)、ポリ塩化ビニル(PVC)、エチレン−アセト酸ビニル共重合体(EVA)、及びエチレン−ビニルアルコール共重合体(EVOH)から選ばれる1つ以上を含むことを特徴とする、請求項17に記載の真空断熱材。
- 前記表面保護層と金属バリア層間の接着及び金属バリア層と接着層間の接着が、それぞれポリウレタン(PU)系樹脂によって接着されることを特徴とする、請求項17に記載の真空断熱材。
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