KR100359056B1 - 유리백솜을 이용한 진공단열재 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유리백솜을 이용한 진공단열재 및 그 제조방법에 관한 것으로, 밀도가 0.1 ~ 0.5g/㎤이고 열전도도가 0.0023㎉/mh℃ 이하인 유리백솜 성형체와, 상기 성형체를 둘러싸는 내통기성 용기로 구성되며, 상기 내통기성용기 내의 진공도가 10-6~ 10-1torr인 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재를 제공하며, 유기질계 또는 무기질계 바인더가 함유되지 않은 유리백솜을 일정한 형상으로 적층하고, 적층된 유리백솜을 유리백솜의 변형점 위 20℃ 이하의 온도에서, 0.007 ~ 1.5㎏/㎠의 압력으로, 10분 이상 가열가압하여 0.1 ~ 0.5g/㎤의 밀도가 되도록 성형하고, 성형된 유리백솜을 내통기성 용기에 넣고 진공배기하여 감압하는 단계를 포함하여 이루어지는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법을 제공한다.

Description

유리백솜을 이용한 진공단열재 및 그 제조방법{VACUUM INSULATOR USING GLASS WHITE WOOL AND ITS FABRICATION METHOD}
본 발명은 냉장/냉동용 단열재, 보온단열재, 운송수단의 단열 및 보온재, 기타 산업설비의 단열 및 보온재로 사용될 수 있는 진공단열재에 관한 것으로, 상세하게는 어떠한 유기 및 무기 바인더를 함유하지 않은 유리백솜을 가압성형하여 내통기성 용기에 넣고 진공배기한 유리백솜을 이용한 진공단열재 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래에는 단열재로서 주로 프레온과 같은 염화 불화 탄화 수소를 이용하여 발포시킨 폴리우레탄 발포체가 주로 사용되고 있었으나, 장기 사용시 열화에 따른 단열성능의 감소 및 환경 문제로 인한 염화불화탄화수소의 사용 규제로 새로운 단열 시스템이 요구되었다. 최근 냉장고나 냉동고와 같은 제품의 단열 특성을 향상시키기 위한 연구로서 진공단열시스템이 주목받고 있다.
이 진공단열시스템은 내부를 진공상태로 유지함으로써 단열을 유지하여 열전달을 최소로 하고자하는 것이다. 패널상태로 진공을 유지하기 위해서는 대기압을 견딜 수 있는 심재의 강도 및 기공상태 그리고 단열성능이 매우 중요하다.
이러한 진공단열시스템에 사용되는 심재로서는 무기재료로 실리카분말, 유리섬유, 규산칼슘계 성형체등이 있고, 유기재료로는 미세 개방셀 구조를 이용한 폴리우레탄 및 폴리스티렌 발포체등이 있다.
실리카분말을 진공단열재의 심재로 이용하는 방법은 미국 특허 제4,195,395, 4,425,413, 4,636,415, 4,681,788호 등에 개시되어 있고, 유기재료의 개방셀 구조의 폴리우레탄발포체를 이용하는 방법은 미국 특허 제 4,668,555호에, 폴리스티렌 발포체를 이용하는 방법은 대한민국 특허출원 제95-48619에 개시되어 있으며, 폴리스티렌 및 폴리우레탄 발포체내의 기공구조를 이방성 구조로 바꾸어 단열성능을 향상시킨 것으로 대한민국 특허공개 특1999-010954 등이 있다. 이들 단열 심재에 의한 진공단열재의 단열성능은 0.004 ~ 01.007㎉/mh℃로 기존 냉장고의 폴리우레탄 발포체의 0.02㎉/mh℃보다 우수하나 유리섬유를 심재로 한 진공단열재 0.002 ~ 0.003㎉/mh℃보다 성능이 떨어지고 있다.
이러한 유리섬유를 사용한 진공단열재는 미국 특허 제4,537,820, 5,090,981, 5,094,899, 5,330,816에 개시되어 있다.
상기의 미국 특허에 의하면, 유리섬유를 진공단열재로 이용하기 위해서는 일정형태로 성형을 하여야 하는데, 이를 위해서 소량의 유기질계 혹은 무기질계 바인더를 사용하는 방법, 바인더를 함유하지 않는 유리섬유를 가압 열경화하는 방법이 이용되고 있다. 유기 바인더나 무기 바인더를 사용할 경우, 바인더가 유리섬유의 기공층을 차지하거나 열화에 의해 진공 단열 효과를 감소시키게 되고 공정 및 원료의 추가로 인한 비용 증가의 원인이 될 수 있다. 열경화에 의한 방법은 유리섬유를 유리섬유 조성 유리의 변형점 이상 연화점 이하의 온도에서 가압하여 평형시간을 유지하여 유리섬유 보드를 제조하였다. 이 방법은 유리섬유를 유리섬유조성의 변형점 이상의 온도까지 상승시켜야 하고 진공배기시 진공챔버에서 밀봉을 하여야 하기 때문에 필요 이상의 긴 공정과 에너지가 필요하여 제조 비용이 증가한다는 단점이있다.
따라서, 본 발명은 기존 유리섬유를 이용하여 기존의 단열성능과 동등한 수준을 유지하면서 생산경비를 절감하고 공정을 단축하여 생산성을 증가시키는 진공단열재를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1a 내지 1d는 본 발명의 유리백솜을 이용한 진공단열재를 제조하는 공정도로서, 도 1a는 프레스의 하가압판에 유리백솜을 적층시키는 단계를 나타내고, 도 1b는 적층된 유리백솜을 가압하는 단계를 나타내고, 도 1c는 유리백솜 성형체를 프레스로부터 꺼내는 단계를 나타내며, 도 1d는 내통기성 용기에 유리백솜 성형체를 넣고 진공배기하는 단계를 나타낸다.
도 2는 유리백솜을 적층하여 0.007㎏/㎠의 압력에서 30분간 가압하였을 때 유리백솜 성형체를 유지하면서 두께변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 적층된 유리백솜을 400℃에서 0.007㎏/㎠ 압력으로 가압할 때 성형체로서의 두께를 유지할 수 있는 시간변화를 나타낸 그래프이다.
*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***
1:프레스의 상가압판 2:발열체
3a:적층된 유리백솜 3b:유리백솜 성형체
4:프레스의 하가압판 5:극박판
6:극박판 7:파이프
본 발명은 밀도가 0.1 ~ 0.5g/㎤이고 열전도도가 0.0023㎉/mh℃ 이하인 유리백솜 성형체와, 상기 성형체를 둘러싸는 내통기성 용기로 구성되며, 상기 내통기성용기 내의 진공도가 10-6~ 10-1torr인 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재를 제공한다.
또한, 본 발명은 유기질계 또는 무기질계 바인더가 함유되지 않은 유리백솜(glass white wool)을 일정한 형상으로 적층하고, 적층된 유리백솜을 유리백솜의 변형점(strain point) 위 20℃ 이하의 온도에서, 0.007 ~ 1.5㎏/㎠의 압력으로, 10분 이상 가열가압하여 0.1 ~ 0.5g/㎤의 밀도가 되도록 성형하고, 성형된 유리백솜을 내통기성 용기에 넣고 진공배기하여 감압하는 단계를 포함하여 이루어지는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법을 제공한다.
본 발명의 발명자들은 어떠한 바인더도 함유하지 않은 백솜 상태의 유리가 약 10㎛ 혹은 그 이하의 직경으로 이루어져 있다는 사실에 착안하여, 같은 조성을 갖는 유리섬유의 변형점보다 낮은 온도에서도 가압에 의해 변형이 가능하다는 것을밝혀내고 이를 이용하여 본 발명을 완성하게 되었다.
도면을 참조하여 본 발명에 의한 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조 방법을 설명하면 다음과 같다. 도 1a 내지 1d는 본 발명의 유리백솜을 이용한 진공단열재를 제조하는 공정도이다. 먼저, 프레스의 상가압판(1)과 하가압판(4)의 발열체(2)에 열을 가하여 온도를 유리백솜의 변형점 위 20℃ 미만으로 유지한다. 그 다음, 어떠한 유기질계 바인더나 무기질계 바인더도 함유하지 않은 유리백솜(3a)을 일정한 크기로 하가압판(4) 위에 적층한다(도 1a). 적층된 유리백솜(3a)을 하가압판(4)을 위로 올림으로써 서서히 가압한다(도 1b). 이 때 가압온도, 가압시간 및 성형압력이 중요한 요소가 되며, 적정한 범위에 대해서는 후술한다. 성형이 완료되면 하가압판(4)을 아래로 내리고 프레스에서 유리백솜 성형체(3b)를 꺼내어 냉각한다(도 1c). 그 다음 유리백솜 성형체(3d)의 단열성능을 향상시키기 위하여 스테인레스강 극박판(5, 6)으로 된 내통기성 용기에 넣고 진공배기하여 감압한다(도 1d). 상기 내통기성 용기는 두께 120㎛ 이하인 스테인레스강 극박판으로 이루어진 것을 사용한다. 이러한 감압 과정을 통하여 유리백솜 성형체(3d)의 내부구조는 단열성능이 더욱 향상될 수 있는 구조로 변화된다. 유리백솜 성형체를 내통기성 용기에 넣기 전에 테두리를 원하는 크기로 절단하거나 가공할 수도 있다. 진공배기과정은 내통기성 용기의 일측에 작은 파이프(7)를 연결하고 상기 파이프(7)를 통해 배기시켜 내통기성 용기 안의 유리백솜 성형체(3d)를 진공으로 만든 후, 상기 파이프(7)를 가압함으로써 밀봉시킨다. 상기 진공배기는 내통기성 용기의 진공도가 10-6~ 10-1torr의 범위를 유지하도록 하는 것이 바람직하며, 진공배기한 후 상기 파이프에 일정한 하중을 가하여 가압 밀착한다.
유리백솜 성형 단계 중 가압온도 및 가압시간은 최적 범위를 설정하기 위하여 일정한 압력하에 가압온도와 가압시간을 변화시켜가면서 유리백솜의 두께를 조사하였다.
도 2는 유리백솜을 적층하여 0.007㎏/㎠의 압력에서 30분간 가압하였을 때 유리백솜 성형체를 유지하면서 두께변화를 나타낸 것이다. 여기서 알 수 있듯이 일정압력을 가해도 적정온도에 이르지 않으면 성형체를 유지하기 위한 두께에 도달되지 않는다. 이러한 경우에는 진공단열재의 심재로 사용하는 것이 불가능하다. 성형체로의 두께가 유지될 수 있는 온도는 유리백솜의 변형점 보다 약 110℃ 아래인 400℃ 이상이었다. 따라서 최저 성형온도는 변형점 보다 110℃ 아래의 온도 이상으로 하는 것이 타당하다. 그러나 최고 성형온도는 유리백솜의 변형을 고려하여 변형점 위 20℃의 온도 이하로 하는 것이 타당하다.
도 3은 적층된 유리백솜을 400℃에서 0.007㎏/㎠ 압력으로 가압할 때 성형체로서의 두께를 유지할 수 있는 시간변화를 나타낸 것이다. 10분 미만에서는 성형체의 두께가 형성되지 않았는데 이 경우엔 성형체가 다시 부풀어올라 진공 단열재의 심재로 취급하기가 곤란하다. 따라서 성형을 위한 가압시간은 적어도 10분 이상이어야 함을 알 수 있다.
이들 결과로부터 본 발명에 있어 유리백솜 성형체를 유지할 수 있는 성형조건으로 유리백솜 조성 유리의 변형점의 약 110℃ 아래인 약 400℃이상의 온도와 0.007 ~ 1.5㎏/㎠의 압력으로 유지시간을 10분 이상으로 하였다. 상기 성형 압력의 경우 하한 값보다 작으면 가압에 의한 성형이 불가능하고, 상한 값보다 크면 유리백솜의 섬유가 과도하게 부숴지기 때문에 성형체의 두께가 유지되었다 하더라도 진공 단열 심재로서 취급이 곤란할 뿐 아니라 단열성능 저하의 원인이 된다.
본 발명에 의해 제조된 진공단열재는 열전도도가 약 0.002㎉/mh℃로서 유기재료, 무기재료 분말 및 규산칼슘 성형체를 심재로한 진공단열재의 단열성능을 훨씬 능가하는 우수한 단열성능을 나타내었다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하나 본 발명이 다음 실시예에 의하여 그 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명은 다양한 변형과 개량이 가능하다.
실시예 1.
어떠한 유기질계나 무기질계 바인더도 함유하지 않은, 평균 직경 약 8 ~ 12㎛의 유리백솜을 사용하였다. 유리백솜의 조성은 B2O3가 4 ~ 5wt%가 함유된 붕규산염계이었고, 유리백솜의 변형점은 510℃, 서냉점은 550℃였다. 이 유리백솜을 가로, 세로 20 ~ 30㎝로 절단하여 약 200g을 프레스의 하가압판에 적층하였다. 상가압판과 하가압판의 발열체는 유리백솜의 변형점 보다 약 110℃ 아래인 약 400℃로 유지하였다. 이 온도는 앞서 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 유리백솜이 성형체를 유지할 수 있는 최저온도이다. 하가압판을 올려 하중 약 450㎏으로 두께 약 2cm가 되도록 가압하여 30분간 유지하였다. 가압후 하가압판을 내려 유리백솜 성형체를 꺼내어 냉각하였다. 이 성형체를 가로 20㎝, 세로 20㎝로 가공하여 80㎛ 스테인레스강 극박판으로 된 내통기성 용기에 넣어 내통기성 용기 측면에 구비된 파이프(7)를 통해 5.6 ×10-5torr로 진공배기하였다. 배기 후상기 파이프를 하중 250㎏으로 가압밀착하여 진공단열패널을 제조하였다. 이 진공단열패널을 열전도도측정기(DYNATECH R/D Co., 모델 Rapid-k)로 평균온도 20℃에서 측정한 열전도도는 0.0023㎉/mh℃였다.
실시예 2.
실시예1에서 유리백솜의 성형시 가압하중을 200㎏으로 하고 나머지는 동일한 방법으로 진공단열 패널을 제조하였다.
실시예 3.
실시예1에서 유리백솜의 성형시 가압하중을 300㎏으로 하고 나머지는 동일한 방법으로 진공단열패널을 제조하였다.
실시예 1 내지 3에 의해 제조한 유리백솜 진공단열재의 열전도도를 표 1에 나타내었다.
본 발명에 의한 진공 단열 패널의 열전도도
실시예 열전도도㎉/mh℃ 진공도torr
1 0.0023 5.6×10-5
2 0.0022 5.6×10-5
3 0.0022 5.6×10-5
본 발명에 의한 유리백솜 성형체 및 그 제조 공정을 이용하여 진공단열패널을 제조하면 유기재료, 무기재료 분말 및 규산칼슘 성형체를 심재로한 진공단열패널의 단열성능을 훨씬 능가하고 기존 유리섬유를 심재로 한 진공단열 패널의 단점인 높은 제조경비를 절감하여 생산성을 보다 향상시킬 수 있는 매우 뛰어난 효과가 있게 된다.

Claims (9)

  1. 밀도가 0.1 ~ 0.5g/㎤이고 열전도도가 0.0023㎉/mh℃ 이하인 유리백솜 성형체와, 상기 성형체를 둘러싸는 내통기성 용기로 구성되며,
    상기 내통기성용기 내의 진공도가 10-6~ 10-1torr인 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재.
  2. 유기질계 또는 무기질계 바인더가 함유되지 않은 유리백솜을 일정한 형상으로 적층하고,
    적층된 유리백솜을 유리백솜의 변형점(strain point) 위 20℃ 이하의 온도에서, 0.007 ~ 1.5㎏/㎠의 압력으로, 10분 이상 가열가압하여 성형하고,
    성형된 유리백솜을 내통기성 용기에 넣고 진공배기하여 감압하는 단계를 포함하여 이루어지는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유리백솜을 성형하는 단계는 최저 성형온도가 유리백솜의 변형점보다 110℃ 낮은 온도 이상인 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 성형된 유리백솜의 밀도는 0.1 ~ 0.5g/㎤의 범위인 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  5. 제2항에 있어서, 성형된 상기 유리백솜을 내통기성 용기에 넣기전에 유리백솜 성형체의 테두리를 가공하는 단계를 추가로 포함하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  6. 제2항에 있어서, 상기 내통기성 용기는 두께 120㎛ 이하인 스테인레스강 극박판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  7. 제2항에 있어서, 상기 내통기성 용기의 일측면에는 진공배기를 위한 파이프가 구비되어있는 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 내통기성 용기에서 유리백솜을 진공배기하는 단계 후, 상기 파이프를 가압하여 밀봉하는 단계를 추가로 포함하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 내통기성 용기에서 유리백솜을 진공배기하는 단계는 진공도가 10-6~ 10-1torr이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 유리백솜을 이용한 진공단열재 제조방법.
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