KR20010017329A - 무기질 성형체를 이용한 진공 단열재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉장고 등에 적용되는 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무기질 성형체로 이루어지는 심재와 상기 심재를 진공 포장하기 위한 외포장재로 이루어지는 진공 단열재에 관한 것이다. 본 발명은 유기질 성분이 전혀 없이 무기질 성형체로만 이루어지는 심재와 상기 심재를 진공 포장하기 위한 외포장재로 이루어지는 진공 단열재를 제공한다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 무기질 성형체는 규산칼슘계 성형체, 특히 토버모라이트와 조노라이트를 결정상으로 함유한 규산칼슘 성형체일 수 있다. 또한, 상기 외포장재는 내산성, 내부식성 및 내통기성이 뛰어난 스테인리스강일 수 있는데, 바람직하게는 그 두께가 20㎛ ~ 100㎛이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 단층의 열융착성 필름과 상기 스테인리스강 및 열융착성 필름을 접착하기 위한 접착층에 의하여 진공 포장될 수 있는데, 상기 열융착성 필름은 두께 10㎛ ~ 150㎛의 저밀도 폴리에틸렌이거나 폴리프로필렌일 수 있다. 또한, 상기 스테인리스강은 외주 밀봉과 진공 브레이징 밀봉에 의하여 진공 포장될 수 있다.

Description

무기질 성형체를 이용한 진공 단열재{VACUUM THERMAL INSULATOR USING INORGANIC CORE MATERIALS}

본 발명은 냉장고 등에 적용되는 단열재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무기질 성형체로 이루어지는 심재와 상기 심재를 진공 포장하기 위한 외포장재로 이루어지는 진공 단열재에 관한 것이다.

최근 냉장고의 대형화와 환경 유해성이 심각한 현실에서 냉장고 등의 보온 보냉용 기기에 사용되는 단열재는 내식성, 장기 내구성, 두께의 소형화, 환경 친화성, 최소 전력 소요량 등의 제반 조건을 충족시킬 수 있는 다 기능성 단열재의 사용이 요구되고 있다.

현재 냉장고 등에 사용되고 있는 경질 우레탄폼 단열재는 프레온 가스(열 전도율 약 0.006 kcal/mh℃)를 발포제로 사용하고 있기 때문에 오존층 파괴의 주범인 염소 가스의 유해성이 문제점으로 되어 있고 공기 중에 장시간 방치할 경우에는 공기(상온에서 열전도율 약 0.02 kcal/mh℃)가 매우 느린 속도로 기포막을 침투하여 기포내의 프레온 가스의 농도가 희석되므로 열전도 특성이 약 30% 정도 저하된다고 보고되고 있다. 따라서, 염소를 함유하지 않은 대체 물질로 하이드로플루오르카본류나 하이드로카본류의 냉매 사용을 시도하고 있는 것으로 알려지고 있는데, 예컨대, 일본국특허 공개공보 평성 2-235982호, 일본국특허 공개공보 평성 3-152160호와 한국의 HFC-134a가 알려지고 있다. 그러나, 상기 경질 우레탄폼을 냉장고 등에 적용한 경우의 단열성은 17 ~ 20 mW/mK로 알려져 있다.

또한, 진공 포장팩 내에 실리카 분말 등의 무기 미립자를 충진한 후 포장 내부를 진공 배기 처리한 후 진공 기밀 봉합(실링)하여 심재(코어재) 자체 형상으로 패널 형상을 유지하는 진공 단열 패널(일본 VIP)이 등장하였으나 복사 전열이 현저히 나타나 열전도율을 저하시키는 문제점과 폐기시 분진이 발생하여 환경 문제를 일으키는 단점이 있다. 따라서, 열전도율 특성을 향상시키기 위하여 열선 반사율이 높은 금속의 첨가(일본국 특허 공평 1-44666), 금속 증착 필름의 병용(일본국 특허 공평 6-33853), 그리고 탄화규소나 산화티탄을 첨가(일본국 재공표 7-814881)하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이는 약간의 열전도율 특성은 향상되나 미립자 응집력을 저하시켜 분화 현상이 발생하여 환경적 측면에서의 문제점이 야기되고 진공 패널의 심재로서 사용할 때 대기압에 눌려 현상 유지가 어렵게 될 수도 있는 등의 문제점이 발생된다. 그리고 외포장재는 알루미늄금속박막 또는 알루미늄 증착막을 중심으로 외측에는 내산성 필름을 내층에는 열접착성 필름을 사용하여 3층 이상의 다층 구조를 이루게 되었으나, 비록 다층 처리에 의한 내통기성 및 내산성이 개선되었다고 하나 내외적인 영향으로 쉽게 열화를 받을 수 있는 단점이 있어 장기 내구성 측면에서의 문제점을 야기할 수 있고 다층 처리는 그 제조 공정수의 증가에 의한 경비증가의 원인이 되고 필름 재질이 유기질 재료이므로 고온에서는 사용할 수 없는 단점이 있다.

한편, 미국의 owens-corning사에 의해 아스팔트 피치를 이용하여 유리섬유를 유리매트상으로 성형하여 진공 배기 후 기밀 봉합시킨 진공 단열재를 상품화하였는데, 열전도 특성은 매우 우수하나 유기질 결합제를 사용하여 경화시킴으로써 환경적 요소에 부적합하고 폐기시 재활용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 제조 공정의 증가 없이 간편한 방식으로 생산이 가능하고, 무기 미립자의 분진 발생을 억제하고, 유기질 심재 또는 결합제를 사용하지 않음으로써 고온에서도 사용이 가능한, 친 환경적인 무기 단열재를 심재로 사용하며, 내산성 및 내구성이 탁월한 진공 포장재료를 사용함으로써 자원 재활용이 가능한 단열재를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열융착법을 이용한 진공 단열재의 구성을 보인 단면도이다.

도 2는 도 1의 A-A 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공 브레이징법을 이용한 진공 단열재의 구성을 보인 단면도이다.

도 4는 도 3을 화살표 B방향에서 보았을 때의 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 외포장재 2 : 열융착성 필름

3 : 심재 4 : 접착층

5 : 브레이즈 재료

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 유기질 성분이 전혀 없이 무기질 성형체로만 이루어지는 심재와 상기 심재를 진공 포장하기 위한 외포장재로 이루어지는 진공 단열재를 제공한다. 따라서, 상기 진공 단열재는 결합제 없이 성형이 가능한 무기질 다공체로 이루어지는 심재만에 의하여 형상이 유지된다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 무기질 성형체는 규산칼슘계 성형체, 특히 토버모라이트와 조노라이트를 결정상으로 함유한 규산칼슘 성형체일 수 있다. 또한, 상기 외포장재는 내산성, 내부식성 및 내통기성이 뛰어난 스테인리스강일 수 있는데, 바람직하게는 그 두께가 20㎛ ~ 100㎛이다. 따라서, 박판의 두께는 물론 전체 진공 단열재의 두께가 매우 얇음으로써 내장고 등의 벽체의 두께를 줄일 수 있기 때문에 가용내용적을 늘릴 수 있는 이점이 있고, 전술한 바와 같이 무기질 충진재(난연성)와 스테인리스강의 외포장재는 1000℃정도의 고온에서도 사용될 수 있으므로 냉동, 냉장 단열재만이 아닌 고온용 및 보온용 단열재로도 광범위하게 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 스테인리스강은 단층의 열융착성 필름과 상기 스테인리스강 및 열융착성 필름을 접착하기 위한 접착층에 의하여 진공 포장될 수 있는데, 상기 열융착성 필름은 두께 10㎛ ~ 150㎛의 저밀도 폴리에틸렌이거나 폴리프로필렌일 수 있다. 따라서, 알루미늄필름의 3층 이상의 다층 구조방식이 아닌 단층의 열융착성필름에 의한 열접착이 가능하여 제조 공정의 간소화를 통한 경비 절감이 된다. 또한, 상기 스테인리스강은 외주 밀봉과 진공 브레이징 밀봉에 의하여 진공 포장될 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 열융착법을 이용한 진공 단열재의 구성을 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 A-A 단면에 대한 확대도이다. 도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스테인리스 스틸 박판을 이용한 냉장고/냉동고 등에 사용되는 진공 단열 패널은 진공단열패널 형상유지를 위한 심재인 규산칼슘계 내부 충진재(3)와, 내통기성·내산성이 뛰어난 스테인리스 스틸 박판(1)과, 스테인리스 스틸 박판의 열접착이 가능하도록 한 열융착성 필름(2)으로 이루어지고, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스테인리스강 박판과 열융착성 필름 사이에는 상호 접착을 위한 접착층(4)이 존재한다.

순도 98.0%의 시약급 생석회를 95℃에서 5 ~ 20 분간 소화하여 소석회슬러리로 하고 상기 슬러리를 초음파분산기를 이용하여 초음파를 5 ~ 30 분간 조사하여 소석회유를 얻는다. 순도 90.4%의 천연산 규석질원료를 수중에 분산하여 규석슬러리를 얻고 상기 소석회유와 규석슬러리를 합쳐서 총수량이 고형분에 대해 27중량배로 물양을 조절하여 CaO/SiO₂몰비를 0.8 ~ 1.2 의 범위내에서 150℃ ~ 250℃ 포화 수증기압에서 1 ~ 10 시간 수열 합성 후 원료 슬러리를 얻는다. 얻어진 원료슬러리의 X선 회절분석 결과 토버모라이트와 조노라이트 결정성분을 함께 함유한 슬러리임을 알 수 있었다. 이것을 300×300×25(mm)몰드에서 탈수 가압성형하여 성형체를 제조한 후 100℃ ~ 500℃가 유지되는 일반 고온건조기와 진공건조기내에서 6 ~ 24 시간 항량건조한다. 항량건조된 규산칼슘계 성형체는 무게 및 부피측정을 완료한 후에 곧바로 진공포장용기에 장입한다. 상기 규산칼슘 성형체를 넣을 진공포장용기는 최외층을 스테인리스 스틸 박판(50㎛)으로 하고 내층을 열융착성 필름인 저밀도폴리에틸렌 또는 폴리프로필렌(120㎛)으로 하였으며 스테인리스 스틸의 내통기성·내산성을 열융착성 필름의 열접착성능 향상에 활용하였으며, 이때 열접착능력을 극대화하기 위하여 스테인리스 스틸 박판과 열융착필름과의 접착 강도를 700g/cm²이상 바람직하게는 2000g/cm²이상 유지되도록 하였다. 상기의 진공 포장용기에 규산칼슘계 내부 충진재를 넣어 진공챔버내에서 1torr ~ 0.05torr가지 감압한 후 진공 챔버 내부의 열접착기로 밀봉한 후 대기압 상태에서 꺼내어 연전도율등의 물리적 특성을 측정하였다.

상기에서 언급된 규산칼슘슬러리에 규산칼슘의 고형분 95%이상에 대해 수용성 유리촙 5%미만 중량부를 첨가한 경우, 각 첨가량에 펄프 1.0중량부%를 첨가한 경우 그리고 화이버를 첨가하지 않은 규산칼슘슬러리 단미 상태로만 성형된 시험체를 가지고 상기에서 언급된 진공열융착방식을 이용하여 제작된 진공패널시편들의 열전도도 물성 결과를 표 1에 나타내었다. 이때의 열전도도 측정온도는 20℃이며 단위는 kcal/mh℃이다.

	열전도도(kcal/mh℃)
단미상태의 규산칼슘성형체	0.0075
유리촙2%	0.0063
유리촙2% + 펄프1%	0.0065

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공브레이징법을 이용한 진공단열패널의 단면도를 보인 것이고 도 4는 도 3을 화살표 B방향에서 보았을 때의 단면도이다. 전술한 바와 같이 수열합성으로 제조한 규산칼슘계 슬러리를 가압탈수 성형하여 건조한 성형체(3)를 사용하여 이것에 적합하게 몰딩된 팬형 스테인리스 스틸 박판(1)에 넣어 상판을 덮고 4면 테두리를 용접한다. 이것을 진공 챔버에 넣고 1torr ~ 0.05torr의 진공도까지 배기 후 몰딩된 팬형 스테인리스 스틸 박판(1)에 있는 길이 30mm, 너비 0.5mm의 배기홀을 브레이즈 실링하였으며 브레이징온도는 약 1170℃정도로 하였다. 상판에 오목한 형태로 나있는 배기홀 주위에 국부 고온 가열로 녹아 홀이 메꿔질 수 있는 니켈 모재의 브레이즈 재료(5)를 올려놓았으며, 사용한 브레이즈 재료는 VBC(Vacuum Brazing Consultant Ltd.)의 VBC76A(AWS B-Ni 1A 상당)이다. 규산칼슘계 성형체를 넣고 4면 테두리가 용접된 패널을 진공챔버에 넣고(1torr ~ 0.05torr)의 진공도까지 배기 후 니켈모재의 브레이즈 재료(5)가 올려놓아져 있는 배기홀을 국부 가열하여 브레이즈 실링을 하였다.

이렇게 하여 얻어진 진공패널의 온도 내구성을 알아보기 위하여 1000℃가 유지되는 전기로 내에서 3시간을 유지시킨 후 상온에서 꺼내어 시편의 물성 변화를 측정하였는데 그 결과치를 표 2에 나타내었다.

	변화율(%)
열전도도(kcal/mh℃)	13.0 이하
선변화율(vol.%)	1.5 이하
감량변화(wt.%)	9.0 이하
형상변화(균열 및 뒤틀림 현상)	이상무
압축강도(kg/cm2)	1.0 kg/cm2이상
전단강도(kg/cm2)	0.5 kg/cm2이상

상기 결과에서 알 수 있듯이 규산칼슘 성형체(3)의 내화성, 포장재(barrier)인 스테인리스 스틸(1)과 브레이즈 재료(5)의 고융점으로 인해 온도 내구성이 매우 높아지는 것을 알 수 있다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 상기 진공 단열재는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형 실시를 허용한다. 예컨대, 본 발명의 적용 범위도 가정용 냉장고에 한정되는 것이 아니고, 자동차용 간이 냉장고, 공업용 냉동설비, 상업용 냉장설비, 가스 및 유류 저장 탱크, 건축용 파이프나 보온재 등에도 응용이 가능하고, 특히 고온에서의 열적 안정성을 발현할 수 있는 고온용 단열재로서의 응용이 가능한 특장이 있다. 또한, 본 발명은 진공 밀봉 방식에 있어 전술한 바와 같은 열융착성 필름의 사용 및 진공 브레이징법 외에도 본 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위내에서 다른 진공 밀봉 방식이 채용될 수 있고, 외포장재 및 심재에 있어서도 역시 다른 재질의 물질이 사용될 수 있다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 무기질 심재를 사용함으로써 재활용이 가능하고 환경 친화적이고, 내산성·내부식성이 우수한 포장재를 사용함으로써 내구성의 향상을 도모할 수 있고 아울러 박판의 두께는 물론 전체 진공단열재의 두께가 매우 얇아짐으로써 가용내용적을 늘릴 수 있는 이점이 있다. 또한, 진공팩 내부의 진공도 증가에 의한 단열 효과가 획기적으로 개선되고 고온에서도 사용될 수 있으므로 그 응용 범위가 다양하고, 제조 공정의 간소화를 통하여 경비 절감이 기대된다.

Claims (10)

1. 무기질 성형체로 이루어지는 심재와 상기 심재를 진공 포장하기 위한 외포장재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
2. 제 1항에 있어서, 상기 무기질 성형체는 규산칼슘계 성형체인 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
3. 제 2항에 있어서, 상기 규산칼슘계 성형체는 토버모라이트와 조노라이트를 결정상으로 함유한 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외포장재는 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
5. 제 4항에 있어서, 상기 스테인리스강은 두께가 20㎛ ~ 100㎛인 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
6. 제 5항에 있어서, 상기 스테인리스강은 열융착성 필름과 상기 스테인리스강 및 열융착성 필름을 접착하기 위한 접착층에 의하여 진공 포장되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
7. 제 4항에 있어서, 상기 스테인리스강은 열융착성 필름과 상기 스테인리스강 및 열융착성 필름을 접착하기 위한 접착층에 의하여 진공 포장되는 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 열융착성 필름은 두께 10㎛ ~ 150㎛의 저밀도 폴리에틸렌이거나 폴리프로필렌인 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
9. 제 5항에 있어서, 상기 스테인리스강은 외주 밀봉과 진공 브레이징 밀봉에 의하여 진공 포장된 것을 특징으로 하는 진공 단열재.
10. 제 4항에 있어서, 상기 스테인리스강은 외주 밀봉과 진공 브레이징 밀봉에 의하여 진공 포장된 것을 특징으로 하는 진공 단열재.