This study investigates a new type of Vacuum Insulation Panels (VIPs) as a superior thermal insulator, which is one of the most important components in future energy efficient buildings or refrigerators. The present research mainly focuses on two issues. One is on thermal transport mechanisms of VIPs with various filling materials, and the other is on vacuum deterioration mechanisms in VIPs.
Firstly, three thermal transport mechanisms of various filling materials for VIPs are theoretically investigated with special emphasis on the solid conduction. As the first, the solid conductivities of porous materials such as a powder, foam, fiber and staggered beam subject to external atmospheric compression are derived using simplified elementary cell models. The results show that the solid conductivities of the fiber and staggered beam insulation are lower than those of the powder and foam due to the relatively long thermal path. The second mechanism, i.e., gaseous conductivity shows the lowest for the fine powder among the considered materials due to its smallest pore size. The radiative conductivity as the last is calculated using the diffusion approximation. If radiation shields are installed for the staggered beam, the radiation effect can be reduced significantly. The above theoretical results show that the multi-layered staggered beam structure with radiation shields and the glass fiber arranged perpendicular to the heat flow direction are promising as the VIP’s filling material. A prototype of the staggered beam VIP is fabricated to show the practical applicability.
Secondly, long-term vacuum maintenance characteristics are investigated for the VIP with an example of polymer staggered beam structure as the filling material. Various gas sources deteriorating the vacuum level in the staggered beam VIP are examined based on theoretical models and experiments. Gas permeation occurring through heat-sealed flanges in the barrier envelope is found to be the largest gas leakage source. The calculated gas permeation rate is in accordance with the experimental result. Outgassing from the filling material is also critical. To estimate the outgassing contribution, specific outgassing tests are carried out for the polycarbonate material using the pressure rise method. Diffusion coefficients for various gases are obtained using a short-term outgassing behavior. Outgassing rate can be significantly reduced to a negligible level by a baking pretreatment in vacuum and/or by a metal coating on the polymer surface. Based on the above results, total pressure increase of the staggered beam VIP is expected. It is shown that the estimated pressure increase is about 7 percent higher than the experimentally measured one. To ensure a lifetime of more than 20 years, various methods for a reduction of gas loads are proposed.
최근 에너지 소비 절감과 이산화탄소 배출 감소를 위한 초단열 성능을 지닌 진공단열재가 큰 관심을 얻고 있다. 진공단열체에서 가장 중요한 두 가지 요소는 기존 단열재 대비 10배 이상의 단열 성능과 장기간 성능을 유지할 수 있는 내구성이다. 이에 본 논문에서는 다음의 두 가지 주제를 목표로 하였다. 첫째, 다양한 진공단열체용 내부 충진재에서의 열전달 매커니즘에 대하여 논의하였다. 둘째, 진공단열체의 내부 진공도 유지에 관한 연구를 수행하였다.
다양한 내부 충진재에 대하여 세 가지 열전달 매커니즘을 이론적으로 연구하였다. 첫째로 분말체, 발포체, 섬유체 그리고 격자형 빔 구조체의 네 가지 예에 대해 대기압의 압력을 받을 때의 전도열전달 계수를 단순화된 모델을 통해 구하였다. 열이 전달되는 방향과 수직인 가로방향으로만 배열된 유리섬유와 격자형 빔 구조체가 긴 열전달 경로로 인하여 분말체나 폼보다 낮은 열전도도를 보였다. 둘째, 기체에 의한 열전도는 공극 크기가 가장 작은 분말체가 가장 낮았다. 분말체, 발포체 그리고 섬유체에서의 복사열전달은 확산근사법(diffusion approximation)에 의해 계산되었다. 만약 복사 차단막이 격자형 빔에 적용된다면 복사열전도 효과는 상당히 감소할 것이다. 위의 이론적인 결과를 토대로 다층의 복사차단막이 있는 격자형 빔과 가로방향으로만 배열된 유리섬유가 진공단열체의 내부 충진재로 가장 적함함을 알 수 있었다.
격자형 빔 진공단열체의 진공도 유지에 대해 연구하였다. 진공단열체의 내부 진공도를 저하 시키는 다양한 원인을 이론적 및 실험적으로 규명하였다. 외피재의 열융착부를 통한 가스투과가 가장 큰 진공도 저하의 요인인 것으로 이론적 계산과 실험으로 입증되었다. 내부충진재에서의 탈기체 또한 중요한 진공도 저하의 요인이다. 압력증가법을 사용하여 폴리카보네이트의 탈기체량을 실험적으로 구하였다. 짧은 시간동안의 탈기체 특성을 통해 폴리카보네이트의 확산계수를 구하였다. 탈기체는 진공하에서 가열과정을 거치거나 재료의 표면에 금속코팅을 함으로써 무시할 수 있는 수준으로 낮출 수 있다. 격자형 빔을 적용한 진공단열체의 압력 증가를 이론식을 통해 예측하였으며 이는 실제 실험결과와 약 7%의 오차를 보였다. 진공단열체 내부로 투과하는 기체량이 상당히 크기 때문에 이를 줄일 수 있는 다양한 방법들이 제시되었다.
