This study investigates envelopes for the vacuum maintenance of vacuum insulation panels (VIPs). The VIP is lately becoming a key factor to save the building energy, which accounts for nearly 40% of global energy consumption. VIPs must have good insulation performance and a long service lifetime. Al-metallized film can meet these requirements by suppressing thermal bridging and gas permeation.
First, the gas permeation mechanism through the Al-metallized film is investigated. The gas permeabilities through an Al-metallized film for various gases are measured using a newly-developed experimental apparatus based on a pressure difference method. Its reliability is validated by measuring a few well-known gas permeabilities through uncoated 12 um polyethylene terephthalate (PET) film. Then, a 12 um PET film coated with a 33 nm aluminum layer is selected as the sample. It is found using a residual gas analyzer (RGA) that nitrogen, oxygen, carbon dioxide and water vapor are the major gases permeating through the Al-metallized film. These gases are then taken as the test gases. The measured gas permeabilities of these gases through the Al-metallized film are found to be only about 4.1% of those through uncoated PET film. This value is nevertheless higher than those of metal sheets and Al-foil films because of the abundant pin-holes which are formed during the production process. Pin-holes are further investigated in terms of their distribution and diameters using an optical microscope. The effective gas permeability including the pin-hole effect is calculated to be 3.6 to 4.0% of the uncoated PET film permeability, agreeing with the experimental results. This leads to the conclusion that the main passage of gas permeation through Al-metallized film is the pin-holes.
Multiple Al-metallized layers must be therefore employed to form an effective gas barrier. A correlation pertaining to the degree of permeation through a layer of two-side Al-metallized film is also proposed. A method of calculating the effective gas permeability for multiple Al-metallized films is introduced using the similarity with heat transfer. The gas permeation rate decreases with an increase in the number of Al-metallized layers. The pin-holes of an envelope employing a sample with multiple Al-metallized layers are investigated and its effective gas permeabilities are calculated using the proposed correlation and calculation method. The reliability of the proposed methods is proved by measuring the gas pressure increase of a manufactured sample VIP. The service lifetime of VIPs can be thus predicted by the proposed methods. Therefore, these methods can be usefully applied to design and develop VIP envelopes.
Second, two enveloping methods to enhance the service lifetime and reduce the degree of edge conduction are proposed and analyzed. An Al-foil-bonded envelope is proposed as the first method. The Al-foil is bonded onto the outer or inner surface of an Al-metallized film envelope except at the edge. Its gas permeation rate is analytically predicted, and it is found to decrease to less than 0.1% of that of Al-metallized film without any increase of the thermal bridging. A double enveloping method is proposed secondly. It is to envelop a completed VIP once again with another buffer volume. This method is studied in terms of the service lifetime, thermal conductivity at the center, and edge conduction. The results are compared with the single enveloping cases. This method guarantees a longer service lifetime and less edge conduction than single enveloping. It is further investigated and discussed with various geometrical parameters, core materials, and envelopes. These two new enveloping methods ensure an improvement of the service lifetime and less edge conduction for actual VIPs as they can be practically applied.
본 논문에서는 진공단열패널의 내부 진공도 유지를 위한 외피재에 대한 연구가 수행되었다. 최근 들어 세계 에너지 소비량의 약 40%를 차지하는 건물의 에너지 절약과 이산화탄소 배출 저감을 위해 매우 뛰어난 성능을 가지는 진공단열패널이 큰 관심을 받고 있다. 이러한 진공단열패널이 반드시 가져야 할 두 가지 중요한 요건은 우수한 단열성능과 뛰어난 내구성이다. 알루미늄 코팅필름은 다른 금속 필름에 비해 그 두께가 아주 얇으므로 열교 현상을 줄여줄 뿐만 아니라, 코팅된 금속 층에 의해 가스 투과 또한 훌륭히 막아준다는 점에서 위의 두 가지 조건을 만족시킨다.
첫째, 알루미늄 코팅필름의 가스투과 매커니즘이 조사되었다. 알루미늄 코팅필름의 다양한 가스들에 대한 가스 투과도를 측정하기 위해 압력 차이법을 기초로 한 실험장치가 새로 개발되었다. 이 장치의 신뢰도는 이미 잘 알려져 있는 알루미늄이 코팅되지 않은 PET 필름의 가스 투과도를 측정하여 비교하는 것에 의해 증명되었다. 33나노미터 두께의 알루미늄이 코팅된 12마이크로미터 두께의 PET 필름이 샘플로 선정되었다. 잔류 가스 분석기에 의해 질소, 산소, 이산화탄소, 수증기가 샘플 필름을 통해 주로 투과되는 가스라는 사실이 조사되었고, 이들에 대한 가스투과도가 개발된 실험장치에 의해 측정되었다. 알루미늄 코팅 필름의 가스 투과도는 가스의 종류에 관계없이 코팅되지 않은 PET필름의 4.1%로 측정되었다. 그럼에도 불구하고 이는 알루미늄 필름에 비하면 여전히 큰 값이다. 그 이유는 코팅과정에 발생하는 수많은 핀홀 때문이며, 이 핀홀들이 알루미늄 코팅필름의 가스투과를 일으키는 주요 경로가 된다. 따라서 핀홀의 분포와 평균지름이 광학현미경에 의해 측정되었다. 알루미늄 코팅 필름의 가스 투과는 오직 이 핀홀들을 통해서만 일어난다고 가정하고, 측정된 핀홀의 정보를 이용하여 열전달과의 상사를 통해 이론적, 수치적 방법으로 계산한 결과 유효 가스 투과도는 코팅되지 않은 PET 필름의 3.6~4.0%로 계산되었다. 이는 제안된 핀홀의 조사를 통한 알루미늄 코팅필름의 가스 투과도를 예측하는 방법의 신뢰성을 입증해 준다. 즉, 알루미늄 코팅필름의 주요 가스투과 경로는 바로 핀홀들을 통해 일어난다는 것이다.
위의 결과에 따라 한 층의 알루미늄 코팅 필름의 적용으로는 가스투과를 효과적으로 막아줄 수 없다. 따라서 효과적으로 가스투과를 막기 위해 여러 층의 알루미늄 코팅 필름이 적용되어야 한다. 양면이 알루미늄으로 코팅된 필름의 가스 투과도가 수치적 방법에 의해 계산되었고, 다양한 핀홀의 분포 및 지름에 따른 가스 투과도를 구할 수 있는 관계식이 수치적 계산결과를 바탕으로 제안되었다. 또한 여러 층의 알루미늄 코팅 필름이 적층된 외피재의 유효 가스 투과도를 계산하는 방법이 제안되었다. 제안된 방법들의 신뢰도는 여러 층의 알루미늄 코팅필름이 적용된 상용 외피재를 이용하여 실제 진공 단열 패널을 만들고 그 내부의 압력 증가를 측정하는 것에 의해 증명되었다. 제안된 방법과 실험결과는 10%이내의 오차를 보였으며, 이로써 제안된 방법의 신뢰성이 입증되었다. 따라서 본 연구에서 개발된 관계식과 제안된 방법을 이용하면 진공단열패널의 수명을 예측할 수 있으므로, 진공단열패널용 외피재의 개발 및 설계에 활용될 수 있다.
둘째, 모서리 효과를 억제하면서 동시에 가스투과를 줄이는 두 가지 방법이 본 연구에서 제안되었다. 위의 제안된 방법처럼 여러 층의 알루미늄 코팅필름을 적용한다면, 가스 투과도는 적용되는 알루미늄 코팅필름의 수에 따라 줄어들지만, 동시에 열교 현상은 늘어나게 되므로 새로운 방법의 개발이 필요한 것이다. 첫번째 방법으로 알루미늄 코팅 필름으로 구성된 외피재에, 모서리 부분을 제외한 표면에 알루미늄 필름을 접착하는 방법이 제안되었다. 이를 통한 가스 투과량이 이론적인 방법으로 계산되었으며, 그 결과 가스 투과량은 알루미늄 코팅 필름의 0.1% 이하로 계산되었다. 이 외피재는 비교적 두꺼운 알루미늄 필름을 추가하였지만 모서리 부분이 제외되었기 때문에 열교 현상은 증가하지 않는 장점이 있다. 두번째 방법으로 제작된 완벽한 진공단열패널의 외부에 내부 충진재를 추가하여 다시 한번 외피재로 감싸는 이중 외피재가 제안되었다. 이중 외피재의 다양한 내부 충진재의 종류, 외피재의 종류, 기하학적 형상에 따른 수명, 중심부의 열전도도, 열교 현상에 대한 심층적 연구가 이루어 졌다. 이 외피재는 단일 외피재보다 더욱 뛰어난 내구성을 가질 뿐만 아니라 열교 현상 또한 줄여준다는 장점을 확인하였다. 따라서 제시된 두가지 방법은 실제 진공단열패널의 수명 향상 및 열교 현상을 감소시켜 실제적으로 적용될 수 있을 것이다.