Vacuum insulation panel (VIP) is a promising thermal insulator and it is commonly composed of an evacuated filler material and a vacuum envelope. They act as heat transfer paths and affect the insulation performance significantly. In this study, a pillar-supported VIP and edge taping method are investigated to reduce the heat transfer through the filler material and the envelope, respectively.
The pillar-supported VIP is composed of support structure (to sustain the atmospheric pressure) and filler layer. Since the filler layer is free from compression unlike the existing VIPs, its effective thermal conductivity is much lower. The mechanical stability and heat transfer of the pillar-supported VIP are investigated for optimal design, and a multi-pass support (MPS) and multi-layered filler are introduced to further reduce the solid conduction through pillars and radiation through the filler material. A test sample VIP is fabricated with stainless steel cover plates, MPS, and multi-layered filler material stacked with glass wool sheets and radiation shields. The thermal conductivity measured by vacuum guarded hot plate (VGHP) is $1.18 mW/m \cdot K$ , which is more than twice better than that of glass wool-based VIP.
The heat transfer through the envelope is called edge conduction. From a numerical analysis, it is shown that the edge conduction is a serious heat transfer mechanism. It usually results from the aluminum layer of the envelope and shows an almost one-dimensional heat conduction behavior. Based on the results, a theoretical model for the edge conduction is obtained and the experiment is performed with a new type of samples. The error between the numerical model and the experiment result is within 1.6%. When a taping material is attached at the envelope edge, the edge conductivity is significantly reduced, and it is named as edge taping method. It is analyzed using various means, i.e., numerical, analytical and experimental tools. Finally, a dimensionless form using the theoretical model is proposed for practical performance evaluation.
최근 우수한 단열 성능으로 주목 받고 있는 진공단열재는 진공처리 된 내부심재와 진공 외피재로 구성되어 있다. 이러한 두 재료는 진공단열재의 주된 열전달 경로이며 각각의 열전달을 줄여야만 우수한 단열성능을 확보할 수 있다. 이를 위해 본 연구에서는 기둥 지지형 진공단열재 구조체를 이용함으로써 중심부 즉, 내부심재의 열전달을 줄이는 한편 모서리 테이핑 방법으로 외피재를 통한 열전달을 줄이고자 하였다.
기둥 지지형 진공단열재란 대기압을 견디기 위한 지지구조체와 그 내부에 삽입되는 내부심재로 구성되어 있는 새로운 개념의 구조체를 의미한다. 내부심재가 대기압의 압축으로부터 자유롭기 때문에 매우 낮은 유효열전도 계수를 가질 수 있는데 이 때문에 기둥 지지형 진공단열재의 설계에서는 열전달 특성뿐만 아니라 기계적인 안정성이 함께 고려돼야 한다. 설계조건을 바탕으로 제작된 시편은 스테인레스 스틸의 덮개 판과 다중경로 지지체, 글라스 울과 복사 차단막이 함께 적층 된 내부심재로 구성되어 있고 측정결과 $1.18 mW/m \cdot K$의 열전도계수를 갖는 것으로 나타났다. 이 값은 글라스울 진공단열재의 내부심재 열전도계수에 비해서 약 반절에 해당한다.
외피재를 통한 열전달은 모서리 열전도라 불리는데 내부심재에 의한 열전달 만큼이나 중요하며 수치해석적 결과를 통해 이러한 모서리 열전도가 외피재의 알루미늄 층에 의한 것으로 1차원적인 열적 거동을 보이는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 이론적인 식을 제시하였으며 모서리 열전도를 측정할 수 있는 실험을 수행한 결과 수치해석과는 약 1.6%의 오차를 보였다. 모서리 테이핑 방법은 이러한 모서리 열전도를 줄이기 위해 제시한 것으로 외피재의 모서리 부위에 띠 형태의 테이핑 물질을 부착한다. 수치해석과 실험을 통해 그 효과를 검증했으며 실용적인 활용을 위해 무차원 형태의 이론모델을 함께 제시하였다.
