Heat transfer in radiation shield layers of vacuum insulation panels (VIPs) is investigated for two cases. The first one is the combined heat transfer of radiation and conduction in stacked radiation shields with vacuum layers between them and the second one is the analysis for pure radiative transfer in a porous layer installed be-tween the shields.
The purpose of the first study is to establish a reliable analysis method for actual shield design. A one-dimensional problem is first analyzed. Actual two-dimensional problem is simplified for theoretical modeling and the depthwise conduction around contact spot is further considered. Test radiation shields are manufactured using press molding process with SUS 304 (AISI grade 304) plates, since this sample depicts the parametric effects well. Measurement of the effective thermal conductivity is performed with a VGHP apparatus. While various analytical and numerical models predict the effective thermal conductivity in the case of this specific specimen within about 40% error, the combined heat transfer analysis considering depthewise conduction phe-nomena is accurate within 10% error and it is thus recommended in estimating the effective thermal conductivity of stacked radiation shields.
In the second part, numerical analysis using a Monte Carlo method is made in the pure scattering medium. The results for isotopic scattering case agree well with the diffusion solution within 1% error. This method, indeed, for that problem shows that the diffusion approximation can be used as a good approximation. The result also suggests that the radiative heat transfer in the VIPs can be effectively reduced by increasing the optical thickness of the core material and/or decreasing the surface emissivity by inserting more radiation shields. Fi-nally, numerical analysis is conducted for the backward scattering medium. The results show small differences when the optical thickness is small. However, the difference becomes larger as the optical thickness is large. Especially, the radiative thermal conductivity of the scattering layer is decreased to nearly half for the backward scattering medium. In conclusion of second part, the materials with highly backward scattering are recommended to be used as the core or insertion material between the radiation shields to enhance the insulation performance of the VIPs.
본 연구에서는 진공단열재내부 복사차단막층의 열전달 해석이 두 가지 경우에 대하여 수행되었다. 첫째로 적층된 복사차단막 사이에 진공층이 있는 경우 복사와 전도의 복합열전달과 둘째로 복사차단막층 사이에 다공성물질이 설치되어있는 경우 순수 복사열전달에 대해 해석이 되었다.
첫 번째 연구의 목적은 실제 복사차단막에 대한 신뢰성 있는 해석방법을 수립하는 것이다. 1차원 문제에 대해 먼저 해석이 되었다. 실제 2차원문제는 이론적인 모델링으로 간소화되었고 접촉부위 근처의 두께방향 전도가 고려되었다. 실험용 복사차단막은 변수들의 영향을 잘 묘사하기 위하여 프레스 몰딩을 이용해 SUS304판으로 제작되었다. VGHP 장비를 이용하여 유효열전달계수가 측정되었다. 다른 여러 가지 이론적 수치적 모델은 실험용 복사차단막 유효열전달계수의 오차가 40% 이내로 매우 크지만 두께방향전도를 고려한 복합열전달 해석은 오차 10% 이내로 정확하였다. 그러므로 적층된 복사차단막의 유효열전달계수를 계산할 때 두께방향 전도를 고려한 복사와 전도의 복합열전달 해석방법을 추천하였다.
두 번째 순수산란매질 내부에서의 몬테카를로법을 이용한 수치해석방법을 제안하였다. 등방산란의 결과는 diffusion solution과 1% 이내의 오차로 잘 일치하였다. 이로부터 diffusion approximation이 이러한 문제에 대해 쉽게 적용될 수 있는 좋은 방법임을 알 수 있었다. 또한 결과로부터 내부구조체의 광학적 두께를 늘이는 것뿐 아니라 복사차단막을 삽입함으로써 진공단열재의 복사열전달을 줄일 수 있는 것을 알 수 있었다. 후방산란에 대해서 몬테카를로법을 이용한 수치해석이 최종적으로 수행되었다. 결과는 등방산란과 광학적 두께가 작을 경우 거의 차이가 없었다. 그러나 광학적 두께가 커질수록 차이는 커졌다. 특히 후방산란의 경우 산란매질에 의한 복사열전달계수가 등방산란의 경우에 비해 거의 반이 되었다. 그러므로 두 번째 결론으로 진공단열재의 단열성능을 강화시키는 방법으로 복사차단막을 후방산란이 강한 물질 사이에 설치하는 것을 추천하였다.
