Heat transfer in core materials of vacuum insulation panels (VIPs) is investigated for the insulation performance. Existing porous core materials are studied first and a new core structure is proposed and analyzed.
In the first part, typical porous materials such as phenolic foam, glass wool and fumed silica are examined. While the phenolic foam is friable, glass wool and fumed silica are flexible and their porosities change when pressed. Relations between pressing load and porosity are found from measurements. Heat transfer through them occurs by solid conduction, gas conduction and radiation. Solid conductivities of the sample materials are theoretically derived using idealized models. Gas conduction strongly depends on the residual gas pressure and the pore size of material. Radiation is estimated using the diffusion approximation.
For experimental validation, effective thermal conductivities of specimen are measured at different vacuum levels and pressing loads using vacuum guarded hot plate (VGHP) which has 5 to 8% of uncertainty. Radiative conductivity is estimated from the transmissivity data which are obtained using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Solid conductivity is found by subtracting the radiative conductivity from the measured effective thermal conductivity. As the result, theoretical solid conductivity of phenolic foam shows 6% of relative error with the measurement. On the other hand, both glass wool and fumed silica show large discrepancy between theoretical and measured values. Thus, empirical relations are suggested to estimate solid conductivities of glass wool and fumed silica.
From the analysis, effective thermal conductivities of glass wool and fumed silica turn out to decrease when the pressing load is small. However, when they are used as core of VIPs, they are usually pressed by 1 atm of pressure. For this reason, an artificial core called pillar type VIP is proposed, which is the second part of this dissertation. It comprises a support structure and a filler. Porous materials can be used as the filler and the pressing load can be adjusted thanks to the support structure. Two cover plates and pillars between them compose the support structure. A test sample is fabricated with stainless steel (STS) cover plates, polycarbonate pillars and stacked layers of glass wool and radiation shields as the filler. It shows thermal conductivity of 1.2 mW/moK at high level of vacuum which is more than twice better in the insulation performance than those of conventional VIPs.
Going one step further, radiation shield only is applied as the filler. Aluminum coated radiation shields are corrugated with regular pitch and stacked in staggered manner. Heat transfer is analyzed numerically and validated through the measurement. This pillar type VIP with filler of stacked radiation shield shows even better insulation performance, which is, 1.0 mW/moK of thermal conductivity.
The acquired knowledge in this study can be practically applied to a VIP, and the employed methods of analysis and experiment can be further adapted.
진공단열체의 단열성능을 높이기 위한 목적으로 심재의 열전달에 관한 연구가 수행되었다. 널리 사용되고 있는 다공성 심재를 먼저 분석하였고 새로운 심재 구조가 제안, 분석되었다.
논문의 첫번째 파트로, 대표적인 다공성 물질인 페놀폼, 글라스울, 흄드실리카를 대상으로 선정,분석하였다. 이들 물질을 통한 열전달은 고체 전도, 기체 전도 그리고 복사를 통해 일어난다. 고체 전도를 예측하기 위해 각 재료의 구조를 이상화하여 각각의 기공율에 관한 식으로 나타냈다. 페놀폼과 달리 글라스울과 흄드실리카는 유연하기 때문에 하중을 가하면 기공율 및 밀도가 변한다. 이들간의 관계를 실험적으로 구했으며 이를 이용하여 고체 전도를 하중에 관한 식으로 표현하였다. 기체 전도는 진공압력과 기공 크기에 밀접한 관련을 가지고 있다. 복사는 확산가정을 이용하여 예측하였다.
예측식의 실험적인 검증을 위해 각 재료의 열전도계수를 진공도와 하중을 달리하며 측정하였다. VGHP 장비를 사용하였고 측정시 불확실도는 5-8%이다. 복사열전달계수는 FTIR을 이용한 실험을 통해 구하였다. 그 결과, 페놀폼의 고체전도 모델은 측정값과 6%의 오차를 보였으나 글라스울과 흄드실리카의 모델은 매우 큰 오차를 보였다. 이에 반해 측정을 통해 얻은 경험식은 글라스울의 경우 11%, 흄드실리카는 6%의 오차를 나타냈다.
이러한 분석을 통해 글라스울과 흄드실리카의 유효열전도 계수는 하중이 작을수록 줄어든다는 것을 밝혀냈다. 하지만, 이들 재료가 진공단열체 심재로 적용될 경우 항상 1기압 하중을 받기 때문에 이를 줄이는 것은 현실적으로 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 논문의 두번째 파트에서 인공적으로 설계된 기둥형 심재가 제안되었다. 기둥형 심재는 지지구조체와 충진재로 구성된다. 충진재로는 다공성 물질이 사용될 수 있으며, 지지구조체 덕분에 충진재에 가해지는 하중을 조절할 수 있다. 지지구조체는 위 아래 커버플레이트와 그 사이의 기둥들로 구성되었다. 테스트를 위해 스테인리스 스틸 커버플레이트와 폴리카보네이트 기둥으로 지지구조체를 제작하고 복사차단막이 삽입된 글라스울을 충진재로 사용하여 샘플을 제작하였다. 고진공에서의 측정결과 기존 진공단열체의 약 절반 수준인 1.2 mW/m-K의 유효열전도계수를 보였다.
한걸음 나아가 복사차단막만으로 충진재를 구성해 보았다. 알루미늄 코팅된 복사차단막을 일정한 간격의 골을 가지도록 만든 후 서로 엇갈린 방향으로 여러장 적층하여 충진재를 구성하였다. 이 때의 열전달을 해석적으로 구한 후, 실험적으로 검증하였으며, 실제 기둥형심재에 적용한 결과 글라스울 충진재보다 더 작은 1.0 mW/m-K 의 매우 뛰어난 단열성능을 확인할 수 있었다.
본 연구를 통해 얻은 지식은 VIP에 실질적으로 적용될 수 있으며, 분석 및 실험 방법 역시 널리 사용 될 수 있다.
