[논문]진공유리의 설계 조건에 따른 단열 성능 연구

황일선; 이영림

doi:10.7735/ksmte.2012.21.4.582

진공유리의 설계 조건에 따른 단열 성능 연구
A Study of Adiabatic Performance for Vacuum Glazing with Design Conditions 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.4, 2012년, pp.582 - 587

황일선 (공주대 대학원 기계공학과) , 이영림 (공주대학교 기계설계공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the low-emissivity glass has been used to reduce the energy loss through building windows. However, it simply reduces the inflow of solar rays and has a relatively high heat transmission coefficient. To solve the problems, a high-efficiency vacuum glazing has been under development but it has not been actively used due to its high price and insufficient performance. In this paper, the effects of internal pressure, pillar (spacer) height, pillar diameter, pillar interval, emissivity etc. on the performance of vacuum glazing have been analyzed with three-dimensional computational fluid dynamics and structural analysis. As a result, the performance of vacuum glazing was predicted more accurately and major factors that determine the performance of vacuum glazing were optimized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1인 소다 라임 유리, Philkington TEC15 유리, Low-E 유리를 사용해서 진공유리를 제작할 경우 그에 따른 단열성능을 비교하여 보았다. 이는 실제 구현 가능한 유리의 조합으로 얻을 수 있는 최적의 열관류율을 얻고자 함이다.

가설 설정

본 연구에서 고려된 유체유동은 3차원, 정상상태, 압축성, 층류유동을 가정하였고 Table 1에 수치해석을 위해 고려한 주요 인자들의 범위를 나타냈다. 복사열전달은 DO(Discrete Ordinate) 모델⁽¹¹⁾을 사용하였다.
이 때 ε은 방사율을 의미하며 진공유리 내부압력은 10-4torr로 가정하였고 점선은 유리 표면의 방사율이 1인 경우의 열관류율을 보여준다.
12는 소다 라임 유리, Philkington TEC15 유리, Low-E 유리에 대해 실내외 온도차에 따른 열관류율 변화를 보여준다. 이 때 Philkington TEC15 유리와 Low-E 유리는 한쪽면만 코팅 되었다고 가정하였다. 무코팅인 소다 라임 유리에 비해 저방사율코팅 유리가 획기적으로 열관류율이 낮았고 방사율이 낮을수록 열관류율이 감소하여 방사율이 0.
이 때 ε은 방사율을 의미하며 진공유리 내부압력은 10^-4torr로 가정하였고 점선은 유리 표면의 방사율이 1인 경우의 열관류율을 보여준다. 저방사율 물질을 표면에 코팅하였다고 가정하면서 방사율을 임의로 0.2 혹은 0.1이 되도록 변화시켰는데 방사율 감소에 따라 열관류율이 획기적으로 감소함을 알 수 있다. 진공에 노출되어 있는 두 유리 표면 중 어느 쪽에 저방사율 코팅을 하더라도 효과는 거의 동일하며 양쪽 면에 저방사율 코팅을 한 것이 가장 효율적이다.
전형적인 국내 동절기 상황을 모사하기 위해 실내 유리표면에는 20℃와 대류열전달계수 7W/m²K를 가정하였고, 실외 유리표면에는 3℃와 대류열전달계수 13W/m²K를 주었다.
진공유리의 간격 즉, 지지기둥 높이가 유리 응력에 미치는 영향을 해석하기 위하여 구조해석을 수행하였는데 유리는 소다 라임(soda lime) 유리, 지지기둥은 지르코니아(zirconia)를 가정하였고 물성치는 Table 2에 나타냈다. 구조해석에 사용된 격자수는 Fig.

제안 방법

따라서, 본 연구에서는 진공유리의 단열성능을 최적화하기위해 주요 인자인 유리 간격, 내부 압력 및 방사율, 지지기둥(spacer) 의 지름과 배치 간격에 따른 열관류율 변화를 3차원 CFD(Computational Fluid Mechanics)를 이용하여 고찰하였다. 이를 위해 전도, 대류 및 복사를 포함하는 복합 열전달 현상을 고려하였다.
2mm, 23mm로 판명되었다. 따라서, 이러한 최적화된 조건으로 방사율이 각각 0.84, 0.20, 0.1인 소다 라임 유리, Philkington TEC15 유리, Low-E 유리를 사용해서 진공유리를 제작할 경우 그에 따른 단열성능을 비교하여 보았다. 이는 실제 구현 가능한 유리의 조합으로 얻을 수 있는 최적의 열관류율을 얻고자 함이다.
이를 위해 전도, 대류 및 복사를 포함하는 복합 열전달 현상을 고려하였다. 또한, 구조해석을 실시하여 열성능을 최적화하는 제한조건으로 사용하였다.
본 연구에서는 진공유리의 성능을 결정짓는 주요 인자들의 변화에 따른 단열성능을 3차원 CFD 및 구조해석 모델을 이용하여 분석하였다. 이러한 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
육면체 격자를 사용하였고 격자수를 줄이기 위하여 지지기둥에서 일정거리 떨어진 곳에서 격자수가 다른 임의 계면(arbitrary interface)를 사용하였다. Fig.
따라서, 본 연구에서는 진공유리의 단열성능을 최적화하기위해 주요 인자인 유리 간격, 내부 압력 및 방사율, 지지기둥(spacer) 의 지름과 배치 간격에 따른 열관류율 변화를 3차원 CFD(Computational Fluid Mechanics)를 이용하여 고찰하였다. 이를 위해 전도, 대류 및 복사를 포함하는 복합 열전달 현상을 고려하였다. 또한, 구조해석을 실시하여 열성능을 최적화하는 제한조건으로 사용하였다.

대상 데이터

진공유리의 간격 즉, 지지기둥 높이가 유리 응력에 미치는 영향을 해석하기 위하여 구조해석을 수행하였는데 유리는 소다 라임(soda lime) 유리, 지지기둥은 지르코니아(zirconia)를 가정하였고 물성치는 Table 2에 나타냈다. 구조해석에 사용된 격자수는 Fig. 3과 같이 약 4만개이고 Ansys Workbench⁽¹⁴⁾를 사용하였다.

이론/모형

CFD에 사용된 격자 수는 약 32만개이고 3차원 형상 설계에는 Catia⁽¹²⁾, 격자 생성에는 Gambit⁽¹³⁾, 3차원 CFD 해석에는 상용 프로그램인 Fluent⁽¹¹⁾를 사용하였다.
본 연구에서 고려된 유체유동은 3차원, 정상상태, 압축성, 층류유동을 가정하였고 Table 1에 수치해석을 위해 고려한 주요 인자들의 범위를 나타냈다. 복사열전달은 DO(Discrete Ordinate) 모델⁽¹¹⁾을 사용하였다. Fig.

성능/효과

(1) 진공 유리 내부압력을 10^-4torr 이하로 유지하면 기체의 전도를 통한 열전달은 무시할 수 있다. 또한, 진공유리 내부에는 자연 대류를 형성되지 않아 대류에 인한 열전달은 매우 미미하고 복사만이 주요 열전달 모드가 된다.
(2) 유리 간격에 따른 단열 성능은 거의 변화가 없고 구조적으로도 문제가 없으므로 이는 제조시 경제적인 유리 간격을 선택하는 것이 최선임을 의미한다. 유리 표면의 방사율은 낮을수록 단열성능에 유리하고 특히 양면 저방사율 코팅을 통해 유효 방사율을 더욱 낮출 수 있다.
(3) 열전달 및 구조적 측면을 동시에 고려할 때 최적의 진공유리 성능을 위한 진공압력, 유리간격, 지지기둥 지름 및 배치간격은 10^-4torr, 0.2mm, 0.2mm, 23mm로 판명되었는데 0.1이하의 낮은 저방사율 양면 코팅을 이용하면 최고의 단열 성능을 얻을 수 있다.
7mW로 증가한다. 또한, 지름 0.2와 0.6 mm 일 때 열관류율은 각각 0.19W/m²K, 1.18W/m²K로 예측되어 지지기둥의 지름이 커질수록 단열성능이 악화됨을 알 수 있다. 지름이 0.
이 때 Philkington TEC15 유리와 Low-E 유리는 한쪽면만 코팅 되었다고 가정하였다. 무코팅인 소다 라임 유리에 비해 저방사율코팅 유리가 획기적으로 열관류율이 낮았고 방사율이 낮을수록 열관류율이 감소하여 방사율이 0.1인 Low-E 유리의 경우 약 0.7W/m²K의 열관류율을 나타냈다. Fig.
진공에 노출되어 있는 두 유리 표면 중 어느 쪽에 저방사율 코팅을 하더라도 효과는 거의 동일하며 양쪽 면에 저방사율 코팅을 한 것이 가장 효율적이다. 본 연구에서 고려한 진공유리의 경우 방사율 0.1을 양쪽 면에 가정한다면 열관류율을 약 0.43까지 감소시킬 수 있다. 이는 열전도율 약 0.
열전달 및 구조적 측면을 동시에 고려할 때 최적의 진공유리 성능을 위한 진공압력, 유리간격, 지지기둥 지름 및 배치간격은 10^-4torr, 0.2mm, 0.2mm, 23mm로 판명되었다. 따라서, 이러한 최적화된 조건으로 방사율이 각각 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	효율적인 에너지 사용의 필요성이 대두 된 배경은?	인구증가와 지속적인 산업발전으로 인하여 에너지 소비가 급증하게 되면서 효율적인 에너지 사용의 필요성이 크게 대두되었다. 특히 냉난방을 사용하는 차량 및 건물에 있어서 단열성능이 우수한 건물 외장재나 Low-E(low emissivity)유리 또는 진공유리를 사용하여 에너지 손실을 줄이는 것이 필요하다.
	창문을 통한 열손실량이 이토록 큰 이유는?	건물에서 손실되는 에너지는 벽체나 지붕, 창문 등을 통해 이루어지는데 창문을 통한 열손실량은 전체 열손실량의 약 20~40%로 큰 비율을 차지하고 있다. 이는 건물 외벽에 비해 약 6배의 수준으로 열적으로 가장 취약한 부분이기 때문이다. 따라서 일반 유리의 경우 단열 효과가 높지 않으므로 최근 들어 에너지 손실을 줄일 수 있는 유리에 대한 연구가 진행되고 있다.
	창문을 통한 열손실량은 전체 열 손실량의 얼만큼의 비율을 차지하는가?	특히 냉난방을 사용하는 차량 및 건물에 있어서 단열성능이 우수한 건물 외장재나 Low-E(low emissivity)유리 또는 진공유리를 사용하여 에너지 손실을 줄이는 것이 필요하다. 건물에서 손실되는 에너지는 벽체나 지붕, 창문 등을 통해 이루어지는데 창문을 통한 열손실량은 전체 열손실량의 약 20~40%로 큰 비율을 차지하고 있다. 이는 건물 외벽에 비해 약 6배의 수준으로 열적으로 가장 취약한 부분이기 때문이다.

참고문헌 (15)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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