소개
단열재는 열 손실을 최소화하고 기술 시스템에서 안정적인 온도 조건을 보장하는 데 매우 중요합니다. 단열재의 열전도도는 보호 열판(GHP) 방법과 같은 고정된 방법을 사용하여 정밀하게 특성화되는 경우가 많습니다. 이러한 조사는 재료 연구뿐만 아니라 온도 변동이 극심한 진공 상태에서 단열재를 사용하는 우주 여행과도 관련이 있습니다. GHP 측정은 무엇보다도 열 설계 및 성능 평가를 위한 귀중한 데이터를 제공합니다.
섬유 단열재(예: 유리솜)의 효과적인 열전도율은 주로 세 가지 열 전달 메커니즘에 따라 달라집니다:
- 고체를 통한 열 전달
- 복사를 통한 열 전달
- 기체상을 통한 열 전달
단열재 내의 온도, 밀도 및 기체에 따라 유효 열전도율은 크게 달라질 수 있습니다.
이 애플리케이션 노트에서는 다양한 환경에 초점을 맞춥니다. 공기 중 열전도율이 알려진 표준 글라스울(NIST SRM 1450D)을 GHP 456 Titan® 에서 테스트했습니다. 이 장치에는 다양한 퍼지 가스를 사용할 수 있는 퍼니스가 장착되어 있으며 감압 상태에서 측정할 수 있습니다.
실험적
NIST SRM 1450D 재료는 10°C에서 60°C 사이의 평균 시료 온도(Tmean)에서 측정 플레이트 간 온도 차이(ΔT)가 20K인 상태에서 검사되었습니다. 측정은 다양한 가스(아르곤, 질소, 헬륨)에서 다양한 압력(약 0.01mbar~1000mbar)으로 수행되었습니다. 다른 가스를 사용하여 측정하기 전에 장치(샘플 포함)를 두 번 비우고 새 가스로 퍼지했습니다.
결과 및 토론
그림 1은 다양한 퍼지 가스(질소, 아르곤, 헬륨)에서 시료의 열 전도도를 보여줍니다. 측정 결과는 표 1에 요약되어 있습니다.
표 1: 문헌과 비교하여 다양한 퍼지 가스에서 측정한 표준 글라스 울(NIST SRM 1450D)의 열 전도도
| 온도 °C | 열 전도성 (W/m-K) | |||
| 문헌 [2] | N2 | Ar | He | |
| 10 | 0.0313 | 0.0312 | 0.0224 | 0.1590 |
| 20 | 0.0324 | 0.0324 | 0.0233 | 0.1631 |
| 40 | 0.0346 | 0.0345 | 0.025 | 0.1708 |
| 60 | 0.03868 | 0.0366 | 0.0267 | 0.1785 |
글라스울은 구멍이 뚫린 시스템이기 때문에 퍼지 가스가 소재를 투과하여 유효 열전도율을 변화시킵니다. 공기와 질소의 열전도율은 거의 동일합니다(표 2 참조). 예상대로 유리솜의 기준값과 질소 상태에서 측정한 값 사이에는 큰 차이를 감지할 수 없습니다. 반면 아르곤은 질소보다 열전도율이 현저히 낮으며(약 31% 낮음), 이는 아르곤 퍼지를 사용한 글라스울의 열전도율 측정에서 확인할 수 있습니다. 측정된 값은 질소로 측정한 값보다 약 28% 낮습니다.
아르곤과 달리 헬륨은 질소보다 열전도율이 훨씬 높습니다. 헬륨 퍼지를 사용한 글라스 울의 유효 열전도율은 질소나 공기를 사용한 것보다 약 4배 더 높습니다.
표 2: 20°C에서 다양한 가스의 열 전도성 [1] [1]
| 가스 | 열 전도도 / (W/m-K) |
|---|---|
| 헬륨 | 0.150 |
| 아르곤 | 0.017 |
| 공기 | 0.026 |
| 질소 | 0.026 |
그림 2는 압력이 개방형 기공 단열재의 열전도율에 어떤 영향을 미치는지 보여줍니다. 다양한 온도에서 글라스울의 열전도도를 보여줍니다. S-커브는 압력 의존적 측정의 전형적인 모습입니다. 이는 셀 가스의 열전도도가 유효 열전도도에 상당한 영향을 미치며 특정 임계값(약 300mbar) 이하의 압력에 상당한 의존성이 있음을 명확하게 보여줍니다. 이는 가스 분자 또는 원자의 자유 경로 길이로 설명할 수 있습니다.
기체 내의 열 전달은 주로 입자의 수와 입자 사이의 평균 자유 경로에 의해 결정됩니다. 약간 낮은 압력에서는 평균 자유 경로가 증가하지만 입자 수는 감소합니다. 따라서 열전도율은 일정하게 유지됩니다. 그러나 이는 매우 낮은 압력에서는 더 이상 적용되지 않습니다[3]. 특정 지점(여기서는 약 300 mbar)부터는 충돌할 입자가 충분하지 않고 평균 자유 경로 길이가 기공 직경 범위 내에 떨어집니다. 이 시점부터 기체의 열 전달은 전적으로 기체 입자의 수에 따라 달라집니다. 낮은 압력으로 인해 입자 수가 감소하면 전체 재료의 유효 열전도율과 마찬가지로 가스를 통한 열 전달도 크게 감소합니다.
요약
단열재의 열전도율은 구조상 압력과 셀 가스에 따라 크게 달라집니다. GHP 456 Titan® 은 이러한 까다로운 조건에서 효과적인 열전도도를 측정하는 데 이상적인 측정 장치입니다. 직관적인 소프트웨어와 자동 압력 제어 덕분에 측정을 쉽게 수행할 수 있습니다.