JP2013534322A - 非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置 - Google Patents

非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、熱線の張力及び勾配を考慮して測定誤差を最小化することによって、ナノ流体の熱伝導度を正確に測定できる非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置に関し、上下に離間した上部板及び下部板と、前記上部板及び前記下部板の間に設置されたシリンダと、前記シリンダ内に設置され、上下移動が可能な稼動板と、前記上部板を貫通するように結合された第1固定手段と、前記稼動板の上面に設置され、前記第1固定手段と同一の鉛直線上に位置する第2固定手段と、前記第1固定手段及び前記第2固定手段に両端がそれぞれ固定された熱線とを含む非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置を提供する。

Description

本発明は、非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置に関し、更に詳しくは、熱線の張力及び勾配を考慮して測定誤差を最小化することによって、ナノ流体の熱伝導度を正確に測定できる非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置に関する。
非定常熱線法(transient hot-wire method)は、流体の熱伝導度を測定するのに最も広く用いられる方法であって、極細の熱線に電流を印加した後、時間による熱線の温度上昇を利用して熱伝導度を測定する方法である。
このような非定常熱線法は、流体の熱伝導度を測定する他の方法である定常法と比較して流体内で起きる自然対流の影響を効果的に抑制できる。従って、流体の熱伝導度を正確に測定できるだけでなく、流体の熱伝導度の測定に多くの時間がかからないため、効果的である。
図7は、従来の非定常熱線法を用いた熱伝導度測定システムを示す概略図であり、図8は、従来の非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置を示す図であり、図9は、熱線の勾配変化による自然対流の発生時点を示すグラフである。
図面を参照すれば、一般の非定常熱線法を用いた熱伝導度測定システムは、熱伝導度測定装置10、標準精密抵抗及び精密可変抵抗で構成されたホイートストンブリッジ20、電源供給装置30、熱伝導測定装置10で測定されたデータを収集するデータ収集装置40で構成される。
このうち、熱伝導度測定装置10は、長さが比較的長い1本の熱線を用いる構造(図8の(a)参照)と、長さが互いに異なる2本の熱線を用いる構造(図8の(b)参照)とに区分される。
前の装置は熱線を1つのみ用いるので、構成が簡単であり、測定が容易であるが、熱線の両端の接合点で伝導による熱損失が生じ、このような熱損失による測定誤差によって熱伝導度を正確に測定し難いという問題がある。反面、後者の構造は、前者に比べて相対的に複雑であるが、2本の熱線の両端の接合点で同一に発生した熱損失量を回路構成と資料の処理を通じて互いに相殺させることで、伝導損失による測定誤差が発生せず、熱伝導度を正確に測定できる。
しかしながら、従来の熱伝導度測定装置は、測定時に測定時間に対する基準点を明確にしない場合、自然対流による測定誤差が発生する。特に熱線の張力が適正な値に到達できなかったり、熱線が鉛直に配置されていない場合、図9に示すように、自然対流が予測した時間よりも早く発生して信頼できる水準の測定値を得ることができない。
また、従来の熱伝導測定装置は、熱線が半田付けにより固定された構造であるので、熱線を交換する度に半田付けをしなければならないという煩雑さがあり、交換した熱線が鉛直に配置されるように、勾配を調節する作業が容易でない。
本発明は、前述した従来技術の問題を解決するためのものであって、その目的は、熱線の張力及び勾配を考慮して測定誤差を最小化することによって、ナノ流体の熱伝導度を正確に測定できる非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、熱線の設置及び交換が非常に容易な非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置を提供することにある。
前記目的を達成するための本発明に係る非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置は、以下のような構成を含んでなされる。
上下に離間した上部板及び下部板と、前記上部板及び前記下部板の間に設置されたシリンダと、前記シリンダ内に設置され、上下移動が可能な稼動板と、前記上部板を貫通するように結合された第1固定手段と、前記稼動板の上面に設置され、前記第1固定手段と同一の鉛直線上に位置する第2固定手段と、前記第1固定手段及び前記第2固定手段に両端がそれぞれ固定された熱線。
前記構成の本発明の装置によれば、張力調節手段を用いて第1固定手段を上昇又は下降させれば、熱線の張力を調節できる。また、熱線が固定される第1固定手段と第2固定手段が鉛直線上に位置するため、熱線の勾配が鉛直線と平行に維持され得る。従って、ナノ流体の熱伝導度の測定時に熱線の張力及び勾配により発生する誤差を最小化できるので、熱伝導度を正確に測定できる。
このとき、前記張力調節手段に設置されて熱線の張力を測定するセンサを更に含むことが好ましい。
また、前記第1固定手段と前記第2固定手段は、棒状の本体と、傾斜した形状の固定具と、内壁面が前記固定具と対応する傾斜した形状に形成され、前記本体とネジ結合される固定ナットとを含む。このとき、固定具の中央には、熱線が貫通する固定ホールが形成され、固定具の上面又は下面には、固定ホールを中心とする十字状溝が形成される。
このような構造の第1固定手段と第2固定手段によれば、熱線が固定具に挿入された状態で固定ナットを締めれば、熱線の固定作業が完了する。従って、熱線の設置及び交換が容易であるだけでなく、第1固定手段と第2固定手段が鉛直線上に位置するため、熱線の勾配を調節する作業が不要である。
前述したように構成された本発明は、張力調節手段及びセンサ、そして鉛直線上に位置する第1固定手段と第2固定手段を用いてナノ流体の熱伝導度の測定時に熱線の張力及び勾配により発生する誤差を最小化できるので、熱伝導度を正確に測定できるという効果を奏する。
また、固定手段が半田付けの方法でないネジ締結を通じて熱線を固定することで、設置及び交換が容易であるだけでなく、第1固定手段と第2固定手段が鉛直線上に位置するため、熱線の勾配を調節する作業が不要であるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置を示す断面図である。 図1の実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置のうち、第1固定手段を示す分解斜視図である。 図1の実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置のうち、第1固定手段を示す断面図である。 図1の実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置のうち、一部を拡大した図である。 図1の実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置を用いた測定方法を示す順序図である。 図1の実施形態に係る非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置を用いた水の熱伝導度の測定結果を示すグラフである。 従来の非定常熱線法を用いた熱伝導度測定システムを示す概略図である。 従来の非定常熱線法を用いた熱伝導度測定装置を示す図である。 熱線の勾配変化による自然対流の発生時点を示すグラフである。
添付の図面を参照して本発明に係る実施形態を詳細に説明する。以下、本発明に係る実施形態を説明するにおいて、そして各図面の構成要素に参照符号を付すにおいて、同一の構成要素に対しては、たとえ他の図面上に示されていても、可能な限り同一の符号を付した。
図1に示すように、本実施形態に係る非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置(100、以下、測定装置という)は、上下に離間した上部板110及び下部板120と、上部板110及び下部板120の間に設置されたシリンダ130と、シリンダ130の内側下部に設置された稼動板140と、上部板110を貫通するように結合された第1固定手段150と、稼動板140の上面に設置された第2固定手段160と、第1固定手段150及び第2固定手段160に両端がそれぞれ固定された熱線Wと、上部板110の上面に設置された張力調節手段170と、張力調節手段170に設置されたセンサ180とを含む。
上部板110は、所定厚さの円板形状である。その中央には、第1固定手段150が結合される結合孔112が形成され、結合孔112の周囲には、後述するロッド192が貫通する貫通孔114及びシリンダ130との結合のためのネジがS締結される締結孔116が形成される。また、上部板110の上面中央には、第1固定手段150の上部、張力調節手段170及びセンサ180の下部が内装されるカバー118が形成される。
下部板120は、下面に溝122が形成された円板形状であり、溝122には、シリンダ130との結合のためのネジがS締結される締結孔124が形成される。このように下部板120の下面に溝122が形成された理由は、ネジSが突出するのを防止し、測定装置100の設置時に水平を維持するためである。
シリンダ130は、熱伝導度測定用流体(以下、ナノ流体という)が充填される部分である。上端及び下端にフランジ132が形成された円筒形状に形成され、フランジ132には、上部板110及び下部板120との結合のためのネジがS締結される締結孔134が形成される。
前述した形状のシリンダ130は、内部に充填されたナノ流体が漏れないように封止された構造でなければならない。このために、シリンダ130と上部板110との間、シリンダ130と下部板120との間、そして上部板110と第1固定手段150との間には、気密保持用O−リング194が設けられる。
稼動板140は、シリンダ130の内側下部に設置され、熱線Wの長さを調節できるように、上下に移動可能に設置される。これを更に詳細に説明すれば、稼動板140は、上部板110に上端が固定されたロッド192の下方に設置され、稼動板140の上面及び下面でナットNにより固定される。即ち、ナットNを緩め、稼動板140を上下に移動させる場合、設置高さを調節できる。
このとき、上部板110と稼動板140は、テフロン(登録商標)材質であることが好ましい。また、稼動板140を支持するロッド192は、ナノ流体の熱伝導度の測定に影響を及ぼさないように、熱伝導度に優れたステンレススチール又は銅材質であることが好ましい。
第1固定手段150と第2固定手段160は、熱線Wを固定する手段である。第1固定手段150は、上部板110の中央に形成された結合孔112に設置され、第2固定手段160は、稼動板140上面の中央に設置される。
このように第1固定手段150と第2固定手段160を同一の鉛直線上に位置させた理由は、熱線Wの勾配がナノ流体の熱伝導度の測定に影響を及ぼす点を考慮したからである。即ち、第1固定手段150と第2固定手段160を同一の鉛直線上に位置させることで、自然対流の発生を遅延させて熱伝導度の測定誤差を最小化するためである。
一方、図2と図3を参照して第1固定手段150と第2固定手段160の構造を詳察すれば、以下の通りである。ここで、第2固定手段160は、第1固定手段150と同一の構造及び形状を有するので、第1固定手段150を代表として説明する。
第1固定手段150は、本体150a、本体150aの下部に位置する固定具150b、固定具150bを覆い、本体150aの下部にネジ結合される固定ナット150cを含んで構成される。
本体150aは棒状であり、張力調節手段170との結合のための雄ネジ(図4の151)が中間部分に形成される。また、本体150aの下端には、固定ナット150cとの結合のための螺子山152が形成され、下面には、熱線Wが挿入される挿入溝153が形成される(図3参照)。
図3において、固定具150bは、上部へ行くほど直径が広くなる傾斜した形状に形成された弾性体である。その中央には、熱線Wが貫通する固定ホール154が形成され、下面には、固定ホール154を中心とする十字状溝155が形成される。この十字状溝155は、熱線Wの結合時に固定ホール154を拡張させ、固定ナット150cの結合時に固定具150bを熱線Wに圧着させるための空間である。
図2において、このような十字状溝155は、固定具150bの上面で一定深さに形成される。固定ナット150cは、本体150aにネジ結合されて固定具150bを熱線Wに圧着させるための締め付け手段である。図3に示すように、固定ナット150cの内壁面の下部156は、固定具150bと対応する傾斜した形状に形成され、内壁面の上部には、本体150aの螺子山152と対応する螺子山157が形成される。
前述した構造の第1固定手段150では、固定ナット150cが本体150aとネジ結合されるため、熱線Wの設置及び交換が容易である。即ち、熱線Wを固定ホール154に挿入した状態で固定具150bを本体150aと固定ナット150cとの間に位置させた後、固定ナット150cを結合すれば、設置が完了する。
このとき、固定ナット150cが本体150aにネジ結合される過程で固定ナット150cの内壁面の下部156が固定具150bを加圧し、固定具150bが圧着されれば、熱線Wを固定する。反面、固定ナット150cが緩めば、固定具150bを加圧していた固定具150bの圧着状態が解除され、熱線Wを簡単に分離できる。
図4を参照すれば、上部板110の結合孔112には、直線運動ベアリング196が設置され、直線運動ベアリング196の内部には、第1固定手段150が設置される。また、第1固定手段150の中間には、張力調節手段170が設置され、第1固定手段150の上端には、熱線Wの張力を測定するセンサが設置される。
このとき、第1固定手段150と張力調節手段170は、第1固定手段150の中間に形成された雄ネジ151と張力調節手段170の内部に形成された雌ネジ172を通じて互いに結合される。
このような構造によれば、張力調節手段170を図面の矢印A方向に回転させる場合、雄ネジ151と雌ネジ172が噛み合って動くことによって、第1固定手段150が上方へ動き、熱線Wを緊張させる。反面、張力調節手段170を矢印A反対方向に回転させれば、第1固定手段150が下方へ動きながら、熱線Wを弛緩させる。
結局、熱線Wの張力を適正な値に調節することで、熱線Wの張力を考慮して測定誤差を最小化できる。従って、ナノ流体の熱伝導度を正確に測定できる。
前述した測定装置100を用いたナノ流体の熱伝導度の測定方法を図5を参照して詳察する。
まず、測定装置100に熱線Wを設置する(S10)。図3を参照すれば、本体150aから固定ナット150cを分離し、熱線Wを固定具150bの固定ホール154に貫通させる。その後、固定具150bが圧着されて熱線Wを固定できるように、固定ナット150cを本体150aにネジ結合する。
熱線Wの設置が完了すれば、図4に示すように、張力調節手段170を用いて第1固定手段150を上昇又は下降させることで、熱線Wの張力を所望の値に設定する(S20)。
次に、シリンダ130に水を注入した後、熱線Wに電源を供給して水の熱伝導度を測定する(S30)。即ち、張力調節手段170とセンサ180を用いて熱線Wの張力を調節し、水の熱伝導度を測定する場合、測定誤差が最も小さな熱線Wの張力を把握できる。
前述した段階で測定された張力値によって熱線の張力を調節する(S40)。
最終的に、シリンダ130に注入された水を排出し、熱伝導度を測定するナノ流体を注入した後、ナノ流体の熱伝導度を測定する(S50、S60)。
このように、本実施形態に係る測定装置100を用いてナノ流体の熱伝導度を測定する場合、熱線Wに適正な張力が印加される。また、熱線Wが鉛直方向に配置される。従って、熱線Wの張力及び勾配により発生する測定誤差を最小化でき、熱伝導度を正確に測定できる。
また、固定手段150、160が半田付けでないネジ締結を通じて熱線Wを固定するので、設置及び交換が容易であり、第1固定手段150と第2固定手段160が鉛直線上に位置するので、熱線Wの勾配調節作業が不要なため、測定が容易である。
一方、本実施形態に係る測定装置100及び測定方法を用いた流体の熱伝導度の実験結果を詳察すれば、以下の通りである。
水を利用して熱伝導度を測定した結果、図6に示すように、熱伝導度の測定誤差範囲が1.5%以内であることを確認でき、実験結果の信頼性を示せる結果の線形性が0.9999以上であることが分かった。
以上、本発明を好適な実施形態を通じて説明したが、前述した実施形態は、本発明の技術的思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様な変化が可能であることは、この分野における通常の知識を有する者であれば、理解できるはずである。従って、本発明の保護範囲は、特定の実施形態ではなく、特許請求の範囲に記載された事項により解釈されるべきであり、それと同等な範囲内にある全ての技術的思想も本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。
100 測定装置
110 上部板
120 下部板
130 シリンダ
140 稼動板
150 第1固定手段
160 第2固定手段
170 張力調節手段
180 センサ

Claims (6)

  1. 上下に離間した上部板及び下部板と、
    前記上部板及び前記下部板の間に設置されたシリンダと、
    前記シリンダ内に設置され、上下移動が可能な稼動板と、
    前記上部板を貫通するように結合された第1固定手段と、
    前記稼動板の上面に設置され、前記第1固定手段と同一の鉛直線上に位置する第2固定手段と、
    前記第1固定手段及び前記第2固定手段に両端がそれぞれ固定された熱線と
    を含む非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
  2. 前記上部板の上面に設置されて前記第1固定手段を上下に移動させる張力調節手段と、
    前記熱線の張力を測定するセンサと
    を更に含むことを特徴とする請求項1に記載の非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
  3. 前記第1固定手段の中間に雄ネジが形成され、前記張力調節手段の内側に雌ネジが形成されて前記張力調節手段の回転時に前記第1固定手段が上昇又は下降することを特徴とする請求項1に記載の非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
  4. 前記第1固定手段又は第2固定手段が、
    本体と、
    前記熱線が貫通する固定ホールが形成され、前記固定ホールを中心に十字状溝が下面に形成された弾性体の固定具と、
    前記本体の下部にネジ結合されて前記固定具を締める固定ナットと
    を含むことを特徴とする請求項1に記載の非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
  5. 前記固定具が上部へ行くほど直径が広くなる傾斜した形状であることを特徴とする請求項4に記載の非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
  6. 前記稼動板に連結されて稼動板の上下移動をガイドするロッドを更に含み、前記上部板と稼働板がテフロン(登録商標)材質であることを特徴とする請求項1に記載の非定常熱線法を用いたナノ流体の熱伝導度測定装置。
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