KR100309067B1 - 연소실의 열 플럭스 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두께를 경감함으로써 설치가 용이하고 열 플럭스의 1차원적 해석이 가능하도록 하고, 하나의 장치로서 열 플럭스를 측정할 수 있도록 하기 위하여,

연소실의 구성 요소와 동일한 물성치를 갖는 모재와; 상기 모재내측으로 삽입되어 연소실측까지 연장 형성되며, 상기 모재의 연소실측과 접촉되어 열접점부를 형성하는 제1크로멜(cromel)선과; 상기 모재의 외측면상에 장착되는 제2크로멜(cromel)선과; 상기 모재의 외측면상에 상기 제2크로멜선과 동일한 지점에 장착되어 냉접점부를 형성하는 알루멜(alumel)선;을 포함하는 연소실의 열 플럭스 측정장치를 제공한다.

Description

연소실의 열 플럭스 측정장치{A HEAT FLUX GAGING APPARATUS OF COMBUSTION CHAMBER}

본 발명은 연소실의 열 플럭스 측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 두께를 작게 하여 열 플럭스의 1차원적 해석이 가능하며, 하나의 장치로서 열 플럭스를 측정할 수 있는 연소실의 열 플럭스 측정장치에 관한 것이다.

예컨대, 내연기관에 있어서 연소실은 실린더 헤드와 피스톤 사이에 형성되어, 실린더 헤드로부터 유입되는 혼합 가스의 압축, 점화, 폭발에 따라 고온의 상태로서 존재하게 되는 공간으로서, 연소실내의 각종 상태는 내연기관의 개발 및 제어를 위한 지표로서 활용되게 된다.

이 중에서, 연소실의 온도를 측정하는 장치로서 이용되는 온도 센서 중에는 열전대의 원리를 이용하는 것이 있는데, 이 열전대(thermocouple)라 함은, 도 4에 도시한 바와 같이, 재질이 다른 두 금속선(A,B)을 연결하고 양 접점간에 온도차(t1,t2)를 부여하면 그 온도차에 따른 기전력이 두 금속선에 발생함으로써, 이 금속을 연결한 회로내에 열전류(E)가 흐르는 것을 말한다.

상기와 같은 열전대를 이용하여 연소실의 온도를 측정하는 온도 센서를 구성한 예를 들면, 도 5에 도시한 바와 같이, 측정 부위와 동일한 물성치를 갖는 모재의 내부에 크로멜(cromel)과 알루멜(alumel)선을 절연체를 개재시켜 내설하고, 이를 니켈도금으로 결합시켜서 구성한 것이다.

이에 따라, 상기 크로멜선과 알루멜선을 연결하는 회로를 만들면, 상기 니켈 도금부의 온도(t1)가 연소실의 온도로서 고온이며, 외부 회로 연결 지점의 온도(t2)는 상온으로서 저온이 되므로, 회로내로 기전력이 발생되어 이 기전력의 크기로서 연소실 내부의 온도를 측정할 수 있게 된다.

한편, 연소실의 거동을 파악하기 위해서는, 연소실 내부의 순간 온도나 한지점에 있어서의 온도 뿐만 아니라 연소실 내의 열의 흐름량, 즉 열 플럭스(heat flux)를 측정하는 것도 중요하다.

이를 위하여, 종래에는 상기 온도 측정장치를 연소실부 외에도 연소실 근방의 실린더 헤드 벽에도 내설하도록 하여 두 개소 이상의 온도를 수치 해석하여 연소실의 열 플럭스를 알아내는 방법이 사용되었다.

그런데, 상기와 같이 이루어지는 열전대를 이용한 온도 측정장치로서 연소실의 열 플럭스를 측정하기 위해서는 상술한 바와 같이 다수개의 측정장치가 필요하였다.

또한, 온도 측정장치 내의 크로멜-알루멜 선이 두가닥으로 형성됨에 따라, 그 두께가 증대하고, 따라서 열 플럭스는 1차원적으로 해석해야 하나 두께의 증대로 인하여 3차원적인 해석만이 가능하여 정확한 열 플럭스를 측정하기가 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 두께를 경감함으로써 설치가 용이하고 열 플럭스의 1차원적 해석이 가능하도록 하고, 하나의 장치로서 열 플럭스를 측정할 수 있는 연소실의 열 플럭스 측정장치를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 열 플럭스 측정장치에 이용되는 제벡 효과의 개념도,

도 2는 본 발명에 의한 열 플럭스 측정장치의 구성도,

도 3은 본 발명에 의한 열 플럭스 측정장치를 적용하여 구성한 열 플럭스 측정 회로도,

도 4는 열전대의 원리를 설명하는 개념도,

도 5는 종래 기술에 의한 온도 측정장치의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

12 : 연소실 14 : 실린더 헤드

16 : 모재 18 : 제1크로멜(cromel)선

20 : 제2크로멜(cromel)선 22 : 알루멜(alumel)선

24 : 니켈 도금부 26 : 흑연 용접부

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

연소실의 구성 요소와 동일한 물성치를 갖는 모재와; 상기 모재내측으로 삽입되어 연소실측까지 연장 형성되며, 상기 모재의 연소실측과 접촉되어 열접점부를 형성하는 제1크로멜(cromel)선과; 상기 모재의 외측면상에 장착되는 제2크로멜(cromel)선과; 상기 모재의 외측면상에 상기 제2크로멜선과 동일한 지점에 장착되어 냉접점부를 형성하는 알루멜(alumel)선;을 포함하는 연소실의 열 플럭스 측정장치를 제공한다.

이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 열 플럭스 측정장치에 적용되는 제벡 효과(Seebeck effect)를 나타내는 것으로서, 본 발명의 열 플럭스 측정장치는 양단에 서로 다른 온도차(t1,t2)가 형성되어 열전대를 이루는 두 금속(A,B)사이에 새로운 금속(C)이 접합되어 있더라도 새로운 금속(C)의 양단이 같은 온도(t3)라면 열기전력의 차이에는 변함이 없다는 발견에 의한다. 이에 따라 열전대를 이루는 두 개의 금속을 연결하여 회로를 구성할 수 있다. 여기서, 열전대의 기전력을 측정함으로써 두 접점상의 온도차에 대하여 선형 관계를 이루는 톰슨 효과를 이용하여 기전력을 온도로서 환산하여 열 플럭스를 구할 수 있다.

보다 구체적으로는 본 발명의 열 플럭스 측정장치는 도 2에 도시한 바와 같이, 연소실(12)측으로 노출되어 실린더 헤드(14)에 내장되는 모재(16)와, 이 모재(16)내에 설치되는 제1크로멜선(18)과, 이 모재(18)의 외측면으로 설치되는 제2크로멜선(20) 및 알루멜선(22)을 포함하여 이루어진다.

상기에서 모재(16)는 그 길이는 대략 9㎜정도로 형성되며, 연소실의 구성 요소, 예컨대 피스톤과 실린더 헤드와 동일한 물성치를 갖도록 형성하여, 열의 흐름의 왜곡에 의한 오차를 줄일 수 있도록 한다.

그리고 상기 제1크로멜선(18)은 모재(16) 내측으로 삽입되어 연소실(12)측까지 이르도록 연장되어 형성되며, 모재(16)의 연소실 측면과 접촉되어 열접점부(H.P)를 형성한다. 이 열접점부(H.P)는 연소실의 온도를 측정하는 부분으로서, 연소실로부터의 열전도성을 향상시키고, 제1크로멜선(18)의 내구성을 보다 강화하기 위하여 니켈(Ni; 24)로 도금하여 처리한다.

여기서 니켈(24)을 도금하는 방법은 측정 부위를 연마하여 조도를 향상시킨 후에, 이 때 발생된 칩을 제거하기 위해 초음파 세척, 열풍기로 수분을 건조, 이온 스퍼터링 증착기로 표면에 금을 진공 증착시킨다. 이어서 니켈 도금액을 제작한 후 40℃를 유지하면서 1시간 30분 가량 니켈 무전해 도금후 다시 세척하여 건조시키면 된다.

또한, 상기와 같은 니켈도금에 의한 열접점부 이외에 있어서는, 제1크로멜선(18)과 모재(16) 사이에 그 길이방향으로 절연체를 개재시켜서 양자간에 절연이 이루어지도록 한다.

한편, 상기 제2크로멜선(20)과 알루멜선(22)은 동일한 지점에 장착되어 냉접점부(C.P)를 형성하며, 이 냉접점부(C.P)는 흑연(26)을 이용하여 전기점용접 처리한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명의 열 플럭스 측정장치를 이용하여 회로를 구성한 일예를 들면, 도 3에 도시한 바와 같이, 모재(16)와 제1크로멜(18)이 열접점부(H.P)에서 연결되고, 또한 모재(16)와 제2크로멜(20)이 냉접점부(C.P)에서 연결되며, 이 제1크로멜(18)과 제2크로멜(20)사이에 전압장치(28)를 연결하여 회로를 구성할 수 있다.

여기서 열접점부의 온도를 t1이라 하고, 냉접점부의 온도를 t2라 하고, 외부 전압장치가 연결되는 부분의 온도를 t3(상온)라 하면, 열접점부의 온도(t1)는 연소실내의 온도로서 크로멜-크로멜을 연결한 회로로부터 구할 수 있고, 냉접점부의 온도(t2)는 연소실 근방의 실린더 헤드의 온도로서 크로멜-알루멜 연결로부터 구할 수 있다.

상기와 같이 이루어지는 회로에 있어서 열 플럭스는 Q = k(t1 - t2) 의 식에 의하여 구할 수 있다. (여기서 k는 비례상수를 가리킨다.)

상기와 같이 제작되는 측정장치는 최종적으로 캘리브레이션(calibration)작업을 하게 되면 제작이 완료된다.

상기한 바와 같이 이루어지는 본 발명의 연소실의 열 플럭스 측정장치는 모재 내로는 크로멜선만이 설치되므로 전체 반경이 줄어들게 되며, 이에 따라 그 설치가 용이해지고, 열 플럭스의 1차원적 해석이 가능해진다.

또한, 하나의 장치로서 열접점 온도와 냉접점 온도를 함께 측정하여 열 플럭스를 알 수 있으므로, 장치의 장착 개소를 줄일 수 있다.

Claims (4)

1. 연소실의 구성요소와 동일한 물성치를 갖는 모재와;

   상기 모재내측으로 삽입되어 연소실측까지 연장 형성되며, 상기 모재의 연소실측과 접촉되어 열접점부를 형성하는 제1크로멜(cromel)선과;

   상기 모재의 외측면상에 장착되는 제2크로멜(cromel)선과;

   상기 모재의 외측면상에 상기 제2크로멜선과 동일한 지점에 장착되어 냉접점부를 형성하는 알루멜(alumel)선;을 포함하는 연소실의 열 플럭스 측정장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 모재와 상기 제1크로멜선이 접촉되어 형성되는 열접점부는 니켈도금 처리되는 것을 특징으로 하는 연소실의 열 플럭스 측정장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제1크로멜선과 상기 모재 사이에는 길이방향으로 절연체가 개재되는 것을 특징으로 하는 연소실의 열 플럭스 측정장치.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 제2크로멜선과 상기 알루멜이 접촉하여 형성하는 냉접점부는 흑연을 이용한 전기점용접 처리되는 것을 특징으로 하는 연소실의 열 플럭스 측정장치.