KR101261627B1 - 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템 - Google Patents

열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 열 유속 측정 장치는 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 외부로부터 전력을 공급받아 표면을 가열하는 금속 리본과, 금속 리본이 단열되도록 금속 리본의 하부를 고정하되 금속 리본의 길이 방향을 따라 형성되는 단열부와, 단열부를 사이에 두고 금속 리본의 길이방향을 따라 금속 리본과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체로 이루어지는 금속 블록과, 금속 리본과 금속 블록의 온도 차에 따른 열기전력을 측정하는 차온 열전대를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템{APPARUTUS AND SYSTEM FOR MEASURING HEAT FLUX}
본 발명은 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 등온 표면에서의 열 유속을 측정하기 위한 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템에 관한 것이다.
열유속 측정 장치는 열손실 및 열취득 일어나는 표면에서 열전달을 측정하며, 센서를 통하여 흐르는 열의 흐름을 감지하여 이에 비례하는 출력을 제공한다.
열유속은 전도, 대류 및 복사에 의해 발생하는데 열이 전달되는 방식에 따라 열유속 센서의 유형을 구분하여 사용함으로써 열유속을 측정할 수 있다. 열유속 센서는 일반적으로 건축물의 단열성능 개선, 연소엔진 또는 로켓 모터와 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다.
이러한 열유속 측정 장치들은 주로 물체의 단위면적당 열에너지의 전달량인 열유속을 측정하는데 사용되며, 열유속 측정에 관한 종래기술로는 시간에 따른 일정지점의 온도 변화 측정방법, 일정 두께를 가진 열저항층의 온도차에 해당하는 열기전력을 측정하는 층상형(Layered type) 방법 및 복사열유속 상에서 원형박막의 온도차에 해당하는 열기전력을 측정하는 Gardon 방법 등 다양한 형태가 있으나, 대부분은 층상형에 속한다.
종래기술에 따른 층상형 열유속센서의 경우, 열유속센서의 얇은 박막 구조 내부에 구리-1, 콘스탄탄(Constantan), 구리-2와 같은 금속을 포함하며, 구리-1과 콘스탄탄의 접점에서 열기전력(Thermal electromotive force)이 발생하는 것과, 콘스탄탄과 구리-2 접점에서 또 다른 열기전력이 발생하는 것을 열 유속 측정에 이용한다.
이러한 2개의 접점을 직렬로 2개 이상 연결한 것을 “서모파일(Thermopile)”이라고 하며, 이 서모파일은 신호를 비례적으로 증폭시키는 역할을 한다. 이렇게 제작된 열유속센서를 열유속이 존재하는 표면에 부착하면 센서상의 두 접점의 미세한 온도차에 비례하는 전압신호가 서모파일을 통해 증폭되어 온도차에 비례하는 열유속 신호를 전압신호 형태로 표현할 수 있는 것이다.
종래기술에 따른 층상형 열유속 센서는 열 유속센서 자체가 측정하고자 하는 표면에서의 열저항으로 작용하거나 실제 사용시 부착 상태에 따라 열저항 증가를 유발하여 열유속을 교란하게 되는 단점이 있다.
한편, Gardon 열유속 센서는 콘스탄탄 박막에 흡수된 복사에너지에 의해 열유속을 측정하는 원리이므로 센서의 표면 상태에 따라 열 유속 측정에 오류를 유발할 수 있다는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 등온평면에 있어서 경계조건을 만족하도록 하여 물체의 단위면적당 열에너지의 전달량인 열유속을 측정할 수 있는 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 열 유속 측정 장치는 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 외부로부터 전력을 공급받아 표면을 가열하는 금속 리본과, 금속 리본이 단열되도록 금속 리본의 하부를 고정하되 금속 리본의 길이 방향을 따라 형성되는 단열부와, 단열부를 사이에 두고 금속 리본의 길이방향을 따라 금속 리본과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체로 이루어지는 금속 블록과, 금속 리본과 금속 블록의 온도 차에 따른 열기전력을 측정하는 차온 열전대를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 열유속 측정 시스템은 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 전력을 공급받아 표면을 가열하는 금속 리본와, 금속 리본이 단열되도록 금속 리본의 하부를 고정하되 금속 리본의 길이 방향을 따라 형성되는 단열부와, 단열부를 사이에 두고 금속 리본의 길이방향을 따라 금속 리본과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체로 이루어지며 열을 발생하는 히터를 포함하는 금속 블록와, 금속 리본과 금속 블록의 온도 차에 따른 열기전력을 측정하는 차온 열전대를 포함하는 열 유속 측정 장치와, 히터와 전기적으로 연결되어 히터의 가열 정도를 조절하여 금속 블록의 표면을 등온으로 유지하도록 하는 등온 제어부와, 금속 리본에 전력을 공급하여 금속 리본의 표면을 가열하도록 하는 전력 공급부와, 금속 리본 및 금속 블록의 온도가 일치하도록 하는 전력과 차온 열전대의 표면 면적에 기초하여 금속 블록 표면에서의 표면 열 유속을 측정하는 표면 열 유속 측정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 측정대상 표면과 열유속 센서 표면의 온도차이를 최소화하고, 센서의 단열 효과를 극대화 함으로써 높은 정확도와 감도로 열유속을 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 얇고 폭이 좁은 금속 리본을 사용함으로써 국소점에서의 열유속을 측정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열 유속 측정 장치를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열 유속 측정 시스템을 나타내는 도면.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
열 유속을 측정하기 위해서는 표면에서의 국소 열유속 분포 및 그에 부합하는 온도 분포의 측정이 요구된다. 이것들은 열경계 조건을 나타내며 종종 열전달 계수의 분포를 정의하는데 사용된다. 열경계 조건에 따라 열전달 계수의 분포에 영향을 미칠 수 있으므로 정확한 열경계 조건은 중요하다.
열전달 분야에서 가장 흔히 사용되는 열경계조건으로는 등열유속 열경계조건과 등온 열경계조건이 있다. 등열유속 열경계조건의 경우, 일반적으로 얇은 금속판을 열전달이 일어나는 표면에 단열부착 시킨 후, 전기적으로 가열하는 단순한 방법으로 형성시킬 수 있다.
하지만, 등온 열경계조건의 경우, 실험적으로 높은 정확도와 함께 형성시키기에는 다소 복잡한 장치구성이 필요하며 상당한 어려움이 따른다.
도 1은 표면 열 유속을 측정하기 위한 열유속 측정 장치를 설명하기 위한 도면으로, 구체적으로, 등열유속 센서(열전대)와 국한된 유로 내에 설치된 등온평판(2차원 열전도를 고려한 소정의 두께를 가지는 구리금속 블록)에 밀리미터 스케일의 슬롯 충돌제트가 충돌할 때 열전달 분포를 측정할 수 있는 열유속 측정 장치의 단면을 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열유속 측정 장치(100)는 금속 리본(110), 단열부(120), 금속 블록(130) 및 차온 열전대(140)를 포함한다.
더욱 상세하게는, 금속 리본(110)은 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 외부로부터 전력을 공급받아 표면이 가열된다. 이 때, 금속 리본(110)은 Ni과 Cr의 합금으로 이루어진 것일 수 있다.
단열부(120)는 금속 리본(110)이 단열되도록 금속 리본(110)의 하부를 고정하되 금속 리본(110)의 길이 방향을 따라 형성된다.
단열부(120)는 금속 리본(110)과 금속 블록(130)을 접착 고정시킬뿐 아니라 금속 블록(130)과 소정의 공간이 이격되어 설치되므로써 금속 리본(110)에 전달될 수 있는 열과 전기를 효과적으로 단열하는 역할을 한다. 이러한, 단열부(120)는 에폭시(Epoxy)로 이루어질 수 있다.
금속 블록(130)은 단열부(120)를 사이에 두고 금속 리본(110)의 길이방향을 따라 금속 리본(110)과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체(예를 들어, 구리 등)로 이루어진다.
금속 블록(130)은, 2차원 열전도를 고려한 소정의 두께의 두꺼운 벽을 가지며, 내부에 열을 발생하는 히터(131)를 일정한 간격으로 구비하여 히터(131)가 가열됨에 따라 금속 블록(130)의 표면을 등온으로 유지하도록 할 수 있다. 또한, 금속 블록(130)은 금속 블록(130) 표면의 온도를 감지하기 위한 온도 센서(133)를 금속 블록(130)의 표면과 인접한 금속 블록(130)의 내부에 포함할 수 있다.
한편, 금속 리본(110)의 표면과 금속 블록(130) 표면은 같은 높이의 레벨로 편평하게 이루어질 수 있다. 이는 제트가 충돌하는 표면을 일정하게 유지하고 표면 열 유속의 측정시의 오차를 줄이기 위함이다.
한편, 금속 리본(110)과 금속 블록(130)을 단열하는 단열부(120)는 금속 블록의 옆면을 소정의 경사(예를 들어, 60도)를 가지도록 가공한 구리블록의 일면에 형성될 수 있다.
한편, 이와 같은 경사는 2차원 열전도 해석에 기초하여 결정될 수 있으며, 단열부(120)를 통한 열손실 최소화뿐 아니라 금속 블록(120) 내부에 히터(131)의 설치를 위한 공간 확보를 통해 충돌면 온도를 균일하게 유지하고자 하는데 목적이 있다.
차온 열전대(140)는 금속 리본(110)과 금속 블록(130)의 온도 차에 따른 열기전력을 측정한다. 여기서 차온 열전대(140)는 크로멜, 콘스탄탄, 크로멜 금속선의 접합에 따라 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 열유속 측정 장치(100)를 이용한 표면 열 유속의 측정을 하기의 수학식들을 참조하여 구체적으로 설명하도록한다.
수학식 1과 같이 금속 리본에 공급되는 전류에 의한 전력(Pe)이 대류에 의한 열전달량(Qconv)과 전도에 의한 열손실량(Qcond)과 일치되는 것으로 한다.
Figure 112011097341617-pat00001
여기서, Pe는 공급되는 전력(W)을 나타내며, Qconv는 대류에 의한 열전달량이고, Qcond는 에폭시와 전류 공급선(구리 lead wires)을 통한 전도 열손실량을 의미한다.
한편, Pe는 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011097341617-pat00002
여기서, Vs는 금속 리본(Ni/Cr 센서)에서의 전위차이며, Is는 금속 리본에 공급되는 전류를 나타낸다.
한편, 대류 열전달량(Qconv)은 하기의 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112011097341617-pat00003
여기서, hx는 국소 열전달계수를 의미하며, As는 금속 리본 표면의 면적이고, Ts는 금속 리본의 표면 온도이며, Ti는 노즐 배출구에 있어서의 공기의 온도이고, qs는 금속 리본 표면에서의 단위 면적당 열량 즉, 표면 열 유속(W/㎡)을 의미한다.
한편, 전도에 의한 열손실의 열량(Qcond)은 하기의 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112011097341617-pat00004
여기서, Ce는 금속 리본과 금속 블록 사이의 전체 열 컨덕턴스를 나타내며, Ts는 금속 리본의 표면 온도이고, Tw는 금속 블록의 온도이다.
수학식 1 내지 수학식 4로부터 표면 열 유속을 계산하면 수학식 5와 같이 나타낼수 있다.
Figure 112011097341617-pat00005
수학식 5에 있어서, 금속 리본의 표면 온도 및 금속 블록의 온도가 일치하는 경우(Ts=Tw), 표면 열 유속은 금속 리본 표면의 면적과 공급되는 전력(Pe)으로부터 계산될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열유속 측정 장치(100)는 금속 리본(110) 및 금속 블록(130)의 온도가 일치하도록 하는 전력과 차온 열전대(140)의 표면 면적에 기초하여 금속 블록(130) 표면에서의 표면 열 유속을 측정하는 것이 가능하다.
이 때, 차온 열전대(140)에서 측정되는 열기전력이 기설정된 임계값 이하가 되도록 표면을 가열하여 표면의 온도를 유지하는 것이 바람직하며, 여기서의 임계값은 이론적으로 0이되는 것이 바람직하나 물리적인 오차를 감안한 값으로 설정될 수 있다.
따라서, 전술한 구성에 의해 본 발명의 일 실시예에 따른 열유속 측정 장치(100)는 측정대상 표면과 열유속 센서 표면의 온도차이를 최소화하고, 센서의 단열 효과를 극대화 함으로써 높은 정확도와 감도로 열유속을 측정할 수 있는 효과가 있다. 또한, 얇고 폭이 좁은 금속 리본(110)을 사용함으로써 국소점에서의 열유속을 측정할 수 있는 효과가 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 열유속 측정 장치(100)를 포함하는 열유속 측정 시스템을 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열유속 측정 시스템를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열유속 측정 시스템(10)은 도 1을 참조하여 설명한 열유속 측정 장치(100)와, 등온 제어부(200), 전력 공급부(300), 전위차 측정부(400) 및 표면 열 유속 측정부(500)를 포함한다.
등온 제어부(200)는 금속 블록(130)의 히터(131)와 전기적으로 연결되어 PID제어를 통해 히터(131)의 가열 정도를 조절하여 금속 블록(130)의 표면을 등온으로 유지하도록 한다.
전력 공급부(300)는 금속 리본(110)에 전력을 공급하여 금속 리본(110)의 표면을 가열하도록 한다.
전위차 측정부(400)는 금속 리본(110)의 양 끝단 2점 간의 전위차를 측정한다.
표면 열 유속 측정부(500)는 센서 표면 온도 및 금속 블록의 벽면 온도가 일치하는 경우(Ts=Tw)에 있어서, 센서 표면의 면적과 공급되는 전력으로부터 표면 열 유속을 측정한다.
전술한 바에 따른 본 발명의 실시예들에 따른 열유속 측정 장치(100) 및 이를 포함하는 열유속 측정 시스템(10)은 열전달이 일어나는 표면의 열유속을 측정하기 위해 먼저 충돌제트를 분사시켜 충돌면에 유동을 발생시킨 후 충돌면의 온도가 원하는 온도가 될때까지 금속 블록(130)에 설치된 히터(131)를 가열 정도 조절한다. 여기서, 충돌제트가 분사되는 방향은 도 1에 있어서 화살표 방향으로 금속 블록(130)의 표면에 수직한 방향이다.
이 때, 높은 열전도성을 가진 두꺼운 금속 블록(131)과 PID 제어시스템으로 히터(131)를 조절함으로써 금속 리본(110)을 중심으로 금속 블록(130)의 표면(충돌면) 온도는 소정의 오차 범위 내에서 균일하게 유지된다.
그 후 열적 정상상태에 도달하게 되면 차온 열전대(140)로부터 출력되는 전압이 거의 0㎶가 될 때까지 금속 리본(110)을 천천히 가열한다. 차온 열전대(140)의 출력전압이 0㎶가 되었을 때, 금속 리본에 공급되는 전위차와 전류값을 측정 및 기록하여 국소 열유속을 결정할 수 있게된다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 열 유속 측정 시스템
100: 열 유속 측정 장치
110: 금속 리본
120: 단열부
130: 금속 블록, 131: 히터, 133: 온도 센서
140: 차온 열전대
200: 등온 제어부
300: 전력 공급부
400: 전위차 측정부
500: 표면 열 유속 측정부

Claims (6)

  1. 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 외부로부터 전력을 공급받아 상기 표면을 가열하는 금속 리본;
    상기 금속 리본이 단열되도록 상기 금속 리본의 하부를 고정하되 상기 금속 리본의 길이 방향을 따라 형성되는 단열부;
    상기 단열부를 사이에 두고 상기 금속 리본의 길이방향을 따라 상기 금속 리본과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체로 이루어지는 금속 블록; 및
    상기 금속 리본과 상기 금속 블록의 온도 차에 따른 열기전력을 측정하는 차온 열전대;
    를 포함하는 것을 특징으로하는 열 유속 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 리본 및 상기 금속 블록의 온도가 일치하도록 하는 상기 전력과 상기 차온 열전대의 표면 면적에 기초하여 상기 금속 블록 표면에서의 표면 열 유속이 측정되는 것
    을 특징으로하는 열 유속 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 리본은,
    상기 차온 열전대에서 측정되는 상기 열기전력이 기설정된 임계값 이하가 되도록 상기 표면을 가열하여 상기 표면의 온도를 유지하는 것
    을 특징으로하는 열 유속 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 리본은,
    Ni과 Cr의 합금으로 이루어진 것
    을 특징으로하는 열 유속 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 금속 블록은,
    열을 발생하는 히터를 포함하여 상기 히터가 가열됨에 따라 상기 금속 블록의 표면을 등온으로 유지하도록 하는 것
    을 특징으로하는 열 유속 측정 장치.
  6. 소정의 길이를 가지며 표면이 외부로 노출되되 전력을 공급받아 상기 표면을 가열하는 금속 리본와, 상기 금속 리본이 단열되도록 상기 금속 리본의 하부를 고정하되 상기 금속 리본의 길이 방향을 따라 형성되는 단열부와, 상기 단열부를 사이에 두고 상기 금속 리본의 길이방향을 따라 상기 금속 리본과 평행하게 형성되되 도전성의 금속체로 이루어지며 열을 발생하는 히터를 포함하는 금속 블록와, 상기 금속 리본과 상기 금속 블록의 온도 차에 따른 열기전력을 측정하는 차온 열전대를 포함하는 열 유속 측정 장치;
    상기 히터와 전기적으로 연결되어 상기 히터의 가열 정도를 조절하여 상기 금속 블록의 표면을 등온으로 유지하도록 하는 등온 제어부;
    상기 금속 리본에 상기 전력을 공급하여 상기 금속 리본의 표면을 가열하도록 하는 전력 공급부; 및
    상기 금속 리본 및 상기 금속 블록의 온도가 일치하도록 하는 상기 전력과 상기 차온 열전대의 표면 면적에 기초하여 상기 금속 블록 표면에서의 표면 열 유속을 측정하는 표면 열 유속 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로하는 열 유속 측정 시스템.
KR1020110130565A 2011-12-07 2011-12-07 열 유속 측정 장치 및 이를 포함하는 열 유속 측정 시스템 KR101261627B1 (ko)

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