KR101278903B1 - 귀체온계용 소형흑체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흑체를 제공한다. 이 흑체는 절두 원뿔 형상의 관통홀을 포함하는 반사체, 일면에 절두 원뿔 형상의 함몰부를 가지는 복사체, 및 반사체의 상기 관통홀의 직경이 큰 일면의 외곽과 복사체의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링를 포함한다. 반사체의 일면과 복사체의 일면은 서로 마주보도록 배치되어 케비티를 형성한다.

Description

귀체온계용 소형흑체{SMALL BLACKBODY FOR EAR THERMOMETERS}

본 발명은 흑체에 관한 것으로, 더 구체적으로 귀(또는 고막) 체온계 교정용 흑체에 관한 것이다.

귀 체온계는 귀속 내벽을 온도가 체온으로 일정하게 유지되는 공동으로 가정하여 체온을 측정하는 복사온도계의 일종이다. 귀 체온계는 전통적으로 사용되는 접촉식온도계(예를 들면, 수은체온계 또는 디지털 체온계 등)에 비하여 응답속도가 빠르기 때문에 체온을 수 초 이내에 빠르게 측정할 수 있는 장점이 있다. 그러나 적외선에 응답하기 때문에 검출기 표면이 광학적으로 오염된 경우 (예를 들면, 귀지 등), 귀 체온계는 정확도를 보장하기 어렵다. 귀 체온계는 기존의 접촉식 온도센서에 비하여 장시간 안정도를 기대하기 어렵다. 따라서, 귀 체온계는 교정을 위한 흑체가 요구된다.

종래의 귀 체온계를 교정하기 위한 흑체는 열전도율이 높은 금속 재료를 사용하여 공동을 가공한다. 이어서, 상기 흑체는 공동 내벽을 산화시키거나 복사율이 높은 페인트로 도포하여 제작한다. 상기 공동을 액체 항온조에 담가 내벽의 온도를 일정하게 유지시킨다. 이어서, 액체 항온조의 온도를 접촉식 온도계로 측정하여 공동의 온도를 측정하는 방식이 사용되었다.

그러나 이러한 방법으로 구현된 흑체는 부피가 크고 무거울 뿐만 아니라 액체를 포함하고 있기 때문에 운반이 불편한 문제가 있다. 또한 공동의 유효 복사율은 항상 1보다 낮다. 따라서, 접촉식 온도계로 측정한 온도보다 흑체의 휘도 온도가 항상 낮게 측정되어 계통 오차가 발생하는 문제점이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 소형이고 시약각 특성 및 공간 균일도가 양호한 흑체를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑체는 절두 원뿔 형상의 관통홀을 포함하는 반사체, 일면에 절두 원뿔 형상의 함몰부를 가지는 복사체, 및 상기 반사체의 상기 관통홀의 직경이 큰 일면의 외곽과 상기 복사체의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링를 포함한다. 상기 반사체의 일면과 상기 복사체의 일면은 서로 마주보도록 배치되어 케비티를 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체에 결합하여 상기 복사체를 소정의 온도로 가열하는 발열 소자를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사체 및 상기 복사체를 감싸는 단열체를 포함하고, 상기 단열체는 상기 반사체의 상기 관통홀에 연결되는 개구부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체의 내부에 삽입되는 온도 센서, 및 상기 온도 센서의 출력 신호를 제공받아 상기 발열소자의 온도를 조절하는 온도 조절부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체의 함몰부는 중심축에 수직한 바닥면, 상기 바닥면에 연속적으로 배치되는 제1 경사면, 상기 제1 경사면에 연속적으로 배치되는 제2 경사면, 및 상기 제2 경사면에 연속적으로 배치되는 제3 경사면을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 경사면의 각도는 14 내지 16도이고, 상기 제2 경사면의 각도는 20 내지 23도이고, 상기 제3 경사면의 각도는 34도 내지 36일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사체의 상기 관통홀의 내부 표면은 금속 박막으로 코팅되고, 상기 금속 박막은 금, 은, 크롬, 알루미늄 중에서 하나일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 함몰부의 내부 표면은 흑색 물질로 코팅될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체는 무산소 동으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사체는 도전체로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체는 내부에 형성된 보조 케비티를 더 포함하고, 상기 보조 케비티는 열전달 효율이 좋은 유체로 채워질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 복사체의 관통홀의 경사면의 각도는 상기 중심축에 대하여 51 도 내지 53 도 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑체는 일면에 형성된 함몰부를 포함하고, 타면에서 열을 제공받아, 상기 함몰부를 통하여 복사하는 복사체, 상기 함몰부와 마주보는 경사진 관통홀을 가지고 상기 복사체와 열적으로 단열되어 결합하는 반사체,및 상기 복사체의 타면을 가열하는 발열 소자를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반사체의 상기 관통홀의 직경이 큰 일면의 외곽과 상기 복사체의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링, 상기 반사체의 상기 관통홀에 연결되는 개구부를 포함하고, 상기 반사체 및 상기 복사체를 감싸는 단열체, 상기 복사체의 내부에 삽입되는 온도 센서, 및 상기 온도 센서의 출력 신호를 제공받아 상기 발열소자의 온도를 조절하는 온도 조절부를 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑체는 소형이고, 복사율 및 시야각에서 우수한 특성을 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑체를 설명하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑체를 설명하는 단면도이다.
도 3은 도 1에서 설명한 흑체의 시야각에 따른 복사율을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에서 설명한 흑체의 온도에 따른 온도의 편차를 나타내는 도면이다.

흑체는 복사 온도계, 열상 카메라, 귀 체온계, 화이버 온도계 등의 교정용으로 사용되고 있다. 일반적으로 흑체는 콘과 실린더를 조합한 형태거나 구의 형태를 가지고 있다. 흑체의 형태에 따라 유효 복사율과 공간 균일도가 결정된다. 따라서, 목적에 따라 흑체의 형태가 선택될 수 있다. 한편 비슷한 값의 유효 복사율과 공간 균일도를 가진 여러 형태의 흑체가 있을 수 있다.

귀 체온계 교정용 흑체는 유효 복사율이 높을수록 좋다. 귀 체온계는 일반 복사 온도계보다 시야각이 크다. 따라서, 귀 체온계 교정용 흑체는 시야각에 따라 유효 복사율 값에 차이가 크지 않아야 한다. 즉, 귀 체온계 교정용 흑체는 공간 균일도가 높아야 한다. 귀 체온계 교정용 흑체로 추천되고 있는 ASTM, EN, JIS 타입의 흑체들은 높은 유효 복사율을 가진다. 상기 추천되는 흑체들은 서로 다른 형태이지만 유사한 각도별 유효 복사율 특성을 가진다. 한편, ASTM, EN, JIS 타입(type) 흑체들은 등온(isothermal) 상태를 만들기 위해 흑체를 수조(water-bath)에 담구는 구조를 가진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑체는 수조(water-bath)를 사용하지 않고 흑체의 한쪽 면에만 온도를 조정한다. 따라서, 상기 흑체는 소형으로 제작할 수 있다. 또한, 상기 흑체는 수 분내로 온도 안정화 시간이 짧다. 상기 흑체의 유효 복사율은 프로그램 STEEP 3를 사용하여 등온(isothermal) 조건에서 계산하였다. 그 결과, 본 발명의 일 실시예에 따른 흑체의 각도별 유효 복사율 특성은 ASTM 타입과 유사하였다. 또한, 유효 복사율은 ASTM 타입 보다 0.004 작았다. 이는 섭씨 36도의 등온(isothermal) 조건에서 섭씨 0.2도의 차이를 주는데 옵셋 값(offset value)을 사용하여 용이하게 보상할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 흑체는 원통 대칭성(cylinderical symmerty)를 가지며 반사체와 복사체가 결합하여 케비티를 형성한다. 상기 흑체의 한쪽 면의 온도를 조정하기 위하여 열전 냉각기(Thermoelectric cooler;TEC)가 사용된다. 상기 흑체는 귀 체온계, 좁은 시야각을 가진 저온 복사온도계 등의 교정에 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 흑체를 설명하는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 흑체(100)는 절두 원뿔 형상의 관통홀(112)을 포함하는 반사체(110), 일면에 절두 원뿔 형상의 함몰부(122)를 가지는 복사체(120), 및 상기 반사체(110)의 상기 관통홀(112)의 직경이 큰 일면의 외곽과 상기 복사체(110)의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링(170)를 포함한다. 상기 반사체(110)의 일면과 상기 복사체(120)의 일면은 서로 마주보도록 배치되어 케비티를 형성한다.

상기 반사체(110)는 도전체를 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 반사체(110)는 스테인레스 강철, 구리, 알루미늄 등으로 형성될 수 있다. 상기 반사체(110)는 경사진 관통홀(112)을 포함할 수 있다. 상기 관통홀은 절두 원뿔형상일 수 있다. 이에 따라, 상기 관통홀(112)은 직경이 큰 제1 개구부(115)와 직경이 작은 제2 개구부(113)를 포함한다. 상기 반사체(110)는 원기둥 형상일 수 있다. 상기 반사체(110)의 일면에는 제1 개구부가 형성되고, 상기 반사체의 타면에서는 제2 개구부가 형성될 수 있다.

상기 관통홀(112)의 내부 표면은 금속 박막으로 코팅될 수 있다. 상기 금속 박막은 금, 은, 크롬, 또는 타이타늄 중에서 하나일 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 박막은 상기 복사체가 방출하는 흑체 복사선을 반사한다. 상기 반사된 흑체 복사선은 상기 함몰부에 의하여 흡수될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 개구부는 균일한 복사강도를 제공할 수 있다. 상기 관통홀(112)의 경사면의 각도(θ4)는 상기 중심축에 대하여 51 도 내지 53도일 수 있다.

상기 복사체(120)는 열전도율이 높은 무산소 동으로 형성될 수 있다. 상기 복사체(120)는 원기둥 형상일 수 있다. 상기 복사체(120)의 일면에 함몰부(122)가 형성된다. 상기 함몰부(122)는 절두 원뿔 형상일 수 있다. 상기 함몰부(122)는 중심축에 수직한 바닥면(124a), 상기 바닥면(124a)에 연속적으로 배치되는 제1 경사면(124b), 상기 제1 경사면(124b)에 연속적으로 배치되는 제2 경사면(124c), 및 상기 제2 경사면(124c)에 연속적으로 배치되는 제3 경사면(124d)을 가질 수 있다. 상기 제1 경사면(124b)의 각도(θ1)는 14 내지 16도이고, 상기 제2 경사면(124c)의 각도(θ2)는 20 내지 23도이고, 상기 제3 경사면(124d)의 각도(θ3)는 34도 내지 36도 일 수 있다. 상기 함몰부(122)의 표면은 흑색 물질로 코팅될 수 있다. 흑색 물질은 고복사율 페인트(예를 들며, Pyromark)로 도포될 수 있다.

단열링(thermal insulation ring,170)은 상기 반사체(110)와 상기 복사체(120)가 직접 접촉하지 않도록 상기 반사체(110)의 일면와 상기 복사체(120)의 일면 사이에 배치된다. 상기 단열링(170)은 고무, 테프론, 플라스틱 재질일 수 있다. 상기 반사체(110)의 관통홀(112)과 상기 복사체(120)의 함몰부는 서로 결합하여 케비티를 형성한다. 상기 단열링(170)의 외경은 상기 복사체(120)의 외경과 실질적으로 동일할 수 있다.

발열 소자(140)는 판형의 TEC일 수 있다. 상기 발열 소자(140)는 인간의 체온 또는 소정의 온도로 가열될 수 있다. 상기 발열 소자(140)는 상기 복사체(120)의 타면과 접촉할 수 있다. 열전도율이 양호한 페이스트가 상기 발열소자(140)와 상기 복사체(120)의 타면 사이에 개재될 수 있다.

단열체(130)는 상기 복사체(120)의 외주면 및 상기 반사체(110)의 외주면을 감싼다. 또한, 상기 단열체(130)는 상기 반사체(110)의 제2 개구부(113)를 제외한 상기 반사체(110)의 타면을 감싼다. 상기 단열체(130)는 상기 개구부(132)를 가지는 원판에 결합한 원통 형상일 수 있다. 상기 단열체(130)의 재질은 플라스틱, 테프론 등일 수 있다. 상기 단열체(130)의 내경은 상기 반사체(110)의 외경과 실질적으로 동일할 수 있다.

상기 반사체(110), 단열링(170), 및 상기 복사체(120)는 상기 단열체(130) 내부에 삽입된다. 상기 발열소자(140)는 상기 단열체(130)의 입구를 막는다. 이에 따라, 상기 반사체(110), 단열링(170), 및 상기 복사체(120)는 고정될 수 있다.

상기 단열체(130)의 개구부(132)의 직경은 상기 반사체(110)의 제2 개구부(113)의 직경과 일치할 수 있다. 상기 단열체(130)의 개구부(132)는 복수의 경사를 가지고 테이퍼질 수 있다. 상기 개구부(132)에 피교정용 온도계가 삽입될 수 있다.

온도 센서(160)는 상기 복사체(120)의 내부에 삽입될 수 있다. 상기 온도 센서(160)는 상기 복사체(120)의 온도를 측정할 수 있다. 상기 온도 센서(160)는 써미스터(Thermister) 또는 백금 저항일 수 있다.

온도 조절부(150)는 상기 온도 센서(160)의 출력 신호를 제공받아 상기 발열 소자(140)의 온도를 조절할 수 있다.

상기 반사체(110) 및 상기 복사체(120)의 외경(D2)은 34 밀리미터(mm)일 수 있고, 상기 반사체(110)의 길이(L1)는 7.8 mm 일 수 있고, 상기 복사체(120)의 길이(L2)는 12 mm일 수 있다. 상기 제2 개구부(113)의 직경(D1)은 10 mm 일 수 있다.

상기 복사체(120)가 일정한 온도로 가열되면, 상기 복사체(120)가 복사한 복사선은 상기 반사체(110)에 의하여 일부 흡수되고 나머지는 반사된다. 상기 반사된 복사선은 상기 복사체(120)에 의하여 일부 반사되고 나머지는 흡수된다. 이와 같이 상기 복사체(120)의 복사선은 상기 복사체(120)와 상기 반사체(110)로 형성된 공동내에서 흡수와 반사를 반복하다가 제2 개구부(113)를 통해 빠져나오게 된다. 복사선이 제2 개구부(113)를 통해 빠져나오기 전에 흡수와 반사를 반복한 횟수가 높을수록 흑체의 유효 복사율은 높아지며, 그 횟수가 공간적으로 유사할 때 균일도는 높아진다. 이에 따라, 상기 제2 개구부(113)에서 측정한 흑체의 유효 복사율은 복사체의 유효 복사율보다 높은 유효 복사율을 가지게 된다. 상기 반사체(110)는 가열될 필요가 없다. 따라서, 상기 흑체가 안정화되는 시간을 현저히 줄일 수 있다. 또한, 상기 흑체가 수조에 잠기지 않아 부피를 줄일 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흑체를 설명하는 단면도이다.

도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 복사체(120)는 내부에 형성된 보조 케비티(126)를 포함한다. 상기 보조 케비티(126)는 열전달 효율이 좋은 유체로 채워진다. 상기 유체는 물 또는 기름일 수 있다.

도 3은 도 1에서 설명한 흑체의 시야각에 따른 유효 복사율을 나타내는 컴퓨터 시뮬레이션 결과이다.

도 3을 참조하면, 사각형은 ASTM 타입 흑체에 의한 유효 복사율이고, 원형은 본 발명에 의한 흑체에 의한 유효 복사율이다. 본 발명에 의한 흑체의 유효 복사율은 시야각 60 도에서 0.996 이었다. 결국, 수조에 잠기는 ASTM 타입 흑체에 비교하여, 시야각 측면에서 동 수준이었다. 유효 복사율은 ASTM 타입 흑체에 비하여 0.004 작았다. 하지만, 본 발명에 의한 흑체는 수조를 사용하지 않고 소형으로 제작될 수 있어 안정화 시간을 줄일 수 있다.

도 4는 도 1에서 설명한 흑체(KRISS)와 ASTM 흑체를 동일한 항온조에 담근 후 귀체온계 Genius(Tyco)를 사용하여 측정한 복사온도값의 편차를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 섭씨 33 도에서 -0.115 작고, 섭씨 36도에서 -0.145 작고, 섭씨 37도에서 -0.032 작고, 섭씨 40도에서 -0.08 작다. 복사온도값의 편차는 도 3에서 설명한 바와 같이 ASTM 보다 본 발명의 흑체(KRISS)의 유효 복사율이 낮아 동일한 항온조의 온도에서 복사온도가 낮게 측정되기 때문이다. 그러나 실제조건에서 측정한 복사온도 값의 차만큼을 옵셋 값(offset value)으로 주어 용이하게 보상할 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

100: 흑체, 110: 반사체, 120: 복사체
170: 단열링, 130: 단열체, 140: 발열 소자
160: 온도 센서, 150: 온도 조절부

Claims (13)

1. 절두 원뿔 형상의 관통홀을 포함하는 반사체;
   일면에 절두 원뿔 형상의 함몰부를 가지는 복사체; 및
   상기 반사체의 상기 관통홀의 직경이 큰 일면의 외곽과 상기 복사체의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링를 포함하고,
   상기 반사체의 일면과 상기 복사체의 일면은 서로 마주보도록 배치되어 케비티를 형성하는 것을 특징으로 하는 흑체.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 복사체에 결합하여 상기 복사체를 소정의 온도로 가열하는 발열 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 반사체 및 상기 복사체를 감싸는 단열체를 포함하고,
   상기 단열체는 상기 반사체의 상기 관통홀에 연결되는 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 복사체의 내부에 삽입되는 온도 센서; 및
   상기 온도 센서의 출력 신호를 제공받아 상기 발열소자의 온도를 조절하는 온도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 복사체의 함몰부는:
   중심축에 수직한 바닥면;
   상기 바닥면에 연속적으로 배치되는 제1 경사면;
   상기 제1 경사면에 연속적으로 배치되는 제2 경사면; 및
   상기 제2 경사면에 연속적으로 배치되는 제3 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제1 경사면의 각도는 14 내지 16도이고,
   상기 제2 경사면의 각도는 20 내지 23도이고,
   상기 제3 경사면의 각도는 34도 내지 36인 것을 특징으로 하는 흑체.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 반사체의 상기 관통홀의 내부 표면은 금속 박막으로 코팅되고,
   상기 금속 박막은 금, 은, 크롬, 알루미늄 중에서 하나인 것을 특징으로 하는 흑체.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 함몰부의 내부 표면은 흑색 물질로 코팅되는 것을 특징으로 하는 흑체.
9. 제1 항에 있어서,
   상기 복사체는 무산소 동으로 형성되는 것을 특징으로 하는 흑체.
10. 제1 항에 있어서,
    상기 복사체는 내부에 형성된 보조 케비티를 더 포함하고,
    상기 보조 케비티는 유체로 채워지는 것을 특징으로 하는 흑체.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 복사체의 관통홀의 경사면의 각도는 중심축에 대하여 51 도 내지 53 도 인 것을 특징으로 하는 흑체.
12. 일면에 형성된 함몰부를 포함하고, 타면에서 열을 제공받아, 상기 함몰부를 통하여 복사하는 복사체;
    상기 함몰부와 마주보는 경사진 관통홀을 가지고 상기 복사체와 열적으로 단열되어 결합하는 반사체; 및
    상기 복사체의 타면을 가열하는 발열 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반사체의 상기 관통홀의 직경이 큰 일면의 외곽과 상기 복사체의 일면의 외곽 사이에 배치되는 단열링;
    상기 반사체의 상기 관통홀에 연결되는 개구부를 포함하고, 상기 반사체 및 상기 복사체를 감싸는 단열체;
    상기 복사체의 내부에 삽입되는 온도 센서; 및
    상기 온도 센서의 출력 신호를 제공받아 상기 발열소자의 온도를 조절하는 온도 조절부를 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흑체.

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