KR101885660B1 - 열전달률 측정 소자 - Google Patents

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KR101885660B1
KR101885660B1 KR1020170043221A KR20170043221A KR101885660B1 KR 101885660 B1 KR101885660 B1 KR 101885660B1 KR 1020170043221 A KR1020170043221 A KR 1020170043221A KR 20170043221 A KR20170043221 A KR 20170043221A KR 101885660 B1 KR101885660 B1 KR 101885660B1
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thermocouple
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이성재
박현식
류성욱
양진화
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명에 따른 열전달률 측정 소자는, 대상물의 표면 방향으로 나란하게 배치되는 제1재료부 및 제2재료부를 구비하는 제1레이어; 상기 제1재료부와 상기 제1레이어의 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제2재료부와 동일 열전도도를 갖는 제3재료부와, 상기 제2재료부와 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제1재료와 동일 열전도도를 갖는 제4재료부를 구비하는 제2레이어; 및 상기 제1레이어와 제2레이어 사이에서 상기 표면 방향으로의 온도차를 측정하도록 이루어지는 온도측정 레이어를 포함하며, 상기 온도측정 레이어는, 상기 제1재료부와 제3재료부 사이의 제1접점과, 상기 제2재료부와 제4재료부 사이의 제2접점을 구비하는 열전대부; 및 상기 열전대부와 대응되는 형상으로 이루어지는 전기 전도성 재질의 노이즈 감지부를 구비한다. 이에 의하면, 전기적 노이즈의 양이 감지되어 제거될 수 있어, 정확도가 향상될 수 있다.

Description

열전달률 측정 소자{DEVICE FOR MEASURING HEAT TRANSFER RATE}
본 발명은 대상물의 표면에 부착되어 대상물의 열전달률을 측정하도록 이루어지는 열전달률 측정 소자에 관한 것이다.
열전달(heat transfer) 현상은 전도, 대류 및 복사 중 적어도 하나의 형태로 일어나며, 단위 시간에 대한 열전달량인 열전달률(heat transfer rate)은 열전달과 관련된 연구 및 광범위한 산업 분야에서 연구 및 측정이 요구되는 물리량이다. 열전달률은, 일반적으로 단위 시간당 열량(예를 들면, [kJ/s = kW])의 차원을 가지며, 또는 단위 면적 및 시간당 열량을 의미하는 열유속(heat flux)으로도 표현된다(예를 들면, [kW/m2]).
열전달률 또는 열유속을 측정하기 위한 장치로서 열전달률 측정 센서 또는 열유속 센서는, 측정 정확도와 신뢰성을 향상시키기 위하여 지속적으로 개선이 이루어지고 있다. 특히, 최근에는 MEMS(microelectromechanical system) 기술을 이용한 소형화가 구현되고 있으며, 그에 따라 적용 분야도 널리 확대되고 있다.
일반적인 층상형(layered-type)의 열전달률 측정 센서는, 열전달에 의해 온도차가 형성되는 두 지점의 온도를 열전대(thermocouple) 또는 열전쌍(thermopile)을 이용하여 측정하여 열전달률을 산출하도록 구성된다. 이때, 종래의 센서들에서 온도차를 측정하는 두 지점은 대상물에 부착되는 일 면과 외기에 노출되는 타 면을 이루도록 구성되는 경우가 다수였다. 그리고 이러한 구성은 대상물과의 부착 또는 외부에의 노출 등 측정 환경에 따라 여러 가지 오차 요소를 갖는 실정이었다.
이에, 특허문헌 1과 같이, 센서의 내부에 표면 방향으로 두 접점이 형성되고, 표면 방향 온도차 이용하여 두께 방향의 열전달률을 산출할 수 있는 기술이 제시된 바 있다.
다만, 특허문헌 1과 같은 종래의 구성은, 접점의 노출로 야기될 수 있는 오차 발생 요인을 제거하였지만, 열전쌍에서 감지되는 전기 신호인 기전력에 잡음이 개입될 가능성이 여전히 존재한다. 아울러, 대상물이 위치되는 주위 환경의 공기 유동에 변화가 있는 경우, 측정 결과에 오차가 발생될 가능성도 존재한다.
또한, 특허문헌 1과 같은 원리가 구현되는 열전달률 측정 소자를 설계함에 있어, 제작 편의성의 제고할 수 있도록 적층 구조를 다양하게 변형시키고, 그러한 형상을 반영하여 열전달률을 정확하게 산출하도록 개선시킬 여지가 존재한다.
등록특허공보 KR10-0912669 B1 (2009.08.11.)
본 발명의 첫 번째 목적은, 대상물의 표면의 열전달률을 산출하기 위하여 대상물의 표면 방향으로의 온도차를 측정함에 있어서, 전기적 노이즈의 개입으로 인한 오차를 제거할 수 있는 열전달률 측정 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 두 번째 목적은, 대상물의 표면의 열전달률을 산출함에 있어서, 대상물이 존재하는 주위의 공기 유동으로 인한 대류의 영향을 감지할 수 있는 열전달률 측정 소자를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 세 번째 목적은, 대상물의 표면 방향으로의 온도차를 감지하여 대상물의 열전달률을 산출하도록 기능하며, 다양한 단면 구조로 이루어질 수 있는 열전달률 측정 소자를 제공하기 위한 것이다.
이와 같은 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자는, 서로 다른 열전도도의 제1재료부 및 제2재료부를 구비하는 제1레이어; 상기 제1재료부와 상기 제1레이어의 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제2재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제3재료부와, 상기 제2재료부와 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제1재료와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제4재료부를 구비하는 제2레이어; 및 상기 제1레이어와 제2레이어 사이에서 상기 표면 방향으로의 온도차를 측정하는 온도측정 레이어를 포함하며, 상기 온도측정 레이어는, 상기 제1재료부와 제3재료부 사이에 형성되는 제1접점과, 상기 제2재료부와 제4재료부 사이에 형성되는 제2접점을 구비하는 열전대부; 및 상기 열전대부와 대응되는 형상으로 이루어져, 상기 열전대부와 나란하게 배치되는 노이즈 감지부를 구비한다.
본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자는, 서로 다른 열전도도의 제1재료부 및 제2재료부를 구비하는 제1레이어; 상기 제1재료부와 상기 제1레이어의 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제2재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제3재료부와, 상기 제2재료부와 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제1재료와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제4재료부와, 상기 제1 및 제2재료부를 상기 두께 방향으로 오버랩하는 제5재료부를 구비하는 제2레이어; 및 상기 제1레이어와 제2레이어 사이에서 상기 표면 방향으로의 온도차를 측정하는 온도측정 레이어를 포함하며, 상기 온도측정 레이어는, 상기 제1재료부와 제3재료부 사이에 형성되는 제1접점과, 상기 제2재료부와 제4재료부 사이에 형성되는 제2접점을 구비하는 열전대부; 및 상기 제1재료부와 제5재료부 사이에 형성되는 제3접점과, 상기 제2재료부와 제5재료부 사이에 형성되는 제4접점을 구비하는 대류 감지 열전대부를 구비한다.
본 발명의 세 번째 과제를 달성하기 위하여 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자는, 일 면이 대상물의 표면을 향하는 제1재료부; 일 면이 대상물의 표면을 향하도록 상기 제1재료부와 인접하고, 상기 제1재료부와 서로 다른 열전도도를 갖는 재질의 제2재료부; 상기 제1재료부의 타 면에 결합되고, 상기 제2재료부와 서로 동일한 열전도도 및 두께를 갖는 제3재료부; 상기 제3재료부와 인접하도록 상기 제2재료부의 타 면에 결합되고, 상기 제1재료부와 동일한 열전도도 및 두께를 갖도록 이루어지는 제4재료부; 및 상기 제1 또는 제3재료부의 내부에 위치되는 제1접점과, 상기 제1접점과 상기 대상물의 표면 방향으로 서로 이격 배치되도록 상기 제4 또는 제2재료부의 내부에 위치되는 제2접점을 형성하는 열전대부를 포함한다.
이상에서 설명한 해결 수단에 의해 구성되는 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
첫 번째, 본 발명의 열전달률 측정 소자는, 표면 방향으로 온도차를 측정하는 열전대부와 동일한 형상의 노이즈 감지부가 형성됨으로써, 열전대부의 신호에서 전기적 노이즈가 제거될 수 있다. 이에 따라, 온도차 측정의 정확도가 개선됨으로써, 산출되는 열전달률의 정확도가 향상될 수 있다.
두 번째, 본 발명의 열전달률 측정 소자는, 외기 대류 유동의 변화에 민감하게 반응하여 그 영향을 감지할 수 있는 대류 감지 열전대부가 구비될 수 있다. 이로써, 외기의 영향이 지속적으로 모니터링될 수 있으며, 체감 온도 수준을 산출하는 것이 가능하다. 따라서, 외기 환경에 관한 통합적인 정보 획득이 가능하고, 열전달률 산출의 정확도가 향상될 수 있다.
세 번째, 본 발명의 열전달률 측정 소자는, 서로 반대 방향으로 짝을 이루는 재료부들의 두께가 보다 자유롭게 설계되고, 그러한 두께가 열전달률 산출에 반영됨으로써, 형상이나 재질 면에서의 제약 조건이 완화될 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자가 다양한 형상으로 손쉽게 제작될 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자에 의하여 대상물의 열전달률이 산출되는 개념을 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달률 측정 소자를 보인 분해 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 열전달률 측정 소자의 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 노이즈 감지부에서 감지되는 기전력을 이용하여 신호 잡음을 제거하는 방식을 보인 개념도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달률 측정 소자를 보인 단면도.
도 6은 도 5의 실시예에 도시된 제5재료부의 다른 예를 보인 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전달률 측정 소자를 보인 단면도.
이하, 본 발명에 관련된 열전달률 측정 소자에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
서로 다른 실시예라고 하더라도, 앞선 실시예와 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일·유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 명세서에 개시된 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예들을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)에 의하여 대상물(10)의 열전달률이 산출되는 개념을 보인 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)는 제1 및 제2레이어(110, 120)와 온도측정 레이어(130)를 포함한다. 도시된 것과 같이, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)는 대상물(10)의 표면에 부착되어, 대상물(10)의 표면에 형성되는 열전달률(또는 열유속)을 측정하도록 이루어진다.
제1 및 제2레이어(110, 120)는 전도 열전달에 의하여 온도 구배(temperature gradient)를 형성하는 구조물로써 기능한다. 그리고, 제1 및 제2레이어(110, 120)에 의해, 온도측정 레이어(130)가 지지 및 보호될 수 있다. 전체적으로, 제1레이어(110)는 대상물(10)의 표면 상에 위치되고 제2레이어(120)는 제1레이어(110)의 표면 상에 위치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2레이어(110, 120)는, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)의 두께 방향(도 1에 도시된 상하방향)으로 나란하게 적층되는 층상의 구조를 형성할 수 있다.
다만, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)에서는, 제1레이어(110)가 제1 및 제2재료부(111, 112)를 구비하고, 제2레이어(120)는 제3 및 제4재료부(123, 124)를 구비한다. 이때, 제1 및 제2재료부(111, 112)는 서로 다른 열전도도를 갖는 재질로 이루어지며, 대상물(10)의 표면 방향(도 1에 도시된 좌우방향)으로 나란하게 배치될 수 있다.
제1레이어(110)의 상 측에 배치되는 제2레이어(120)는, 제1재료부(111)와 동일한 열전도도를 갖는 제4재료부(124)와, 제2재료부(112)와 동일한 열전도도를 갖는 제3재료부(123)를 구비한다. 그리고, 제3재료부(123)는 제1재료부(111)와 두께 방향으로 나란하게 배치되며, 제4재료부(124)는 제2재료부(112)와 두께 방향으로 나란하게 배치된다.
결과적으로 도 1에 보인 것과 같이, 제1 및 제2레이어(110, 120)는 서로 동일한 열전도도를 갖는 재료부들이 서로 엇갈리도록 형성될 수 있다. 또한 도시된 것과 같이, 제1 내지 제4재료부(111, 112, 123, 124)는 두께 방향 및 표면 방향으로 동일한 크기로 이루어질 수 있다.
한편, 온도측정 레이어(130)는 본 발명에서 대상물(10)의 열전달률 측정을 위한 온도차를 감지하는 역할을 수행한다. 특히, 본 발명의 온도측정 레이어(130)는 표면 방향으로의 온도차를 측정하도록 구성된다.
온도측정 레이어(130)는, 제1 및 제2접점(131a, 131b)으로 이루어지는 열전대부(131)를 구비한다. 제1접점(131a)은 제1재료부(111)와 제3재료부(123) 사이에 형성되고, 제2접점(131b)은 제2재료부(112)와 제4재료부(124) 사이에 형성된다. 그리고, 열전대부(131)는 제1레이어(110)와 제2레이어(120) 사이에 개재되므로, 표면 방향으로 나란하게 위치될 수 있다.
도 1을 참조하여 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)에서 열전달률이 산출되는 과정을 설명하면 이하와 같다.
본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)가 부착된 대상물(10)의 표면 온도는 Tb로 나타낼 수 있다. 그리고, 본 발명의 제2레이어(120) 표면 상의 온도는 Ts로 나타낼 수 있고, 표면 방향을 따라 Tb와 Ts는 표면 방향으로의 원활한 열교환에 의하여 각각 일정한 값을 가질 수 있다.
제1 및 제2레이어(110, 120)의 두께는 도시된 것처럼 각각 Δx로 일정한 값을 가질 수 있고, 열전달이 일어나는 단면적을 A라고 할 수 있다. 표면 방향으로의 재료부들의 길이의 비는 1-a와 a로 나타낼 수 있으나, 앞서 설명한 대로 각 재료부의 길이는 모두 동일하다고 가정한다(a=0.5). 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 및 제4재료부(111, 124)의 열전도도는 k1, 제2 및 제3재료부(112, 123)의 열전도도는 k2로 나타내며, k1>k2인 관계가 성립하는 것으로 가정한다.
도 1에 보인 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)의 상하 방향(두께 방향)으로의 전도 열전달 방정식은 이하와 같다.
Figure 112017032656712-pat00001
이때, 전체 열 저항(thermal resistance)인 Rt는 다음과 같이 정의된다.
Figure 112017032656712-pat00002
전체 열 저항 Rt는 단위 열 저항을 두께 방향으로 직렬 및 병렬로 연결한 경우로써, 이하와 같이 계산될 수 있다(R1 및 R2는 각각 제1 및 제2재료부(111, 112)의 열 저항이고, Ra 및 Rb는 각각 후술하는 Qa와 Qb의 열 저항).
Figure 112017032656712-pat00003
Figure 112017032656712-pat00004
Figure 112017032656712-pat00005
아울러, 전체 열전달률 Qt는 제1 및 제3재료부(111, 123) 측을 흐르는 열전달률 Qa와, 제2 및 제4재료부(112, 124) 측을 흐르는 열량 Qb의 합으로 나타난다.
Figure 112017032656712-pat00006
위 식을 앞서 구한 열 저항의 항을 포함하는 전도 열전달 방정식으로 나타내고 정리하면 다음과 같은 식을 얻을 수 있다.
Figure 112017032656712-pat00007
즉, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)의 표면 방향으로 제1 및 제2접점(131a, 131b)에서 측정되는 온도차(T1-T2)는, 두께 방향으로의 온도차(Tb-Ts)와 정비례하는 관계를 갖는다.
나아가, 위 식을 전체 전도 열전달 방정식에 대입하여 정리하면 아래의 식이 도출될 수 있다.
Figure 112017032656712-pat00008
위 식에 의하여, 온도측정 레이어(130)의 열전대부(131)로부터 감지되는 온도차가 반영되어 대상물(10)의 두께 방향으로의 열전달률(Qt)이 산출될 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같은 관계식에 따라 표면 방향으로의 온도차에 의하여 대상물(10)의 열전달률이 산출됨으로써, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)는 두께 방향으로 이격되도록 열전대의 접점을 배치하지 않아도 된다. 따라서, 박막 형태의 소자 두께가 최소화될 수 있고, 소형화가 효과적으로 구현될 수 있다.
아울러, 제1레이어(110)와 제2레이어(120) 사이에 온도측정 레이어(130)가 삽입되는 형태로 이루어짐으로써, 열전대부(131)의 열적 접촉 상태나 절연 상태가 쉽게 보장될 수 있어, 측정 결과의 정확도가 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달률 측정 소자(100)를 보인 분해 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 열전달률 측정 소자(100)의 단면도이다. 이하에서는 도 2 및 3을 참조하여 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)에서 발생되는 전기 신호의 노이즈(noise)를 제거하여 결과를 산출할 수 있는 구성에 대하여 설명한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 온도측정 레이어(130)에는 노이즈 감지부(132)가 더 구비될 수 있다. 노이즈 감지부(132)는 전기적인 잡음(노이즈)을 감지하도록 기능한다.
구체적으로, 노이즈 감지부(132)는 열전대부(131)와 대응되는 형상으로 이루어지고, 열전대부(131)와 두께 방향으로 서로 이격되도록 나란하게 배치될 수 있다. 도 2 및 3에 보인 것과 같이, 열전대부(131)가 다수의 열전대가 중복되어 형성되는 열전대열(thermopile)으로 이루어지는 경우, 노이즈 감지부(132)는 그 형상과 동일하게 지그재그로 연장 형성될 수 있다. 즉, 노이즈 감지부(132)는 두께 방향으로 정확하게 열전대부(131)를 오버랩하도록 형성될 수 있다. 또한, 노이즈 감지부(132)는 전기 전도성의 재질로 이루어져 양 단부가 기전력을 측정할 수 있는 제어부(미도시)에 전기 연결될 수 있다.
이때, 노이즈 감지부(132)는 열전대부(131)와는 서로 통전되지 않도록 서로 이격되게 배치될 수 있다. 예를 들면, 노이즈 감지부(132)와 열전대부(131) 사이에는 표면 방향으로 연장되는 절연부(133)가 층상으로 개재될 수 있다. 도 2 및 3에 도시된 것과 같이, 제1 내지 제4재료부(111, 112, 123, 124)의 재질을 고려하여 온도측정 레이어(130)의 상 측과 하 측에 각각 절연 유지를 위한 절연층(134)이 형성될 수 있다. 따라서, 노이즈 감지부(132)와 열전대부(131) 사이에 개재되는 절연부(133)도 절연층(134)과 동일한 형상 및 재질로 적층될 수 있다.
도 4는 도 2 및 3에 도시된 노이즈 감지부(132)에서 감지되는 기전력을 이용하여 신호 잡음을 제거하는 방식을 보인 개념도이다. 도 4의 (a)에 보인 것처럼, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)가 대상물(10)에 부착되었을 때, 열전대부(131)를 통하여 감지되는 기전력(Vt)은 전기적인 잡음을 포함하고 있을 수 있다. 즉, 열전대부(131)에서 측정되는 기전력(Vt)은 다수의 제1 및 제2접점(131a, 131b) 사이에서 온도차로 인해 형성되는 기전력에 전기적인 노이즈가 개입된 상태일 수 있다. 이 열전대부(131)의 기전력(Vt)을 그대로 온도차로 환산하면 부정확한 열전달률이 산출될 수 있다.
본 실시예에 따라 노이즈 감지부(132)가 더 구비되는 경우, 열전대부(131)에서 도 4의 (a)와 같은 기전력(Vt)이 측정되는 동안, 동시에 노이즈 감지부(132)에서는 도 4의 (b)와 같은 프로파일의 노이즈 기전력(Vn)이 감지될 수 있다. 노이즈 감지부(132)는 단일한 전기 전도성의 재질로 연장되므로, 노이즈 감지부(132)에는 제1 및 제2접점(131a, 131b)의 온도차와 관계 없는 순수한 전기적인 잡음 신호만이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)는, 노이즈 감지부(132)에서 얻어진 노이즈 기전력(Vn) 신호를 이용하여 열전대부(131)의 기전력(Vt) 신호를 가공하는 역할을 수행하는 제어부를 더 포함할 수 있다. 제어부에서는, 열전대부(131)에서 감지되는 기전력(Vt)에서 상기 노이즈 감지부(132)에서 감지되는 노이즈 기전력(Vn)을 뺀 도 4의 (c)와 같은 기전력 신호가 생성될 수 있다. 그리고 제어부는, 도 4의 (c)와 같은 신호 프로파일에 대응되는 제1접점(131a)과 제2접점(131b) 사이의 온도차(T1-T2)를 산출하도록 작동될 수 있고, 나아가, 표면 방향으로의 온도차((T1-T2)로부터 대상물(10)의 열전달률을 산출하도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(100)에 노이즈 감지부(132)가 추가로 형성됨으로써, 열전대부(131)의 기전력 신호에 개입되는 전기적 잡음이 감지되고 제거될 수 있다. 이로써, 표면 방향으로의 온도차 값에 대한 정확도가 향상될 수 있고, 결과적으로 열전달률의 정확도 및 신뢰도가 향상될 수 있다. 특히, 미세하게 형성될 수 있는 온도차에 의한 기전력을 정확하게 선별할 수 있으므로, 열전달률 측정 소자(100)가 MEMS 기술 등에 의하여 박막 형태로 제작되는 경우 측정의 정확도가 개선될 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달률 측정 소자(200)를 보인 단면도이다. 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따라 외부 유체(공기 등)에 의한 불균일한 대류의 영향이 감지될 수 있는 구성에 대하여 설명한다.
도 5에 도시된 것과 같이, 본 실시예의 열전달률 측정 소자(200)는 앞선 실시예와 마찬가지로, 제1 및 제2레이어(110, 120)와 온도측정 레이어(130)를 포함한다. 제1레이어(110)는 제1 및 제2재료부(111, 112)를 포함하도록 이루어지고, 온도측정 레이어(130)는 제1 및 제2접점(131a, 131b)을 형성하는 열전대부(131)를 구비하여 표면 방향으로의 온도차를 측정하도록 이루어진다.
다만, 본 실시예의 제2레이어(120)는 제5재료부(225)를 더 포함한다. 제5재료부(225)는 제1재료부(111)와 제2재료부(112)를 통과하는 열전달량(Qc, Qd)을 서로 다르게 형성하도록 기능한다. 구체적으로 제5재료부(225)는, 제1 및 제2재료부(111, 112)의 적어도 일부를 두께 방향으로 오버랩하도록 형성될 수 있다. 이때, 제5재료부(225)는 단일한 재질로 이루어져, 제1 및 제2재료부(111, 112) 일부의 상 측에는 동일 재질의 제5재료부(225)가 위치될 수 있다.
이때, 온도측정 레이어(130)에는, 제1재료부(111)와 제5재료부(225) 사이에 형성되는 제3접점(235c)과, 제2재료부(112)와 제5재료부(225) 사이에 형성되는 제4접점(235d)을 구비하는 대류 감지 열전대부(235)가 형성될 수 있다. 대류 감지 열전대부(235)는 열전대부(131)와 동일한 형상으로 이루어질 수 있는데, 열전대부(131)와는 별도로 양 단부가 제어부와 연결되도록 구성되어 별도의 기전력 신호를 제어부에 전달할 수 있다.
도 5를 참조하면, 동일 재질의 제5재료부(225)가 제3 및 제4접점(235c, 235d)의 상 측에 형성됨으로써, 본 실시예의 대류 감지 열전대부(235)에서 감지되는 온도차(T3-T4)는 제5재료부(225)의 상면에서 형성되는 온도차(Ts3-Ts4)와 동일한 값이 될 수 있다.
대상물(10)의 열전달률로 인하여 위 각각의 온도차가 일정하게 형성된 상태에서 제5재료부(225) 상에 유체 유동(예를 들면 대류 열전달에 의한 공기 흐름)이 형성되면, 제5재료부(225)의 상면에서 형성되는 온도차(Ts3-Ts4)가 변화될 수 있다. 그리고, 이 온도차(Ts3-Ts4)는 제5재료부(225)의 두께 방향을 따라 형성되는 동일한 온도 구배에 의하여 각각 온도가 변화되어 대류 감지 열전대부(235)의 온도차(T3-T4)에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 대류 감지 열전대부(235)에서는 외기의 영향에 의한 공간적인 온도 분포 변화의 크기와 지속 시간이 감지될 수 있다.
본 실시예의 열전달률 측정 소자(200)는 대류 감지 열전대부(235)가 구비됨으로써, 외기 대류 유동의 변화에 민감하게 반응하여 그 영향이 감지될 수 있다. 이에 따라, 열전달률을 측정하는 동안 외기의 영향이 지속적으로 모니터링될 수 있다. 즉, 외기 환경에 대한 추가적인 정보 획득이 가능하며, 이러한 정보는 열전달률 산출 시 반영될 수 있다. 특히, 대상물(10)의 표면 상에서 외기 유동으로 인하여 형성되는 체감 온도가 산출될 수 있는 이점이 있다.
특히, 제5재료부(225) 상면의 온도 변화를 대류 감지 열전대부(235)에서 민감하게 반영하기 위하여, 제5재료부(225)는 열전도도가 상대적으로 높은 재질, 예를 들면 금속성의 재질로 이루어질 수 있다. 이때, 대류 감지 열전대부(235)와의 전기 절연을 위하여, 온도측정 레이어(130)에는 대류 감지 열전대부(235)와 제5재료부(225) 사이에 위치되는 절연층(134)이 형성될 수 있다.
나아가, 도 6은 도 5의 실시예에 도시된 제5재료부(225)의 다른 예를 보인 단면도이다. 도 6의 다른 예는, 제3접점(235c)과 제4접점(235d)의 온도차(T3-T4)가 제5재료부(225) 상면의 온도차(Ts3-Ts4)를 보다 정확하게 반영할 수 있도록 이루어진다.
도 6을 참조하면, 제5재료부(225)는 열전도 촉진 부분들(225a)과 열전도 둔화 부분(225b)을 구비할 수 있다. 열전도 촉진 부분들(225a)은 제3접점(235c)과 제4접점(235d)을 각각 오버랩하도록 서로 이격되게 위치될 수 있고, 열전도 둔화 부분(225b)보다 열전도도가 높은 물질로 형성될 수 있다.
열전도 둔화 부분(225b)은 열전도 촉진 부분들(225a) 사이에 배치될 수 있다. 특히, 제1재료부(111)와 제2재료부(112)가 서로 맞닿는 지점과 두께 방향으로 나란하게 위치될 수 있다. 열전도 둔화 부분(225b)은 열전도 촉진 부분들(225a)보다 상대적으로 열전도도가 낮은 재질로 이루어질 수 있다.
열전도 둔화 부분(225b)에 의하여, 두 열전도 촉진 부분들(225a) 사이에서 표면 방향으로 열전도가 일어나는 것이 제한될 수 있다. 따라서, 앞서 설명한 표면 방향으로의 온도차들(T3-T4 및 Ts3-Ts4)이 감소되는 것이 제한되고, 보다 민감하게 외기 대류의 영향이 측정될 수 있다.
다른 한편으로, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전달률 측정 소자(300)를 보인 단면도이다. 본 실시예를 참조하여, 제1 내지 제4재료부(311, 312, 323, 324)의 두께가 모두 동일하지 않은 경우에도, 앞서 언급한 원리에 따라 열전달률이 정확하게 측정될 수 있는 구성을 설명한다.
본 실시예의 열전달률 측정 소자(300)는 제1 내지 제4재료부(311, 312, 323, 324)를 포함한다. 제1재료부(311)는 하부면이 대상물(10)의 표면을 향하도록 위치되며, 제2재료부(312)는 하부면이 대상물(10)의 표면을 향하도록 제1재료부(311)와 인접하게 위치된다. 제1재료부(311)와 제2재료부(312)는 서로 다른 열전도도를 갖는 재질로 이루어진다.
그리고, 제1재료부(311)의 상부면에는, 제2재료부(312)와 서로 동일한 열전도도를 갖는 재질로 형성되는 제3재료부(323)가 결합된다. 이때, 제2 및 제3재료부(312, 323)의 두께, 즉, 상하 방향으로의 높이는 서로 동일하도록 이루어진다.
또한, 제2재료부(312)의 상부면에는, 제1재료부(311)와 서로 동일한 열전도도를 갖는 재질로 이루어지는 제4재료부(324)가 결합된다. 제4재료부(324)의 두께는 제1재료부(311)와 동일하게 형성된다. 결과적으로, 도 7에 보인 것처럼, 제1 내지 제4재료부(311, 312, 323, 324)는 일정한 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
한편, 본 실시예의 열전달률 측정 소자(300)는 열전대부(131)를 더 포함한다. 열전대부(131)는 제1접점(131a)과 제2접점(131b)을 형성하여 두 지점 간의 온도차를 측정하도록 이루어진다. 제1접점(131a)은 제1재료부(311) 또는 제3재료부(323) 내부에 위치되며, 제2접점(131b)은 제1접점(131a)과 대상물(10)의 표면 방향으로 서로 이격 배치되어 제4재료부(324) 또는 제2재료부(312) 내부에 위치될 수 있다.
나아가, 본 실시예의 열전달률 측정 소자(300)는 아래와 같이 열전달률을 산출하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
앞선 일 실시예와 마찬가지로, 열전달이 일어나는 전체 단면적을 A, 제1 및 제4재료부(311, 324)의 열전도도는 k1, 제2 및 제3재료부(312, 323)의 열전도도는 k2로 나타내며, k1>k2인 관계가 성립하는 것으로 가정한다. 각 지점의 온도는 도 7에 도시된 것과 같다.
그리고, 제1 및 제4재료부(311, 324)의 두께는 Δx1, 제2 및 제3재료부(312, 323)의 두께는 Δx2라고 할 때, 도 7에 보인 것과 같은 경우는 Δx1>Δx2가 성립하며 이들의 비를 C(=Δx1/Δx2)라고 하면 아래와 같이 전도 열전달 방정식이 계산될 수 있다.
Figure 112017032656712-pat00009
Figure 112017032656712-pat00010
아울러, 앞선 일 실시예의 경우와 유사하게, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(300)의 두께 방향으로의 온도차(Tb-Ts)와, 제1 및 제2접점(131a, 131b) 사이의 온도차(T1-T2)의 비는 아래와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112017032656712-pat00011
따라서, 전체 열전달률을 제1 및 제2접점(131a, 131b) 사이의 온도차(T1-T2)에 관하여 정리하면 다음과 같다.
Figure 112017032656712-pat00012
한편, 이상의 경우와 달리, Δx1<Δx2가 성립하며 이들의 비를 C(=Δx2/Δx1)라고 하면 전체 열전달률은 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112017032656712-pat00013
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전달률 측정 소자(300)는, 반드시 각 재료부들의 두께가 균일하게 제작될 필요가 없는 이점이 있다. 즉, 제1재료부(311)와 제4재료부(324)의 두께가 서로 일치하고, 제2재료부(312)와 제3재료부(323)의 두께가 서로 일치하는 조건만 만족되면, 표면 방향의 온도차에 의하여 대상물(10)의 열전달률이 정확하게 측정될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 서로 엇갈리게 배치되는 동일한 재질의 재료부가 서로 접촉하도록 설계될 수 있다. 이에 따라, 제1재료부(311)와 제2재료부(312) 중 어느 하나만 전기 절연 재질로 이루어지면 열전대부(131)의 전기 절연을 위한 절연부(133)가 생략되도록 설계될 여지가 있는 이점이 있다.
따라서, 본 실시예에 의하면, 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자(300)의 형상 및 재질 면에서의 제약 조건이 완화될 수 있고, 제작 편의성이 향상될 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 열전달률 측정 소자를 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
10: 대상물 100, 200, 300: 열전달률 측정 소자
110: 제1레이어 111, 311: 제1재료부
112, 312: 제2재료부 120: 제2레이어
123, 323: 제3재료부 124, 324: 제4재료부
130: 온도측정 레이어 131: 열전대부
131a: 제1접점 131b: 제2접점
132: 노이즈 감지부 133: 절연부
134: 절연층 225: 제5재료부
225a: 열전도 촉진 부분 225b: 열전도 둔화 부분
235: 대류 감지 열전대부 235c: 제3접점
235d: 제4접점

Claims (8)

  1. 대상물의 표면 방향으로 서로 나란하게 배치되는 서로 다른 열전도도의 제1재료부 및 제2재료부를 구비하는 제1레이어;
    상기 제1재료부와 상기 제1레이어의 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제2재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제3재료부와, 상기 제2재료부와 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제1재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제4재료부를 구비하는 제2레이어; 및
    상기 제1레이어와 제2레이어 사이에 개재되고, 상기 대상물의 열전달률 산출을 위하여 상기 표면 방향으로의 온도차를 측정하도록 이루어지는 온도측정 레이어를 포함하며,
    상기 온도측정 레이어는,
    상기 제1재료부와 제3재료부 사이에 형성되는 제1접점과, 상기 제2재료부와 상기 제4재료부 사이에 형성되는 제2접점을 구비하는 열전대부; 및
    상기 열전대부와 대응되는 형상으로 이루어져, 상기 열전대부와 나란하게 배치되는 전기 전도성 재질의 노이즈 감지부를 구비하는 열전달률 측정 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전대부와 노이즈 감지부는 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되고,
    상기 온도측정 레이어는, 상기 열전대부와 상기 노이즈 감지부 사이에 삽입되는 절연부를 더 구비하는 열전달률 측정 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전대부 및 상기 노이즈 감지부와 각각 전기 연결되고, 상기 열전대부에서 감지되는 기전력에서 상기 노이즈 감지부에서 감지되는 기전력을 뺀 값에 대응되는 상기 제1접점과 상기 제2접점 사이의 온도차에 의하여 상기 대상물의 열전달률을 산출하도록 이루어지는 제어부를 더 포함하는 열전달률 측정 소자.
  4. 대상물의 표면 방향으로 서로 나란하게 배치되는 서로 다른 열전도도의 제1재료부 및 제2재료부를 구비하는 제1레이어;
    상기 제1재료부와 상기 제1레이어의 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제2재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제3재료부와, 상기 제2재료부와 상기 두께 방향으로 나란하게 배치되며 상기 제1재료부와 서로 동일한 열전도도를 갖는 제4재료부와, 상기 제1 및 제2재료부의 적어도 일부를 상기 두께 방향으로 오버랩하도록 형성되는 제5재료부를 구비하는 제2레이어; 및
    상기 제1레이어와 제2레이어 사이에 개재되고, 상기 대상물의 열전달률 산출을 위하여 상기 표면 방향으로의 온도차를 측정하도록 이루어지는 온도측정 레이어를 포함하며,
    상기 온도측정 레이어는,
    상기 제1재료부와 제3재료부 사이에 형성되는 제1접점과, 상기 제2재료부와 제4재료부 사이에 형성되는 제2접점을 구비하는 열전대부; 및
    상기 제1재료부와 제5재료부 사이에 형성되는 제3접점과, 상기 제2재료부와 제5재료부 사이에 형성되는 제4접점을 구비하는 대류 감지 열전대부를 구비하는 열전달률 측정 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도측정 레이어는, 상기 대류 감지 열전대부와 상기 제5재료부 사이에 개재되는 절연층을 구비하고,
    상기 제5재료부는 금속성 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 열전달률 측정 소자.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제5재료부는,
    상기 제3접점과 제4접점을 각각 오버랩하도록 위치되는 열전도 촉진 부분들; 및
    상기 열전도 촉진 부분들 사이에 위치되고 상기 열전도 촉진 부분들보다 낮은 열전도도를 갖는 재질로 이루어지는 열전도 둔화 부분을 구비하는 열전달률 측정 소자.
  7. 삭제
  8. 삭제
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