KR20030017151A - 단열공동에 부착된 스트레인 게이지를 이용한 유동 벽전단응력 측정 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체 분사에 의한 평판 냉각시 냉각효율을 보다 정확히 측정할 수 있는 측정 센서의 제공에 관한 것으로, 특히 측정에 기여하지 않는, 센서로부터 평판 벽쪽으로의 열전달을 효과있게 차단하여 이러한 센서의 측정 정도를 크게 높일 수 있으면서 저렴한 비용으로 손쉽게 센서를 설치구성할 수 있도록 된 측정 센서의 제공에 관한 것이다.

본 발명은 필름상의 지지체(13)에 열선(15)과 단자(16)를 갖는 스트레인 게이지를 부착하여 센서(12)를 구성하고, 상기 센서(12)를 단열공동(14)을 가진 블럭(17)상에 부착설치하여서 된 구성을 특징으로 하는 단열공동에 부착된 스트레인 게이지를 이용한 유동 벽 전단응력 측정 센서를 제공한다.

Description

단열공동에 부착된 스트레인 게이지를 이용한 유동 벽 전단응력 측정 센서{Shear stress measuring sensor using strain guage with insulation cavity}

본 발명은 일반적인 평판을 액체나 기체상태의 제트를 분사하여 냉각하는 과정에 있어서 그 분사 유체 제트의 냉각 성능을 측정하기 위한 측정용 센서에 관한 것이다.

평판상에 유체를 분사하여 평판을 냉각하는 방식은 컴퓨터용 CPU나 철강 산업에서의 강판 등의 냉각에 자주 이용되는 냉각방식으로서 최근 들어 그 냉각 효율의 향상이 크게 요구되고 있는 상황이며, 이러한 상황에서 각 냉각 조건에서의 냉각 효율을 정밀하게 측정 할 수 있는 센서의 개발은 그 무엇보다도 중요한 문제로 대두되고 있다. 따라서, 본 발명은 그러한 냉각방식에서 냉각 효율을 간단하고도 정밀하게 측정할 수 있는 측정 센서를 제공하려는 것이다.

도1에 나타낸 것처럼 평판의 냉각은 냉각유체 분사용 노즐(1)로부터 분사된 제트류(2)가 고온의 평판(3)에 충돌한 뒤 평판에 얇게 막을 형성하면서 정지된 고체 표면(4)에서의 속도 O에서부터 액막 표면(5)의 속도 U까지 일정한 분포를 가지고 판 위를 흐르게 된다. 이 때 판에 평행한 유체 유동방향의 좌표를 x, 판에 수직한 방향의 좌표를 y라고 하면 평판위의 유동 경계층내 속도분포(6)는 y방향으로 속도분포 u=u(y)를 가지게 되는데, u(y)=0.99U가 되는, 즉 액막 표면의 속도 U의 99%정도 속도까지 이르는 y좌표를 경계층 두께(7)라고 한다. 이 때 평판을 냉각하는 유체의 냉각효율은 상기 u(y)가 바로 고체 표면(4) 근처에서 어떠한 기울기를 갖느냐 하는 것이다. 즉, 냉각 효율, 로 나타낼 수 있게 된다. 이 때, τ를 구할 수 있게 되면 냉각효율을 구할 수 있게 된다.

도2a는 종래에 사용되던 벽 전단응력 측정 센서의 측정 상황을 개략적으로 나타내었는데, 기존의 전단응력 측정 센서(8)는 도2b∼도2d에서와 같이 탄성이 있는 얇은 필름(9)에 열선(10)과 단자(11)를 부착설치하여 구성되어 있으며, 평판(3) 표면상에 그냥 접착제로 붙여져서 전단응력을 측정하게 된다. 측정 방법은 상기 센서(8)에 전기를 가하게 되면 센서내 열선(10)이 저항체로 작용하여 주울열이 발생하는데, 발생된 열은 냉각 유체쪽으로 방출되거나 센서(8)가 부착된 평판(3)쪽으로 방출되게 된다. 이 때 유입되는 전기에너지의 총량은 qe=i²R로부터 구할 수 있고, 유체로 방출되는 열량은 q_f=Aτ^(1/n)라는 식으로 구할 수 있는데, 벽에서의 속도 기울기, 즉 전단응력(τ)이 크면 클수록 유체쪽 방출 열량이 커지게 되며, 평판(3)의 벽쪽으로 나가는 열량은 벽면에의 접착 조건 및 벽의 물성치에 따라서 달라진다. 이때, 우리가 실제로 구할 수 있는 양은 투여된 총 전기에너지인데, 여기에는 유동 정보를 담고 있는 유체로의 열전달외에 평판(3) 벽으로의 열전달 오차가 포함되어있어서 그 영향의 배제를 위해서는 어려운 보정과정이 필요하다. 더구나, 액체인 유체로 나가는 열량은 대류현상에 의한 것이고, 고체인 평판(3) 벽으로 나가는 열량은 전도현상에 의한 것이므로 평판(3)벽으로 나가는 열량이 훨씬 많은 주류를 이루고 있게 되어서 가해진 총 전기에너지로부터 유체로 나간 적은 열량을 구해야 하므로 정확도가 많이 떨어지게 되는 결정적인 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같이 유체 분사에 의한 평판 냉각시 냉각효율을 측정함에 있어서 실제로 외부에서 측정이 가능한 투여된 전기에너지의 유동상황의 정보를 알 수 있는 유동유체로의 열전달 외에도 유동정보와는 전혀 상관이 없는 벽면으로의 열전달 현상이 포함됨으로써 생기는 측정 오차를 제거할 수 있는 보다 효과적인 측정 센서를 제공하기 위한 것이다. 특히, 상술한 취지의 냉각효율 측정시 냉각대상 평판 벽면으로의 열전달량이 그 특성상 과도하게 됨을 생각해 볼 때 이러한 본 발명은 상당히 유용한 효과를 가져올 것으로 기대된다.

도1은 고체 표면 경계층에서의 유체 냉각 개념도,

도2a는 기존의 유동 경계층에서의 벽 전단 응력 측정 센서의 측정 개요도,

도2b는 기존 측정 센서의 사시도,

도2c는 기존 측정 센서의 평면도,

도2d는 기존 측정 센서의 측단면도,

도3a는 본 발명의 유동 경계층에서의 벽 전단 응력 측정 센서의 측정 개요도,

도3b는 본 발명의 측정 센서의 평면도,

도3c는 본 발명의 측정 센서의 측단면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 냉각유체 분사용 노즐 2 : 냉각유체 제트류

3 : 냉각대상 평판 4 : 고체 표면

5 : 액막 표면 6 : 경계층내 속도 분포

7 : 경계층 두께 8 : 종래의 센서

9 : 필름 10 : 열선

11 : 열선 단자 12 : 본 발명의 센서

13 : 지지체 14 : 단열공동

15 : 열선 16 : 열선 단자

17 : 단열공동을 가진 블럭 18 : 단자 외부 연결용 구멍

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 센서 자체 외에 센서 부착면중 열선이 존재하는 부분 아래의 벽면을 제거하고, 이에 진공 또는 거의 진공에 가까운 절연 공간을 둔 블럭을 포함하는 센서 구성에 의해 평판 벽면으로의 과도한 전도성 열전달에 의한 측정 오차를 줄일 수 있는 센서를 제공한다.

이하에서, 본 발명을 첨부도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도3a는 본 발명에 따라 평판(3) 벽쪽으로의 단열공간(14)을 갖는 측정센서(12)의 설치구성 및 측정 개요를 나타낸 것이고, 도3b는 상기 센서(12)의 평면도, 도3c는 상기 센서(12)의 도식적인 측단면도를 각각 나타낸 것이다.

본 발명의 센서는 필름상으로 된 지지체(13)의 표면에 열선(15) 및 단자(16)를 갖는 일반적인 스트레인 게이지를, 내부에 별도의 단열공간(14)을 갖는 아크릴 블럭(17)의 윗면에 팽팽하게 부착한 구조로 이루어진다. 이 때, 단자(16)에 연결된 도선은 아크릴 블럭(17) 하부로 적정한 구멍(18)을 통하여 빼내어지고 빼내어진 그 구멍은 다시 진공 밀봉을 위하여 접착체로 적절히 밀봉된다.

상기 단열공간(14)은 열선(15) 부분보다 충분히 크기만 하면 어떠한 모양으로 형성되어도 관계가 없다. 또한, 상기 블럭(17)은 아크릴은 물론 어떠한 재질이라도 관계가 없다. 특히, 기존의 고가의 필름형 벽 전달응력 센서를 사용하지 않고도 훨씬 저렴하고 손쉽게 구할 수 있는 스트레인 게이지를 열선으로 사용함으로써 경제성 및 구입의 용이성도 함께 얻을 수가 있으면서, 상기 단열공간(14)의 작용에 의해 측정오차를 가져올 수 있는 평판(3) 벽쪽으로의 열전달을 효과있게 차단하여 측정의 정확도를 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 단열공동(14)을 가진 블럭(17)상에 스트레인 게이지 형태의 센서를 부착하여서 된 구성에 의해 센서가 설치되는 벽면으로의 열 전달량을 거의 제거함으로써 투입된 총 전기에너지에 의한 열량이 거의 전부 유체쪽으로만 빠져나가게 되고, 따라서 외부에서 실제로 측정되는 전기에너지에는 유용한 유동정보만이 담겨 있도록 하게 된다. 더욱이, 이러한 단열공동(14)을 갖는블럭(17)에 기존에 널리 사용되는 스트레인 게이지를 부착설치하여 센서를 구성할 수 있어서 그 경제성 및 구입의 용이성 등의 측면에서도 다대한 효과를 얻을 수 있게 된다.

Claims (1)

1. 필름상의 지지체(13)에 열선(15)과 단자(16)를 갖는 스트레인 게이지를 부착하여 센서(12)를 구성하고, 상기 센서(12)를 단열공동(14)을 가진 블럭(17)상에 부착설치하여서 된 구성을 특징으로 하는 단열공동에 부착된 스트레인 게이지를 이용한 유동 벽 전단응력 측정 센서.