KR20030083244A

KR20030083244A - 열류 게이지, 그 제조방법, 조립치구

Info

Publication number: KR20030083244A
Application number: KR1020020021693A
Authority: KR
Inventors: 이열화; 구성완; 최종학
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2002-04-19
Filing date: 2002-04-19
Publication date: 2003-10-30
Also published as: JP2003315170A; US20030198276A1; US20050008062A1; JP3696861B2; KR100456093B1; US6837614B2

Abstract

본 발명은 심부에 포일 리드선이 연결된 원반형 포일과, 전방에 상기 원반형 포일이 장착되고 내부에 수용공간이 형성되며 후방 단부에 몸체 리드선이 연결된 원통형 몸체를 포함하는 열류 게이지에 있어서, 상기 내부 수용공간이 충진재에 의해 충진된 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 구조 및 심부에 포일 리드선 관통공이 형성된 조립치구에 의한 열류 게이지의 제조방법을 제시함으로써, 보다 견고한 구조를 가지면서도, 적절한 방열부가 형성됨에 따라 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 한다.

Description

열류 게이지, 그 제조방법, 조립치구{HEAT-FLUX GAGE, MANUFACTURONG METHOD, AND MANUFACTURING DEVICE THEREOF}

본 발명은 열류 게이지(heat-flux gage), 그 제조방법 및 조립치구에 관한 것으로서, 상세하게는, ASTM(american society for testing and material) E511에 개시된 원반형 포일 열류 게이지(circular foil heat-flux gage)에 근거하여, 조립치구에 의해 원반형 포일과 원통형 몸체를 억지끼워맞춤 조립함으로써 열류 게이지를 제조하는 방법에 관한 것이다.

상호 접촉된 이종 금속 사이에서 온도차가 발생하면 금속 사이의 전위차로 인한 기전력이 발생하는데, 열류 게이지란 상기 이종 금속 조립체를 측정하고자 하는 열원에 장착한 후, 상기와 같은 원리에 의해 발생하는 기전력에 열류값 보정치를 승하여 열류량을 산출하는 방식의 센서를 말한다.

도 1은 종래의 열류 게이지의 구성 및 원리를 도시한 모식도이다.

도시된 바와 같이, 일반적인 열류 게이지는 열전대(熱電對) 콘스탄탄(thermocouple constantan)에 의해 형성되는 원반형 포일(circular foil : 1)이 무산소동(OFHC : oxygen-free high-conductivity copper)에 의해 형성되는 원통형 몸체(2)에 결합되는 구조를 취하고 있다.

열류 게이지는 열류의 선형 함수인 밀리볼트 단위의 기전력 출력을 발생시키기 위한 구조로서, 상기와 같은 재질을 취하는 이유는 기타 금속 화합물이 적용될 경우 대부분 비선형 거동을 나타내기 때문이다.

원반형 포일(1)에는 2개의 열전대 접합부(thermocouple junction)가 형성되는데, 그 하나는 원통형 몸체(2)와의 접합부에 형성되는 방열부(heat sink)이고, 다른 하나는 그 심부에 연결된 리드선(3)과의 접합부이다.

열류 게이지로부터 인출수단으로 신호를 이송하기 위해 장착되는 리드선(3)은 일반적으로 얇은 구리 재질의 도선을 꼬아서 제조된다. 리드선(3)은 일반적으로 TFE-불화탄소에 의해 코팅되고 역시 TFE-불화탄소에 의해 덮인 끈 포장에 의해 보호된다. 인출선은 컬러에 의해 양극, 음극이 구분되는데, 음극측에 검은색이 사용되는 것이 일반적이다.

열류 게이지의 동작은 표면 상태에 따라 민감한 영향을 받으므로, 단지 대류열을 측정하는 경우를 제외하고, 열류 게이지의 표면에는 금속 또는 비금속 물질의 얇은 층에 의한 코팅을 형성하는 것이 일반적이다.

방사열을 측정하는 경우에는 높은 방사율을 갖는 코팅이 사용된다. 이러한 코팅은 확산 흡수 표면을 갖도록 하는 것이 이상적이다. 확산 코팅이란 코팅에 방사가 일어날 경우, 입사각의 변화에 의해 흡수율에 변화가 없도록 하는 것이다.

또한, 이상적인 코팅은 파장의 변화에 따른 흡수율의 변화가 없어야 하는데, 이를 그레이 바디(gray body)라 정의한다. 일부 코팅은 이러한 이상적인 상태에 접근하지만, 대부분은 이와 편차를 나타낸다.

고도로 세련된 금과 니켈에 의해 형성되는 낮은 방사율을 갖는 금속성 코팅은 방사열의 반사가 요구되는 특수한 경우에 사용된다. 이러한 코팅은 게이지의 민감도를 감소시키기 때문이다. 다만, 금 코팅의 경우는 열류 게이지의 출력이 비선형이 되는 현상을 야기하는데, 이는 온도변화에 따른 금의 열전도성의 급격한 변화에 기인하는 것이다.

이하, 열류 게이지에 의한 열류의 측정 원리에 관하여 설명한다.

열류 게이지가 열원(熱源)에 노출된 경우, 원반형 포일(1)에 흡수된 열류는 방열부를 향하여 방사상으로 이동하고, 원반형 포일(1)의 중심부와 에지(edge) 사이에는 평형 온도의 차이가 급속하게 발생한다. 원반형 포일(1)의 중심부와 에지 사이의 평형 열전기 포텐셜(E)은 다음식과 같이 포일에 흡수된 열류(q)에 정비례하여 변화한다.

q = KE

여기서, K는 실험결과에 의해 정해지는 비례상수이다.

따라서, 실험에 의해 적절한 K값을 선정할 경우, 포일 리드선(3) 및 몸체 리드선(4)에 의해 원반형 포일(1) 및 원통형 몸체(2)에서 각각 발생한 기전력을 측정함으로써 열전기 포텐셜(E) 값을 얻을 수 있고, 상기 식에 의해 열류(q)를 측정할 수 있는 것이다.

정확한 측정을 위해서, 온도는 50 ~ 450℉ (-45 ~235℃)의 범위 내이어야 한다. 이 범위를 벗어난 온도의 경우에는, 콘스탄탄 포일의 물리적 특성의 변화에 의해 보상이 되지 않으므로, 게이지는 더 이상 열전기 출력에 기인하는 선형 거동을 나타내지 않게 되기 때문이다.

그런데, 이와 같은 구조의 열류 게이지를 이용하여 정확한 측정값을 얻기 위해서는 매우 정밀한 제작이 요구되므로, 적절한 제조방법에 관한 고안의 필요성이부각되어 왔다.

특히, 원반형 포일(1)과 원통형 몸체(2)의 접합부는 방열부(heat sink)를 구성하므로, 접착제와 같은 다른 재질이 첨가될 수 없다. 따라서, 이들 구성요소는 억지끼워맞춤 조립에 의해 결합되어야 하므로, 이 조립공정을 간편하고 정밀하게 수행할 수 있는 열류 게이지의 제조방법에 관한 고안이 절실히 요청되고 있었다.

또한, 원반형 포일(1)에 전기적으로 연결된 포일 리드선(3)은 기본적으로 평면상에 리드선이 결합되는 구조를 취하므로, 그 결합력이 약하여 열류 게이지의 사용상 주의를 요한다는 불편함이 문제점으로 지적되어 왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하여, 보다 견고한 구조를 가지면서도, 적절한 방열부가 형성됨에 따라 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 하는 열류 게이지 및 그 제조방법과 이에 사용되는 조립치구를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 종래의 열류 게이지의 구성 및 원리를 도시한 모식도

도 2는 본 발명에 의한 열류 게이지의 구조를 도시한 종단면도

도 3 내지 도 6은 본 발명에 의한 열류 게이지의 제조 과정을 도시한 것으로서,

도 3은 포일 용접 단계를 도시한 종단면도

도 4는 몸체 용접 단계를 도시한 종단면도

도 5는 조립치구 장착 단계와 포일 조립 단계를 도시한 종단면도

도 6은 충진 단계를 도시한 종단면도

도 7은 본 발명에 의한 열류 게이지 조립치구의 구조를 도시한 종단면도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

1 : 원반형 포일2 : 원통형 몸체

3 : 포일 리드선4 : 몸체 리드선

5 ; 충진재6 : 조립치구

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 심부에 포일 리드선이 연결된 원반형 포일과, 전방에 상기 원반형 포일이 장착되고 내부에 수용공간이 형성되며 후방 단부에 몸체 리드선이 연결된 원통형 몸체를 포함하는 열류 게이지에 있어서, 상기 내부 수용공간이 충진재에 의해 충진된 것을 특징으로 하는 열류 게이지를 제시한다.

여기서, 상기 충진재는 세라믹 재질에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 원반형 포일의 심부에 포일 리드선을 점용접하는 포일 용접 단계와; 전방에 상기 원반형 포일의 장착부가 형성되고, 내부에 수용공간이 형성된 원통형 몸체의 후방 단부에 몸체 리드선을 점용접하는 몸체 용접 단계와; 상기 원통형 몸체의 수용공간에 포일 리드선 관통공이 심부에 형성된 조립치구를 장착하는 조립치구 장착단계와; 상기 조립치구의 포일 리드선 관통공을 통해 상기 포일 리드선을 관통시키고, 상기 원반형 포일을 상기 원통형 몸체의 장착부에 억지끼워맞춤 조립을 하는 포일 조립 단계를; 포함하는 열류 게이지의 제조방법을 제시한다.

또한, 상기 포일 조립 단계 이후에는 상기 원통형 몸체의 수용공간에서 상기 조립치구를 분리시키는 조립치구 분리 단계와; 상기 원통형 몸체의 수용공간에 충진재를 충진시키는 충진 단계를; 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 충진 단계는 세라믹 재질의 충진재를 충진시키는 단계이고, 그 충진 단계 이후 상기 원반형 포일과 원통형 몸체의 열류 게이지 조립체에 열을 가하는 가열 경화 단계가 더 포함되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열 경화 단계 이후에는 상기 열류 게이지 조립체의 전면을 미소 절삭가공하는 절삭 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 절삭 단계 이후에는 상기 열류 게이지 조립체의 표면을 산으로 세척하는 산세척 단계와; 상기 산세척된 열류 게이지 조립체의 표면을 수세하는 수세 단계를; 더 포함하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 수세 단계 이후에는 상기 원반형 포일의 노출면에 무반사 코팅막을 형성하는 코팅 단계를 더 포함하는 것이 효과적이다.

한편, 본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 또 다른 수단으로서, 받침부와; 그 받침부에서 연장되어 상기 원통형 몸체의 수용공간에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부와; 그 돌출부의 심부에 상기 포일 리드선이 관통되도록 형성된 리드선 관통공을; 포함하는 것을 특징으로 하는 조립치구를 제시한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시례에 관하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 열류 게이지의 구조를 도시한 종단면도, 도 3 내지 도 6은 본 발명에 의한 열류 게이지의 제조 과정을 도시한 것으로서, 도 3은 포일 용접 단계를 도시한 종단면도, 도 4는 몸체 용접 단계를 도시한 종단면도, 도 5는 조립치구 장착 단계와 포일 조립 단계를 도시한 종단면도, 도 6은 충진 단계를 도시한 종단면도, 도 7은 본 발명에 의한 열류 게이지 조립치구의 구조를 도시한 종단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 열류 게이지는 기본적으로, 심부에 포일 리드선(3)이 연결된 원반형 포일(1)과, 전방에 원반형 포일(1)이 장착되고 내부에 수용공간이 형성되며 후방 단부에 몸체 리드선(4)이 연결된 원통형 몸체(2)를 포함하여 구성된다는 점에서 종래의 구조와 동일하다.

그러나, 원통형 몸체(2)의 내부 수용공간이 충진재(5)에 의해 충진된다는 점에서 특징을 갖는다.

즉, 원반형 포일(1)의 심부 평면 상에 포일 리드선(3)을 전기적으로 연결한 후, 그 주위를 충진재에 의해 충진함으로써, 포일 리드선(3)이 원반형 포일(1)로부터 용이하게 이탈되지 않는 견고한 구조를 취하도록 한 것이다.

다만, 본 발명에 의한 열류 게이지는 고온의 상태에서 사용되는 것이므로, 상기 충진재(5)는 열에 강한 세라믹 재질에 의해 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 의한 열류 게이지의 제조방법은 원반형 포일(1)의 심부에 포일 리드선(3)을 점용접하는 포일 용접 단계와(도 3), 전방에 원반형 포일의 장착부(21)가 형성되고, 내부에 수용공간(22)이 형성된 원통형 몸체(2)의 후방 단부에 몸체 리드선(4)을 점용접하는 몸체 용접 단계와(도 4), 원통형 몸체의 수용공간(22)에 포일 리드선 관통공(61)이 심부에 형성된 조립치구(assembly fixture : 6)를 장착하는 조립치구 장착 단계와(도 5), 조립치구의 포일 리드선 관통공(61)을 통해 포일 리드선(3)을 관통시키고, 원반형 포일(1)을 원통형 몸체의 장착부(21)에 억지끼워맞춤 조립을 하는 포일 조립 단계를(도 5) 포함하여 구성된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 조립치구(6)는 받침부(62)와; 그 받침부(62)에서 연장되어 원통형 몸체(2)의 수용공간에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부(63)와; 그 돌출부(63)의 심부에 원반형 포일(1)의 리드선(3)이 관통되도록 형성된 리드선 관통공(61)을; 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 제조방법은 포일 리드선(3)이 점용접된 상태의 원반형 포일(1)을 원통형 몸체(2)에 억지끼워맞춤 조립하는 공정에 있어서, 심부에 포일 리드선 관통공(61)이 형성된 조립치구(6)를 사용하는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서, 원통형 몸체(2)의 내부 수용공간(22)에 상기와 같은 구조의 조립치구(6)를 장착하고, 펀치(7) 등에 의해 원통형 몸체의 포일 장착부(21)에 원반형 포일(1)을 억지끼워맞춤 조립할 수 있게 되므로, 포일 리드선(3)의 손상없이 정밀한 조립이 가능하게 된다.

원반형 포일(1)과 원통형 몸체(2)의 접합부는 방열부(heat sink)를 구성하므로, 접착제와 같은 다른 재질이 첨가될 수 없다. 따라서, 이들 구성요소는 억지끼워맞춤 조립에 의해 결합되어야 하는데, 본 발명은 이 조립공정을 간편하고 정밀하게 수행할 수 있도록 한다는 점에서 의의를 갖는 것이다.

원반형 포일(1)을 원통형 몸체(2)에 억지끼워맞춤 조립한 후에는, 원통형 몸체(2)의 수용공간에서 조립치구(6)를 분리시키고, 원통형 몸체(2)의 수용공간에 충진재(5)를 충진시킨다.

여기서, 충진재(5)는 열에 강한 세라믹 재질에 의해 형성하는 것이 바람직하므로, 원통형 몸체(2)의 수용공간에 세라믹 재질의 충진재를 충진시킨 후, 그 충진재를 경화시키기 위해 원반형 포일(1)과 원통형 몸체(2)의 열류 게이지 조립체에 열을 가한다.

오븐에서 150℃ 정도의 온도로 1시간 이상 가열하여 경화시키는 것이 바람직하다.

충분히 냉각한 후, 원반형 포일(1)이 장착된 열류 게이지 조립체의 전면을 미소 절삭가공한다. 정교한 표면가공은 열류 게이지의 성능을 좌우한다.

상기와 같은 공정을 거치면서 열류 게이지의 표면에는 얼룩이 발생하기 쉬우므로, 금속 고유의 표면상태를 유지하도록, 그 열류 게이지 조립체의 표면을 산으로 세척하고, 수세(水洗)한다.

세척제는 일반적으로 금속 고유의 표면상태를 유지하기 위해 사용되는 것이면 어느 것이나 관계없으며, 금속 고유색이 나타낼 때까지 충분히 산세척하고, 흐르는 물에 수세한 후, 건조시킨다.

정밀한 열류 측정을 위해서는 원반형 포일의 표면에서 열류의 반사가 일어나지 않아야 하므로, 이러한 반사를 방지하기 위해, 원반형 포일의 노출면에 무반사 코팅막을 형성한다.

본 발명은 보다 견고한 구조를 가지면서도, 적절한 방열부가 형성됨에 따라 정확한 측정값을 얻을 수 있도록 하는 열류 게이지 및 그 제조방법과 이에 사용되는 조립치구를 제공한다.

Claims

심부에 포일 리드선이 연결된 원반형 포일과, 전방에 상기 원반형 포일이 장착되고 내부에 수용공간이 형성되며 후방 단부에 몸체 리드선이 연결된 원통형 몸체를 포함하는 열류 게이지에 있어서,

상기 내부 수용공간이 충진재에 의해 충진된 것을 특징으로 하는 열류 게이지.
제1항에 있어서,

상기 충진재는 세라믹 재질인 것을 특징으로 하는 열류 게이지.
원반형 포일의 심부에 포일 리드선을 점용접하는 포일 용접 단계와;

전방에 상기 원반형 포일의 장착부가 형성되고, 내부에 수용공간이 형성된 원통형 몸체의 후방 단부에 몸체 리드선을 점용접하는 몸체 용접 단계와;

상기 원통형 몸체의 수용공간에 포일 리드선 관통공이 심부에 형성된 조립치구를 장착하는 조립치구 장착단계와;

상기 조립치구의 포일 리드선 관통공을 통해 상기 포일 리드선을 관통시키고, 상기 원반형 포일을 상기 원통형 몸체의 장착부에 억지끼워맞춤 조립을 하는 포일 조립 단계를; 포함하는 열류 게이지의 제조방법.
제3항에 있어서,

상기 포일 조립 단계 이후

상기 원통형 몸체의 수용공간에서 상기 조립치구를 분리시키는 조립치구 분리 단계와;

상기 원통형 몸체의 수용공간에 충진재를 충진시키는 충진 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 제조방법.
제4항에 있어서,

상기 충진 단계는 세라믹 재질의 충진재를 충진시키는 단계이고,

그 충진 단계 이후 상기 원반형 포일과 원통형 몸체의 열류 게이지 조립체에 열을 가하는 가열 경화 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 제조방법.
제5항에 있어서,

상기 가열 경화 단계 이후

상기 열류 게이지 조립체의 전면을 미소 절삭가공하는 절삭 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 제조 방법.
제6항에 있어서,

상기 절삭 단계 이후

상기 열류 게이지 조립체의 표면을 산으로 세척하는 산세척 단계와;

상기 산세척된 열류 게이지 조립체의 표면을 수세하는 수세 단계를; 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 제조 방법.
제7항에 있어서,

상기 수세 단계 이후

상기 원반형 포일의 노출면에 무반사 코팅막을 형성하는 코팅 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열류 게이지의 제조 방법.
제3항 내지 제8항 중 어느 하나의 항의 열류 게이지 제조 방법에 사용되는 조립치구로서,

받침부와;

그 받침부에서 연장되어 상기 원통형 몸체의 수용공간에 삽입가능하도록 돌출 형성된 돌출부와;

그 돌출부의 심부에 상기 포일 리드선이 관통되도록 형성된 리드선 관통공을; 포함하는 것을 특징으로 하는 조립치구.