KR20100071340A - 판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법에 관한 것으로서, 가열되는 판재가 내부에 설치된 진공챔버와, 판재의 상부에 이동가능하도록 설치되어 판재의 온도변화를 측정하는 제 1 측정부와, 판재 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 제 2 측정부를 포함한다. 따라서 본 발명은 진공챔버를 사용하여 열대류 및 외부온도에 의한 영향을 최소화하고 소재의 표면의 방출율과 온도분포를 정확하게 측정하여 열특성의 미세한 값을 나타내도록 정밀한 열적변화를 측정할 수 있는 효과를 제공한다.

판재, 열특성, 측정장치, 측정방법

Description

판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법{Apparatus for measuring detailed thermal properties of plate and method of the same}

본 발명은 판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 판재의 미세한 온도변화 및 공간에 대한 열방출율, 판재표면의 온도분포를 정밀하게 측정 할 수 있는 판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법에 관한 것이다.

최근 사용되는 금속소재의 경우 단일 소재를 이용한 경우는 점차 줄어들고 있으며 각각의 금속 및 이종소재의 접합을 통한 특성 및 기능이 강화된 소재를 사용하여 소재의 기능적 측면 및 품질, 제작단가 등을 합리화 하는 추세에 있다.

전자제품등에 사용되는 방열성 강판의 경우를 예로 들면 기존의 알루미늄 단일소재의 사용에서 기계적 강도가 우수하고 제작단가가 저렴한 강판의 대체가 이루어 지면서 다양한 코팅 강판이 사용되고 있다. 또한 금속 판재 위에 유기피복, 비철금속, 세라믹 등의 다층을 구성하는 기능성 소재가 사용되고 있다.

이러한 다층 및 코팅 금속 소재의 경우 기존에 사용되는 열특성 측정 장치로 정밀한 열적 품질을 측정하기 어려운 문제가 발생한다.

도 1은 종래의 열특성 측정장치의 구성을 나타내는 정면도이고, 도 2는 종래의 열특성 측정장치의 구성을 나타내는 상면도이다.

도 1 및 도 2에 표시된 바와 같이, 종래의 열특성 측정장치는, 측정대상 판재(1) 아래에 가열용 히터(3)를 부가하고 판재표면에 측정하고자 하는 부분을 정하여 서모커플(thermocouple) 등의 온도측정용 센서(2)를 부착하게 되는데 이때 부착의 방식 및 부착 상황에따란 온도측정의 오차가 발생하는 문제가 있다.

이러한 종래의 열특성 측정장치는 판재(1)의 하부에 히터(3)를 설치하고 판재(1)의 상부에 온도측정용 센서(2)를 고정한 후, 판재(1)를 가열하면서 판재표면의 온도변화를 측정하고, 이를 통하여 열적특성 즉, 열전도성을 측정하게 되며 히터(3)의 동작을 정지시킨 후, 냉각되는 시간을 측정하여 비열을 계산하는 방식을 취하고 있다.

이러한 종래의 열특성 측정방법에서는 표면의 온도변화를 검출하는 것으로 열적특성을 평가하게 되므로, 결과적으로 소재 내부방향의 열적 요인을 정확하게 측정하는 반면 공간 내부로 발산되는 주된 냉각효과의 요인이 되는 공간 방출율을 측정하지 못 하는 문제가 있었다.

또한, 소재 내부의 열전달에 의한 열분포를 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 각각의 위치 모두에 온도 측정용 센서를 부착하여야 하므로 측정시간 및 측정 준비과정이 복잡하고 인력이 과다하게 소요되어 정확한 열특성의 측정이 이루어짖지 않는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 열특성의 측정을 위한 열전도성, 열방출 특성, 열용량을 동시에 측정할 수 있고, 열대류 및 외부온도에 의한 영향을 최소화하여 판재표면의 열방출율과 온도분포를 정확하게 미세하게 측정할 수 있는 판재의 미세한 열특성 측정장치 및 그의 측정방법를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 가열되는 판재가 내부에 설치된 진공챔버; 상기 판재의 상부에 이동가능하도록 설치되어 상기 판재의 온도변화를 측정하는 제 1 측정부; 및 상기 판재 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 제 2 측정부;를 포함하여 외기에 의한 온도측정 오차를 줄일 수 있다.

본 발명의 제 1 측정부는 적외선 온도센서와, 그 하부에 설치되어 레일을 따라 전후진 이동시키는 구동부를 구비하고, 제 2 측정부는 상기 진공챔버의 일방에 형성된 투명창의 외부에 설치된 2차원 적외선 온도 프로파일러(2-dimension infrared ray temperature profiler)를 사용하는 것이 바람직하다.

또 다른 본 발명은 진공챔버 내에 판재를 설치하는 단계; 상기 설치된 판재를 일정온도로 가열하는 단계; 상기 판재와의 거리를 이동하면서 이격거리에 따른 판재의 온도변화를 측정하는 단계; 상기 판재의 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 단계; 및 상기 측정된 판재의 온도변화와 상기 판재표면의 온도분포에 의거해서 판재의 열전도성, 열방출특성, 열용량을 산출하는 단계를 포함하여, 열전도 성, 열방출 특성, 열용량을 동시에 측정할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 도금 강판 및 알코스타(alcosta), 전기아연도금강판(EGI,Electrolytic Galvanized Iron), 알루미늄판재, 스틸판재, 유기피복 판재, 세라믹 코팅 등 다양한 소재의 열적 특성의 균일성을 검사할 수 있으며, 이들의 열특성의 측정을 위한 열전도성, 열방출 특성, 열용량를 동시에 측정할 수 있다.

진공챔버를 사용하여 열대류 및 외부온도에 의한 영향을 최소화하고 소재의 표면의 방출율과 온도분포를 정확하게 측정하여 열특성의 미세한 값을 나타내도록 정밀한 열적변화를 측정할 수 있다.

또한, 이러한 정밀한 열특성 측정장치에 의해 판재의 적용분야에서 필요한도금량 또는 다층 구성방안의 최적화를 위한 기초적인 자료로 사용될 수 있으며 이를 통하여 보다 적용성이 우수한 제품을 개발 할 수 있도록 하는 시험평가 기술력을 확보하는 효과를 제공한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 측정장치를 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정장치를 나타내는 구성도로서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정장치는 진공챔버(10), 제 1 측정부(20), 제 2 측정부(30), 수집부(40), 처 리부(50)를 포함하여 이루어진다.

진공챔버(10)는 내부를 대기압 이하의 진공상태로 유지하는 용기로서, 측정대상 판재와 외기와의 접촉을 차단하여 외기에 의한 측정오차를 감소시키며, 진공챔버(10)에는 히터(11), 온도센서(12), 판재(13), 투명창(14), 밸브(15), 진공펌프(16) 등이 구비되어 있다.

히터(11)는 측정대상 판재의 후면에 설치되어 측정대상 판재를 소정 온도까지 가열하는 가열부재로서, 열선, 코일 등 다양한 가열부재를 사용할 수 있다. 온도센서(12)는 상기 히터(11)의 일방에 형성되어 히터(11)의 가열온도를 검지하여 기준값으로 설정하게 한다. 또한, 히터(11)의 온도 기준값이 미리 설정된 경우에는 온도센서(12)로 히터(11)의 온도를 검지하여 기준값에 도달여부를 판정하여 히터(11)에 대한 통전여부를 제어하게 된다.

판재(13)는 열특성을 측정하기 위한 측정대상 판재로서, 금속판재의 표면에 코팅층이 존재하는 도금판재나, 금속층, 유기층, 세라믹층 등과 같이 다양한 층으로 구성되는 다층판재를 사용하는 것이 가능하다.

투명창(14)은 진공챔버(10)의 일방에 형성되어 외부에서 진공챔버의 내부를 투시할 수 있게 된다. 밸브(15)는 진공챔버(10)의 진공을 유지하기 위해 진공챔버(10)와 진공펌프(16) 사이에 설치된 게이트밸브와 같은 개폐수단이다.

진공펌프(16)는 진공챔버(10) 내부의 공기를 외부로 배출하여 내부를 진공상태로 유지하게 하는 진공원으로서, 대기압 이하의 압력에서 기체를 흡입하여 대기압에서 배출하는 데 사용되는 압축기이다.

제 1 측정부(20)는 판재(13)의 상부에 이동가능하도록 설치되어 판재(13)의 온도변화를 측정하도록 적외선 온도센서(21), 구동부(22), 레일(23), 구동 드라이버(24; motor driver), 구동제어판(25), 센서 드라이버(26; sensor driver)로 이루어진다.

적외선 온도센서(21)는 적외선을 이용해 온도를 검지하여 신호처리가 가능한 전기신호로 변환하는 검출수단으로서, 판재(13)의 상부에 이동가능하도록 설치되어 판재(13)와의 이격거리에 따른 온도변화를 측정하게 된다.

구동부(22)는 적외선 온도센서(21)의 하부에 설치되어 레일(23)을 따라 적외선센서(21)를 전후진 이동시키는 구동원으로서, 볼스크류, 리니어모터 등과 같은 다양한 선형이송기구를 사용하는 것이 가능하다.

레일(23)은 상기 구동부(22)의 하부에 설치되어 구동부(22)의 이송을 안내하게 된다. 모터 드라이버(24)는 구동부(22)에 접속되어 구동부(22)의 모터구동을 제어하게 된다. 구동제어판(25)은 상기 모터 드라이버(24)에 접속되어 구동부(22)의 제어신호를 입출력하게 된다. 센서 드라이버(26)는 적외선 온도센서(21)에 접속되어 적외선 온도센서(21)의 검출구동을 제어하게 된다.

제 2 측정부(30)는 판재(13)의 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 측정수단으로서, 진공챔버(10)의 일방에 형성된 투명창(14)의 외부에 설치된 2차원 적외선 온도 프로파일러(2-dimension infrared ray temperature profiler)로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 2차원 적외선 온도 프로파일러는 적외선을 이용하여 판재표면의 온도 분포를 2차원적으로 해석하는 온도 프로파일러로서, 판재표면에 형성된 온도분포를 디지털화하여 그래프나 분포도와 같이 여러 가지 형태로 표시할 수 있게 된다.

수집부(40)는 제 1 측정부(20), 제 2 측정부(30) 및 온도센서(12)와 접속되어, 제 1 측정부(20)의 측정값, 제 2 측정부(30)의 측정값 및 온도센서(12)의 측정값 등의 각종 데이터를 수집하는 수집수단이다.

처리부(50)는 수집부(40)의 후단에 접속되어 수집부(40)에서 수집한 각종 측정값에 의거해서 판재의 열전도성, 열방출특성, 열용량 등과 같은 판재의 미세한 열특성을 산출하여 표시하는 처리수단으로서, 산업용컴퓨터, 제어컴퓨터, 제어PC(personal computer) 등과 같은 다양한 컴퓨터를 사용하는 것이 가능하다.

이와 같은 본 실시예의 판재의 미세한 열특성 측정장치는 코팅 및 다층 금속 판재의 열특성을 비교하고 평가할 수 있는 장치로서, 미세한 온도변화 및 공간에 대한 열방출율, 판재표면의 2차원 온도분포(2-dimension temperature profile)를 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

본 실시예의 측정장치는 전체의 측정공간이 외부의 온도변화 및 열적 대류현상에 의한 측정오차를 최소화하기 위하여 진공챔버 내부에서 측정대상 판재와 측정부를 구성하게 된 것이다.

특히, 본 실시예의 측정장치는 측정대상 판재로서 금속판재의 표면에 코팅층이 존재하는 도금판재 또는 금속, 유기, 세라믹 등의 다양한 층으로 구성되는 다층판재에 대한 열특성을 진공상태에서 측정하기 위한 장치이다.

따라서, 본 실시예의 측정장치는 종래의 비열 측정기 또는 열전도율 측정기 와 달리 대류가 없는 진공상태에 시편을 고정하고 공급되는 열원의 온도변화에 대한 표면의 방열율을 측정대상 소재의 표면의 거리에 따라 측정하고, 판재표면의 열적분포 즉, 열의 퍼짐성이나 전열성을 2차원 온도측정기를 이용하여 측정하는 구성을 구비하게 된다.

따라서 종래의 측정장치 보다 안정되고 정밀한 온도의 변화 및 수직방향이나 수직공간으로의 열방출율 및 수평방향이나 소재내부로의의 열전달 및 열분포의 특성을 정밀하게 측정할 수 있게 된다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 측정방법을 더욱 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정방법를 나타내는 흐름도로서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정방법은 판재 설치단계(S10), 판재 가열단계(S20), 판재의 온도변화 측정단계(S30), 판재표면의 온도분포 측정단계(S40), 열특성 산출단계(S50)를 포함하여 이루어진다.

판재 설치단계(S10)에서는 진공챔버(10) 내의 히터(11) 전면에 측정대상 판재(13)을 설치하고, 밸브(15)를 개방한 상태에서 진공펌프(16)를 가동하여 진공챔버(10)의 내부를 진공상태로 전환한다.

판재 가열단계(S20)에서는 진공챔버(10) 내에 설치된 측정대상 판재(13)의 후면에 설치된 히터(11)에 통전하여 판재(13)를 소정온도로 가열하게 된다. 이때 가열온도는 히터(11)의 일방에 설치된 온도센서(12)에 의해 검지되어 소정온도까지 지속적으로 가열하게 된다.

판재의 온도변화 측정단계(S30)에서는 측정대상 판재(13)의 상부에 이동가능하게 설치된 제 1 측정부(20)에 의해 상기 측정대상 판재(13)와의 이격거리를 변동시키면서 판재(13)와의 이격거리에 따른 온도변화를 측정하게 된다.

판재표면의 온도분포 측정단계(S40)에서는 진공챔버(10)의 투명창(14) 외부에 설치된 제 2 측정부(30)에 의해 상기 측정대상 판재(13)의 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하게 된다.

열특성 산출단계(S50)에서는 측정된 판재의 이격거리에 따른 온도변화와 상기 판재표면의 온도분포 및 히터(11)의 가열온도를 수집부(40)에서 수집하여 처리부(50)로 전송하며, 처리부(50)에서 이들 측정값에 의거해서 측정대상 판재(13)의 열전도성, 열방출특성, 열용량 등과 같은 처리대상 판재(13)의 열특성을 산출하여 표시하게 된다.

더 구체적으로 설명하면, 진공챔버(10) 내부에 측정대상 판재(13)를 부착하고 후면에서 히터(11)를 이용하여 판재(13)에 열을 인가한다. 이때 발생되는 온도의 변화를 온도센서(12)로 검출하여 기준값으로 사용한다.

다음으로 판재(13)의 앞면에 위치한 적외선 온도센서(21)를 이용하여 공간내의 방열되는 열에 의한 온도 분포를 측정하게 되는데 판재의 표면에 수직한 방향으로 측정장치를 이동할 수 있는 이송기구를 구비하여 표면에서부터 각각의 거리의 변화에 대한 온도 분포의 변화를 측정하도록 하였다. 이를 통하여 각각의 소재에 따른 공간 방출율을 측정하도록 하였다.

다음으로 진공챔버(10)의 측정창 외측에 2차원 적외선 온도 프로파일러를 설치하여 판재표면의 온도변화를 측정하는데, 이때 판재표면의 열전달에 의한 소재내부로의 온도분포 변화추이 및 열균일도를 측정할 수 있도록 구성하였다.

이와 같이 공기에 의한 열대류를 억제하여 정밀한 온도변화를 측정하기 위하여 진공챔버를 구성하고, 그 내부에 적외선 온도센서를 수납하여 정밀측정이 가능하게 하며, 방열특성을 측정하기 위한 적외선 온도센서로 구성하여 판재에 의한 공간 방열특성을 측정하도록 하였다.

또한, 판재내부의 열전도성 및 균일성을 측정하기 위해 적외선 온도 프로파일러를 설치하여 판재표면의 온도편차량 및 균일성을 측정하여 정량화하게 되었다. 따라서 본 실시예의 측정방법에서는 측정용 모듈(module)의 구동 및 각종 데이터의수집, 저장, 평가, 경향 관리를 가능하게 하는 프로그램을 개발하여 전체 기능을 통합 자동화하는 것도 가능하다.

이상 설명한 본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러 가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서 상기 실시예는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안 된다.

도 1은 종래의 열특성 측정장치의 구성을 나타내는 정면도.

도 2는 종래의 열특성 측정장치의 구성을 나타내는 상면도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정장치를 나타내는 구성도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 판재의 미세한 열특성 측정방법를 나타내는 흐름도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10: 진공챔버 20: 제 1 측정부

30: 제 2 측정부 40: 수집부

50: 처리부

Claims (4)

1. 가열되는 판재가 내부에 설치된 진공챔버;

   상기 판재의 상부에 이동가능하도록 설치되어 상기 판재의 온도변화를 측정하는 제 1 측정부; 및

   상기 판재의 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 제 2 측정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 미세한 열특성 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 측정부는 적외선 온도센서와, 그 하부에 설치되어 레일을 따라 전후진 이동시키는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 하는 판재의 미세한 열특성 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 측정부는 상기 진공챔버의 일방에 형성된 투명창의 외부에 설치된 2차원 적외선 온도 프로파일러(2-dimension infrared ray temperature profiler)인 것을 특징으로 하는 판재의 미세한 열특성 측정장치.
4. 진공챔버 내에 판재를 설치하는 단계;

   상기 설치된 판재를 일정온도로 가열하는 단계;

   상기 판재와의 거리를 이동하면서 이격거리에 따른 판재의 온도변화를 측정하는 단계;

   상기 판재의 상부에서 판재표면의 온도분포를 측정하는 단계; 및

   상기 측정된 판재의 온도변화와 상기 판재표면의 온도분포에 의거해서 판재의 열전도성, 열방출특성, 열용량을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재의 미세한 열특성 측정방법.

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