KR20110061835A - 나노유체의 열확산 측정장치 - Google Patents

나노유체의 열확산 측정장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 나노유체의 내부의 열확산을 측정하는 열확산 측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 전원을 공급받아 나노유체의 내부에 열을 가하는 전열선, 일부분이 상기 전열선으로부터 소정간격 이격되도록 배치되어 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 대응하여 변화되는 저항값에 근거하여 내부에 전압차가 발생되는 브릿지 회로 및 상기 브릿지 회로의 상기 전압차를 전달받아 상기 전압차를 증폭하여 출력하는 증폭부를 포함한다. 이와 같은 구성에 의해, 본 발명은 상기 나노유체의 내부에 확산되는 열을 상기 브릿지 회로 내부의 상기 전압차에 의해 검출할 수 있다.
나노유체, 열확산율, 열전도도, 비정상열선법, 센서모듈

Description

나노유체의 열확산 측정장치{Thermal diffusivity of nanofluid measurement equipment}
본 발명은 열확산율 측정장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 브릿지 회로의 내부에서 발생되는 전압차를 사용하여 나노유체의 내부에서 확산되는 열을 측정하는 나노유체의 열확산 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로 유체는 형상이 정해지지 않아 변형이 쉽고 자유로이 흐를 수 있는 액체 또는 기체를 총칭한다. 유체는 공기조화 시스템 및 냉각장치 등의 다양한 분야에 사용된다.
나노유체는 물, 에틸렌글리콜 및 오일 등의 액체에 열전도가 높은 금속, 산화물, 세라믹 또는 비금속 등과 같은 나노 크기의 고상 입자를 첨가하여 유체의 열전달 및 열확산 성능을 높인 혼합유체이다. 나노유체는 뛰어난 열전달 특성으로 인해 열전달매체 또는 열제거장치 등에서 고온에서 저온으로 열을 교환해주는 열 교환 또는 열 수송용 소자로 사용된다.
따라서, 나노유체는 열전도와 열확산에 의해 나노유체의 성능이 결정되기 때문에 고상 입자가 삽입되기 전 유체의 열전도 및 열확산과 고상 입자가 삽입된 나노유체의 열전도 및 열 확산이 비교되어 나노유체의 유용성을 검증받는다.
일반적으로 나노유체의 열전도 및 열확산을 측정하는 방법은 나노유체의 열전도 및 열 확산을 동시에 측정할 수 있는 비정상 열선법이 있다.
비정상 열선법은 온도의 변화에 따라 저항값이 변화되는 가느다란 열선센서가 측정되는 유체 내부에 중력방향으로 삽입된다. 이 열선센서에 순간적으로 전류가 흐르면 열선센서 자체의 온도가 상승 되고 열선센서가 삽입된 유체의 온도가 상승 된다.
이때, 열선센서가 삽입된 유체의 열전도 효과가 좋으면 열선센서에 의해 발생 되는 열의 대부분은 유체 쪽으로 전달되어 열선센서의 온도상승이 작게 발생하여 열선센서 저항값의 증가량이 작고 열선센서가 삽입된 유체의 열전도 효과가 좋지 않으면 열선센서에 의해 발생 되는 열의 대부분은 열선센서에 축적되어 열선센서의 온도상승이 크게 발생하여 열선센서 저항값의 증가량이 커진다.
즉, 측정되는 열선센서 저항값의 증가량이 적으면 유체의 열전도 효과가 좋고 열선센서 저항값의 증가량이 크면 유체의 열전도 효과가 좋지 못하다.
이와 같은 방식을 사용하여 비정상 열선법에 의해 유체 내부의 열 확산율이 측정된다.
하지만, 유체 내부의 온도 차이에 의해 열선센서에서 발생한 열이 온도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동되는 것이 측정되어야 하는 열확산이 열이 발생되고 온도를 측정하는 하나의 열선센서가 사용되는 비정상 열선법으로 측정되면 결과데이터에 의해 계산된 열확산율과 실제 나노유체의 열확산율이 차이가 많이 생긴다는 문제점이 있었다.
본 발명은 하나의 열선센서가 사용되어 나노유체내부의 열확산을 측정하는 비정상열선법에서 생길 수 있는 실험결과 데이터에 의해 계산되는 나노유체의 열확산율과 실제 나노유체의 열확산율의 오차를 줄일 수 있는 나노유체의 열확산 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 나노유체의 열확산 측정장치는 전원을 공급받아 나노유체의 내부에 삽입되어 열을 가하는 전열선; 일부분이 상기 전열선으로부터 소정간격 이격되도록 배치되어 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 대응하여 변화되는 저항값에 근거하여 내부에 전압차가 발생되는 브릿지 회로; 및 상기 브릿지 회로의 상기 전압차를 전달받아 상기 전압차를 증폭하여 출력하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 브릿지 회로는 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 대응하여 저항값이 변화되는 상기 열감지부와 제 1 고정저항이 직렬로 연결되어 있는 제 1 루프 및 제 2 고정저항과 가변저항이 직렬로 연결된 제 2 루프를 포함하며 상기 제 1 루프와 제 2 루프는 병렬로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열감지부는 상기 전열선에 대응되게 상기 나노유체의 내부에 삽이되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열감지부는 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 비례하여 저항값이 증가되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 루프와 제 2 루프 사이의 상기 전압차는 상기 열감지부의 저항값에 비례하여 증가되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 열확산 측정장치에 따르면 나노유체에 열을 가하는 전열선과 열발생부에서 일정거리만큼 떨어진 부분의 나노유체의 내부온도를 측정하는 브릿지회로를 사용함으로써 나노유체의 내부에 열이 확산 되는 것을 정확하게 측정하여 실험결과 데이터에 의해 계산되는 나노유체의 열확산율과 실제 나노유체의 열확산율의 오차를 줄일 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유체의 열확산 측정장치에 대해 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노유체의 열확산 측정장치(100)를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참고로 하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 나노유체의 열확산 측정장치(100)는 전열선(110), 온도검출부(120) 및 증폭부(130)를 포함한다.
전열선(110)은 실험용기(10)에 수용된 나노유체(11)의 내부에 열을 가하기 위한 것으로, 나노유체(11) 내부에 삽입되며 제 1 전원공급부(111)로부터 공급되는 전기에너지를 열에너지로 전환시켜 열을 발생시킨다.
또한, 전열선(110)은 열 전도성이 좋은 백금선 또는 텅스텐선 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
제 1 전원공급부(111)는 전열선(110)에 전원을 공급하기 위한 것으로, 전열선(110)에 연결된다.
또한, 측정장치(100)는 전열선(110)으로 인가되는 전원을 선택적으로 차단할 수 있는 스위치(112)와 나노유체(11)의 내부에 삽입된 전열선(110)에서 발생되는 열량을 간접적으로 계산하기 위해 전열선(110)에 직렬로 연결되는 열량측정저항(113)을 더 포함할 수 있다.
브릿지 회로(120)는 유체(11) 내부에 확산되는 열을 감지하기 위한 것으로, 제 1 루프(121) 및 제 2 루프(124)를 포함하며 제 1 루프(121)와 제 2 루프(124)는 병렬로 연결되어 있다.
제 1 루프(121)는 열감지부(122)와 제 1 고정저항(123)이 직렬로 연결되어 있다.
열감지부(122)는 전열선(110)으로부터 확산되는 열에 대응하여 저항값이 변화되는 것으로, 전열선(110)에 평행하게 나노유체(11)에 삽입되어 나노유체(11)의 내부에서 전열선(110)으로부터 확산되는 열에 비례하여 저항값이 증가된다.
또한, 열감지부(122)는 전열선(110)에서 발생되는 열을 효과적으로 전달받기 위하여 전열선(110)과 일치하는 형상인 것이 바람직하고, 열 전도성이 좋은 백금선 또는 텅스텐선 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.
제 2 루프(124)는 제 2 고정저항(125)과 가변저항(126)이 직렬로 연결되어 있다.
가변저항(126)은 열감지부(122)가 나노유체(11)의 내부에 삽입될 때 나노유체(11)의 기본 온도에 의해 변화되는 저항값에 대응하여 전압값이 변화되어 제 1 루프(121)의 열감지부(122)와 제 1 고정저항(123) 사이의 제 1 노드(121a)에 걸리는 전압과 제 2 루프(124)의 제 2 고정저항(125)과 가변저항(126) 사이의 제 2 노드(124a)에 걸리는 전압을 동일하게 하여 증폭부(128)로 전류가 흐르지 못하게 한다.
제 1 노드(121a)에 걸리는 전압과 제 2 노드(124a)에 걸리는 전압은 나노유체(11)의 온도가 변화되지 않으면 평형을 이루고 있다가 나노유체(11)의 온도가 전열선(110)에 의해 변화되면 제 1 노드(121a)에 걸리는 전압과 제 2 노드(124a)에 걸리는 전압에 차이가 생겨 증폭부(130)로 전류가 흐른다.
즉, 열감지부(122)가 나노유체(11)의 내부온도에 비례하여 저항값이 증가되면 제 1 노드(121a)에 걸리는 전압이 증가하게 되고, 제 1 노드(121a)에 걸리는 전압과 제 2 노드(124a)에 걸리는 전압의 차이가 증가하게 된다.
증폭부(130)는 브릿지 회로(120) 내부에서 생기는 전압차를 증폭하기 위한 것으로, 일측이 브릿지 회로(120)에 연결되어 제 1 노드(126)와 제 2 노드(127)에 걸리는 전압을 비반전단자와 반전단자로 전달받아 증폭하며 타측이 별도의 표시부재, 즉 데이터 기록계(12) 또는 오실로스코프 등에 연결되어 온도값을 출력한다.
열확산 측정장치(100)는 브릿지 회로(120) 및 증폭부(130)에 전원을 공급하는 제 2 전원공급부(140)를 더 포함할 수 있다.
또한, 열확산 측정장치(100)는 나노유체(11)에 삽입되는 전열선(110)과 열감지부(122)의 위치를 고정시키고 다른 장치들을 보호하기 위한 보호케이스(미도시)를 더 포함할 수 있다.
보호케이스는 중공형 직육면체 형상인 것이 바람직 한다.
보호케이스는 보호케이스의 중공부분에 전열선(110)과 열감지부(122)가 노출되어 전열선(110)과 열감지부(122)의 위치를 고정시킬 수 있고 전열선(110)과 열감지부(122)에 연결된 다른 장치부분들이 보호케이스의 내부에 삽입되어 다른 장치부분들이 나노유체에 노출되는 것을 방지할 수 있다.
상술한 본 발명의 열확산 측정장치(100)에 의해 얻어지는 측정값과 이론값을 비교하면 다음과 같다.
전열선(110)으로부터 거리 r만큼 떨어진 위치의 나노유체(11) 내부온도상승 은 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00001
(1)
여기서, α는 열확산율이고 k는 열전도율이고 q는 단위길이당 발생열량을 나타낸다. 이 식에서 함수 E1을 수학 소프트웨어를 사용하여 구하면 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00002
(2)
여기서 r은 전열선(110)과 열감지부(122) 사이의 간격으로 대략 3mm이고 엔진오일의 열확산율은 0.859*10-7이므로, 시간에 따른 변수 r2/4αt을 나타내면 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00003
(4)
이때, 15초 이후에는 나노유체(11) 내부에서 부력에 의한 유동이 발생 되어 열 확산율의 측정이 불가능하기 때문에 본 장치가 이용되어 측정된 측정값은 대략 15초까지의 데이터만 사용된다.
열감지부(122)는 유체(11) 내부에서 대략 12.963Ω이며 제 1 고정저항(123)은 2kΩ이다. 제 2 고정저항(125)은 10kΩ이며 가변저항(126)은 1kΩ의 범위에서 조절된다.
전열선(110)에서 열이 발생 되기 전 브릿지 회로(120)가 균형을 이루는 상태 의 가변저항(126)의 저항값은 64.815Ω이다. 브릿지 회로(120)의 특징은 제 1 고정저항(123)의 저항값이 열감지부(122)의 저항값보다 매우 큰 것이다. 온도상승에 따른 저항값의 변화는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00004
(5)
여기서 Rt는 열감지부(122)의 저항값이고 Rt0는 열감지부(122)의 원래 저항값이다. 이때, 온도상승이 크게 나타나는 엔진오일에서도 15초 동안 변화되는 온도는 1℃정도가 변화된다. 이와 같이 나노유체(11)의 내부온도의 1℃ 온도상승에 따라 변화되는 열감지부(122)의 저항값은 0.047Ω(=12.023*0.0039092*1)이다. 열감지부(122)가 포함된 제 1 루프(121)의 총 저항값은 나노유체(11)의 온도가 21℃인 경우 2012.963Ω(=2000Ω+12.963Ω)이고 나노유체(11)의 온도가 1℃ 상승되어 22℃인 경우 2013.01Ω(=2000Ω+13.963Ω+0.047Ω)이다. 따라서, 15V가 브릿지 회로(120)에 인가되면 나노유체(11)의 온도가 21℃인 경우 열감지부(122)가 포함된 제 1 루프(121)에 흐르는 전류는 7.4517mA이고 나노유체(11)의 온도가 1℃ 상승되어 22℃인 경우 열감지부(122)가 포함된 제 1 루프(121)에 흐르는 전류는 7.4515mA가 된다. 따라서 저항값의 크기가 작게 변화되는 경우 브릿지 회로(121)에는 거의 일정한 전류가 흐르게 되고 전류가 일정하므로 열감지부(122)의 저항값 증가되면 제 1 노드(121)에 걸리는 전압이 증가되고, 제 1 루프(121)와 제 2 루프(124) 사이의 전압차가 증가한다. 제 1 루프(121)와 제 2 루프(124) 사이의 전압차의 변화량과 온도의 변화량은 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00005
(6)
전압차의 변화량과 온도의 변화량은 비례하여 증가하므로 위의 식 (4)를 나노유체(11)의 질량과 열확산율 그리고 전열선(110)과 열감지부(122) 사이의 간격 등의 상수를 고려하면 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00006
(7)
(7)을 변형하면 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00007
(8)
여기서 위의 식 (8)에 새로운 변수를 대입하면 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00008
(9)
위의 식(9)에 의해 브릿지 회로(120)의 내부 전압차 상승 시간 데이터가 적절한 변환과정을 통하여 일차 함수의 식으로 곡선맞춤 될 수 있다. 위의 식 (7)에 서 C2가 열확산율의 정보를 가지고 있고, 일차함수로 변형된 위의 식 (9)에서 A가 C2를 나타낸다. 측정된 실험데이터를 이용하여 계수 C2를 구하는 과정은 먼저 전압신호에 로그를 취하고, 다음으로 시간의 역수를 구하고 구해진 시간의 역수에 음수를 붙이고, 도 2에 나타낸 나노유체의 열확산 측정장치(100)에 의해 구해진 전압변화데이터를 곡선맞춤을 통해 직선으로 표시하여 직선의 기울기를 구한다.
엔진오일과 글리세린에 대한 전압변화데이터에 변환과정을 적용하여 최종적으로 열확산계수를 구하는 과정에서 C2는 다음과 같다.
Figure 112009074408916-PAT00009
(10)
따라서 열확산율 α는 다음과 같이 표시된다.
Figure 112009074408916-PAT00010
(11)
r에 전열선(110)과 열감지부(122) 사이의 간격인 3mm가 대입되고, 도 3에 나타난 엔진오일 실험결과가 곡선맞춤을 통해 직선으로 변화된 그래프의 직선의 기울기 33.26이 위의 식(11)에 대입되어 열확산율이 계산되면 다음과 같다.
Figure 112009074408916-PAT00011
엔진오일의 열확산율인 0.859*10-7과 실험을 통해 측정된 측정값을 비교하면 0.6%(=(0.854-0.859)*100/0.859)의 오차를 가지는 것을 알 수 있다.
도 4에 나타난 글리세린 실험결과가 곡선맞춤을 통해 직선으로 변화된 그래프의 직선의 기울기 30.862가 위의 식(11)에 대입되어 열확산율이 계산되면 다음과 같다.
Figure 112009074408916-PAT00012
글리세린의 열확산율인 0.935*10-7과 실험을 통해 측정된 측정값을 비교하면 1.6%(=(0.920-0.935)*100/0.935)의 오차를 가지는 것을 알 수 있다.
즉, 나노유체(11)의 이론에 따른 열확산율과 실험을 통해 측정된 열확산율의 오차가 거의 없는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 본 발명의 유체의 열확산 측정장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노유체의 열확산 측정장치를 나타내는 개략도;
도 2는 나노유체의 열확산 측정장치에 의해 구해진 엔진오일 및 글리세린의 전압변화 데이터;
도 3은 엔진오일의 실험결과가 곡선맞춤을 통해 직선으로 변화된 직선의 그래프; 및
도 4는 글리세린의 실험결과가 곡선맞춤을 통해 직선으로 변화된 직선의 그래프;이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 실험용기 11: 나노유체
12: 데이터 기록계 100: 열확산율 측정장치
110: 전열선 111: 제 1 전원공급부
112: 스위치 113: 열량측정저항
120: 브릿지 회로 121: 제 1 루프
121a: 제 1 노드 122: 열감지부
123: 제 1 고정저항 124: 제 2 루프
124a: 제 2 노드 125: 제 2 고정저항
126: 가변저항 130: 증폭부
140: 제 2 전원공급부

Claims (5)

  1. 전원을 공급받아 나노유체의 내부에 삽입되어 열을 가하는 전열선;
    일부분이 상기 전열선으로부터 소정간격 이격되도록 배치되어 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 대응하여 변화되는 저항값에 근거하여 내부에 전압차가 발생되는 브릿지 회로; 및
    상기 브릿지 회로의 상기 전압차를 전달받아 상기 전압차를 증폭하여 출력하는 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노유체의 열확산 측정장치;
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 브릿지 회로는 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 대응하여 저항값이 변화되는 상기 열감지부와 제 1 고정저항이 직렬로 연결되어 있는 제 1 루프 및 제 2 고정저항과 가변저항이 직렬로 연결된 제 2 루프를 포함하며 상기 제 1 루프와 제 2 루프는 병렬로 연결된 것을 특징으로 하는 나노유체의 열확산 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 열감지부는 상기 전열선에 대응되게 상기 나노유체의 내부에 삽이되는 것을 특징으로 하는 난유체의 열확산 측정장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 열감지부는 상기 전열선으로부터 확산되는 열에 비례하여 저항값이 증가되는 것을 특징으로 하는 나노유체의 열확산 측정장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 루프와 제 2 루프 사이의 상기 전압차는 상기 열감지부의 저항값에 비례하여 증가되는 것을 특징으로 하는 나노유체의 열확산 측정장치.
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