KR20120017977A

KR20120017977A - 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치

Info

Publication number: KR20120017977A
Application number: KR1020100080982A
Authority: KR
Inventors: 이욱현; 박성룡; 장석필; 황교식; 이승현
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-02-29
Also published as: WO2012023758A2; JP5639714B2; JP2013534322A; WO2012023758A3; KR101236284B1

Abstract

본 발명은 열선의 장력 및 기울기를 고려하여 측정오차를 최소화함으로써 나노유체의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치 및 방법에 관한 것으로서, 상하로 이격된 상부판 및 하부판; 상기 상부판 및 상기 하부판 사이에 설치된 실린더; 상기 상부판을 관통하도록 결합된 제1고정수단; 상기 가동판의 상면에 설치되고, 상기 제1고정수단과 동일한 연직선 상에 위치하는 제2고정수단; 및 상기 제1고정수단 및 상기 제2고정수단에 양단이 각각 고정된 열선을 포함하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치를 제공한다.

Description

비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치{THERMAL CONDUCTIVITY MEASURING DEVICE OF NANOFLUID USING TRANSIENT HOT-WIRE METHOD}

본 발명은 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 열선의 장력 및 기울기를 고려하여 측정오차를 최소화함으로써 나노유체의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는, 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치에 관한 것이다.

비정상열선법(transient hot-wire method)은 유체의 열전도도를 측정하는데 가장 널리 사용되는 방법으로서, 매우 가는 열선에 전류를 인가한 후 시간에 따른 열선의 온도 상승을 이용하여 열전도도를 측정하는 방법이다.

이러한 비정상열선법은 유체의 열전도도를 측정하는 다른 방법인 정상상태법과 비교하여 유체 내에서 일어나는 자연대류의 영향을 효과적으로 억제할 수 있다. 따라서 유체의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 유체의 열전도도 측정에 많은 시간이 소요되지 않아 효과적이다.

도 7은 종래의 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정시스템을 도시한 계략도이고, 도 8은 종래의 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치를 도시한 도면이며, 도 9는 열선의 기울기 변화에 따른 자연대류 발생시점을 나타낸 그래프이다.

도면을 참조하면 일반적인 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정시스템은, 열전도도 측정장치(10), 표준정밀저항 및 정밀가변저항으로 구성된 휘스톤 브리지(20), 전원공급장치(30), 열전도 측정장치(10)에서 측정된 데이터를 수집하는 데이터수집장치(40)로 구성된다.

이 중에서 열전도도 측정장치(10)는, 길이가 비교적 긴 하나의 열선을 사용하는 구조(도 8의 (a) 참조)와, 길이가 서로 다른 두 개의 열선을 사용하는 구조(도 8의 (b) 참조)로 구분된다.

앞의 장치는 열선을 하나만 이용하므로 구성이 간단하고 측정이 용이하지만, 열선의 양끝 접합점에서 전도에 의한 열손실이 생기고, 이러한 열손실에 따른 측정오차로 인해 열전도도를 정확하게 측정하기 어려운 문제가 있다. 반면, 후자의 구조는 전자에 비해 상대적으로 복잡하지만, 두 개의 열선 양끝 접합점에서 동일하게 발생한 열손실량을 회로구성과 자료의 처리를 통하여 서로 상쇄시킴으로써 전도손실에 의한 측정오차가 발생하지 않아 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다.

그러나 종래의 열전도도 측정장치는 측정 시 측정시간에 대한 기준점을 명확하게 하지 않을 경우 자연대류로 인한 측정오차가 발생한다. 특히 열선의 장력이 적정한 값에 도달하지 못하거나 열선이 연직으로 배치되지 못한 경우, 도 9에 도시된 것처럼 자연대류가 예측한 시간보다 빨리 발생하여 신뢰할 수 있는 수준의 측정값을 얻을 수 없다.

또한, 종래의 열전도 측정장치는 열선이 납땜에 의해 고정된 구조이므로 열선을 교체할 때마다 납땜을 해야 하는 번거로움이 있으며, 교체한 열선이 연직으로 배치되도록 기울기를 조절하는 작업이 용이하지 못하다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 열선의 장력 및 기울기를 고려하여 측정오차를 최소화함으로써 나노유체의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치를 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 열선의 설치 및 교체가 매우 용이한 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치는 아래와 같은 구성을 포함하여 이루어진다.

상하로 이격된 상부판 및 하부판;

상기 상부판 및 상기 하부판 사이에 설치된 실린더;

상기 상부판을 관통하도록 결합된 제1고정수단;

상기 가동판의 상면에 설치되고, 상기 제1고정수단과 동일한 연직선 상에 위치하는 제2고정수단; 및

상기 제1고정수단 및 상기 제2고정수단에 양단이 각각 고정된 열선.

상기 구성의 본 발명 장치에 의하면, 장력조절수단을 이용하여 제1고정수단을 상승 또는 하강시키면 열선의 장력을 조절할 수 있다. 또한, 열선이 고정되는 제1고정수단과 제2고정수단이 연직선 상에 위치하기 때문에 열선의 기울기가 연직선과 평행하게 유지될 수 있다. 따라서 나노유체의 열전도도 측정 시 열선의 장력 및 기울기에 의해 발생되는 오차를 최소화할 수 있으므로 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다.

이때, 상기 장력조절수단에 설치되어 열선의 장력을 측정하는 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1고정수단과 상기 제2고정수단은, 봉 형상의 몸체와, 경사진 형상의 고정구와, 내벽면이 상기 고정구와 대응되는 경사진 형상으로 형성되고 상기 몸체와 나사 결합되는 고정너트를 포함한다. 이때, 고정구의 중앙에는 열선이 관통되는 고정홀이 형성되고, 고정구의 상면 또는 하면에는 고정홀을 중심으로 하는 +자형 홈이 형성된다.

이러한 구조의 제1고정수단과 제2고정수단에 의하면, 열선이 고정구에 삽입된 상태에서 고정너트를 조이면 열선의 고정 작업이 완료된다. 따라서 열선의 설치 및 교체가 용이할 뿐만 아니라 제1고정수단과 제2고정수단이 연직선 상에 위치되므로 열선의 기울기를 조절하는 작업이 필요하지 않다.

상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 장력조절수단 및 센서, 그리고 연직선 상에 위치된 제1고정수단과 제2고정수단을 이용하여 나노유체의 열전도도 측정 시 열선의 장력 및 기울기에 의해 발생되는 오차를 최소화할 수 있으므로 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 고정수단이 납땜의 방법이 아닌 나사체결을 통해 열선을 고정함으로써 설치 및 교체가 용이할 뿐만 아니라, 제1고정수단과 제2고정수단이 연직선 상에 위치되기 때문에 열선의 기울기를 조절하는 작업이 필요하지 않은 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치 중 제1고정수단을 도시한 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치 중 제1고정수단을 도시한 단면도이다.
도 4는 도 1의 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치 중 일부를 확대한 도면이다.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치를 이용한 측정방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 도 1의 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치를 이용한 물의 열전도도 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 종래의 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정시스템을 도시한 계략도이다.
도 8은 종래의 비정상열선법을 이용한 열전도도 측정장치를 도시한 도면이다.
도 9는 열선의 기울기 변화에 따른 자연대류 발생시점을 나타낸 그래프이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이하, 본 발명에 따른 실시예를 설명함에 있어, 그리고 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 부가하였다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치(100, 이하 측정장치라 함)는, 상하로 이격된 상부판(110) 및 하부판(120)과, 상부판(110) 및 하부판(120) 사이에 설치된 실린더(130)와, 실린더(130)의 내측 하부에 설치된 가동판(140)과, 상부판(110)을 관통하도록 결합된 제1고정수단(150)과, 가동판(140)의 상면에 설치된 제2고정수단(160)과, 제1고정수단(150) 및 제2고정수단(160)에 양단이 각각 고정된 열선(W)과, 상부판(110)의 상면에 설치된 장력조절수단(170)과, 장력조절수단(170)에 설치된 센서(180)를 포함한다.

상부판(110)은 소정 두께의 원판형상이다. 그 중앙에는 제1고정수단(150)이 결합되는 결합공(112)이 형성되고, 결합공(112)의 주위에는 후술할 로드(192)가 관통되는 관통공(114) 및 실린더(130)와의 결합을 위한 나사가(S) 체결되는 체결공(116)이 형성된다. 또한, 상부판(110)의 상면 중앙에는 제1고정수단(150)의 상부, 장력조절수단(170) 및 센서(180)의 하부가 내장되는 커버(118)가 형성된다.

하부판(120)은 하면에 홈(122)이 형성된 원판 형상이며, 홈(122)에는 실린더(130)와의 결합을 위한 나사가(S) 체결되는 체결공(124)이 형성된다. 이와 같이 하부판(120)의 하면에 홈(122)이 형성된 이유는 나사(S)가 돌출되는 것을 방지하여 측정장치(100) 설치 시 수평을 유지하기 위함이다.

실린더(130)는 열전도도 측정용 유체(이하 나노유체라 함)가 충전되는 부분이다. 상단 및 하단에 플랜지(132)가 형성된 원통 형상으로 형성되고, 플랜지(132)에는 상부판(110) 및 하부판(120)과의 결합을 위한 나사가(S) 체결되는 체결공(134)이 형성된다.

상술한 형상의 실린더(130)는 내부에 충전된 나노유체가 누출되지 않도록 밀봉된 구조이어야 한다. 이를 위해, 실린더(130)와 상부판(110) 사이, 실린더(130)와 하부판(120) 사이, 그리고 상부판(110)과 제1고정수단(150) 사이에는 기밀유지용 오링(194)이 설치된다.

가동판(140)은 실린더(130)의 내측 하부에 설치되고, 열선(W)의 길이를 조절할 수 있도록 상하로 이동 가능하게 설치된다. 이를 좀 더 상세히 설명하면, 가동판(140)은 상부판(110)에 상단이 고정된 로드(192)의 아래쪽에 설치되고, 가동판(140)의 상면 및 하면에서 너트(N)에 의해 고정된다. 즉, 너트(N)를 풀고 가동판(140)을 상하로 이동시킬 경우 설치 높이를 조절할 수 있다.

이때, 상부판(110)과 가동판(140)은 테플론 재질인 것이 바람직하다. 또한, 가동판(140)을 지지하는 로드(192)는 나노유체의 열전도도 측정에 영향을 주지 않도록 열전도도가 우수한 스테인리스스틸 또는 구리 재질인 것이 바람직하다.

제1고정수단(150)과 제2고정수단(160)은 열선(W)을 고정하는 수단이다. 제1고정수단(150)은 상부판(110)의 중앙에 형성된 결합공(112)에 설치되고, 제2고정수단(160)은 가동판(140) 상면의 중앙에 설치된다.

이와 같이 제1고정수단(150)과 제2고정수단(160)을 동일한 연직선 상에 위치시킨 이유는, 열선(W)의 기울기가 나노유체의 열전도도 측정에 영향을 주는 점을 고려해서이다. 즉 제1고정수단(150)과 제2고정수단(160)을 동일한 연직선 상에 위치시킴으로써 자연대류의 발생을 지연시켜 열전도도의 측정오차를 최소화하기 위함이다.

한편, 도 2와 도 3을 참조하여 제1고정수단(150)과 제2고정수단(160)의 구조를 살펴보면 다음과 같다. 여기서 제2고정수단(160)은 제1고정수단(150)과 동일한 구조 및 형상을 가지므로 제1고정수단(150)을 대표로서 설명한다.

제1고정수단(150)은, 몸체(150a), 몸체(150a)의 하부에 위치되는 고정구(150b), 고정구(150b)를 감싸며 몸체(150a)의 하부에 나사 결합되는 고정너트(150c)를 포함하여 구성된다.

몸체(150a)는 봉 형상이며, 장력조절수단(170)과의 결합을 위한 수나사(도 4의 151)가 중간 부분에 형성된다. 또한, 몸체(150a)의 하단에는 고정너트(150c)와의 결합을 위한 나사산(152)이 형성되고, 하면에는 열선(W)이 삽입되는 삽입홈(153)이 형성된다(도 3 참조).

도 3에서 고정구(150b)는 상부로 갈수록 직경이 넓어지는 경사진 형상으로 형성된 탄성체이다. 그 중앙에는 열선(W)이 관통되는 고정홀(154)이 형성되고, 하면에는 고정홀(154)을 중심으로 하는 +자형 홈(155)이 형성된다. 이 +자형 홈(155)은 열선(W) 결합 시 고정홀(154)을 확장시키고, 고정너트(150c) 결합 시 고정구(150b)를 열선(W)에 압착시키기 위한 공간이다.

도 2에서, 이러한 +자형 홈(155)은 고정구(150b)의 상면에서 일정 깊이로 형성된다. 고정너트(150c)는 몸체(150a)에 나사 결합되어 고정구(150b)를 열선(W)에 압착시키기 위한 조임수단이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 고정너트(150c)의 내벽면 하부(156)는 고정구(150b)와 대응되는 경사진 형상으로 형성되고, 내벽면 상부에는 몸체(150a)의 나사산(152)과 대응되는 나사산(157)이 형성된다.

상술한 구조의 제1고정수단(150)에서는, 고정너트(150c)가 몸체(150a)와 나사 결합되기 때문에 열선(W)의 설치 및 교체가 용이하다. 즉, 열선(W)을 고정홀(154)에 삽입한 상태에서 고정구(150b)를 몸체(150a)와 고정너트(150c) 사이에 위치시킨 다음 고정너트(150c)를 결합하면 설치가 완료된다.

이때, 고정너트(150c)가 몸체(150a)에 나사 결합되는 과정에서 고정너트(150c)의 내벽면 하부(156)가 고정구(150b)를 가압하며, 고정구(150b)가 압착되면 열선(140)을 고정한다. 반면, 고정너트(150c)를 풀면 고정구(150b)를 가압하던 고정구(150b)의 압착 상태가 해제되어 열선(W)을 손쉽게 분리할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상부판(110)의 결합공(112)에는 직선운동베어링(196)이 설치되고, 직선운동베어링(196)의 내부에는 제1고정수단(150)이 설치된다. 또 제1고정수단(150)의 중간에는 장력조절수단(170)이 설치되고, 제1고정수단(150)의 상단에는 열선(W)의 장력을 측정하는 센서가 설치된다.

이때, 제1고정수단(150)과 장력조절수단(170)은 제1고정수단(150)의 중간에 형성된 수나사(151)와 장력조절수단(170)의 내부에 형성된 암나사(172)를 통해 서로 결합된다.

이러한 구조에 의하면, 장력조절수단(170)을 도면의 화살표(A) 방향으로 회전시킬 경우 수나사(151)와 암나사(172)가 맞물려 움직임으로써 제1고정수단(150)이 위쪽으로 움직이며 열선(W)을 긴장시킨다. 반면, 장력조절수단(170)을 화살표(A) 반대방향으로 회전시키면 제1고정수단(150)이 아래로 움직이면서 열선(W)을 이완시킨다.

결국, 열선(W)의 장력을 적정한 값으로 조절함으로써, 열선(W)의 장력을 고려하여 측정오차를 최소화할 수 있다. 따라서 나노유체의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다

상술한 측정장치(100)를 이용한 나노유체의 열전도도 측정방법을 도 5를 참조하여 살펴본다.

우선, 측정장치(100)에 열선(W)을 설치한다(S10). 도 3을 참조하면, 몸체(150a)에서 고정너트(150c)를 분리하고 열선(W)이 고정구(150b)의 고정홀(154)에 관통시킨다. 그 후, 고정구(150b)가 압착되어 열선(W)을 고정할 수 있도록 고정너트(150c)를 몸체(150a)에 나사 결합한다.

열선(W) 설치가 완료되면 도 4에 나타난 바와 같이 장력조절수단(170)을 이용하여 제1고정수단(150)을 상승 또는 하강시킴으로써 열선(W)의 장력을 원하는 값으로 설정한다(S20).

다음으로, 실린더(130)에 물을 주입한 후 열선(W)에 전원을 공급하여 물의 열전도도를 측정한다(S30). 즉 장력조절수단(170)과 센서(180)를 이용하여 열선(W)의 장력을 조절하며 물의 열전도도를 측정할 경우 측정오차가 가장 작은 열선(W)의 장력을 알아낼 수 있다.

상술한 단계에서 측정된 장력값에 따라 열선의 장력을 조절한다(S40).

최종적으로, 실린더(130)주입된 물을 배출하고 열전도도를 측정할 나노유체를 주입한 후 나노유체의 열전도도를 측정한다(S50,S60).

이와 같이, 본 실시예에 따른 측정장치(100)를 이용하여 나노유체의 열전도도를 측정할 경우 열선(W)에 적정한 장력이 인가된다. 또 열선(W)이 연직방향으로 배치된다. 따라서 열선(W)의 장력 및 기울기에 의해 발생되는 측정오차를 최소화할 수 있어 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다.

또한, 고정수단(150,160)이 납땜이 아닌 나사체결을 통해 열선(W)을 고정하므로 설치 및 교체가 용이하고, 제1고정수단(150)과 제2고정수단(160)이 연직선 상에 위치되므로 열선(W)의 기울기 조절 작업이 필요하지 않아 측정이 용이하다.

한편, 본 실시예에 따른 측정장치(100) 및 측정방법을 이용한 유체의 열전도도 실험결과를 살펴보면 다음과 같다.

물을 이용하여 열전도도를 측정한 결과, 도 6에 도시된 것처럼 열전도도의 측정오차범위가 1.5% 이내인 것을 확인할 수 있었으며, 실험결과의 신뢰성을 나타낼 수 있는 결과의 선형성이 0.9999 이상임을 알 수 있었다.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 측정장치 110: 상부판
120: 하부판 130: 실린더
140: 가동판 150: 제1고정수단
160: 제2고정수단 170: 장력조절수단
180: 센서

Claims

상하로 이격된 상부판 및 하부판;
상기 상부판 및 상기 하부판 사이에 설치된 실린더;
상기 상부판을 관통하도록 결합된 제1고정수단;
상기 가동판의 상면에 설치되고, 상기 제1고정수단과 동일한 연직선 상에 위치하는 제2고정수단; 및
상기 제1고정수단 및 상기 제2고정수단에 양단이 각각 고정된 열선을 포함하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 상부판의 상면에 설치되어 상기 제1고정수단을 상하로 이동시키는 장력조절수단; 및
상기 열선의 장력을 측정하는 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1고정수단의 중간에 수나사가 형성되고, 상기 장력조절수단의 내측에 암나사가 형성되어, 상기 장력조절수단 회전시 상기 제1고정수단이 상승 또는 하강하는 것을 특징으로 하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제1고정수단 또는 제2고정수단이,
몸체;
상기 열선이 관통되는 고정홀이 형성되고, 상기 고정구의 고정홀을 중심으로 +자형 홈이 하면에 형성된 탄성체의 고정구; 및
상기 몸체의 하부에 나사 결합되어 상기 고정구를 조이는 고정너트를 포함하
청구항 4에 있어서,
상기 고정구가 상부로 갈수록 직경이 넓어지는 경사진 형상인 것을 특징으로 하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치.
청구항 1에 있어서,
상기 실린더의 내에 설치되고 상하 이동이 가능한 가동판; 및
상기 가동판에 연결되어 가동판의 상하 이동을 가이드하는 로드를 더 포함하며, 상기 상부판과 가동판이 테플론 재질인 것을 특징으로 하는 비정상열선법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정장치.