KR20160085052A - 온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 이의 온도 센싱 방법 - Google Patents

온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 이의 온도 센싱 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 측정된 외부 온도에 따른 대류열전달계수를 검출하고자 하는 외기 온도의 대류열전달계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있는 온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 이의 온도 센싱 방법에 관한 것이다.

Description

온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 이의 온도 센싱 방법{TEMPERATURE SENSING MODULE, ELECTRONIC DEVICE HAVING THEREOF AND METHOD FOR SENSING TEMPERATURE THEREOF}
본 발명은 온도를 센싱하는 온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 온도 센싱 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 전자기기에 다양한 센서들이 급격하게 채용되고 있는 추세이다.
특히, 휴대용 기기에 채용된 센서들로부터 실시간으로 제공되는 주변환경 또는 인체의 상태를 알리는 신호를 취득하여 인간의 건강을 유지, 증진시키기 위한 건강 관리 기기들은 현대인들의 자기관리 욕구의 증가에 힘입어 새로운 시장으로서 기대를 얻고 있다.
일 예로, 최근 판매되고 있는 스마트 폰(smart phone) 또는 웨어러블(wearable) 건강관리 기기에도 온,습도 센서가 채용되어 사용자가 위치한 장소의 온,습도 환경을 알려주는 기능이 채용되고 있다.
스마트 폰 또는 웨어러블 건강관리 기기에 온도 센서가 적용되는 경우, 외기 온도를 측정하게 되는데, 이 경우, 기기 내부의 자체 발열 또는 착용자의 인체로부터 전달되는 열에 의해 측정 온도가 실제 온도보다 높게 측정될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 하기의 선행 기술 문헌에 기재된 바와 같이 측정 온도를 보상하는 기술이 공개되었으나, 외부로부터 유입되는 열에 의한 영향을 완벽하게 차단하기 어려운 문제점이 있다.
일본공개특허공보 제2010-101741호 대한민국 등록특허공보 제1421395호
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정된 외부 온도에 따른 대류열전달계수를 검출하고자 하는 외기 온도의 대류열전달계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있는 온도 센싱 모듈, 이를 갖는 전자 기기 및 이의 온도 센싱 방법이 제안된다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 온도 센싱 모듈 또는 전자 기기는 기기 내부의 온도를 측정하는 하나의 내부 온도 센서와 기기 외부의 온도를 측정하는 적어도 하나의 외부 온도 센서를 갖는 온도 센서부; 및 상기 기기 내부의 온도, 상기 기기 외부의 온도 및 상기 기기 외부의 온도에 대응하는 대류 열 전달 계수를 이용하여 외기 온도를 계산하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 온도 센싱 방법은 기기 내부 및 외부에 배치된 온도 센서를 통하여 기기 내부의 온도와 기기 외부의 온도를 측정하는 단계; 및 제어부는 상기 기기 내부의 온도, 상기 기기 외부의 온도 및 상기 기기 외부의 온도에 대응하는 대류 열 전달 계수를 이용하여 외기 온도를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 발열체 주변에 위치하면서도 외기 온도를 정확하게 추정할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈을 채용한 전자 기기의 개략적인 투과 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 온도 센싱 모듈을 채용한 전자 기기의 일부분을 aa'방향으로 절개한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 온도 및 압력에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 온도 및 습도에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 외부온도변화에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 추정 오차를 나타내는 표이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 열유입량 변화에 따른 외기온도 추정 오차를 나태는 표이다.
도 7a는 습도가 10%인 경우의 온도 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 변화를 나타내는 표이다.
도 7b는 습도가 90%인 경우의 온도 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 변화를 나타내는 표이다.
도 7c는 도 7a 및 도 7b에 도시된 대류열전도계수의 변화의 추세선 그래프이다.
도 8은 습도가 10%인 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수에 따라 습도가 높은 경우의 외기 온도를 추정한 결과를 나타내는 표이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈을 채용한 전자기기의 개략적인 투과 사시도이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 온도 센싱 모듈을 채용한 전자기기의 일부분을 aa'방향으로 절개한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자 기기(A)는 내부에 형성된 기판(12)을 둘러싼 케이스(11)를 포함할 수 있다.
온도 센싱 모듈(100)은 온도 센서부(110), 차단부(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다.
온도 센서부(110)는 적어도 하나의 내부 온도 센서(111)와 적어도 하나의 외부 온도 센서(112)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 내부 온도 센서(111)는 기판(12)에 장착될 수 있고, 외부 온도 센서(112)는 케이스(11)에 장착될 수 있다.
내부 온도 센서(111)는 전자 기기(A) 내부의 온도를 측정할 수 있고, 외부 온도 센서(112)는 전자 기기(A) 외부의 온도를 측정할 수 있다.
차단부(120)는 격벽(121)을 포함할 수 있고, 예를 들어, 격벽(121)는 내부 온도 센서(111)의 측면을 둘러싸서, 측면으로부터 내부 온도 센서(111)로의 열의 유입을 차단할 수 있다.
외부 온도 센서(112)와 내부 온도 센서(111)는 동일한 위치의 상부 및 하부에 위치할 수 있으며, 예를 들어, 상기 상부는 케이스(12)일 수 있고, 상기 하부는 기판(11)일 수 있다.
상기 상부 및 상기 하부 사이에는 사전에 설정된 온도 계수(k)를 갖는 매질이 채워질 수 있다.
제어부(130)는 외부 온도 센서(112)와 내부 온도 센서(111)에 의해 측정된 온도값을 전달받아, 이에 기초하여 외기 온도를 추정할 수 있다.
즉, 제어부(130)는 전자 기기 내부에서 전자 기기 외부로 대류되는 온도와 전도되는 온도 간의 열평형을 가정하고, 전자 기기의 외기 온도의 대류 열전달 계수를 측정된 전자 기기 외부온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있다.
제어부(130)는 하기의 수식과 같이 외기 온도를 추정할 수 있다.
(수식)
Figure pat00001

여기서, Tin은 기기 내부 온도, Tout은 기기 외부 온도, Tambient는 외기 온도, hambient는 외기 온도의 대류 열전달 계수, k는 상기 매질의 온도 계수, A는 열이 전달되는 면적을 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이, hambient는 외기 온도의 대류 열전달 계수를 의미할 수 있는데, 제어부(130)는 이를 외부 온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 1a 및 도 1b와 함께 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 방법은 먼저, 내부 온도 센서(111)는 전자 기기(A) 내부의 온도를 측정하고, 외부 온도 센서(112)는 전자 기기(A) 외부의 온도를 측정할 수 있다(S1).
제어부(130)는 기기 내부에서 기기 외부로 대류되는 온도와 전도되는 온도 간의 열평형을 가정하고, 이에 의한 외기 온도의 대류 열전달 계수를 측정된 기기 외부온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있다(S2).
상술한 수식에서 외기 온도를 추정하기 위해 대류열전달 계수는 측정된 외부 온도에 의한 대류열전달 계수로 설정하여야 하므로, 그 값이 환경 변화에 따라 변화가 없거나 변화량이 매우 작을 필요가 있다.
대류열 전달 계수는 온도 및 압력의 함수에 따라 변화하는 것으로 알려져 있다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 온도 및 압력에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 온도 40도를 기준으로 할 경우, 압력이 18Pa에서 220kPa까지 12,220배 변하는 동안, 대류열전달 계수의 변화는 약 10배 정도로 변화량이 매우 작은 것을 알 수 있다.
또한, 압력 220kPa를 기준으로 온도를 40도에서 100도로 변화시킬 경우, 대류열전달 계수는 12에서 20으로 약 8정도 변환하는 것을 볼 수 있다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 온도 및 습도에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 3b를 참조하면, 대류 열 전달과 열전도의 비를 나타내는 Nusselt수도 습도에 따라 변화하는 것을 통해 대류열전달계수도 습도에 영향을 받는 것을 간접적으로 알 수 있다.
도시된 바와 같이, 절대온도 350K를 기준으로 습도가 20%에서 80%로 4배 변화하는 경우 Nusselt(Nu)수는 약 2% 변환하는 것으로부터 습도 또한, 대류열전달 계수의 변화에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 볼 수 있다.
상술한 도 3a 및 도 3b로부터 일반적인 환경하에서는 외부온도를 측정한 후 측정된 외부 온도에 따른 대류열전달계수를 구하고자 하는 외기 온도의 대류열전달계수로 설정하여 외기 온도를 추정하는 것이 가능함을 알 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 외부온도변화에 따른 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 발생되는 열을 일정하게 유지한 상태에서 외부온도를 변화시키면서 측정한 대류열전도 계수값과 이에 따른 곡선 그래프 및 회기식을 볼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 추정 오차를 나타내는 표이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 열유입량 변화에 따른 외기온도 추정 오차를 나태는 표이다.
도 5를 참조하면, 도 4에서의 회기식을 통해 발생되는 열을 증가시킬 경우, 실제 외기온도와 추정한 온도와의 차이를 볼 수 있다.
도 4, 도 5 및 도 6을 참조하면, 측정된 외부 온도에 따른 대류열전달계수를 구하고자 하는 외기 온도의 대류열전달계수로 설정하여 외기 온도를 추정하는 경우, 추정된 오차가 1도 이하일 수 있음을 확인할 수 있다.
도 7a는 습도가 10%인 경우의 온도 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 변화를 나타내는 표이고, 도 7b는 습도가 90%인 경우의 온도 변화에 따른 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수의 변화를 나타내는 표이며, 도 7c는 도 7a 및 도 7b에 도시된 대류열전도계수의 변화의 추세선 그래프이고, 도 8은 습도가 10%인 경우의 본 발명의 일 실시예에 따른 온도 센싱 모듈의 대류열전도계수에 따라 습도가 높은 경우의 외기 온도를 추정한 결과를 나타내는 표이다.
도 7a를 참조하면, 습도 및 온도 변화에 다른 대류열전달 계수값의 변화를 살펴보면, 습도가 10%로 낮은 경우에 온도 변화가 있을 경우 대류열전달 계수값은 32에서 36으로 증가되는 것을 볼 수 있다.
도 7b를 참조하면, 습도가 90%로 높은 경우에 온도 변화가 있을 경우 대류열전달 계수값은 31에서 36으로 증가되는 것을 볼 수 있으며, 이는 도 7a에서의 습도가 낮은 경우와 그 변화량이 동일 및 유사한 것을 알 수 있다.
이는 도 7c에서 도 7a 및 도 7b에 도시된 대류열전도계수의 변화의 추세선 그래프에서와 같이 확인될 수 있다.
도 7c에 도시된, 습도가 낮은 경우에서 얻은 대류열전달 계수값의 회기식을 통해 습도가 높은 경우의 온도를 추정한 결과는 도 8과 같이 표로 나타낼 수 있다.
도 8을 참조하면, 그 추정 오차가 1도를 상회하지 않는 낮은 값임을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 온도 센서가 장착되어 있는 기기의 근거리 또는 원거리에 발열부가 있을 경우, 외부로부터 유입되는 열에 의한 영향을 완벽하게 차단하기 어려우므로, 유입되는 열량을 측정하여, 측정된 온도에 대해 보상해 줌으로써 외기 온도를 정확하게 추정할 수 있다.
이를 위해, 유입되는 열의 양을 정확하게 측정하기 위해, 열의 흐름이 1차원 방향으로 흐르도록 내부 온도 센서와 외부 온도 센서를 동일한 위치의 상하부에 배치하고, 온도가 유입되는 면과 유출되는 면의 평균 온도를 측정하여 유입되는 열의 양을 측정하여 전도를 통해 기기 내부를 통과하여 외부로 유출되는 열량을 측정할 수 있다.
또한, 기기 내부와 외부가 열평형 상태를 유기하게 되어 기재된 수신과 같이 대류와 열전도의 평형 방정식이 성립하게 되므로, 기기 표면의 열 전달 계수를 외기 온도의 열 전달 계수로 설정하여 외기 온도를 추정할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 발열체 주변에 위치하면서도 외기 온도를 정확하게 추정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
A: 전자 기기
11: 케이스
12: 기판
100: 온도 센서 모듈
110: 온도 센서부
111: 내부 온도 센서
112: 외부 온도 센서
120: 차단부
130: 제어부

Claims (12)

  1. 기기 내부의 온도를 측정하는 하나의 내부 온도 센서와 기기 외부의 온도를 측정하는 적어도 하나의 외부 온도 센서를 갖는 온도 센서부; 및
    상기 기기 내부의 온도, 상기 기기 외부의 온도 및 상기 기기 외부의 온도에 대응하는 대류 열 전달 계수를 이용하여 외기 온도를 계산하는 제어부
    를 포함하는 온도 센싱 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내부 온도 센서를 둘러싸는 격벽과, 상기 적어도 하나의 내부 온도 센서와 상기 적어도 하나의 외부 온도 센서 간에 적층되어 설정된 온도 계수를 갖는 매질을 갖는 차단부를 더 포함하는 온도 센싱 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기기 내부에서 상기 기기 외부로 대류되는 온도와 전도되는 온도 간의 열평형을 가정하고, 이에 의한 외기 온도의 대류 열전달 계수를 측정된 기기 외부온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 상기 외기 온도를 계산하는 온도 센싱 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는
    Figure pat00002
    에 따라 외기 온도를 추정하는 온도 센싱 모듈.
    (여기서, Tin은 기기 내부 온도, Tout은 기기 외부 온도, Tambient는 외기 온도, hambient는 외기 온도의 대류 열전달 계수, k는 상기 매질의 온도 계수, A는 열이 전달되는 면적을 의미함)
  5. 케이스 내부의 온도를 측정하는 하나의 내부 온도 센서와 케이스 외부의 온도를 측정하는 적어도 하나의 외부 온도 센서를 갖는 온도 센서부; 및
    상기 케이스 내부의 온도, 상기 케이스 외부의 온도 및 상기 케이스 외부의 온도에 대응하는 대류 열 전달 계수를 이용하여 외기 온도를 계산하는 제어부
    를 포함하는 전자 기기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 하나의 내부 온도 센서는 케이스 내부의 기판에 장착되는 전자 기기.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 내부 온도 센서를 둘러싸는 격벽과, 상기 적어도 하나의 내부 온도 센서와 상기 적어도 하나의 외부 온도 센서 간에 적층되어 설정된 온도 계수를 갖는 매질을 갖는 차단부를 더 포함하는 전자 기기.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 기기 내부에서 상기 기기 외부로 대류되는 온도와 전도되는 온도 간의 열평형을 가정하고, 이에 의한 외기 온도의 대류 열전달 계수를 측정된 기기 외부온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 상기 외기 온도를 계산하는 전자 기기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는
    Figure pat00003
    에 따라 외기 온도를 추정하는 전자 기기.
    (여기서, Tin은 기기 내부 온도, Tout은 기기 외부 온도, Tambient는 외기 온도, hambient는 외기 온도의 대류 열전달 계수, k는 상기 매질의 온도 계수, A는 열이 전달되는 면적을 의미함)
  10. 기기 내부 및 외부에 배치된 온도 센서를 통하여 기기 내부의 온도와 기기 외부의 온도를 측정하는 단계; 및
    제어부는 상기 기기 내부의 온도, 상기 기기 외부의 온도 및 상기 기기 외부의 온도에 대응하는 대류 열 전달 계수를 이용하여 외기 온도를 계산하는 단계
    를 포함하는 온도 센싱 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 외기 온도를 계산하는 단계는 상기 제어부가 상기 기기 내부에서 상기 기기 외부로 대류되는 온도와 전도되는 온도 간의 열평형을 가정하고, 이에 의한 외기 온도의 대류 열전달 계수를 측정된 기기 외부온도의 대류 열전달 계수로 설정하여 상기 외기 온도를 계산하는 단계인 온도 센싱 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 외기 온도를 추정하는 단계는
    상기 제어부는
    Figure pat00004
    에 따라 외기 온도를 추정하는 단계인 온도 센싱 방법.
    (여기서, Tin은 기기 내부 온도, Tout은 기기 외부 온도, Tambient는 외기 온도, hambient는 외기 온도의 대류 열전달 계수, k는 상기 매질의 온도 계수, A는 열이 전달되는 면적을 의미함)


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