KR20190004603A

KR20190004603A - 유체의 열전달 성능 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20190004603A
Application number: KR1020170085053A
Authority: KR
Inventors: 이봉재; 김중배; 정문경
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-01-14
Also published as: KR101984236B1

Abstract

유체의 열전달 성능 측정 장치는 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수의 두 가지 모두를 측정할 수 있다. 이 측정 장치는 통 형상의 유체 용기와, 이 유체 용기의 측벽의 소정 지점에 설치되어 유체 용기 내의 유체의 온도를 측정하는 온도측정부와, 측정부를 포함한다. 측정부는 유체 용기 내부에 수직방향으로 배치되고 흐르는 전류에 의해 발열하여 유체를 가열하는 열선과, 그 열선이 배치된 상태를 지지하면서 외부 전원부에서 제공되는 전류가 상기 열선에 흐를 수 있도록 유체 용기 외부에서 열선의 양쪽 단부까지의 전기적 통로를 제공하는 도전 경로를 포함한다. 유체의 열전도도 산출에 필요한 상기 열선의 저항값의 측정이 가능함과 동시에, 상기 유체의 대류 열전달 계수 산출에 필요한 상기 유체의 온도값을 상기 온도측정부로 측정할 수 있도록 구성된다. 열선의 저항값을 측정하고, 열선의 평균길이당 발열량을 산출하고, 열선의 초기 저항값에 대한 저항값의 변화를 측정하여 열선의 온도 변화를 산출하는 것을 통해 열전도도를 산출할 수 있다. 유체가 유체역학적 및 열적 평형 상태에서 열선의 온도를 일정하게 유지하고, 열 유속을 산출하고, 온도측정부를 이용하여 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정하는 것을 통해 대류 열전달 계수를 산출할 수 있다.

Description

유체의 열전달 성능 측정 방법 및 장치 {Method and apparatus for measuring heat transfer performance of fluid}

본 발명은 유체의 열전달 성능을 측정하는 방법과 이를 위한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비정상 열선법을 기반으로 하는 열전달 성능 측정 방법과 장치에 관한 것이다.

유체의 열전달은 주로 전도와 대류의 형태로 이루어진다. 각 열전달 형태의 열전달 성능은 열전도도, 대류 열전달 계수 등의 지표로 표현된다. 유체의 열전도도 측정 방법은 크게 정상상태법과 비정상상태법의 두 가지로 구분할 수 있다. 정상 상태법(steady-state method)은 유체가 채워져 있는 두 표면사이의 온도 차이를 일정하게 유지하도록 하는 데 필요한 열유속(heat flux)을 측정하는 방법이다. 두 표면 형상에 따라 CCM(coaxial-cylinder method)와 PPM(paralleled-plate method)으로 나누어진다. 이 방법은 지배방정식이 매우 단순하지만, 두 표면의 배열이 불완전하면 정확도가 크게 떨어지는 단점이 있다. 이에 비해, 비정상 열선법(transient hot-wire method)은 측정하고자 하는 유체를 시간에 따른 온도변화로 유체의 열전도도를 측정하는 방법이다. 이 방법은 온도와 저항간의 관계가 잘 알려진 아주 가는(반경이 수 내지 수십 마이크로미터) 열선(예컨대 백금선)에 일정한 전력에 해당하는 전류를 흘려 가열할 때, 시간에 따른 열선의 온도 상승 특성이 측정하려는 유체의 열전도율에 따라 다르게 나타나는 것을 이용한다.

비정상 열선법은, 정상상태법과 비교하여, 유체 내에서 일어나는 자연대류의 영향을 효과적으로 억제할 수 있어서 정밀한 열전도율 측정이 가능하고 측정에 소요되는 시간도 매우 짧은 장점이 있다. 열전달이 잘되는 유체일수록 전압이 가해지는 열선(백금선)의 온도상승이 적어 저항이 낮게 측정된다. 시간에 따른 온도상승은 비선형적이지만 시간축을 로그스케일로 환산하면 선형그래프가 나온다.

비정상 열선법은 고체나 유체 등의 열전도도를 측정하기 위한 방법이다. 이를 위한 측정 장치는 측정 대상물을 포함하는 용기의 중앙에 얇은 금속으로 된 열선이 위치한다. 일정한 열유속을 발생시키고, 이에 따라 나타나는 열선의 온도 변화에 따른 저항 변화를 이용하여 열전도도를 측정한다. 열선의 교체 시에도 측정의 반복성을 확보하기 위해서는 열선의 길이를 일정하게 유지시켜주는 것이 중요하다. 기존 비정상 열선법 측정 장치는 열선을 고정하는 과정에서 나사를 사용하여 열선의 끊어짐이 발생할 수 있고, 열선 길이 유지에 어려움이 있다.

대류 열전달 계수는 움직이는 물질의 열전달 성능을 나타내는 계수이다. 물질의 유동 상태에 따라서 자연 대류 열전달과 강제 대류 열전달로 나눌 수 있다. 자연 대류 열전달 계수와 강제 대류 열전달 계수는 열이 발생하는 대상의 형태와 주변 조건에 영향을 받는다. 도 1에 나타낸 것처럼, 대류 열전달 발생 시 표면으로부터 유체역학적, 열적 경계층이 생성되고 성장한다. 일정 시간이 지나면 경계층의 성장이 멈추고 유체역학적, 열적 평형상태에 도달한다. 각 경계층은 뜨거운 발열체로 인해 유동이 발생하고, 온도 변화가 발생하는 영역이다.

대류 열전달 발생 시 운동량 전달과 열전달은 이 경계층 내에서 일어난다. 그렇기 때문에 경계층 내의 유체의 속도, 온도 분포는 대류 열전달 현상을 규정한다. 따라서 대류 열전달 계수의 측정은 평형상태에 도달한 후 수행하는 것이 바람직하다. 일반적인 발열부 조건으로는 일정한 열유속이나 일정한 온도를 사용한다. 경계층내의 유속과 온도가 시간에 따라 변하지 않고 평형상태가 유지 된다면, 일정한 대류 열전달 현상이 발생한다고 판단할 수 있고 대류 열전달 계수를 측정할 수 있다.

종래에는 열전도도와 대류 열전달 계수는 각각 별도의 측정 장치로 측정하였다. 본 발명자들은 열전도도와 대류 열전달 계수의 측정에 있어서의 상호연관성에 주목하였다.

본 발명은 비정상 열선법을 바탕으로, 한 가지 장치를 이용하여 열전도도와 대류 열전달 계수 모두를 측정할 수 있는 방법과 이를 위한 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예들에 따른 유체의 열전달 성능 측정 장치는, 열전달 성능 측정 대상물인 유체를 담기 위한 통 형상의 유체 용기와, 상기 유체 용기의 측벽의 소정 지점에 설치되어 상기 유체 용기 내의 유체의 온도를 측정하는 온도측정부와, 상기 유체 용기 내부에 수직방향으로 배치되고 흐르는 전류에 의해 발열하여 상기 유체 용기 내의 유체를 가열하는 열선과, 상기 열선이 배치된 상태를 지지하면서 외부 전원부에서 제공되는 전류가 상기 열선에 흐를 수 있도록 상기 유체 용기 외부에서 상기 열선의 양쪽 단부까지의 전기적 통로를 제공하는 도전 경로를 포함하는 측정부를 포함한다. 이러한 구성을 갖는 상기 유체의 열전달 성능 측정 장치는 상기 유체의 열전도도 산출에 필요한 상기 열선의 저항값의 측정이 가능함과 동시에, 상기 유체의 대류 열전달 계수 산출에 필요한 상기 유체의 온도값을 상기 온도측정부로 측정할 수 있도록 구성되어, 상기 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수 두 가지 모두를 측정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 온도측정부는 상기 유체 용기의 측벽에서 상기 유체 용기 안으로 돌출되어 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정하도록 설치된 복수 개의 열전대 소자를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 복수 개의 열전대 소자는 상기 유체 용기의 축방향과 원주방향 중 적어도 어느 한 가지 방향으로 등간격으로 설치될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 측정부는 상기 유체 용기의 외부에서 상기 도전 경로를 통해 상기 열선을 가열하는 데 필요한 전력을 공급하는 전원부를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 도전 경로는 상기 유체 용기의 외부에 배치되어 상기 전원부에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극단자와, 상기 유체 용기 내의 입구 근처와 바닥 근처에 각각 이격 배치되어 상기 열선의 상단 및 하단과 각각 결합하는 열선 상부 고정블록 및 열선 하부 고정블록과, 상기 제1 전극단자에서 상기 열선 하부 고정블록까지 연장되어 서로 전기적으로 연결시켜주는 제1 도체 막대와, 상기 제2 전극단자에서 상기 열선 상부 고정블록까지 연장되어 서로 전기적으로 연결시켜주는 제2 도체 막대를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 측정부는 상기 열선 상부 고정블록의 상면과 상기 열선 하부 고정블록의 하면에 각각 접합되어 받쳐주는 상부 및 하부 가이드 지지부재와, 상기 상부 및 하부 가이드 지지부재 사이에 개재되어 이들 간에 일정한 간격이 유지되도록 지지해주는 한 개 이상의 고정막대와, 상기 상부 가이드 지지부재의 상면과 접합되면서 상기 유체 용기의 상부를 덮으면서 밀폐시키는 덮개부재를 포함할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 유체의 열유속과 온도를 일정하게 유지되도록 상기 열선을 가열하는 데 필요한 전류 및 전압의 제어를 수행하면서 상기 열선으로 전력을 공급하는 전원부를 더 포함할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예들에 따른 유체의 열전달 성능 측정 방법은 앞에서 언급할 실시예들에 따른 유체의 열전달 성능 측정 장치들 중 어느 한 가지를 사용하여 상기 유체 용기 내의 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수 두 가지 모두를 측정하기 위한 방법이다. 이 유체의 열전달 성능 측정 방법은 상기 열선의 저항값을 측정하고, 상기 열선에 전류를 흘려 전압값을 구하여 상기 열선의 평균길이당 발열량을 산출하고, 상기 열선의 초기 저항값에 대한 저항값의 변화를 측정하여 상기 열선의 온도 변화를 산출하고, 산출된 값들을 소정의 열전도도(k)의 산출식에 적용하여 상기 열전도도를 산출하는 단계와, 상기 유체가 유체역학적 및 열적 평형 상태에서 상기 열선의 온도를 일정하게 유지하고, 상기 열선의 발열률과 측면 면적을 이용하여 열 유속을 산출하고, 상기 온도측정부를 이용하여 상기 열선으로부터 멀리 떨어진 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정하여, 상기 열선의 온도, 산출된 열 유속 및 측정된 상기 유체의 온도를 소정의 대류 열전달 계수(h)의 산출식에 적용하여 상기 대류 열전달 계수를 산출하는 단계를 포함한다.

일 실시예에 따르면, 상기 열선의 저항값은 상기 열선을 미지의 저항으로 하는 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 측정할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 열선의 온도 변화는 상기 열선의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용하여 상기 열선의 초기 저항값에 대한 저항값 변화를 측정하는 것을 통해 산출할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 열전도도(k)의 산출식은

일 수 있고, 상기 산출식에서

는 상기 열선의 단위 길이당 평균 발열율,

는 시간, 그리고

는 상기 열선의 초기 온도와 나중 온도 간의 차이를 각각 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 상기 유체가 유체역학적 및 열적 평형 상태에 도달한지 여부는 상기 열선의 발열률 및 온도와 상기 유체의 온도가 일정하게 유지되는지 여부를 기준으로 판단할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 대류 열전달 계수(h)의 산출식은

일 수 있고, 상기 산출식에서

는 상기 열선에서 발생하는 열유속,

는 상기 열선의 온도, 그리고

는 상기 열선으로부터 멀리 떨어진 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 각각 나타낸다.

일 실시예에 따르면, 상기 열선의 온도(

)는 실험의 조건으로서, 비례적분미분(PID) 제어로 일정한 값으로 유지될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 유체의 열전도도의 측정은 상기 열선의 발열에 의해 가열된 상기 유체에서 유동이 발생하기 전까지의 짧은 시간 동안에 수행될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 유체의 유동의 발생 여부는 일정한 열유속 발생 시 시간의 로그 스케일 변화량과 온도 차에 대한 변화량의 비가 일정한지 여부를 기준으로 판단할 수 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명이 제공하는 유체의 열전달 특성 측정 장치 한 가지로 유체의 열전달 특성에 관한 두 가지의 물성치 즉, 유체의 열전도도와 대류 열전달계수를 모두 측정할 수 있다. 또한, 짧은 시간 내에 번거로운 과정 없이 열원 조건만 변경하여 각각의 물성치를 측정할 수 있다. 이 두 가지 물성치를 각각 별도의 장치를 사용하여 측정하던 종래의 방식에 비해 훨씬 경제적이고 효율적이다.

일반적으로, 유체에 나노 입자가 분산된 나노유체의 경우 대류 열전달 성능이 유체의 열전도도를 기반으로 하는 고전적인 예측 모델과는 상당한 차이가 있다. 때문에 실질적인 대류 열전달 성능을 알기 위해서는 실험적인 접근이 필수적이다. 본 발명에 따른 측정 장치를 사용하여 유체의 열전도도, 점도를 비롯한 다양한 물성치가 대류 현상에 어떻게 반영되는지를 확인하고 유추할 수 있는 장점도 있다.

도 1은 대류 열전달 발생 시 표면으로부터 생성하여 성장하는 유체역학적, 열적 경계층을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체의 열전달 성능 측정 장치의 조립 상태에서 유체 용기의 전면부를 제거하여 내부가 보이도록 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 측정 장치에서 분해된 원통부의 구성만을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 측정 장치에서 분해된 측정부만을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 2에 도시된 측정 장치에서 열선 고정 블록만을 나타낸 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 열선의 저항값을 측정하기 위한 휘트스톤 브리지 회로를 도시한다.
도 7은 도 2에 도시된 측정 장치의 열전도도 측정 결과를 나타낸다.
도 8은 경계층의 유체 속도를 나타낸다.
도 9는 경계층의 유체 온도를 나타낸다.
도 10은 실험적 열선과 외벽의 온도를 나타낸다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 관하여 실시를 위한 구체적인 설명을 한다.

도 2에는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)의 조립된 상태의 구성이 도시되어 있다. 이 측정 장치(10)는 비정상 열선법을 바탕으로, 한 가지 장치를 사용하여 열전도도뿐만 아니라 대류 열전달 계수도 같이 측정할 수 있다.

열전달 성능 측정 장치(10)는 크게 유체를 담기 위한 유체 용기(20)와, 이 유체 용기(20) 안에 삽입 설치되어 그 안에 담긴 유체의 열전도도와 대류 열전달계수의 산출에 필요한 물성치를 측정하기 위한 측정부(40)를 포함할 수 있다. 또한, 열전달 성능 측정 장치(10)는 유체 용기(20)의 측벽에 설치되어 유체용기(20) 내부면 근처에서의 유체의 온도를 측정하기 위한 온도측정부(30)를 더 포함할 수 있다.

도 3에는 예시적인 실시예에 따른 유체 용기(20)가 도시되어 있다.

유체 용기(20)는 통 부재(22)를 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 통 부재(22)는 도시된 것처럼 원통형 부재로 구성할 수 있다. 본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)는 기본적으로 열전도도 측정을 위해서는 피해야 할 대상인 자연 대류 현상을 이용하여 열전도도의 측정뿐만 아니라 대류 열전달 계수의 측정까지 수행할 수 있다. 이를 위해서는 측정 대상물인 유체와 열선(42)이 정상상태에 도달해야 한다. 따라서 통 부재(22)는 유체의 평균 온도 변화를 고려하여 용기 크기를 정할 필요가 있다. 통 부재(22)는 크게 만들면 그의 형상이 열전달에 영향을 크게 미치지 않지만, 반대로 작게 만들면 그 형상이 열전달에 영향을 미친다. 지속적인 가열 시 소정 시간 동안은 시간에 따라 유체의 온도가 거의 일정하게 유지될 수 있도록 통 부재(22)의 사이즈를 정할 수 있다. 이러한 가열시간에 따른 온도 특성이 유지될 수 있다면, 통 부재(22)의 형상은 반드시 원통형일 필요까지는 없고 다른 형상의 통, 예컨대 다각형 통 부재일 수도 있다. 통 부재(22)의 상단에는 덮개 부재를 안정적으로 받쳐주기 위한 림(rim)부(28)가 마련될 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면 통 부재(22)는 외부와의 열 교환이 양호한 재질로 만들 수 있다. 예를 들어 열전도도가 좋은 금속재로 만들 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 통 부재(22)의 하단에는 반경방향으로 연장된 하부 플레이트(24)가 결합될 수 있다. 이 하부 플레이트(24)는 통 부재(22)의 지름보다 더 큰 지름을 갖는 원판형일 수 있다. 하부 플레이트(24)는 통 부재(22)의 밑면을 막아주면서 통 부재(22)가 자립할 수 있도록 받침부 역할을 할 수 있다. 하부 플레이트(24)가 외부의 다른 구성체(70)와의 결합부 역할을 하도록 하부 플레이트(24)에 복수 개의 볼트공(25)이 마련될 수 있다. 볼트공(25)에 볼트(26)를 체결하여 하부 플레이트(24)를 외부의 다른 구성체(70)에 고정시킬 수 있다.

하부 플레이트(24)의 가운데에는 통 부재(22) 안에 담겨 있는 측정 대상 유체가 밖으로 배출되는 배출공이 마련될 수 있다. 그 배출공에는 배출로(60)가 결합될 수 있다. 배출로(60)는 밸브(비도시)가 결합되어 필요시 그 밸브를 개방함으로써 유체 용기(20) 내부의 유체를 바깥으로 배출할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 온도측정부(30)는 통 부재(22)의 측벽에 설치될 수 있다. 온도측정부(30)는 통 부재(22) 안에 담겨 있는 측정 대상 유체의 온도를 측정할 수 있다. 온도측정부(30)는 온도 측정의 정확도를 높이기 위해 복수 개를 설치할 수 있다. 예시적인 실시예에 따르면, 3개 이상의 온도측정부(30a, 30b, 30c)가 통 부재(22)의 축 방향으로 등간격으로 설치될 수 있다. 그 3개 이상의 온도측정부(30a, 30b, 30c)는 원주방향으로도 등간격으로 설치될 수 있다. 온도측정부(30)로 예를 들어 열전대 소자를 사용할 수 있다.

도 4에는 예시적인 실시예에 따른 측정부(40)가 도시되어 있다. 측정부(40)는 전기적인 발열체인 열선(42)과, 열선(42)이 통 부재(22) 내부에 수직방향으로 배치된 상태를 지지해주면서 열선(42)에 전류가 흐를 수 있도록 유체 용기(20) 외부에서 열선(42)의 양쪽 단부까지 전기적으로 연결시켜주는 도전 경로를 포함할 수 있다.

열전달 성능 측정 장치(10)는 열선(42)의 가열에 필요한 전력을 외부에서 상기 도전 경로를 통해 공급하는 전원부(80)를 포함할 수 있다. 전원부(80)는 전압과 전류를 제어하여 열선(42)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다. 예를 들어, 전원부(80)는 PID 제어를 통해 열선(42)의 온도를 일정하게 유지시켜 줄 수 있다. PID 제어는 열선(42)의 온도(저항)를 사용하여 전류 및 전압을 제어할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 열선(42)은 통 부재(22)의 축방향(수직방향)으로 배치되고, 온도 측정 및 발열체로 사용될 수 있다. 열선(42)은 온도에 따른 저항의 변화가 일정하고, 비저항이 일정하며 저항이 높은 것이 좋다. 발열체로 사용하기 위해서는 발열체의 저항이 도전 경로로 제공되는 도체의 저항보다 커야 한다. 금속은 기본적으로 비저항이 낮기 때문에 얇은 열선을 사용하여 저항을 높여줄 필요성이 있다. 또 비저항이 일정하기 위해서는 금속의 순도가 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어 백금선은 온도에 따른 저항의 변화가 일정하고 순도가 높아 이런 요건을 잘 만족하므로 열선(42)으로 사용하기에 적합하다. 열선(42)의 길이는 측정 대상 유체의 양과 저항을 고려하여 선택할 수 있다. 후술할 본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)의 검증 실험에서는 유체의 양 150 ml, 도전 경로의 도체보다 충분히 큰 저항을 얻기 위해 50 μm 굵기와 120 mm의 길이를 갖는 백금선을 사용하였다.

예시적인 실시예에 따르면, 열선(42)에 전류를 흐르게 하기 위한 도전 경로는 통 부재(22) 내의 입구 근처와 바닥 근처에 각각 이격 배치되어 열선(42)의 상단 및 하단과 각각 전기적으로 연결되어 지지해주는 열선 상부 및 하부 고정블록(44a, 44b)을 포함할 수 있다. 열선 상부 및 하부 고정블록(44a, 44b)은 발열체이자 온도 측정 장치로 사용되는 열선(42)을 고정 시켜주고, 제1 및 제2 전극 단자(56a, 56b)와 열선(42)을 전기적으로 연결시켜준다. 금속 고정 블록은 고정 막대와 비슷한 역할을 갖기 때문에 고정 블록의 재질 또한 고정 막대와 비슷하게 구리, 은, 알루미늄과 같은 금속을 예로 들 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 상기 도전 경로는 또한 통 부재(22) 외부에 위치하고 외부 전원부(80)에 전기적으로 연결되어 전원을 입력받는 한 쌍의 전극 단자(56a, 56b)와, 제1 전극단자(56a)에서 열선 하부 고정블록(44b)까지 수직방향으로 길게 연장되어 서로 전기적으로 연결시켜주는 제1 도체 막대(54a)와, 제2 전극단자(56b)에서 열선 상부 고정블록(44a)까지 연장되어 서로 전기적으로 연견시켜주는 제2 도체 막대(54b)를 포함할 수 있다. 제1 도체 막대(54a)는 2개의 고정 막대(48)와 협력하여 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)를 고정 지지해주는 역할을 겸할 수도 있다. 제1 및 제2 도체 막대(54a, 54b)는 상하부의 물리적 지지 및 전기적 연결에 사용되므로, 기본적으로 물리적 특성과 전기적 특성이 우수한 재질로 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 측정 대상 유체와의 화학적 안정성을 고려하여 선택하는 것이 좋다. 재료의 예로는 구리, 은, 알루미늄과 같은 금속을 들 수 있다.

제1 도체 막대(54a)는 2개의 고정 막대(48)는 열선 상부 고정블록(44a)과 열선 하부 고정블록(44b) 간의 거리 즉, 열선(42)의 길이를 일정하게 유지시켜주는 역할도 한다.

이에 의해, 제1 전극단자(56a), 제1 도체 막대(54a), 열선 하부 고정블록(44b), 열선(42), 열선 상부 고정블록(44a), 제2 도체 막대(54b), 그리고 제2 전극단자(56b)가 순차적으로 전기적으로 연결될 수 있다. 외부의 전원부(80)의 출력단자들이 제1 전극단자(56a)와 제2 전극단자(56b)에 연결되면, 열선(42)에 전류가 흘러 가열될 수 있다. 제1 도체 막대(54a)는 고정 막대(48)와 협력하여 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)를 고정 지지해주는 역할을 겸할 수도 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 측정부(40)는 열선 상부 고정블록(44a)의 상면과 열선 하부 고정블록(44b)의 하면에 각각 접합되는 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)를 포함할 수 있다. 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)는 예를 들어 아크릴, 플라스틱 등과 같은 절연체로 만들 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 측정부(40)는 한 개 이상의 고정 막대(54)를 포함할 수 있다. 고정 막대(48)의 상단과 하단은 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)에 각각 삽입될 수 있다. 고정 막대(48)는 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b) 사이에 개재되어 이들 간에 일정한 간격이 유지되도록 지지해줄 수 있다. 안정적인 지지를 위해 복수 개의 고정 막대(48)가 설치될 수 있다. 도면에는 2개의 고정 막대(48)가 설치된 경우를 도시한다.

예시적인 실시예에 따르면, 측정부(40)는 상부 가이드 지지부재(46a)의 상면과 접합되면서 통 부재(22)의 상부를 덮어 밀폐시키는 덮개부재(50)를 포함할 수 있다. 림부재(28)와 덮개부재(50)에는 각각 다수의 결합공(52)이 마련될 수 있다. 그 결합공(52)에 예를 들어 볼트를 체결함으로써 덮개부재(50)는 통 부재(22)와 단단히 조여진 상태로 결합될 수 있다.

도 5에는 열선 상부 고정블록(44a) 또는 열선 하부 고정블록(44b)을 예시한다. 열선 상부 고정블록(44a) 또는 열선 하부 고정블록(44b)은 제1 및 제2 고정블록부재(72, 74)를 포함할 수 있다. 제1 고정블록부재(72)의 한 쪽 면은 단차가 형성되고, 제2 고정블록부재(74)는 그 단차를 메우면서 제1 고정블록부재(72)에 접합될 수 있다. 제1 및 제2 고정블록부재(72, 74)에는 복수 개의 결합공(78)이 마련될 수 있다. 그 결합공(78)들에 예컨대 볼트나 나사(79)를 체결하여 제1 및 제2 고정블록부재(72, 74)가 서로 한 몸체가 되게 할 수 있다. 제1 고정블록부재(72)에는 열선(42)의 말단부가 삽입 고정될 수 있는 열선 고정홀(76)이 마련될 수 있다. 또한, 제1 고정블록부재(72)의 일 측에는 제2 도체 막대(54b)가 삽입되어 서로 접촉될 수 있는 삽입공(77)이 마련될 수 있다.

열전달 성능 측정 장치(10)의 조립은 다음과 같이 이루어질 수 있다. 먼저, 측정부(40)의 조립은 다음과 같이 할 수 있다. 고정 막대(48)를 사용하여 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)를 연결한다. 그런 다음, 그 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)에 열선 상부 및 하부 고정블록(44a, 44b)을 장착한다. 예시적인 실시예에 따르면, 고정 막대(48)들과 열선 상부 및 하부 고정블록(44a, 44b)은 나사 체결의 방법으로 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)에 결합될 수 있다. 제1 도체 막대(54a)및 제2 도체 막대(54b)와 열선 상부 및 하부 고정블록(46a, 46b)은 서로 간의 더욱 견고한 결합을 위해 예를 들어 나사가 체결될 수 있는 체결공(비도시)을 더 마련하여 나사 결합을 이루게 할 수도 있다. 일정 길이의 얇은 열선(42)의 양쪽 단부를 열선 상부 및 하부 고정블록(44a, 44b)의 열선 고정홀(76)에 삽입하여 열선(42)을 고정할 수 있다. 또한, 제1 전극단자(56a)에 제1 도체 막대(54a)를 연결하고, 제2 전극단자(56b)에는 제2 도체 막대(54b)를 연결한다. 그 제1 도체 막대(54a)와 제2 도체 막대(54b)를 덮개부재(50)에 관통시켜 열선 하부 고정블록(44b)과 열선 상부 고정블록(44a)에 각각 연결한다. 열선 하부 고정블록(44b)의 단부는 하부 가이드 지지부재(46b)에 나사 체결로 삽입되어 지지되도록 할 수 있다. 이런 과정을 통해 도 4와 같은 형태의 측정부(40) 조립체가 얻어질 수 있다.

이와는 별도로, 통 부재(22)의 측면에 온도측정부(30a, 30b, 30c)를 삽입 설치할 수 있다. 온도측정부(30a, 30b, 30c)는 통 부재(22)의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정할 수 있도록 설치하는 것이 바람직하다. 온도측정부(30a, 30b, 30c)의 측정 단부가 통 부재(22) 내부로 약간 돌출될 수 있다. 조립 시 측정부(40)가 유체 용기(20) 속으로 진입할 때, 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)는 통 부재(22) 안쪽으로 약간 돌출되어 있을 수 있는 온도측정부(30a, 30b, 30c)들에 걸리지 않게 가이드 해줄 수 있다. 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)는 이러한 가이드를 가능한 형상으로 디자인될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)에서는 측정부(40)의 상하부 즉, 상부 및 하부 가이드 지지부재(46a, 46b)를 연결하는 고정 막대(48)와, 열선(42)을 연결하는 열선 상부 블록(44a)과 열선 하부 블록(44b)을 사용하여 열선(42)의 길이를 일정하게 유지시켜 줄 수 있다. 이를 통해 측정의 반복성과 사용의 간편성을 확보할 수 있다.

열전달 성능 측정 장치(10)는 열전도도만을 측정할 수 있는 기존의 일반적인 비정상 열선법 장치에 비해 구성 요소의 차이를 최소화 하면서도 유체의 열전도도의 측정과 자연 대류 현상을 이용한 대류 열전달 계수의 측정 모두를 가능하게 해줄 수 있다. 본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)가 기존의 일반적인 비정상 열선법 장치와 다른 구성 요소의 중요한 차이점들 중의 하나는 유체 용기(20) 내부에 온도측정부(30)가 삽입 설치되는 점이다. 대류 열전달 계수를 측정하기 위해서는 위에 언급한 대로 열선(42)에서 멀리 떨어진 유체의 온도가 필요하다. 또한, 이 온도측정부(30)는 열전도도 측정 시에도 열전달 성능 측정 장치(10)의 초기 온도를 확인하는 데 사용되어 측정의 정확도 향상에 도움을 줄 수 있다.

다음으로, 유체의 열전달 성능의 측정에 관해 설명한다.

이와 같은 구성을 가진 열전달 성능 측정 장치(10)를 이용하여 유체의 열전달 성능을 측정하는 방법과 절차는 다음과 같다.

동일한 하나의 장치 즉, 열전달 성능 측정 장치(10)로 열전도도와 대류 열전달 계수 모두를 측정할 수 있게 해주는 핵심 원리는 유체 내 온도 차이에 의한 유동 발생을 이용하는 것이다. 유체는 온도에 따라 밀도가 변하고, 이로 인해 부력 차이가 발생한다. 부력 차이로 인해 상대적으로 고온인 유체는 상승한다. 이 때 열선(42)이 수직방향으로 길게 배치되어 있으므로 그 열선(42)의 표면을 따라 유동이 발생할 수 있다.

온도측정부(30)가 장착된 유체 용기(20) 및 측정부(40) 조립체가 준비되면, 도 3에 도시된 유체 용기(20) 안에 열전달 성능 측정 대상인 유체를 유체 용기(20)에 채울 수 있다. 유체가 채워진 통 부재(22) 안에 도 4에 도시된 것과 같은, 발열체이자 온도 측정 센서로 사용되는 열선(42)이 수직으로 위치한 측정부(40)를 도 2와 같이 삽입한다. 그런 상태에서 덮개 부재(50)로 통 부재(22)의 개방된 상부를 덮고 예컨대 볼트 등을 이용하여 덮개 부재(50)를 림(rim)부(28)와 결합시켜 조인다. 이에 의해 열전달 성능 측정 장치(10)는 유체의 열전달 성능을 측정할 수 있는 상태로 조립될 수 있다.

열선(42)의 가열에 필요한 전력을 공급하는 외부의 전원부(80)에서 전극 단자(56a, 56b)를 통해 전력을 공급하여 열선(42)을 전기적으로 가열하면, 위에서 언급한 유동이 곧바로 발생하는 것이 아니다. 유동이 발생하기 전에는 열전도 현상으로 인해 열선(42)에 가해진 열이 유체로 방출된다. 그런 다음 소정 시간이 지나 그 열선(42) 부근의 유체의 온도가 높아지면 유동이 발생하고 대류 열전달 현상이 발생한다. 따라서 열선(42)의 조건(일정 열유속 또는 일정 온도)과 데이터 수집 시간(유동 발생 전 또는 유동 발생 후) 및 처리 방법(계산 식)을 변경하면, 한 가지 장치 즉, 본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)로 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수를 한꺼번에 측정할 수 있다.

열전달 성능 측정 장치(10)를 이용하여 측정 대상 유체의 두 가지 열전달 성능인 열전도도와 대류 열전달 계수를 측정할 수 있다.

먼저, 유체의 열전도도의 측정을 설명한다. 예시적인 실시예에 따르면, 열전도도는 비정상 열선법으로 측정할 수 있다. 열전도도 측정 시에는 시간에 따른 온도의 변화와 외부 전원부(80)에서 가하는 열량을 이용할 수 있다. 구체적으로, 외부의 전원부(80)에서 제1 및 제2 전극단자(56a, 56b)로 열선(42)의 가열에 필요한 전력을 공급할 수 있다. 이에 의해 열선(42)에 전류가 흐르게 하여 가열하되 열선(42)의 발열률을 일정하게 유지시켜 일정한 열 유속이 발생되도록 하면서 시간에 따른 열선(42)의 온도를 측정할 수 있다.

이러한 열전도도 측정을 위한 비정상 열선법은 기본적으로 유체 내에 있는 열선(42)의 시간에 따른 온도 변화와 그 열선(42)의 발열률을 통해 열전도도를 측정하는 방법이다. 측정 시간이 길어지면 열선(42) 주변의 유체의 온도가 높아져 온도가 낮은 곳과 밀도차이가 발생하고 부력이 생겨 유동이 발생한다. 이를 자연 대류라고 한다. 정확한 열전도도 측정을 위해서는 이와 같은 유동 즉, 자연 대류가 발생하기 전까지의 짧은 시간 동안(수 초 이내) 위에 언급한 열선(42)의 정보 즉, 열선(42)의 시간에 따른 온도 변화와 그 열선(42)의 발열률(시간에 따른 열선(42)에서 발생하는 열) 등을 측정한다.

초기 조건을 유지시켜 주기 위해, 측정 전에 열전달 성능 측정 장치(10)가 열적 평형상태에 도달했는지 먼저 확인한다. 예시적인 실시예에 따르면, 초기에 열전달 성능 측정 장치(10)를 외기 상태 또는 예컨대 항온 챔버(비도시)에 오랜 시간 동안 두어 열적 평형상태에 도달하도록 한다. 열적 평형상태에 도달했는지 여부는 유체 용기(20)의 측벽에 설치된 온도측정부(40)를 이용하여 확인할 수 있다.

예시적인 실시예에 따르면, 열확산 방정식을 통해 얻은 1차원 실린더에서 열전도도(k)는 다음 식 (1)로 구할 수 있다.

......(1)

여기서,

는 열선(42)의 단위 길이당 평균 발열율(열선(42)의 발열량/열선(42)의 길이),

는 시간, 그리고

는 열선(42)의 초기 온도와 나중 온도 간의 차이를 각각 나타낸다.

먼저 열선(42)의 저항값을 측정할 수 있다. 이 저항값은 휘트스톤 브리지(Wheatstone bridge)를 이용하여 측정할 수 있다. 구체적으로, 열선(42)의 정확한 저항을 측정하고 인가한 전압이 효과적으로 열선(42)에 인가되도록 하기 위해, 도 6과 같이 열선(42)을 포함하는 휘트스톤 브리지 회로를 구성할 수 있다. 휘트스톤 브리지 회로는 열선(42)과 가변 저항(R _v ) 그리고 2개의 고정 정밀 저항(R ₁ , R ₂ )을 포함할 수 있다.

열적 평형상태에 도달한 상태에서, 전원 공급부(82)를 이용하여 열선(42)의 온도가 변하지 않을 정도의 미세 전압(0.1 V)을 인가한다. 그때 열선(42)의 초기 저항을 알기 위해, 2개의 고정 정밀 저항(R ₁ , R ₂ ) 간의 연결지점(A)과 열선(42)과 가변저항(R _v ) 간의 연결지점(B) 사이에 전압계(84)를 배치하여 그 두 연결지점(A, B) 사이의 전압을 측정할 수 있다. 전압계(84)가 배치된 지로의 스위치(S)를 닫고(물론, 스위치(S) 없이 전압계(84)만 설치할 수도 있음), 전원 공급부(82)에서 일정한 미세 전압, 예를 들어 0.1[V]를 인가하면서 그 두 연결지점(A, B) 사이의 전압을 측정한다. 이 때, 그 두 연결지점(A, B) 사이에 전위차가 발생하지 않도록 즉, 전압계(84)에 걸리는 전압이 0이 되도록 가변 저항(R _v )의 저항값을 조절해준다. 그렇게 조절된 가변 저항(R _v )의 저항값을 측정하면, 휘트스톤 브리지 회로의 관계식을 이용하여 열선(42)의 저항값 R _w 는 아래 식 (2)를 이용하여 구할 수 있다.

......(2)

지속적으로 변하는 열선(42)의 저항값 R _w 과 이 저항값을 산출할 때 그 열선(42)에 흐르는 전류값으로부터 열선(42)에 걸리는 전압을 계산하여 열선(42)의 평균 길이당 발열량(

)을 계산할 수 있다. 변하는 저항값 R _w 의 산출식은 아래 식과 같다.

......(3)

열선(42)의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용하여 열선(42)의 온도를 구할 수 있다. 즉, 열선(42)의 초기 저항값에 대한 저항값의 변화를 측정하여 열선(42)의 온도 변화(

)를 계산할 수 있다. 온도 변화(

) 산출 식은 아래 식 (4)와 같다.

......(4)

여기서, △T는 초기 값에 대한 온도 변화량, α는 온도에 따른 저항의 상관 상수, R₀는 열선(42)의 초기 저항값, △R_w는 초기 저항값에 대한 저항의 변화량을 각각 나타낸다. 또한, R_x는(단, x는 1, 2, v를 나타냄) 휘트스톤 브리지의 저항들, R_w는 열선(42)의 저항값, V_o는 초기 전압의 크기, △V는 휘트스톤 브리지에서 A 지점과 B 지점 간의 전압차를 각각 나타낸다.

위 식 (4)에서 A 지점과 B 지점 사이의 전압차, 알고 있는 저항 그리고 열선(42)의 저항 변화값을 이용하여 온도 변화(

)를 계산 할 수 있다. 온도 변화를 구함에 있어서, 데이터 수집 구간은 캘리브레이션(calibration)을 통해 정할 수 있다. 캘리브레이션은 두 가지 유체 즉, 측정 대상의 예상되는 열전도도 보다 높은 유체와 낮은 유체를 이용하여 실험하고(두 점 교정법), 두 가지 유체의 시간에 따른 온도 변화가 선형인 구간을 구하고, 측정된 두 유체의 열전도도가 제공된 열전도도와 일치하고, 서로의 구간이 겹치는 구간을 확인하여 데이터 수집 구간으로 정할 수 있다.

휘트스톤 브리지를 사용하지 않는 간단한 구성의 전원 공급장치로 열전도도를 측정할 수도 있다. 전원 공급장치에서 미세 전류를 흘려주며 전압과 전류를 통해 열선(42)의 초기 저항을 계산하고, 이후 일정 전압을 인가해주어 전류의 변화를 통해 열선(42)의 저항 변화를 계산하여, 위와 같은 방법으로 열전도도를 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)로 실리콘 오일 (0.65 cSt, KCC)과 FC-72 (3M)의 열전도도를 측정한 결과, 도 7과 같이 알려진 열전도도 값에 상당히 근접하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 표준편차는 1% 이내로 재현성을 확보하였다.

다음으로, 유체의 대류 열전달 계수의 측정에 관해 설명한다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)는 기본적으로 열전도도 측정을 위해서는 피해야 할 대상인 자연 대류 현상을 이용하여 열전도도의 측정뿐만 아니라 대류 열전달 계수의 측정까지 수행할 수 있다.

대류 열전달 계수는 부력 차이로 인한 유동이 발생한 후 유체역학적, 열적 평형 상태에 도달한 후, 열선(42)의 온도(실험 조건)와 열 유속(열선(42)의 온도 유지에 사용되는 열량), 열선(42)으로부터 멀리 떨어진 위치에서 유체의 온도(이는 통 부재(22)의 내벽면 근처에서의 유체의 온도와 실질적으로 동일) 등을 이용하여 산출할 수 있다. 구체적으로, 대류 열전달 계수(h)는 아래 식 (5)를 사용하여 계산할 수 있다.

......(5)

여기서,

는 열선(42)에서 발생하는 열유속,

는 열선(42)의 온도,

는 열선(42)으로부터 멀리 떨어진 유체의 온도(즉, 통 부재(22)의 외벽에 삽입한 온도측정부(30a, 30b, 30c)의 측정 온도)를 각각 나타낸다.

열선(42)의 온도(

)는 실험의 조건으로서, 전원부(80) 또는 소스 미터를 이용하여 예를 들어 비례적분미분(PID) 제어로 일정한 값으로 유지시킬 수 있다. 그렇게 하여 정상상태에 도달하면, 전원부(80) 또는 소스 미터의 전류와 전압을 통해 계산된 발열율을 열선(42)의 측면 면적으로 나눠 열유속(

)을 계산할 수 있다. 그와 동시에 열선(42)으로부터 멀리 떨어진 유체의 온도(

)를 온도측정부(30)를 통해 측정할 수 있다. 이 값들을 식 (5)에 대입하여 대류 열전달 계수(h)를 계산할 수 있다.

유체역학적, 열적 평형상태는 서로 연관되어있기 때문에 상대적으로 지표(온도)를 얻기 용이한 열적 평형상태를 확인하여 유체역학적 평형상태 또한 판단할 수 있다. 기본적으로 통 부재(22)에 담긴 유체가 열적 평형 상태에 도달하기 위해서는 그 유체의 평균 온도가 일정하게 유지되어야 한다. 이를 위해서는 통 부재(22)의 부피를 적절히 조절하여 유체의 열용량을 키워주는 것이 바람직할 수 있다. 예시적인 실시예에 따른 본 발명의 열전달 성능 측정 장치(10)의 제작에 있어서, 측정 대상 유체의 물성과 열선(42)의 예상 발열률을 이용해 유체의 평균 온도가 예컨대 약 1분 동안 약 0.1℃ 정도 상승하는 열용량을 계산하여 장치를 제작할 수 있다.

열용량은 아래 식 (6)을 사용하여 계산할 수 있다.

......(6)

여기서,

은 발열률,

는 유체의 밀도,

는 유체의 부피,

는 유체의 비열,

는 유체의 초기와 나중의 온도 차이, 그리고

는 시간을 각각 나타낸다.

대류 열전달 계수 측정은 유체가 유체역학적, 열적 평형 상태에서 측정한다. 전원부(80)의 PID 제어를 통해 열선(42)을 일정 온도로 유지시키면서 유체의 온도가 평형 상태에 도달한 이후 열선(42)의 열 유속을 측정할 수 있다. 실제 측정 시에 유체의 온도가 정상 상태에 도달하였는지 여부는 열선(42)의 발열률 및 온도 그리고 유체의 온도가 일정하게 유지되는지 여부를 기준으로 판단할 수 있다. 이를 위해, 열선(42)의 온도 및 발열률 데이터를 수집하여 시간에 따른 변화 여부를 확인하고, 온도측정부(30)를 이용하여 유체의 온도가 일정하게 유지되는지 여부를 확인한다. 열전도도 측정을 위한 장치의 구성에 비해 추가적인 장치 구성은 유체 용기(20) 외벽에 삽입되는 온도측정부(30)를 더 추가함으로써, 유체의 열전도도뿐만 대류 열전달 계수도 측정할 수 있게 된다.

위와 같은 과정을 통해 물성치의 측정이 끝나면, 예컨대 배출로(60)의 밸브를 열어 그 배출로(60)를 개방하여 유체를 유체 용기(20) 밖으로 배출할 수 있다.

본 발명에 따른 열전달 성능 측정 장치(10)를 이용하여 측정함에 있어서, 열선(42)의 온도가 측정 대상 유체의 온도보다 약 10도 정도 높을 때 유체가 유체역학적, 열적 평형상태에 도달하는지 알아보기 위해 상용 해석 프로그램(예: ANSYS)을 사용하여 열전달 성능 측정 장치(10)를 해석해보았다. 그 해석의 결과가 도 8과 도 9에 각각 예시되어 있다.

도 8과 9에 예시된 것처럼, 약 15초 후 열선(42)에서 열적 경계층 거리만큼 떨어진 경계면에서의 유체의 유속과 온도가 일정해 지는 것을 알 수 있다. 실제 측정 시에도 도 10에 도시된 것처럼 일정 시간이 지난 뒤 열선(42)의 온도(이 온도는 열선(42)에 인접한 유체의 온도값으로 추정할 수 있음)가 일정해 지는 것을 알 수 있다.

본 발명의 열전달 성능 측정 장치(10)를 이용하여 절연성 유체에 나노미터 크기의 입자가 분산된 절연성 나노유체와 그 기본 유체를 대상으로 대류 열전달 계수를 측정한 결과가 표 1에 정리되어 있다. 이를 통해 본 발명의 열전달 성능 측정 장치(10)를 사용하여 열전도도뿐만 아니라 유체역학적, 열적 평형 상태에서 대류 열전달 계수를 측정할 수 있음을 확인 할 수 있다.

[표 1] 대류 열전달 계수 측정 결과

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명은 유체의 열전도도 및 대류 열전달 계수 등과 같은 열전달 성능을 측정하는 데 이용될 수 있다. 또한, 유체의 점도 등을 비롯한 다양한 물성치가 대류 현상에 어떻게 반영되는지를 확인하는 데도 이용될 수 있다.

10: 열전달 성능 측정 장치 20: 유체 용기
22: 통 부재 24: 하부 플레이트
28: 림부 30, 30a, 30b, 30c: 온도측정부
40: 측정부 42: 열선
44a: 열선 상부 고정블록 44b: 열선 하부 고정블록
46a: 상부 가이드 지지부재 46b: 하부 가이드 지지부재
48: 고정막대 50: 덮개부재
52: 결합공 54a: 제1 도체 막대
54b: 제2 도체 막대 56a: 제1 전극단자
56b: 제2 전극 전극단자 60: 배출로
72: 제1 고정블록부재 74: 제2 고정블록부재
76: 열선 고정홀

Claims

열전달 성능 측정 대상물인 유체를 담기 위한 통 형상의 유체 용기;
상기 유체 용기의 측벽의 소정 지점에 설치되어 상기 유체 용기 내의 유체의 온도를 측정하는 온도측정부; 및
상기 유체 용기 내부에 수직방향으로 배치되고 흐르는 전류에 의해 발열하여 상기 유체 용기 내의 유체를 가열하는 열선과, 상기 열선이 배치된 상태를 지지하면서 외부 전원부에서 제공되는 전류가 상기 열선에 흐를 수 있도록 상기 유체 용기 외부에서 상기 열선의 양쪽 단부까지의 전기적 통로를 제공하는 도전 경로를 포함하는 측정부를 포함하여,
상기 유체의 열전도도 산출에 필요한 상기 열선의 저항값의 측정이 가능함과 동시에, 상기 유체의 대류 열전달 계수 산출에 필요한 상기 유체의 온도값을 상기 온도측정부로 측정할 수 있도록 구성되어, 상기 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수 두 가지 모두를 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 온도측정부는 상기 유체 용기의 측벽에서 상기 유체 용기 안으로 돌출되어 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정하도록 설치된 복수 개의 열전대 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제2항에 있어서, 상기 복수 개의 열전대 소자는 상기 유체 용기의 축방향과 원주방향 중 적어도 어느 한 가지 방향으로 등간격으로 설치되는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 측정부는 상기 유체 용기의 외부에서 상기 도전 경로를 통해 상기 열선을 가열하는 데 필요한 전력을 공급하는 전원부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제4항에 있어서, 상기 도전 경로는 상기 유체 용기의 외부에 배치되어 상기 전원부에 전기적으로 연결되는 제1 및 제2 전극단자; 상기 유체 용기 내의 입구 근처와 바닥 근처에 각각 이격 배치되어 상기 열선의 상단 및 하단과 각각 결합하는 열선 상부 고정블록 및 열선 하부 고정블록; 상기 제1 전극단자에서 상기 열선 하부 고정블록까지 연장되어 서로 전기적으로 연결시켜주는 제1 도체 막대; 그리고 상기 제2 전극단자에서 상기 열선 상부 고정블록까지 연장되어 서로 전기적으로 연결시켜주는 제2 도체 막대를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제5항에 있어서, 상기 측정부는 상기 열선 상부 고정블록의 상면과 상기 열선 하부 고정블록의 하면에 각각 접합되어 받쳐주는 상부 및 하부 가이드 지지부재; 상기 상부 및 하부 가이드 지지부재 사이에 개재되어 이들 간에 일정한 간격이 유지되도록 지지해주는 한 개 이상의 고정막대; 및 상기 상부 가이드 지지부재의 상면과 접합되면서 상기 유체 용기의 상부를 덮으면서 밀폐시키는 덮개부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체의 열유속과 온도를 일정하게 유지되도록 상기 열선을 가열하는 데 필요한 전류 및 전압의 제어를 수행하면서 상기 열선으로 전력을 공급하는 전원부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 장치.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 유체의 열전달 성능 측정 장치를 사용하여 상기 유체 용기 내의 유체의 열전도도와 대류 열전달 계수 두 가지 모두를 측정하기 위한 방법으로서,
상기 열선의 저항값을 측정하고, 상기 열선에 전류를 흘려 전압값을 구하여 상기 열선의 평균길이당 발열량을 산출하고, 상기 열선의 초기 저항값에 대한 저항값의 변화를 측정하여 상기 열선의 온도 변화를 산출하고, 산출된 값들을 소정의 열전도도(k)의 산출식에 적용하여 상기 열전도도를 산출하는 단계; 및
상기 유체가 유체역학적 및 열적 평형 상태에서 상기 열선의 온도를 일정하게 유지하고, 상기 열선의 발열률과 측면 면적을 이용하여 열 유속을 산출하고, 상기 온도측정부를 이용하여 상기 열선으로부터 멀리 떨어진 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 측정하여, 상기 열선의 온도, 산출된 열 유속 및 측정된 상기 유체의 온도를 소정의 대류 열전달 계수(h)의 산출식에 적용하여 상기 대류 열전달 계수를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 열선의 저항값은 상기 열선을 미지의 저항으로 하는 휘트스톤 브리지 회로를 구성하여 측정하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 열선의 온도 변화는 상기 열선의 저항이 온도에 따라 변하는 특성을 이용하여 상기 열선의 초기 저항값에 대한 저항값 변화를 측정하는 것을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 열전도도(k)의 산출식은
이고, 상기 산출식에서
는 상기 열선의 단위 길이당 평균 발열율,
는 시간, 그리고
는 상기 열선의 초기 온도와 나중 온도 간의 차이를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 유체가 유체역학적 및 열적 평형 상태에 도달한지 여부는 상기 열선의 발열률 및 온도와 상기 유체의 온도가 일정하게 유지되는지 여부를 기준으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 대류 열전달 계수(h)의 산출식은
이고, 상기 산출식에서
는 상기 열선에서 발생하는 열유속,
는 상기 열선의 온도, 그리고
는 상기 열선으로부터 멀리 떨어진 상기 유체 용기의 내측벽 근처에서의 유체의 온도를 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제13항에 있어서, 상기 열선의 온도(
)는 실험의 조건으로서, 비례적분미분(PID) 제어로 일정한 값으로 유지되는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제8항에 있어서, 상기 유체의 열전도도의 측정은 상기 열선의 발열에 의해 가열된 상기 유체에서 유동이 발생하기 전까지의 짧은 시간 동안에 수행하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.
제15항에 있어서, 상기 유체의 유동의 발생 여부는 일정한 열유속 발생 시 시간의 로그 스케일 변화량과 온도 차에 대한 변화량의 비가 일정한지 여부를 기준으로 판단하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 유체의 열전달 성능 측정 방법.