KR20240035962A

KR20240035962A - 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치

Info

Publication number: KR20240035962A
Application number: KR1020240030365A
Authority: KR
Inventors: 이봉재; 최민우; 송재만
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2024-03-01
Publication date: 2024-03-19
Also published as: KR102671669B1; KR20230008504A

Abstract

본 발명은 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치를 개시한다. 본 발명의 측정방법은, (a) 진공챔버 내에 발산부와 흡수부를 서로 마주보도록 이격 배치하고, 발산부 및 흡수부의 대향하는 면에 시편이 구비된 시편부를 각각 부착하는 단계; (b) 발산측 시편부를 소정의 제1온도로 가열함과 동시에, 흡수측 시편부를 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도로 가열하는 단계; (c) 위 (b)단계의 실행 후, 열유속 센서에 의해 흡수부의 제1열유속을 측정하는 단계; (d) 위 (c)단계 완료 후, 발산부와 흡수부에 시편부 대신 반사판을 각각 부착하는 단계; (e) 위 (d)단계 실행 후, (b)단계를 반복 수행하여 흡수부의 제2열유속을 측정하는 단계; 및 (f) 열유속 센서에 의해 측정된 제2열유속과 제1열유속의 차이를 통해서 서로 다른 표면 온도를 갖는 두 시편 사이의 복사열전달 크기를 산출하는 단계;를 포함한다.
본 발명은 간단한 구성으로 두 물질의 마주보는 표면 사이에서 일어나는 복사열전달 크기를 직접적으로 정확하게 측정할 수 있으며, 전도 및 대류 등의 원하지 않는 열전달을 최소화하면서 두 물질 표면 사이의 복사열전달만을 측정할 수 있다.

Description

두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치{Method and device for measuring radiative heat transfer between two material surfaces}

본 발명은 두 물질 표면 사이의 복사열전달을 측정하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 원하지 않는 열전달을 최소화하면서 두 물질의 마주보는 표면 사이에서 일어나는 복사열전달만을 온도 효과를 반영하여 정확하게 측정할 수 있는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치에 관한 것이다.

주지하다시피 열 전달은 전도(傳導), 대류(對流) 및 복사(輻射)에 의해 이루어진다. 물체가 직접 맞닿아 전달하는 전도 및 액체나 기체를 매개로 하여 간접적으로 전달하는 대류와 달리, 복사는 물체가 열에너지를 전자기파(적외선) 형태로 방출함으로써 별도의 매질 없이 고온의 물체에서 저온의 물체로 직접 열이 이동하는 현상으로 진공 상태에서도 열을 전달할 수 있다.

모든 물체는 온도와 관계없이 복사 에너지를 방출하며, 물체의 온도가 높을수록 더 많은 양의 복사 에너지를 방출한다. 따라서, 특히 열적 특성이 고려되어야 하는 각종 장비나 설비 등에 이용되는 소재의 경우 복사열전달에 대한 특성을 정확히 파악할 필요가 있다.

예컨대, 복사열전달 현상을 이용하는 냉각장치의 복사냉각 패널이나 복사열 흡수재 및 반사재 등과 같은 재료는 복사열전달 성능이 매우 중요하며, 이들 재료의 복사열전달 분석은 분광법(spectroscopy)과 같은 광학 물성 측정을 통해 간접적으로 이루어지는 것이 일반적이다.

그런데, 이러한 분광법에 의한 분석은 FT-IR((Fourier Transform Infrared Reflectometry) 등의 고가의 장비를 필요로 하며, 온도에 따른 재료의 물성 변화를 관찰하기 어려운 단점이 있다.

또한, 열전달은 보통 전도, 대류, 복사가 복합적으로 이루어지기 때문에 복사열전달만을 정확히 측정하기도 매우 어려웠다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 두 물질의 마주보는 표면 사이에서 일어나는 복사열전달 크기를 직접적으로 정확하게 측정할 수 있는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 원하지 않는 열전달을 최소화하면서 두 물질 표면 사이의 복사열전달만을 측정할 수 있는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 상술한 목적들을 구현하기에 적합한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치를 제공하는 것이다.

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이와 같은 목적들을 달성하기 위해 본 발명자는, 진공 분위기에서 복사 냉각재로 사용되는 1㎜ 두께의 폴리디메탈실록산(Polydimethylsiloxane, 이하 'PDMS'라 칭함) 필름 시편과 표면에 흑체를 모사한 구리블록(Cabon Sprayed Copper)을 서로 대향하도록 수직으로 이격 배치하고, 양자의 표면 온도를 펠티어(peltier) 소자를 이용하여 서로 다르게 조절해 복사열전달을 일으켰다.

그리고 사전에 캘리브레이션(calibration) 된 열유속 센서(heat flux sensor)에 의해 PDMS 필름 시편과 구리블록 표면 사이에서 일어나는 복사열전달을 측정하였다. 이후, 시편 대신 은(銀)을 증착시켜 만든 반사판을 두고 동일 조건에서 재차 측정하여 두 측정값의 차이로써 시편 표면 사이의 복사열전달 크기를 도출하였다. 안정적인 측정은 표면 온도 0℃부터 110℃까지 가능하였다.

또한, 상온에서 PDMS 필름 및 구리블록의 적외선 영역 스펙트럼별 반사율을 통한 복사열전달 크기 예상 이론값을 도출하고, 위 측정값과 비교하였다. 그 결과를 도 1에 도시하였는데, 도 1a로부터 알 수 있는 바와 같이 본 발명자에 의한 실험 장치가 FT-IR과 같은 분광계의 도움 없이도 두 시편 간의 복사열전달 크기를 이론값과 유사하게 측정해 냄을 확인할 수 있다.

특히, 이론값과 측정값의 차이를 온도별로 보여주는 도 1b에서 알 수 있듯이, 구리블록(발산부)의 온도가 상온과 달라질 때 복사물성이 변화하는데, 온도가 높아질수록 물질의 복사물성 변화에 따른 이론값으로부터의 차이가 더욱 벌어짐을 확인할 수 있다.

이와 같은 고찰에 기초하여 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법은, (a) 진공챔버 내에 발산부와 흡수부를 서로 마주보도록 이격 배치하고, 발산부 및 흡수부의 대향하는 면에 시편이 구비된 시편부를 각각 부착하는 단계; (b) 발산측 시편부를 소정의 제1온도로 가열함과 동시에, 흡수측 시편부를 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도로 가열하는 단계; (c) 위 (b)단계의 실행 후, 열유속 센서에 의해 흡수부의 제1열유속을 측정하는 단계; (d) 위 (c)단계 완료 후, 발산부와 흡수부에 시편부 대신 반사판을 각각 부착하는 단계; (e) 위 (d)단계 실행 후, (b)단계를 반복 수행하여 흡수부의 제2열유속을 측정하는 단계; 및 (f) 열유속 센서에 의해 측정된 제2열유속과 제1열유속의 차이를 통해서 서로 다른 표면 온도를 갖는 두 시편 사이의 복사열전달 크기를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 위 (e)단계는 시편이 없으므로 각 히트 스프레더의 온도를 대응하는 각 시편부의 온도로 제어하여 제2열유속을 측정한다.

바람직하기로, (b)단계에서, 발산부 및 흡수부의 시편부의 가열은 펠티어 소자(peltier device)에 의해 각각 이루어지고, 각 펠티어 소자는 히트 스프레더(heat spreader)를 통해 대응하는 발산부와 흡수부의 시편부를 고르게 가열할 수 있다.

발산부 및 흡수부의 시편부를 각각 가열하는 펠티어 소자의 고온측은 항온 냉각수단에 의해 소정온도로 냉각함으로써 열전도 역전 현상을 방지한다.

또한, (b)단계에서, 각 히트 스프레더에 온도센서를 구비하여 각 히트 스프레더를 소정온도로 PID(Proportional Integral Derivative) 제어함으로써 각 시편부를 소정의 제1 및 제2온도로 신속 정확하게 가열 유지시킬 수 있다.

이때, (b) 단계는 각 시편부에 구비된 시편의 대향하는 표면 온도를 대응하는 각 히트 스프레더의 온도로부터 각 시편의 두께와 열전도 계수 및 통과한 열유속을 통해 산출하는 단계를 포함하여 (c)단계에서의 정확한 제1열유속 측정을 담보할 수 있다.

바람직하기로, 각 시편부에 구비된 시편의 측정 면을 열전도 차폐수단에 의해 주위와 물리적으로 분리시켜서 각 시편의 측정 면 이외의 다른 부분을 통한 열전달을 최소화 하는 것이 좋다.

또, 발산부와 흡수부의 각 시편부들은 각 시편부의 시편을 제외한 부분에 단열재를 대고 대응하는 히트 스프레더와 함께 영구자석으로 열전도 차폐수단에 고정되는 것이 바람직할 수 있다. 이는 스크루(screw) 등의 별도의 체결수단 없이 간편하게 고정시킬 수 있으면서 스크루를 통한 열전도도 방지하여 더욱 정확한 측정을 담보하기 위함이다.

한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치는, 진공챔버; 이 진공챔버 내에 설치되고, 한쪽 면에 시편이 구비된 시편부 또는 반사판을 선택적으로 부착하여 시편부 또는 반사판을 소정의 제1온도로 가열하는 발산부; 진공챔버 내에 발산부와 이격되게 설치되고, 시편이 구비된 시편부 또는 반사판을 발산부의 시편부 또는 반사판과 마주보도록 다른쪽 면에 선택적으로 부착하여 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도로 가열하는 흡수부; 흡수부의 열유속을 측정하는 열유속 센서; 및 위 구성요소들의 작동을 제어하고, 동일 조건에서 시편부들을 부착하고 측정한 흡수부의 열유속 측정값과 반사판을 각각 부착하고 측정한 흡수부의 열유속의 차이로 두 시편 사이의 복사열 크기를 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

발산부와 흡수부는, 단열재로 구성된 지지대와, 이 지지대의 한쪽 면에 고정되는 위 시편부와, 지지대에 고정되어 대응하는 시편부를 각각 가열하는 가열수단을 구비할 수 있다.

가열수단은 펠티어 소자로 구성되고, 발산부와 흡수부는 각 시편부의 온도를 측정하여 제어부로 송출하는 온도센서를 각각 구비하여서 대응하는 각 가열수단의 구동을 PID 제어하는 것이 바람직하다.

바람직하기로, 발산부와 흡수부는 각 가열수단으로부터 전도되는 열을 대응하는 각 시편부에 고르게 전달하기 위해 히트 스프레더를 더 구비할 수 있으며, 온도센서는 대응하는 히트 스프레더에 내장되는 열전대로 구성될 수 있다.

여기서, 각 히트 스프레더는 한쪽 면이 대응하는 가열수단과 접촉하는 제1 히트 스프레더와, 온도센서를 내장하고 다른 쪽 면이 대응하는 시편부와 접촉하는 제2 히트 스프레더로 이루어지는 것이 바람직할 수 있고, 열유속 센서는 흡수부 측의 제1 및 제2 히트 스프레더 사이에 개재될 수 있다.

이때, 흡수부 측의 제1 히트 스프레더 다른쪽 면에는 열유속 센서가 부착되는 돌출면이 구비되고, 제2 히트 스프레더의 한쪽 면에는 열유속 센서가 인입되는 수용홈이 구비되어 양자가 열유속 센서만으로 연결됨으로써 발산부에서 복사를 통해 흡수부로 전달된 열량이 최대한 열유속 센서를 통과할 수 있도록 유도한다.

각 지지대에는 장착슬롯이 형성되고, 각 제1 히트 스프레더의 한쪽 면에는 대응하는 지지대의 장착슬롯에 결합되는 리테이너(retainer)부가 돌출 형성되어서 대응하는 가열수단을 각각 수용할 수 있다.

그리고 각 지지대의 외측면에는 가열수단인 각 펠티어 소자의 고온부를 소정온도로 냉각시키기 위한 항온 냉각수단이 부착되어서 펠티어 소자의 열전도 역전현상을 방지할 수 있다.

바람직하기로 각 시편부는, 단열재로 구성되어 각 시편부 다른쪽 면(노출면)의 시편을 제외한 나머지 부분에 각각 접촉하는 복수의 고정편과, 각 고정편과 지지대를 고정시키는 복수의 영구자석을 갖는 시편부 고정수단에 의해 대응하는 지지대에 각각 고정됨으로써 용이한 고정 및 고정 해제와 더불어 불필요한 열전도의 우려를 최소화시킬 수 있다.

이때, 발산부와 흡수부의 각 시편부 고정수단은 서로 직교하는 방향으로 배치되어서 측정을 위한 발산부와 흡수부의 근접 시 간섭을 방지할 수 있다.

그리고, 각 제2 히트 스프레더 둘레에는 복수의 안내돌기를 구비하여 대응하는 각 시편부의 고정 시 보다 간편하고 정확하게 고정시킬 수 있다.

제어부는 히트 스프레더의 온도로부터 시편의 두께와 열전도 계수 및 통과 열유속을 통해 각 시편 표면의 온도를 산출하여 시편 부착 시의 열유속을 측정하고, 반사판 부착 시의 열유속은 히트 스프레더의 온도를 시편의 온도로 하여 열유속을 측정한다.

본 발명의 측정장치는 발산부와 흡수부의 상대적인 이격 거리를 적절히 조절할 수 있는 것이 바람직한 바, 간격 조절수단을 더 구비할 수 있다. 간격 조절수단은 예를 들어 진공챔버 내에 설치되는 가이드 레일(guide rail)과, 발산부와 흡수부의 지지대에 각각 고정되어 가이드 레일에 이동 및 고정 가능하게 설치되는 복수의 슬라이딩 클램프(sliding clamp)로 구성될 수 있다.

한편, 측정 시편 이외의 부분을 통한 불필요한 열전달을 최소화하여 보다 정확하게 복사열전달을 측정하기 위해 각 시편부를 제외한 나머지 구성요소들은 방사율이 낮은 방사 방지재에 의해 피복 처리하는 것이 더욱 바람직하다. 방사 방지재는 예컨대 방사율이 낮은 구리 테이프가 사용될 수 있고, 또는 금(金)을 소정 두께만큼 증착하는 것으로 달성될 수 있다.

이와 같은 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치에 의하면, 매우 간단한 구성으로 두 물질의 마주보는 표면 사이에서 일어나는 복사열전달 크기를 직접적으로 정확하게 측정할 수 있으며, 전도 및 대류 등의 원하지 않는 열전달을 최소화하면서 두 물질 표면 사이의 복사열전달만을 측정할 수 있다.

이에 따라 분광법 측정 시 필요한 FT-IR 등의 고가의 장비 없이도 간편하게 두 물질 간에 발생하는 복사열전달을 측정할 수 있고, 특히 온도에 따른 재료의 복사물성 변화는 물론 그에 따른 복사량의 변화까지 확실하게 파악할 수 있다.

도 1a는 본 발명에 의한 복사열전달 측정장치를 이용하여 PDMS 필름 시편과 표면에 흑체를 모사한 구리블록을 온도를 변화시키면서 측정한 복사열전달 측정값과 적외선 영역 스펙트럼별 반사율을 통한 이론값을 비교한 그래프이고,
도 1b는 도 1a에서 측정값과 이론값의 차이를 온도별로 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치를 개략적으로 도시한 블록도,
도 3은 본 발명에 의한 복사열전달 측정장치를 도시한 사시도,
도 4는 본 발명 복사열전달 측정장치의 흡수부를 도시한 전체 분리 사시도,
도 5 및 도 6은 본 발명 복사열전달 측정장치의 흡수부를 정면에서 본 부분 분리 사시도와 배면에서 본 부분 분리 사시도,
도 7은 본 발명에 의한 복사열전달 측정장치 흡수부의 결합상태 측면도,
도 8은 도 7에 도시한 측정장치 흡수부의 요부 발췌 부분 단면도,
도 9는 본 발명 복사열전달 측정장치의 발산부를 도시한 결합상태 사시도,
도 10은 본 발명 복사열전달 측정장치 발산부의 결합상태 측면도,
도 11은 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법을 도시한 블록이다.

이와 같은 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법 및 장치에 대한 구체적 특징과 다른 이점들은 첨부된 도면을 참조한 이하의 바람직한 실시예의 설명으로 더욱 명확해질 것이다.

도 2 내지 도 10에서, 본 발명에 의한 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치는, 상호 마주보도록 간격을 두고 배치되어서 상대적으로 높은 소정의 제1온도를 형성하는 발산부(10) 및 발산부(10)의 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도를 형성하는 흡수부(20)와, 발산부(10)로부터 흡수부(20)로 전달된 복사열전달의 크기를 측정하는 열유속 센서(24)와, 발산부(10)와 흡수부(20) 및 열유속 센서(24)가 내부에 설치되는 진공챔버(40)와, 상술한 구성요소들의 작동을 제어하기 위한 제어부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 있어서 발산부(10)와 흡수부(20)는 동일한 구성을 갖는다. 다만, 흡수부(20)에는 복사열 측정을 위한 열유속 센서(24)가 함께 구비되는 바, 편의상 흡수부(20)의 구성에 대해서만 설명하고, 발산부(10)에 대해서는 흡수부(20)와 대응되는 부위에 대응하는 부재번호를 기입하여 설명에 갈음하고 상세한 설명은 생략한다.

도 4 내지 도 8에서, 흡수부(20)는 기본적으로 지지대(21)와, 펠티어 소자(22), 그리고 시편부(27)를 구비하여 구성될 수 있는데, 바람직하기로는 열전달 방향에 수직한 단면 안에서의 온도 차이를 최소화 하여 전체적으로 균일한 열전달이 이루어질 수 있도록 하기 위해 히트 스프레더(25, 26)를 함께 구비할 수 있다.

지지대(21)는 흡수부(20) 전체를 일체적으로 고정 지지하며, 측정부와 주변을 물리적으로 분리시킨다. 이를 위해 지지대(20)는 전도에 의한 열전달을 방지할 수 있도록 열전도 계수가 낮으면서도 내열성과 내화학성 및 기계적 강도 등의 물리적 특성이 우수한 재질로 구성되는 것이 바람직하며, 예를 들어 폴리에틸에틸케톤(PEEK : Poly Ethyl Ethyl Ketone) 재질로 이루어질 수 있다.

지지대는 소정 두께를 갖는 판상으로 구성되어 세로로 배치될 수 있다. 지지대(21)의 중앙 부위에는 펠티어 소자(22)가 장착되는 결합슬롯(21a)이 관통 형성되고, 이 결합슬롯(21a)의 수평방향 양측에는 후술한 시편부 고정수단의 영구자석(19a)이 수용되는 안착홈(21b)이 각각 형성된다.

이러한 지지대(20)는 포스트(post:21c)를 일체적으로 구비하여 진공챔버(40)의 바닥으로부터 적정 높이에 위치할 수 있다. 포스트(21) 역시 PEEK 재질로 구성되는데, 전도 열전달을 더욱더 감소시킬 수 있도록 중공(中空) 형태로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.

펠티어 소자(22)는 주지하다시피 인가되는 전류의 방향에 따라서 양 접촉면 사이에 온도 구배가 형성되어 냉각 또는 발열하는 것으로, 입력 전압의 변화를 통해 온도를 조절할 수 있다.

이 펠티어 소자(22)는 지지대(21)의 결합슬롯(21a)에 삽입되어서 열유속 센서(24)의 한쪽 면에 직접 면접촉될 수 있는데, 이 경우 균일한 열전달을 위해서는 열유속 센서(24)와 펠티어 소자(22)가 동일한 크기를 가질 것이 요구된다. 이에 따라 펠티어 소자(22)와 열유속 센서(24)의 크기 동일 여부에 관계 없이도 양자간에 균일한 열전달을 확보할 수 있도록 펠티어 소자(22)는 히트 스프레더(25, 26)를 매개로 열유속 센서(24)와 접촉된다.

이러한 펠티어 소자(22)의 다른쪽 면에는 펠티어 소자(22)의 열 역전 현상을 방지하기 위한 냉각기(23)가 면접촉되어 펠티어 소자(22)의 일측면을 소정온도로 유지시킨다.

냉각기(23)는 여러 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어 진공챔버(40)의 외부에 마련되어 소정온도를 유지하는 항온 수조(50)와 연결되어서 냉각수가 순환하는 구성일 수 있다. 이러한 냉각기(23)는 열전도 계수가 높은 금속, 예컨대 구리재의 중공 블록 형태로 구성되고, 측면과 상면에 유입구(23a)와 유출구(23b)를 구비하여 항온 수조(50)와 연통하도록 유로를 형성할 수 있다.

히트 스프레더(25, 26)는 열전도 계수가 높은 구리재로 구성될 수 있다. 이 히트 스프레더(25, 26)는 단일 몸체로 구성될 수도 있겠으나, 도시된 바와 같이 제1 히트 스프레더(25)와 제2 히트 스프레더(26)로 구성되는 바람직하다.

제1 히트 스프레더(25)는 펠티어 소자(22)와 열유속 센서(24)를 연결하여 양자간에 열을 고르게 전달한다. 제1 히트 스프레더(25)의 한쪽 면에는 열유속 센서(24)와 면접촉 하는 돌출면(25a)이 형성된다. 돌출면(25a)은 열유속 센서(24)의 크기, 즉 열유속 센서(24)의 접촉면 면적과 동일한 크기를 갖는다.

그리고 제1 히트 스프레더(25)의 다른쪽 면에는 펠티어 소자(22)를 수용하여 면접촉 하는 리테이너부(25b)가 돌출되게 형성된다. 리테이너부(25b)는 내부가 펠티어 소자(22)에 대응되게 구성되고, 지지대(21)의 결합슬롯(21a)에 끼워짐으로써 제1 히트 스프레더(25)를 지지대(21)에 결합 할 수 있다.

이와 같은 리테이너부(25b)의 결합만으로도 지지대(21)에 대한 제1 히트 스프레더(25)의 고정이 족할 수 있으나, 보다 안정적인 고정을 위해 양자를 스크루(도시하지 않음)로 체결할 수도 있다. 이 경우, 스크루는 지지대(21)와 같은 PEEK 재질로 구성되는 것이 좋다.

제2 히트 스프레더(26)는 열유속 센서(24)와 시편부(27)를 연결하여 양자간에 열을 고르게 전달한다. 이 제2 히트 스프레더(26)의 다른쪽 면에는 열유속 센서(24)가 인입되어 면접촉 하는 수용홈(26b)이 형성되고, 둘레의 상하 양쪽 단부에는 시편부(27)의 접촉면 쪽으로 돌출하는 돌출부(26a)가 각각 구비된다.

수용홈(26b)은 제1 히트 스프레더(25)의 돌출면(25a)과 함께 발산부(10)로부터 복사를 통해 전달된 열량이 빠짐없이 열유속 센서(24)를 통과할 수 있도록 유도한다.

돌출부(26a)는 시편부(27)가 제2 히트 스프레더(26)에 고정될 때, 어긋남 없이 정확하게 부착될 수 있도록 해준다.

한편, 제2 히트 스프레더(26)에는 펠티어 소자(22)에 의한 시편부(27)의 가열 시, 시편부(27)를 원하는 온도로 가열 유지시키기 위해 온도를 측정하는 온도센서(26c)가 내장될 수 있다. 이러한 온도센서(26c)는 정확한 측정을 위해 열전대로 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라 펠티어 소자(22)가 구동될 때 온도센서(26c)의 측정치를 통해 PID 제어를 수행함으로써 신속하고 정확하게 시편부(27)를 원하는 온도로 가열 유지시킬 수 있게 된다.

이와 같은 제2 히트 스프레더(26)는 후술한 바와 같이 직사각형 모양으로 구성되는 시편부(27)에 대응하여 동일한 크기의 직사각형 모양을 취하고, 수평방향으로 길게 배치된다.

열유속 센서(24)는 상술한 바와 같이 제1 및 제2 히트 스프레더(25)(26) 사이에 개재되어 그 양쪽 면이 각 히트 스프레더(25)(26)에 면접촉 한다.

이 열유속 센서(24)는 주지하는 바와 같이 써모파일(thermopile)을 내장하여 두 면의 온도 차이를 전압으로써 출력하는 것으로, 푸리에 법칙에 의해 두 면의 온도 차이는 측정면을 통과한 열유속의 크기에 비례하는 바, 출력 전압으로부터 측정면을 통과한 열유속의 크기를 구할 수 있다.

시편부(27)는 예를 들어 40㎜ × 80㎜의 직사각형 모양으로 구성되어 수평방향으로 길게 배치될 수 있고, 제2 히트 스프레더(26)와 접촉되지 않는 외측 면(노출면) 중간에 40㎜ × 40㎜의 시편(S2)을 일체적으로 갖는다.

시편(S2)은 별도로 제작되어 시편부(27)에 부착될 수도 있고, 또는 시편부(27)에 증착되어 구성될 수도 있으며, 어느 쪽이라도 좋다.

이러한 시편부(27)는 복사열 측정 시 예를 들어 표면에 은(銀)이 증착되어 복사열을 반사시킬 수 있는 반사판(도시하지 않음)과 선택적으로 교체될 수 있다.

여기서, 시편부(27)를 직사각형 모양으로 구성하는 것은 시편(S2)을 제외한 시편부(27) 양쪽 부위에 단열재, 예컨대 PEEK 재질로 구성된 고정편(28)을 각각 세로방향으로 대고 고정편(28)과 지지대(21)의 양 외측에 영구자석(29a)(29b)을 각각 위치시킴으로써 대응하는 영구자석(29a)(29b) 간에 작용하는 인력에 의해서 히트 스프레더(25)(26)와 시편부(27)를 동시에 지지대(21)에 고정시키기 위함이다.

각 고정편(28)의 외측면(시편부에 접촉하지 않는 면)에는 지지대(21)에 형성된 안착홈(21b)에 대응하도록 영구자석(29b)이 수용되는 안착홈(28a)이 각각 형성될 수 있다.

이러한 영구자석(29a)(29b)에 의한 고정방식은 매우 간편한 탈부착 기능을 제공하면서 스크루 등의 체결수단을 통한 불필요한 열전달도 방지할 수 있다.

한편, 열유속 센서(24)와, 제2 히트 스프레드(26) 및 시편부(27)는 영구자석(29a)(29b) 대신 써멀 페이스트(thermal paste)에 의해 부착될 수도 있다.

바람직하기로, 복사열의 정확한 측정을 위해서는 시편부(27)의 측정 시편(S2)을 제외한 모든 나머지 부위에서의 전도와 대류 및 방사가 최대한 억제될수록 좋은 바, 본 발명 측정장치는 시편부(27)의 시편(S2) 이외의 다른 구성요소들이 방사 방지재(도시하지 않음)에 의해 피복될 수 있다.

방사 방지재는 여러 가지로 구성될 수 있는데, 예를 들면 방사율이 낮은 구리 테이프나 금 증착층이 사용될 수 있다.

여기서, 본 발명은 발산부(10)와 흡수부(20)가 동일한 구성을 가지는데, 이 경우 시편부(17)(27) 등을 고정하는 고정편(28)과 영구자석(19a, 19b)(29a, 29b)이 상호 대향하게 되어 측정 시 발산부(10)와 흡수부(20)의 접근에 방해될 수 있다.

복사열전달의 정확한 측정을 위해서는 측정을 위한 두 시편(S1)(S2)이 근접 할수록 좋은 바, 발산부(10)의 히트 스프레더(15)(16)와 시편부(17)는 흡수부(20)의 히트 스프레드(25, 26) 및 시편부(27)와 직교하는 방향으로 배치됨으로써 양자의 근접 시 상호 간섭을 배제시킨다.

한편, 발산부(10)와 흡수부(20)의 이격 거리는 적절히 조절할 수 있는 것이 바람직한 바, 본 발명의 복사열전달 측정장치는 발산부(10)와 흡수부(20)의 간격을 임의의 간격으로 조절하기 위한 간격 조절수단(30)을 함께 구비할 수 있다.

간격 조절수단(30)은 여러 형태로 구성될 수 있는데, 예를 들어 도시된 바와 같이 발산부(10)와 흡수부(20)의 이격 방향으로 길게 설치되는 가이드 레일(31)과, 각 지지대(11)(21)의 포스트(11c)(21c) 하단에 설치되어 가이드 레일(31)에 이동 및 고정 가능하게 결합되는 2개의 슬라이딩 클램프(32)로 구성될 수 있다.

진공챔버(40)는 그 외부에 구비된 진공펌프(41)에 의해 소정의 진공압으로 배기된다.

제어부(60)는 발산부(10)의 펠티어 소자(12)와 온도센서(16c), 흡수부(20)의 펠티어 소자(22)와 온도센서(26c) 및 열유속 센서(24) 들과 각각 회로적으로 연결된다.

이러한 제어부(60)에는 복사열전달 크기 측정에 필요한 각종 데이터와 소정의 제어 프로그램 등이 내장될 수 있고, 발산부(10)와 흡수부(20) 각 구성요소들의 구동 제어를 위한 수단, 예컨대 펠티어 소자(12)(22)에 필요 전압을 인가하기 위한 파워 서플라이와, 열유속 센서(24)로부터 출력되는 센서 전압 및 온도를 읽어들이기 위한 멀티미터와, 온도센서(16c)(26c)의 측정값을 수집하는 다채널 온도 수집장치 및 DAQ(data acquistion) 등을 저장하여 PC(70)와 연결될 수 있다.

다음, 이와 같이 구성된 본 발명 측정장치를 이용하여 두 물질 표면 사이의 복사열전달 크기를 측정하는 방법을 도 11을 병행하여 설명한다.

먼저, 단계(110)에서, 발산부(10)와 흡수부(20)의 상호 마주보는 제2 히트 스프레더(16)(26)들의 대향 면에 측정하고자 하는 시편부(17)(27)를 각각 부착 고정한다.

다음, 단계(120)에서, 발산부(10)의 펠티어 소자(12)와 흡수부(20)의 펠티어 소자(22)에 소정의 전압을 인가한다. 그러면 각 펠티어 소자(12)(22)에서 발생된 열이 발산부(10)와 흡수부(20)에 마련된 제1 및 제2 히트 스프레더(15, 16)(25, 26)에 의해서 시편부(17)(27)에 고르게 전달된다.

이때, 각 펠티어 소자(12)(22)는 발산부(10)와 흡수부(20)에 구비된 온도센서(16c)(26c)에 의해 제2 히트 스프레더(16)(26)의 온도를 PID 제어하여 신속 정확하게 원하는 온도로 가열 유지시킨다.

이에 따라 발산부(10)와 흡수부(20)에 부착된 각 시편(S1)(S2)이 설정된 소정의 제1 및 제2 온도로 각각 가열되고, 발산부(10)의 시편(S1)으로부터 복사된 열이 흡수부(10)의 시편(S2)으로 전달된다.

여기서, 각 제2 히트 스프레더(17)(27)의 온도는 복사열교환을 하는 시편 표면의 온도와는 차이가 있는 바, 제어부(60)는 시편(S2)의 두께와 열전도 계수 및 통과한 열유속의 크기를 통해 시편 표면의 온도를 산출한다.

다음, 단계(130)에서, 흡수부(20)의 시편(S2)으로 전달된 복사열의 제1열유속을 열유속 센서(24)에 의해 측정한다. 제1열유속은 제어부(60)가 열유속 센서(24)의 전압과 온도를 읽어들이고, 이를 토대로 소정의 관계식을 통해 산출한다.

이를 위해서 바람직하기로 센서 캘리브레이션을 진행하고, 이로부터 얻어진 센서 캘리브레이션 데이터를 통해 제1열유속을 도출할 수 있다.

다음, 단계(140)에서, 발산부(10)와 흡수부(20)의 시편부(17)(27) 대신 반사판을 각각 부착한다.

그리고, 단계(150)에서, 위 단계(120)에서와 마찬가지로 동일한 조건으로 각 펠티어 소자(12)(22)에 의해 반사판을 가열한다. 이때에는 반사판 때문에 발산부(10)에서 흡수부(20)로 열이 복사되지 않는다.

다음, 단계(160)에서, 흡수부(10)에 마련된 열유속 센서(24)에 의해 제2열유속을 측정한다. 이때에는 시편부(17)(27)가 없으므로 제2 히트 스프레더(16)(26)의 온도를 시편의 온도로 제어하여 산출한다.

다음, 단계(170)에서, 제어부(60)가 측정된 제1열유속과 제2열유속의 차이를 통해 두 시편(S1)(S2) 표면 사이의 복사열전달 크기를 산출한다.

10 : 발산부 11, 21 : 지지대
11a, 21a : 결합슬롯 12, 22 : 펠티어 소자
13, 23 : 냉각기 15, 25 : 제1 히트 스프레더
15a, 25a : 돌출면 15b, 25b : 리테이너부
16, 26 : 제2 히트 스프레더 16a, 26a : 돌출부
16b, 26b : 수용홈 17, 27 : 시편부
19a, 19b, 29a, 29b : 영구자석 20 : 흡수부
24 : 열유속 센서 28 : 고정편
31 : 가이드 레일 32 : 슬라이딩 클램프
40 : 진공챔버 50 : 항온 수조
60 : 제어부 S1, S2 : 시편

Claims

(a) 진공챔버 내에 발산부와 흡수부를 서로 마주보도록 이격 배치하고, 상기 발산부 및 흡수부의 대향하는 면에 시편이 구비된 시편부를 각각 부착하는 단계;
(b) 상기 발산측 시편부를 소정의 제1온도로 가열함과 동시에, 상기 흡수측 시편부를 상기 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도로 가열하는 단계;
(c) 상기 (b)단계의 실행 후, 열유속 센서에 의해 상기 흡수부의 제1열유속을 측정하는 단계;
(d) 상기 (c)단계 완료 후, 상기 발산부와 흡수부에 상기 시편부 대신 반사판을 각각 부착하는 단계;
(e) 상기 (d)단계 실행 후, 상기 (b)단계를 반복 수행하여 상기 흡수부의 제2열유속을 측정하는 단계; 및
(f) 상기 열유속 센서에 의해 측정된 상기 제2열유속과 제1열유속의 차이를 통해서 서로 다른 표면 온도를 갖는 상기 두 시편 사이의 복사열전달 크기를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 1에 있어서,
상기 (b)단계에서, 상기 발산부 및 흡수부의 시편부의 가열은 펠티어 소자에 의해 각각 이루어지고, 각 펠티어 소자는 히트 스프레더를 통해 대응하는 상기 발산부와 흡수부의 시편부를 고르게 가열하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 2에 있어서,
상기 (b) 단계에서, 상기 각 히트 스프레더에 온도센서를 구비하여 상기 각 히트 스프레더를 소정온도로 PID 제어함으로써 상기 각 시편부를 소정의 제1 및 제2온도로 유지시키는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 2에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 각 시편부에 구비된 시편의 대향하는 표면 온도를 대응하는 상기 각 히트 스프레더의 온도로부터 각 시편의 두께와 열전도 계수 및 통과한 열유속을 통해 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 (c) 및 (e) 단계에서, 상기 열유속 센서는 사전에 수행된 센서 캘리브레이션 데이터를 통해 열유속을 도출하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 각 시편부에 구비된 시편의 측정 면을 열전도 차폐수단에 의해 주위와 물리적으로 분리시켜서 상기 각 시편의 측정 면 이외의 다른 부분을 통한 열전달을 최소화 하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 (e) 단계는 상기 각 히트 스프레더의 온도를 대응하는 각 시편부의 온도로 제어하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 2에 있어서,
상기 발산부 및 흡수부의 시편부를 각각 가열하는 펠티어 소자의 고온측을 항온 냉각수단에 의해 소정온도로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
청구항 6에 있어서,
상기 각 시편부의 시편을 제외한 부분에 단열재를 대고 대응하는 히트 스프레더와 함께 영구자석으로 상기 열전도 차폐수단에 고정하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정방법.
진공챔버;
상기 진공챔버 내에 설치되고, 한쪽 면에 시편이 구비된 시편부 또는 반사판을 선택적으로 부착하여 상기 시편부 또는 반사판을 소정의 제1온도로 가열하는 발산부;
상기 진공챔버 내에 상기 발산부와 이격되게 설치되고, 시편이 구비된 시편부 또는 반사판을 상기 발산부의 시편부 또는 반사판과 마주보도록 다른쪽 면에 선택적으로 부착하여 상기 제1온도보다 낮은 소정의 제2온도로 가열하는 흡수부;
상기 흡수부의 열유속을 측정하는 열유속 센서; 및
상기 구성요소들의 작동을 제어하고, 동일 조건에서 상기 시편부들을 부착하고 측정한 상기 흡수부의 열유속 측정값과 상기 반사판을 각각 부착하고 측정한 상기 흡수부의 열유속의 차이로 상기 두 시편 사이의 복사열 크기를 산출하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 10에 있어서, 상기 발산부와 흡수부는,
단열재로 구성된 지지대와, 상기 지지대의 한쪽 면에 고정되는 상기 시편부와, 상기 지지대에 고정되어 대응하는 상기 시편부를 각각 가열하는 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 11에 있어서,
상기 가열수단은 펠티어 소자로 구성되고, 상기 발산부와 흡수부는 상기 각 시편부의 온도를 측정하여 상기 제어부로 송출하는 온도센서를 각각 구비하여서 대응하는 상기 각 가열수단의 구동을 PID 제어하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 12에 있어서,
상기 발산부와 흡수부는 상기 각 가열수단으로부터 전도되는 열을 대응하는 상기 각 시편부에 고르게 전달하기 위한 히트 스프레더를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 13에 있어서,
상기 온도센서는 열전대로 구성되고, 대응하는 상기 히트 스프레더에 내장되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 13에 있어서,
상기 각 히트 스프레더는 한쪽 면이 대응하는 상기 가열수단과 접촉하는 제1 히트 스프레더와, 상기 온도센서를 내장하고 다른 쪽 면이 대응하는 상기 시편부와 접촉하는 제2 히트 스프레더로 이루어져서 대향하는 면이 서로 접촉하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 15에 있어서,
상기 열유속 센서는 상기 흡수부 측의 상기 제1 및 제2 히트 스프레더 사이에 개재되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 16에 있어서,
상기 흡수부 측의 제1 히트 스프레더 다른쪽 면에 상기 열유속 센서이 부착되는 돌출면이 구비되고, 상기 제2 히트 스프레더의 한쪽 면에는 상기 열유속 센서가 인입되는 수용홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 15에 있어서,
상기 각 지지대에 장착슬롯이 형성되고, 상기 각 제1 히트 스프레더의 한쪽 면에는 대응하는 상기 지지대의 장착슬롯에 결합되어서 대응하는 상기 가열수단을 각각 수용하는 리테이너부가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 15에 있어서,
상기 각 제2 히트 스프레더 둘레에는 대응하는 상기 각 시편부의 정확한 위치 고정을 위해 복수의 안내돌기가 구비되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 10 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 시편부는,
단열재로 구성되어 상기 각 시편부 다른쪽 면(노출면)의 상기 시편을 제외한 나머지 부분에 각각 접촉하는 복수의 고정편과, 상기 각 고정편과 상기 지지대를 고정시키는 복수의 영구자석을 갖는 시편부 고정수단에 의해 대응하는 상기 지지대에 각각 고정되는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 19에 있어서,
상기 발산부와 흡수부의 각 시편부 고정수단은 서로 직교하는 방향으로 배치되어 간섭을 방지하는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 12에 있어서,
상기 발산부와 흡수부는 상기 각 펠티어 소자의 고온부를 소정온도로 유지시키기 위한 항온 냉각수단을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 13에 있어서,
상기 제어부는 상기 히트 스프레더의 온도로부터 상기 시편의 두께와 열전도 계수 및 통과 열유속을 통해 각 시편 표면의 온도를 산출하여 시편 부착 시의 열유속을 측정하고, 상기 반사판 부착 시의 열유속은 상기 히트 스프레더의 온도를 시편의 온도로 하여 열유속을 측정하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 10에 있어서,
상기 발산부와 흡수부의 이격 거리를 임의로 조절하기 위한 간격 조절수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.
청구항 24에 있어서, 상기 간격 조절수단은,
상기 진공챔버 내에 설치되는 가이드 레일과, 상기 발산부와 흡수부의 지지대에 각각 고정되어 상기 가이드 레일에 이동 및 고정 가능하게 설치되는 복수의 슬라이딩 클램프를 구비하는 것을 특징으로 하는 두 물질 표면 사이의 복사열전달 측정장치.