WO2011056010A2 - 흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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    • G05D23/19—Control of temperature characterised by the use of electric means
    • G05D23/1919—Control of temperature characterised by the use of electric means characterised by the type of controller

Definitions

  • the present invention relates to a temperature control device for a black body and a control method thereof, and more particularly, to a temperature control device for a black body using a Peltier element and a control method thereof.
  • a black body is used to test the thermal camera and to perform temperature calibration.
  • a blackbody is an object with an emissivity of approximately 1, which emits almost 100% of its energy.
  • the detector consists of a sensor array consisting of a number of detection sensors. For example, one detector consists of a sensor array of 240 horizontally 240 pixels, that is, 76,800 sensors. Such an array is commonly referred to as a focal plane array. It is called).
  • each sensor constituting the sensor array shows a slight variation in its performance for each sensor due to errors in the manufacturing process.
  • the thermal detector has such a large phenomenon (non-uniformity of performance) so that the difference in the performance of each sensor is so great that it hardly recognizes the image when constructing the actual electronic circuit.
  • a device that compensates for the different performance of each sensor in the thermal camera by using the ambient temperature and the temperature of the blackbody source so that almost constant performance can be obtained through the process.
  • SBIR company Overseas, there are SBIR company in USA, CI company in Israel, MICRON company in Europe, and cheaply produced products in China. However, the most technologically advanced company is SBIR company in the United States, which develops and sells various black bodies. The black body of the stable vacuum package is not applied.
  • the present invention is to solve the above problems, the present invention is to provide a temperature control device and a control method of the black body is formed uniformly the temperature distribution of the black body.
  • the present invention provides a black body for emitting radiation energy in the infrared region;
  • a first Peltier element mounted adjacent to the black body and having a first a surface and a first b surface to selectively release or absorb heat;
  • a copper plate adjacent to the first b surface;
  • a second Peltier element having a second a surface and a second a surface to selectively release or absorb heat, wherein the second b surface is adjacent to the copper plate;
  • a heat transfer member having a bent surface disposed adjacent to the second a surface and arms extending adjacent to both ends of the black body;
  • a controller configured to control the second a surface to simultaneously absorb heat when the first a surface emits heat, and simultaneously absorb the heat when the first a surface absorbs the heat.
  • the temperature T2 of the second a surface is lower than the temperature T1 of the first a surface, and when the black body is to be heated, the temperature T2 of the second a surface is greater than the temperature T1 of the first a surface. High is preferred.
  • a through hole is formed in the center of the second Peltier element, and may further include a heat dissipation member contacting the copper plate to discharge heat generated from the copper plate.
  • the heat dissipation member may include a heat dissipation plate connected to the copper plate, and the heat dissipation plate may be heat-cooled by water cooling or air cooling.
  • the present invention is the first step of measuring the temperature of the black body emitting radiation energy in the infrared region; A second step of determining whether the temperature measured in the first step is higher or lower than a desired set temperature; And when determined to be low in the second step, releases heat from a second a-plane of the second Peltier element installed adjacent to a heat transfer member having a first a-plane adjacent to the black body and an arm adjacent to both ends of the black body, And a third step of absorbing heat from the first a surface adjacent to the black body and the second a surface if determined to be high in the second step, wherein the temperature of the black body is adjusted to the temperatures of the first a surface and the second a surface. It provides a temperature control method characterized in that by adjusting.
  • the temperature T1 of the first a surface is lower than the temperature T2 of the second a surface, and if the heat is absorbed from the surface of the first a surface, the temperature T1 of the first a surface is the It is preferable that it is higher than the temperature T2 of 2nd a surface.
  • the calibration technique can be applied to the performance reliability evaluation equipment of the thermal imaging camera for front surveillance, semiconductor wiper block performance tester, thermal conduction analysis in non-destructive field, thermal diagnostic medical device, and infrared ray-mounted optical system. It can be secured.
  • the Peltier element in the heating and cooling of the black body, is a dual structure to increase the cooling efficiency and reduce the deviation between the temperature of the central part and the temperature of the outer part so as to have a uniform temperature distribution of a large area in the black body.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing the manner in which the Peltier device of the present invention is installed.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a temperature control apparatus of an air-cooled black body according to the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing a temperature control apparatus of a water-cooled black body according to the present invention.
  • Figure 4 is a flow chart of the temperature control method of the black body according to the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a manner in which the Peltier device of the present invention is installed.
  • FIG. 1 is a general diagram, and thus specific shapes such as through holes are not disclosed.
  • a Peltier device has a thermoelectric element composed of a semiconductor in which N-type impurity ions are mixed or a semiconductor in which P-type impurity ions are mixed, and electrodes formed of copper plates or the like are joined to upper and lower sides of the thermoelectric element, respectively.
  • a ceramic substrate is attached to surround the electrode.
  • Peltier device when the current is applied to the junction, electrons in the N-type semiconductor move holes from the upper electrode to the lower electrode in the P-type semiconductor, and take the heat of the upper part and release it to the lower part, so the upper part is cooled and the lower part is heated. Peltier effect is generated.
  • the Peltier effect is an electric phenomenon, and when current passes through two different metals, heat generation or absorption occurs at the connection point.
  • one side of the Peltier element forms a heat absorbing surface having a low temperature, and the other side forms a heat generating surface having a high temperature. If the current is applied in a reverse direction, the heat absorbing surface and the heat generating surface are different. Will change.
  • the first peltier element 10 and the second peltier element 20 are arranged, and a copper plate is disposed between the first peltier element 10 and the second peltier element 20. 30 is located.
  • the first Peltier element 10 includes a first a surface 12 and a first b surface 14 capable of selectively dissipating heat or absorbing heat, and the second Peltier element 20 selectively heats. And a second a surface 22 and a second b surface 24 capable of emitting or absorbing heat.
  • the first a surface 12, the first b surface 14, the second b surface 24, and the second a surface 22 are sequentially arranged from the left side, and the exothermic reaction is performed on the first a surface 12. If it is made, the exothermic reaction occurs on the second a surface 22, and when the endothermic reaction occurs on the first a surface 12, the endothermic reaction also occurs on the second a surface 22.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram illustrating a temperature control apparatus of an air-cooled black body according to the present invention. A description with reference to FIG. 2 is as follows.
  • the temperature control apparatus of the black body includes a black body 2 emitting radiation energy in the infrared region, a first Peltier element 10 mounted adjacent to the black body 2, and adjacent to the first b surface 14.
  • a copper plate 30, a second Peltier element 20 adjacent to the copper plate 30, and a heat transfer member 40 installed adjacent to the second a surface 22 are included.
  • the control unit 50 further controls to absorb heat at the same time.
  • the control unit 50 when the first b surface 14 emits heat, the control unit 50 also emits heat, and when the first b surface 14 absorbs heat, the second b surface ( 24 also controls to absorb heat at the same time.
  • the heat transfer member 40 includes a bent surface 42 adjacent to the second a surface 22, and includes an arm 44 connected to the bent surface 42.
  • the arm 44 extends adjacent to both ends of the black body 2 and is transferred from the second a surface 22 to the bent surface 42, and again from the bent surface 42 to the arm 44.
  • the heat transferred to the black body (2) can be transferred.
  • a through hole 26 is formed in the center of the second Peltier element 20.
  • the through hole 26 may be provided with a heat radiating member 27 in contact with the copper plate 30 to discharge heat generated from the copper plate 30.
  • the heat dissipation member 27 is heated to discharge the temperature of the copper plate 30 to the outside, when the temperature of the copper plate 30 is lower than the external temperature
  • the heat dissipation member 27 may cool and supply heat to the copper plate 30.
  • the heat sink 28 may be mounted at one end of the heat radiating member 27 to exchange heat with the outside, and the heat sink 28 may be provided with a plurality of heat radiating fins.
  • the heat sink 28 is provided with a fan 60 so that heat exchange can be efficiently performed in the heat sink 28 in an air-cooled manner.
  • control unit 50 may adjust the driving of the fan 60, thereby improving the efficiency of heat exchange in the heat sink (28). For example, when the temperature of the heat sink 28 is higher or lower than room temperature, the fan 60 may be driven to facilitate heat exchange.
  • the controller 50 controls the direction of the current flowing through the first Peltier element 10 and the second Peltier element 20 to heat or cool the black body 2 and to control the fan 60.
  • the heat transferred to the copper plate 30 may be heat-exchanged with the outside.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a temperature control apparatus of a water-cooled black body according to the present invention.
  • heat exchange is performed by water, and the rest of the structure is the same.
  • FIG. 3 a difference from FIG. 2 will be described with reference to FIG. 3.
  • the heat sink 28 may be adjacent to the receiving portion 62 which is circulated while receiving water to allow heat exchange. Since the heat exchange between the heat sink 28 and the receiving portion 62 is the same as that of the general heat exchanger, a detailed description thereof will be omitted.
  • the controller 50 may control the flow rate or flow rate of the cooling water, that is, the water, in the accommodating part 62. That is, when the temperature of the heat sink 28 is higher or lower than room temperature or when heat exchange needs to be made quickly, the heat exchange is controlled to be smoothly performed between the accommodating part 62 and the heat sink 28. .
  • FIG. 4 is a flowchart of a temperature control method of a black body according to the present invention. A description with reference to FIG. 4 is as follows.
  • the set temperature has a number of values.
  • the thermal camera is to be corrected, it is possible to set a plurality of values within the range of -10 ° C to 70 ° C.
  • the temperature of the black body 2 is measured (S10).
  • the measured temperature of the black body 2 is compared with the set temperature (S20).
  • the controller 50 may control the first Peltier element so that the first a surface 12 of the first Peltier element 10 and the second a surface 22 of the second Peltier element 20 act as an endothermic surface. 10) and a current is applied to the second Peltier element 20. At this time, the first b surface 14 of the first Peltier element 10 and the second b surface 24 of the second Peltier element 20 naturally act as heat generating surfaces to increase the temperature.
  • the black body 2 adjacent to the first a surface 12 is cooled.
  • the temperature of the black body 2 is generally lower than the temperature at both ends. That is, the temperature distribution of the black body 2 forms a distribution of a two-dimensional curve that is approximately lowered in the center. Because more air and convection may occur at both ends of the black body 2 and at both ends of the first a surface 12 than in the middle, and unlike the theoretical value, in fact, the cooling effect is also provided at the first a surface 12. Is not the same in all parts.
  • the temperature T2 of the second a surface 22 is set lower than the temperature T1 of the first a surface 12 (S44).
  • the temperature of T2 is transmitted to the bent surface 42 adjacent to the second a surface 22, and since the bent surface 42 is connected to the arm 44 to allow heat transfer, the temperature of T2 is substantially increased. Delivered to arm 44. Since the arm 44 is adjacent to both ends of the black body 2, both ends of the black body 2 are cooled by the arm 44. Furthermore, since the temperature of T2 is lower than that of T1, both ends of the black body 2 are cooled lower than the temperature T1 by the first a surface 12 by T2, so that the temperature of the black body 2 is at both ends and the center. Can be corrected constantly.
  • the first b surface 14 and the second b surface 24 generate heat.
  • the heat generated here is transferred to the copper plate 30, the heat of the copper plate 30 is transferred to the heat sink 28 connected to the heat dissipation member 27, the fan 60 or the receiving portion 62
  • the heat exchange takes place in the air-cooled or water-cooled manner.
  • the black body 2 is difficult to cool as much as desired due to the heat generated from the first b face 14 and the second b face 24.
  • the first Peltier element 10 and the second Peltier element 20 are enclosed in one case, and the first b surface 14 and the second b surface. This is because heat by (24) can affect the first a surface 12 and the second a surface 22.
  • the controller 50 may control the first Peltier element so that the first a surface 12 of the first Peltier element 10 and the second a surface 22 of the second Peltier element 20 serve as a heating surface. 10) and a current is applied to the second Peltier element 20. At this time, the first b surface 14 of the first Peltier element 10 and the second b surface 24 of the second Peltier element 20 naturally act as an endothermic surface to lower the temperature.
  • the black body 2 adjacent to the first a surface 12 is heated. At this time, the temperature of the black body 2 is generally higher than the temperature at both ends. In other words, the temperature distribution of the black body 2 forms a distribution of a two-dimensional curve that is approximately increased in the center. Because more air and convection may occur at both ends of the black body 2 and at both ends of the first a surface 12 than in the middle, and unlike the theoretical value, the heating effect is actually generated at the first a surface 12 as well. Is not the same in all facets.
  • the temperature T2 of the second a surface 22 is set higher than the temperature T1 of the first a surface 12 (S44).
  • the temperature of T2 is transmitted to the bent surface 42 adjacent to the second a face 22, and since the bent surface 42 is connected to the arm 44, the temperature of T2 is substantially the arm 44. Is passed on. Since the arm 44 is adjacent to both ends of the black body 2, both ends of the black body 2 are heated by the arm 44. Furthermore, since the temperature of T2 is higher than that of T1, both ends of the black body 2 are heated by the temperature of T2, so that the temperature of the black body 2 can be uniformly corrected at both ends and the center. Thus, the heat distribution can be approximately straight rather than quadratic.
  • the first b surface 14 and the second b surface 24 are cooled.
  • the lowered temperature is transmitted to the copper plate 30, and the copper plate 30 is connected to the heat dissipation member 27 and is transferred to the heat dissipation plate 28 by the fan 60 or the accommodating part 62.
  • the heat exchange takes place in an air or water cooling manner.
  • the first a surface 12 and the second b surface 24 affect the first a surface 12 and the second a surface 22. Since the black body 2 is hardly heated as desired.
  • the above-described process may be performed while varying the set temperature of the black body.

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Abstract

본 발명은 흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 본 발명은 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체; 상기 흑체에 인접하게 장착되어, 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제1a면과 제1b면을 구비하는 제1펠티어 소자; 상기 제1b면에 인접한 구리판; 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제2a면과 제2a면을 구비하고, 상기 제2b면이 상기 구리판에 인접하는 제2펠티어 소자; 상기 제2a면에 인접하게 설치되는 절곡면과 상기 흑체의 양단에 인접하게 연장되는 암을 구비하는 열 전달부재; 및 상기 제1a면이 열을 방출하면 상기 제2a면도 동시에 열을 방출하고, 상기 제1a면이 열을 흡수하면 상기 제2a면도 동시에 열을 흡수하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 흑체의 온도제어장치를 제공한다. 따라서, 본 발명에 의하면 흑체의 온도 분포를 균일하게 조절할 수 있다.

Description

흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법
본 발명은 흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 펠티어 소자를 이용한 흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
열상 카메라를 테스트하고 온도 보정을 행하기 위해 흑체를 사용한다. 흑체는 방사율(emissivity)이 대략 1이어서, 자신이 가진 에너지를 거의 100% 방출하는 물체이다. 열상 카메라 내에는 흑체를 감지하는 검출기(detector)가 있다. 검출기는 수많은 검출센서로 이루어진 센서 어레이로 되어 있는데, 일 예로서 하나의 검출기는 가로 320개ㅧ세로 240개, 즉 76,800개의 센서가 모여있는 센서 어레이로 되어 있으며, 이러한 어레이를 통상 FPA(Focal Plane Array)라고 부른다.
그런데 센서 어레이를 구성하는 각각의 센서는 제조과정 등에서의 오차로 인해 각 센서마다 그 성능에 조금씩 편차를 보인다. 특히 열상의 검출기는 이러한 현상(성능의 비 균일)이 매우 커 실제 전자회로를 구성하여 영상 구현 시 영상을 거의 알아보지 못할 정도로 각 센서의 성능의 차이가 매우 크다. 이러한 특성을 사전에 보상과 보정이란 과정을 통해 거의 일정한 성능을 나타낼 수 있도록 주변 온도와 흑체소스의 온도를 이용하여 열상 카메라에서 각 센서의 상이한 성능을 보상하게 하는 장비가 필요하게 된다.
국내에서는 국방 및 산업특수 분야에서 민간에 활성화되지 않은 기술인 군용 열상 장비 및 보건 의료용 체열 장비를 수입하는 것이 일반적이고, 사용자 환경에 적합한 소프트웨어 개발을 하는 점에 있어서 열상장비의 측정 분석 표준 장비 개발은 전무한 상태이다.
해외에서는 미국의 SBIR사, 이스라엘의 CI사, 유럽의 MICRON사, 그리고 중국에서 값싸게 생산된 제품들이 있으나, 가장 기술적으로 앞서는 회사는 미국의 SBIR사로 다양한 흑체를 개발 판매하는데, SBIR사에서도 미세 온도 안정용 진공 패키지의 흑체는 적용하지 않고 있다.
국내는 물론 해외의 제품에서도 온도 보정에 대한 기술 개발이 활발하지 않기 때문에, 그로 인한 오차를 보정하지 못하여 측정값에 잘못된 오류가 발생된다는 문제가 있다. 따라서 적외선 영역의 복사에너지 차이를 사람이 볼 수 있는 가시광 영상으로 변환시켜주는 열상카메라의 온도 보정 및 성능 평가를 위한 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 흑체의 온도분포가 균일하게 형성되는 흑체의 온도제어장치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명은 흑체의 온도를 원하는 온도로 변화시켜 열상 카메라로 흑체를 촬영할 수 있는 흑체의 온도제어방치 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체; 상기 흑체에 인접하게 장착되어, 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제1a면과 제1b면을 구비하는 제1펠티어 소자; 상기 제1b면에 인접한 구리판; 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제2a면과 제2a면을 구비하고, 상기 제2b면이 상기 구리판에 인접하는 제2펠티어 소자; 상기 제2a면에 인접하게 설치되는 절곡면과 상기 흑체의 양단에 인접하게 연장되는 암을 구비하는 열 전달부재; 및 상기 제1a면이 열을 방출하면 상기 제2a면도 동시에 열을 방출하고, 상기 제1a면이 열을 흡수하면 상기 제2a면도 동시에 열을 흡수하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 흑체의 온도제어장치를 제공한다.
특히 상기 흑체를 냉각하고자 하는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1보다 상기 제2a면의 온도 T2가 낮고, 상기 흑체를 가열하고자 하는 경우에는 제1a면의 온도 T1보다 상기 제2a면의 온도 T2가 높은 것이 바람직하다.
나아가 상기 제2펠티어 소자의 중앙에는 관통공이 형성되고, 상기 구리판에 접촉되어, 상기 구리판에서 발생되는 열을 배출하는 방열부재를 더 포함할 수 있다.
상기 방열부재는 상기 구리판에 연결된 방열판을 구비하고, 상기 방열판은 수냉식 또는 공랭식으로 열교환이 이루어질 수 있다.
또한 본 발명은 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체의 온도를 측정하는 제1단계; 상기 제1단계에서 측정된 온도가 원하는 설정온도보다 높은지 또는 낮은지를 판단하는 제2단계; 및 상기 제2단계에서 낮다고 판단되면, 상기 흑체에 인접한 제1a면과 상기 흑체의 양단에 인접한 암을 구비하는 열 전달부재에 인접하게 설치된 제2펠티어 소자의 제2a면에서 열을 방출하고, 상기 제2단계에서 높다고 판단되면, 상기 흑체에 인접한 제1a면과 상기 제2a면에서 열을 흡수하는제3단계;를 포함하며, 상기 흑체의 온도를 상기 제1a면 및 상기 제2a면의 온도에 의해서 조절하는 것을 특징으로 하는 온도제어방법을 제공한다.
특히 상기 제1a면에서 열이 방출되는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1은 상기 제2a면의 온도 T2보다 낮고, 상기 제1a면에서 열이 흡수되는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1은 상기 제2a면의 온도 T2보다 높은 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 기술적 측면으로 전방 감시용 열영상 카메라의 성능 신뢰성 평가장비, 반도체 와이퍼 블록 성능검사기, 비파괴 분야의 열전도 분석, 체열 진단 의료기기, 적외선용 위성탑재 광학계에 적용할 수 있어 검교정 기술을 확보할 수 있다.
본 발명에서는 흑체의 가열과 냉각에 있어서 펠티어 소자를 이중구조로 하여 냉각효율을 올리고, 흑체에서 넓은 면적의 균일한 온도분포를 갖도록 중심부분의 온도와 외곽부분의 온도간의 편차를 줄여주는 흑체 양단근처의 온도보상판을 본 펠티어 소자 이중구조와 연결하여 흑체와 함께 효율적으로 가열과 냉각을 하며 이를 소형화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 펠티어 소자가 설치되는 방식을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 공랭식 흑체의 온도제어장치를 도시한 개념도.
도 3은 본 발명에 따른 수랭식 흑체의 온도제어장치를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 흑체의 온도제어방법의 흐름도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>
2: 흑체10: 제1펠티어 소자
20: 제2펠티어 소자30: 구리판
40: 열 전달부재50: 제어부
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 펠티어 소자가 설치되는 방식을 도시한 개념도이다. 참고로 도 1은 개괄적으로 도시한 것이어서 관통공 등의 구체적인 형상은 개시되지 않는다.
일반적으로 펠티어 소자는 N형 불순물 이온이 섞인 반도체 또는 P형 불순물 이온이 섞인 반도체로 이루어진 열전요소(thermoelectric element)가 병렬 배치되고, 상기 열전요소 상부측 및 하부측에는 구리판 등으로 된 전극이 각각 접합되며, 상기 전극을 감싸도록 세라믹 기판 등이 부착되어 형성된다.
이와 같은 펠티어 소자는 접합부에 전류를 인가하면 N형 반도체에서는 전자가 P형 반도체에서는 정공이 상부의 전극에서 하부의 전극으로 이동하면서 상부의 열을 빼앗아 하부로 방출하기 때문에 상부는 냉각되고 하부는 가열되는 펠티어 효과(Peltier effect)가 발생된다. 즉, 펠티어 효과(Peltier effect)는 전기현상의 하나로, 두 개의 다른 금속의 접속을 통하여 전류를 통하면 그 접속점에 있어서 열의 발생 또는 흡수의 현상이 일어나는 것을 말한다.
따라서 펠티어 소자에 전류가 인가되면 펠티어 소자의 일측은 온도가 낮은 흡열면을 이루게 되며, 타측은 온도가 높은 발열면을 이루게 되며, 만약 상기와 달리 전류를 역방향으로 인가하면, 상기 흡열면와 상기 발열면은 바뀌게 된다.
본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같이 제1펠티어 소자(10)와 제2펠티어 소자(20)가 배열되고, 상기 제1펠티어 소자(10)와 상기 제2펠티어 소자(20)의 사이에는 구리판(30)이 위치한다.
상기 제1펠티어 소자(10)는 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수할 수 있는 제1a면(12)과 제1b면(14)을 포함하고, 상기 제2펠티어 소자(20)는 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수할 수 있는 제2a면(22)과 제2b면(24)을 포함할 수 있다.
특히 본 발명에서는 왼쪽으로부터 제1a면(12), 제1b면(14), 제2b면(24) 및 제2a면(22)이 순차적으로 배열되며, 상기 제1a면(12)에서 발열반응이 이루어지면 상기 제2a면(22)에서도 발열반응이 일어나고, 상기 제1a면(12)에서 흡열반응이 이루어지면 상기 제2a면(22)에서도 흡열반응이 일어나도록 제어된다.
도 2는 본 발명에 따른 공랭식 흑체의 온도제어장치를 도시한 개념도이다. 이하 도 2를 참조해서 설명한다.
본 발명에 따른 흑체의 온도제어장치는 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체(2), 상기 흑체(2)에 인접하게 장착되는 제1펠티어 소자(10), 상기 제1b면(14)에 인접한 구리판(30), 상기 구리판(30)에 인접하는 제2펠티어 소자(20) 및 상기 제2a면(22)에 인접하게 설치되는 열 전달부재(40)를 포함한다.
또한 본 발명은 상기 제1a면(12)이 열을 방출하면 상기 제2a면(22)도 동시에 열을 방출하고, 상기 제1a면(12)이 열을 흡수하면 상기 제2a면(22)도 동시에 열을 흡수하도록 제어하는 제어부(50)를 더 포함한다. 다시 말해서 상기 제어부(50)는 상기 제1b면(14)이 열을 방출하면 상기 제2b면(24)도 열을 방출하고, 상기 제1b면(14)이 열을 흡수하면 상기 제2b면(24)도 동시에 열을 흡수하도록 제어한다.
상기 열 전달부재(40)는 상기 제2a면(22)에 인접한 절곡면(42)을 포함하고, 상기 절곡면(42)과 연결되는 암(44)을 포함한다. 상기 암(44)은 상기 흑체(2)의 양단에 인접하게 연장되어, 상기 제2a면(22)로부터 상기 절곡면(42)으로 전달되고, 다시 상기 절곡면(42)으로부터 상기 암(44)으로 전달된 열을 상기 흑체(2)에 전달할 수 있다.
한편 상기 제2펠티어 소자(20)의 중앙에는 관통공(26)이 형성된다. 상기 관통공(26)에는 상기 구리판(30)에 접촉되어 상기 구리판(30)에서 발생되는 열을 배출하는 방열부재(27)가 설치될 수 있다. 상기 구리판(30)의 온도가 외부 온도보다 높은 경우에는 상기 방열부재(27)는 가열되면서 상기 구리판(30)의 온도를 외부로 배출하고, 상기 구리판(30)의 온도가 외부 온도보다 낮을 경우에는 상기 방열부재(27)는 냉각되면서 상기 구리판(30)에 열을 공급할 수 있다.
도 2에서는 상기 방열부재(27)의 일단에 상기 방열판(28)이 장착되어 외부와 열교환이 이루어질 수 있고, 상기 방열판(28)에는 다수 개의 방열핀이 구비될 수 있다. 상기 방열판(28)에는 팬(60)이 마련되어 공랭식으로 상기 방열판(28)에서 열교환이 효율적으로 이루어질 수 있도록 한다.
상기 방열판(28)과 상기 팬(60)에 의해서 열교환이 이루어지는 구조는 일반적인 열교환기(heat exchanger)의 원리와 동일하기 때문에 자세한 설명을 생략한다.
한편 상기 제어부(50)는 상기 팬(60)의 구동을 조절하여, 상기 방열판(28)에서 이루어지는 열교환의 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어 상기 방열판(28)의 온도가 상온에 비해서 높거나 낮은 경우에는 열교환이 원활하게 이루어지도록 하기 위해서 상기 팬(60)을 구동할 수 있다.
즉 상기 제어부(50)은 상기 제1펠티어 소자(10), 상기 제2펠티어 소자(20)을 흐르는 전류의 방향을 제어하여 상기 흑체(2)를 가열 또는 냉각하고, 상기 팬(60)을 제어해서 상기 구리판(30)으로 전달된 열을 외부와 열교환시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 수랭식 흑체의 온도제어장치를 도시한 개념도이다. 도 3에서는 도 2에 도시된 실시예와 달리 물에 의해서 열교환이 이루어질 뿐 나머지 구조는 모두 동일하다. 이하 도 3을 참조해서 도 2와의 차이점을 위주로 설명한다.
상기 방열판(28)에는 물이 수용되면서 순환되어 열교환이 이루어질 수 있는 수용부(62)가 인접하게 설치될 수 있다. 상기 방열판(28)과 상기 수용부(62) 사이에서 열교환이 이루어지는 구조는 일반적인 열교환기의 원리와 동일하기 때문에 자세한 설명을 생략한다.
상기 제어부(50)는 도 2에 도시된 예와 달리 상기 수용부(62) 내에서 냉각수, 즉 물의 유동량이나 유속을 제어할 수 있다. 즉 상기 방열판(28)의 온도가 상온에 비해서 높거나 낮은 경우 또는 열교환이 신속하게 이루어질 필요가 있는 경우에는 상기 수용부(62)와 상기 방열판(28) 사이에서 열교환이 원활하게 이루어질 수 있도록 제어한다.
도 4는 본 발명에 따른 흑체의 온도제어방법의 흐름도이다. 이하 도 4를 참조해서 설명한다.
열상 카메라에 설치된 센서들은 센서의 특성이나 외부 요인들로 인해서 정확한 수치를 측정하기 어렵다. 따라서 흑체의 온도를 변화시켜가면서 흑체에서 방출되는 에너지를 측정하여 센서들의 보정이나 보상을 수행하게 된다.
우선 열상 카메라를 이용해서 측정하고자 하는 온도를 설정한다. 이때 열상 카메라에서 측정하고자 하는 온도가 다양한 경우에는 설정온도는 여러 개의 값을 가지게 된다. 일반적으로 열상 카메라를 보정하고자 하는 경우에는 상기 설정온도가 -10 ℃ ~ 70 ℃의 범위 내에서 여러 개의 값이 설정되는 것이 가능하다.
상기 흑체(2)의 온도를 측정한다(S10).
그리고 상기 흑체(2)의 측정된 온도와 설정온도를 비교한다(S20).
측정된 온도가 설정온도 보다 높다면(S30), 상기 흑체(2)의 온도를 설정온도만큼 냉각하는 것이 필요하다(S42). 따라서 상기 제어부(50)는 상기 제1펠티어 소자(10)의 제1a면(12)과 상기 제2펠티어 소자(20)의 제2a면(22)이 흡열면으로 작용하도록 상기 제1펠티어 소자(10) 및 상기 제2펠티어 소자(20)에 전류를 가한다. 이때 상기 제1펠티어 소자(10)의 제1b면(14)과 상기 제2펠티어 소자(20)의 제2b면(24)은 당연히 발열면으로 작용되어 온도가 상승된다.
상기 제1a면(12)의 온도 T1은 낮아지기 때문에 상기 제1a면(12)에 인접한 상기 흑체(2)는 냉각된다. 이때 상기 흑체(2)는 일반적으로 가운데 부위의 온도가 양단의 온도보다 낮아진다. 즉 상기 흑체(2)의 온도분포는 대략 가운데에서 낮아지는 2차원 곡선의 분포를 이룬다. 왜냐하면 상기 흑체(2)의 양단과 상기 제1a면(12)의 양단에서 가운데에 비해 더 많은 외부 공기와 대류가 발생될 수 있고, 이론값과 달리 실제에서는 상기 제1a면(12)에서도 냉각효과가 모든 부분에서 동일하지 않기 때문이다.
상기 제2a면(22)의 온도 T2는 상기 제1a면(12)의 온도 T1에 비해서 낮게 설정된다(S44). T2의 온도는 상기 제2a면(22)에 인접한 절곡면(42)에 전달되고, 상기 절곡면(42)은 상기 암(44)에 열전달이 가능하도록 연결되어 있기 때문에 실질적으로 T2의 온도는 상기 암(44)에 전달된다. 이어서 상기 암(44)은 상기 흑체(2)의 양단에 인접하기 때문에 상기 암(44)에 의해서 상기 흑체(2)의 양단은 냉각된다. 나아가 T2의 온도가 T1에 비해서 낮기 때문에, 상기 흑체(2)의 양단은 T2에 의해서 제1a면(12)에 의한 온도 T1보다 낮게 냉각되어, 상기 흑체(2)의 온도는 양단과 가운데에서 온도가 일정하게 보정될 수 있다.
반면에 상기 제1b면(14)과 상기 제2b면(24)은 열이 발생하게 된다. 여기서 발생된 열은 상기 구리판(30)에 전달되고, 상기 구리판(30)의 열은 상기 방열부재(27)에 연결된 상기 방열판(28)에 전달되어 상기 팬(60) 또는 상기 수용부(62)에 의해서 공랭식 또는 수랭식의 방식으로 열교환이 이루어진다.
만약 상기 구리판(30)에 의해서 외부로 열을 배출하지 않으면 상기 제1b면(14)과 상기 제2b면(24)에서 발생되는 열로 인해서 상기 흑체(2)는 원하는 만큼 냉각되기 어렵다. 왜냐하면 본 발명의 도면에서 명확히 개시되지는 않았지만 상기 제1펠티어 소자(10) 및 상기 제2펠티어 소자(20)는 하나의 케이스 내에 밀폐되어 설치되고, 상기 제1b면(14)와 상기 제2b면(24)에 의한 열이 상기 제1a면(12) 및 상기 제2a면(22)에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
측정된 온도가 설정온도 보다 낮다면, 상기 흑체(2)의 온도를 설정온도만큼 가열하는 것이 필요하다(S52). 따라서 상기 제어부(50)는 상기 제1펠티어 소자(10)의 제1a면(12)과 상기 제2펠티어 소자(20)의 제2a면(22)이 발열면으로 작용하도록 상기 제1펠티어 소자(10) 및 상기 제2펠티어 소자(20)에 전류를 가한다. 이때 상기 제1펠티어 소자(10)의 제1b면(14)과 상기 제2펠티어 소자(20)의 제2b면(24)은 당연히 흡열면으로 작용되어 온도가 낮아진다.
상기 제1a면(12)의 온도 T1은 높아지기 때문에 상기 제1a면(12)에 인접한 상기 흑체(2)는 가열된다. 이때 상기 흑체(2)는 일반적으로 가운데 부위의 온도가 양단의 온도보다 높아진다. 즉 상기 흑체(2)의 온도분포는 대략 가운데에서 높아지는 2차원 곡선의 분포를 이룬다. 왜냐하면 상기 흑체(2)의 양단과 상기 제1a면(12)의 양단에서 가운데에 비해서 더 많은 외부 공기와 대류가 발생될 수 있고, 이론값과 달리 실제는 상기 제1a면(12)에서도 발열효과가 모든 면의 부분에서 동일하지 않기 때문이다.
상기 제2a면(22)의 온도 T2는 상기 제1a면(12)의 온도 T1에 비해서 높게 설정된다(S44). T2의 온도는 상기 제2a면(22)에 인접한 절곡면(42)에 전달되고, 상기 절곡면(42)은 상기 암(44)에 연결되어 있기 때문에 실질적으로 T2의 온도는 상기 암(44)에 전달된다. 이어서 상기 암(44)은 상기 흑체(2)의 양단에 인접하기 때문에 상기 암(44)에 의해서 상기 흑체(2)의 양단은 가열된다. 나아가 T2의 온도가 T1에 비해서 높기 때문에 상기 흑체(2)의 양단은 T2의 온도에 의해서 가열되어, 상기 흑체(2)의 온도는 양단과 가운데에서 온도가 일정하게 보정될 수 있다. 따라서 열 분포는 2차곡선이 아닌 대략 직선의 형태를 이룰 수 있다.
반면에 상기 제1b면(14)과 상기 제2b면(24)은 냉각되게 된다. 여기서 낮아진 온도는 상기 구리판(30)에 전달되고, 상기 구리판(30)은 상기 방열부재(27)에 연결되 상기 방열판(28)에 전달되어 상기 팬(60) 또는 상기 수용부(62)에 의해서 공랭식 또는 수랭식의 방식으로 열교환이 이루어진다.
만약 상기 구리판(30)에 의해서 낮아진 온도가 외부와 열교환이 이루어지지 않으면 상기 제1b면(14)과 상기 제2b면(24)에서 제1a면(12)과 상기 제2a면(22)에 영향을 주기 때문에 상기 흑체(2)는 원하는 만큼 가열되기 어렵다.
열상 카메라에서 다양한 온도에 대해서 보정을 하기 위해서는 흑체의 설정온도를 다양하게 변화시키면서, 상술한 과정을 수행하면 된다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체;
    상기 흑체에 인접하게 장착되어, 선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제1a면과 제1b면을 구비하는 제1펠티어 소자;
    상기 제1b면에 인접한 구리판;
    선택적으로 열을 방출하거나 열을 흡수하는 제2a면과 제2a면을 구비하고, 상기 제2b면이 상기 구리판에 인접하는 제2펠티어 소자;
    상기 제2a면에 인접하게 설치되는 절곡면과 상기 흑체의 양단에 인접하게 연장되는 암을 구비하는 열 전달부재; 및
    상기 제1a면이 열을 방출하면 상기 제2a면도 동시에 열을 방출하고, 상기 제1a면이 열을 흡수하면 상기 제2a면도 동시에 열을 흡수하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 흑체의 온도제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흑체를 냉각하고자 하는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1보다 상기 제2a면의 온도 T2가 낮은 것을 특징으로 하는 흑체의 온도제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흑체를 가열하고자 하는 경우에는 제1a면의 온도 T1보다 상기 제2a면의 온도 T2가 높은 것을 특징으로 하는 흑체의 온도제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2펠티어 소자의 중앙에는 관통공이 형성되고,
    상기 구리판에 접촉되어, 상기 구리판에서 발생되는 열을 배출하는 방열부재를 더 포함하는 흑체의 온도제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 방열부재는 상기 구리판에 연결된 방열판을 구비하고,
    상기 방열판은 수냉식 또는 공랭식으로 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 흑체의 온도제어장치.
  6. 적외선 영역의 복사 에너지를 방출하는 흑체의 온도를 측정하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 측정된 온도가 원하는 설정온도보다 높은지 또는 낮은지를 판단하는 제2단계; 및
    상기 제2단계에서 낮다고 판단되면, 상기 흑체에 인접한 제1a면과 상기 흑체의 양단에 인접한 암을 구비하는 열 전달부재에 인접하게 설치된 제2펠티어 소자의 제2a면에서 열을 방출하고,
    상기 제2단계에서 높다고 판단되면, 상기 흑체에 인접한 제1a면과 상기 제2a면에서 열을 흡수하는제3단계;를 포함하며,
    상기 흑체의 온도를 상기 제1a면 및 상기 제2a면의 온도에 의해서 조절하는 것을 특징으로 하는 온도제어방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1a면에서 열이 방출되는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1은 상기 제2a면의 온도 T2보다 낮고,
    상기 제1a면에서 열이 흡수되는 경우에는 상기 제1a면의 온도 T1은 상기 제2a면의 온도 T2보다 높은 것을 특징으로 하는 흑체의 온도제어방법.
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