WO2012021021A2 - 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 및 방법 - Google Patents

미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 및 방법 Download PDF

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WO2012021021A2
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thermal conductivity
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dynamic thermal
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이욱현
박성룡
김종엽
김석원
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한국에너지기술연구원
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for measuring the dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid, and more particularly, it is possible to measure the thermal conductivity according to the shear rate at a steady state temperature with only a small amount of the microstructured fluid.
  • Micro-structure fluids are generally fluids with microstructures, such as suspensions in which solids and liquids are dispersed, emulsions in which heterogeneous liquids are dispersed, and polymer solutions. . Because the microstructure in the fluid is sensitive to the shear stress applied to the fluid, it is expected that the heat transfer properties of the fluid will also change when the flow is applied. In addition, since the heat transfer characteristics of the microstructured fluid are sensitive to temperature, an environment for establishing a steady-state temperature is required when measuring the thermal conductivity.
  • the hot-wire method for measuring the thermal conductivity in an abnormal state is widely used because it can measure the thermal conductivity of the fluid and solid in a relatively simple and short time.
  • the abnormal heating method is a method of immersing the probe, it is not suitable for measuring the thermal conductivity of microstructured fluid.
  • heat is applied around the probe (hot wire) to form a concentration gradient in the solid phase by thermophoresis, which is the concentration The gradient causes convection due to density differences, making the measurement of thermal conductivity inaccurate.
  • the present invention is to solve the above problems of the prior art, it is possible to measure the thermal conductivity according to the shear rate at a steady state temperature with only a small amount of microstructured fluid, to prevent convection according to the concentration and temperature gradient and heat loss It is an object of the present invention to provide a measuring apparatus and method for measuring accurate dynamic thermal conductivity by minimizing the power consumption.
  • An apparatus for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid according to the present invention for achieving the above object includes a lower body which forms an upper side and a lower side fixed plate spaced apart from each other, and a side of a space formed between the upper fixed plate and the lower fixed plate.
  • a rotating plate installed in the separation space such that a gap is formed between the upper fixing plate and the lower fixing plate, a shaft coupled to the rotating plate through the upper fixing plate, and above the upper fixing plate.
  • the heater is installed, and the thermocouple is installed on the upper fixing plate and the lower fixing plate.
  • the microstructure fluid filled in the spaced space between the upper fixing plate and the lower fixing plate during the rotation of the rotating plate becomes a dynamic state, and at the same time when the heater is supplied to supply a fixed heat flow amount is filled in the space Dynamic thermal conductivity of microstructured fluids can be measured.
  • the sides of the upper fixing plate and the lower fixing plate is wrapped with a heat insulating material, and installing a heater in the cap provided with the heat insulating material can minimize the heat loss emitted to the outside.
  • a heater in the cap provided with the heat insulating material can minimize the heat loss emitted to the outside.
  • the temperature difference with the upper fixing plate in which the heater is installed in the absence of vibration is sure, so that more accurate dynamic thermal conductivity can be measured.
  • the present invention is installed and the temperature is adjusted inside the heat insulation box provided with a heater at the bottom, it is possible to minimize the heat loss and heat gain between the present invention and the external environment.
  • the present invention provides a method for measuring the dynamic thermal conductivity of the microstructured fluid using the above-described dynamic thermal conductivity measurement apparatus for the microstructured fluid.
  • Dynamic thermal conductivity measurement method of the microstructured fluid according to the present invention, the step of filling the microstructured fluid in the space, the step of generating a temperature difference between the upper fixing plate and the lower fixing plate by operating the heater and the thermoelectric element. And rotating the rotating plate to make the microstructured fluid dynamic, and measuring thermal conductivity using the temperature measured by the thermocouple.
  • the present invention configured as described above can measure the thermal conductivity according to the shear rate at a steady state temperature even with a small amount of microstructured fluid, and prevent the convection caused by the concentration and temperature gradient, thereby minimizing the heat loss and accurate dynamic thermal conductivity. Degrees can be measured.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an apparatus for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a portion of FIG. 1.
  • thermocouple 3 is a view showing the installation position of the thermocouple of the dynamic thermal conductivity measurement apparatus of the microstructured fluid according to the embodiment of FIG.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a system for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid including an apparatus for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid according to the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 5 is a flowchart of a measuring method using an apparatus for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid according to the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in temperature and calorie value with respect to time of suspension (5.0 volume%) according to the rotation speed of the rotating plate in the measurement according to the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a change in temperature and calorie value with respect to time of suspension (3.0 volume%) according to a rotation speed of a rotating plate in the measurement according to the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a graph showing a change in temperature and calorie value with respect to time of suspension (1.0 volume%) according to the rotation speed of the rotating plate in the measurement according to the embodiment of FIG. 1.
  • FIG. 9 is a graph illustrating an increase in thermal conductivity of a suspension versus water according to a rotation speed of a rotating plate in the measurement according to the embodiment of FIG. 1.
  • measuring device 110a upper fixing plate
  • thermoelectric element 174 heat dissipation opening
  • the apparatus for measuring dynamic thermal conductivity of a microstructured fluid according to the present embodiment includes an upper fixing plate 110a and a lower fixing plate spaced up and down. 110b), the rotating plate 120 installed between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b, the cap 130 installed on the upper fixing plate 110a, the cap 130 and the upper fixing plate 110a.
  • the upper body 150a and the lower body 150b installed around the shaft 140, the upper fixing plate 110a, the lower fixing plate 110b, and the cap 130 penetrating through the rotating plate 120. Is installed on top of the upper body (150a) is configured to include a housing 160 for supporting the shaft 140.
  • the upper fixing plate 110a of the present embodiment has a disc shape in which a flange 112a protrudes around an upper end thereof.
  • a first through hole 114a through which the shaft 140 penetrates is formed at the center thereof, a mounting groove 116a is formed at an upper surface thereof, and a thermocouple 118a for temperature measurement is installed at the mounting groove 116a.
  • the lower fixing plate 110b is located at a distance spaced downward so that the space 110c is formed between the lower fixing plate 110b and the upper fixing plate 110a.
  • the lower fixing plate 110b has a shape symmetrical with the upper fixing plate 110a around the separation space 110c, that is, a disc shape in which a flange 112b protrudes around the lower end thereof, and a thermocouple 118b is installed on the lower surface thereof.
  • the mounting groove 116b is formed.
  • thermocouples 118a and 118b installed in the mounting grooves 116a and 116b of the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b may accurately measure the temperature change of the microstructure fluid filled in the space 110c. 3, it is preferable to be disposed radially about the first through hole 114a. In particular, it is preferable that many are arranged in a specific direction. For example, three thermocouples 118a and 118b are formed at the center C of the first through hole 114a in the 0 degree, 90 degree, 180 degree, and 270 degree directions of the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b.
  • thermocouple 20 mm, 30 mm, and 40 mm apart from each other to directly measure the temperature, and in the 45, 135, 225, and 315 degree directions, the thermocouple is positioned only 30 mm away from the central axis of the shaft 140.
  • 118a, 118b) can be arranged to measure the temperature difference of the upper and lower parts in a total of four positions.
  • the rotating plate 120 is a means for making the microstructure fluid filled in the separation space 110c into a dynamic state.
  • the rotating plate 120 is installed in the space 110c between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b, and the microstructure fluid is filled between these fixing plates. That is, the gaps G1 and G2 are spaced apart between the upper fixing plate 110a and the rotating plate 120 and between the lower fixing plate 110b and the rotating plate 120.
  • the radius of the separation space 110c filled with the microstructured fluid is 100 mm, and the gaps G1 and G2 between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b and the rotating plate 120 are preferably 0.5 mm.
  • the above value is the most stable value in terms of heat conduction without mixing due to convection when observing flow and temperature distribution in a state in which the microstructure fluid is filled in the space 110c.
  • the upper fixing plate 110a, the lower fixing plate 110a, and the rotating plate 120 are made of copper having excellent thermal conductivity, and an anticorrosive film (not shown) is coated on the surface to prevent corrosion.
  • an anticorrosive film (not shown) is coated on the surface to prevent corrosion. Glass or gold can be used as a material of an anticorrosive film, and it is preferable that the thickness is 100 micrometers or less.
  • the cap 130 is formed in a disc shape.
  • a second through hole 132 through which the shaft 140 penetrates is formed in the center of the cap 130, and an insertion groove 134 in which the heater 136 and the heat insulator 138 are installed is formed on the lower surface of the cap 130.
  • the second through hole 132 serves as an injection for injecting the micro structure fluid into the space 110c together with the first through hole 114a of the upper fixing plate 110a. Accordingly, the first and second through holes 114a and 132 are formed to have a larger diameter than the shaft 140, and in particular, the second through holes 132 are formed in a funnel shape to facilitate injection of the microstructured fluid.
  • the heater 136 installed in the insertion groove 134 is a means for heating the microstructured fluid
  • the heat insulating material 138 is to prevent the heat generated from the heater 136 is discharged to the outside through the cap 130 Means.
  • the heat insulator 138 is positioned above the heater 136 so that the heat generated by the heater 136 can be transferred to the microstructured fluid without loss.
  • thermoelectric element 172 is a means for cooling the lower fixing plate 110b using the Peltier effect, and the heat dissipation port 174 and the fan 176 discharge the heat absorbed by the thermoelectric element 172 to the outside. Means.
  • the temperature difference between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b can be easily adjusted. Compared with cooling by water cooling and air cooling, there is no vibration, thereby increasing the accuracy of thermal conductivity measurement.
  • the shaft 140 is a rod-shaped in multiple stages.
  • the lower portion of the shaft 140 is coupled to the rotating plate 120 through the cap 130 and the upper fixing plate 110a, and the upper portion of the shaft 140 is connected to the servo motor 142 for controlling the rotation speed of the rotating plate 120.
  • the lower body 150b is a means for forming a side surface of the separation space 110c formed between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b.
  • the lower body 150b is formed in an annular shape so as to surround the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b, and the lower and upper surfaces of the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b are in close contact with the inner wall.
  • the flange 152b which protrudes protrudes.
  • a packing 154b for improving the airtightness of the separation space 110c is provided on the upper and lower surfaces of the flange 152b.
  • the upper body 150a is a means for compressing the upper fixing plate 110a to the flange 152b of the lower body 150b to improve the airtightness of the separation space 110c.
  • the housing 160 includes a first housing 162 installed on an upper portion of the upper body 150a, and a second housing 164 installed on an upper portion of the first housing 162.
  • a space ring 166 supporting the shaft 140 is provided inside the first housing 162 and a coupling connecting the shaft 140 and the servomotor 142 to the inside of the second housing 164. 168 is provided.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a dynamic thermal conductivity measurement system of a microstructured fluid including a dynamic thermal conductivity measurement apparatus of a microstructured fluid according to the present embodiment.
  • Dynamic thermal conductivity measurement system of the microstructure fluid the measuring device 100, the optical table 200 to block the micro-vibration applied to the measuring device 100, and adjusts the rotation speed of the rotating plate (120 of FIG. 2)
  • the microstructured fluid is filled in the space 110c between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b (S10).
  • the space 110c is filled in the space 110c.
  • the heater 136 is operated to heat the upper fixing plate 110a
  • the thermoelectric element 172 is operated to cool the lower fixing plate 110b
  • the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate A temperature difference is generated at 110b) (S20).
  • thermocouples 118a and 118b respectively installed on the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b.
  • the dynamic thermal conductivity of the microstructured fluid is calculated using the temperature and the temperature difference measured in the thermocouples 118a and 118b (S50).
  • Equation 1 used to calculate the thermal conductivity is as follows.
  • A width of the cross section perpendicular to the heat flow direction
  • t 1 the thickness from the bottom of the mounting groove 116a to the lower surface of the upper fixing plate 110a, or the thickness from the ceiling of the mounting groove 116b to the upper surface of the lower fixing plate 110b (that is, the mounting grooves 116a and 116b) Thickness of the upper fixing plate (110a) and the lower fixing plate (110b) of the formed position)
  • t 2 the separation distance between the upper fixing plate 110a and the rotating plate 120, or the separation distance between the lower fixing plate 110b and the rotating plate 120.
  • the measuring device when measured using the measuring device according to the present embodiment it is possible to easily measure the thermal conductivity according to the shear rate at the temperature of the steady state even with a small amount of microstructured fluid.
  • the rotation speed of the rotating plate 120 to make the microstructure fluid in a dynamic state is preferably 10rpm or less. If the rotational speed of the rotating plate 120 exceeds 10rpm, the microstructure fluid is mixed in the vertical direction by forced convection, so that the temperature difference between the upper fixing plate 110a and the lower fixing plate 110b is lost.
  • the rotational speed of the rotating plate 120 is illustrated as 10rpm or less, but is not necessarily limited thereto.
  • the separation distance and the radius of the rotating plate are increased and the separation distance between the upper (lower) fixed plate and the rotating plate is narrowed, the microstructure fluid is mixed vertically by forced convection even at 100 rpm to prevent the temperature difference from disappearing. have.
  • a suspension in which rod-shaped (diameter 10 nm, long axis 50 nm; TEM) alumina particles in which shear thinning phenomenon is relatively reliably dispersed in water was used as a microstructure fluid.
  • the particle concentration of the suspension was prepared at 1,3,5 volume%, injected into the measuring apparatus 100, and the temperature difference was measured by adjusting the rotational speed of the rotating plate 120 at 0,1,5 rpm.
  • the temperature change in the quasi-steady state is ⁇ 0.2K.
  • the 5.0 vol% suspension at standstill increases the thermal conductivity by approximately 16.8% relative to pure water.
  • the thermal conductivity increase rate of the suspension is 5.32%, which is reduced by 1/3 compared with the stationary state.
  • the 1.0 volume suspension has little difference in thermal conductivity between stationary and dynamic states.

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Abstract

본 발명은 소량의 미세구조유체만으로도 정상상태의 온도에서 전단속도에 따른 열전도도를 측정할 수 있으며, 농도 및 온도구배에 따른 대류를 방지하고 열손실을 최소화함으로써 정확한 동적 열전도도를 측정하기 위한 측정장치에 관한 것으로, 상하로 이격된 상부 고정판 및 하부 고정판과, 상기 상부 고정판 및 하부 고정판 사이에 형성된 이격 공간의 측면을 형성하는 하부 몸체와, 상기 상부 고정판과의 사이, 그리고 상기 하부 고정판과의 사이에 간극이 형성되도록 상기 이격 공간에 설치되는 회전판과, 상기 상부 고정판을 관통하여 상기 회전판에 결합되는 샤프트와, 상기 상부 고정판의 상부에 설치되는 히터와, 상기 상부 고정판과 상기 하부 고정판에 설치되는 써모커플을 포함하며, 상기 회전판의 회전시 상기 상부 고정판 및 하부 고정판 사이의 이격 공간에 충전된 미세구조유체가 동적인 상태가 되고, 이와 동시에 히터를 작동시켜 고정 열류량을 공급하였을 때 이격 공간에 충전된 미세구조유체의 동적 열전도도를 측정할 수 있는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 및 이를 이용한 측정장치를 제공한다.

Description

미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 및 방법
본 발명은 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 소량의 미세구조유체만으로도 정상상태의 온도에서 전단속도에 따른 열전도도를 측정할 수 있으며, 농도 및 온도구배에 따른 대류를 방지하고 열손실을 최소화함으로써 정확한 동적 열전도도를 측정하기 위한 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 미세구조유체(micro-structure fluid)는, 고체와 액체가 분산된 서스펜션(suspension), 이종의 액체가 분산된 에멀젼(emulsion) 및 폴리머 솔루션(polymer solution)과 같이 미세구조가 존재하는 유체이다. 유체 내 미세구조는 유체에 가해지는 전단응력에 민감하게 변화하기 때문에 유동이 가해졌을 때 유체의 열전달 특성도 변화할 것으로 예상된다. 그리고 미세구조유체의 열전달 특성은 온도에 민감하게 변하기 때문에 열전도도 측정시 정상상태의 온도를 조성하기 위한 환경이 요구된다.
한편, 비정상상태에서 열전도도를 측정하는 열선법(hot-wire method)은 유체 및 고체의 열전도도를 비교적 간편하고 단시간에 측정할 수 있어 광범위하게 사용된다. 하지만, 비정상열선법은 탐침을 담그는 방식이므로 미세구조유체의 열전도도 측정에 적합하지 않다. 예를 들어, 서스펜션, 에멀젼 및 폴리머 솔루션 등과 같이 미세구조가 존재하는 유체의 열전도도 측정시 탐침(열선) 주위로 열이 인가되어 열영동(thermophoresis)에 의해 고체상의 농도구배가 형성되고, 이 농도구배로 인해 밀도차에 의한 대류가 발생하여 열전도도의 측정이 정확하지 못하다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 소량의 미세구조유체만으로도 정상상태의 온도에서 전단속도에 따른 열전도도를 측정할 수 있으며, 농도 및 온도구배에 따른 대류를 방지하고 열손실을 최소화함으로써 정확한 동적 열전도도를 측정하기 위한 측정장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치는, 상하로 이격된 상부 고정판 및 하부 고정판과, 상기 상부 고정판 및 하부 고정판 사이에 형성된 이격 공간의 측면을 형성하는 하부 몸체와, 상기 상부 고정판과의 사이, 그리고 상기 하부 고정판과의 사이에 간극이 형성되도록 상기 이격 공간에 설치되는 회전판과, 상기 상부 고정판을 관통하여 상기 회전판에 결합되는 샤프트와, 상기 상부 고정판의 상부에 설치되는 히터와, 상기 상부 고정판과 상기 하부 고정판에 설치되는 써모커플을 포함한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 회전판의 회전시 상부 고정판 및 하부 고정판 사이의 이격 공간에 충전된 미세구조유체가 동적 상태가 되고, 이와 동시에 히터를 작동시켜 고정 열류량을 공급하면 이격 공간에 충전된 미세구조유체의 동적 열전도도를 측정할 수 있다.
이때, 상부 고정판과 하부 고정판의 측면을 단열재로 감싸고, 단열재가 구비된 캡에 히터를 설치하면 외부로 방출되는 열손실을 최소화할 수 있다. 또한, 하부 고정판에 냉각용 열전소자 및 방열구를 추가로 설치할 경우, 진동이 없는 상태에서 히터가 설치된 상부 고정판과의 온도차가 확실해지므로 좀 더 정확한 동적 열전도도의 측정이 가능하다. 특히, 하부에 히터가 설치된 단열상자의 내부에 본 발명을 설치하고 온도를 조절할 경우 본 발명과 외부환경 간의 열손실 및 열획득을 최소화할 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상술한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치를 이용한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정방법을 제공한다.
본 발명에 의한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정방법은, 상기 이격 공간에 미세구조유체를 충전하는 단계와, 상기 히터와 상기 열전소자를 작동시켜 상기 상부 고정판과 상기 하부고정판에 온도차를 발생시키는 단계와, 상기 회전판을 회전시켜 미세구조유체를 동적 상태로 만드는 단계와, 상기 써모커플에서 측정된 온도를 이용하여 열전도도를 측정단계를 포함한다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 소량의 미세구조유체만으로도 정상상태의 온도에서 전단속도에 따른 열전도도를 측정할 수 있으며, 농도 및 온도구배에 따른 대류를 방지하여 열손실을 최소화함으로써 정확한 동적 열전도도를 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치를 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 일부를 확대 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치 중 써모커플의 설치 위치를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치를 포함하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정시스템을 도시한 개략도이다.
도 5는 도 1의 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치를 이용한 측정방법의 순서도이다.
도 6은 도 1의 실시예에 따른 측정에 있어서, 회전판의 회전속도에 따른 서스펜션(5.0volume%)의 시간 대비 온도와 열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1의 실시예에 따른 측정에 있어서, 회전판의 회전속도에 따른 서스펜션(3.0volume%)의 시간 대비 온도와 열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 1의 실시예에 따른 측정에 있어서, 회전판의 회전속도에 따른 서스펜션(1.0volume%)의 시간 대비 온도와 열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 1의 실시예에 따른 측정에 있어서, 회전판의 회전속도에 따른 물 대비 서스펜션의 열전도도 증가를 나타내는 그래프이다.
[부호의 설명]
100: 측정장치 110a: 상부 고정판
110b: 하부 고정판 110c: 이격 공간
120: 회전판 130: 캡
140: 샤프트 150a: 상부 몸체
150b: 하부 몸체 160: 하우징
172: 열전소자 174: 방열구
176: 팬
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 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치(100, 이하 측정장치라 함)는, 상하로 이격되어 있는 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b)과, 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b) 사이에 설치되는 회전판(120)과, 상부 고정판(110a)의 상부에 설치되는 캡(130)과, 캡(130)과 상부 고정판(110a)을 관통하여 회전판(120)에 결합되는 샤프트(140)와, 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b)과 캡(130)의 둘레에 설치되는 상부 몸체(150a) 및 하부 몸체(150b)와, 상부 몸체(150a)의 상부에 설치되어 샤프트(140)를 지지하는 하우징(160)을 포함하여 구성된다.
도 2에서 본 실시예의 상부 고정판(110a)은 상단 둘레에 플랜지(112a)가 돌출된 원판형상이다. 그 중앙에는 샤프트(140)가 관통되는 제1관통공(114a)이 형성되고, 상면에는 장착홈(116a)이 형성되며, 장착홈(116a)에는 온도 측정용 써모커플(118a)이 설치된다.
하부 고정판(110b)은 상부 고정판(110a)과의 사이에 이격 공간(110c)이 형성되도록 아래쪽으로 일정 거리 이격된 곳에 위치한다. 하부 고정판(110b)은 이격 공간(110c)을 중심으로 상부 고정판(110a)과 대칭되는 형상, 즉 하단 둘레에 플랜지(112b)가 돌출된 원판 형상이며, 그 하면에는 써모커플(118b)이 설치되는 장착홈(116b)이 형성된다.
이때, 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b)의 장착홈(116a,116b)에 설치되는 써모커플(118a,118b)은 이격 공간(110c)에 충전된 미세구조유체의 온도변화를 정확하게 측정할 수 있도록, 도 3에 나타난 바와 같이 제1관통공(114a)을 중심으로 방사상 배치되는 것이 바람직하다. 특히, 특정 방향으로는 다수가 배치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b)의 0도, 90도, 180도, 270도 방향에는 3개의 써모커플(118a,118b)이 제1관통공(114a)의 중심(C)으로부터 20㎜, 30㎜, 40㎜ 이격되게 위치되어 온도를 직접 측정하고, 45도, 135도, 225도, 315도 방향에는 샤프트(140)의 중심축으로부터 30㎜ 이격된 위치에만 써모커플(118a,118b)이 배치되어 상하부의 온도차를 총 4개의 위치에서 측정할 수 있다.
회전판(120)은 이격 공간(110c)에 충전된 미세구조유체를 동적 상태로 만들기 위한 수단이다. 회전판(120)은 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b) 사이의 이격 공간(110c)에 설치되며, 이들 고정판 사이에 미세구조유체가 충전된다. 즉, 상부 고정판(110a)과 회전판(120) 사이, 그리고 하부 고정판(110b)과 회전판(120) 사이에 간극(G1, G2)이 형성되도록 이격된다.
이때, 미세구조유체가 충전되는 이격 공간(110c)의 반경은 100㎜이고, 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b)과 회전판(120) 사이의 간극(G1,G2)은 0.5㎜인 것이 바람직하다. 상술한 값은 이격 공간(110c)에 미세구조유체를 충전시킨 상태에서 유동과 온도분포를 관찰했을 때 대류에 의한 섞임 현상이 없고 열전도 측면에서도 가장 안정적인 값이다.
한편, 상부 고정판(110a), 하부 고정판(110a) 및 회전판(120)은 열전도도가 우수한 구리로 제작되고, 부식을 방지하기 위한 방식막(미도시)이 표면에 코팅된다. 방식막의 재질로는 유리 또는 금을 사용할 수 있으며, 그 두께는 100㎛ 이하인 것이 바람직하다.
도 2에서 캡(130)은 원판형상으로 형성된다. 캡(130)의 중앙에는 샤프트(140)가 관통되는 제2관통공(132)이 형성되며, 하면에는 히터(136) 및 단열재(138)가 설치되는 삽입홈(134)이 형성된다.
제2관통공(132)은 상부 고정판(110a)의 제1관통공(114a)과 함께 미세구조유체를 이격 공간(110c)에 주입하기 위한 주입로 역할을 한다. 따라서 제1 및 제2관통공(114a,132)은 샤프트(140)보다 큰 직경으로 형성되고, 특히 제2관통공(132)은 미세구조유체의 주입이 용이하도록 상부가 깔때기 형상으로 형성된다.
삽입홈(134)에 설치되는 히터(136)는 미세구조유체를 가열하기 위한 수단이고, 단열재(138)는 히터(136)에서 발생된 열이 캡(130)을 통해 외부로 방출되는 것을 방지하는 수단이다. 이때, 히터(136)에서 발생된 열이 손실 없이 미세구조유체로 전달될 수 있도록, 히터(136)의 상부에 단열재(138)가 위치되는 것이 바람직하다.
한편, 하부 고정판(110b)의 하면에는 냉각용 열전소자(172), 방열구(174) 및 팬(176)이 설치된다. 열전소자(172)는 펠티어효과(Peltier effect)를 이용하여 하부 고정판(110b)을 냉각시키는 수단이고, 방열구(174)와 팬(176)은 열전소자(172)에서 흡수한 열을 외부로 배출하는 수단이다.
이와 같이 열전소자(172), 방열구(174) 및 팬(176)을 이용하여 하부 고정판(110b)을 냉각할 경우 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b) 사이의 온도차를 용이하게 조절할 수 있고, 수냉 및 공랭에 의한 냉각에 비해 진동이 없어 열전도도 측정의 정확도를 높일 수 있다.
샤프트(140)는 다단의 봉형상이다. 샤프트(140)의 하부는 캡(130)과 상부 고정판(110a)을 관통하여 회전판(120)에 결합되고, 상부는 회전판(120)의 회전수를 제어하는 서보모터(142)와 연결된다.
하부 몸체(150b)는 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b) 사이에 형성된 이격 공간(110c)의 측면을 형성하는 수단이다. 이러한 하부 몸체(150b)는 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b)의 둘레를 감쌀 수 있도록 고리형상으로 형성되고, 내측 벽면에는 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b)의 하면 및 상면이 밀착되는 플랜지(152b)가 돌출되어 있다. 또한, 플랜지(152b)의 상면 및 하면에는 이격 공간(110c)의 기밀성을 향상시키기 위한 패킹(154b)이 설치된다.
상부 몸체(150a)는 이격 공간(110c)의 기밀성을 향상시키기 위해 상부 고정판(110a)을 하부 몸체(150b)의 플랜지(152b)에 압착시키는 수단이다.
도 1에서 하우징(160)은 상부 몸체(150a)의 상부에 설치되는 제1하우징(162)과, 제1하우징(162)의 상부에 설치되는 제2하우징(164)으로 구성된다. 제1하우징(162)의 내부에는 샤프트(140)를 지지하는 스페이스 링(166)이 마련되고, 제2하우징(164)의 내부에는 샤프트(140)와 서보모터(142)를 연결하는 커플링(168)이 마련된다.
도 4는 본 실시예에 따른 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치를 포함하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정시스템을 도시한 개략도이다.
미세구조유체의 동적 열전도도 측정시스템은, 측정장치(100)와, 측정장치(100)로 인가되는 미세 진동을 차단하는 광학테이블(200)과, 회전판(도 2의 120)의 회전수를 조절하기 위해 서보모터(도 2의 142)를 제어하는 서보모터 제어장치(300)와, 측정장치(100)로 전원을 공급하는 전원공급장치(400)와, 히터(도 2의 136)의 온도를 조절하는 온도제어장치(500)와, 써모커플(118a,118b)에서 측정된 온도를 수집하는 데이터수집장치(600)를 포함한다.
상술한 바와 같은 측정장치(100)를 이용한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정과정을 도 5를 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
우선, 상부 고정판(110a) 및 하부 고정판(110b) 사이의 이격 공간(110c)에 미세구조유체를 충전한다(S10). 이를 좀 더 상세히 설명하면, 실린지(미도시) 등에 미세구조유체를 담은 후 캡(130)의 제2관통공(132)과 상부 고정판(110a)의 제1관통공(114a)을 통해 주입하여 이격 공간(110c)에 충전한다.
미세구조유체의 충전이 완료되면 히터(136)를 작동시켜 상부 고정판(110a)을 가열하고, 열전소자(172)를 작동시켜 하부고정판(110b)을 냉각하여, 상부 고정판(110a)과 하부고정판(110b)에 온도차를 발생시킨다(S20).
그 후, 서보모터(142)를 작동시켜 회전판(120)이 회전되면 이격 공간(110c)에 충전된 미세구조유체가 동적인 상태가 된다(S30).
상술한 과정을 거쳐 이격 공간(110c)의 미세구조유체가 동적인 상태가 되면 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b)에 각각 설치된 써모커플(118a,118b)을 이용하여 온도 및 온도차를 측정한다(S40).
최종적으로, 써모커플(118a,118b)에서 측정된 온도 및 온도차를 이용하여 미세구조유체의 동적 열전도도를 산출한다(S50).
이때, 열전도도를 산출하는데 이용하는 수학식 1은 다음과 같다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2011005926-appb-I000001
여기서,
Q: 열류량
A: 열류방향에 대한 수직한 단면의 넓이
R: 열저항
k1: 상부 고정판(110a), 하부 고정판(110b) 및 회전판(120)의 열전도도
k2: 미세구조유체의 열전도도
k3: 방식막의 열전도도
t1: 장착홈(116a)의 바닥에서 상부 고정판(110a)의 하면까지 두께, 또는 장착홈(116b)의 천장에서 하부 고정판(110b)의 상면까지 두께(즉, 장착홈(116a,116b)이 형성된 위치의 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b)의 두께)
t2: 상부 고정판(110a)과 회전판(120) 사이의 이격 거리, 또는 하부 고정판(110b)과 회전판(120) 사이의 이격 거리
t3: 방식막의 두께
t4: 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b) 사이의 이격 거리(이격 공간(110c)의 두께)
D1: 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b)의 직경
D2: 회전판(120)의 직경
D3: D2+2×t3
이와 같이, 본 실시예에 따른 측정장치를 이용하여 측정할 경우 소량의 미세구조유체만으로도 정상상태의 온도에서 전단속도에 따른 열전도도를 용이하게 측정할 수 있다. 특히, 농도 및 온도구배에 따른 대류를 방지하고 열손실을 최소화할 수 있으므로 동적 열전도도를 정확하게 측정할 수 있다.
이때, 미세구조유체를 동적인 상태로 만드는 회전판(120)의 회전속도는 10rpm이하인 것이 바람직하다. 만약, 회전판(120)의 회전속도가 10rpm을 초과할 경우 강제 대류에 의해 미세구조유체가 수직방향으로 혼합되어 상부 고정판(110a)과 하부 고정판(110b) 사이의 온도차가 없어지기 때문이다.
한편, 본 실시예에서는 회전판(120)의 회전속도를 10rpm이하로 예시하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 이격 공간 및 회전판의 반경을 크게 하고 상부(하부) 고정판과 회전판 사이의 이격 거리를 좁힌다면 100rpm에서도 강제 대류에 의해 미세구조유체가 수직방향으로 혼합되어 온도차가 없어지는 것을 방지할 수 있다.
상술한 바와 같은 측정장치 및 방법을 이용한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정실험 방법을 살펴보면 다음과 같다.
우선, 미세구조유체로는 전단담화(shear-thinning)현상이 비교적 확실하게 나타나는 막대형(직경 10㎚, 장축 50㎚; TEM) 알루미나 입자를 물에 분산시킨 서스펜션을 사용하였다. 이 서스펜션의 입자 농도를 1,3,5volume%로 제조하여 측정장치(100)에 주입하고, 회전판(120)의 회전속도를 0,1,5rpm으로 조절하여 온도차를 측정하였다. 이때, 회전판(120)의 회전속도를 10rpm 이하로 한정한 이유는, 상술한 바와 같이 회전속도가 10rpm을 초과할 경우 대류에 의해 서스펜션이 샤프트(140)의 길이방향, 즉 축방향으로 혼합되어 온도차가 없어지기 때문이다.
상술한 조건으로 두 시간 이상 열을 가한 후 서스펜션의 온도변화가 줄어든 상태를 준 정상상태(quasi steady state)라고 가정하면, 이러한 준 정상상태에서의 온도 변화는 ±0.2K이다.
한편, 열을 가한 두 시간 동안의 온도변화에 대해 평균 열전도도를 계산할 수 있었는데, 그 결과는 도 6 내지 도 8과 같다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 정지상태에서 5.0volume% 서스펜션은 순수한 물 대비 열전도도가 약 16.8% 증가한다. 하지만 회전판(120)을 5rpm으로 회전시키면 서스펜션의 열전도도 증가율이 5.32%로 정지상태에 비해 1/3 수준으로 감소한다. 이에 반하여, 1.0volume% 서스펜션은 정지상태와 동적상태에서 열전도도의 차기가 거의 없다.
결국, 분산된 입자의 농도가 진할수록 서스펜션 내의 미세구조가 회전판(120)에 의해 가해진 전단응력에 의해 뚜렷하게 발달함을 알 수 있으며, 이로 인하여 열전달 특성이 변화함을 알 수 있다.
한편, 도 9를 참조하면 회전판(120)의 회전속도가 빨라짐에 따라 서스펜션의 온도차가 증가함을 알 수 있다.
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.

Claims (8)

  1. 상하로 이격된 상부 고정판 및 하부 고정판;
    상기 상부 고정판 및 하부 고정판 사이에 형성된 이격 공간의 측면을 형성하는 하부 몸체;
    상기 상부 고정판과의 사이, 그리고 상기 하부 고정판과의 사이에 간극이 형성되도록 상기 이격 공간에 설치되는 회전판;
    상기 상부 고정판을 관통하여 상기 회전판에 결합되는 샤프트;
    상기 상부 고정판의 상부에 설치되는 히터; 및
    상기 상부 고정판과 상기 하부 고정판에 설치되는 써모커플을 포함하고,
    상기 회전판을 회전시켜 상기 이격 공간에 충전된 미세구조유체를 동적인 상태로 만든 후 상기 써모커플을 이용하여 상기 히터에서 공급되는 고정 열류량에 의해 발생하는 미세구조유체의 온도차를 측정함으로써 열전도도를 산출하는 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 하부 고정판의 하면에 설치되는 냉각용 열전소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 상부 고정판, 하부 고정판 및 상기 회전판은 방식막 코팅된 구리인 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 방식막이 100㎛이하의 두께인 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 하부 몸체의 내측 벽면에 플랜지가 형성되고, 상기 상부 고정판과 상기 하부 고정판이 상기 플랜지의 상면과 하면에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 하나에 있어서,
    상기 이격 공간의 반경이 20~200㎜이고, 상기 상부 고정판 및 하부 고정판과 상기 회전판 사이 간극이 0.1~1.0㎜인 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정장치.
  7. 청구항 1에 따른 측정장치를 이용한 미세구조유체의 동적 열전도도 측정방법에 있어서,
    이격 공간에 미세구조유체를 충전하는 단계;
    히터를 작동시켜 상기 상부 고정판과 상기 하부고정판에 온도차를 발생시키는 단계;
    회전판을 회전시켜 미세구조유체를 동적 상태로 만드는 단계; 및
    써모커플에서 측정된 온도를 이용하여 열전도도를 측정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 회전판의 회전속도가 0.1~100rpm인 것을 특징으로 하는 미세구조유체의 동적 열전도도 측정방법.
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