KR102170058B1 - 방열 특성 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치는 광열원을 조사하는 열원부를 수용하는 진공의 열원 챔버, 대류 조건을 조절하기 위한 공기 분사구를 수용하는 대류 챔버, 직렬로 연결된 상기 열원 챔버 및 상기 대류 챔버 사이에 구비되는 투과판 및 상기 투과판 상에 배치되는 방열 부재의 방열특성을 측정하는 센서부를 포함한다. 본 발명에 다른 방열 특성 측정 장치에 의하면, 대류 조건, 고속 열원 제어가 가능하며, 다양한 형태의 신소재에 적용하여 방열 특성을 측정할 수 있다.

Description

방열 특성 측정 장치{THERMAL DISSIPATION CHARACTERISTICS SENSING DEVICE}

본 발명은 방열 특성 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대류 조건, 고속 열원 제어가 가능하며, 다양한 형태의 신소재에 적용 가능한 방열 특성 측정 장치에 관한 것이다.

전자장비, LED, 냉·난방기에 부속되는 방열 부재(히트싱크)의 활용도와 목적이 매우 다양해지고 있는 한편 최근 전자기기의 집적화, 고출력 장비의 증가, 웨어러블 장치의 출현에 따라 기존과 다른 형태의 방열소재의 수요가 급증하는 추세에 있다.

이 중 공랭식으로 열을 확산하는 방열부재(MCPCB 등)부터 대류 면적을 극대화시킨 방열핀, 케이스로 열을 전달하는 열전달패드, 표면에 형성된 미세홈, 방열 도료나 복사필름을 이용한 복사 방열재, 얇은 박막 형태의 대류·복사 방열 필름, 카본·나노(미세) 물질로 구성된 방열재를 비롯하여 유연성 등의 물리적 특징을 가지거나 코팅, 패터닝, 표면 처리 등 시행방법에 고유성이 있는 방열재 등 다양한 형태의 방열 소재가 활용되고 있다.

그에 비해 방열 특성을 측정하는 방법은 명확한 기준이 없어, 자체적인 기준으로 방열 특성을 측정하거나 상대적으로 비교하는 방법이 주로 이용되었다. 하지만, 이러한 측정 기준은 수행 방법이나 환경에 따라 상이하고, 객관적 비교가 어렵다는 문제점이 있었다. 나아가 열전달 이론에 근거하여 개별 측정 소자를 이용해 실험적으로 측정하는 방법은 전문 지식을 가진 자가 매우 정밀한 장비를 활용하여 정교하여 측정해야 하므로 방열 산업 현장에서 곧바로 적용하기에 어렵다는 문제점이 있었다.

또한, 기존의 공랭식 방열 측정법은 주로 평판이나 유체, 히트싱크 등을 대상으로 하기 때문에 매우 얇거나 입자적 특성 등의 다양한 특징을 가지는 신소재에 적용하기에 구조적 어려움이 있었다.

한편, 대류·복사 열전달계수 또는 방출 열량을 구하는 방법 외에 부재의 열전도도를 구하는 방법도 다양하게 활용되고 있다. 대표적인 방법으로 핫 디스크(hot disk)를 이용하여 샘플 양단의 온도차를 측정하거나, LFA 등의 방법을 이용한 열확산계수 측정, 실제 핫 플레이트(hot plate)나 유체 열원 등과 접촉된 샘플의 온도 측정 등을 통해 열전도도(heat transfer coefficient), 열유속(heat flux), 열확산계수(thermal diffusion coefficient), 열저항(thermalresistance), 열원 및 방열재의 온도 등 다양한 지표를 얻을 수 있다.

하지만, 이러한 측정 기술들 역시 대류 환경 모사가 어렵거나, 복사 방열이 무시되거나 소재의 변형, 크기에 따른 측정 오류(측정 불가 상황 포함), 측정 환경의 제어가 어렵다는 문제가 있었고, 열원과 측정부의 열분포(열확산)가 불균일할 수 있으며, 다공성 물질의 경우 공극에 의한 오차가 발생하며, 열원의 잔류 열원에 의한 영향의 방열재의 특성에 간섭할 수 있다.

최근 신소재 방열재에 관한 연구 문헌에서는 방열 특성에 대한 다양한 측정 방법을 제시하였으나 섬유형 방열재의 경우 단일 선에 대해 측정하거나 입자형 방열 소재(그래핀, 카본 코팅 등)의 경우 각 입자의 특성을 제시하는 등 실제 사용 환경이 고려되지 않은 측정 기술로 평가되었다. 실제 사용 환경에서의 특징은 주로 실제 발열원(hot plate, IC chip 등)을 사용하여 그 방열 효과를 제시하였으나 이러한 결과는 다양한 환경에서 일관된 비교가 어렵기에 객관적 측정 기술에 대한 연구개발이 요구된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1337225B1호 (2013.11.29. 공고)

본 발명은 상술한 기술적 요구를 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 대류 조건, 고속 열원 제어가 가능하며, 다양한 형태의 신소재에 적용 가능한 방열 특성 측정 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치는 광열원을 조사하는 열원부를 수용하는 진공의 열원 챔버; 대류 조건을 조절하기 위한 공기 분사구를 수용하는 대류 챔버; 직렬로 연결된 상기 열원 챔버 및 상기 대류 챔버 사이에 구비되는 투과판; 및 상기 투과판 상에 배치되는 방열 부재의 방열특성을 측정하는 센서부;를 포함한다.

그리고, 상기 방열 부재의 하부에 배치되는 금속 또는 비금속 소재의 매개체; 및 상기 매개체의 상면 및 하면의 온도차를 감지하여 승온 과정에서의 열유속(heat flux)를 측정하는 써모 커플;을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 방열 부재 및 상기 매개체의 측면에 배치되어 열전달을 차단하는 단열재;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 매개체의 하면은 광을 흡수를 촉진하는 광흡수 코팅이 이루어지고, 상기 단열재의 하면은 광의 반사를 도모하는 광반사 코팅이 이루어질 수 있다.

또한, 상기 대류 챔버의 내부에 수용되되, 상기 매개체 및 방열 부재 위에 배치되어 복사 방열이 이루어지도록 하는 진공 챔버;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 대류 챔버는 상기 공기 분사구의 일단이 삽입되는 곡선형 가이드홈;을 더 포함하고, 상기 공기 분사구의 일단이 상기 곡선형 가이드홈을 따라 이동함으로써 상기 방열 부재에 가해지는 공기의 방향이 변화할 수 있다.

또한, 상기 투과판과 상기 열원부 사이에 배치되어 상기 열원부로부터 생성된 광의 이동 방향을 제어하는 렌즈부;를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 센서부는 온도계, 습도계, 열화상 카메라 및 풍향계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 대류 챔버는 챔버 내 기압 및 습도를 조절하기 위한 공조부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치에 의하면, 대류 조건, 고속 열원 제어가 가능하며, 다양한 형태의 신소재에 적용하여 방열 특성을 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 또 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 두 챔버에 수용된 내부 구성을 확대한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 제1 측정 방법을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 제2 측정 방법을 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치에 있어 열유속 측정을 수행하기 위한 구성을 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치의 측정 신뢰도를 향상시키기 위한 코팅 방법을 도시한다.
도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 구현례를 도시한다.
도 10a 내지 10f는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에 의하여 측정된 다양한 측정값을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "이루어지다(made of)"는 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 대류 챔버(110), 열원 챔버(120)로 구성된다.

대류 챔버(110)는 적절한 복사/대류 열전달이 진행되도록 제어되고, 열원 챔버(120)는 열전달 매개체에 의한 잔류열에 따른 영향을 최소화하도록 제어된다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 대류 챔버(110)와 열원 챔버(120)로 분리됨으로써 열전달을 철저히 통제할 수 있다. 구체적으로, 기존의 측정 시스템은 금속 또는 공기 등을 열전달 매개체로 하여, 해당 매개체에 잔류된 열이 지속적으로 방출되므로, 일정한 열량이 공급되고 평형 상태(steady state)에서의 온도 분포를 구할 수는 있으나 냉각/가열, 반복 열하중, 매개체 대비 열전도도가 높은 물질 등 다양한 조건에서 활용하기에는 매우 제한적이었다. 반면, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 광열원을 조사하여 매개체 없이 직접적인 가열을 수행하므로 균일하고 정확하게 열량을 공급할 수 있으며, 광열원을 차단하는 것으로 빠른 열전달 제어가 가능하다.

열원 챔버(120)는 정확한 열량 제어를 위하여 진공 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 열원 챔버(120)에는 일정한 진공 상태를 유지시키기 위한 진공 펌프(도 9a 및 9b의 도면번호 125)를 구비할 수 있다.

열원 챔버(120)는 광열원을 조사하기 위한 광열원부(160)를 포함하며, 광열원부(160)는 레이저나 할로겐 램프의 광열원 조사가 가능한 장치로 구현될 수 있다.

대류 챔버(110)는 방열 부재의 하면에 배치되는 매개체의 열용량 등을 측정하기 위하여 진공으로 구현될 수 있으나, 진공이 아니어도 무방하다. 대류 챔버(110)는 대류 조건을 조절하기 위한 공기 분사구(115)를 수용한다. 대류 조건의 모사는 대류 세기, 대류 방향, 레이놀즈 수, 온·습도, 가스 성분비 등이 적절하게 통제되어야 한다. 공기 분사구(115)는 주입공기의 온·습도가 제어된 상태에서 공기 압축기로 주입되며, 주입된 공기 압축기의 압력 및 풍량을 레귤레이터 등으로 조절하여 공기 분사구(115)를 통하여 분사시킨다.

공기 분사구(115)는 기본적으로 방열 부재를 향하여 공기를 분사하도록 배치된다. 즉, 공기 분사구(115)는 기본적으로 방열 부재의 배치면에 대하여 수직인 방향으로 배치된다.

공기 분사구(115)의 일단은 원주 형상의 가이드홀(P)을 따라서 이동 가능하게 구비된다. 이에 따라, 공기 분사구(115)의 분사 방향과 방열 부재 사이의 각도는 변화될 수 있다. 방열 부재의 배치면에 대하여 수직으로 배치된 상태에서 공기 분사구(115)는 공기를 방열 부재에 대하여 수직인 방향으로 송출하지만 공기 분사구(115)가 가이드홀(P)을 따라 이동하면 방열 부재의 배치면에 대하여 각도가 변화하므로 방열 부재에 대한 공기의 송출 각도가 변화하게 된다.

공기 분사구(115)는 공기의 분사각을 조절하면서 압축기, 레귤레이터 등에 의하여 분사 세기, 온도, 습도 등이 조절된 공기를 송출하게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 대류 챔버(110)와 열원 챔버(120)는 내부에 수용 공간을 갖는 육면체 형상을 취할 수 있으나 이와 다른 형상으로 이루어져도 무방하다. 대류 챔버(110)와 열원 챔버(120)는 직렬로 연결되며, 그 사이에 투과판(170)이 구비된다. 즉, 두 챔버 사이는 투과판(170)에 의하여 차단된다. 투과판(170)은 투과율이 매우 높은 소재(예: 유리)로 이루어질 수 있다.

투과판(170)의 상면에는 방열 소재(HS)가 배치된다. 즉, 방열 소재(HS)의 상부는 대류 조건을 모사하기 위한 대류 챔버(110)의 내부에 속하게 되고, 투과판(170)의 하부는 열광원을 생성하는 열광원부(160)가 구비된 열원 챔버(120)의 내부에 속하게 된다.

한편, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 투과판(170) 상에 배치되는 방열 부재(HS)의 방열 특성을 측정하기 위한 각종 센서부가 구비될 수 있고, 센서부에 의하여 센싱된 센싱 정보를 분석하는 분석부(미도시), 분석된 정보를 표시하는 디스플레이(미도시) 등이 더 포함될 수 있다. 센서부는 온도계, 습도계, 열화상 카메라 및 풍향계 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 그 외 방열 특성 측정에 필요한 각종 센싱 장치를 포함할 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 다른 실시예를 도시하며, 도 3은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 또 다른 실시예를 도시한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 투과판(170)과 열원부(160) 사이에 렌즈부(150)가 배치된다. 렌즈부(150)는 열원부(160)에서 생성되어 공급되는 광열원의 이동 방향을 가이드하는 기능을 갖는다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 대류 챔버(110)의 상면(방열 부재(HS)가 배치된 면에 대향하는 면)에는 열화상 카메라(140)가 배치될 수 있다. 열화상 카메라(140)는 방열 부재(HS)의 방열 특성을 측정하기 위하여 병열 부재(HS)의 온도 변화를 시각적으로 측정한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 대류 챔버(110)의 측벽에 챔버 내 기압 및 습도를 조절하기 위한 공조부(130)를 더 포함할 수 있다. 공조부(130)는 내부 공기의 배출이나 외부 공기의 유입을 위한 팬(fan)이나 개폐 가능한 윈도우(window) 등으로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 두 챔버에 수용된 내부 구성을 확대한 도면이다.

열원 챔버(120)의 상면(대류 챔버(110)와 인접 혹은 접촉하는 면)에는 소정 크기의 홀(hole)(H)이 형성되어 있고, 홀(H)에는 투과판(170)이 배치된다. 그 위에 방열 부재(HS)가 배치되며, 열원 챔버(120)에서 생성된 광열원에 의한 온도 변화를 대류 챔버(110)의 대류 조건을 조절하면서 측정함으로써 방열 특성을 알아낼 수 있다.

한편, 방열 부재(HS)는 투과판(170) 위에 장착되며, 노출될 일정 면적을 제외하고는 단열재(HI)로 차단된다. 단열재(HI)는 실린더형 아크릴 소재를 사용하여 일정 영역만을 대기 중에 노출시킨다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 열원부(160)를 통해 방열 부재(HS)에 직접 열을 인가하여 방열 특성을 측정하는 방법과 방열 부재가 부착된 매개체에 열을 인가하여 방열 특성을 측정하는 방법을 이용할 수 있다.

도 5는 열원부(160)를 통해 방열 부재(HS)에 직접 열을 인가하여 방열 특성을 측정하는 방법을 도시하며, 도 6은 방열 부재가 부착된 매개체에 열을 인가하여 방열 특성을 측정하는 방법을 도시한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 방열 부재(HS)는 직접 투과판(170) 위에 놓이게 되고, 방열 부재(HS)의 측면(둘레)에 단열재(HI)가 구비된다. 방열 부재(HS)는 열원부(160)로부터 공급된 광열원을 직접적으로 받아 온도 변화가 이루어진다. 이때, 단열재(HI)가 방열 부재(HS)의 주위를 감싸고 있기 때문에 방열 부재(HS)에 직접적으로 닿는 광열원만이 방열 부재(HS)의 온도 변화를 일으키는 데 사용되므로 더욱 정밀한 측정이 가능하다.

한편, 도 6에 도시된 바와 같이, 방열 부재(HS)는 매개체(185)와 접촉, 접착 혹은 부착된 상태에서 광열원이 공급될 수 있다. 더욱 구체적으로, 방열 부재(HS)의 하면(하부)에는 매개체(185)가 접촉, 접착 혹은 부착될 수 있다. 또한, 방열 부재(HS) 및 매개체(185)의 측면(둘레)에는 열전달을 차단하기 위하여 단열재(HI)가 배치될 수 있다.

매개체(185)는 물리적 특성이 알려진 시편(금속 또는 비금속) 등을 사용할 수 있다. 방열 특성 측정의 대상인 방열 부재(HS)가 실제로 사용하려는 대상 물질(물건)을 매개체(185)로 사용함으로써 실제 사용 조건과 유사한 형태로 다양한 측정을 할 수 있게 된다.

매개체(185)의 양단의 온도 측정을 통하여 승온 과정 동안 열유속(heat flux) 측정이 가능해진다. 다시 말해, 방열 부재(HS)가 접촉하는 매개체(185)의 상면과 열원부(160)를 향하는 매개체(185)의 하면 사이의 온도 변화를 측정하여 열유속을 측정할 수 있게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에 있어 열유속 측정을 수행하기 위한 구성을 도시한다. 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 방열 부재(HS)가 접촉하는 매개체(185)의 상면과 열원부(160)를 향하는 매개체(185)의 하면 사이의 온도차(온도변화)는 매개체(185)의 상면과 매개체(185)의 하면에 연결된 써모 커플(thermocouple)(180)을 포함한다.

매개체(185)와 방열 부재(HS) 간의 열계면 접착은 측정 결과에 영향을 미칠 수 있으므로, 방열 부재(HS)가 실제로 사용되는 형태와 동일 혹은 유사한 방법으로 접착되는 것이 바람직하다. 또한, 매개체(185)에 방열 부재(HS)를 부착하는 경우 각 부재의 열전도도보다 높은 열전도도의 접착계면(Thermal Interface)을 형성하는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 측정 신뢰도를 향상시키기 위한 코팅 방법을 도시한다. 매개체(185)의 하면은 광을 흡수를 촉진하고 균일하게 광을 흡수할 수 있도록 광흡수 코팅(C1)이 이루어지고, 단열재(HI)의 하면은 광의 반사를 도모하는 광반사 코팅(C2)이 이루어지는 것이 바람직하다.

구체적으로, 매개체(185)의 하면은 매개체(185)가 광을 효율적으로 흡수할 수 있도록 카본(carbon) 코팅이 이루어질 수 있다. 한편, 매개체(185)가 광 흡수를 이루는 영역 이외의 영역(단열재(HI)가 위치한 영역)은 표면 연마를 수행하거나, 반사재로 코팅함으로써 광 흡수율을 저감할 수 있다. 이러한 차단은 매개체(185)가 열원부(160)로부터 공급된 열에 의해서만 온도 변화가 이루어지고, 그 외 장소에서 열이 전달되는 것은 효과적으로 방지하기 위함이다.

한편, 대류 챔버(110) 또한 진공으로 만들어, 측정물(매개체(185) 및/또는 방열 부재(HS))의 열용량 등을 측정할 수 있다. 측정물(매개체(185) 및/또는 방열 부재(HS))의 복사 열량을 측정하기 위해, 방출 면적을 제외한 영역은 반사재로 차단하고, 특정 면적에서만 복사 방열이 이루어지도록 하는 방식으로 측정물(매개체(185) 및/또는 방열 부재(HS))의 열용량을 측정할 수 있다. 이를 위하여, 대류 챔버(110)의 내부에 수용되되, 측정물(매개체(185) 및/또는 방열 부재(HS)) 위에 배치되어 복사 방열이 이루어지도록 하는 진공 챔버(미도시)를 더 포함할 수 있다.

매개체(185)에 의하여 방열 소재(HS)의 방열 특성을 확인할 수 있다면, 진공 챔버(미도시)를 통해서 측정물(매개체(185) 또는 방열 부재(HS), 혹은 매개체(185) 위에 부착된 방열 부재(HS))의 열용량을 확인할 수 있게 된다. 열전달 계산에 필요한 식별된 파라미터들을 대입하여 다양한 물성치를 계산하기 위하여 진공 챔버(미도시)를 통해 진공을 만들어 에너지 유출입을 차단한 것이다. 이때, 진공 챔버(미도시)의 내부는 반사율을 가진 소재로 도금하여, 복사 방출되는 열을 최소화하는 것이 바람직하다. 다만, 복사방열만 측정하고자 하는 경우에는 뷰팩터(view factor)를 고려하여, 진공 챔버 중 일부면(상부면의 일정 영역)은 방열 부재(HS)의 일정면적에서 방출된 복사열이 외부로 방출될 수 있도록 광투과성을 갖는 물질로 구성되는 것이 바람직하다.

도 9a 및 9b는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 구현례를 도시한다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 대류 챔버(110) 및 열원 챔버(120)로 구성되며, 열원 챔버(120)의 내부에는 진공 상태를 유지하기 위한 진공 펌프(125)가 배치된다.

한편, 대류 챔버(110)의 내부에는 대류 조건을 모사하기 위한 공기 분사구(115)가 설치되고, 공기 분사구(115)는 일단이 곡선형(원주형) 가이드홈에 삽입되어 고정되고, 공기 분사구(115)의 일단이 가이드홈을 따라 이동함으로써 방열 부재에 가해지는 공기의 방향이 변화하게 된다.

대류 조건의 모사는 대류 세기, 대류 방향, 레이놀즈 수, 온·습도, 가스 성분비 등이 적절하게 통제되어야 하는데, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 주입 공기의 온·습도를 제어된 상태로 공기 압축기를 통해 주입하며, 주입된 공기압축기의 압력 및 풍량을 레귤레이터 등으로 조절하여 공기 분사구(115)를 통하여 분사된다. 공기 분사구(115)의 위치는 도 9a 및 9b에 도시된 바와 같이 방열 부재 상단에서 조절이 가능하며, 방열 부재와의 특정 거리와 특정 각도를 조절할 수 있도록 구성된다. 공기 분사구(115)에서 분사되어 방열 부재와 접촉한 공기가 측정 환경 온도에 영향을 미치는 것을 예방하기 위하여 공조부를 더 포함할 수 있다. 공조부는, 위에서 설명한 바와 같이, 내부 공기의 배출이나 외부 공기의 유입을 위한 팬(fan)이나 개폐 가능한 윈도우(window) 등으로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 정확한 열량 조사와 제어, 측정이 목적이므로 측정 위치와 센서 종류, 사용 방법에 따라 다양한 측정을 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)의 구동을 컨트롤하는 컨트롤러는 특정한 열량을 지정시간동안 인가하여 온도 변화를 측정하는 '시간지정형' 방법, 특정한 열량으로 지정한 온도까지 도달하는 시간 변화를 측정하는 '온도지정형' 방법, 평형 상태(steady state)에서의 최대 온도/도달시간 등을 측정하는 방법, 일정 주기의 반복적 열하중시 온도시계열의 양상 및 물질의 변형을 평가하는 방법, 대류 조건에 따른 변화 등을 측정하는 방법이 있다.

도 10a 내지 10f는 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에 의하여 측정된 다양한 측정값을 나타내는 그래프이다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에서 대류 챔버(110)의 대류 모델은 아래의 3가지 모델이 있다.

① 자연대류(Natural)

② 강제대류(Forced): 풍속, 풍량, 분사각, 온습도, 공기조성 조절

③ 진공(vacuum): 흡열량, 비열, 복사열량 측정

한편, 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에서 온도 제어 방식은 아래의 3가지 제어 방식은 일례이고, 그 외 다양한 방식이 존재한다.

① 평형온도(Steady state): 일정량의 에너지를 지속적으로 조사하여 온도변화가 없는 평형상태에 도달하게 함. 이후 해당 온도에서 특성을 평가하거나 열원을 차단하여 냉각되는 양상을 평가함

② 온도지정방식(Temp): 특정 저온에서 특정 고온에 도달할 때까지 일정량의 에너지를 조사하여 소요시간 등을 측정함. 이후 해당 온도에서 특성을 평가하거나 열원을 차단하여 냉각되는 양상을 평가함

③ 시간지정방식(Time): 특정 저온에서, 일정시간동안 일정한 에너지를 조사하여 최고 온도 등을 측정함. 이후 해당 온도에서 특성을 평가하거나 열원을 차단하여 냉각되는 양상을 평가함

도 10a는 지정된 특정 고온에서 특정 저온에 이르기까지 온도차를 소요 시간으로 나누어 계산한 것으로, 대류 챔버(110)의 모델을 변화시키며 측정하여 생성된 그래프이다.

도 10b는 써모커플(180)을 통하여 열전도도와 구조가 명확한 매개체(185)의 양단온도를 측정하여 매개체(185)를 관통하는 열유속(heat flux)를 측정한 그래프이다. 이때, 열유속을 통해 계산된 전도 열량(열전달량)은 대기중으로 방출된 열량과 같다.

도 10c는 발열량을 측정한 그래프이다. 냉각과정에서 측정물(매개체(185) 및/또는 방열 부재(HS)) 양단의 온도차가 없기 때문에 열량(Q=mCΔt)의 계산식을 통해 측정하며, 질량(m)은 측정 가능한 값이고, Δt는 내부 온도 변화를 고려하여 구할 수 있다. 본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)는 한 면은 단열되었기 때문에 단열된 면과 대기중으로 노출된 면의 평균 온도를 사용할 수 있다. 또한, 비열(C)은 다른 열물성 시험법을 이용하여 구할 수 있다.

도 10d 및 10e는 최고 온도를 열평형 제어 방식과 및 시간 지정형 제어 방식을 통해 측정한 그래프이다. 일정량의 열에너지가 조사되었을 때 도달하는 최고온도(열평형에서는 평형온도)를 측정한다.

도 10f는 고점 도달 시간을 온도 지정형 제어 방식을 통해 측정한 그래프이다. 고점 도달 시간은 열평형(steady state) 제어 방식으로도 측정 가능하며, 특정 고온에 도달할 때까지 일정량의 열에너지가 지속적으로 조사되었을 때의 시간 경과를 나타낸다.

본 발명에 따른 방열 특성 측정 장치(100)에 의하면, 대류 조건, 고속 열원 제어가 가능하며, 다양한 형태의 신소재에 적용하여 방열 특성을 측정할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 방열 특성 측정 장치
110: 대류 챔버
115: 공기 분사구
120: 열원 챔버
130: 공조부
140: 열화상 카메라
150: 렌즈부
160: 열원부
170: 투과부
180: 써모커플
185: 매개체
HS: 방열 부재
HI: 단열재

Claims (9)

1. 광열원을 조사하는 열원부를 수용하는 진공의 열원 챔버;
   상기 열원 챔버에 직렬로 연결되되 상기 열원 챔버의 공간과 분리되는 공간을 가지며, 대류 조건을 조절하기 위한 공기 분사구를 수용하는 대류 챔버;
   상기 열원 챔버 및 상기 대류 챔버 사이에 형성되는 홀에 설치되어 상기 열원챔버 및 상기 대류 챔버의 양측 공간을 차단하며, 상면에 방열 부재가 배치되는 투과판; 및
   상기 투과판 상에 배치되는 상기 방열 부재의 방열특성을 측정하는 센서부;를 포함하고,
   상기 방열 부재의 하부에 배치되는 금속 또는 비금속 소재의 매개체;
   상기 매개체의 상면 및 하면의 온도차를 감지하여 승온 과정에서의 열유속(heat flux)를 측정하는 써모 커플; 및
   상기 투과판 위에 설치되되 상기 방열 부재 및 상기 매개체의 측면에 배치되어 열전달을 차단하는 실린더형 아크릴 소재의 단열재;를 더 포함하며,
   상기 매개체의 하면은 광의 흡수를 촉진하는 카본 코팅제의 광흡수 코팅이 이루어지고, 상기 단열재의 하면은 표면 연마되거나 광의 반사를 도모하는 광반사 코팅이 이루어진 방열 특성 측정 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 대류 챔버의 내부에 수용되되, 상기 매개체 및 방열 부재 위에 배치되어 복사 방열이 이루어지도록 하는 진공 챔버;를 더 포함하는 방열 특성 측정 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 대류 챔버는 상기 공기 분사구의 일단이 삽입되는 곡선형 가이드홈;을 더 포함하고, 상기 공기 분사구의 일단이 상기 곡선형 가이드홈을 따라 이동함으로써 상기 방열 부재에 가해지는 공기의 방향이 변화하는 방열 특성 측정 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 투과판과 상기 열원부 사이에 배치되어 상기 열원부로부터 생성된 광의 이동 방향을 제어하는 렌즈부;를 더 포함하는 방열 특성 측정 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 센서부는 온도계, 습도계, 열화상 카메라 및 풍향계 중 적어도 하나를 포함하는 방열 특성 측정 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 대류 챔버는 챔버 내 기압 및 습도를 조절하기 위한 공조부;를 더 포함하는 방열 특성 측정 장치.

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