KR20170090351A - 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체, 이를 이용한 특성 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 관형 폐열원에 적용하기 위한 곡면형 중온 열전 소자의 연구에 있어서 곡면형 열전 소자의 특성을 정확하게 측정할 수 있는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체, 이를 이용한 특성 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 고온 구조체에 있어서, 봉형태인 복수개의 카트리지 히터; 및 상기 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체를 포함한다.
Description
본 발명은 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체, 이를 이용한 특성 측정 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 관형(Tube-type) 폐열원에 적용하기 위한 곡면형 중온 열전 소자의 연구에 있어서 곡면형 열전 소자의 특성을 정확하게 측정할 수 있는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체, 이를 이용한 특성 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
수십 년간 저효율 에너지 변환 기술로 알려진 열전발전기술은 중온(300~700℃) 영역에서 10% 이상의 효율이 가능한 것으로 보고되고 있으며 신규 에너지 재생기술로 크게 주목받으며 국내외에서 활발히 연구가 진행되고 있다.
일반적인 열전 모듈은 대부분 도 1a에 도시된 바와 같이 평면형으로 제작되나, 최근 폐열이 많이 발생하는 파이프, 즉, 관형 폐열원에 직접 적용하기 위하여 도 1b에 도시된 예상도와 같은 곡면형 열전 모듈의 제작에 많은 관심이 쏠리고 있다.
상술한 바와 같은 열전 모듈을 개발하기 위해서는 열전 모듈의 특성을 정확히 측정하는 것이 필수적이나, 종래의 열전 모듈 측정 장치는 공개특허공보 제10-2015-0007686호에 개시된 바와 같이, 평판형 열전 모듈만을 측정할 수 있으므로 곡면형 열전 모듈의 특성을 측정할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 열전 소자의 접촉면을 곡면으로 구성하고, 고온 구조체의 표면 온도를 균일하게 유지함으로써, 곡면형 열전 소자의 특정을 정확하게 측정할 수 있는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체, 이를 이용한 특성 측정 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체는, 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 고온 구조체에 있어서, 봉형태인 복수개의 카트리지 히터; 및 상기 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체를 포함한다.
여기서, 상기 복수개의 홀은, 중심에서 상기 표면에 이르는 거리가 각각 동일한 복수개의 제1 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 카트리지 히터는, 제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터; 및 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 포함하고, 상기 복수개의 홀은, 상기 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀; 및 상기 복수개의 제2 홀이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어, 상기 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀을 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체는, 상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 열전도 측정기; 상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 온도 센서; 및 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 피드백 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템은, 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 시스템에 있어서, 상기 곡면형 열전 소자의 상단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 곡면형 열전 소자의 상단을 직접 냉각하기 위한 저온부; 봉형인 복수개의 카트리지 히터; 상기 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체; 상기 발열체를 포위하는 차폐부; 상기 발열체의 하단에 배치되는 단열 소재인 단열부; 및 상기 저온부 및 상기 발열체와 연결되어 상기 곡면형 열전 소자의 열전 성능을 측정하는 측정부를 포함한다.
한편, 상기 복수개의 홀은, 중심에서 상기 표면에 이르는 거리가 각각 동일한 복수개의 제1 홀을 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 카트리지 히터는, 제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터; 및 상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 포함하고, 상기 복수개의 홀은, 상기 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀; 및 상기 복수개의 제2 홀이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어, 상기 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀을 포함할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템은, 상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 열전도 측정기; 상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 온도 센서; 및 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 피드백 제어부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 차폐부는, 상기 발열체의 측면 상부를 포위하는 곡면형 프레임 구조일 수 있다.
또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법은, 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체를 이용하여 상기 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 방법에 있어서, 상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 단계; 상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 단계; 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 단계; 상기 곡면형 열전 소자의 상단을 직접 냉각하고, 상기 발열체를 이용하여 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 단계; 및 상기 곡면형 열전 소자의 열전 성능을 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하는데 있어서 열접촉 상태 형성을 위한 곡면 형태의 표면을 갖는 발열체를 구비하고, 봉형태의 카트리지 히터를 이용하여 다양한 히터의 배치 형태를 제공함으로써 발열체인 고온 구조체의 표면 온도를 균일하게 유지하며, 이를 통하여 곡면형 열전 소자의 특성을 정확하게 측정할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1a 및 도 1b는 평면형 열전 모듈 및 곡면형 열전 모듈의 예상 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템 중 차폐부의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 차폐부가 적용된 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속의 분포를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 차폐부가 적용되지 않은 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속의 분포를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 일 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템 중 차폐부의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 도 6의 차폐부가 적용된 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속의 분포를 나타낸 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 차폐부가 적용되지 않은 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속의 분포를 나타낸 도면이다.
개시된 기술에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 개시된 기술의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 개시된 기술의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
“제1”, “제2” 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 개시된 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템을 나타낸 도면으로, 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템은, 저온부(100), 카트리지 히터(210), 발열체(220), 차폐부(300), 단열부(400) 및 측정부(500)를 포함할 수 있다.
저온부(100)는, 피측정 곡면형 열전 소자(10)를 고정시키기 위하여 발열체(220)와 서로 정렬되어 배치되고, 곡면형 열전 소자(10)의 상단에 접하는 곡면인 표면을 구비하며, 펠티에 냉각(Peltier Cooling) 방식 등을 이용하여 곡면형 열전 소자(10)의 상단을 직접 냉각할 수 있으나, 냉각수 또는 공기의 순환을 이용하여 지속적으로 곡면형 열전 소자(10)의 상단에 접하는 면을 냉각시킬 수도 있으며, 그 방식에 한정되지 않는다.
또한, 발열체(220)는, 곡면형 열전 소자(10)의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 복수개의 카트리지 히터(210)를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 곡면형 열전 소자(10)의 하단을 직접 가열한다. 여기서, 발열체(220)는, 열전도율이 좋은 구리(Cu) 재질의 블록(Block)인 것이 바람직하나 이에 한정되지 않으며, 주석/구리(Sn/Cu) 합금 등 어떤 재질도 채용 가능하다.
한편, 저온부(100) 및 발열체(220)는, 곡면형 열전 소자(10)의 상하단과 밀착하기 위하여 곡면형 열전 소자(10)에 접하는 반대 측에서 곡면형 열전 소자(10) 방향으로 탄성력 등의 외력(A, B)이 가해지는 것이 바람직하다.
또한, 복수개의 카트리지 히터(210)는, 발열체(220)가 발열할 수 있도록 하며, 교체가 용이하고 다양한 배치 형태를 구현하기 위하여 봉(Rod)형태인 것이 바람직하다.
한편, 차폐부(300)는, 발열체(220)를 포위함으로써 대류 및 복사열을 차폐하고, 이를 통하여 측정부(500)가 곡면형 열전 소자(10)의 특성을 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
또한, 단열부(400)는, 단열 성능을 가진 소재로서, 발열체(220)의 하단에 배치되어, 발열체(220)의 열을 차단하는 역할을 한다.
한편, 측정부(500)는, 저온부(100) 및 발열체(220)와 연결되어 곡면형 열전 소자(10)의 열전 성능(10)을 측정한다. 여기서, 측정부(500)는, 열전 성능의 측정을 위하여 곡면형 열전 소자(10)의 상단과 하단의 온도, 전류 및 전압 등을 측정할 수 있다. 즉, 열전 소자의 열전변환 특성을 평가하기 위한 열전 성능은 주로 하기 수학식 1에 의해 계산되는 열전 성능 지수(Thermoelectric fiqure of merit, Z, 1/K)를 통하여 평가할 수 있다.
이때, α는 제벡 계수(Seebeck coefficient)(V/K), ρ는 저항률(Ω·m), λ는 열전도율(W/m·K)이다.
이와 같은 열전 성능을 정확히 측정하기 위해서는 열전 모듈에 직접 접촉되는 발열체(220) 표면에서의 온도를 원하는 수준에 맞게 정확하게 유지해야 할 뿐만 하니라 발열체(220) 표면 전체의 온도 분포가 균일하여야 한다.
도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 일 실시예를 나타낸 도면으로, 발열체(220) 표면의 온도를 균일하게 하기 위하여 발열체(220)에 수용되는 카트리지 히터(210)의 다양한 배치 구조를 도시하고 있다.
즉, 발열체(220)의 곡면형 열전 소자(10) 하단에 접하는 표면이 곡면 형태, 더욱 자세하게는 원기둥 측면의 형태를 가지므로, 카트리지 히터(210)를 발열체(220) 내에 단일 직선의 형태로 배열하여 사용하게 되면, 발열체(220)의 표면의 중앙 부분과 가장자리 부분의 온도 차이가 발생될 수 있다.
먼저, 도 3a에 의하면, 발열체(220)는, 발열체(220)의 표면의 중앙 부분과 가장자리 부분의 온도 차이를 없애기 위해 그 중심에서 발열체(220)의 곡면형 열전 소자(10) 하단에 접하는 표면에 이르는 거리가 각각 동일한 복수개의 제1 홀(221)을 구비할 수 있다.
또한, 도 3b에 의하면, 복수개의 카트리지 히터(210)로, 제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터(212) 및 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터(211)의 2가지 종류를 구비하고, 발열체(220)에, 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터(212)를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀(222)과, 복수개의 제2 홀(222)이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터(211)를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀(223)이 설치될 수 있다. 즉, 직경이 큰 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터(212)로 대략의 원하는 온도에 이르게 하고, 직경이 작은 제2 봉형 카트리지 히터(211)를 사이사이 배치함으로써 발열체(220)의 표면 온도를 고르게 할 수 있다.
한편, 도 3c 내지 도 3d에 도시된 바와 같이 발열체(220)의 표면 온도를 고르게 하는 다양한 크기의 카트리지 히터(210)의 다양한 배치 형태가 존재하며, 이를 통하여 곡면형 발열체(220) 표면의 온도 분포를 일정하게 하여 정교한 열전 성능의 측정을 가능케 할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 다른 실시예를 나타낸 도면으로, 본 발명의 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체는, 열전도 측정기(600), 온도 센서(700) 및 피드백 제어부(800)를 더 포함할 수 있다.
열전도 측정기(Heat flow meter)(600)는, 복수개의 카트리지 히터(210)에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하고, 측정된 열전도율 분포를 피드백 제어부(800)에 전달한다. 즉, 효율을 측정하기 위해서 발열체(220)의 열전도를 측정하게 된다.
또한, 온도 센서(Thermocouple)(700)는, 발열체(220)의 표면 온도 분포를 측정하고, 측정된 표면 온도 분포를 피드백 제어부(800)에 전달한다. 여기서, 열전도 측정기(600)로, 온도 센서(700)와 동일한 장치를 복수개 배열하여 사용할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
한편, 피드백 제어부(800)는, 열전도 측정기(600)로부터 열전도율 분포를 입력받고, 온도 센서(700)로부터 표면 온도 분포를 입력받으며, 입력된 열전도율 분포 및 표면 온도 분포를 분석하여 열전도율 분포 및 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 복수개의 카트리지 히터(210)의 발열 온도를 제어한다. 여기서, 도 4b에는 편의상 피드백 제어부(800)가 소정의 구역(C)에 배치된 열전도 측정기(600), 온도 센서(700) 및 카트리지 히터(210)에만 연결되어 있으나, 본 발명의 피드백 제어부(800)는 다른 구역(E, D)에 배치된 열전도 측정기(600), 온도 센서(700) 및 카트리지 히터(210)와도 신호를 주고받을 수 있다.
이때, 발열체(220)의 표면 온도를 원하는 온도에 이르게 하기 위하여, 복수개의 카트리지 히터(210)를 발열하게 되는데, 발열체(220)의 표면 온도가 균일하지 않을 수 있다. 위와 같은 문제를 해결하기 위하여, 도 4b에 도시된 바와 같이 온도 센서(700)를 복수개 발열체(220)의 표면 부근에 배치하고, 소정의 구역 별로, 예를 들면 도 4b와 같이 3개의 구역(C, D, E)으로 분할하여 각각 표면 온도를 측정하며, 피드백 제어부(800)에서 측정된 표면 온도의 분포를 입력받아 카트리지 히터(210)의 발열 정도를 조절할 수 있다.
예를 들면, 발열체(220)의 표면 중 중앙 구역(D)의 온도가 가장자리 온도에 비해서 높은 경우, 피드백 제어부(800)가 가장자리 구역(C, E)에 배치된 카트리지 히터(210)의 발열 정도를 점진적으로 세게 조정하고, 이러한 조정 과정은 중앙 구역(D)의 온도 센서(700)에서 측정되는 온도와 가장자리 구역(C, E)의 온도 센서(700)에서 측정되는 온도가 동등해질 때까지 이루어질 수 있다.
한편, 발열체(220)의 표면 온도를 균일하게 하기 위하여 상술한 바와 같은 피드백 제어부(800)의 피드백 과정이 수행되면, 카트리지 히터(210)의 발열량이 각각 상이해지므로 발열체(220) 내 구역(C, D, E)에 따라서 열전도율도 상이하게 된다. 그러나, 곡면형 열전 소자(10)의 열전 성능 측정 시 곡면형 열전 소자(10)에 가해지는 열전도량도 일정하여야 정확한 열전 성능 측정이 가능하다. 따라서, 도 4b에 도시된 바와 같이 열전도 측정기(600)를 복수개 온도 센서(700)의 하단 부근에 배치하고, 소정의 구역 별로, 예를 들면 도 4b와 같이 3개의 구역(C, D, E)으로 분할하여 각각 열전도율을 측정하며, 피드백 제어부(800)에서 측정된 열전도율의 분포를 입력받아 카트리지 히터(210)의 발열 정도를 조절할 수 있다.
즉, 피드백 제어부(800)를 통하여 곡면형 열전 소자(10)의 열전 성능 측정에 적합한 환경, 다시 말하면, 균일한 표면 온도 및 열전도율 분포를 유지하도록 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법을 나타낸 도면으로, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 발열체(220)의 표면 온도를 원하는 온도에 이르게 하기 위하여, 복수개의 카트리지 히터(210)를 발열시키고, 온도 센서(700)를 이용하여 발열체(220)의 표면 온도 분포를 측정하고, 측정된 표면 온도 분포를 피드백 제어부(800)로 전달시킨다(S100).
다음에, 열전도 측정기(600)는 복수개의 카트리지 히터(210)에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하고, 측정된 열전도율 분포를 피드백 제어부(800)로 출력한다(S200).
이후에, 피드백 제어부(800)는, 열전도 측정기(600) 및 온도 센서(700)로부터 열전도율 분포 및 표면 온도 분포를 입력받고, 열전도율 분포 및 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 복수개의 카트리지 히터(210)의 발열 온도를 제어한다(S300).
다음에, 곡면형 열전 소자(10)를 저온부(100)와 발열체(220) 사이에 개재하고, 저온부(100)를 이용하여 곡면형 열전 소자(10)의 상단을 직접 냉각하며, 발열체(220)를 이용하여 곡면형 열전 소자(10)의 하단을 직접 가열한다(S400).
이후에, 측정부(500)는, 곡면형 열전 소자(10)의 열전 성능을 측정한다(S500). 여기서, 측정부(500)는, 열전 성능의 측정을 위하여 곡면형 열전 소자(10)의 상단과 하단의 온도, 전류 및 전압 등을 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템 중 차폐부(300a)의 다른 실시예를 나타낸 도면이고, 도 7a 및 도 7b는 도 6의 차폐부(300a)가 적용된 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속(Heat flux)의 분포를 나타낸 도면이며, 도 8a 및 도 8b는 차폐부(300, 300a)가 적용되지 않은 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체의 표면 온도 및 표면 열유속의 분포를 나타낸 도면으로, 이에 대하여 설명하면 아래와 같다.
차폐부(300a)는, 도 6에 도시된 바와 같이 발열체(220)의 측면 상부를 포위하는 곡면형 프레임 구조로, 도시되지 않았으나, 발열체(220)의 측면 상부에 고정되기 위한 지지 수단을 포함할 수 있다.
차폐부(300a)를 이용하여 발열체(220)의 측면 상부를 포위함으로써, 발열체(220) 표면에서 열이 빠져나가는 것을 방지할 수 있고, 이에 따라 도 7a 및 도 8a에 도시된 바와 같이 차폐부(300a)가 적용되지 않은 경우와 비교하여 차폐부(300a)가 적용된 경우에 발열체(220) 표면 온도가 고르게 분포될 수 있다. 즉, 발열체(220)의 온도를 400℃로 조정한 경우 표면 온도의 델타값(ΔT)은 차폐부(300a)가 적용된 경우 2.92℃에 불과하나, 차폐부(300a)가 적용되지 않은 경우 9.54℃까지 증가하는 것으로 관찰된다.
아울러, 차폐부(300a)로 발열체(220)의 측면 전부를 포위하지 않고 상부만 포위함으로써, 발열체(220)의 표면 온도를 고르게 하면서도 도 7b 및 도 8b에 도시된 바와 같이 발열체(220)의 높이 방향으로 측정하는 열유속 측정값의 정확도를 유지할 수 있다.
이러한 개시된 기술인 방법 및 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 피측정 곡면형 열전 소자
100: 저온부
210: 카트리지 히터
220: 발열체
300: 차폐부
400: 단열부
500: 측정부
600: 열전도 측정기
700: 온도 센서
800: 피드백 제어부
100: 저온부
210: 카트리지 히터
220: 발열체
300: 차폐부
400: 단열부
500: 측정부
600: 열전도 측정기
700: 온도 센서
800: 피드백 제어부
Claims (11)
- 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 고온 구조체에 있어서,
봉형태인 복수개의 카트리지 히터; 및
상기 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체를 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 홀은, 중심에서 상기 표면에 이르는 거리가 각각 동일한 복수개의 제1 홀을 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 히터는,
제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터; 및
상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 포함하고,
상기 복수개의 홀은,
상기 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀; 및
상기 복수개의 제2 홀이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어, 상기 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀을 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체.
- 청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 열전도 측정기;
상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 온도 센서; 및
상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 피드백 제어부를 더 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체.
- 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 시스템에 있어서,
상기 곡면형 열전 소자의 상단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 곡면형 열전 소자의 상단을 직접 냉각하기 위한 저온부;
봉형인 복수개의 카트리지 히터;
상기 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 상기 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체;
상기 발열체를 포위하는 차폐부;
상기 발열체의 하단에 배치되는 단열 소재인 단열부; 및
상기 저온부 및 상기 발열체와 연결되어 상기 곡면형 열전 소자의 열전 성능을 측정하는 측정부를 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복수개의 홀은, 중심에서 상기 표면에 이르는 거리가 각각 동일한 복수개의 제1 홀을 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 히터는,
제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터; 및
상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 포함하고,
상기 복수개의 홀은,
상기 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀; 및
상기 복수개의 제2 홀이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어, 상기 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀을 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 히터는,
제1 직경을 갖는 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터; 및
상기 제1 직경보다 작은 제2 직경을 갖는 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 포함하고,
상기 복수개의 홀은,
상기 복수개의 제1 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제2 홀; 및
상기 복수개의 제2 홀이 형성된 공간 사이의 상부에 배치되어, 상기 복수개의 제2 봉형 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 제3 홀을 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 열전도 측정기;
상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 온도 센서; 및
상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 피드백 제어부를 더 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 청구항 5에 있어서,
상기 차폐부는, 상기 발열체의 측면 상부를 포위하는 곡면형 프레임 구조인 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 시스템.
- 곡면형 열전 소자의 하단에 접하는 곡면인 표면을 구비하고, 복수개의 카트리지 히터를 수용하기 위한 복수개의 홀을 구비하며, 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 발열체를 이용하여 상기 곡면형 열전 소자의 특성을 측정하기 위한 방법에 있어서,
상기 발열체의 표면 온도 분포를 측정하는 단계;
상기 복수개의 카트리지 히터에서 출력되는 열의 열전도율 분포를 측정하는 단계;
상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포를 입력받고, 상기 열전도율 분포 및 상기 표면 온도 분포가 균일해지는 방향으로 상기 복수개의 카트리지 히터의 발열 온도를 제어하는 단계;
상기 곡면형 열전 소자의 상단을 직접 냉각하고, 상기 발열체를 이용하여 상기 곡면형 열전 소자의 하단을 직접 가열하는 단계; 및
상기 곡면형 열전 소자의 열전 성능을 측정하는 단계를 포함하는 곡면형 열전 소자의 특성 측정용 고온 구조체를 이용한 특성 측정 방법.
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Legal Events
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| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |