[기계공학기초실험]Heat sink

실험 목적

열전대(Thermocouple)와 열화상카메라(IR Camera)를 이용하여 온도를 측정하고, 이를 통해 Heat Sink를 이해하고, 측정한 데이터들을 통하여 뉴턴의 냉각법칙(Newtonʹs law of cooling)을 적용하여 분석하고, IR측정치와 열전대의 h를 비교한다.

실험 이론 및 원리

1. Heat Sink

열(히트)이 모이는(싱크) 부품. 기계에서 발생하는 작동열을 모아, 상대적으로 온도가 낮은 매질(공기, 물, 기름 등)으로 방출하는 부품이다. 즉 열교환기의 일종. Heat Sink는 열의 전도와 복사에 특화된 재질과 구조를 갖고 있어, 열을 발생시키는 시스템으로부터 열을 빼앗아 주변으로 방출하는 냉각 장치다.

 

2. Heat transfer coefficient (h)

뉴턴의 냉각법칙(Newtonʹs law of cooling)을 이용하여 표면에 대한 열전달 계수를 정의하면 다음과 같다.

h = q / AΔT

q = heat flow rate, W

h = heat transfer coefficient, W/(m2-K)

A = heat transfer surface area , m2

ΔT = difference in temperature between the surface and the surrounding fluid, K

 

3. 뉴턴의 냉각법칙(Newtonʹs law of cooling)

뉴턴의 냉각법칙은 물체가 냉각되는 속도는 물체와 주변부의 온도차에 비례한다는 법칙이다. 물체의 열을 Q라고 하면 dQ/dt는 시간에 따른 물체 열의 변화량이므로 열이 물체에서 생성되거나 소멸되지 않고, 물체가 주변과 열적으로 연결되어 있다면 -dQ/dt 는 시간에 따라 주변에 잃는 열의 크기가 된다. 따라서 뉴턴의 근사에 따른 냉각 속도는 dQ/dt = -a(T – Tenv) 로 주어진다. 여기서 a는 열을 잃는 열확산 계수이다. 

대신 주변이 얻는 열을 Qʹ로 하면 뉴턴의 냉각법칙은 dQʹ/dt = -a(T – Tenv) 이 된다. 만약 물체의 열용량을 안다면 ΔQ = CΔT 로 표현할 수 있으므로 위 식은 Dt/dt = -a/c × (T – Tenv) 로T의 미분 방정식 형태로 표현할 수 있다. 이 방정식을 풀면 물체의 온도는 아래와 같이 주변부 온도값으로 지수 함수적으로 수렴한다 여기서 T0은 계의 초기 온도이다.

 

4. 열전대(Thermocouple)

1) 열전대의 정의

열전대는 서로 다른 두 종류의 금속의 기전력 발생을 이용한 온도 측정 장치이다. 열전대란, 종류가 다른 금속선 두개의 양 끝단을 접속하여 만든 것으로 양 끝단 접점에 온도차가 발생할 때 이 폐회로에 열기전력이 발생하여 화로에 전류가 흐른다. 이 열기전력의 크기와 극성은 양단의 온도와 두 개의 금속선의 조합에 의해 결정되며 금속선의 굵기 또는 길이에 영향을 받지 않는다.

따라서 특정 열전대의 온도에 따른 열기전력을 미리 읽을 수 있으므로 온도 측정이 가능하다. 이 열전대의 온도 측정범위, 측정 장소의 상황, 필요로 하는 정밀도 등에 따라 적당한 소선을 선택하여야 함은 물론, 장시간 연속 사용할 때에도 항상 같은 성능을 발휘하여야 한다.

 

5. IR 카메라

우리 눈이 보는 것과 유사한 모습을 담아내는 일반 카메라와 달리 열화상 카메라(Infrared Thermal Camera)는 열을 추적, 탐지하여 화면으로 보여주는 장치이다. 절대온도 0K(-273℃) 이상의 온도에서 모든 물질에 의하여 방사, 전송 또는 반사되는 적외선 에너지를 감지한다. 이러한 에너지 요인을 온도 측정치 또는 온도 기록으로 전환하여 물체의 열 이미지로 출력합니다. 모든 물체는 절대온도 0K 이상이면 해당 파장의 빛을 방출하는데 우리 몸(36~37℃)에서는 원적외선(8~14㎛)이 방출된다. 이때 방출되는 적외선을 감지해 전기적 신호로 변환해서 화면으로 보여주는 것이다.

1) 열화상 카메라 원리

적외선(Infrared light)은 가시광선(visible light)보다는 파장이 길고 마이크로파(Microwave)보다는 파장이 짧은700㎚~1㎜ 파장 대역의 전자기파를 말한다.

	파장 범위(㎛)	에너지(meV)
근적외선	0.70 ~ 3.0	413 ~ 1.77
중적외선	3.0 ~ 50	24.8 ~ 413
원적외선	5 ~ 1,000	1.2 ~ 24.8

열화상 카메라는 피사체에서 방출되는 적외선을 감지해 물체 온도를 측정한다. 따뜻한 모든 물체는 일정한 경로를 따라서 에너지를 발산한다. 흑체는 다른 에너지원으로부터 간섭을 받지 않고, 외부로 열을 반사하지 않으면서 자체적 이상적인 에너지를 발산한다.

2) 흑체(Blackbody)

자기에게 입사되는 모든 파장대의 복사에너지를 완전히 흡수하는 이상적인 물체. 흑체의 성능은 가격에 따라 다른데, 아주 높은 품질의 흑체는 외부 에너지원으로부터 발산되는 에너지를 대부분 반사시키지 않는다. 좋은 흑체의 발산 수치(방사율)는0.999까지 올라가는데, 신체 온도 측정을 위한 발산 수치는0.95~0.99면 충분하다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 장비

Equipment	Description
Agilent 34970A	Data logger
Agilent E3634A	DC power supply
Omega Thermocuple	T-type Thermocouple
DAQ PC	Data acquisition PC
FLIR T440	IR Camera

1) DC 파워 서플라이

교류 전류를 안정적으로 사용할 수 있도록 직류로 변환해 전원을 공급하는 하드웨어이다.

2) 열전대(Thermocouple)

열전대는 제베크효과를 이용하여 온도를 측정하기 위해 두 종류의 금속으로 만든 센서이다. 본 실험에서 사용하는 열전대는 Omega 사의 5TC-TT-T-30-36이다.

 

3) 데이터로거(Date logger)

아날로그 신호를 A/D 변환기에 의해 디지털 신호로 변환하고 저장한다.

 

4) 단열재

히트싱크 베이스에서 하단면으로의 열손실을 최소화하기 위한 장치이며, 이번 실험에서 쓰인 단열재는 열전도율 값이 0.047이다.

 

5) 열화상카메라

열복사에너지 기반 온도작 획득 광-전자 디지털카메라

실험 방법

1. 실험 과정

1) Power supply(전원공급기)를 이용film heater(전압을 받으면 열이 올라가는 얇은판)에 열율 공급한다.

2) Data logger(신호변환기/아날로그값을 디지털 데이터값으로 변환)를 통해Heat sink에 부착된 Thermocouples(열전대)가 계측한 온도 값을 읽고, 열화상 카메라로heat sink 온도장을 획득하고 비교한다.

3) 정상 상태에 도달 할 때까지Heat sink 온도와 외기 온도(T∞)를 적절히 기록한다.

4) h 값을 위의 식을 이용해서 구한다.

 

실험 결과 및 토의

1. 열전대 측정값

Channel		Tbase 1	Tbase 2	Tbase 3	T∞
Time	0(minute)	21.085 ℃	21.071 ℃	21.052 ℃	21.375 ℃
	10(minute)	40.870 ℃	43.216 ℃	42.741 ℃	22.145 ℃
	20(minute)	49.690 ℃	53.074 ℃	51.733 ℃	22.505 ℃
	30(minute)	53.166 ℃	56.658 ℃	55.262 ℃	22.742 ℃
	40(minute)	55.122 ℃	58.421 ℃	57.769 ℃	23.168 ℃
	50(minute)	56.754 ℃	59.380 ℃	58.959 ℃	23.284 ℃

 

2. IR카메라 측정값

Channel		Tbase 1	Tbase 2	Tbase 3
Time	0(minute)	21.200 ℃	21.200 ℃	21.200 ℃
	5(minute)	21.600 ℃	21.600 ℃	21.500 ℃
	10(minute)	24.500 ℃	24.800 ℃	24.500 ℃
	15(minute)	28.500 ℃	33.800 ℃	34.200 ℃
	20(minute)	33.900 ℃	33.600 ℃	36.000 ℃
	25(minute)	43.800 ℃	44.200 ℃	44.200 ℃
	30(minute)	49.600 ℃	51.600 ℃	49.700 ℃
	35(minute)	49.900 ℃	52.000 ℃	53.800 ℃
	40(minute)	55.200 ℃	56.500 ℃	54.300℃
	45(minute)	57.100 ℃	58.500 ℃	57.000 ℃
	50(minute)	60.300 ℃	62.400 ℃	62.300 ℃
	55(minute)	61.800 ℃	61.800 ℃	59.800 ℃
	60(minute)	61.900 ℃	64.700 ℃	60.500 ℃

 

 

3. 정상 상태에서 h값(W/㎡-K)

q = heat flow rate, W

h = heat transfer coefficient(열전달 계수), W/(㎡-K)

A = heat transfer surface area(열전달 면적), ㎡

△T = difference in temperature between the surface and the surrounding fluid, K (센서 3개 온도가 정상상태가 되었을 때의 평균값T – 대기온도T )

q = Voltage × Current = 50×0.355 W = 17.75W

A = (0.075×0.075) + (23×0.006×π×0.05) + (2×6×23×0.002×0.04) + (2×6×23×0.0005×0.002) = 0.049657985㎡

열전대		IR
1	10.679565	1	9.256397
2	9.9026217	2	8.630602
3	10.019482	3	9.604605
평균	10.189328	평균	9.145871

 

4. 실험 고찰

열전대를 이용하여 구한 ΔT의 값이 IR카메라를 이용하여 구한 ΔT의 값보다 작게 나왔다. 열전대를 이용하여 구한 h의 값은 평균 10 내외로 나왔고, IR카메라를 이용하여 구한h의 값은 평균 9 내외로 계산되었다. 본 실험을 통해 열전대와 IR카메라의 원리를 알게 되었고, 뉴턴의 냉각법칙을 통한 열전달계수의 계산을 하는 법을 알게 되었다.