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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 상용 광선추적프로그램의 포괄적 이용, 혹은 신규 프로그램을 개발하려는 시도 대신, 이보다 손쉽고 효율적인 방법을 개발하였다. 즉, 앞서 언급한 사각 세라믹 히터에 적용할 수 있는 사각 반사판과, 근적외선 할로겐램프 어레이에 적용할 수 있는 구형 반사판을 해석 및 설계하였다.
- 본 논문에서는 복사열 반사판의 설계를 위한 광학적 해석 및 새로운 실험기법에 관한 연구를 기술하였다. 해석적 결과를 얻기 위해 사각 반사판의 경우는 OpticsLab522®라는 상용프로그램을 이용하였고 구형 반사판의 경우는 렌즈이론 및 형상 계수의 개념을 적용하였다.
제안 방법
- 또한 Jung 운t al.'" 도 photopia® and lumen-micro®를 이 용하여 도로 방음벽용 조명기구의 반사판을 설계 및 시뮬레이션 하였다.
- ' 은 photopia® ⑵를 이용하여 터 널용고효율 조명기구의 반사판을 설계하였고 시뮬레이션 하였으며, Jeong et al.(3)은 SpeROD(Specular Reflector Optical Designer) 라는 광학 설계 프로그램을 개발하여 형광등기구용 경면 반사판을 설계하여 FIELD®(4)를 이용하여 반사판을 시뮬레이 션 하였으며 , Park et al ⑸은 photopia® and lumen-micro®⑹를 이용하여 칠판등용 반사판올설계하고 시뮬레이션 하였다. 또한 Jung 운t al.
- 1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도로서 STS 304로 제작된 반사판과 열원을 상사 시킨 광원, 그리고 특정 위치에서 복사 열 전달되는 적외선 열 유속을 비례적으로 모사하는 빛의 조도를 측정할 수 있는 조도계로 구성된다. 각 광원은 사각형 세라믹 히터와 할로겐램프를 염두에 둔 것인데 그 광원면이 광학적으로 확산적이라고 보았고 반사면은 정반사면으로 보았다.
- 각각의 다른 주요변수를 가지는 여섯 가지 경우의 사각 반사판을 OpticsLab522®를 이용하여 해석효율을 구하였고 구형반사판의 경우는 식(5) 를 이용하여 해석효율을 구하였다. 그리고 이 일곱 가지 경우의 반사판에 대해 실험을 통하여 얻어진 효율의 비교결과와 오차를 Table 2에 나타내었다.
- 본 연구의 대상인 2종의 반사판의 경우에는 적용할 수 있는 범용코드가 없었고 다만 사각 반사판의 경우 OpticsLab522®가 적용 가능하였다. 그리고 구형 반사판의 경우는 형상계수 이론과 간단한 렌즈이론을 적용하여 근사해석을 수행하였다. Fig.
- 우선 반사판의 성능을 평가하기 위해 OpticsLab522®를 이용하거나 렌즈 이론을 적용하여 설계 및 근사 해석하였다. 다음으로 적외선으로 이루어지는 복사열전달을 가시광선으로 상사시켜 광원과 조도계를 이용한 실험을 통하여 반사판의 성능을 평가하는 새로운 방법을 소개하였다. 이 방법을 예시하기 위해 선택된 사각 반사판과 구형 반사판의 주요 변수들을 변화시켜가며 얻은 실험 및 해석 결과의 비교를 통해 제시된 방법의 타당성을 입증할 것이다.
- 빛이 방출되는 경향이 발견되었다. 따라서 반구 방향으로 일정하게 같은 양의 빛을 조사시키기 위해 Fig. 2와 같이 LED 램프 위에 실리카 겔을 쌓고, 그 위에 젖빛 유리를 덮음으로써 LED 램프에서 발산되는 빛을 확산시켜 사용하였다.
- 10。마다 각도를 변화시켜 가며 7×7개의 노드에서 측정된 조도의 합산에 의해 피 가열 면의 조도를 구한다. 이 값들을 식 (D에 대입함으로써 반사판의 성능을 판단하는 효율을 구할 수 있다.
- 모든 실험은 상온에서 수행하였으며 외부에서의 빛을 차단하기 위해 암실에서 수행하였다. 암실의 내부는 모두 무광의 검은색으로 도색하였고 그 크기는 4m(길이) X 1.
- 따라서 조- 도계를 사용하기 전 교정이 필요하다. 반사판이 없는 상태에서 각 광원을 설치하여 거리에 따라 측정된 조도가 광원과 조도계 사이의 거리의 제곱에 반비례하는지를 확인한다. 이것은 조도계의 선형 성을 확인하는 것으로써, 이 연구에서 반드시 필요한 조도계의 특성이다.
- 180。범위에서 10°마다 각도를 변화시켜가며 19x19 개의 노드에서 측정된 조도의 합산에 의해 전체 조도를 구한다. 수평방향의 좌우로 30° 범위, 수직방향의 위아래로 30° 범위를 피가 열 면으로 설정하고, 각각 규격이 다른 반사판을 설치하여 수평, 수직으로 각각 60°의 범위 에서 10。마다 각도를 변화시켜 가며 7×7개의 노드에서 측정된 조도의 합산에 의해 피 가열 면의 조도를 구한다.
- 해석적 결과를 얻기 위해 사각 반사판의 경우는 OpticsLab522®라는 상용프로그램을 이용하였고 구형 반사판의 경우는 렌즈이론 및 형상 계수의 개념을 적용하였다. 복사열의 적외선을 가시광선으로 상사하여 광원과 조도계를 이용한 실험법을 제시하였고 실제 복사열전달 효율을 구하였다. 실험의 결과와 해석 결과를 비교한 결과 그 측정오차와 환경오차를 감안하면 8%내로 잘 일치함을 알 수 있었다.
- 하지만 반사판이 차지하는 자체부피와 각 반사판에 설치할 수 있는 열원에서 방출하는 열량의 크기를 고려한다면 구형 반사판도 그 나름의 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 구형반사판의 상기 최적결과를 이용하여, R = 241 mm, a = 125mm, c=20mni의 규격과 2000 ℃ 의 표면온도와 2000 W의 발열량을 가지는 근적외선 할로겐램프를 이용하여 실제 야외난방에 적용할 수 있는 반사판을 제작하여 실용화를 도모하고 있다.
- 그 규격은 Table 1에 나타내었다. 사각 반사판은 제작이 쉬워서 여러 가지를 시도하였으나, 구형 반사판은 고가이므로 한 가지만 제작하여 실험하였다.
- 2m(폭) x2:m(높이)이다. 암실의 길이방향 끝면에 광원과 반사판이 놓이고, 그 반대편 끝면에 조도계를 놓았으며, 광원을 여러 각도로 회전시켜 구면상의 여러 각도를 설정하였다.
- 즉, 앞서 언급한 사각 세라믹 히터에 적용할 수 있는 사각 반사판과, 근적외선 할로겐램프 어레이에 적용할 수 있는 구형 반사판을 해석 및 설계하였다. 우선 반사판의 성능을 평가하기 위해 OpticsLab522®를 이용하거나 렌즈 이론을 적용하여 설계 및 근사 해석하였다. 다음으로 적외선으로 이루어지는 복사열전달을 가시광선으로 상사시켜 광원과 조도계를 이용한 실험을 통하여 반사판의 성능을 평가하는 새로운 방법을 소개하였다.
- ±3%의 정확도를 가진다. 이 조도계는 거리에 따른 조도를 측정하여 거리의 제곱에 반비례하는지를 확인하는 예비실험을 통해 두 가지 광원에 대한 교정을 마친 상태에서 실험에 사용되었다.
- 실험의 결과와 해석 결과를 비교한 결과 그 측정오차와 환경오차를 감안하면 8%내로 잘 일치함을 알 수 있었다. 이로써 본 연구에서 제시된 복사열 반사판 설계를 위한 광학적 해석 및 실험기법이 타당함을 확인할 수 있었으며 이를 바탕으로 실제 응용이 가능한 구형 반사판과 근적외선 할로겐램프 열원을 제작하였다.
- 개발하였다. 즉, 앞서 언급한 사각 세라믹 히터에 적용할 수 있는 사각 반사판과, 근적외선 할로겐램프 어레이에 적용할 수 있는 구형 반사판을 해석 및 설계하였다. 우선 반사판의 성능을 평가하기 위해 OpticsLab522®를 이용하거나 렌즈 이론을 적용하여 설계 및 근사 해석하였다.
- 해석적 결과를 얻기 위해 사각 반사판의 경우는 OpticsLab522®라는 상용프로그램을 이용하였고 구형 반사판의 경우는 렌즈이론 및 형상 계수의 개념을 적용하였다. 복사열의 적외선을 가시광선으로 상사하여 광원과 조도계를 이용한 실험법을 제시하였고 실제 복사열전달 효율을 구하였다.
대상 데이터
- Fig. 1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도로서 STS 304로 제작된 반사판과 열원을 상사 시킨 광원, 그리고 특정 위치에서 복사 열 전달되는 적외선 열 유속을 비례적으로 모사하는 빛의 조도를 측정할 수 있는 조도계로 구성된다. 각 광원은 사각형 세라믹 히터와 할로겐램프를 염두에 둔 것인데 그 광원면이 광학적으로 확산적이라고 보았고 반사면은 정반사면으로 보았다.
- 다양한 변수들을 갖는 여러 반사판을 제작하였다. 그 규격은 Table 1에 나타내었다.
- 반사판은 0.777의 반사율을 가지는 STS 304(18 -20% Ni, 2% Mn, 1% Si, 0.08% C, Fe balance, polished)로 제작하였다. 이 반사율은 T = 298 K, A = 1.
- 본 실험 에 서 복사에너지를 상사한 가시 광선의 조도 측정을 위해 사용된 조도계는 TEST336A 로써, ±3%의 정확도를 가진다. 이 조도계는 거리에 따른 조도를 측정하여 거리의 제곱에 반비례하는지를 확인하는 예비실험을 통해 두 가지 광원에 대한 교정을 마친 상태에서 실험에 사용되었다.
- 사각 반사판의 광원으로는 35mm의 직경을 가지는 4개의 원형 1W LED 램프를 사용하고, 구형 반사판의 광원으로는 193 mm의 발광장과 12 mm 의 직경을 가지는 4개의 7W 형광등을 사용한다.
성능/효과
- 효율을 가짐을 알 수 있다. 또한 "s가 같을 때 a7} 15°일 때보다 30°일 때 더욱 큰 효율을 얻을 수 있으며, a가 같을 때 h/w가 커질 수록효율 또한 커지는 경향이 있음을 알 수 있다.
- 결과를 통하여 사각 반사판의 경우 대략 50% 내외의 효율을 가짐을 알 수 있다. 또한 "s가 같을 때 a7} 15°일 때보다 30°일 때 더욱 큰 효율을 얻을 수 있으며, a가 같을 때 h/w가 커질 수록효율 또한 커지는 경향이 있음을 알 수 있다.
- 본 연구의 대상인 2종의 반사판의 경우에는 적용할 수 있는 범용코드가 없었고 다만 사각 반사판의 경우 OpticsLab522®가 적용 가능하였다. 그리고 구형 반사판의 경우는 형상계수 이론과 간단한 렌즈이론을 적용하여 근사해석을 수행하였다.
- 복사열의 적외선을 가시광선으로 상사하여 광원과 조도계를 이용한 실험법을 제시하였고 실제 복사열전달 효율을 구하였다. 실험의 결과와 해석 결과를 비교한 결과 그 측정오차와 환경오차를 감안하면 8%내로 잘 일치함을 알 수 있었다. 이로써 본 연구에서 제시된 복사열 반사판 설계를 위한 광학적 해석 및 실험기법이 타당함을 확인할 수 있었으며 이를 바탕으로 실제 응용이 가능한 구형 반사판과 근적외선 할로겐램프 열원을 제작하였다.
- 여러 가지 경우의 반사판을 비교한 결과 가장 큰 효율을 가지는 반사판은 높이와 너비의 비 1.5, 반사판의 각도가 30°를 가지 는 사각반사판인 Case 6임을 알 수 있다. 이 사각 반사판의 성능은 위에서 최적화한 구형 반사판보다도 더 우수하다.
후속연구
- 이러한 반사판은 적외선 파장보다 훨씬 크기가 크므로 기하광학적인 해석이 가능하다. 따라서 가시광선의 전달을 염두에 둔 조명이론과 해석법이 유효하게 적용될 수 있고, 이를 위해 가능하다면 광선 추적 프로그램을 이용하는 것이 바람직 하다.
- 다음으로 적외선으로 이루어지는 복사열전달을 가시광선으로 상사시켜 광원과 조도계를 이용한 실험을 통하여 반사판의 성능을 평가하는 새로운 방법을 소개하였다. 이 방법을 예시하기 위해 선택된 사각 반사판과 구형 반사판의 주요 변수들을 변화시켜가며 얻은 실험 및 해석 결과의 비교를 통해 제시된 방법의 타당성을 입증할 것이다.
- 전술한 바와 같이 반사판의 성능해석에 수치해석 코드를 적용할 수 있다면 매우 유용할 것이다. 본 연구의 대상인 2종의 반사판의 경우에는 적용할 수 있는 범용코드가 없었고 다만 사각 반사판의 경우 OpticsLab522®가 적용 가능하였다.
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