[논문]극저온 냉동기를 이용한 열전도도 측정 시스템 개발

신동원; 김동락; 양형석; 최연석

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.1.093

극저온 냉동기를 이용한 열전도도 측정 시스템 개발
Development of Thermal-Conductivity Measurement System Using Cryocooler 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.1 = no.304, 2011년, pp.93 - 100

신동원 (한국기초과학지원연구원) , 김동락 (한국기초과학지원연구원) , 양형석 (한국전력연구원) , 최연석 (한국기초과학지원연구원)

초록
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액체질소 온도부근에서 작동하는 고온초전도 케이블 시스템을 개발하기 위해서는 고온초전도 케이블 시스템에 사용되는 극저온 절연재료의 정확한 열물성 자료가 필요하다. 금속재료와 달리, 비금속 계열의 재료는 열저항이 크기 때문에 정확한 열 유입량을 측정하기 위해서는 특별한 주의가 요구된다. 본 연구에서는 극저온 냉동기를 이용하여 30K 부터 상온 사이에서 절연재료의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 설계와 제작과정을 포함한 열전도도 측정 시스템을 자세하게 기술하였다. 또한 상온으로부터 침입하는 불가피한 열유입량을 최소화하기 위한 열전도도 측정 시스템의 최적화 과정을 소개한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The thermal property of insulation material is essential in developing a high-temperature superconductor (HTS) power cable to be operated at around liquid-nitrogen temperature. Unlike metallic materials, nonmetallic materials have a high thermal resistance; therefore, accurate estimate of the heat flow is difficult in the case of nonmetallic materials. The aim of this study is to develop an instrument for precisely measuring the thermal conductivity of insulating materials over a temperature range of 30 K to approximately the room temperature by using a cryocooler. The details of the thermal-conductivity measurement system, including the design and fabrication processes, are described in this paper. In addition, the design optimization to minimize unavoidable heat leakage from room temperature is discussed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

새로운 물질의 열물성을 측정하기 위해서는 먼저 시스템의 검증이 필요하다. 따라서 본 논문에 서는 기존에 측정되어 있는 테플론의 열전도도를 측정하여 시스템의 정확성을 평가하였다. Table 2은 측정시스템과 시편의 제원이고 Fig.
본 논문에서는 극저온 냉동기를 이용한 열전도 측정 시스템 최적화, 제작 과정 및 예비실험결과를 자세히 소개한다.
본 연구에서는 초전도 케이블 시스템을 구성하고 있는 절연물들의 열전도도를 30K부터 상온까지 정확하게 측정하기 위한 시스템을 개발하였다. 소형 극저온 냉동기를 흡열원으로 사용하여 넓은 온도 범위에서 열전도도를 측정할 수 있으며 새로 개발된 절연물의 열물성을 간단한 시편 교환으로 짧은 시간 내에 측정할 수 있도록 설계되었다.

제안 방법

시편을 지지하는 각각의 블록에 교정된 PT센서를 이용, 절대 온도를 측정하여 실험의 온도를 일정하게 유지하고 각 시편의 고온부와 저온부를 열전대 온도계(thermocouple)를 이용하여 전위차를 측정, 전위차를 온도로 환산한다. 각 시편에는 고온부의 절대온도와 고온부와 저온부의 상대온도를 측정할 수 있는 두 가지의 열전대 온도계를 사용하였다.
비금속의 열전도도를 측정하기 위해서는 특별한 주의가 요구되기 때문에 계측선에 의한 전도 열전달, 복사열전달, 미세 잔류가스에 의한 전도 열전달에 의한 열유입을 최소화 시킨 최적화를 수행하여 처음보다 열유입량을 91% 이상 줄였으며, 30 ~ 300K 까지 온도에서 열전도도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 구조적으로 히터를 중심으로 시편이 대칭으로 설치되어 발열량의 손실을 줄여 정확성을 높였으며 두 개의 결과값을 상호 분석함으로써 실험의 신뢰도를 높였다. 개발한 실험 장치를 사용하여 측정한 결과값을 기존의 데이터와 비교하여 오차범위 내에서 일치한 것을 확인하였다.
8은 최적화한 시스템의 형상을 나타낸 것으로 진공펌프로 시스템의 내부를 고진공을 만들어 미세 잔류가스로부터의 열전도를 최소화 시키고 극저온 냉동기를 사용하여 온도를 낮추며 냉동기의 저온냉각부에 부착된 히터를 사용하여 실험장치 전체의 온도를 조절한다. 극저온 냉동기의 저온냉각부에 첫 번째, 두 번째 복사차폐장치 및 시편을 부착, 온도차의 크기를 줄여 복사열전달의 크기를 최소화하였다. Fig.
소형 극저온 냉동기를 흡열원으로 사용하여 넓은 온도 범위에서 열전도도를 측정할 수 있으며 새로 개발된 절연물의 열물성을 간단한 시편 교환으로 짧은 시간 내에 측정할 수 있도록 설계되었다. 또한, 정확한 열전도도의 측정을 위하여 외부에서 측정 시편으로 유입되는 열유입량을 최소화 시킬 수 있도록 최적화 되었다.
비금속의 열전도도를 측정하기 위해서는 특별한 주의가 요구되기 때문에 계측선에 의한 전도 열전달, 복사열전달, 미세 잔류가스에 의한 전도 열전달에 의한 열유입을 최소화 시킨 최적화를 수행하여 처음보다 열유입량을 91% 이상 줄였으며, 30 ~ 300K 까지 온도에서 열전도도를 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다. 구조적으로 히터를 중심으로 시편이 대칭으로 설치되어 발열량의 손실을 줄여 정확성을 높였으며 두 개의 결과값을 상호 분석함으로써 실험의 신뢰도를 높였다.
본 연구에서는 초전도 케이블 시스템을 구성하고 있는 절연물들의 열전도도를 30K부터 상온까지 정확하게 측정하기 위한 시스템을 개발하였다. 소형 극저온 냉동기를 흡열원으로 사용하여 넓은 온도 범위에서 열전도도를 측정할 수 있으며 새로 개발된 절연물의 열물성을 간단한 시편 교환으로 짧은 시간 내에 측정할 수 있도록 설계되었다. 또한, 정확한 열전도도의 측정을 위하여 외부에서 측정 시편으로 유입되는 열유입량을 최소화 시킬 수 있도록 최적화 되었다.
시편을 지지하는 각각의 블록에 교정된 PT센서를 이용, 절대 온도를 측정하여 실험의 온도를 일정하게 유지하고 각 시편의 고온부와 저온부를 열전대 온도계(thermocouple)를 이용하여 전위차를 측정, 전위차를 온도로 환산한다. 각 시편에는 고온부의 절대온도와 고온부와 저온부의 상대온도를 측정할 수 있는 두 가지의 열전대 온도계를 사용하였다.
온도가 일정하게 유지되면 시편사이의 히터에 일정량의 전류를 공급하여 열량을 발생시키고 시편의 온도변화를 열전대 온도계를 사용하여 절대 온도와 상대 온도를 측정하였다. 일정시간이 흐르면 온도가 평행에 이르고 이때의 상대 온도를 측정 계산하여 열전도도를 구하였다.
온도가 일정하게 유지되면 시편사이의 히터에 일정량의 전류를 공급하여 열량을 발생시키고 시편의 온도변화를 열전대 온도계를 사용하여 절대 온도와 상대 온도를 측정하였다. 일정시간이 흐르면 온도가 평행에 이르고 이때의 상대 온도를 측정 계산하여 열전도도를 구하였다. Fig.
69 mW였다. 측정시스템 최적화 시 전도열전달은 길이와 반비례하고 발열량은 길이와 비례하기 때문에 두가지를 같이 고려하였으며 복사 열전달과 잔류가스에 의한 열전달은 MLI 및 중간냉각에 의한 효과를 고려하였다.

성능/효과

구조적으로 히터를 중심으로 시편이 대칭으로 설치되어 발열량의 손실을 줄여 정확성을 높였으며 두 개의 결과값을 상호 분석함으로써 실험의 신뢰도를 높였다. 개발한 실험 장치를 사용하여 측정한 결과값을 기존의 데이터와 비교하여 오차범위 내에서 일치한 것을 확인하였다. 향후 초전도 케이블에 사용되는 절연물의 정확한 열전도도 데이터를 확보할 예정이다.
저온부의 온도가 30K일 때 전도열전달량은 20.55 mW, 복사열전달량은 15.61 mW, 잔류가스에 의한 전도열전달량은 0.86 mW, 계측선의 발열량은 0.67 mW로 총 열유입량은 37.69 mW였다. 측정시스템 최적화 시 전도열전달은 길이와 반비례하고 발열량은 길이와 비례하기 때문에 두가지를 같이 고려하였으며 복사 열전달과 잔류가스에 의한 열전달은 MLI 및 중간냉각에 의한 효과를 고려하였다.
7은 실험장치를 최적화하고 극저온 냉동기를 이용하여 60K로 중간냉각한 후 시편의 온도에 따른 열유입량을 나타낸 것이다. 최적화 후에는 전도열전달과 발열, 복사열전달 및 잔류가스에 의한 전도열전달이 각각 84.2%, 99.7%, 95.6% 감소하였으며 최적화 전의 유입량은 37.89 mW에서 최적화 후에는 3.44 mW로 줄었다.
실험 장치는 균일한 온도분포를 만들기 위한 구리블록이 극저온 냉동기의 냉동부에 열적으로 연결되어 있고 두 개의 구리블록 사이에 시편이 위치하고 시편의 중앙에 일정한 열량을 발생할 수 있는 히터가 설치되어 있다. 히터를 중앙에 두고 두 개의 시편이 대칭을 이루고 있어 히터가 외부로 노출 부분이 없기 때문에 시편 한쪽에 히터를 사용할 때보다 외부로의 열손실을 최소화하여 시편으로의 열전달량의 정확성을 높였다. 또한 두 개의 시편으로 실험을 하여 한 번의 실험으로 두 가지의 결과값을 얻을 수 있으며 두 가지의 결과값을 비교분석 할 수 있어 실험의 신뢰도를 높일 수 있다.

후속연구

개발한 실험 장치를 사용하여 측정한 결과값을 기존의 데이터와 비교하여 오차범위 내에서 일치한 것을 확인하였다. 향후 초전도 케이블에 사용되는 절연물의 정확한 열전도도 데이터를 확보할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체질소 온도부근에서 작동하는 고온초전도 케이블 시스템을 개발하기 위해서는 무엇이 필요한가?	액체질소 온도부근에서 작동하는 고온초전도 케이블 시스템을 개발하기 위해서는 고온초전도 케이블 시스템에 사용되는 극저온 절연재료의 정확한 열물성 자료가 필요하다. 금속재료와 달리, 비금속 계열의 재료는 열저항이 크기 때문에 정확한 열 유입량을 측정하기 위해서는 특별한 주의가 요구된다.
	온도제어 및 측정을 위한 히터 및 온도센서가 있고 이를 제어하고 측정할 수 있는 계측선은 무엇으로 이루어져있는가?	실험 장치 내에는 온도제어 및 측정을 위한 히터 및 온도센서가 있고 이를 제어하고 측정할 수 있는 계측선이 필요하다. 이 계측선은 망가닌 (Manganin)과 구리로 이루어져 있고 계측선의 지름이 작지만 고온부와 저온부의 온도차이가 매우 크기 때문에 유입되는 열유입량의 크기를 간과할 수 없다. 계측선을 통한 열유입량(Qk)을 계산 하는 식은 다음과 같다.
	비금속 계열의 재료이 특별한 주의가 필요한 이유는 무엇인가?	액체질소 온도부근에서 작동하는 고온초전도 케이블 시스템을 개발하기 위해서는 고온초전도 케이블 시스템에 사용되는 극저온 절연재료의 정확한 열물성 자료가 필요하다. 금속재료와 달리, 비금속 계열의 재료는 열저항이 크기 때문에 정확한 열 유입량을 측정하기 위해서는 특별한 주의가 요구된다. 본 연구에서는 극저온 냉동기를 이용하여 30K 부터 상온 사이에서 절연재료의 열전도도를 정확하게 측정할 수 있는 시스템을 개발하였다.

참고문헌 (7)

Hofmann, A., 2006, "The Thermal Conductivity of

상세보기
Rondeaux, F., Bredy, Ph. and Rey, J. M., 2002,
Tsai, C. L., Weinstock, H. and Overton W. C. Jr,

상세보기
Broggi, F. and Rosssi, L., "Test of an Apparatus for
Incropera, F. P. and DeWitt, D. P., "Fundamentals
White, G. K., 1979, "Experimental Techniques in
URL : http://www.cryogenics.nist.gov

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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