미세혈관 문합 후 순환계 질환 개선을 위한 원적외선 치료기의 열적 특성 평가 Evaluation of Thermal Properties for the Far Infrared Therapy After Microvascular Anastomosis for the Treatment of Circulatory Diseases원문보기
혈액순환촉진, 심혈관계치료, 피부질환, 암세포억제 등의 의료분야에 원적외선 치료법이 광범위하게 활용되고 있다. 본 연구에서는 원적외선 치료에 효과적인 패널형 방사체의 발열부에 대한 열적 특성을 실험적으로 분석하였다. 발열선은 정상상태에서 절연피복에 $150mW/m^2$의 열유속으로 열에너지를 공급하여 절연피복은 발열선 온도의 20%에 도달하였다. 단열막 사용은 약 20%의 발열판 표면온도 증가효과가 있었으며 열시상수를 상승시켜 혈액순환촉진에 크게 기여하는 것으로 나타났다. 발열선의 배치간격이 발열부 설계에 중요한 인자이며 열확산의 중첩을 위해 발열판의 열전도계수와 밀도를 고려해야함을 알 수 있었다.
혈액순환촉진, 심혈관계치료, 피부질환, 암세포억제 등의 의료분야에 원적외선 치료법이 광범위하게 활용되고 있다. 본 연구에서는 원적외선 치료에 효과적인 패널형 방사체의 발열부에 대한 열적 특성을 실험적으로 분석하였다. 발열선은 정상상태에서 절연피복에 $150mW/m^2$의 열유속으로 열에너지를 공급하여 절연피복은 발열선 온도의 20%에 도달하였다. 단열막 사용은 약 20%의 발열판 표면온도 증가효과가 있었으며 열시상수를 상승시켜 혈액순환촉진에 크게 기여하는 것으로 나타났다. 발열선의 배치간격이 발열부 설계에 중요한 인자이며 열확산의 중첩을 위해 발열판의 열전도계수와 밀도를 고려해야함을 알 수 있었다.
Far-infrared radiation therapies are becoming more popular for blood circulation disorders, cardiovascular disease, skin diseases, inhibit cancer cell, etc replacing conventional operations. In this research, thermal characteristics of heating part in panel radiators, which is effective on the blood...
Far-infrared radiation therapies are becoming more popular for blood circulation disorders, cardiovascular disease, skin diseases, inhibit cancer cell, etc replacing conventional operations. In this research, thermal characteristics of heating part in panel radiators, which is effective on the blood circulation disorders were experimentally analyzed. The heating line supplies heat energy to insulation coatings with heat flux of $150mW/m^2$ in normal status and as a result the coatings reached 20% of the heating line temperature. In other words, the insulation itself could increase surface temperature of heating plates by 20% and raise thermal time constant promote blood circulation effect. We also found that space arrangement of the heating lines was an important factor in designing heating parts and both coefficient of heat conduction and density of the heating plate should be also considered for superimpose of thermal diffusion.
Far-infrared radiation therapies are becoming more popular for blood circulation disorders, cardiovascular disease, skin diseases, inhibit cancer cell, etc replacing conventional operations. In this research, thermal characteristics of heating part in panel radiators, which is effective on the blood circulation disorders were experimentally analyzed. The heating line supplies heat energy to insulation coatings with heat flux of $150mW/m^2$ in normal status and as a result the coatings reached 20% of the heating line temperature. In other words, the insulation itself could increase surface temperature of heating plates by 20% and raise thermal time constant promote blood circulation effect. We also found that space arrangement of the heating lines was an important factor in designing heating parts and both coefficient of heat conduction and density of the heating plate should be also considered for superimpose of thermal diffusion.
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문제 정의
방사면의 균일한 온도분포, 표면적의 극대화, 방사량 증가 등의 측면에서 매우 효율적이기 때문이다.(10~13) 따라서 본 연구에서는 원적외선 방사체 제작의 초기단계에서 면상발열체의 발열부를 구성하는 발열판, 열선, 단열재 간의 설계조건에 따른 열전달 특성을 평가하였다. 방사면의 균일한 온도분포는 열선의 온도뿐만 아니라 열선의 배치, 단열재와 발열판의 재질특성에 의존하고 있다.
따라서 몇 개의 경계조건을 이용하여 열확산방정식의 해를 구하는 해석적 방법보다는 유한차분법에 의해 해를 구하는 방법이 적절하다. 그러나 본 연구는 열확산 방정식의 정확한 해를 구하는 것이 목적이 아니므로 열원으로부터 발생한 열에너지를 각 구성요소에 신속하게 전달하여 균일한 온도분포를 갖는 발열판의 제조에 필요한 파라미터를 구하는 것으로 연구목적을 설정하였다. 이를 위하여 각 구성요소의 과도온도특성을 직접 측정하고 측정데이터를 모델링해서 해를 구한 후 구성요소간의 열전달을 지배하는 실험적 파라미터를 도출하는 방법을 택하였다.
또한 니크롬선 등의 발열선은 단락방지를 위해 발열선의 표면에 충분한 두께의 전기부도체로 완전절연되기 때문에 열전도특성이 낮아져 발열효율이 저하되고, 그로 인해 발열선의 국부영역만 발열되는 구조로 인해 온도분포가 불균일한 경향이 있다. 그러므로 본 연구를 통해 발열부의 각 구성요소들의 온도특성을 고찰하고 구성요소간 열전달을 지배하는 인자를 도출하였다. 특히 재질특성과의 상호관계를 규명하기 위해 원적외선 치료기의 방사체를 제작한 후 원적외선 치료기 발열선 절연피복의 온도특성을 분석하고 해당 온도데이터를 상세히 분석하였다.
특히 재질특성과의 상호관계를 규명하기 위해 원적외선 치료기의 방사체를 제작한 후 원적외선 치료기 발열선 절연피복의 온도특성을 분석하고 해당 온도데이터를 상세히 분석하였다. 또한 원적외선 치료기 발열판의 단열재 여부에 따른 표면온도특성을 평가하고 향후 원적외선 치료기에 적합한 모델을 예측하였다.
본 연구에서는 각종 의료분야에서 널리 활용되는 원적외선 치료기의 패널형 방사체의 발열부에 대한 열적특성을 실험적으로 분석하였다. 그리고 다음과 같은 기술적 결론을 유도할 수 있었다.
제안 방법
이를 위하여 각 구성요소의 과도온도특성을 직접 측정하고 측정데이터를 모델링해서 해를 구한 후 구성요소간의 열전달을 지배하는 실험적 파라미터를 도출하는 방법을 택하였다. 또한 열확산 방정식을 이용하여 도출된 파라미터의 물리적 의미를 고찰하였다. 과도열전도 문제는 아래의 열확산방정식에 의해 기술된다.
상기 모든 경우에 대하여 통전 전후 시변 온도측정을 수행하였으며 통전시간은 실험의 종류에 따라 상이하게 설정하였다. 발열선과 실리콘 표면온도측정은 단열재를 제거한 후 발열선상 임의의 지점에 온도센서를 부착하여 수행하였다. 발열판의 온도측정을 위해서는 발열판 중앙부에 Fig.
발열선과 실리콘 피복에는 무한원통좌표계(r, Φ, z)를 적용하였다.
① 발열선 표면온도 측정, ② 실리콘 표면온도 측정, ③ 단열재가 없는 경우 발열판 표면온도 측정, ④ 단열재가 있는 경우 발열판 표면온도 측정. 상기 모든 경우에 대하여 통전 전후 시변 온도측정을 수행하였으며 통전시간은 실험의 종류에 따라 상이하게 설정하였다. 발열선과 실리콘 표면온도측정은 단열재를 제거한 후 발열선상 임의의 지점에 온도센서를 부착하여 수행하였다.
메쉬의 각 행과 열에 번호를 부여하고 행과 열의 교차점을 온도측정 위치로 정하였을 때 각 점의 온도는 T(i, j) (i=0~20, j=0~20)로 나타낼 수 있다. 온도 측정은 행 방향 후 열 방향으로 3초 간격으로 T(0,0)에서부터 T(21,21)까지 순서적으로 수행되었다.
온도조절기는 220V 사용전압 하에 작동되며 발열판에 최대 50°C의 온도를 인가하도록 설계하였다.
온도조절기는 220V 사용전압 하에 작동되며 발열판에 최대 50°C의 온도를 인가하도록 설계하였다. 온도측정은 온도기록장치(thermometer datalogger, EXTECH Instrument, EasyViewTM, EA15)를 사용하였으며 매초마다 저장된 온도데이터는 OriginPro8로 처리하여 그래프화하였다. 온도측정실험은 아래와 같이 네 가지 경우로 구분하여 수행되었다.
그러나 본 연구는 열확산 방정식의 정확한 해를 구하는 것이 목적이 아니므로 열원으로부터 발생한 열에너지를 각 구성요소에 신속하게 전달하여 균일한 온도분포를 갖는 발열판의 제조에 필요한 파라미터를 구하는 것으로 연구목적을 설정하였다. 이를 위하여 각 구성요소의 과도온도특성을 직접 측정하고 측정데이터를 모델링해서 해를 구한 후 구성요소간의 열전달을 지배하는 실험적 파라미터를 도출하는 방법을 택하였다. 또한 열확산 방정식을 이용하여 도출된 파라미터의 물리적 의미를 고찰하였다.
그러므로 본 연구를 통해 발열부의 각 구성요소들의 온도특성을 고찰하고 구성요소간 열전달을 지배하는 인자를 도출하였다. 특히 재질특성과의 상호관계를 규명하기 위해 원적외선 치료기의 방사체를 제작한 후 원적외선 치료기 발열선 절연피복의 온도특성을 분석하고 해당 온도데이터를 상세히 분석하였다. 또한 원적외선 치료기 발열판의 단열재 여부에 따른 표면온도특성을 평가하고 향후 원적외선 치료기에 적합한 모델을 예측하였다.
대상 데이터
방사체는 850× 850cm2 크기의 발열판과 단열재가 맞물려 있는 구조이다. 열원인 발열선은 절연을 위해 두께 2mm의 실리콘 외피로 피복하였고 발열판 뒷면에 80mm간격 10줄로 배치하였다. 온도조절기는 220V 사용전압 하에 작동되며 발열판에 최대 50°C의 온도를 인가하도록 설계하였다.
성능/효과
(2) 단열재 사용은 약 20%의 발열판 표면온도 증가효과가 있었으며 열시상수를 상승시켜 통전중단 시에도 보온효과에 기여하는 것으로 나타났다.
(3) 발열선의 배치간격이 발열부 설계에 중요한 인자임을 알 수 있었고 열확산의 중첩을 위해 발열판의 열전도계수와 밀도를 고려해야함을 알 수 있었다. 이상과 같은 기술적 결론을 바탕으로 의료용 원적외선 치료기의 개선을 추진할 수 있었다.
(1) 각 구성요소간 열전달은 열시상수(τ)에 의해 결정되었다. 그 결과 발열선은 정상상태에서 절연피복에 150 mW/m2의 열유속으로 열에너지를 공급하며 절연피복은 발열선 온도의 20%에 도달하는 것으로 나타났다.
0mm일 때 정상상태의 열유속은 150mW/m2이다. 그러므로 발열선은 정상상태의 절연피복에 150mW/m2의 열유속으로 열에너지를 공급하며 절연피복의 정상상태 온도는 발열선 정상상태 온도의 20%에 도달하는 것을 알 수 있다. 식 (3)의 해 T(r= L,t) 에 대한 실험데이터를 고찰하기 위하여 Fig.
그러므로 단열재의 사용이 통전 중단 시에도 발열판의 냉각속도를 저해하는 보온효과로 작용하는 것을 알 수 있다. 발열부의 구성요소를 열시상수의 관점에서 나타낸 Fig. 6과 같이 발열선과 단열재를 사용한 발열판의 열시상수는 가열 시 약 71초, 냉각 시 약 60초의 차이를 나타내며 열전달속도를 감소시키는 결과가 도출되었다. 이 차이는 발열선의 열시상수 보다 약 7배 큰 값이다.
온도상승의 경우, 단열재 열시상수(τ)=82초, 비단열재 열시상수(τ)=79.4초로 나타나 단열재 사용여부가 승온속도에는 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
(3) 발열선의 배치간격이 발열부 설계에 중요한 인자임을 알 수 있었고 열확산의 중첩을 위해 발열판의 열전도계수와 밀도를 고려해야함을 알 수 있었다. 이상과 같은 기술적 결론을 바탕으로 의료용 원적외선 치료기의 개선을 추진할 수 있었다.
후속연구
발열부 설계에 각 구성요소의 체적열용량이 큰 재질을 사용하면 열전달 효율을 높일 수 있다. 또한 열전도율이 낮은 단열재를 사용하여 통전 중단시 보온효과를 증대하도록 설계할 수 있을 것이다. Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
간단한 치료법으로 원적외선 치료법은 어떻게 활용 되는가?
최근 혈액순환촉진, 심혈관계 질환치료, 피부질환, 암세포억제 등의 의료분야에 원적외선 치료법이 광범위하게 활용되고 있다.(1~8) 간단한 치료법으로는 건열 혹은 습열을 적용하여 부분적인 감염, 근육이완, 통증완화, 순환증진을 위해 적용된다.(9) 이와 같이 의료분야에 광범위하게 적용되고 있는 원적외선은 가시광선보다 긴 파장으로 열작용을 가지는 복사선을 말하며 이 중 파장이 8~14μm인 원적외선은 인체에 조사할 경우 열에너지에 의해 피하조직까지 온도가 상승하여 모세혈관이 확장되고 혈액순환이 활성화되면서 신진대사의 촉진, 통증완화, 자율신경계의 균형 촉진 등의 생리적 효과를 가지게 된다.
방사체를 가열하기 위해 주로 니크롬재질의 열선을 사용하는 이유는?
원적외선의 핵심요소인 방사체를 가열하기 위해서는 주로 니크롬 재질의 열선을 사용한다. 통전으로 발열된 열선의 열에너지가 방사체에 전달되면 방사체표면에서 원적외선이 방사되는 원리이다. 따라서 발열체의 재질과 종류에 적합한 열선을 효과적으로 배치해야 열효율이 높은 원적외선 치료기를 제작할 수 있다.
원적외선에서 방사체를 가열하기 위해 주로 무엇을 사용 하는가?
(9) 이와 같이 의료분야에 광범위하게 적용되고 있는 원적외선은 가시광선보다 긴 파장으로 열작용을 가지는 복사선을 말하며 이 중 파장이 8~14μm인 원적외선은 인체에 조사할 경우 열에너지에 의해 피하조직까지 온도가 상승하여 모세혈관이 확장되고 혈액순환이 활성화되면서 신진대사의 촉진, 통증완화, 자율신경계의 균형 촉진 등의 생리적 효과를 가지게 된다. 원적외선의 핵심요소인 방사체를 가열하기 위해서는 주로 니크롬 재질의 열선을 사용한다. 통전으로 발열된 열선의 열에너지가 방사체에 전달되면 방사체표면에서 원적외선이 방사되는 원리이다.
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