열전도율

전자부품
1. 온도 및 열 관련
  1. 열관련
    1. 방열
    2. 단열
      1. 열전도율 - 이 페이지
열전도율 Thermal conductivity
1. SI 단위는 watts per metre-kelvin(W/mK)이다.
  1. imperial unit로는 BTU per foot per hour per degree Fahrenheit (BTU /h ft F = 1.728 W/mK)
  2. heat flux(W/m^2) 는 열전도율, 온도차에 비례하고 단열체 두께에 반비례한다.
2. 위키페디아 https://en.wikipedia.org/wiki/Thermal_conductivity
  1. 각종 열전도율 리스트 https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_thermal_conductivities
    1. 주요 재료
      1. Aluminium 237
      2. Alumina 30
      3. Copper(pure) 401
      4. Fiberglass or foam-glass 0.045
      5. Polyurethane foam 0.03
      6. Expanded polystyrene 0.033-0.046
      7. Water 0.5918
      8. Silica aerogel 0.02
      9. Teflon 0.250
    2. 서멀 그리스 및 서멀 패드 - 열전도율이 썩 훌륭하지 않다. 그러므로 공기층을 제거하는 것이 사용 목적이다. 두께를 매우 얇게해야 효과가 있다.
      1. Thermal grease: 0.4~3.0
      2. Thermal tape: 0.60
    3. 공기 또는 진공에서
      1. 전형적인 공기(6월달 북위 30도에서) 해수면, 31도씨에서 0.027
      2. 표준 공기에서
        
        27'C 0.026
        127'C 0.033
        227'C 0.0395
        727'C 0.0672
        927'C 0.0759
        1127'C 0.0835
        1227'C 0.0870
      3. 1cm 두께에서
        
        대기압, 27'C에서 0.0260
        0.001기압 27'C에서 0.0254
        0.0001기압 27'C에서 0.0212
        10^-5기압 27'C에서 0.0080
        10^-6기압 27'C에서 0.0011
        10^-7기압 27'C에서 0.000115
      4. 1mm 두께에서
        
        대기압, 27'C에서 0.0260
        0.001기압 27'C에서 0.0212
        0.0001기압 27'C에서 0.0080
        10^-5기압 27'C에서 0.00111
        10^-6기압 27'C에서 0.000115
        10^-7기압 27'C에서 0.0000116
3. 상식
  1. 보통의 기체 상태에서는 전도;conduction에 비해 이류;advection(대류;convection 또는 와류;turbulence)이 지배적이다.
  2. thermal insulance(단열성능) 은 단열체 두께에 비례하고, 열전도율에 반비례한다. 그러므로 두께가 일정하다면 오직 열전도율에 의존한다.
    1. thermal insulance = L/k [Km^2/W]
  3. 열 이방성
    1. 모든 방향에서 고온과 접한다면 열 비방성을 고려하지 않는다.
  4. 기체 상태일 때
    1. 대류가 없으면 기체는 좋은 절연체이다. 대류를 방해하는 에어포켓 구조이면 훌륭하다. 대표적인 예가 스티로폼,에어로겔등이다.
    2. 저밀도 가스는 열전도성이 좋다. 상대적으로 고밀도 가스는 열전도율이 낮다. 공기보다 밀도가 높은 아르곤과 크립톤 가스는 이중창에 주입할 수 있다.
    3. Knudsen number(크누센 수)로 판단하는데, 가능한 높을수록 낮은 열전도율을 보인다.
      1. Kn=L/d (L: mean free path of gas molecules, d:typical gap size of the space filled by the gas)
      2. L은 뜨거울수록 값이 작아진다. 그러므로 뜨거울수록 열전달이 잘된다.
      3. d가 작을수록 Kn이 커지므로 단열효과가 커진다. 즉, 기포크기를 작게할수록 단열효과는 좋아진다.
의견
1. 측정기 상자 형태: 머플 타입 벨트 전기로 내부 높이 때문에 벨트 위에 올려놓을 수 있는 장치 높이는 10cm로 제한을 받는다.
  1. 10cm 정육면체로 만든다. 어차피 같은 10cm 두께로 넓게 만들면 열전달면적이 커지기 때문이다.
2. 복사열 문제; Transmittance, effectiveness in transmitting radiant energy
  1. 낮은 온도에서는 복사열이 매우 미비하다.
  2. 1000'C에서는 복사열이 상대적으로 열전달에 많은 영향을 미친다면, 단열재 안쪽에서 거울이 위치해, 단열재를 뚫고 들어오는 복사열을 반사시켜야 한다.
  3. 스테인리스가 1000'C로 달궈졌을 때 방출하는 복사 파장이 선택한 단열재를 얼마큼 통과하느냐를 알아야 한다.
3. 상변화물질(Phase Change Material;PCM)로 회로 냉각
  1. 위키페디아 https://en.wikipedia.org/wiki/Phase-change_material
  2. 인듐 금속의 녹는점은 156.5'C이다.
    1. 융해열(Heat of fusion, enthalpy of melting): 3.281 kJ/mol, 몰질량: 114.8g/mol
    2. 그러므로, 인듐 115g을 사용하여 인듐을 녹이려면 약 3kJ 에너지가 소요된다.
    3. 저온 솔더링 금속 재료의 융해열도 비슷하다.
  3. 파라핀 왁스(C25H52)의 합리적인 온도에서 융해열은 200~220J/g이다. (참고로 물은 333.55J/g)
    1. 참고: 자동차 라디에이터용 써모스탯에 사용되는 파라핀왁스
4. 측정 회로에 전달되는 에너지
  1. 에너지(J) = 열량(W)x시간(s) = 열전도율x면적x온도차/단열두께 x 시간
    1. 열전도율: 잘라붙이지 않고, 몰드 타입으로 6면 상자에서 5면을 일체형으로 성형시킨 만든에어로겔상자의 열전도율을 0.02 로 가정한다.
    2. 면적: 10cm 정육면 모든 방향에서 열전달이 되므로, 면적이 2배 증가된다고 가정하자.(그러면 2 x 10cm^2)
    3. 온도차: 1000도씨 상수 (벨트전기로 운영 최고온도)
    4. 단열두께: 4cm로 상수(측정회로 장치 두께는 고려하지 않고, 상변화물질로만 두께 1cm 채운다고 하자. 여기서는 일단, 상변화물질 총 무게는 계산하지 않았다.)
    5. 시간: 10시간으로 상수 (약 2시간 정도만 피크온도인 1000도씨를 유지하지만, 안전도를 고려하여 총 10시간동안 1000도를 유지한다고 가정한다.)
  2. 계산 결과: 측정회로에 전달되는 에너지는 360kJ이다.
    1. 단열재를 뚫고 나가는 에너지는 인듐 115g의 융해열의 100배이다.
    2. 그러므로 열전도율을 1/100로 줄여야 한다. 0.02에서 0.0002로.
    3. 방법은 진공을 유지하는 것 뿐이다.
5. 온도 측정 회로
  1. 상변화물질을 많이 넣을수록 유리하므로, 회로는 최소부피로 설계해야 한다.
  2. TC 센서로 온도를 측정한다.
    1. 열전달을 최소하기 위해 해당 온도에 견디는(몇 회 사용할 것인가에 따라) 가장 가는 굵기의 TC를 사용한다.
    2. cold juction 온도도 100'C까지 상승할 수 있는 조건에서 설계, 프로그래밍한다.
    3. 정확한 온도측정을 보장하기 위해서는, 측정회로 전체를 상온~100'C 사용온도범위에서 온도계수를 측정한 후 프로그램밍하여 보상한다.
      1. 참고: 저항온도계수
  3. 내장배터리는 1차-BR 배터리를 사용한다.
  4. Flash Memory에 온도와 관련된 측정 데이터를 저장하고 적절한 방법으로 외부에서 판독한다.