써모파일 와이어, 권취 지지체 및 열전기 발전기의 제조를 위한 방법과 기계 {THERMOPILE WIRE, WINDING SUPPORT AND METHOD AND MACHINE FOR THE PRODUCTION OF A THERMOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 써모파일 와이어(thermopile wire) 및 써모파일 와이어용 권취 지지체(winding support)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 써모파일 와이어를 구비하는 열전기 발전기(thermoelectric generator)의 제조를 위한 방법 및 기계에 관한 것이다.
독일 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에는 연속적으로 이어진 다수의 열전쌍(thermocouple)들이 직렬로 연결되어 형성되며 열전기 발전기("thermoconverter"라고도 함)의 제조에 사용될 수 있는 써모파일 와이어가 기재되어 있다. 써모파일 와이어는 권취 지지체 위에 감기며 서로 반대편에 각각 온(hot) 연결 점들과 냉(cold) 연결 점들이 위치한다. 권취 지지체의 반대편 사이에 온도차가 발생하는 경우에, 권취된 써모파일 와이어는 이에 대응하여 열전기 전압을 발생시킨다. 권취 지지체가 써모파일 와이어로 감겨서 다수의 권취층이 형성되는 경우에, 하나의 권취 층으로부터 다음 권취 층으로 바뀌면서 유효 권취 경계(perimeter)가 변한다는 문제가 발생한다. 개별 열전쌍이 써모파일 와이어 내에서 동일한 길이를 갖는 경우에, 개별 권취 층에서 써모파일 와이어의 온 연결 점들과 냉 연결 점들이 미리 설정된 위치에 대하여 일측으로 치우치는 상황이 교대로 발생한다. 그러나, 온 연결 점들과 냉 연결 점들이 정확하게 서로 반대편에 위치하도록 정렬되는 것이 바람직하다. 선행 문헌으로는 US 3 357 866 A, US 3 700 503 A, DD 103 763 A1, US 3 150 844 A, GB 819 273 A, DE 195 29 725 A1, DE 43 35 089 A1, DE 17 74 229 B2, DE 34 20 294 A1가 더 있다. 그러나, 이들 선행 문헌들은 써모파일 와이어의 단일 층을 갖는 열전기 발전기에 관한 것으로서, 써모파일 와이어의 권취 직경이 일정하다. 또한, 이들 선행 문헌들의 어디에도 개별 열전쌍 또는 열전쌍 다리의 길이에 대한 조절은 기재되어 있지 않다.
본 발명의 과제는 연속된 권취 층에서 써모파일 와이어의 온 연결 점들과 냉 연결 점들이 부정확하게 위치하는 문제를 해결하는 것이다. 상기 과제는 본 발명에 따른 써모파일 와이어와 대응하는 권취 지지체 및 독립항에 따른 열전기 발전기의 제조를 위한 방법 및 기계에 의해 해결된다. 먼저, 본 발명은 예를 들어 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 기재된 바와 같은 종래의 써모파일 와이어에 대응하는 써모파일 와이어에 관한 것이다. 반복된 설명을 피하기 위하여, 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 구조 및 제조와 관련하여 도면부호가 사용되며, 상기 특허문헌의 관련된 내용은 본원에 포함된다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어는 개별 열전쌍의 길이 및/또는 개별 열전쌍 다리의 길이는 써모파일 와이어를 따라서 일정하지 않다는 점에서 위에서 언급한 종래의 써모파일 와이어와 구별된다. 개별 열전쌍의 길이 및/또는 개별 열전쌍 다리의 길이는 써모파일 와이어를 따라서 단조증가 또는 단조감소할 수 있다. 이와 같은 개별 열전쌍의 길이 및/또는 개별 열전쌍 다리의 길이 변화는, 하나의 권취 층에서 다음 권취 층으로 바뀌면서 유효 권취 직경이 변경되더라도 권취 상태에서 온 및 냉 연결 점들이 의도한 위치에 정확하게 정렬되는 것을 가능하게 한다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 한 예에서는, 연속적으로 직접 연결된 모든 열전쌍 및/또는 열전쌍 다리 각각이 다른 길이를 갖는다. 이는 각 열전쌍 또는 각 열전쌍 다리가 바로 앞의 것에 대하여 다른 길이를 갖는다는 것을 의미한다. 이러한 예는 권취 지지체 상에서 다음에 다른 권취부가 형성되지 않아서 각 권취부가 새로운 권취 층을 형성하는 경우에 특히 적합하다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 다른 예에서는, n번째 열전쌍에서만 연속적으로 직접 연결된 열전쌍 및/또는 열전쌍 다리가 다른 길이를 가지며 다른 부분에서는 동일한 길이를 갖는다. 그에 따라, 열전쌍들은 연속된 그룹으로 나누어지며, 각 개별 그룹 내의 열전쌍 및/또는 열전쌍 다리는 동일한 길이를 가지며, 연속된 그룹에서 열전쌍 및/또는 열전쌍 다리는 다른 길이를 갖는다. 이러한 예는 본 발명에 따른 써모파일 와이어가 권취 지지체 상에 감겨서 다수의 권취부가 형성되어 n번째 권취부에서만 유효 권취 경계가 변경되는 경우에 특히 적합하다. 연속된 열전쌍 사이의 길이 차이는 하나의 권취 층에서 다음 권취 층으로 유효 권취 경계의 변경을 보상하기 위하여 써모파일 와이어의 경계와 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 또한, 본 발명은 예를 들어 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 기재된 바와 같은 종래의 써모파일 와이어로 권취하기 위한 권취 지지체에 관한 것이다. 써모파일 와이어로 주어진 권취 경계를 갖는 권취 영역을 구비하는 본 발명에 따른 권취 지지체를 권취하기 위하여, 권취 경계는 써모파일 와이어 내의 개별 열전쌍의 길이에 맞게 조절되어서, 열전기 발전기를 형성하기 위하여 권취 상태에서 열전쌍들의 온 연결 점들과 열전쌍들의 냉 연결 점들은 서로 권취 지지체의 반대편에 위치한다. 그러나 이 경우에 하나의 권취 층으로부터 다음의 권취 층으로 바뀌면서 유효 권취 영역의 경계가 증가하므로, 온 및 냉 연결 점들의 위치가 약간 부정확해진다는 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 권취 지지체는 권취 영역에 부가적으로 써모파일 와이어의 적어도 하나의 보상 권취부가 수용되는 보상 영역을 구비한다. 보상 영역은 권취 영역과는 다른 권취 경계를 갖는다. 예를 들어, 보상 영역은 권취 영역보다 작은 권취 경계를 가짐으로써, 온 및 냉 연결 점들은 정확하게 위치할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 보상 영역은 권취 영역의 한 끝단 또는 양 끝단에 위치하는 고리형 홈을 구비하여, 하나 이상의 보상 권취부를 수용할 수 있다. 권취 지지체는 종래의 기술에서 알려진 것과 같은 원통형일 필요는 없다. 본 발명의 범위에서 권취 지지체의 형상은 다른 것일 수 있다. 예를 들어, 권취 몸체는 타원형, 직사각형 또는 정사각형의 권취 단면을 가질 수 있다. 또한, 본 발명은 위에서 설명된 본 발명에 따른 써모파일 와이어와 위에서 설명된 본 발명에 따른 권취 지지체에 관한 것일 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 써모파일 와이어와 본 발명에 따른 권취 지지체를 구비하는 열전기 발전기에 관한 것이기도 하다. 또한, 본 발명은 각각이 두 개의 열전쌍 다리를 구비하며 온 연결 점과 냉 연결 점을 제공하는 이어진 다수의 열전쌍을 포함하는 써모파일 와이어가 마련된 열전기 발전기를 위한 제조 방법에 관한 것이다. 써모파일 와이어는 예를 들면 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 기재된 것과 같은 종래의 써모파일 와이어일 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 제조 방법은 상기 설명된 바와 같이 써모파일 와이어를 따라서 개별 열전쌍 또는 열전상 다리의 길이가 단조증가 또는 단조감소하는 본 발명에 따른 써모파일 와이어에 기반한다. 또한, 본 발명에 따른 제조 방법에서는 써모파일 와이어가 권취 지지체에 종래의 방법으로 권취되어 온 연결 점과 냉 연결 점이 권취 지지체의 반대편에 위치한다. 써모파일 와이어를 권취 지지체에 권취하는 것은 앞서서 언급한 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 설명되어 있으며, 그 내용은 본원에 포함된다. 본 발명에 따른 제조 방법에서는 추가적으로 써모파일 와이어의 열전쌍에 마련된 온 여결 점 및/또는 냉 연결 점의 실제 위치가 제조 과정에서 예를 들어 광 센서에 의해 검출된다. 본 발명에 따른 제조 방법의 범위 내에서, 연결 점들의 결정된 실제 위치와 연결 점들의 희망 위치 사이의 희망-실제 편차가 결정된다. 결정된 희망-실제 편차에 다라서 써모파일 와이어는 권취 지지체에 권취되기 전 및/또는 권취되는 동안 길이방향을 따라 신장되어서, 권취 상태에서 온 연결 점들과 냉 연결 점들이 권취 지지체의 반대편에서 원하는 위치에 가능한한 정확하게 위치한다. 본 발명에 따른 제조 방법의 유리한 특징은 예를 들어 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 기재된 바와 같이 써모파일 와이어의 연속 제조가 가능하다는 것이며, 그 내용은 본원에 포함된다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 제조 과정에서 준무한(quasi-endless) 지지 요소(예를 들면, 와이어)가 권취 몸체로부터 풀려서, 다른 길이의 개별 열전쌍을 제조하기 위하여 풀린 상태로 코팅될 수 있다. 이와 같은 방법으로 제조된 써모파일 와이어는 권취 몸체에 권취되어 권취 상태로 이송되어 저장될 수 있다. 또한, 이와 같은 방법으로 제조된 써모파일 와이어는 다수의 써모파일 와이어로 분리되고, 분리된 써모파일 와이어 각각은 권취 몸체에 개별적으로 권취될 수 있다. 본 발명에 따른 서모파일 와이어를 다수의 써모파일 와이어로 분리하는 경우에, 관련된 제조 라인에서 각각의 이행이 기록되기에 용이하다. 또한, 써모파일 와이어의 위치 기록은 온 및 냉 연결 점들을 정확하게 위치시키는 것이 중요하므로 제조 라인에서 새로운 귄취 몸체가 새로운 써모파일 와이어로 권취될 때 유용하다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 개별 열전쌍의 길이의 구조적 변화는 온 및 냉 연결 점들의 위치에 대한 개략적인 정정을 제공하며, 써모파일 와이어의 신장은 정교한 정정을 제공한다. 마지막으로, 또한 본 발명은 상기 설명된 방법을 수행하기 위한 기계에 관한 것이다. 본 발명에 따른 다른 유리한 진전들은 종속항에서 규정되거나 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하는 아래의 상세한 설명에서 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 일부를 보여주는 측면도이다. 도 2A는 열전기 발전기의 평면도이다. 도 2B는 도 2A에 도시된 열전기 발전기의 사시도이다. 도 3A는 써모파일 와이어를 따라 개별 열전쌍의 길이 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3B는 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 다른 실시예에 대한 길이 변화 그래프이다. 도 4는 열전기 발전기의 제조를 위한 본 발명에 따른 기계의 개략도이다. 도 5는 본 발명에 따른 제조 방법을 도시한 순서도이다. 도 6A는 본 발명에 따른 권취 지지체를 도시한 측면도이다. 도 6B는 도 6A에 도시된 권취 지지체에 써모파일 와이어에 의해 2개의 권취 층이 형성된 상태를 도시한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 써모파일 와이어(1)의 일부를 보여준다. 써모파일 와이어(1)는 하나 뒤에 다른 하나가 위치하며 전기적으로 직렬로 연결된 다수의 열전 쌍(2, 3, 4)을 구비한다. 개별 열전쌍(2, 3, 4)은 각각 2개의 열전쌍 다리(2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2)를 구비한다. 개별 열전쌍 다리(2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2)는 옆에 온 연결 점(5)과 냉 연결 점(6)이 위치하도록 서로 연결된다. 써모파일 와이어(1)로부터 열전기 발전기를 제조하는 과정에서, 온 연결 점(5)은 냉 연결 점(6) 보다 높은 온도를 갖게 되며, 써모파일 와이어(1)는 대응하는 열전기 전압을 생산한다. 써모파일 와이어(1)의 상세한 구조 및 생산 방법은 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 상세하게 설명되어 있으며, 써모파일 와이어(1)의 상세한 구조 및 생산 방법과 관련된 내용은 본원에 포함된다. 종래의 써모파일 와이어와 비교하여 본원 발명에 따른 써모파일 와이어(1)의 특징은 개별 열전쌍(2, 3, 4)이 다른 길이(l n+1 , l n , l n-1 )를 가지며, 개별 열전쌍(2, 3, 4)의 길이는 써모파일 와이어(1)의 길이방향을 따라 단조증가(l n-1 ≤l n ≤l n+1 )하며, 적어도 연속된 두 열전쌍이 길이에 있어 차이가 있다. 권취 상태에서 써모파일 와이어(1)를 따라 형성된 개별 열전쌍(2, 3, 4)의 이러한 길이 변화는 하나의 권취 층으로부터 다음 권취 층까지의 유효 권취 직경에 있어서의 변화를 보상하게 된다. 도 2A 및 도 2B는 본 발명에 따른 써모파일 와이어(1)가 감긴 원통형 권취 지지체(8)를 구비하는 본 발명에 따른 열전기 발전기를 보여준다. 권취 지지체(8)의 직경(D)는 개별 열전쌍(2, 3, 4)의 길이(l n-1 , l n , l n+1 )와 써모파일 와이어(1)의 직경(d)에 대응하여, 서로 반대편에 위치하는 온 연결 점(5)과 냉 연결 점(6)은 가 능한한 정확하게 권취 지지체(8)의 반대편에 위치한다. 권취 지지체(8)는 권취 길이(L)를 가지며, 권취 지지체(8)의 외주면에는 써모파일 와이어가 m=L/d 만큼의 권취가 이루어지며 하나의 권취 층을 형성하게 된다. 반면에, 다음 권취 층에서는 권취 지지체(8)의 유효 권취 경게가 아래에 형성된 권취 층에 의해 변경되어 n번째(n=m+1) 열전쌍의 길이는 앞선 열전쌍들의 길이보다 길게 된다. (n-1)번째 열전쌍과 n번째 열전쌍 사이의 길이 차이는 써모파일 와이어(1)의 경계(perimeter)에 대응한다. 이와 같은 방식에 의해, 한 편에 위치하는 온 연결 점들(5)과 다른 편에 위치하는 냉 연결 점들(6)은 상부 권취 층에서 정확하게 권취 지지체(8)의 반대편에 위치하게 놓이게 된다. 또한, 열전기 발전기(7)는 써모파일 와이어(1)의 반대편 끝단에 연결되며 대응하는 열전기 전압 U TH 을 출력하는 2개의 전압 탭(9, 10)을 구비한다. 도 3A 및 도 3B는 본 발명에 따른 써모파일 와이어의 연속된 열전쌍의 길이 l i 변화의 다른 예를 보여준다. 도 3A에 도시된 실시예에서는, 써모파일 와이어의 연속된 열전쌍의 길이 l i 는 각 열전쌍에 대해 다음 열전상이 U=π·d 만큼 증가한다. 이러한 길이 변화는 써모파일 와이어의 각 권취부가 새로운 권취층을 형성하는 스트립형 써모파일 와이어에 특히 적합하다. 반면에, 도 3B에 도시된 실시예에서는, 7번째 마다 위치하는 열전쌍 만이 앞 선 열전쌍에 대하여 길이가 변한다. 이러한 개별 열전쌍의 길이 변화는 7번의 권취가 하나의 권취 층을 형성하며 다음 권취 층으로 넘어가는 형태에 있어서 특히 적합하다. 도4는 도 2A 및 도 2B에 따른 열전기 발전기를 제조하기 위한 본 발명에 따른 기계(11)의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 먼저, 본 발명에 따른 기계는 시작 물품으로서 종래의 와이어(13)가 제공되는 종래의 와이어 코팅 기계(12)를 구비한다. 와이어 코팅 기계(12)는 써모파일 와이어(1)를 제조하며, 와이어(13)는 예를 들면 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 기재된 바와 같이 써모파일 와이어(1)의 지지 요소를 형성하게 된다. 써모파일 와이어(1)를 제조하는 동안, 와이어 코팅 기계(12)는 특허문헌 20 2006 003 595 U1에 기재된 바와 같이 와이어(13)에 절연 물질 또는 도전 물질을 코팅하거나 와어이(13)로부터 부분적으로 코팅을 제거한다. 본 발명에 따른 써모파일 와이어(1)의 제조에 대하여 상기 특허문헌의 내용은 본원에 포함된다. 써모파일 와이어(1)는 적절한 센서를 이용하여 온 연결 점들(5)과 냉 연결 점들(6)의 위치를 결정하는 위치 결정 장치(14)로 제공된다. 위치를 기록하기 위한 센서로는 예를 들어 광 센선가 사용될 수 있는데, 본 발명에서는 다른 형태의 센서가 사용될 수도 있다. 이와 같은 방법으로 측정된 써모파일 와이어(1)는 다양한 방법으로 써모파일 와이어(1)를 길이방향으로 신장시키는 신장 장치(15)로 공급된다. 써모파일 와이어(1)의 신장은 이전에 결정된 온 연결 점들(5)과 냉 연결 점들(6)의 위치에 따라 제어 유닛(16)에 의해 제어되며, 연결 점들(5, 6)은 최종 열전기 발전기에서 원하는 위치에 정확하게 위치한다. 이와 같은 방법으로 신장된 써모파일 와이어(1)는 써모파일 와이어(1)를 권취 지지체(8)에 권취하는 종래의 권취 기계(17)로 공급된다. 써모파일 와이어(1)에서 개별 열전쌍(2, 3, 4)의 구조적으로 제공된 길이 변화는 연속된 권취층들에서 연결 점들(5, 6)의 대략적인 위치 수정을 가능하게 한다. 반면에, 신장 장치(15)에 의한 써모파일 와이어(1)의 신장은 연결 점들(5, 6)의 위치의 정밀한 수정을 추가적으로 가능하게 한다. 마지막으로, 도 5는 앞서서 이미 설명된 것처럼 도 4에 따른 기계(11)에 의한 제조 방법을 순서도 형태로 보여준다. 도 6A 및 도 도 6B는 예를 들어 특허문헌 DE 20 2006 003 595 U1에 의해 알려진 종례의 써모파일 와이어(20)가 권취될 수 있는 권취 지지체(19)를 구비하는 본 발명에 따른 열전기 발전기(18)의 다른 실시예를 보여준다. 각 권취 층의 상단에서 발생하는 유효 권취 직경의 변경은 권취 지지체(19)의 일 끝단에 형성된 고리형 홈(21)에 의해 보상된다. 고리형 홈(21)은 써모파일 와이어(20)의 하나 이상의 권취부를 수용하며, 권취 지지체(19)의 나머지 부분의 권취 직경(d1) 보다 작은 권취 직경(d2)를 갖는다. 그에 따라, 고리형 홈(21) 내의 써모파일 와이어(20)의 권취부는 각각의 연속된 권취 층에서 증가된 권취 경계를 위한 보상 권취부를 형성하게 된다. 이상 본 발명을 상기 실시예들을 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것이 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다. 도면부호 목록 : 1 써모파일 와이어 2, 3, 4 열전쌍 2.1, 2.2 열전쌍 다리 3.1, 3.2 열전쌍 다리 4.1, 4.2 열전쌍 다리 5 온 연결 점 6 냉 연결 점 7 열전기 발전기 8 권취 지지체 9, 10 전압 탭 11 기계 12 와이어 코팅 기계 13 와이어 14 위치 측정 장치 15 신장 장치 16 제어 유닛 17 권취 기계 18 열전기 발전기 19 권취 지지체 20 써모파일 와이어 21 고리형 홈 |
