KR100995920B1 - 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 서모파일형 열전센서에 관한 것으로서, 고온접점부와, 프레임부에 접촉되는 저온접점부를 포함하여 이루어지는 서모파일형 열전센서에 있어서, 상기 프레임부 상측의 상기 저온접점부 주위에 서모파일형 안정화 회로가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서를 기술적 요지로 한다. 이에 따라 저온접점부 주위에 일정 온도를 유지할 수 있는 상온(常溫) 유지용 서모파일형 안정화 회로를 구성함으로써 프레임부에 부착된 저온접점부에 안정된 기준 온도를 제공함으로써 열전센서의 측정감도를 향상시키는 이점이 있다.

서모파일 열전센서 안정화 상온 기준온도

Description

저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서{thermopile-type thermoelectric sensor with low temperature stabilizer circuits}

본 발명은 서모파일형 열전센서에 관한 것으로서, 특히 저온접점부 주위에 일정 온도를 유지할 수 있는 상온 유지용 서모파일형 안정화 회로를 구성함으로써 프레임부에 부착된 저온접점부에 안정된 기준 온도를 제공함으로써 측정감도를 향상시킨 저온안정화 회로가 장착된 고감도 서모파일형 열전센서에 관한 것이다.

열전변환기술에는 열전냉각과 열전발전의 두 가지 응용분야가 있다. 열전냉각은 전류를 가할 때 열전변환재료의 한쪽에서 다른 쪽으로 열이 이동되는 peltier 효과를 원리로 설명하고 있으며, 열전발전은 변환재료의 양단에 온도차를 가할 때 기전력이 생기는 제백효과를 원리로 설명한다.

열전냉각의 경우에는 에너지 이용의 측면보다는 냉각효과라는 측면에서 개발이 수행되므로 많은 응용분야가 도출되어 널리 연구가 이루어지고 있는 실정이며, 열전발전의 경우에는 그 대상이 전기의 발생이라는 점에서 기존의 발전방식과의 경쟁성 확보, 경제성 확보 및 응용분야 확보 등을 함께 충족할 수 없었기 때문에 거의 연구가 이루어지지 않고 있었다.

그러나 21세기에 접어들어 열전발전에 대한 인식이 점점 높아져 여러 분야에서 열전발전을 응용하려는 움직임이 점점 증가되고 있으며 연구소, 대학, 기업 등에서 많은 연구를 시작하려하고 있는 실정이다.

특히 자동차업계에서는 열전발전기술을 접목하여 자동차의 배열에서 흡수한 전기에너지를 이용하여 그 효율을 높이려 하고 있으며 산업체에서 발생되는 폐열을 흡수하여 에너지원으로 이용하려는 연구도 점점 더 가중되고 있는 실정이다.

열전박막을 이용한 전기설비의 감시 진단용으로 사용할 수 있는 온도센서의 적용성과 관련된 연구는 수년간 진행되어 왔으며, 취성문제, 확산문제 등에 대한 연구가 지속적으로 진행되어 왔다. 그러나 열전현상의 안정성이나 안정화장치(stabilizer) 등이 조합된 결과는 전무한 상태이다.

특히 전력기기에 사용되는 열 감시용 센서는 주로 설치가 고전압, 대전류의 특수 환경에서의 안정성이 확보되어야 할 뿐만 아니라 주로 200℃ 이하의 저온 영역에서의 감시가 용이해야 하며, 또한, 이 같은 환경에서는 감시대상인 전력설비에 열감지 센서를 직접 접촉하여 온도를 측정하는 것은 거의 불가능하므로 이들 설비의 열관리에는 비접촉식 열감지 센서가 주로 이용되고 있다.

이러한 특수한 환경에서 사용될 비접촉식 열전센서의 경우에는 이것에 대한 안정적 동작여부를 보증할 어떠한 결과도 보고되지 않고 있으며, 다만, 고전자기장하에서는 금속기에 비해 상대적으로 큰 밴드갭을 가지는 반도체형 센서가 보다 안정된 물성을 나타낼 것으로 판단되지만 이 역시도 명확한 근거를 가지고 있지 않아 이것에 대한 근본적 연구가 필요한 실정이다.

이 같은 비접촉식 열감지 센서의 주류는 열 발생에 따른 적외선 에너지를 감지하는 적외선 센서 또는 온도계이다. 이에 사용되는 서모파일은 열에 대응한 열기전력 발생을 이용하는 열전대의 원리를 이용해 적외선을 감지하는 것이다.

기본 구조는 도 1에 도시된 바와 같이, 반도체형 열전대(10)를 소정 부위 내에서 고밀도로 배치하고, 고온에 노출된 고온접점부(11)와 프레임부(20)에 부착된 저온접점부(12)와의 전압신호차이를 이용하여 온도를 감지하는 것이나, 저온접점부의 프레임부의 온도에 따라 측정온도(상대전압)는 계속적으로 변화게 되어 감도 저하를 유발시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 저온접점부 주위에 일정 온도를 유지할 수 있는 상온(常溫) 유지용 서모파일형 안정화 회로를 구성함으로써 프레임부에 부착된 저온접점부에 안정된 기준 온도를 제공함으로써 측정감도를 향상시킨 저온안정화 회로가 장착된 고감도 서모파일형 열전센서의 제공을 그 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위해 본 발명은, 고온접점부와, 프레임부에 접촉되는 저온접점부를 포함하여 이루어지는 서모파일형 열전센서에 있어서, 상기 프레임부 상측의 상기 저온접점부 주위에 서모파일형 안정화 회로가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서를 기술적 요지로 한다.

또한, 상기 서모파일형 안정화 회로는, 상기 저온접점부 둘레를 에워싸도록 형성되며, 상기 프레임에 접촉되어 상기 저온접점부에 인접하는 저온생성부와, 상기 프레임 외측에 형성되어 상기 저온생성부에서의 열을 방열시키는 고온방열부로 이루어진 것이 바람직하다.

또한, 상기 서모파일형 안정화 회로는, 상기 저온생성부와 연결되어 상기 저온접점부의 기준 온도를 보정시키는 온도발생기가 더 형성되는 것이 바람직하다.

상기 구성에 의한 본 발명은 저온접점부 주위에 저온접점부가 항상 기준 온도를 유지할 수 있도록 상온(常溫) 유지용 서모파일형 안정화 회로를 구성함으로써 프레임부에 부착된 저온접점부에 안정된 기준 온도를 제공함으로써 열전센서의 측정감도를 향상시키는 효과가 있다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서는 프레임부(100)에 부착된 저온접접부의 온도를 항상 일정하게 유지시켜 열전센서의 감도를 향상시키는 것이다.

본 발명에서 사용되는 서모파일은, 반도체형 열전재료로 이루어진 열전대가 중심측이 고온에 노출되도록 서모파일의 고온접점부(200)가 중심으로 향하고 있는 형상으로 배치되며, 그 주변으로 저온접점부(300)가 형성되도록 한다.

여기에서 고온접점부(200)는 온도를 측정하고자 하는 대상에 노출되게 되므로 고온접점부(200)에서의 온도를 실제로 측정하는 것이며, 저온접점부(300)는 이에 대해 항상 기준 온도를 유지하고 있어야만, 고온접점부(200)와 저온접점부(300)의 온도 차이에 의한 열기전력을 측정하여 고온접점부(200)에서의 온도를 정확하게 측정할 수 있는 것이다.

그러나 저온접점부(300)가 접촉되어 있는 프레임부(100)는 외부의 요인에 의해 온도가 변할 수 있으며, 이에 접촉되어 있는 저온접점부(300)도 온도가 변할 수 있으며, 이에 따라 상대적인 온도 차이에 의한 측정된 열기전력에 심각한 오차를 초래하게 되므로, 상기 프레임부(100) 상측으로 상기 저온접점부(300) 주위에 별도 의 서모파일형 안정화 회로(400)를 더 형성시키게 된다.

상기 서모파일형 안정화 회로(400)는 상기 저온접점부(300)에 대해 온도 보정을 시키는 장치로써, 상기 고온접점부(200)와 저온접점부(300)를 이루는 서모파일과 동일한 반도체형 열전재료로 형성된 서모파일을 저온접점부(300) 주위에 2중으로 형성시킨 것이다. 물론 금속계 서모파일을 사용하여도 무방하다.

또한, 상기 서모파일형 안정화 회로(400)는 상기 저온접점부(300) 둘레를 에워싸도록 형성되며, 상기 프레임부(100)에 접촉되어 상기 저온접점부(300)에 인접하는 저온생성부(410)와, 상기 프레임부(100) 외측에 형성되어 상기 저온생성부(410)에서의 열을 방열시키는 고온방열부(420)로 이루어지는 것이 바람직하다. 즉, 상기 서모파일형 안정화 회로(400)에서 보면, 상기 저온접점부(300) 및 프레임부(100)에 인접된 부분인 저온생성부(410)는 서모파일형 안정화 회로(400)의 고온접점부(200)가 되며, 고온방열부(420)는 서모파일형 안정화 회로(400)의 저온접점부(300)가 되는 것이다.

따라서, 상기 열전센서에서의 프레임부(100)에서 열이 발생하여 기준 온도로 설정되어 있는 저온접점부(300)의 온도가 변화되게 되면, 상기 저온생성부(410)에서 이를 측정하여 고온방열부(420)로 열이 방출되도록 함으로써 항상 저온접점부(300)는 기준 온도가 유지되도록 한다.

상기 저온생성부(410)는 상기 프레임부(100)에 접촉되어 상기 저온접점부(300)의 열이 잘 전도되도록 하며, 상기 고온방열부(420)는 상기 프레임부(100)에 접촉되지 않도록 프레임부(100) 외측으로 형성되도록 하여, 저온접점부(300) 및 프레임부(100)에서 전달된 열이 신속하게 방열되도록 한다.

또한 상기 서모파일형 안정화 회로(400)는 상기 저온생성부(410)와 연결되어 상기 저온접점부(300)의 기준 온도를 보정시키는 온도발생기(430)가 더 형성되도록 한다. 상기 온도발생기(430)(power source)는 저온접점부(300) 및 프레임부(100)에서 발생된 열이 고온방열부(420)를 통해 신속하게 방열되지 않거나, 상대적으로 많은 온도의 변화가 발생한 경우에 저온생성부(410)의 온도를 낮추어 줌으로써, 또는 높여 줌으로써 상기 저온접점부(300) 및 프레임부(100)의 온도를 신속하게 기준 온도로 설정될 수 있도록 한 것이다.

이하에서는 상기와 같이 구성된 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서에 작용에 대해 살펴보고자 한다. 만약, 저온접점부(300)의 기준 온도를 0℃로 맞추어 놓았다면, 고온접점부(200)의 온도에 따라 그 차이에 의한 열기전력을 측정함으로써 이를 보상하여 계산된 값으로부터 고온접점부(200)에 노출되어 있는 온도 측정 대상에 대한 정확한 온도를 측정할 수 있게 되는 것이다.

그런데, 외부의 요인 등에 의해 저온접점부(300)에 접촉되어 있는 프레임부(100)의 온도가 변하게 되면, 상기 저온접점부(300)의 기준 온도가 변하게 되어 센서로써 감도가 떨어지게 되는 것이다. 이때, 상기 저온접점부(300) 주위에 형성된 서모파일형 안정화 회로(400)에 의해 저온접점부(300)의 온도를 항상 기준 온도를 유지되도록 하며, 서모파일형 안정화 회로(400)를 이루는 상기 저온생성부(410) 및 고온방열부(420)에 의해 신속한 온도 보정이 이루어져 상기 프 레임부(100) 및 저온접점부(300)는 항상 기준 온도를 유지하게 되는 것이다. 이에 의해 열전센서의 감도가 향상되게 된다.

도 1 - 종래의 서모파일형 열전센서의 주요부에 대한 모식도.

도 2 - 본 발명에 따른 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서의 주요부에 대한 모식도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 프레임부 200 : 고온접점부

300 : 저온접점부 400 : 서모파일형 안정화 회로

410 : 저온생성부 420 : 고온방열부

430 : 온도발생기

Claims (3)

1. 고온접점부(200)와, 프레임부(100)에 접촉되는 저온접점부(300)를 포함하여 이루어지는 서모파일형 열전센서에 있어서,

   상기 프레임부(100) 상측의 상기 저온접점부(300) 주위에 서모파일형 안정화 회로(400)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서.
2. 제 1항에 있어서, 상기 서모파일형 안정화 회로(400)는,

   상기 저온접점부(300) 둘레를 에워싸도록 형성되며, 상기 프레임부(100)에 접촉되어 상기 저온접점부(300)에 인접하는 저온생성부(410)와, 상기 프레임부(100) 외측에 형성되어 상기 저온생성부(410)에서의 열을 방열시키는 고온방열부(420)로 이루어진 것을 특징으로 하는 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서.
3. 제 2항에 있어서, 상기 서모파일형 안정화 회로(400)는,

   상기 저온생성부(410)와 연결되어 상기 저온접점부(300)의 기준 온도를 보정시키는 온도발생기(430)가 형성되는 것을 특징으로 하는 저온안정화 회로가 장착된 서모파일형 열전센서.

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