KR101456311B1 - 열전대 회로 및 그 형성 방법 및 그 형성 시스템 - Google Patents

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존 엠. 드로스다크
파울 알. 그르제식
터디 에이. 크눗슨
다비드 엠. 리네만
케빈 비. 레이만
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Abstract

감소된 수준의 열전대 이동을 나타내는 열전대 회로가 개시되어 있다. 상기 열전대는 일반적으로 제 1 및 제 2 열전 물질로부터 각각 형성된 제 1 및 제 2 열전 소자를 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 열전 소자는 각각 제 1 및 제 2 탭 소자 중간체를 통해 전기적 전도성 기판과 연결된다. 제 1 및 제2 탭 소자는 바람직하게는 상기 각각의 제 1 및 제 2 열전 물질로부터 형성되고, 제 1 및 제 2 탭 소자가 서로서로 물리적으로 연결되지 않도록 공간적으로 이격적 배열된 상태로 기판과 연결된다. 또한 개시된 열전대 회로를 제조 및 사용하기 위한 시스템 및 방법이 개시되어 있다.
열전대 회로, 근단, 원단, 연결, 열전 소자, 탭 소자, 열전 물질

Description

열전대 회로 및 그 형성 방법 및 그 형성 시스템{THERMOCOUPLE CIRCUIT AND METHOD AND SYSTEM FOR FORMING SAME}
본 발명은 일반적으로는 열전대(thermocouples)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 수준이 감소된 열전대 이동(thermocouple drift)을 보이는 열전대 회로를 형성하기 위한 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 열전대는 통상적으로 서로 유사하지 않은 조성물로 된 2개의 열전 소자(thermoelectric element)를 물리적으로 연결하여 제조한다. 열전 소자는 통상적으로 유사하지 않은 금속으로된 와이어이며, 와이어의 말단은 함께 꼬여있거나 결합되어 있다. 연결된 와이어의 접점(junction) 및 와이어의 원격 일부간의 온도 차이는 와이어의 반대 말단간에 전압을 발생시킨다. 이후 전압, 즉 온도와 연관된 전압을 측정하도록 상기 회로에 전압 측정 기기(예컨대 전압기)를 연결할 수 있다. 열전대 성능 및 정확성은 전체 회로, 특히 열전 소자(예컨대, 와이어)의 길이에 따른 물리적 성질 및 화학적 성질이 모두 균일한지에 의존한다. 열전 소자 물질을 제조시, 이러한 균일성(또는 균질성)이 이루어지도록 단계별로 주의하여야 한다. 그러나, 사용중 열전 물질 내의 화학종(chemical species)이 분산 또는 이동하기 때문에 열전 소자의 화학적 조성물 내에서의 변화가 야기될 수 있고, 그 결과 이동(drift) 또는 열전대 성능의 부정확성을 야기할 수 있다.
예를 들어, 도 1에서 보여지는 것처럼 종래의 B형 열전대는 94% 백금 및 6% 로듐 합금으로된 화학적 조성물을 지닌 제 1 와이어 10를 포함하고 있다. 핫 접점(hot junction) 30에서 제 1 와이어와 물리적으로 연결되어 있는 제 2 와이어 20는 70% 백금 및 30% 로듐 합금을 포함하고 있다. 핫 접점 30은 전기적 전도성 기판 40과 연결되어 있으며, 이는 80% 백금 및 20% 로듐을 포함하고 있다. 전압은 잘 알려진 제백 현상(Seebeck effect)으로 인하여 핫 접점 반대편에 있는 와이어 말단을 따라 발생하며, 이러한 전압은 주로 와이어 길이에 따른 온도 구배의 결과로 발생한다. 전압은 전압기와 같은 종래의 측정 기기로 읽혀지며, 측정된 전압은 기판의 온도와 연관되어 있다.
이와같은 종래 시스템을 통해 데이터를 분석할 경우, 상기 예시적으로 설계된 열전대는 약 1650℃와 같은 고온에서 작동시, 상당한 일부가 와이어 및 기판 간의 로듐 확산으로 인하여 30일 동안 최대 약 -2.7℃까지의 평균 순수 이동 속도 값(average net rate of drift value net drift)의 보정(calibration) 손실을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 서로-접합된 소자인 와이어 및 기판 간의 로듐 농도가 균형을 유지하도록 진행이 시작된다. 결국, 공정 및 시스템이 온도 제어하에 있으며, 온도 제어를 용이하게하기 위하여 사용한 열전대가 등록된 온도(registrated temperature) 이동을 야기할 경우, 그 이동으로 인하여 감지된 온도 변화는 보증되지 않는 것으로서(unwarranted), 실제 온도에서 필수적인 변화를 야기할 수 있으며, 그 결과 공정 및 시스템을 작동이 잘되지 않을 수 있음을 인식하게 될 것이다.
본 발명은 사용기간 동안 감소된 수준의 열전대 이동을 보일 수 있는 열전대 회로를 제공한다. 열전대는 예컨대, 유리 기판을 제조하는데 사용되는 백금 이동 시스템(delivery systems)과 같은 전기 전도성 물질 내의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 다양한 측면에 의해 제공되는 여러 잇점 중에는 시간에 따라 향상된 열전대의 정확성을 들 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법을 제공하는 것으로서, 상기 방법은 제 1 열전 물질(thermoelectric material)로 형성되고, 제 1 근단과 제 1 원단을 가지는 제 1 열전 소자(thermoelectric element), 및 제 2 열전 물질로 형성되고, 제 2 근단 및 제 2 원단을 가지는 제 2 열전자 소자를 포함하는 열전대(thermocouple)를 제공하는 단계; 상기 제 1 열전 소자 및 상기 제 2 열전 소자의 각각의 근단을 중간체인 제 1 및 제 2 탭 소자(tap elements) 각각을 통하여 기판 일부분에 연결시켜, 열전대 회로를 형성하는 단계(여기서, 상기 제 1 및 제 2 탭 소자는 각각 제 1 및 제 2 열전 물질과 실질적으로 동일한 조성을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 탭 소자는 제 1 및 제 2 근단이 서로서로 물리적으로 연결되지 않도록 공간적으로 이격되어 있음); 및 상기 형성된 열전대 회로에 의해 제공된 전압으로써, 상기 기판 일부내의 온도를 나타내는 전압을 정량화하는 단계를 포함한다.
상기 열전대 회로는 일반적으로 제 1 열전 물질로 형성되고, 제 1 근단 및 제 1 원단을 가지는 제 1 열전 소자로써, 여기서 상기 제 1 근단은 제 1 연결 위치에서 상기 제 1 열전 물질로 형성된 중간체인 제 1 탭 소자를 통해 전기 전도성 기판에 연결된 제 1 열전 소자; 및 제 2 열전 물질로 형성되고, 제 2 근단 및 제 2 원단을 가지는 제 2 열전 소자로써, 여기서 상기 제 2 근단은 제 2 연결 위치에서 상기 제 2 열전 물질로 형성된 중간체인 제 2 탭 소자를 통해 전기 전도성 기판에 연결된 제 2 열전 소자를 포함하며, 또한 여기서 상기 제 1 연결 위치 및 상기 제 2 연결 위치는 공간적으로 이격되어 있으며, 상기 제 1 근단 및 상기 제 2 근단이 물리적으로 연결되지 않고, 상기 제 1 원단 및 상기 제 2 원단이 전압 측정 기기에 전기적으로 연결되어 있다.
본 발명의 추가적인 측면은 하기의 상세한 설명 및 청구항에서 설명될 것이며, 그 일부는 상세한 설명으로부터 유추되거나, 본 발명을 숙지함으로써 알 수 있다. 상기의 일반적인 설명 및 하기의 상세한 설명은 예시적인 것이며, 오직 설명을 위한 것으로, 개시 및/또는 청구로써 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
본 발명의 하기의 설명은 지금까지 가장 잘 알려진 측면을 설명하고자 함이다. 결국, 당업계에서 기술을 가진 자는 본 발명의 유리한 결과를 계속 보유하면서도, 본 발명의 다양한 측면과 관련하여 많은 변형들이 만들어질 수 있음을 인식할 수 있을 것이다. 또 본 발명에서 원하는 이점 중 일부는 다른 특징을 사용하지 않고 본 발명의 특징 중의 일부를 선택함으로써 달성될 수 있다는 점도 자명할 것이다. 따라서, 당업계에서 일을 하는 자는 본 발명에 다양한 변형 및 채택이 가능하며, 특정 조건에서는 보다 바람직할 수 있으며, 이는 본 발명의 일부를 구성함을 인식할 것이다. 따라서, 하기의 설명은 본 발명의 원리를 설명하고자 제공하는 것으로, 제한하고자 함은 아니다.
본 명세서에서 사용된 것처럼, 단일 형태인 "a", "an" 및 "the"은 내용상 명백히 달리 나타내지 않는 한 다수의 대상을 포함한다. 따라서, 예를 들어 열전 소자(a thermoelectric element)의 대상에는 내용상 명백히 달리 나타내지 않는한 2개 이상의 상기 열전 소자들을 가지고 있는 측면을 포함한다.
범위(range)는 본명세에서 "약" 특정 값으로부터, 및/또는 "약" 다른 특정 값으로 나타낼 수 있다. 이러한 범위가 표현되면, 다른 측면은 일 특정 값으로부터 및/또는 다른 특정 값을 포함한다. 유사하게, 값이 상기 "약"을 사용하여 대략적으로 표시될 경우, 특정 값이 다른 측면을 형성하고 있음이 이해하게 될 것이다. 또, 상기 범위의 각 종점은 다른 종점과 관련하여, 그리고 다른 종점과는 독립적으로 중요함을 이해할 것이다.
본 명세서에서 사용된 바와같이, 넷 전압(net voltage)는 2개 이상의 극성에 의존하는, 2개 이상의 전압의 합 또는 차를 의미한다.
위에서 간단히 요약한 바와 같이, 본 발명은 열전대 회로를 형성하기 위한 시스템 100을 제공한다. 도 2를 참고하면, 시스템 100은 일반적으로 제 1 열전 물질(thermoelectric material)로 형성되고, 제 1 근단 102a과 제 1 원단 102b을 가지는 제 1 열전 소자(thermoelectric element)를 포함한다. 상기 제 1 근단 102a는 제 1 연결 지점 210에서 기판 200과 연결되도록 배열된다. 시스템 100은 또한 2 열전 물질로 형성되고, 제 2 근단 104a 및 제 2 원단 104b을 가지는 제 2 열전자 소자를 포함한다. 도 2에서 보여진 것처럼, 상기 제 2 원단 104b 및 상기 제 1 원단 102b는 기판으로부터 떨어진 측정 기기 110과 연결될 수 있다. 예를 들어, 측정 기기 100은 제 1 및 제 2 원단간의 접압 측정용 기기일 수 있으며, 데이터 프로세싱 컴포넌트를 포함할 수 있다. 예컨대 측정 기기 100은 컴퓨터를 포함할 수 있다.
제 2 근단 104a는 제 2 근단이 제 1 근단 102a과 물리적으로 연결되지 않도록 제 1 연결 지점으로부터 공간적으로 거리 "D"만큼 이격된 제 2 연결 지점에서 기판 200과 연결되도록 배열된다.
또 보여진 것처럼, 시스템 100 일부의 일 측면에 따르면, 열전 소자의 근단 및 원단 간의 확장은 열전 리드(lead) 또는 확장 와이어로 제공될 수 있다. 또, 제 1 및 제 2 열전 소자는 각각 다른 열전 물질로 형성되고, 이를 조합함으로써 제백 열전 현상(Seebeck thermoelectric effect)를 나타낼 수 있는 열전대 회로를 형성하는데 적합하게 된다. 결국, 일 측면에 따르면, 제 1 및 제 2 열전 소자는 귀금속 및/또는 귀금속 합금을 포함하는 사실상 유사하지 않은 금속으로 형성될 수 있다.
제 1 및 제 2 열전 소자 각각을 형성하기 위한 예시적인 열전 물질에는 백금, 로듐, 니켈, 크롬, 구리, 철, 알루미늄, 실리콘, 마그네슘 및 이들의 합금을 포함할 수 있다. 상기 언급된 열전 물질의 예시적인 조합에는 70% 백금- 30% 로듐 합금 및 94% 백금- 6% 로듐(B형 열전대로 알려짐); 니켈-크롬 합금 및 구리 니켈 합금(E형 열전대로 알려짐); 철 및 구리 니켈 함금(J형 열전대로 알려짐); 니켈-크롬 합금 및 니켈-알루미늄 합금(K형 열전대로 알려짐); 니켈-크롬-실리콘 합금 및 니켈-실리콘-마그네슘 합금(N형으로 알려짐); 13% 백금-로듐 및 백금 백금(R형으로 알려짐); 10% 로듐 및 백금(S형 열전대로 알려짐); 및 구리 및 구리-니켈 합금(T형 열전대로 알려짐)을 포함할 수 있다.
열전 소자의 제 1 및 제 2 근단은 열전대 회로를 형성하도록 전기적 전도성 기판과 연결될 수 있다. 특히 제 1 근단 102a는 제 1 연결 지점 210에서 전기적 전도성 기판과 연결될 수 있고, 제 2 근단 104a는 제 2 연결 지점 212에서 전기적 전도성 기판과 연결될 수 있다. 제 1 및 제 2 연결 지점은 상기 제 1 및 제 2 근단이 물리적으로 서로서로 연결되지 않도록 공간적으로 거리 "D" 만큼 이격되어 있다. 제 1 및 제 2 근단과 전기적 전도성 기판의 연결은 본 명세서에서는 "핫 접점(hot junction)"을 의미한다.
또 도 2에 나타난 바와 같이, 제 1 근단 102a 및 제 2 근단 104a은 각각 공각적으로 이격된 제 1 및 제 2 탭 소자 106 및 108를 통해 기판 200과 연결될 수 있으며, 상기 탭 소자들은 각각의 근단 및 전기적 전도성 기판에 위치된 중간체이다. 일 측면에 따르면, 각각의 제 1 및 제 2 탭 소자는 각각 제 1 및 제 2 열전 소자와 동일한 열전 물질로부터 형성된다. 예를들면, 열전대 회로가 B형 열전대인 일 측면인 경우, 제 1 열전 소자는 70% 백금- 30% 로듐 합금을 포함할 수 있고, 제 2 열전 소자는 94 백금- 6% 로듐 합금으로 형성될 수 있다. 상기 예시적인 측면에 따르면, 제 1 탭 소자 106은 70% 백금- 30% 로듐 합금으로 형성될 수 있고, 제 2 탭 소자는 94 백금- 6% 로듐 합금으로 형성될 수 있다.
또 다른 이점에 따르면, 공간적으로 이격된 연결 지점은 제 1 조성물로 된 제 1 열전 소자로부터 휘발된 금속 종(volatized metallic species)이 제 2 조성물로 된 제 2 열전 소자로 응축되는 것을 감소 또는 제거해준다는 것을 알게되었다. 상기의 휘발(volatilization)은 유리 제조 공정에서 발견할 수 있는 1500℃를 초과하는 온도와 같은 매우 고온에 열전 소자를 노출시킬 경우 발생할 수 있다. 예컨대 로듐과 같은 휘발된 종은 열전 소자(들)의 차가운 일부에 농축될 수 있으며, 열전 소자로 확산되어, 열전 소자의 전기적 행동을 변화시키고, 따라서 열전 회로내의 접압이 측정될 수 있다(즉, 열전대 온도 이동으로 관찰됨).
탭 소자 106 및 108은 기판과 직접적으로 인접한 보다 큰 매스(mass)를 제공하며, 기판 및 열전 소자 간에 삽입됨으로써, 열전 소자 및 기판 간의 확산 효과를 완화시켜서, 확산으로 인한 다양한 소자의 조성물 내의 변화를 감소시킬 수 있는 기능을 한다. 탭 소자 106 및 108은 기판 표면에 열전 소자의 근단이 전기적으로 연결될 수 있도록 원하는 크기 및 적당한 두께를 가질 수 있다. 그러나, 상기 탭 소자 106, 108 각각의 매스는 상기 기판에 인접한 각각의 열전 소자의 매스보다는 상당히 크다.
각각의 탭 소자는 직사각형(보여진 것처럼), 원형 또는 타원형을 가질 수 있다. 일 측면에 따르면, 탭 소자는 실질적 직사각형으로 전기적 전도성 기판과 연결된 표면 영역이 약 0.1 내지 0.5 인치의 범위 내를 가지고 있다. 예를들면, 상기 탭 소자의 일 측면에 따르면 약 0.25 인치의 연결 표면 영역을 가질수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또 탭 소자는 실질적으로 균일한 두께는 가질 수 있으며, 예시적 측면에 따르면 약 10 밀(mils)부터 약 50 밀(mils)의 범위일 수 있다. 예를들면, 일 측면에 따르면, 탭 소자는 실질적으로 균일한 약 30 밀리의 두께를 가질 수 있다. 실질적인 견지에서, 각각의 탭 소자는 각각의 열전 소자의 등가 치수보다도 상당히 큰 호칭 길이-너비 측정치(직사각형임을 가정함) 또는 직경(원형임을 가정함)을 가진다. 예컨대, 도 3에 나타낸 것처럼, 열전 소자 102는 종축 A를 가지는 와이어이며, 상기 와이어와 기판 200 간에 중간체인 탭 소자 106가 있으며, 상기 탭 소자에 인접하고 바람직하게는 상기 탭 소자의 두께와 동일한 길이를 가지는 와이어 일부의 부피는 상기 탭 소자의 부피보다 상당히 작은 부피를 가지고 있음을 가정한다. 바람직하게는, 탭 소자의 부피는 탭 소자와 인접하고 연결된 와이어의 상대적 일부의 부피보다 상당히 크다. 와이어는 주어진 두께를 지닌 탭 소자에 부착된 직원기둥(right circular cylinder)으로 보일 수 있다. 탭 소자는 탭 소자의 두께를 포함하여 탭 소자의 치수를 기초로 특정 부피 Vt를 가진다. 탭 소자의 두께인 t와 동일한 길이 L을 가지는 와이어(즉 직원 기둥) 일부의 부피 Vw는 탭 소자의 부피보다 상당히 작으며, 또는 반대로 탭 소자는 탭 소자에 인접한 L길이를 가지는 와이어 일부의 부피보다 상당히 큰 부피를 가지고 있다. 도 3을 보면 알 수 있 듯이, 탭 소자 106의 부피는 와이어 일부 107 부피보다 상당히 크다. 상당히 크다는 것은 탭 소자가 바람직하게는 인접한 와이어 일부 부피의 적어도 약 2배, 보다 바람직하게는 인접 와이어 일부 부피의 적어도 약 4배 및 보다 더 바람직하게는 인접 와이어 일부 부피의 적어도 약 8배임을 나타낸다. 물론, 일반적인 조건에서 와이어는 명목상 원통형이며, 따라서 종축에 대하여 수직으로는 원형단면을 가지고 있다. 그러나, 열전 소자(예, 와이어)는 상기 설명된 것과 같은 부피를 가지는 일부를 소유하는 원형일 필요는 없다.
또 다른 측면에 따르면, 도 4에 나타낸 바와 같이, 탭 소자(들)은 기판 및 탭 소자 물질간의 접촉 영역을 최소화하는 방법으로 기판 200에 연결되도록 하는 것이 바람직하다. 상기 측면에 따르면, 탭 소자 및 기판 사이의 접촉 영역을 최소화하는 것은 2개의 열전 물질간의 화학적 종의 확산(예컨대 로듐의 확산)을 효율적으로 감소시킬 수 있으며, 따라서 추가적으로 열전대 이동을 감소 시킬 수 있다. 결국, 높은 열 전도성을 가지는 절연 부재 109를 탭 소자 및 기판 200간에 둘 수 있다. 탭 소자와 기판 200 간의 연결은 용접 비드(welding bead) 111로 표시한 것처럼 탭 소자의 테두리에 대해서만 탭 소자를 기판에 용접시킴으로써 만들어질 수 있다. 물론, 탭 소자를 기판에 연결시킬 수 있는 다른 방법들을 사용할 수 있다 . 예컨대, 탭 소자의 코너부분만 기판에 용접시키는 것 처럼, 각각의 탭 소자 내에 분리되고 공간적으로 이격된 위치에만 탭 소자를 기판에 연결 시킬 수 있다.
본 발명에 따른 열전대 회로를 종래의 열전대 기기에 의해 관찰된 전형적인 열전 이동과 비교할 경우, 열전대 이동에서의 감소를 보일 수 있다. 특히 종래의 열전대 기기 및 회로는 작동 중에 시간에 따라 보정(calibration)을 손실한다. 보정에서의 손실은 열전대 회로의 "핫 접점"에서 서로서로 물리적으로 연결된 2개의 유사하지 않은 열전 소자간에 발생된 확산에 일부 기인한다. 상기 보정에서의 손실을 본 명세서에서는 열전 이동으로 언급되며, 열전대 기기의 부정확성을 증가시킨다. 상기 설명된바와 같이, 본 발명의 열전 소자의 근단은 공간적으로 거리 "D"만큼 이격된 연결 지점에서 기판과 연결되어 있어, 본 발명의 열전 소자의 근단들은 서로서로 물리적으로 연결되지 않는다. 그럼에도 불구하고, 기판 및 개별적인 열전 소자간의 확산이 여전히 열전 이동을 유도할 수 있다. 예를 들어, 용융된 유리를 홀딩/프로세싱하도록, 유리제조 공정에서 사용될 수 있는 것과 같은 백금/로듐 합금 용기를 고려하자. 이러한 용기는 1500℃ 이상에서도 작동되어야 한다. 통상적으로는, 각각 다른 로듐 성분을 지니고 있는 개별적인 백금-로듐 합금 열전대 와이어들이 용기 벽에 직접적으로 용접되어있다. 상기의 높은 작동 온도에서, 기판 및 열전대 와이어 간의 로듐의 확산은 상대적으로 빠른데, 와이어 및 용기 벽간의 접점에 따른 로듐의 확산이 평형 농도에 이르도록 진행되어야 하기 때문이다.
탭 또는 패드(pad) 소자 106 및 108은 유사하지 않은 열전 물질 간에 발생할 수 있는 확산을 감소 또는 제거할 수 있으며, 따라서 시간에 따라 발생할 수 있는 열전 이동(예컨대 전압 또는 온도 이동)을 감소시켜 실질적으로 이동이 없도록 할 수 있다. 예컨대 일 측면에 따르면, 본 발명의 구현예에 따른 열전대 회로는 30일 기간 동안 약 1500℃ 이상의 온도에서 약 2.5℃보다 작은 이동 속도를 보일 수 있다. 또 추가적으로, 열전대 회로는 30일 기간 동안 약 1500℃ 이상의 온도에서 약 2.0℃, 1.5℃, 1.0℃ 또는 0.5℃보다 작은 이동 속도를 보일 수도 있다. 또 추가적으로, 2개의 유사하지 아니한 열전 물질이 기판 물질의 연결 위치에서 서로서로 물리적으로 연결되지 않는한 제 1 및 제 2 연결 지점 간의 분리된 거리 "D"는 원하는 어떠한 거리일 수 있음을 이해하여야 한다.
또 본 발명의 열전대 회로에 의해 형성된 "핫 접점"은 제 1 및 제 2 열전 소자를 전기적 전도성 기판, 바람직하게는 탭 소자 106, 108을 통해, 2개의 유사하지 않은 열전 소자들 간의 물리적 접점이 없도록 연결함으로써 형성된다. 상기와 같은 열전대 회로는 기판 자체 내의 온도에서의 변화에 보다 민감하다. 또 상기 기판은 회로의 실질적인 핫 접점의 일부이기 때문에 그 계측된 온도(reported temperature)는 기판 온도를 보다 잘 나타낸다.
또 열전 소자의 분리는 제 1 및 제 2 연결 지점인 210 및 212에서 연결된 2개의 유사하지 않은 열전 소자간에 위치한, 기판의 평균 온도가 정해질 수 있도록 함을 이해하여야 한다. 따라서, 다른 측면에 따르면, 본 발명의 열전대 시스템은 주어진 기판에 대하여 실시간으로 3 차원적 온도 모델을 결정할 수 있는 다수의 열전대 회로를 제공하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 도 5에서 알수 있 듯이, 시스템 202는 시스템 100과 유사하지만, 제 3의 열전 물질로 형성된 제 3의 열전 소자 120를 포함하고 있으며, 제 3 근단 120(a) 및 제 3의 원단 120b를 가지고 있다. 제 3 원단 120b은 다시 적당한 측정 기기와 연결될 수 있다. 제 3 근단은 제 3 원단이 제 1 및 제 2 근단과 연결되지 않도록 제 1 및 제 2 연결 지점으로부터 공간적으로 이격된 제 3 연결 지점 214에서 기판과 연결될 수 있다. 또 추가적으로, 제 3 열전 소자는 바람직하게는 또 제 3 근단과 연결되는 제 3 탭 소자 112를 포함할 수 있다. 제 3 탭 소자 112는 상기 제 1 열전 소자와 동일한 열전 물질로부터 형성될 수 있고, 제 1 , 제 2 및 제3 탭 소자가 물리적으로 서로 연결되지 않도록 제 1 및 제 2 탭 소자로부터 공간적으로 D거리만큼 이격되어 있다.
사용시, 본 발명의 열전대 시스템 및 열전대 회로는 전기적 전도성 기판 일부의 온도를 정할 수 있는 방법을 제공한다. 상기 방법에는 상기 설명한 바와 같이 열전 회로를 형성하는 단계를 포함한다. 특히, 제 1 열전 물질로부터 형성된 제 1 열전 소자의 근단은 제 1 연결 지점에서, 바람직하게는 제 1 탭 소자를 통하여 전도성 기판과 연결된다. 제 2 열전 물질로 형성된 제 2 열전 소자의 근단은 제 2 연결 지점에서, 바람직하게는 제 1 및 제 2 열전 소자, 및 그 각각의 탭 소자가 물리적으로 연결되지 않도록 제 1 연결 지점으로부터 공간적으로 이격된 제 2 탭 소자를 통하여 전도성 기판과 연결된다.
본 발명의 방법은 특정 기판 물질을 가지고 사용하는데 제한되지 않으며, 특정 원하는 전기적 전도성 기판의 온도를 결정하는데 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 그러나, 예시적인 측면에 따르면, 상기 기판은 예컨대 유리(예, 실리카-기초한 유리)를 제조하는데 사용되는 백금 및/또는 로듐에 기초한 이동 시스템과 같은 전기적 전도성 기판이다.
일단 형성되면, 상기 열전대 회로는 이후 형성된 회로 내에서, 열전 소자에 따른 온도 구배로부터 기인한 전압을 제공할 수 있다. 제공된 전압은 열전대 회로와 종래의 측정 기기와 연결시킴으로써 정량화할 수 있다. 따라서, 정량화된 전압은 제 1 및 제 2 연결 지점 사이의 기판 일부간의 평균 온도를 나타낸다.
본 발명의 예시적인 방법은 도 1를 통해 설명된다. 도 1에 나타난 바와 같이, 열전대 회로 100은 제 1 열전 소자 102, 제 2 열전 소자 104, 및 전도성 기판 200에 의해 형성된다. 제 1의 근단 및 제 2 원단은 연결 지점 210 및 212에서 기판과 연결된다. 또 도 1에 나타난 바와 같이 근단 102a 및 104a는 각각의 열전 탭 또는 패드 소자 106 및 108에 의해 기판과 연결된다. 또 열전 소자의 원단은 기판으로부터 멀리 떨어진 측정 기기 110과 연결된다. 사용시, 열전 소자에 따른 온도 구배는 열전 소자 102를 따라 전압을 야기하고, 열전 소자 104를 따라 유사한 전압 V2를 야기한다.
종래의 전압 검출 시스템 110은 원단 102b, 104b 간의 열전대 회로에서 설정된 넷 전압 V12를 검출 및 정량화하는데 사용될 수 있다. 결국, 상기 검출 시스템은 전압 V1 및 V2를 검출하고, 넷 전압을 결정하며, 넷 전압을 전도성 기판 200의 예측되는 온도와 연관시킬 수 있다. 2개의 유사하지 않은 탭 소자들은 거리 "D"만큼 분리되어 있기 때문에, 측정된 온도는 연결 지점 210 및 212간의 기판의 평균 온도를 나타낸다. 예시적인 검출 시스템은 일반적으로 열전대에 표준 I/O 카드가 장착된 컴퓨터 모니터링 시스템을 포함할 수 있다. 상기 검출 시스템은 열전대의 2개의 레그(leg) 또는 리드(lead)간의 DC 전압을 읽을 수 있다. 당업계에 일반적인 기술을 가진 자에게 알려진 표준 ASTM 시험방법을 사용할 경우, 상기 컴퓨터는 그 신호를 온도값으로 전환시킬 수 있다.
마직막으로, 본 발명에서는 특정 예시 및 그 특정 측면과 관련하여 상세하게 설명하였지만 첨부된 청구항에서 한정된 것처럼 범위를 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 발명의 광범위한 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고 다양한 변형들이 가능함을 이해하여야 한다.
본 명세서에 삽입되어, 그 일부를 구성하고 있는 첨부된 도면은 본 발명의 특정 측면을 설명하고 있으며, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 제한없이 설명하는데 기여한다.
도 1은 종래의 열전대 회로를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 측면에 따른 예시적인 열전대 회로를 나타낸다.
도 3은 도 2에 따른 예시적인 열전대 회로의 일부를 나타내는 사시도이다.
도 4는 예시적인 열전대 회로의 일부를 나타내며, 기판과 최소 접촉지점을 가지는 탭 소자(tap element) 구현예를 나타내고 있다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 다른 형태의 열전대 회로이다.
도 6은 사용 후, 열전대 및 기판간의 접점(junction)으로부터의 거리의 함수에 따른 종래 타입 B 열전 소자의 로듐 성분을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 열전대 회로에 의한 감소된 이동을 2개의 종래 연전대에 의해 나타난 이동과 비교한 데이터를 보여주는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 열전대 회로에 의해 제공된 감소된 이동 및 향상된 민감성(senstivity)을 종래의 열전대 회로와 비교한 것을 나타내는 예시적인 데이터를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 원리를 보다 설명하기 위하여, 하기의 실시예를 기재하여 본 명세서에서 청구된 시스템, 회로 및 방법들이 어떻게 형성되고 평가될 수 있는지를 당업계에 일반적인 기술을 가진자에게 완전히 개시하고 및 설명하고자 한다. 본 실시예는 본 발명을 오직 예시하고자 한 것으로, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 수치(예컨대 양, 온도 등)와 관련하여 그 정확성을 확보하고자 하였으나 일부 오차 및 편차가 발생 수 있다. 달리 나타내지 않는 한, 성분은 중량으로, 온도는 ℃ 또는 주변 온도(ambient temperature)로, 또한 기압은 대기 또는 그 부근 값으로 나타내었다.
일 실시예의 경우, 도 1의 것과 유사한 예시적인 B형 열전대 내에서 열전대 이동이 존재하는지를 종래 B형에서의 로듐 확산을 모니터링하여 확인하였다.
상기 열전대는 종래방법, 즉 용접기를 사용하여 2개의 와이어 금속을 함께 용융시켜 그 말단을 비드(bead)형태로 만듬으로써 열전대의 30% 로듐 레그(leg)(곡선 300)를 6% 로듐 레그(곡선 302)에 직접 연결시켜 제조하였다. 이후 상기 열전대를 1350℃내지 1650℃ 온도범위의 용광로 내에서 수개월 동안 놓고 사용하였다. 용광로가 중단된 경우, 열전대를 제거한 뒤, 상기 2개의 물질간의 용접 비드(bead) 또는 핫 접점을 시작으로 열전대 각각의 레그를 따라 종축으로 절단하였다. 이후 마이크로브를 사용하여 각 레그 및 기판의 핫 접점을 시작으로 열전대 각 레그의 로듐 성분을 분석하였다. 도 6의 X축 상의 0은 핫 접점 지점을 나타낸다.
도 6에 보여지는 데이터는 수개월간 사용한 결과, 열전대의 30% 로듐 레그로부터 6% 로듐 레그로 로듐이 확산되었음을 나타내고 있다. 이러한 결과는 열전대의 높은 로듐 레그(곡선 304)에서는 30% 미만이며, 열전대의 낮은 고듐 레그(곡선 306)에서는 6% 이상인 점에서 보여진다. 특정 이론에 구애됨이 없이, 로듐 성분의 변화는 상기 2 열전 물질간의 확산에 기인한 것이라고 여겨진다. 또 이러한 확산은 열전대에 의해 측정된 기전력이 표준 B형 열전대 표에서 제시된 값보다 작은 값을 나타내도록 하는 것으로 여겨진다. 다른 실시예의 경우, 본 발명에 따른 B형 열전대 회로 및 도 2에 따른 B형 열전대 회로를 형성하고, 약 80일 기간에 걸쳐서 열전대 이동이 존재하는지 여부를 측정하였다. 또 본 발명의 열전대를 도 1에 따라 준비한 2개의 종래의 B형 열전대와도 비교하였다. 80일의 평가 기간로부터의 데이터를 도 7에 나타내었다. 도 7을 보면 알 수있 듯이, 본 발명의 열전대(곡선 308)는 평가 기간 동안 상당한 이동을 보이지 않았다. 그러나 반대로 인접한 종래의 2개의 열전대(곡선 310, 312)는 이동을 보였다.
또 다른 실시예의 경우, 본 발명에 따른 B형 열전대 회로 및 도 2에 따른 B형 열전대 회로를 형성하고, 약 52일 기간에 걸쳐서 열전대 이동이 존재하는지 여부를 측정하였다. 또 본 발명의 열전대를 도 1에 따라 준비한 종래의 B형 열전대와도 비교하였다.
52일의 평가 기간으로부터의 데이터를 도 8에 나타내었다. 도 8을 보면 알 수 있듯이, 본 발명의 경우 평평한 데이터 선을 보이는 것을 통해서 본 발명의 열전대(곡선 314)는 평가 기간 동안 상당한 이동을 보이지 않음이 입증되었다. 그러나 반대로 인접한 종래의 열전대(곡선 316)는 종래 열전대의 경우 데이터 선에서 아래로 향하는 선을 보이는 것을 통해서 52일 동안에 이동을 보이는 것이 입증되었다.
또 약 32일의 평가기간 동안, 열전대가 연결되는 기판의 온도를 의도적으로 약 1℃ 감소하였다. 데이터 상에서 계단형 변화에 의해 입증되고, 도 8에서 화살표로 나타낸 것처럼, 본 발명의 열전대을 통해서 온도 상의 이렇게 제어된 감소가 측정되었다. 그러나 종래의 열전대는 약 32일의 평가기간 동안, 온도상의 제어된 감소에 해당하는 계단형 변화를 나타내지 않았다. 따라서 이러한 점은 본 발명에 따른 열전대가 일 측면에서 종래의 열전대의 민감성에 대하여 개선된 민감성을 보일 수도 있음을 보여주는 것이다.

Claims (16)

  1. 제 1 열전 물질(thermoelectric material)로 형성되고 제 1 근단과 제 1 원단을 가지는 제 1 열전 소자(thermoelectric element), 및 제 2 열전 물질로 형성되고 제 2 근단 및 제 2 원단을 가지는 제 2 열전자 소자를 포함하는 열전대(thermocouple)를 제공하는 단계;
    상기 제 1 열전 소자 및 상기 제 2 열전 소자의 각 근단을 중간체인 제 1 및 제 2 탭 소자(tap elements) 각각을 통하여 전기 전도성 기판의 일부에 연결시켜, 열전대 회로를 형성하는 단계로서, 절연 부재가 상기 각각의 제 1 및 제 2 탭 소자와 전기 전도성 기판의 일부 사이에 배치되고, 상기 제 1 및 제 2 탭 소자 각각은 제 1 및 제 2 열전 물질과 실질적으로 동일한 조성을 가지며, 상기 제 1 및 제 2 탭 소자는 제 1 및 제 2 근단이 서로 물리적으로 연결되지 않도록 공간적으로 이격되어 있는 형성 단계; 및
    형성된 열전대 회로에 의해 제공된 전압을 정량화하는 단계(quantifying)로서, 상기 전압은 상기 기판 일부 내의 온도를 나타내는 정량화 단계를 포함하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 열전 물질 및 제 2 열전 물질이 귀금속 또는 귀금속 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 기판은 백금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열전대는 B형 열전대인 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 정량화된 전압은 상기 제 1 근단과 상기 제 2 근단 사이의 기판 일부내의 평균 온도를 나타내는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 전기 전도성 기판, 상기 제 1 및 제 2 열전 소자, 및 상기 제 1 및 제 2 탭 소자는 백금-로듐합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 탭 소자는 두께 t1 및 부피 Vt1을 포함하며,
    상기 제 1 열전 소자는 종축을 가지는 제1 와이어이고,
    상기 Vt1은, t1와 동일한 길이 L를 가지면서 상기 제 1 탭 소자에 인접하게 배치되는 제 1 와이어 일부의 부피 Vw 보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 전도성 기판 일부의 온도를 측정하는 방법.
  8. 제 1 열전 물질로 형성되고 제 1 근단 및 제 1 원단을 가지는 제 1 열전 소자로서, 이때 상기 제 1 근단은 제 1 연결 위치에서 상기 제 1 열전 물질로 형성된 중간체인 제 1 탭 소자를 통해 전기 전도성 기판에 연결되고, 절연 부재는 상기 제 1 탭 소자와 상기 전기 전도성 기판 사이에 배치되는 제 1 열전 소자; 및
    제 2 열전 물질로 형성되고 제 2 근단 및 제 2 원단을 가지는 제 2 열전 소자로서, 이때 상기 제 2 근단은 제 2 연결 위치에서 상기 제 2 열전 물질로 형성된 중간체인 제 2 탭 소자를 통해 전기 전도성 기판에 연결되고, 상기 절연 부재가 상기 제 2 탭 소자와 상기 전기 전도성 기판 사이에 배치되는 제 2 열전 소자를 포함하며,
    이때 상기 제 1 연결 위치 및 상기 제 2 연결 위치는, 상기 제 1 근단 및 상기 제 2 근단이 물리적으로 연결되지 않고 상기 제 1 원단 및 상기 제 2 원단이 전압 측정 기기에 전기적으로 연결되도록 공간적으로 이격되어 있는 열전대 회로.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 회로는 1500℃ 이상의 온도에서 30일 동안 2.5℃ 미만의 열전대 온도 이동 속도를 보이는 것을 특징으로 하는 열전대 회로.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 제 1 탭 소자는 두께 t1 및 부피 Vt1을 포함하며,
    상기 제 1 열전 소자는 종축을 가지는 제1 와이어를 포함하고,
    상기 Vt1은, t1와 동일한 길이 L를 가지면서 상기 제 1 탭 소자에 인접하게 배치되는 제 1 와이어 일부의 부피 Vw 보다 큰 것을 특징으로 하는 열전대 회로.
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