KR20110040710A - 열전 발전기 - Google Patents

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KR20110040710A
KR20110040710A KR1020100099515A KR20100099515A KR20110040710A KR 20110040710 A KR20110040710 A KR 20110040710A KR 1020100099515 A KR1020100099515 A KR 1020100099515A KR 20100099515 A KR20100099515 A KR 20100099515A KR 20110040710 A KR20110040710 A KR 20110040710A
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KR
South Korea
Prior art keywords
membrane
shape
thermoelectric generator
layer
thermal expansion
Prior art date
Application number
KR1020100099515A
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English (en)
Inventor
피에릭 데스쿠레
Original Assignee
에스티마이크로일렉트로닉스 (그레노블 2) 에스아에스
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/18—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing electrical output from mechanical input, e.g. generators
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
    • H10N30/308—Membrane type

Abstract

본 발명에 따르면 열전 발전기가 제공되는바, 상기 열전 발전기는, 측면 말단부들에 의해서 지지되며, 멤브레인의 온도가 제 1 임계값에 도달할 때 제 1 형상을 가질 수 있으며 그리고 멤브레인의 온도가 상기 제 1 임계값보다 큰 제 2 임계값에 도달할 때에 제 2 형상을 가질 수 있는 멤브레인과; 그리고 상기 멤브레인의 움직임 및 변형(deformation)을 전기로 변환시킬 수 있는 매커니즘을 포함한다.

Description

열전 발전기{THERMOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 열전 발전기(thermoelectric generator) 즉, 열원(heat source)으로부터 전기를 생성할 수 있는 디바이스에 관한 것이다. 본 발명은, 예컨대, 전자제품 박스(electronic box) 혹은 자동차 머플러와 같은 소정 유형의 장비에 의해서 생성되는 열력(thermal power)을 이용하는 것을 목적으로 한다.
가령, 전화기, 시계 혹은 심장박동 조율기(pacemaker)와 같은 모바일 디바이스에서는, 사용자의 움직임에 기인하는 기계적인 진동으로부터 전기를 생성하기 위해서 압전 마이크로발전기(piezoelectric microgenerator)가 이용되어 왔다. 이는 디바이스의 배터리를 적어도 부분적으로 재충전하는 것을 가능케한다. 이러한 해결책의 단점은, 예컨대, 텔레비전 세트와 같은 고정된 장비의 경우에는 상기 방법이 이용될 수 없다는 점이다.
제벡 효과(Seebeck effect)에 의해서 열을 전기로 직접 변환시킬 수 있는 디바이스들이 또한 제공되어 왔다. 서로 다른 온도를 나타내는 2개의 전도성 물질들의 접합에서 실제로 전위차가 나타난다는 점이 관찰되었다. 하지만, 이러한 디바이스들은 매우 낮은 효율을 갖는다. 실제적으로, 제벡 효과의 이용은 온도 측정 응용예만으로 주로 제한된다.
따라서, 본 발명의 일실시예의 목적은 종래 기술의 몇몇 단점들을 적어도 극복할 수 있는 열전 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예의 목적은 고효율을 갖는 이러한 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예의 목적은 용이하게 제조가능한 이러한 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시예의 목적은 통상적인 장비에 용이하게 통합가능한 이러한 발전기를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 일실시예는 열전 발전기를 제공하는바, 상기 열전 발전기는, 측면 말단부들(lateral ends)에 의해 지지되며 그리고 그 온도가 제 1 임계값에 도달하는 때에 제 1 형상을 가질 수 있으며, 그 온도가 상기 제 1 임계값 보다 큰 제 2 임계값에 도달하는 때에 제 2 형상을 가질 수 있는 멤브레인과; 그리고 상기 멤브레인(membrane)의 움직임(motion) 및 변형(deformation)을 전기로 변환시킬 수 있는 수단을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 변환 수단은 상기 발전기의 출력 단자에 연결되는 압전 물질로 이루어진 영역을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 멤브레인은, 상기 제 1 형상을 가질때, 뜨거운 벽(hot wall)에 접촉할 수 있으며 그리고 상기 제 2 형상을 가질 때, 차가운 벽(cold wall)에 접촉할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 발전기는 또한, 캐비티를 한정하는 겹쳐진 제 1 및 제 2 부분들을 갖는 패키지를 더 포함하며, 상기 멤브레인은 상기 캐비티 내에 정렬되며 그리고 그 측면 말단부에 의해 상기 패키지에 부착되며, 상기 멤브레인은 제 1 형상을 가질 때 상기 패키지의 제 1 부분에 접촉하게 되며 그리고 상기 제 2 형상을 가질 때 상기 패키지의 제 2 부분에 접촉하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 멤브레인은 상기 제 1 형상을 가질 때, 상기 패키지의 상기 제 1 부분의 안쪽 표면의 형상을 취하게 되며 그리고 상기 제 2 형상을 가질 때, 상기 패키지의 상기 제 2 부분의 안쪽 부분의 형상을 취하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 멤브레인은 스프링들(9a, 9b) 상에서 상기 측면 말단부들에 대해 지탱되는(bearing) 바이메탈릭 지지 스트립(bimetallic support strip)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 멤브레인은 형상-기억 물질로 이루어진 지지층을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 형상-기억 물질은 니켈 및 티타늄 합금이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 압전 물질의 상기 영역은 상기 멤브레인 상에 증착된 압전층의 형상을 갖는다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 멤브레인은 다음의 순서로 겹쳐진 물질층들 즉, 제 1 열팽창 계수를 갖는 물질층, 그리고 상기 제 1 열팽창 계수보다 큰 제 2 열팽창 계수를 갖는 물질층, 상기 제 2 열팽창 계수를 갖는 물질층 상에 증착된 압전층을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제 1 열팽창 계수를 갖는 물질층의 두께는 압전층의 두께보다 두껍다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 제 1 열팽창 계수는 압전 물질의 열팽창 계수보다 작다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 발전기는 집적회로 칩 상에 조립될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 발전기는 자동차 머플러 혹은 브레이킹 시스템과 같은 자동차의 뜨거운 표면 상에 조립될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 발전기는 가령 히터 혹은 쿠킹 플레이트(cooking plate)와 같은 열원으로부터 작동하는 배터리 충전기 내에 조립될 수 있다.
본 발명의 전술한 바와 같은 목적들, 양상들 및 이점들은 첨부된 도면들과 함께 하기의 특정 실시예들에 대한 비-제한적인 설명부분에서 더욱 상세히 논의될 것이다.
도 1은 열전 발전기에 대한 실시예의 간략화된 단면도이다.
도 2는 도 1의 열전 발전기에 포함된 모바일 멤브레인의 간략화된 투시도이다.
도 3은 도 1 및 도 2와 관련되어 기술된 열전 발전기의 동작 원리를 예시하는 다이어그램이다.
도 4는 열전 발전기 내에 포함된 모바일 멤브레인의 일례에 대한 간략화된 단면도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 멤브레인의 일부분에 대한 대안적인 실시예들을 예시한 간략화된 단면도이다.
도 6은 열전 발전기에 대한 대안적인 실시예들을 예시한 간략화된 단면도이다.
명확함을 위해서, 동일한 구성요소들은 여러 도면들에서 동일한 참조번호들로 지정되었으며 또한 많은 도면들이 축적대로 그려진 것은 아니다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 디바이스가 제공되는바, 상기 디바이스는,
- 그 온도가 변할 때에 형상을 변경하도록 제공되는 2개의 위치들 사이에서 이동하는 멤브레인에 의해서 열력(thermal power)을 기계력(mechanical power)으로 변환할 수 있으며; 그리고
- 상기 멤브레인에 의해 생성되는 상기 기계력을 전력으로 변환할 수 있다.
도 1은 열전 발전기에 대한 일실시예의 간략화된 단면도이다. 이 발전기는 멤브레인(1)을 포함하며, 상기 멤브레인(1)은 그 측면 말단부들에 의해서 지지부(3)에 부착된다. 이러한 일례에서, 상기 멤브레인(1)은 평면도로 보면, 수 센티미터 단위의 길이와 수 센티미터 단위의 폭을 갖는 직사각형 형상이다. 하지만, 상기 멤브레인은 임의의 형상 및 사이즈를 가질 수 있다. 일례로서, 상기 멤브레인은 원형을 가질 수 있으며, 이 경우 지지부(3)는 링-형상이다.
멤브레인(1)은 그 온도가 변화할 때 2개의 형상들 사이에서 가변할 수 있다. 제 1 형상인 경우, 멤브레인(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 아래쪽으로 구부러진다. 이러한 제 1 형상은 휴지 상태(idle state)에 대응하며, 멤브레인의 온도가 제 1 임계값 T1 보다 낮은 때에 멤브레인은 제 1 형상을 갖는다. 제 2 형상인 경우, 멤브레인은 위쪽으로 구부러진다. 일례로서, 상기 제 2 형상은 지지부(3) 사이의 수평 평면에 대하여 상기 제 1 형상에 실질적으로 대칭일 수 있다. T1 이상인 제 2 임계값 T2 보다 멤브레인의 온도가 높은 때에, 상기 멤브레인은 제 2 형상을 갖는다. 히스테리시스 싸이클(hysteresis cycle)에 따라 작동하는 멤브레인이 본 명세서에서 고려되는바, 즉 제 2 임계값 T2는 제 1 임계값 T1 보다 크다.
멤브레인(1)은, 형상-기억 물질(예컨대, 니켈 및 티타늄 합금)로 이루어진 지지층을 포함할 수 있다. 이러한 물질은 2개의 결정상(crystal phase)을 포함하며 그리고 상기 물질의 온도에 따라 2개의 안정한 위치들을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 멤브레인(1)은 바이메탈 스트립(bimetallic strip)을 포함할 수 있는바, 바이메탈 스트립은 서로 다른 열팽창 계수를 갖는 겹쳐진 2개의 상이한 금속층들로 구성된다. 열팽창 계수들 간의 차이로 인하여, 이러한 스트립은 그 온도가 변화함에 따라, 제 1 방향 혹은 제 2 방향으로 구부러진다. 하지만, 형상-기억 물질의 경우와는 반대로, 바이메탈 스트립의 변형(deforamtion)은 점진적이며 그리고 갑작스럽지 않다. 따라서, 전술한 바와 같이, 상기 멤브레인에 2개의 형상들을 부여하기 위하여, 그리고 하나의 형상에서 다른 하나의 형상으로의 빠른 변환을 위해서, 상기 멤브레인의 측면 말단부들의 비틀림에 의한 스프링들(도 1의 9a, 9b)이 제공된다.
대향하는 2개의 벽(5, 7) 사이에 멤브레인(1)이 배치된다. 아래쪽 벽(5)은 뜨거운 벽인바, 예를 들면, 자동차 머플러의 금속벽 혹은 자동차 브레이크의 금속벽, 집적회로 칩의 패키지가 될 수도 있으며 혹은 집적회로 칩 또는 다른 전자회로의 임의의 뜨거운 표면들이 될 수도 있다. 위쪽 벽(7)은 차가운 벽이다. 즉, 위쪽 벽(7)의 온도는 뜨거운 벽의 온도보다 실질적으로 낮다. 위쪽 벽(7)은 방열기(radiator), 전자 디바이스의 외부 케이스 혹은 단순히 외부 공기일 수도 있다. 상기 멤브레인이 제 1 형상인 경우에는 뜨거운 벽(5)과 접촉하게 되고 그리고 상기 멤브레인이 제 2 형상인 경우에는 차가운 벽(7)과 접촉하게 되도록, 이와 같은 배치가 선택된다.
도 2는 도 1의 멤브레인의 소정 부분에 대한 간략화된 투시도이다. 전술한 바와 같이, 멤브레인(1)은 그 온도에 따라 2개의 형상들 사이에서 교번할 수 있는 지지층(11)을 포함한다. 지지층(11)의 표면에는, 압전 물질층(13)이 제공된다.
온도가 변하는 때에, 지지층(11)의 형상 변화와 지지층(11)의 열 팽창/수축 현상은 압전 물질층(13)에 기계적인 스트레스를 생성한다. 도면에서 화살표 S로 표시된 이러한 스트레스는, 상기 멤브레인에 접선(tangent)인 방향을 따라 주로 가해진다. 상기 일례에서, 압전물질은 미리 바이어스되어 있으며, 따라서 압전물질에서 생성되는 전계는, 상기 압전물질에 가해지는 스트레스 S(멤브레인 표면에 대해 접선 방향임)에 대해 직교한다(멤브레인 표면에 대해 수직임). 이러한 것은, 압전층(13)의 상부 표면과 하부 표면 사이에서 V+ - V- 만큼의 전위차를 생성한다.
압전층(13)의 상부 표면 및 하부 표면에 연결되는 접촉 단자들이 형성된다. 이를 위해서, 압전층(13)의 표면에 배치된 상부 금속 전극(미도시)이 예를 들어 제공될 수도 있다. 멤브레인의 지지층(11)은 금속이며, 이것이 하부 전극으로 이용될 수도 있다. 이후, 도 1에 도시된 바와 같이, 멤브레인의 움직이지 않는(non-mobile) 말단부의 레벨에서 상부 및 하부 전극들에 연결되는 발전기의 출력 단자들이 형성될 수 있다.
도 3은 도 1 및 도 2와 관련하여 설명된 열전 발전기의 작동 원리를 예시한 다이어그램이다. 상기 다이어그램의 좌측 부분은, 멤브레인의 온도 T에 따른 압전층에서의 기계적인 스트레스 S의 변동을 예시한 도면이다. 상기 다이어그램의 우측 부분은, 발전기 출력 단자에서의 시간에 따른 전압 V의 변동을 예시한 도면이다.
초기 페이즈 P0 에서는, 열원이 확립되어 있지 않으며 그리고 멤브레인의 온도는 T1 보다 낮다. 상기 멤브레인은 제 1 형상을 가지며, 발전기의 뜨거운 벽(이 경우에는 초기 페이즈 P0 이므로 차가운 상태)과 접촉한다. 시스템이 가열되기 시작하면, 뜨거운 벽과 접촉하고 있는 멤브레인의 온도는 점진적으로 증가한다.
이하에서는 정상 동작 상태(steady operating state)가 고려될 것인바, 즉, 발전기의 뜨거운 벽과 차가운 벽은 실질적으로 일정한 온도인 Th 와 Tc 를 각각 가지며, 여기서 Tc < T1 < T2 < Th 이다. 이후 상기 발전기는 주기적으로 P1-P2-P3-P4 싸이클을 따른다.
포인트 P1 에서, 멤브레인 온도는 제 1 임계값 T1과 동일하며 그리고 상기 멤브레인은 뜨거운 벽에 접촉하고 있는 제 1 형상을 갖는다. 포인트 P1 과 P2 사이에서 멤브레인의 온도는 점진적으로 증가한다. 이는 압전물질에서 스트레스의 점진적인 변화를 야기하는바, 이는 멤브레인의 금속 지지층의 팽창으로 인한 것이다. 이는 발전기 출력 전압의 점진적인 변화를 야기한다.
포인트 P2에서, 멤브레인의 온도는 제 2 임계값 T2에 도달하며, 이 온도에서 멤브레인의 형상이 변화한다. 상기 멤브레인은 갑작스럽게 제 2 형상을 갖게되며 그리고 발전기의 차가운 벽과 접촉하게 된다. 이러한 것은 압전물질층에서 기계적인 스트레스의 갑작스런 변동을 야기하며, 발전기 출력 단자에서의 상기 전압의 갑작스런 변동을 야기한다.
이후, 포인트 P3로부터, 차가운 벽에 접촉하고 있는 멤브레인의 온도는 점진적으로 낮아지는바, 따라서 압전물질층에서의 스트레스의 점진적인 변화를 야기한다. 이러한 것은, 발전기 출력 단자에서 전압의 점진적인 변동을 야기한다.
포인트 P4에서, 멤브레인의 온도는 멤브레인의 형상이 변화하는 제 1 임계값 T1에 도달한다. 상기 멤브레인은 제 1 형상으로 갑작스럽게 복원되며 발전기의 뜨거운 벽에 접촉하게 된다. 이러한 것은 압전층에서의 스트레스의 갑작스런 변동을 야기하며, 발전기 출력 단자에서 전압이 갑작스럽게 변동되게 한다. 이후, 싸이클은 포인트 P1 으로부터 재개된다.
따라서, 뜨거운 벽의 열력(thermal power)은 멤브레인에 의해서 차가운 벽으로 점차적으로(by increments) 전달된다. 이러한 전달은 멤브레인의 변위(displacement) 및 멤브레인의 팽창/수축 현상을 야기한다. 이러한 현상에 관계되는 기계력은 전력(electric power)으로 부분적으로 변환된다.
제안된 시스템의 장점은, 압전물질을 액츄에이트(actuate) 하기 위해서, 멤브레인의 형상 변화에 관련된 기계적인 스트레스 뿐만 아니라 멤브레인의 팽창/수축에 관련된 기계적인 스트레스도 이용하는 것이 가능하다는 점이다.
발전기의 효율을 최적화하기 위해서, 차가운 벽과 뜨거운 벽의 온도 차이인 Th - Tc 가 최대인 것이 바람직하다. 또한, 멤브레인의 형상이 변화하는 온도인 임계값 T1 과 T2 사이의 온도 차이도 큰 것이 바람직하다. 하나의 일례로서, 뜨거운 벽과 차가운 벽의 온도인 Th 및 Tc 가 각각 80℃ 와 30℃ 라면, 형상이 변화화는 임계값인 T1 및 T2 가 각각 40℃ 및 70℃ 인 멤브레인이 제공될 수 있다.
뜨거운 벽 및 차가운 벽과 멤브라인과의 열 접촉(thermal contact)을 개선하기 위하여, 오일 필름(oil film) 혹은 열적으로 전도성인 페이스트(thermally-conductive paste)가 각각의 벽 상에 제공될 수도 있다(필요하다면). 또한, 상기 멤브레인은, 뜨거운 벽과 차가운 벽 사이의 열 전달의 빈도(frequency)를 증대시키기 위하여 작은 열 용량(heat capacity)을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 큰 열 팽창 계수를 갖는 적어도 하나의 물질이 멤브레인 지지층을 형성하도록 선택되는 것이 바람직하다.
또한, 멤브레인의 질량(지지층 + 압전층)은, 멤브레인의 변위를 지연시키거나 혹은 방해하는 것을 회피하기 위하여, 충분히 작은 것이 바람직하다. 하나의 일례로서, 금속 지지층의 두께는 약 0.5 ~ 1.0 mm 범위이며 그리고 압전층의 두께는 약 0.1 ~ 0.2 mm 범위이다.
도 4는 도 1 내지 도 3과 관련하여 기술된 유형의 열전 발전기의 2개의 위치들 사이에서 움직일 수 있는 멤브레인에 대한 간략화된 단면도이다. 이러한 일례에서, 멤브레인은 바이메탈릭 지지부(bimetallic support)를 포함하는바, 바이메탈릭 지지부는 매우 낮은 열팽창 계수를 갖는 제 1 금속(예컨대, Invar)의 하부층(21)과 큰 열팽창 계수를 갖는 제 2 금속의 상부층(23)을 포함한다. 상기 제 2 금속은 큰 열팽창 계수를 갖는 형상-기억 물질(예컨대, 니켈 및 티타늄 합금)이 될 수 있다. 제 2 금속이 형상-기억 물질이 아닌 경우에는, 열 싸이클의 히스테리시스-타입 행동을 보장할 수 있는 측면 스프링들이 제공될 수도 있다.
바이메탈릭 지지부의 표면에는, 낮은 열팽창 계수를 갖는 층의 대향하는 측 상에는, 압전층(25)이 제공된다. 상기 일례에서, 압전층은 금속 전극(27)으로 덮혀 있는바, 금속 전극(27)은 발전기의 출력단자 V- 에 연결될 수 있다. 발전기의 출력단자 V+ 는 바이메탈릭 지지부(21, 23)에 직접 연결될 수 있다.
이러한 실시예의 일 장점에 따르면, 불변층(invariant layer)(21)에 대향하는 바이메탈릭 지지부의 일측 상에 압전층을 위치시키는 것은, 금속 지지부의 팽창/수축 현상에 관련된 기계적인 스트레스를 압전층에서 증폭시킬 수 있다는 점이다.
상기 층(23)이 형상-기억 물질로 만들어진 경우, 온도가 증가하면 상기 층(23)은 확장하는 경향이 있으며 특히 길이가 증가하는 경향이 있다. 작은 열팽창 계수 때문에, 압전층은 지지층(23)에 비해서 더 적게 길이적으로 팽창할 것이다. 따라서, 불변층(21)이 없는 경우, 상기 멤브레인은 점진적인 온도 상승 동안에 점차적으로 구부러지는 경향이 있다. 이러한 구부러짐은 압전물질에 가해지는 스트레스의 감소를 야기할 것인바, 상기 구부러짐은, 압전층의 늘어남(elongation)(지지층에 의해 강요되는)을 제한하는 경향이 있기 때문이다. 압전층의 두께 보다 더 큰 두께를 갖고 있으며 압전층의 열팽창 계수보다 실질적으로 더 작은 열팽창 계수를 갖는 불변층(21)의 존재는, 이러한 구부러짐 현상을 제거할 뿐만 아니라 오히려, 반대 방향으로의 구부러짐을 야기할 것인바, 이러한 반대 방향으로의 구부러짐은 압전층에 가해지는 스트레스를 증폭시킨다.
불변층(21)과 상기 층(23)이 스프링들에 의해서 높은 위치 혹은 낮은 위치에 있게되는 통상적인 바이메탈릭 지지부를 형성하는 경우(형상 기억 물질 없이), 온도가 증가하는 때에, 상기 바이메탈릭 지지부는 구부러지는 경향이 있다. 만일, 작은 열팽창 계수를 갖는 압전층이 불변층(21) 측에 위치하게 된다면, 상기 압전층은 지지부의 구부러짐을 강화시킬 것이다. 이는 압전층의 늘어남(elongation)(지지부의 팽창에 의해 강요되는)을 제한하게 될 것이며, 따라서 압전물질에 가해지는 스트레스를 감소시킬 것이다. 불변층에 대향하는 측에 압전층을 위치시키는 것은, 이러한 구부러짐 현상을 방지할 뿐만 아니라, 오히려 반대 방향으로의 구부러짐을 야기하는 경향이 있다. 이는 압전층에 가해지는 스트레스를 상당히 증폭시킬 수 있다.
본 발명의 발명자들에 의해 실시된 시뮬레이션에 따르면, 도 4와 관련되어 설명된 실시예에서 열력(thermal power)을 전력(electric power)으로 변환시키는 변환 효율이 대략(on the order of) 15% 정도임을 나타낸다.
도 5a는 전술한 바와 같은 유형의 열전 발전기의 압전층(31)과 금속 전극들에 의한 출력 단자 V+ 및 V- 로의 연결을 도시한 간략화된 단면도이다. 상기 도면에서는 명료함을 위해서, 수평 치수들에 비하여 수직 치수들이 특히 확대되었다.
도 5b는 전술한 유형의 열전 발전기의 압전층과 출력 단자 V+ 및 V- 로의 연결에 대한 대안적인 실시예를 도시한 간략화된 단면도이다. 상기 도면에서는 명료함을 위해서, 수평 치수들에 비하여 수직 치수들이 특히 확대되었다. 이러한 변형예에서는, 두꺼운 압전층 대신에, 중첩된 다수의 얇은 압전층(33)들이 제공된다. 매우 얇은 것이 바람직한 금속 전극들은, 압전층(33)의 전면 표면(front surface)과 후면 표면(rear surface)들을 출력 단자 V+ 및 V- 에 교변적으로 연결한다.
압전층(33)의 전면 표면과 후면 표면들 사이에서 생성된 전압은 압전층의 두께와 관련있음을 유의해야 한다. 따라서, 도 5a의 단일층 일례에서, 두꺼운 압전층은 상당히 높은 전압을 생성한다. 도 5b에 도시된 다중층 변형예의 장점은, n배 만큼 더 적은 전압에서 단일층 구조와 동일한 전력(electric power)을 제공하는 것이 가능하다는 점이다. 여기서, n은 얇은 층들(33)의 개수이며, 얇은 층들(33)(도 5b)의 두께의 합은 상기 층(31)(도 5a)의 두께와 동일하다.
도 6은 열전 발전기의 대안적인 실시예에 대한 간략화된 단면도이다. 발전기(41)는 위에서 내려다 보았을 때 예컨대, 직사각형 형상을 갖는 패키지를 포함한다. 상기 패키지는 열원과 접촉할 수 있는 아래쪽 부분(43) 및 상기 아래쪽 부분과 겹쳐지며 콜드 소스(cold source)에 접촉할 수 있는 위쪽 부분(45)을 포함한다. 상기 아래쪽 부분(43)과 위쪽 부분(45)은 열 전도성(thermally conductive)이 있는 것이 바람직하며 그리고 단열 물질(thermally-insulating material)(47)에 의해서 서로 분리된다. 패키지의 아래쪽 부분(43)과 위쪽 부분(45)은 캐비티(49)를 한정한다. 이러한 일례에서, 패키지의 상기 부분들(43, 45)의 하부 표면은 분지-형상(basin-shaped) 이다. 캐비티(49) 내에는, 예를 들어 도 4와 관련하여 전술한 유형의 2개의 위치들 사이에서 움직일 수 있는 멤브레인(51)이 제공된다. 멤브레인(51)은 그 측면 말단부들에 의해서 패키지에 부착된다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 제 1 형상에서, 상기 멤브레인은 패키지의 뜨거운 부분(43)의 내부 표면의 형상을 취한다. 그리고 제 2 형상에서, 상기 멤브레인은 패키지의 차가운 부분(45)의 내부 표면의 형상을 취한다.
이러한 실시예의 장점은, 멤브레인과 핫 소스 및 콜드 소스 사이에서 양호한 열 접촉이 제공될 수 있다는 점이다.
또한, 이러한 패키지는 열원을 포함하고 있는 임의의 디바이스 내에 용이하게 통합될 수 있다.
본 발명의 특정 실시예들이 설명되었다. 다양한 변형예들 및 수정예들이 해당 기술분야의 당업자들에게 자명할 것이다.
특히, 이동형 멤브레인(mobile membrane)이 멤브레인 상에 직접 증착된 압전층의 형상을 갖는 압전 구성요소를 액츄에이트시키는 열전 발전기가 설명되었다. 압전 구성요소의 또 다른 배치들이 제공될 수도 있다. 예를 들면, 멤브레인의 측면 말단부들을 그 상에 지지하고 있는 압전 물질의 블록들이 제공될 수 있는바, 따라서 각각의 형상 변화에서 상기 멤브레인은 이들 블록들에게 압력을 가할 수 있다.
좀더 일반적으로, 이동형 멤브레인의 기계력을 전력으로 변환할 수 있는 또 다른 수단을 제공하는 것은 해당 기술 분야의 당업자의 능력 내에 있을 것이다.
또한, 본 발명은 열전 발전기를 동작시키기 위해서 전술한 바와 같은 열원(heat source)을 이용하는 것에 한정되지 않는다. 본 발명의 대안적인 실시예에 따르면, 도시되어 있지 않지만, 차가운 벽(cold wall)은 바로 집적회로 칩의 기판의 후면 표면이 된다. 이러한 변형예에서는 제 1 형상에서, 상기 멤브레인은 기판의 후면 표면의 형상을 취할 것이다.
유사하게, 방열기 혹은 쿠킹 플레이트와 같은 열원으로부터 배터리(예를 들면, 리튬-이온 배터리)를 재충전할 수 있는 열전 발전기가 제공될 수도 있다.
또한, 본 발명은 압전 구성요소를 발전기의 출력 단자에 연결하는 전술한 바와 같은 수단들로 제한되지 않는다. 임의의 적절한 연결 수단들을 이용하는 것은 해당 기술분야 당업자의 능력 내에 속할 것이다.
1: 멤브레인 3: 말단부
5: 아래쪽 벽, 뜨거운 벽 7: 위쪽벽, 차가운 벽
11: 지지층 13: 압전 물질층
21: 하부층, 불변층 23: 상부층
25: 압전층 27: 금속 전극

Claims (12)

  1. 열전 발전기(thermoelectric generator)로서,
    측면 말단부들에 의해서 지지되며, 멤브레인의 온도가 제 1 임계값(T1)에 도달할 때 제 1 형상을 가질 수 있으며 그리고 멤브레인의 온도가 상기 제 1 임계값(T1)보다 큰 제 2 임계값(T2)에 도달할 때에 제 2 형상을 가질 수 있는 멤브레인(1, 51)과, 상기 멤브레인은, 차례로 겹쳐지는, 제 1 열팽창 계수를 갖는 물질층(21)과 상기 제 1 열팽창 계수보다 큰 제 2 열팽창 계수를 갖는 물질층(23)을 포함하며; 그리고
    상기 멤브레인의 움직임 및 변형(deformation)을 전기로 변환시키기 위해, 상기 멤브레인 상에 증착되며 그리고 상기 열전 발전기의 출력 단자들(V+, V-)에 연결되는 압전 물질(piezoelectric material) 층(25)
    을 포함하며,
    상기 압전 물질층(25)은 상기 제 2 열팽창 계수를 갖는 상기 층(25) 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 제 1 형상인 때에는 뜨거운 벽(5)에 접촉할 수 있으며 그리고 제 2 형상인 때에는 차가운 벽(7)에 접촉할 수 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    캐비티(49)를 한정하는(delimiting), 서로 겹쳐진 제 1 부분(43) 및 제 2 부분(45)을 포함하는 패키지를 더 포함하며,
    상기 멤브레인(51)은 상기 캐비티 내에 배치되며 그리고 상기 측면 말단부들에 의해서 상기 패키지에 부착되며, 상기 멤브레인은 제 1 형상인 때에는 상기 패키지의 제 1 부분에 접촉할 수 있으며 그리고 제 2 형상인 때에는 상기 패키지의 제 2 부분에 접촉할 수 있는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 제 1 형상인 때에는 상기 패키지의 상기 제 1 부분(43)의 안쪽 표면의 형상을 취하며 그리고 제 2 형상인 때에는 상기 패키지의 상기 제 2 부분(45)의 안쪽 부분의 형상을 취하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  5. 제1항 내지 제4항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 스프링들(9a, 9b) 상에서 상기 측면 말단부들에 대해 지탱되는(bearing) 바이메탈릭 지지 스트립(bimetallic support strip)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  6. 제1항 내지 제5항에 있어서,
    상기 멤브레인은, 형상-기억 물질로 만들어진 지지층을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 형상-기억 물질은 니켈 및 티타늄 합금인 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  8. 제1항 내지 제7항에 있어서,
    상기 제 1 열팽창 계수를 갖는 상기 물질층(21)의 두께는 상기 압전 물질층(25)의 두께보다 두꺼운 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  9. 제1항 내지 제8항에 있어서,
    상기 제 1 열팽창 계수는 상기 압전 물질층의 열팽창 계수보다 작은 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  10. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 열전 발전기는, 집적회로 칩 상에 조립되도록 된 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  11. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 열전 발전기는, 자동차 머플러 혹은 브레이킹 디바이스와 같은 자동차의 뜨거운 표면 상에 조립되도록 된 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
  12. 제1항 내지 제9항에 있어서,
    상기 열전 발전기는, 히터 혹은 쿠킹 플레이트(cooking plate)와 같은 열원(heat source)으로부터 동작하는 배터리 충전기 내에 조립되도록 된 것을 특징으로 하는 열전 발전기.
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Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2977983B1 (fr) * 2011-07-11 2013-08-16 Commissariat Energie Atomique Systeme de conversion d'energie thermique en energie electrique
FR2982424B1 (fr) 2011-11-09 2014-01-10 Commissariat Energie Atomique Systeme de conversion d'energie thermique en energie electrique a efficacite amelioree
FR2988911A1 (fr) * 2012-04-02 2013-10-04 St Microelectronics Crolles 2 Plaque incurvee et son procede de fabrication
FR2988912A1 (fr) * 2012-04-02 2013-10-04 St Microelectronics Crolles 2 Dispositif de recuperation d'energie
FR2997247B1 (fr) 2012-10-22 2016-12-09 Commissariat Energie Atomique Generateur d'electricite et recuperateur d'energie
FR3009653B1 (fr) * 2013-08-09 2015-08-07 Commissariat Energie Atomique Dispositif de conversion d'energie thermique en energie electrique
US9793829B2 (en) * 2013-09-25 2017-10-17 Prime Photonics, Lc Magneto-thermoelectric generator for energy harvesting
ITPD20130301A1 (it) * 2013-11-08 2015-05-09 Claudio Tiso Dispositivo autoalimentato di cambio dei rapporti di trasmissione per biciclette
FR3013509B1 (fr) * 2013-11-15 2016-01-01 Commissariat Energie Atomique Systeme de conversion d'energie thermique et/ou mecanique en energie electrique
DE102016114566A1 (de) * 2015-08-10 2017-02-16 Bürkert Werke GmbH Folienwandler und Aktorstreifen für einen Folienwandler
FR3042925B1 (fr) * 2015-10-26 2017-12-22 St Microelectronics Crolles 2 Sas Systeme de conversion d'energie thermique en energie electrique.
JP7108645B2 (ja) * 2020-01-27 2022-07-28 株式会社鷺宮製作所 計測システムおよび診断システム
DE102021133220A1 (de) 2021-12-15 2023-06-15 Dryad Networks GmbH Piezo/bi-metall energiequelle

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2544201A1 (de) * 1975-10-03 1977-04-07 Inter Control Koehler Hermann Rueckstellbarer temperaturbegrenzer
JP2820703B2 (ja) * 1989-01-25 1998-11-05 株式会社オリエント 温度電流感知器
KR100466373B1 (ko) * 2001-12-31 2005-01-14 한국과학기술연구원 미소 전자 기계 구조의 발전기
US6975060B2 (en) * 2003-01-30 2005-12-13 Donald Styblo Meso-to-micro-scaleable device and methods for conversion of thermal energy to electrical energy
KR100524343B1 (ko) * 2003-10-30 2005-10-28 한국과학기술연구원 이중 박막을 갖는 마이크로 시스템용 발전기
FR2951873B1 (fr) * 2009-10-26 2011-12-09 St Microelectronics Crolles 2 Dispositif de conversion d'energie thermique en electricite

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