KR20160146301A - 3D orthogonal woven fabrics for thermoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 두 개의 서로 다른 금속 선으로 이루어진 접합점을 가지는 폐회로를 구성해 열에너지와 전기 에너지가 상호작용하는 열전 현상(Thermoelectric Effect)을 이루게 하는 열전소자용 3차원 직교 직물에 관한 것이다.The present invention relates to a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric element, which constitutes a closed circuit having a junction point made of two different metal wires to achieve a thermoelectric effect in which thermal energy and electric energy interact with each other.
열전 현상(Thermoelectric Effect)이란 두 개의 서로 다른 금속 선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고, 양단에 온도차가 주면 두 접점 사이에 전위차가 발생한다. 이를 열전 현상이라 부르고, 이때 발생한 전위차를 열기전력이라고 한다.A thermoelectric effect is a phenomenon in which a closed circuit is formed by connecting the two ends of two different metal wires and a potential difference is generated between the two contacts when a temperature difference is applied across the two ends. This phenomenon is called thermoelectric phenomenon.
이러한 열전 현상은 양단 간의 온도차를 이용하여 기전력을 얻어내는 제벡효과(Seebeck effect), 기전력으로 냉각과 가열을 하는 펠티에 효과(Peltier effect), 도체의 선상의 온도차에 의해 기전력을 발생하는 톰슨 효과(Thomson Effect)로 나눌 수 있다.This thermoelectric phenomenon is caused by the Seebeck effect which obtains the electromotive force by using the temperature difference between the both ends, the Peltier effect which is cooled and heated by the electromotive force, the Thomson effect which generates electromotive force by the temperature difference on the line of the conductor Effect).
열전 재료는 상기 양단 접점에 온도차를 주었을 때 전기에너지가 생기고 반대로 열전 재료에 전기에너지를 주었을 때 재료 양단 간에 온도차가 생기는 에너지 변환 재료이다. 이러한 열전 재료는 19세기 초에 열전 현상인 제벡효과(Seebeck effect), 펠티에효과(Peltier effect), 톰슨효과(Thomson effect) 등이 발견 후, 1930년대 후반부터 반도체의 발전과 더블어 열전 성능지수가 높은 열전 재료로 개발되었다. 최근에는 열전 발전을 이용한 산간 벽지용, 우주용, 군사용 등의 특수 전원장치로의 사용과 열전 냉각을 이용한 반도체 레이저 다이오드, 적외선 검출소자 등에서의 정밀한 온도제어나 컴퓨터 관련 소형 냉각기와 온도조절장치, 열교환기 등에 사용되고 있다.The thermoelectric material is an energy conversion material in which electrical energy is generated when a temperature difference is given to the contact points at both ends, and a temperature difference is generated between opposite ends of the thermoelectric material when electrical energy is applied thereto. These thermoelectric materials were found in the early 19th century after the discovery of the thermoelectric phenomenon Seebeck effect, Peltier effect, and Thomson effect. From the latter half of the 1930s, It was developed as a thermoelectric material. Recently, the use of thermoelectric power as a special power source device for mountainous space, space, and military use, precise temperature control in semiconductor laser diodes and infrared ray detection devices using thermoelectric cooling, miniature coolers and thermostats for computers, heat exchange And so on.
열전 성능지수는 전기전도도와 제벡계수를 곱하고 이를 열전도도로 나눈 값으로 나타낼 수 있다. 열전 성능지수가 높다는 것은 열전 재료의 에너지 변환효율이 높다는 것을 의미하며, 성능지수를 좌우하는 변수 중에서 제벡계수와 전기전도도는 주로 전하의 이동에 의존하고, 열전도도는 주로 격자의 산란에 의존한다. 상기 열전 재료에서 세 인자는 각각 서로 연관된 상보적 관계에 있다. 예를 들어 전자의 수가 증가할수록 전기전도도는 증가하지만 동시에 제벡 계수의 감소를 가져오고, 열전도도의 경우 물질의 격자진동뿐만 아니라 자유 전자의 영향을 동시에 받아 열전도도를 증가시키게 된다. 이와 같은 상보적 관계는 열전 성능지수가 뛰어난 고효율의 열전 재료의 개발을 저해하는 요인이 되어 왔다.The thermoelectric performance index can be expressed by multiplying the electrical conductivity by the Seebeck coefficient and dividing it by the thermal conductivity. The high thermoelectric performance index means that the energy conversion efficiency of the thermoelectric material is high. Among the parameters which depend on the performance index, the Seebeck coefficient and the electric conductivity depend mainly on the charge transfer, and the thermal conductivity mainly depends on the scattering of the lattice. In the thermoelectric material, the three factors are in a mutually related complementary relationship. For example, as the number of electrons increases, the electrical conductivity increases but at the same time the decrease of the Seebeck coefficient. In the case of thermal conductivity, the thermal conductivity increases due to the lattice vibration of the material as well as the influence of free electrons. Such a complementary relationship has been a factor hindering the development of high efficiency thermoelectric materials having excellent thermoelectric performance indexes.
여기서, 제벡 계수의 개념은 열전 재료의 양단 접합점에서 1℃ 당 온도차로 인하여 발생하는 열기전력을 제벡 계수라 한다.Here, the concept of the Seebeck coefficient is called the Seebeck coefficient, which is caused by the temperature difference per 1 ° C at the junction of both ends of the thermoelectric material.
금속의 제벡 계수는 반도체의 경우보다 매우 적기 때문에 열 전기쌍으로는 널리 사용되고 있지만, 금속 재료의 접합점을 이용한 열전 냉각이나 발전은 실용화하지 못하고 있다. 그리고 이종 금속 선을 직물로 제직하여 열전 현상을 이용하고 있었으나 이종 금속간 접합점이 직물 조직의 교착 구조 때문에 전기적인 접촉 저항이 발생하여 열기전력이 일어나지 못하는 문제점이 있었다.Although the Seebeck coefficient of metal is much smaller than that of semiconductors, it is widely used as a thermoelectric pair, but thermoelectric cooling or power generation using a junction of metal materials has not been practically used. In addition, thermoelectric phenomenon was used to weave heterogeneous metal wires with fabric, but there was a problem in that the junctions between dissimilar metals were not able to generate thermoelectric power due to electrical contact resistance due to the structure of the fabric structure.
본 발명의 목적은 열전 변환 효율이 낮은 금속 재료로도 열전 효과를 낼 수 있게 무수한 접합점을 형성하는 3차원 직교 직물 구조를 취하면서, 이종 금속 선을 커버링사(covering yarn)로 사용함으로써 이종 금속간 접합점의 접촉 면을 증가시키고, 직물의 유연성을 높이는 열전 효과를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a three-dimensional orthogonal fabric structure that forms innumerable junctions so as to obtain a thermoelectric effect even with a metal material having a low thermoelectric conversion efficiency, To provide a thermoelectric effect that increases the contact surface of the junction and increases the flexibility of the fabric.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 반복으로 제직되어 직물이 형성되는 열전소자용 3차원 직교 직물에 있어서, 상기 3차원 교직 직물은 바인더 날실(11), 중간부 날실(12), 상부 씨실(21), 중간부 씨실(22), 하부 씨실(23)로 구성되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실을 관통하여 두께 방향으로 배열되어 제직되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실에 직각으로 관통되고, 상기 상·하부 씨실이 제직되어 상·하부 씨실 층이 형성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실의 재질은 열 전기쌍을 이루는 두 종류의 금속 재료이고, 상기 상부 씨실 층과 하부 씨실 층의 일단부에 경사 방향으로 상·하부 전극 선(31, 33)으로 직조되어 상기 상·하부 전극 선과 상·하부 씨실(21, 23)이 각각 전기적으로 연결되고, 상기 중간부 날실과 중간부 씨실은 탄성사로 구성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실은 탄성사나 일반 섬유를 중심 실(2)로 하여 열 전기쌍을 이루는 금속 선으로 피복한 실(3)인 커버링사(1)로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, the above object can be achieved by a method for fabricating a weft yarn, comprising the steps of opening the warp yarn into upper and lower groups by opening movement of the weft yarn shear, The three-dimensional orthopedic fabric for a thermoelectric device according to
본 발명은 3차원 직교 직물 구조로 열전기력을 발생할 수 있도록 열전 접합점에 접촉 면을 증가시키고, 이종 금속 선을 커버링사로 구성하여 기계적 강도와 유연성을 증가시키는 열전 냉각이나 열전 발전으로 사용할 수 있는 효과가 있다.The present invention can be used as thermoelectric cooling or thermoelectric power generation in which a contact surface is increased at a thermocouple junction so that a thermoelectric force can be generated in a three-dimensional orthogonal fabric structure, and a heterogeneous metal wire is formed of a covering yarn to increase mechanical strength and flexibility have.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물의 단면도.
도 2는 기존 열 전기쌍으로서 두 개의 서로 다른 금속을 고리 모양으로 붙여 놓은 상태도.
도 3은 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물의 열기전력 폐회로.
도 4는 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물의 제직 공정도.
도 5는 기존 3차원 직물의 대표적인 종류를 나타낸 상태도
도 6은 본 발명에 따른 열전소자용 커버링사의 상태도.1 is a cross-sectional view of a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric device according to the present invention.
FIG. 2 is a state in which two different metals are annularly bonded as an existing thermoelectric pair. FIG.
Figure 3 is a thermal power closed circuit of a three-dimensional orthogonal fabric for thermoelectric devices according to the present invention.
4 is a process for weaving a three-dimensional orthogonal fabric for thermoelectric elements according to the present invention.
Figure 5 is a state diagram showing representative types of conventional three-
6 is a state view of a covering yarn for a thermoelectric device according to the present invention.
본 발명은 제직기 종광의 개구 운동에 의해 날실을 상하 그룹으로 개구시키고, 개구된 날실 속을 북침 운동에 의해 씨실을 위입하고, 바디가 개구 내에 위입된 씨실을 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동의 반복으로 제직되어 직물이 형성되는 열전소자용 3차원 직교 직물에 있어서, 상기 3차원 교직 직물은 바인더 날실(11), 중간부 날실(12), 상부 씨실(21), 중간부 씨실(22), 하부 씨실(23)로 구성되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실을 관통하여 두께 방향으로 배열되어 제직되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실에 직각으로 관통되고, 상기 상·하부 씨실이 제직되어 상·하부 씨실 층이 형성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실의 재질은 열 전기쌍을 이루는 두 종류의 금속 재료이고, 상기 상부 씨실 층과 하부 씨실 층의 일단부에 경사 방향으로 상·하부 전극 선(31, 33)으로 직조되어 상기 상·하부 전극 선과 상·하부 씨실(21, 23)이 각각 전기적으로 연결되고, 상기 중간부 날실과 중간부 씨실은 탄성사로 구성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실은 탄성사나 일반 섬유를 중심 실(2)로 하여 열 전기쌍을 이루는 금속 선으로 피복한 실(3)인 커버링사(1)로 구성되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the warp yarn is opened to upper and lower groups by the opening motion of the weft knitting machine, the weft yarn is introduced in the opened warp yarn by the napping motion, and the body pushes the weft yarn in the opening up to the front of the woven fabric, A three-dimensional orthopedic fabric for a thermoelectric element which is woven by repetition of a body needle movement to complete the tissue of a weft, the three-dimensional orthopedic fabric for a thermoelectric element comprising a binder warp yarn (11), an
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
직물은 날실와 씨실이 서로 아래위로 교차하여 어떤 넓이의 평면체가 된 천이다. 직기로 짜여지며 날실와 씨실의 교차 방법에 따라 여러 가지 직물 조직이 된다.A fabric is a cloth with a warp and a weft that cross over one another and have a certain flatness. It is woven by loom and becomes various fabric organization according to the way of crossing warp and weft.
제직 공정의 주운동은 직물에 따라 날실을 2개 층으로 분리하여 개구(shed)라고 하는 터널(tunnel)을 형성하는 과정인 개구 운동(shedding motion), 직물 폭에 따라 씨실을 개구 된 날실 사이를 통과시키는 북침 운동(picking motion), 그리고 개구를 통과한 씨실을 바디로써 제직된 직물 앞까지 밀어주어 날실과 씨실의 조직을 완성시키는 바디침 운동(beating motion)으로 구성된다. 또한 제직을 연속적으로 하려면 날실을 경사빔에서 풀어 필요한 속도와 적당한 일정 장력으로써 제직 부분에 공급하는 송출운동(let-off)과 필요한 씨실 간격 만큼 일정한 양의 직물을 제직 부분에서 빼내어 직물을 롤러에 감는 권취운동(take-up)이 필요하다.The main motions of the weaving process are shedding motion, which is a process of separating the warp yarn into two layers according to the fabric and forming a tunnel called a shed, And a beating motion that completes the organization of the warp and weft by pushing the weft through the opening to the front of the weaving fabric with the body. In order to continuously weave, the warp yarn is loosened from the oblique beam, and a let-off is performed to feed the weft yarn at a predetermined speed and a predetermined constant tension, and a certain amount of weft yarn is separated from the weft yarn Take-up is needed.
도 1은 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물의 단면도서, 3차원 직교 직물의 구성은 3 그룹의 실인 날실, 씨실, 그리고 z-축 실로 구성되고, 상기 3 그룹의 실은 조직을 이루기 위해 날실은 경사방향으로, 그리고 다른 실은 직교 방향으로 교차되며, 씨실은 경사 층 사이에 위입되고, z-축 실은 바인더 날실 기능으로 다른 그룹의 실을 결속시켜 조직이 완성되는 것을 특징으로 하며, 본 발명의 열전소자용 3차원 직교 직물은 중간부 날실(12)과 상부 씨실(21), 중간부 씨실(22), 하부 씨실(23) 간을 바인더 날실(11)로 연결, 교착, 결속시켜 3차원적인 다층 교직 직물을 형성한다.1 is a cross-sectional view of a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric device according to the present invention, wherein the structure of the three-dimensional orthogonal fabric is composed of three groups of false warp yarns, weft yarns, and z-axis yarns, The warp yarns are crossed in the oblique direction and the other yarns are crossed in the orthogonal direction, the weft yarns are interposed between the warp yarns, and the z-axis yarns are bound to the yarns of the other groups by the function of the warp warp yarns, Dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric element connects, interlocks, and binds the
상기 중간부 날실과 상부 씨실, 중간부 씨실, 하부 씨실, 및 바인더 날실로 3차원 직교 직물이 형성되고, 상기 형성된 3차원 직교 직물의 상부 씨실(21)로 구성된 상부 씨실 층과 하부 씨실(23)로 구성된 하부 씨실 층이 이루어지는 것을 특징으로 한다.A three-dimensional orthogonal fabric is formed by the intermediate weft yarn, the upper weft yarn, the intermediate weft yarn, the lower weft yarn, and the binder yarn yarn. The upper weft yarn layer and the lower
상기 상부 씨실 층 및 하부 씨실 층 사이에 바인더 날실로 결속되어 각각 상부 씨실 층이 3차원 직교 직물의 상부 층이 되고, 하부 씨실 층이 3차원 직교 직물의 하부 층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Wherein the upper weft layer is bounded by the binder warp yarn between the upper weft yarn layer and the lower weft yarn layer, and the lower weft yarn layer is formed by the lower layer of the three-dimensional orthogonal fabric.
도 2는 기존 열전기쌍으로 두 개의 서로 다른 금속을 고리 모양으로 붙여 놓은 상태도로서 열전쌍이라고도 하고, 제베크효과에 의한 열기전력을 얻기 위해 2종류의 금속인 도체 a(51)와 도체 b(52)의 양끝을 연결하여 만든 폐회로를 의미한다. 2개의 접합점이 같은 온도일 때는 전류가 흐르지 않지만, 온도가 다르면 열전기 현상에 의해 회로에 전류가 흐른다. 예를 들면 구리와 콘스탄탄의 열전기쌍의 경우, 한쪽 접합점을 0℃, 다른 쪽을 100℃로 유지하면 열전류는 100℃의 접함점을 통하여 구리 쪽으로 흐르는데, 이때 열기전력은 4.24mV이다. 접합점의 온도를 각각 일정하게 유지하면서 회로 중간을 잘라 제3의 금속을 이어도 양쪽 이음점의 온도를 같게 하면, 열기전력은 변하지 않는다.FIG. 2 is a state in which two different metals are annularly attached to an existing thermocouple pair, which is also referred to as a thermocouple. In order to obtain thermoelectric power by the Hebeck effect, two kinds of metals, a
도 3은 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물의 열기전력 폐회로로서 상부 씨실(21)과 하부 씨실(23) 사이에 바인더 날실(11)이 전기적으로 연결되어 상·하부 씨실 상에 다수의 접합점이 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 상부 씨실과 하부 씨실 사이에 바인더 날실의 갯수 만큼 직물 폭방향으로 이종금속간 접합점이 형성되는 것이다. 즉, 직물 폭 방향으로 전기적인 병렬 구조가 형성되는 것이다.3 is a thermo-electric power-generating closed circuit of a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric device according to the present invention, in which a
그리고, 상기 직물 폭 방향으로 형성된 전기적 병렬 구조가 3차원 직교 직물이 제직되며 직물 길이 방향으로도 전기적 병렬 구조가 형성되는 것을 특징으로 한다. 직물 길이 방향의 전기적 병렬 구조 형성은 상기 상부 씨실 층과 하부 씨실 층의 일단부에 경사 방향으로 상·하부 전극 선(31, 33)으로 직조되어 상기 상·하부 전극 선과 상·하부 씨실(21, 23)이 각각 전기적으로 연결되기 때문이다. 즉, 3차원 직교 직물의 상부 층과 하부 층에서 직물 폭과 길이 방향으로 각각 평면적으로 무수한 이종금속간 접합점이 형성되는 것이다.The electrically parallel structure formed in the fabric width direction is characterized in that the three-dimensional orthogonal fabric is woven and an electrical parallel structure is formed in the fabric length direction. Forming an electrical parallel structure in the fabric length direction is performed by weaving upper and
상기 전극 선은 상기 상부와 하부의 씨실에 직류 전원을 인가하기 위한 리드선 기능을 한다.The electrode wire serves as a lead wire for applying direct current power to the upper and lower weft yarns.
상기 전극 선에 직류 전원을 인가하면 상기 상부와 하부의 씨실 간을 바인더 날실로 연결되어 폐회로가 형성되고, 3차원 직교 직물의 상부층과 하부층 상에 각각 두 종류 금속선 간의 접합점이 무수하게 이루어지는 것을 특징으로 한다.Wherein when a DC power source is applied to the electrode line, a closed loop is formed between the upper and lower weft yarns through a binder warp yarn, and a plurality of junction points between the two types of metal wires are formed on the upper and lower layers of the three- do.
상기 두 종류 금속선은 열 전기쌍(thermocouple)이 일어나는 금속 선으로서, 어느 하나의 금속 선은 상부와 하부의 씨실로 사용되고, 다른 금속 선은 바인더 날실로 사용되는 것을 특징으로 한다.The two types of metal wires are metal wires in which a thermocouple occurs. One metal wire is used as the upper and lower weft yarns, and the other metal wire is used as the binder yarn.
상기 3차원 직교 직물의 상·하부 층의 씨실에 각각 전극 선이 연결되어 열전기쌍의 폐회로가 구성되는 것을 특징으로 한다.And an electrode wire is connected to the weft yarns of the upper and lower layers of the three-dimensional orthogonal fabric to constitute a closed circuit of a thermoelectric pair.
즉, 본 발명에 따른 3차원적인 다층 직물인 열전소자용 3차원 직교 직물의 중간부 날실과 중간부 씨실은 전기적인 부도체 성분인 일반 섬유이고, 바인더 날실과 상·하부 씨실은 전기적인 도체 성분이면서 열 전기쌍이 일어날 수 있는 금속 재질이다.That is, the middle and middle weft yarns of the three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric device, which are three-dimensional multi-layer fabrics according to the present invention, are general fibers which are electrically nonconductive components, and the binder warp yarns and upper and lower weft yarns are electrical conductor components It is a metal material that thermoelectric couple can occur.
도 4는 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물(10)의 제직 공정도로서, 다층으로 사용되는 날실은 직물 폭 방향으로 북길(shuttle path)을 형성하도록 캠(cam) 또는 도비(dobby) 또는 자카드(jacquard)와 같은 수단에 의해 이들의 프레임을 통해 왕복되는 종광을 사용하여 직물 두께 방향으로 "교차" 방식으로 두 부분으로 분리된다. 이들 종광 각각은 중간 위치에 종광 눈를 가지며, 사용된 모든 종광 조립체는 직물 폭 방향으로 북길을 형성하도록 직물 두께 방향으로만 왕복된다. 이렇게 형성된 북길 내로 삽입된 씨실은 날실의 두 개의 분리층 사이를 상호연결시킨다. 이렇게 상호 연결된 날실 및 씨실은 제직물이라고 불리는 교차 구조를 형성한다. 다층 직물이 다층 경사에서 다수의 횡방향 북길을 통해 달성된다.4 is a view illustrating a weaving process of a three-dimensional
즉, 상기 다층을 결속시키는 바인더 날실(11)은 바인더 날실 종광(11a, 11b)에 통경하게 되고, 상·하부 전극 선(31, 33)은 상부 전극 선 종광(31a, 31b)과 하부 전극 선 종광(33a, 33b)에 각각 통경하게 된다. 이와 같이 통경이 완료되어 상부층, 하부층의 다층 직물 제직은 종광의 개구 운동과 상·중·하부 씨실(21, 22, 23)의 위입에 의하여 조직이 형성된다. 종광의 상하 운동으로 형성된 개구에 씨실이 위입된 후 바디(41)에 의하여 바디 침이 이루어지게 됨으로써 목적하는 결속을 가진 다층 직물 조직이 완성되는 것을 특징으로 한다. 중간부 날실(12)은 종광을 거치지 않고 직접 직물에 통입되어 다층 직물을 형성시킨다. 즉, 상부 씨실 층과 하부 씨실 층을 분리하는 기능을 가지며, 중간부 날실과 중간부 씨실의 재질은 전기적인 부도체 성질뿐만 아니라 열적인 단열 기능을 갖는 것을 특징으로 한다. 일반 섬유가 전기적인 부도체와 단열 기능을 구현시킨다. 즉, 상부 씨실 층과 하부 씨실 층이 각각 직물의 상부 층과 하부 층이 형성되는 것이다.The upper and
본 발명에 따른 탄성사는 고무 같은 탄성 물질에 면사나 화학 섬유로 만든 실을 입혀 만든 것을 특징으로 한다.The elastic yarn according to the present invention is characterized in that a yarn made of cotton yarn or chemical fiber is wound on an elastic material such as rubber.
상기 탄성사는 어느 하나에 특정되는 것이 아니라 탄성 기능을 갖는 것이면 한정되지 않는다.The elastic yarn is not limited to any one and is not limited as long as it has an elastic function.
상기 전극 선은 상·하부 층의 씨실에 직류 전원 인가용 리드 선의 역할을 한다. 따라서 전극 선의 재질은 전기 도체로서 구리 선, 알루미늄 선, 스테인리스강 선 등이 바람직하다.The electrode wire serves as a lead wire for DC power supply to the weft yarns of the upper and lower layers. Therefore, the material of the electrode wire is preferably an electric conductor such as copper wire, aluminum wire, and stainless steel wire.
상기 상·하부 층의 씨실과 바인더 날실은 구리와 콘스탄탄, 철과 콘스탄탄, 콘스탄탄과 크로멜 등과 같은 열 전기쌍을 이루는 조합된 두 종류의 금속 또는 합금 선 중에서 어느 하나 인 것을 특징으로 한다.The warp yarns and the binder warp yarns of the upper and lower layers are any one of two types of metal or alloy wires constituting thermoelectric pairs such as copper and constantane, iron and constantane, constantan and chromel, and the like .
상기 열 전기쌍을 이루는 두 금속의 조합으로 구성된 다층 직물의 상·하부층 간에 온도차를 만들어 주면 전극 선에서 기전력이 발생하고, 반대로 전극 선에 직류 전원을 인가하면 상기 다층 직물의 상·하부 층 간에 온도차가 일어난다.When a temperature difference is produced between the upper and lower layers of the multi-layer fabric composed of the combination of the two thermoelectric pairs, an electromotive force is generated at the electrode line. On the other hand, when a DC power is applied to the electrode wire, .
즉, 상기 다층 직물의 상·하부 층 씨실과 바인더 날실을 열 전기쌍이 일어나는 두 종류의 금속 선으로 구성함으로써, 다층 직물의 상·하부 층 상에 두 금속 선의 접합점이 무수히 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 두 금속 선의 접합점이 상·하부 씨실 층 상에 직물 폭과 길이 방향으로 전기적인 병렬 구조가 형성되는 것이다. That is, the weft yarns of the upper and lower layers of the multi-layer fabric and the binder warp yarns are composed of two kinds of metal wires that thermocouple pairs, so that the junction points of two metal wires are formed on the upper and lower layers of the multi-layer fabric. The junction of the two metal wires is formed on the upper and lower weft layers in an electrically parallel structure in the fabric width and length direction.
따라서 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물은 상·하부 층 씨실과 바인더 날실과의 견고한 전기적 접속으로 안전한 열전 냉각이나 열전 발전을 제공할 수 있다.Therefore, the three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric device according to the present invention can provide a secure thermoelectric cooling or thermoelectric generation by a strong electrical connection between upper and lower weft yarns and a binder warp yarn.
상기 전기적 접속은 상기 탄성사가 실현시키며, 상기 탄성사는 상·하부 층 씨실과 바인더 날실 간에 압착 압력을 계속적으로 유지시킨다. 또한, 커버링사(1)를 사용함으로써 이종금속간 접합점의 접촉 면을 증가시키는 동시에 직물의 유연성과 기계적 강도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.The electrical connection is realized by the elastic yarn, and the elastic yarn continuously maintains the pressing pressure between the upper and lower layer weft yarns and the binder yarn yarn. Further, by using the covering yarn (1), the contact surface of the dissimilar metal interconnection points is increased and the flexibility and the mechanical strength of the fabric are increased.
본 발명은 열전 변환 효율이 낮은 금속 재료로도 열전 효과를 낼 수 있게 무수한 접합점을 형성하는 3차원 직교 직물 구조를 취하면서 직물의 중간부 날실과 중간부 씨실의 재질을 탄성사를 사용함으로써 이종금속간 접합점이 압착 구조가 형성되어 전기적 접촉 저항이 낮은 열전 효과를 제공하는 것이다.The present invention relates to a three-dimensional orthogonal fabric structure that forms innumerable bonding points so that a thermoelectric effect can be obtained even with a metal material having a low thermoelectric conversion efficiency, while using elastic yarn as a material of a middle warp yarn and an intermediate weft yarn of a fabric, A bonding structure is formed to provide a thermoelectric effect with a low electrical contact resistance.
기존의 직물 형태의 열전 변환 장치는 접합점이 직물의 단순한 교착 구조로 되어 있어서 전기적인 접촉 저항에 의한 주울열이 발생하여 열기전력이 일어나기 어려운 구조이었으나, 본 발명은 이종금속간 접합점이 압착 구조로 형성되어 접합점에서의 압착 압력이 계속적으로 유지되어 전기적인 접촉 저항이 낮은 것을 특징으로 한다.The conventional thermoelectric conversion device of the fabric type has a structure in which the junction is a simple structure of the fabric so that the Joule heat is generated due to the electrical contact resistance and the thermoelectric power is hardly generated. However, in the present invention, So that the pressing pressure at the junction is continuously maintained and the electrical contact resistance is low.
도 5는 기존 3차원 직물의 대표적인 종류를 나타낸 상태도로서, 3차원 직물 구조는 2차원 직물과 직조 방법은 유사하나 경사가 여러 층의 위사를 관통하여 두께 방향으로 배열된다는 점이 다르다. 3차원 직물의 종류는 첫 번째 및 두 번째 씨실 층이 바인더 날실로 연결되고 두 번째 및 세 번째 씨실 층이 바인더 날실로 연결되어 한 층씩 두께 방향으로 계속하여 연결되는 구조인 layer to layer angle interlock(1), 전체 씨실 층 및 중간부 날실 층을 전체 두께 방향으로 바인더 날실이 일정한 기울기를 가지며 관통하는 구조인 through the layer angle interlock(2), 바인더 날실이 전체 두께를 직각으로 관통하는 구조인 orthogonal interlock(3) 등이 있다.FIG. 5 is a state diagram showing a representative kind of conventional three-dimensional fabrics. The three-dimensional fabric structure is similar to the two-dimensional fabric and the weaving method, but differs in that the warp threads are arranged in the thickness direction through the wefts of several layers. The type of the three-dimensional fabric is a layer-to-layer angle interlock (1) in which the first and second weft layers are connected to the binder warp yarns and the second and third weft yarns are connected to the binder warp yarns, ), A through-layer angle interlock (2) in which the entire warp layer and the intermediate warp yarn layer penetrate through the binder yarn with a constant inclination in the entire thickness direction, an orthogonal interlock (2) in which the warp warp- 3).
본 발명은 상기 세 번째인 orthogonal interlock 구조인 3차원 직교 직물이 바람직하다. 열전기용 3차원 직교 직물은 상·하부 층과 바인더 날실이 직각으로 직교함으로써 열전 변환 효율이 양호한 것을 특징으로 한다.The present invention is preferably a three-dimensional orthogonal fabric that is the third orthogonal interlock structure. The thermoelectric three-dimensional orthogonal fabric is characterized in that the upper and lower layers and the binder warp yarns are orthogonal to each other at right angles to each other so that the thermoelectric conversion efficiency is good.
도 6은 본 발명에 따른 열전소자용 커버링사의 상태도로서, 탄성사나 일반 섬유를 중심 실(2)로 하여 열 전기쌍을 이루는 금속 선으로 피복한 실(3)인 커버링사(1)로 구성되는 것을 특징으로 한다.6 is a state diagram of a thermoelement covering yarn according to the present invention, which is composed of a covering
따라서, 본 발명에 의한 커버링사(1)를 이용한 열전소자용 3차원 직교 직물은 이종금속간 접합점의 접촉 면을 증가시키고, 중심 실(2)에 의한 기계적 강도와 나선형 형태로 피복한 실(3)에 의한 유연성을 증가시키는 열전 냉각이나 열전 발전으로 사용할 수 있는 효과가 있다.Therefore, the three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric element using the covering
또한, 본 발명은 열전 냉각용으로 사용할 수 있게 상기 상부 씨실 또는 하부 씨실과 바인더 날실의 재질은 열 전기쌍을 이루는 두 종류의 금속 재료로 구성되어, 이종금속간 접합점이 열전소자용 3차원 직물의 상부층 또는 하부층의 한쪽 면에만 형성되는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that the material of the upper or lower warp yarns and the binder warp yarns is composed of two kinds of metal materials constituting a thermoelectric pair so that they can be used for thermoelectric cooling, Is formed only on one side of the upper layer or the lower layer.
상기한 이종금속간 접합점이 한쪽 면에만 형성되면 전류의 방향에 따라 흡열 또는 발열 현상이 일어나고, 흡열 현상이 일어나는 전류 흐름 방향에 따라 열전 냉각용 3차원 직교 직물로 이용할 수 있는 것을 특징으로 한다.When the junction point between the dissimilar metals is formed on only one side, an endothermic or exothermic phenomenon occurs depending on the direction of the current, and the thermocouple can be used as a three-dimensional orthogonal fabric for thermoelectric cooling according to the current flow direction in which the endothermic phenomenon occurs.
열 전기쌍(thermocouple)은 열 기전력을 발생하는 소자로서, 두 종류 금속 선의 양끝을 환상으로 연결한 것으로 양 접합부의 온도가 같은 때에는 전류가 흐르지 않지만 온도가 다르면 열 기전력이 발생하여 열 전류가 흐른다. 이때 열 기전력을 측정하면 한편의 접합부의 온도를 알 수 있다. 열 전기쌍은 임의의 다른 종류의 금속의 조합으로 구성할 수 있지만, 조합된 금속 간의 전위차가 큰 것이 바람직하다.A thermocouple is a device that generates thermoelectrons. Both ends of two metal wires are connected by a ring. When both junctions are at the same temperature, current does not flow. However, when the temperature is different, thermoelectric power is generated and a thermal current flows. At this time, by measuring the thermoelectromotive force, the temperature of one joint can be known. The thermoelectric couple can be composed of any combination of different metals, but it is preferable that the potential difference between the combined metals is large.
즉, 본 발명에 따른 열전소자용 3차원 직교 직물은 다층 직물의 상·하부 층 상에 양 접합점이 무수히 존재하며, 다른 금속 재료인 바인더 날실이 상기 상·하부 층의 씨실 간을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.That is, in the three-dimensional orthogonal fabric for thermoelectric devices according to the present invention, there are a great number of bonding points on the upper and lower layers of the multi-layer fabric, and the warp yarn as another metallic material electrically connects the weft yarns of the upper and lower layers .
열전열의 의미는 두 금속을 비교하여 열 기전력 크기에 따라 금속을 열거할 때 서열을 열전열(thermoelectric series)이라 한다.The meaning of thermoelectric heat is the thermoelectric series when the two metals are compared and the metals are listed according to the thermoelectric power magnitude.
서로 다른 금속 선을 연결하고 양쪽 접합부의 온도를 달리하면 제베크효과(열전효과)에 의해 전류가 흐른다. 즉, 물질마다 전자의 위치에너지가 다르고 가열에 의해 에너지를 얻은 전자들이 위치에너지가 낮은 쪽으로 이동하여 전류가 발생한다. 다음 금속 중에서 두 종류를 택하여 두 접합부 간에 온도차를 만들어 주면 온도가 높은 쪽 접합부에서 열전열 앞쪽에 있는 원소에서 뒤에 있는 원소 쪽으로 전류가 흐르다. 이 열전열에서 두 금속 사이가 멀어질수록 두 물질 사이의 전자들의 위치에너지 차가 커져 기전력의 크기는 커진다.If the different metal wires are connected and the temperature of the junctions is different, current flows due to the Jeff Beck effect (thermoelectric effect). That is, electrons having different energy of electrons from each other and electrons obtained by heating move to the lower potential energy, and current is generated. If you choose two of the following metals to make a temperature difference between the two junctions, the current flows from the element in front of the thermoelectric to the element behind in the junction with the higher temperature. As the distance between the two metals increases, the difference in the position energy of the electrons between the two materials increases and the magnitude of the electromotive force increases.
한 실시 예로서, 구리와 콘스탄탄을 연결하여 열 전기쌍을 만들 경우 한쪽 접점을 온도가 높은 곳에 위치하면 콘스탄탄에서 구리 쪽으로 전류가 흐르게 된다. 보통 온도가 낮은 접점에서 전압을 측정하므로 콘스탄탄 쪽이 음(-)이 되고, 구리 쪽이 양(+)이 된다. 구리 대신 철을 접합하면 구리보다 열전열 사이가 멀어져 더 높은 전압이 측정된다. 즉, 구리와 콘스탄탄의 열기전력은 40 ㎶/K 이고, 철과 콘스탄탄의 열기전력은 51 ㎶/K 이다.In one embodiment, when a pair of thermocouples is formed by connecting copper and constantan, when a contact is placed at a high temperature, a current flows from the constantan to the copper. Normally, the voltage is measured at a low temperature contact, so the constant is negative (-) and the copper is positive (+). When iron is bonded instead of copper, the higher voltage is measured by separating the thermoelectric heat from the copper. That is, the thermal power of copper and Constantan is 40 ㎶ / K, and the thermal power of iron and Constantan is 51 ㎶ / K.
콘스탄탄과 크로멜의 열기전력이 60 ㎶/K 이므로 가장 바람직하다.It is most desirable because the heat output of the constantan and chromel is 60 ㎶ / K.
다음은 각 금속 또는 합금의 열전열을 나타낸 것이다.The following is the heat transfer of each metal or alloy.
비스무트(Bi), 콘스탄탄(구리와 니켈의 합금), 니켈(Ni), 칼륨(K), 나트륨(Na), 탄탈(Ta), 코발트(Co), 팔라듐(Pd), 백금(Pt), 우라늄(U), 구리(Cu), 망가니즈(Mg), 타이타늄(Ti), 수은(Hg), 납(Pb), 주석(Sn), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 텅스텐(W), 카드뮴(Cd), 몰리브뎀(Mo), 철(Fe), 크로멜(니켈과 크롬의 합금), 안티모니(Sb), 저마늄(Ge), 실리콘(Si), 텔루륨(Te).(Bi), Constantan (an alloy of copper and nickel), Ni, K, Na, Ta, Cobalt, Pd, Pt, (U), Cu, Manganese, Ti, Hg, Pb, Sn, Cr, Rh, Ir, , Gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), zinc (Zn), tungsten (W), cadmium (Cd), molybdenum (Mo) Alloys), antimony (Sb), germanium (Ge), silicon (Si), tellurium (Te).
본 발명은 상기와 같이 열전 효과를 일으키는 금속 또는 합금 선을 이용하여 열 전기쌍을 형성시키고, 상기 열 전기쌍의 접합점을 무수히 할 수 있는 다층 직물 형태로 구성하는 것을 특징으로 한다.The present invention is characterized in that a thermoelectric pair is formed by using a metal or alloy wire causing a thermoelectric effect as described above, and the thermoelectric couple is formed into a multi-layered fabric in which the junctions of the thermoelectric pairs can be made infinitely.
본 발명은 금속의 내구성과 가공성의 용이함을 고려하여 열 전기쌍 소자의 조합은 구리와 콘스탄탄, 철과 콘스탄탄, 콘스탄탄과 크로멜인 것이 바람직하다.In consideration of easiness of durability and workability of metal, it is preferable that the combination of thermoelectric pair elements is copper, constantane, iron, constantane, constantane and chromel.
그리고 바인더 날실을 이용하여 다층 직물 내부에 구조적으로 직물의 각 층간 간격을 조절할 수 있고, 부피를 키워 줌으로서 층간 단열 효과을 낼 수 있다.By using the binder warp yarns, the interlayer spacing of the fabric can be structurally structured within the multi-layer fabric, and the interlayer insulation effect can be achieved by increasing the volume.
즉, 전극 선에 직류 전원을 인가하면 다층 직물의 상·하부 층 간에 온도 차가 발생하고, 상기 온도 차가 발생하면 온도가 높은 층에서 낮은 층으로 열전도가 일어나서 온도 차가 좁아져 열전 현상를 감소시킨다. 따라서, 단열 층인 중간층이 있어야 하며, 단열 효과가 좋을수록 열전 현상이 크게 일어나기 때문이다. 열전 현상으로 온도 차가 일어나면, 자연적인 열전도 현상을 막을 수 있는 것은 다층 직물의 중간부 층이 할 수 있다. 열전도 현상보다 열전 현상을 보다 크게 할 수 있는 것이다.That is, when DC power is applied to the electrode wire, a temperature difference occurs between the upper and lower layers of the multi-layer fabric. When the temperature difference is generated, heat conduction occurs from the higher temperature layer to the lower layer, thereby reducing the temperature difference. Therefore, it is necessary to have an intermediate layer which is an insulating layer, and heat transfer phenomenon occurs more the better. If a temperature difference arises due to a thermoelectric phenomenon, the middle layer of the multi-layer fabric can prevent natural thermal conduction. It is possible to make the thermoelectric phenomenon larger than the heat conduction phenomenon.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술되었지만 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러가지로 변형하여 실시할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시 예의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the present invention. The invention may be embodied in many other forms. Accordingly, modifications of the embodiments of the present invention will not depart from the scope of the present invention.
1: 커버링사
2: 중심 실
3: 피복한 실
10: 3차원 직교 직물
11: 바인더 날실
11a, 11b: 바인더 날실 종광
12: 중간부 날실
21: 상부 씨실
22: 중간부 씨실
23: 하부 씨실
31: 상부 전극 선
31a, 31b: 상부 전극선 종광
33: 하부 전극선
33a, 33b: 하부 전극선 종광
41: 바디
51: 도체a
52: 도체b1: Covering yarn
2: center thread
3: Covered yarn
10: 3D orthogonal fabric
11: Binder warp
11a, 11b: Binder yarn heald
12: Middle warp warp
21: upper weft
22: intermediate weft
23: Lower weft
31: upper electrode line
31a, 31b: upper electrode line hepta
33: lower electrode line
33a, 33b: lower electrode line hepta
41: Body
51: conductor a
52: Conductor b
Claims (2)
상기 3차원 교직 직물은 바인더 날실(11), 중간부 날실(12), 상부 씨실(21), 중간부 씨실(22), 하부 씨실(23)로 구성되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실을 관통하여 두께 방향으로 배열되어 제직되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실에 직각으로 관통되고, 상기 상·하부 씨실이 제직되어 상·하부 씨실 층이 형성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실의 재질은 열 전기쌍을 이루는 두 종류의 금속 재료이고, 상기 상부 씨실 층과 하부 씨실 층의 일단부에 경사 방향으로 상·하부 전극 선(31, 33)으로 직조되어 상기 상·하부 전극 선과 상·하부 씨실(21, 23)이 각각 전기적으로 연결되고, 상기 중간부 날실과 중간부 씨실은 탄성사로 구성되고, 상기 상·하부 씨실과 바인더 날실은 탄성사나 일반 섬유를 중심 실(2)로 하여 열 전기쌍을 이루는 금속 선으로 피복한 실(3)인 커버링사(1)로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전소자용 3차원 직교 직물.By opening the weft yarn to the upper and lower groups by the opening motion of the weft knitting machine, weaving the weft yarn in the opened warp yarn by the napping motion and pushing the weft yarn in the opening in front of the weaving fabric, Wherein the fabric is woven by repetition of a body needle movement for completing a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric element,
The three-dimensional weaving fabric is composed of a binder warp yarn 11, an intermediate weft yarn 12, an upper weft yarn 21, an intermediate weft yarn 22 and a lower weft yarn 23, Wherein the weft yarns are passed through the lower weft yarn and the middle weft yarn and are arranged in the thickness direction, and the warp yarns are passed through the upper, middle and lower weft yarns at right angles to the intermediate weft yarns, And the upper and lower weft layers are formed of two kinds of metal materials forming thermoelectric pairs, and the upper and lower weft yarns are wound on one end of the upper weft yarn layer and the upper and lower weft yarns in an oblique direction And 33, and the upper and lower weft yarns 21 and 23 are electrically connected to the upper and lower weft yarns 21 and 23. The intermediate weft yarns and the intermediate weft yarns are made of elastic yarns, The elastic yarn or the ordinary fiber is wound around the center yarn 2), and a covering yarn (1) which is a yarn (3) covered with a metal wire constituting a pair of thermoelectric elements.
상기 3차원 교직 직물은 바인더 날실(11), 중간부 날실(12), 상부 씨실(21), 중간부 씨실(22), 하부 씨실(23)로 구성되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실을 관통하여 두께 방향으로 배열되어 제직되고, 상기 바인더 날실이 상기 상·중·하부 씨실과 중간부 날실에 직각으로 관통되고, 상기 상·하부 씨실이 제직되어 상·하부 씨실 층이 형성되고, 상기 상부 씨실 또는 하부 씨실과 바인더 날실의 재질은 열 전기쌍을 이루는 두 종류의 금속 재료이고, 상기 상부 씨실 층과 하부 씨실 층의 일단부에 경사 방향으로 상·하부 전극 선(31, 33)으로 직조되어 상기 상·하부 전극 선과 상·하부 씨실(21, 23)이 각각 전기적으로 연결되고, 상기 중간부 날실과 중간부 씨실은 탄성사로 구성되고, 상기 상부 씨실 또는하부 씨실과 바인더 날실은 탄성사나 일반 섬유를 중심 실(2)로 하여 열 전기쌍을 이루는 금속 선으로 피복한 실(3)인 커버링사(1)로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전소자용 3차원 직교 직물.By opening the weft yarn to the upper and lower groups by the opening motion of the weft knitting machine, weaving the weft yarn in the opened warp yarn by the napping motion and pushing the weft yarn in the opening in front of the weaving fabric, Wherein the fabric is woven by repetition of a body needle movement for completing a three-dimensional orthogonal fabric for a thermoelectric element,
The three-dimensional weaving fabric is composed of a binder warp yarn 11, an intermediate weft yarn 12, an upper weft yarn 21, an intermediate weft yarn 22 and a lower weft yarn 23, Wherein the weft yarns are passed through the lower weft yarn and the middle weft yarn and are arranged in the thickness direction, and the warp yarns are passed through the upper, middle and lower weft yarns at right angles to the intermediate weft yarns, And the upper and lower weft yarns and the binder warp yarns are made of two kinds of metal materials forming a pair of thermoelectric elements, and one end of the upper weft yarn layer and the lower weft yarn layer is divided into upper and lower electrode lines 31 and 33, and the upper and lower weft yarns 21 and 23 are electrically connected to the upper and lower weft yarns 21 and 23. The intermediate weft yarn and the intermediate weft yarn are formed of elastic yarns, Binder warp yarn is elastic yarn Three-dimensional rectangular fabric for the thermal element being arranged in a chamber (3) of the covering yarn (1) covered by the central chamber (2) the common fiber of a metal line forming a thermoelectric couple according to claim.
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| CN110588232A (en) * | 2019-09-23 | 2019-12-20 | 四川省丝绸科学研究院 | Sichuan brocade decorative picture fabric with vivid hairiness effect and design method thereof |
| KR20200100229A (en) * | 2019-02-15 | 2020-08-26 | 한국기계연구원 | 3D profiled beam preforms in which the thickness direction fibers are continuously reinforced and a method for manufacturing the same |
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- 2015-06-12 KR KR1020150083391A patent/KR20160146301A/en not_active Application Discontinuation
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