Новый термодатчик может помочь снизить

Jul 25, 2023

Надежный и недорогой датчик может контролировать тепловой поток в устройствах для повышения эффективности.

Токийский университет

Изображение: Технология напыления методом рулонного напыления хорошо зарекомендовала себя и позволяет создавать травимые пленки в больших количествах для использования в коммерческих целях.посмотреть больше

Фото: ©2023 Танака и др. CC-BY-ND

Избыточное тепло от электронных или механических устройств является признаком или причиной неэффективной работы. Во многих случаях встроенные датчики для мониторинга потока тепла могут помочь инженерам изменить поведение или конструкцию устройств, чтобы повысить их эффективность. Впервые исследователи использовали новое термоэлектрическое явление для создания тонкого датчика, который может визуализировать тепловой поток в режиме реального времени. Датчик можно встроить глубоко внутри устройств, где другие типы датчиков непрактичны. Его также быстро, дешево и легко изготовить с использованием хорошо зарекомендовавших себя методов.

Согласно закону сохранения энергии, энергия никогда не создается и не уничтожается, а лишь меняет форму из одной в другую в зависимости от взаимодействия между участвующими сущностями. Вся энергия в конечном итоге превращается в тепло. Для нас это может быть полезно, например, когда мы хотим отапливать дома зимой; или вредно, когда мы хотим что-то охладить или получить максимальную отдачу от приложения, работающего от батареи. В любом случае, чем лучше мы сможем управлять тепловым поведением устройства, тем лучше мы сможем обойти этот неизбежный эффект и повысить эффективность рассматриваемого устройства. Однако это легче сказать, чем сделать, поскольку знание того, как течет тепло внутри какого-либо сложного, миниатюрного или опасного устройства, может быть от сложного до невозможного, в зависимости от применения.

Вдохновленные этой проблемой, доцент проекта Томоя Хиго и профессор Сатору Накацудзи с факультета физики Токийского университета и их команда, включающая корпоративное партнерство, приступили к поиску решения. «Количество тепла, проводимого через материал, известно как его тепловой поток. Поиск новых способов измерения этого может помочь не только повысить эффективность устройства, но и безопасность, поскольку батареи с плохим терморегулированием могут быть небезопасными, и даже небезопасными для здоровья, поскольку различные проблемы со здоровьем или образом жизни могут быть связаны с теплом тела», — сказал Хиго. «Но найти сенсорную технологию для измерения теплового потока, удовлетворяющую при этом ряду других условий, таких как надежность, экономическая эффективность, простота изготовления и так далее, непросто. Типичные термодиодные устройства относительно велики и дают только значение температуры в определенной области, а не изображение теплового потока по всей поверхности».

Команда исследовала, как ведет себя датчик теплового потока, состоящий из определенных специальных магнитных материалов и электродов, при наличии сложных структур теплового потока. Магнитный материал на основе железа и галлия демонстрирует явление, известное как аномальный эффект Нернста (ANE), при котором тепловая энергия необычным образом преобразуется в электрический сигнал. Однако это не единственный магнитный эффект, который может превратить тепло в энергию. Существует также эффект Зеебека, который на самом деле может создавать больше электроэнергии, но для этого требуется большой объем материала, а материалы хрупкие, поэтому с ними трудно работать. ANE, с другой стороны, позволила команде сконструировать свое устройство на невероятно тонком и податливом листе пластика.

«Найдя подходящие магнитные и электродные материалы, а затем применив их по особому повторяющемуся шаблону, мы создали микроскопические электронные схемы, которые являются гибкими, надежными, дешевыми и простыми в производстве, и, что самое главное, очень хорошо справляются с выводом данных о тепловом потоке в реальных условиях. время, — сказал Хиго. «Наш метод включает в себя раскатывание тонкого листа прозрачного, прочного и легкого ПЭТ-пластика в качестве базового слоя, на который тонкими и равномерными слоями напыляются магнитные и электродные материалы. Затем мы гравируем желаемые узоры на полученной пленке, подобно тому, как изготавливаются электронные схемы».