Neuartiger Wärmesensor könnte helfen, die Temperatur zu senken

Jul 25, 2023

Ein robuster, kostengünstiger Sensor kann den Wärmefluss in Geräten überwachen und so die Effizienz verbessern

Universität Tokio

Bild: Die Rolle-zu-Rolle-Sputterabscheidungs-Herstellungstechnik ist gut etabliert und kann ätzbare Filme in großen Mengen für den Einsatz in kommerziellen Umgebungen erzeugen.mehr sehen

Bildnachweis: ©2023 Tanaka et al. CC-BY-ND

Übermäßige Wärme von elektronischen oder mechanischen Geräten ist ein Zeichen oder eine Ursache für eine ineffiziente Leistung. In vielen Fällen könnten eingebettete Sensoren zur Überwachung des Wärmeflusses Ingenieuren dabei helfen, das Verhalten oder Design von Geräten zu ändern, um deren Effizienz zu verbessern. Zum ersten Mal nutzen Forscher ein neuartiges thermoelektrisches Phänomen, um einen dünnen Sensor zu bauen, der den Wärmefluss in Echtzeit visualisieren kann. Der Sensor könnte tief in Geräte eingebaut werden, wo andere Arten von Sensoren unpraktisch sind. Darüber hinaus ist es mit bewährten Methoden schnell, kostengünstig und einfach herzustellen.

Gemäß dem Energieerhaltungssatz wird Energie niemals erzeugt oder zerstört, sondern ändert nur ihre Form von einer zur anderen, abhängig von der Interaktion zwischen den beteiligten Einheiten. Alle Energie endet schließlich in Wärme. Für uns kann das beispielsweise nützlich sein, wenn wir im Winter unsere Häuser heizen wollen; oder schädlich, wenn wir etwas abkühlen oder das Beste aus einer batteriebetriebenen Anwendung herausholen möchten. In jedem Fall gilt: Je besser wir das thermische Verhalten eines Geräts steuern können, desto besser können wir diesen unvermeidlichen Effekt berücksichtigen und die Effizienz des betreffenden Geräts verbessern. Das ist jedoch leichter gesagt als getan, denn je nach Anwendung ist es schwierig bis unmöglich zu wissen, wie die Wärme in einem komplexen, winzigen oder gefährlichen Gerät fließt.

Inspiriert von diesem Problem machten sich Projekt-Assoziierter Professor Tomoya Higo und Professor Satoru Nakatsuji vom Fachbereich Physik der Universität Tokio mit ihrem Team, zu dem auch eine Unternehmenspartnerschaft gehörte, auf die Suche nach einer Lösung. „Die durch ein Material geleitete Wärmemenge wird als Wärmefluss bezeichnet. Die Suche nach neuen Möglichkeiten, dies zu messen, könnte nicht nur dazu beitragen, die Geräteeffizienz zu verbessern, sondern auch die Sicherheit, da Batterien mit schlechtem Wärmemanagement unsicher sein können, und sogar die Gesundheit, da verschiedene Gesundheits- oder Lebensstilprobleme mit der Körperwärme zusammenhängen können“, sagte Higo. „Es ist jedoch nicht einfach, eine Sensortechnologie zur Messung des Wärmeflusses zu finden, die gleichzeitig eine Reihe anderer Bedingungen wie Robustheit, Kosteneffizienz, einfache Herstellung usw. erfüllt. Typische Thermodiodengeräte sind relativ groß und liefern nur einen Wert für die Temperatur in einem bestimmten Bereich und kein Bild des Wärmeflusses über eine gesamte Oberfläche.“

Das Team untersuchte, wie sich ein Wärmeflusssensor, der aus bestimmten speziellen magnetischen Materialien und Elektroden besteht, bei komplexen Wärmeflussmustern verhält. Das auf Eisen und Gallium basierende magnetische Material weist ein Phänomen auf, das als anomaler Nernst-Effekt (ANE) bekannt ist und bei dem Wärmeenergie auf ungewöhnliche Weise in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Dies ist jedoch nicht der einzige magnetische Effekt, der Wärme in Strom umwandeln kann. Es gibt auch den Seebeck-Effekt, der tatsächlich mehr elektrische Energie erzeugen kann, aber dafür eine große Materialmenge erfordert und die Materialien spröde sind, sodass es schwierig ist, sie zu verarbeiten. ANE hingegen ermöglichte es dem Team, sein Gerät auf einer unglaublich dünnen und formbaren Kunststoffplatte zu konstruieren.

„Durch die Suche nach den richtigen Magnet- und Elektrodenmaterialien und deren anschließende Anwendung in einem speziellen Wiederholungsmuster haben wir mikroskopisch kleine elektronische Schaltkreise geschaffen, die flexibel, robust, kostengünstig und einfach herzustellen sind und vor allem sehr gut in der Lage sind, Wärmeflussdaten in Echtzeit auszugeben.“ Zeit“, sagte Higo. „Unsere Methode besteht darin, eine dünne Folie aus durchsichtigem, starkem und leichtem PET-Kunststoff als Basisschicht auszurollen, auf die Magnet- und Elektrodenmaterialien in dünnen und gleichmäßigen Schichten aufgesputtert werden. Anschließend ätzen wir unsere gewünschten Muster in den resultierenden Film, ähnlich wie bei der Herstellung elektronischer Schaltkreise.“

Das Team hat die Schaltkreise so konzipiert, dass sie ANE verstärken und gleichzeitig den Seebeck-Effekt unterdrücken, da dieser tatsächlich das Datenerfassungspotenzial von ANE beeinträchtigt. Frühere Versuche, dies zu erreichen, waren in keiner Weise erfolgreich, die leicht skaliert und möglicherweise kommerzialisiert werden konnte, was diesen Sensor zum ersten seiner Art macht.

„Ich stelle mir nachgelagerte Anwendungen wie die Stromerzeugung oder Rechenzentren vor, bei denen Hitze die Effizienz beeinträchtigt. Aber wenn die Welt zunehmend automatisiert wird, könnten wir diese Art von Sensoren in automatisierten Fertigungsumgebungen sehen, wo sie unsere Fähigkeit verbessern könnten, Maschinenausfälle, bestimmte Sicherheitsprobleme und mehr vorherzusagen“, sagte Nakatsuji. „Mit weiteren Entwicklungen werden wir möglicherweise sogar internistische medizinische Anwendungen sehen, die Ärzten dabei helfen, interne Wärmekarten bestimmter Körperbereiche oder Organe zu erstellen, um die Bildgebung und Diagnose zu unterstützen.“

###

Zeitschriftenartikel: Hirokazu Tanaka, Tomoya Higo, Ryota Uesugi, Kazuto Yamagata, Yosuke Nakanishi, Hironobu Machinaga, Satoru Nakatsuji. „Roll-to-Roll Printing of Anomalous Nernst Thermopile for Direct Sensing of Perpendicular Heat Flux“, Advanced Materials, DOI: 10.1002 /adma.202303416

Finanzierung: Diese Arbeit wurde teilweise vom JST-Mirai-Programm (JPMJMI20A1), dem JST-CREST-Programm (JPMJCR18T3) und JSPS, Japan KAKENHI (21H04437) unterstützt.

Nützliche Links:Graduate School of Science – https://www.su-tokyo.ac.jp/en/Department of Physics – https://www.phys.su-tokyo.ac.jp/en/

Forschungskontakt: Projekt-Assoziierter Professor Tomoya Higo, Fachbereich Physik, Universität Tokio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, [email protected]

Pressekontakt: Herr Rohan MehraPublic Relations Group, Universität Tokio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-8656, [email protected]

Über die Universität TokioDie Universität Tokio ist Japans führende Universität und eine der weltweit führenden Forschungsuniversitäten. Die umfangreiche Forschungsleistung von rund 6.000 Forschern wird in den weltweit führenden Fachzeitschriften aus den Bereichen Kunst und Wissenschaft veröffentlicht. Zu unserer lebendigen Studierendenschaft von rund 15.000 Bachelor- und 15.000 Masterstudierenden gehören über 4.000 internationale Studierende. Erfahren Sie mehr unter www.u-tokyo.ac.jp/en/ oder folgen Sie uns auf Twitter unter @UTokyo_News_en.

Fortgeschrittene Werkstoffe

10.1002/adma.202303416

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Rolle-zu-Rolle-Druck einer anomalen Nernst-Thermosäule zur direkten Erfassung des senkrechten Wärmeflusses

24.07.2023

Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit der auf EurekAlert veröffentlichten Pressemitteilungen! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung jeglicher Informationen über das EurekAlert-System.