体温を用いた新たなマイクロ熱電発電モジュール技術の開発に成功 東工大

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東京工業大学は2020年11月6日、体温を熱源としたマイクロ熱電発電モジュール(μTEGモジュール)のデバイスモデリングと最適設計アルゴリズムから成る設計技術を開発したと発表した。また最適設計されたデバイスの性能評価から、提案のμTEGモジュールがウェアラブルデバイスの電源に応用可能な性能を有することも明らかにした。

人を対象とするIoTとも言えるInternet of Humans(IoH)が注目を集めている。ウェアラブルデバイスはIoHにおけるマン・マシン・インターフェイスとして期待され、室温近傍においても高い熱電性能を有する熱電材料が開発さている。また、ヒトの産熱能力に対する理解も深まり、体温を用いた熱電発電技術のウェアラブルデバイスへの応用が注目されはじめている。

ウェアラブルデバイスの最も電力を必要とする機能は無線通信で、体温を用いた熱電発電をウェアラブルデバイスの電源に応用することが期待される。しかし、従来技術によるμTEGをウェアラブルデバイスに実装しても十分な出力を得ることは難しい。なぜなら、従来技術によって作製されたμTEGでは、ウェアラブルデバイスの筐体からの放熱に対して熱的なマッチングを取ることが難しく、μTEG内のゼーベック素子に有効に温度差を生じさせることができないためだ。

したがって、半導体微細加工技術などを導入して、ゼーベック素子の寸法を従来に比べてさらに小さくすることで熱抵抗を最適化することと同時に、この熱抵抗マッチングのために特有のμTEGモジュールの構造も必要だ。

μTEGの出力は、μTEGとこれをマウントするモジュールの構造、特にその熱アイソレーションに強く依存する。真空を用いたアイソレーションは、理論限界に近い出力を得ることができるが、μTEGモジュールの作製は難しくなる。一方、絶縁体によるアイソレーションでは、μTEGモジュールの作製は容易になるが、絶縁体に漏れる熱流の影響によって出力が劣化する。

そこで本研究では、真空/絶縁体ハイブリッドアイソレーションモジュールを提案した。これは、μTEG部のみ絶縁体によるアイソレーションを行ったμTEGチップを真空のモジュール内にマウントした構造を持つ。μTEGチップは半導体微細加工技術によって作製し、このμTEGチップの真空マウントはMEMSなどで用いる真空封止技術で行う。モジュール表面から大気への放熱に必要な熱抵抗を確保するためのモジュール面積に対して、μTEG部の占有面積を十分に小さくできるため、このモジュール構造では熱抵抗を完全真空アイソレーションのものに近づけることが可能となり、高い出力が得られる。

マイクロ熱電発電モジュールの設計において、出力電力を最大化するためにはトレードオフの関係にあるモジュールの熱抵抗と電気抵抗を最適化する必要がある。そこで、モジュールの熱抵抗と電気抵抗をμTEG内のゼーベック素子の占有面積の割合から決定される一つのトレードオフ・パラメータを用いて表現して、モジュールの熱抵抗と電気抵抗を放熱および負荷に対して最適化し、出力を最大化する最適設計アルゴリズムを提案した。また、この最適設計アルゴリズムに適合するμTEGモジュールの集中定数回路モデルも構築した。


体温を用いたマイクロ熱電発電モジュールの設計においては系の設定も重要であることから、ヒトの産熱能力を考慮した人体を恒温動物として正しく表現できる系モデルも導入した。正確な熱解析が可能な分布定数回路モデルを用いて、提案した集中定数回路モデルの検証を行ったところ、分布定数回路モデルの結果を誤差数%以内で再現できた。開発した構造最適化アルゴリズムに分布定数回路モデルを応用することは計算時間の問題から不可能であるが、これに比べて計算時間の極めて短い集中定数回路モデルを用い、構造最適化アルゴリズムの適応が可能になる。


次に、回路モデル、系モデル、最適化アルゴリズムを用いて提案したμTEGモジュールの構造最適化を行った。このアルゴリズムからゼーベック素子のサイズ、数、モジュールに対するμTEG部の占有割合など出力の最大化に重要な各種構造パラメータを最適化できる。また、寄生抵抗、真空封じ壁、放熱用ヒートシンクの影響なども調べられる。

最適設計を行ったμTEGモジュールの出力特性から、リストバンド程度の実装面積を確保すれば、ウェアラブルデバイスへの実装下においても、ウェアラブルデバイスに必要となる短距離通信可能な電力を体温から発生できることが分かった。

μTEG部に薄膜熱電材料により適していると考えられる薄膜トランスバース型を採用すれば、さらなる高性能化も期待できる。ウェアラブルデバイスは、IoHにおける重要なマン・マシン・インターフェイスになるだけでなく、将来のスマート社会において、デバイスの存在を気にすることなく、いつでも、どこでもつながるウェアラブルコンピュータやエッジコンピュータへの展開へつながる可能性がある。

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