Un nuevo sensor térmico podría ayudar a reducir el

Jul 25, 2023

Un sensor robusto y de bajo costo puede monitorear el flujo de calor en dispositivos para mejorar la eficiencia

Universidad de Tokio

Imagen: La técnica de fabricación por deposición catódica rollo a rollo está bien establecida y puede crear películas grabables en grandes cantidades para su uso en entornos comerciales.ver más

Crédito: ©2023 Tanaka et al. CC-BY-ND

El exceso de calor de los dispositivos electrónicos o mecánicos es señal o causa de un rendimiento ineficiente. En muchos casos, los sensores integrados para monitorear el flujo de calor podrían ayudar a los ingenieros a modificar el comportamiento o los diseños de los dispositivos para mejorar su eficiencia. Por primera vez, los investigadores explotan un nuevo fenómeno termoeléctrico para construir un sensor delgado que puede visualizar el flujo de calor en tiempo real. El sensor podría construirse en el interior de dispositivos donde otros tipos de sensores no son prácticos. También es rápido, barato y fácil de fabricar utilizando métodos bien establecidos.

Según la ley de conservación de la energía, la energía nunca se crea ni se destruye sino que sólo cambia de una a otra dependiendo de la interacción entre las entidades involucradas. Toda la energía eventualmente termina en calor. Para nosotros esto puede ser algo útil, por ejemplo, cuando queremos calentar nuestra casa en invierno; o perjudicial, cuando queremos enfriar algo, o sacarle el máximo partido a una aplicación que funciona con batería. En cualquier caso, cuanto mejor podamos gestionar el comportamiento térmico de un dispositivo, mejor podremos diseñar para evitar este efecto inevitable y mejorar la eficiencia del dispositivo en cuestión. Sin embargo, es más fácil decirlo que hacerlo, ya que saber cómo fluye el calor dentro de algún dispositivo complejo, en miniatura o peligroso es algo que va desde lo difícil hasta lo imposible, dependiendo de la aplicación.

Inspirados por este problema, el profesor asociado del proyecto Tomoya Higo y el profesor Satoru Nakatsuji del Departamento de Física de la Universidad de Tokio, y su equipo, que incluía una asociación corporativa, se propusieron encontrar una solución. “La cantidad de calor conducida a través de un material se conoce como flujo de calor. Encontrar nuevas formas de medir esto no sólo podría ayudar a mejorar la eficiencia del dispositivo, sino también la seguridad, ya que las baterías con una mala gestión térmica pueden ser peligrosas, e incluso la salud, ya que diversos problemas de salud o estilo de vida pueden estar relacionados con el calor corporal”, dijo Higo. “Pero encontrar una tecnología de sensor para medir el flujo de calor y al mismo tiempo satisfacer otras condiciones, como robustez, rentabilidad, facilidad de fabricación, etc., no es fácil. Los dispositivos de diodos térmicos típicos son relativamente grandes y sólo dan un valor de temperatura en un área específica, en lugar de una imagen, del flujo de calor en toda una superficie”.

El equipo exploró la forma en que se comporta un sensor de flujo de calor compuesto por ciertos materiales magnéticos especiales y electrodos cuando existen patrones complejos de flujo de calor. El material magnético a base de hierro y galio exhibe un fenómeno conocido como efecto Nernst anómalo (ANE), que es donde la energía térmica se convierte inusualmente en una señal eléctrica. Sin embargo, este no es el único efecto magnético que puede convertir el calor en energía. También existe el efecto Seebeck, que en realidad puede crear más energía eléctrica, pero requiere una gran cantidad de material, y los materiales son frágiles, por lo que es difícil trabajar con ellos. ANE, por otro lado, permitió al equipo diseñar su dispositivo en una lámina de plástico increíblemente delgada y maleable.

“Al encontrar los materiales magnéticos y de electrodos correctos y luego aplicarlos en un patrón repetitivo especial, creamos circuitos electrónicos microscópicos que son flexibles, robustos, baratos y fáciles de producir y, sobre todo, son muy buenos para generar datos de flujo de calor en tiempo real. tiempo”, dijo Higo. “Nuestro método consiste en enrollar una fina lámina de plástico PET transparente, resistente y ligero como capa base, sobre la que se pulverizan materiales magnéticos y de electrodos en capas finas y consistentes. Luego grabamos los patrones deseados en la película resultante, de forma similar a cómo se fabrican los circuitos electrónicos”.

El equipo diseñó los circuitos de una manera particular para impulsar la ANE y al mismo tiempo suprimir el efecto Seebeck, ya que esto en realidad interfiere con el potencial de recopilación de datos de la ANE. Los intentos anteriores de hacer esto no tuvieron éxito en ninguna forma que pudiera ampliarse fácilmente y potencialmente comercializarse, lo que convierte a este sensor en el primero de su tipo.

“Preveo aplicaciones posteriores, como la generación de energía o los centros de datos, donde el calor impide la eficiencia. Pero a medida que el mundo se vuelve más automatizado, podríamos ver este tipo de sensores en entornos de fabricación automatizados donde podrían mejorar nuestra capacidad para predecir fallas de las máquinas, ciertos problemas de seguridad y más”, dijo Nakatsuji. "Con mayores avances, podríamos incluso ver aplicaciones médicas internas para ayudar a los médicos a producir mapas de calor internos de áreas específicas del cuerpo u órganos, para ayudar en la obtención de imágenes y el diagnóstico".

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Artículo de revista: 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

Financiamiento: este trabajo fue apoyado parcialmente por el programa JST-Mirai (JPMJMI20A1), el programa JST-CREST (JPMJCR18T3) y JSPS, Japón KAKENHI (21H04437).

Enlaces útiles: Escuela de Graduados en Ciencias - https://www.su-tokyo.ac.jp/en/Departamento de Física - https://www.phys.su-tokyo.ac.jp/en/

Contacto de investigación:Profesor asociado del proyecto Tomoya HigoDepartamento de Física, Universidad de Tokio,7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-0033, [email protected]

Contacto de prensa: Sr. Rohan Mehra Grupo de Relaciones Públicas, Universidad de Tokio, 7-3-1 Hongo, Bunkyo-ku, Tokio, 113-8656, [email protected]

Acerca de la Universidad de Tokio La Universidad de Tokio es la universidad líder de Japón y una de las universidades de investigación más importantes del mundo. La vasta producción de investigación de unos 6.000 investigadores se publica en las principales revistas del mundo en las artes y las ciencias. Nuestro vibrante cuerpo estudiantil de alrededor de 15.000 estudiantes de pregrado y 15.000 estudiantes de posgrado incluye más de 4.000 estudiantes internacionales. Obtenga más información en www.u-tokyo.ac.jp/en/ o síganos en Twitter en @UTokyo_News_en.

Materiales avanzados

10.1002/adma.202303416

Estudio experimental

No aplica

Impresión rollo a rollo de una termopila Nernst anómala para la detección directa del flujo de calor perpendicular

24-jul-2023

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