2015 Fiscal Year Annual Research Report
異種金属薄板および細線系の伝熱問題の深化と極低温度差発電への応用
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15H03886
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
燈明 泰成 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50374955)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 異種金属 / 伝熱問題 / ジュール熱 / 極低温度差発電 / 薄板型熱発電機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
１．異種金属薄板および細線系の伝熱問題の解析 異種金属細線の先端同士を接触させ、接触部から様々な間隔に配置した端子により電流を入出力した際に当該細線系内部に形成される非対称温度分布を解析した。温度分布の非対称性は接触部から端子を等間隔で配置した際に最も強く現れることを明らかにすると共に、この知見に基づき、当該異種金属接触部を高確度にジュール熱溶接するための条件を見出した。またFe薄板の一方を熱源に接触させた際の薄板表面の温度分布を赤外線カメラで測定し、作製する薄板型熱発電機内部の温度勾配を増大させるための知見を得た。
２．極微小熱電素子の作製 微小領域の温度測定に利用可能な熱電マイクロワイヤを作製した。直径100umのFeマイクロワイヤの一部を除いた表面に絶縁膜を形成し、その上からAl層を物理蒸着することで、先端に異種金属Fe/Al界面を形成した。作製した熱電マイクロワイヤは先端と他端との温度差に起因してAl表面とFe表面との間に起電力を生じるものであり、指で先端を触れた際に起電力が発生することを確認した。また当該熱電マイクロワイヤのゼーベック係数を求めめて発生した起電力から温度を算出可能にした。
３．薄板に垂直な金属ナノワイヤの作製 Fe薄板に曲率を与えて高温放置することで原子拡散を生じさせ、これにより薄板に対して垂直なFeナノワイヤを大量に作製した。表面にFeナノワイヤを有するFe薄板に絶縁膜とAl層を形成して熱電回路を形成し、これに温度勾配を与えて起電力を測定したところ、異種金属Fe/Al界面にFeナノワイヤを含有することにより当該熱電回路で発生する起電力が増大することを確認した。また、Feナノワイヤは形成していないが、Fe薄板表面を酸化させて作製した熱電回路においても同様な起電力の増大が認められ、異種金属界面の制御により更なる起電力の増大が見込まれることを見出した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実績の概要に記載のとおり、申請時に計画した研究を遂行し、異種金属細線系の伝熱問題を解析して当該異種金属接触部を高確度にジュール熱溶接するための条件を見出すと共に、微小領域の温度測定に利用可能な熱電マイクロワイヤを作製することに成功している。さらに薄板に対して垂直なFeナノワイヤを大量に作製することに加えて、作製したFeナノワイヤを異種金属界面に含めた熱電回路を形成し、これに温度勾配を与えて起電力を測定することにより、提案する薄板型熱発電機の高効率化に資する知見を得るなど、進展は順調である。
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| Strategy for Future Research Activity |
解析した伝熱問題の知見と、作製した熱電マイクロワイヤを活用し、薄板型熱発電機の実現に向けた研究を遂行する。具体的に、マイクロスケール電位差法によりFe細線の熱伝導率、電気伝導率の温度依存性を測定すると共に、ゼーベック係数を実測して当該細線の性能係数を求め、この知見に基づき薄板型熱発電機を設計する。更に設計した薄板型熱発電機を試作してその高効率化を図り、最終的に体温から安定的に生体センサを駆動することを目指す。
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