2023 Fiscal Year Annual Research Report
エネルギーハーベスティング型熱電デバイスの界面熱抵抗メカニズムの解明
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21K03922
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
田中 三郎 日本大学, 工学部, 准教授 (30713127)
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2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | エネルギーハーベスティング / 熱電 / 薄膜 / 界面 / 熱抵抗 / 計測 / 熱伝導率 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱と電気とを直接変換できる熱電材料に用いられるビスマスおよびテルルの薄膜をアルミナ基板上に高真空蒸着法を用いて異なる厚さの膜を成膜し，その膜厚を触診計測装置で測定した．アルミナ基板上のビスマス薄膜の熱抵抗は，膜厚が310nmのとき1.8×10-6(m2・K)/W，400nmのとき1.9×10-6(m2・K)/W，450nmのとき2.0×10-6(m2・K)/Wとなり，同様にアルミナ基板上のテルル薄膜の場合は，膜厚が80nmのとき1.7×10-6(m2・K)/W，130nmのとき2.2×10-6(m2・K)/W，220nmのとき2.5×10-6(m2・K)/Wとなり，膜厚の増加に伴って線形的な増加傾向となった．各サンプルから得られた熱抵抗と膜厚との関係を用いて近似曲線のY軸切片からアルミナ-ビスマスおよびテルル間の界面熱抵抗を見積るとそれぞれ1.2×10-6(m2・K)/Wおよび1.4×10-6(m2・K)/Wとなった．
低品位の熱電発電を可能とする円柱型熱源用エネルギーハーベスティング型フレキシブル熱電デバイスを設計し，実験によりその熱電デバイスの発電量に及ぼす設置角度の影響を評価した結果，設置角度0，30，60および90degにおける最大発電量は，それぞれ3.4nW，5.5nW，6.3nW，5.1nWであった．熱電デバイスの発電量は高温部と低温部との温度差により決まるため，汎用の熱流体解析を用いて自然対流の発生状態を評価した結果，熱電素子を設定しているフィン部の高温部と低温部との温度差は設置角度の増加に伴って減少する傾向を示した．したがって，熱電デバイスの発電量が低下すること示唆しており，実験結果と同様の傾向を示した．したがって，ビスマスおよびテルル薄膜と基板材との熱抵抗および熱電デバイスの高性能化設計の指針となる結果を見出した．
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