Уменьшенная утечка тепла улучшает носимое медицинское устройство

Инженеры Университета штата Северная Каролина продолжают повышать эффективность гибкого устройства, надеваемого на запястье, которое собирает тепловую энергию человеческого тела для наблюдения за состоянием здоровья.

Исследователи сообщают о значительных улучшениях в предотвращении утечки тепла в гибком сборщике тепла тела, о котором они впервые сообщили в 2017 году и обновили в 2020 году. Сборщики используют тепловую энергию человеческого тела для питания носимых технологий — подумайте об умных часах, которые измеряют частоту сердечных сокращений, кровь. кислород, глюкоза и другие параметры здоровья, которые никогда не нуждаются в перезарядке батарей. Эта технология основана на тех же принципах, что и жесткие термоэлектрические комбайны, преобразующие тепло в электрическую энергию.

Гибкие харвестеры, которые соответствуют человеческому телу, очень желательны для использования с носимыми технологиями. Мехмет Озтюрк, профессор электротехники и вычислительной техники штата Северная Каролина, упомянул превосходный контакт кожи с гибкими устройствами, а также соображения эргономики и комфорта для владельца устройства в качестве основных причин создания гибких термоэлектрических генераторов или ТЭГ.

Однако производительность и эффективность гибких комбайнов исторически значительно отстают от жестких устройств, которые лучше других способны преобразовывать тепло тела в полезную энергию.

В экспериментальном ТЭГ, о котором первоначально сообщалось в 2017 году, использовались полупроводниковые элементы, которые были электрически соединены последовательно с использованием межсоединений из жидкого металла, изготовленных из EGaIn — нетоксичного сплава галлия и индия. EGaIn обеспечивает как металлическую электропроводность, так и способность к растяжению. Все устройство было встроено в эластичный силиконовый эластомер.

Модернизированное устройство, о котором сообщалось в 2020 году, использовало ту же архитектуру, но значительно улучшило теплотехнику предыдущей версии, увеличив при этом плотность полупроводниковых элементов, отвечающих за преобразование тепла в электричество. Одним из улучшений стал силиконовый эластомер с высокой теплопроводностью — по сути, тип резины, — который герметизировал межсоединения EGaIn.

В новейшей версии к силиконовому эластомеру добавляются хлопья аэрогеля, чтобы уменьшить теплопроводность эластомера. Экспериментальные результаты показали, что это нововведение вдвое уменьшило утечку тепла через эластомер.

«Добавление аэрогеля предотвращает утечку тепла между термоэлектрическими «ножками» устройства», — сказал Озтюрк. «Чем выше утечка тепла, тем ниже температура на устройстве, что приводит к снижению выходной мощности».

«Гибкое устройство, описанное в этой статье, работает на порядок лучше, чем устройство, о котором мы сообщали в 2017 году, и по-прежнему приближается к производительности жестких устройств», – добавил он.

Озтюрк сказал, что одной из сильных сторон технологии, запатентованной штатом Северная Каролина, является то, что в ней используются те же самые полупроводниковые элементы, которые используются в жестких устройствах, усовершенствованные после десятилетий исследований. Этот подход также предоставляет существующим производителям жестких термоэлектрических модулей недорогую возможность выйти на рынок гибких термоэлектрических модулей.

Он добавил, что его лаборатория продолжит работу над повышением эффективности этих гибких устройств.