相変化材料を用いた熱電発電機構により駆動される高温域で動作可能なIoTセンサの理論解析

摘要

本研究では，化学電池が使用できない厳しい温度環境においても動作可能なIoT センサデバイスの提案を行う．エネルギーハーベスティング技術の一種である熱電発電は，厳しい温度環境下におけるデバイスの駆動手法として有用である．一般に，熱電発電を利用するためには，空間内に厳密な温度境界がなければならないとされる．しかし，そのような状況は限られており，実際には空間内に温度勾配がない状況や高温液体と周囲気体の間のように温度境界が曖昧な状況なども多い．本論文では相変化材料を用いた熱電発電機構により駆動されるセンサデバイスを提案する．提案手法では，相変化材料の温度は相変化中一定であり，相変化材料と外部環境との間に温度差が生じることを利用し，これまで熱電発電が不向きとされてきた状況における発電を可能とする．センサデバイスの設計手法を示したのち，相変化材料の容量や発電量や発電継続時間の関係性といった提案デバイスの特徴を求めるため，熱回路を用いた数値解析を行った．数値解析により，例えば，高温液体と相変化材料との相変化温度との差が25◦C の場合，5 cm 四方の発電機構で30 分に渡って数100mW の発電量が得られることが示された．続いて，一般的な電池の残余電力量に相当する，相変化材料の潜熱吸収量の推定手法に関する初期検討を行った．