La réduction des fuites de chaleur améliore l'appareil de santé portable

Les ingénieurs de la North Carolina State University continuent d'améliorer l'efficacité d'un appareil flexible porté au poignet qui récupère l'énergie thermique du corps humain pour surveiller la santé.

Les chercheurs rapportent des améliorations significatives dans la prévention des fuites de chaleur dans le récupérateur de chaleur corporelle flexible qu'ils ont signalé pour la première fois en 2017 et mis à jour en 2020. Les récupérateurs utilisent l'énergie thermique du corps humain pour alimenter les technologies portables - pensez aux montres intelligentes qui mesurent votre fréquence cardiaque, sang l'oxygène, le glucose et d'autres paramètres de santé - qui n'ont jamais besoin de recharger leurs batteries. La technologie repose sur les mêmes principes régissant les récupérateurs thermoélectriques rigides qui convertissent la chaleur en énergie électrique.

Les moissonneuses flexibles qui se conforment au corps humain sont fortement souhaitées pour une utilisation avec des technologies portables. Mehmet Ozturk, professeur d'ingénierie électrique et informatique de NC State, a mentionné un contact cutané supérieur avec des appareils flexibles, ainsi que des considérations ergonomiques et de confort pour le porteur de l'appareil, comme les principales raisons derrière la construction de générateurs thermoélectriques flexibles, ou TEG.

Cependant, les performances et l'efficacité des récupérateurs flexibles sont historiquement loin derrière les appareils rigides, qui ont été supérieurs dans leur capacité à convertir la chaleur corporelle en énergie utilisable.

Le TEG de preuve de concept initialement rapporté en 2017 utilisait des éléments semi-conducteurs qui étaient connectés électriquement en série à l'aide d'interconnexions en métal liquide en EGaIn - un alliage non toxique de gallium et d'indium. EGaIn a fourni à la fois une conductivité électrique et une extensibilité de type métal. L'ensemble du dispositif a été intégré dans un élastomère de silicone extensible.

L'appareil mis à niveau signalé en 2020 utilisait la même architecture mais a considérablement amélioré l'ingénierie thermique de la version précédente, tout en augmentant la densité des éléments semi-conducteurs responsables de la conversion de la chaleur en électricité. L'une des améliorations était un élastomère de silicone à haute conductivité thermique - essentiellement un type de caoutchouc - qui encapsulait les interconnexions EGaIn.

La dernière itération ajoute des flocons d'aérogel à l'élastomère de silicone pour réduire la conductivité thermique de l'élastomère. Les résultats expérimentaux ont montré que cette innovation réduisait de moitié les fuites de chaleur à travers l'élastomère.

"L'ajout d'aérogel empêche la chaleur de fuir entre les" jambes "thermoélectriques de l'appareil", a déclaré Ozturk. "Plus la fuite de chaleur est élevée, plus la température qui se développe dans l'appareil est basse, ce qui se traduit par une puissance de sortie plus faible."

"Le dispositif flexible rapporté dans cet article fonctionne d'un ordre de grandeur mieux que le dispositif que nous avons signalé en 2017 et continue de se rapprocher des performances des dispositifs rigides", a-t-il ajouté.

Ozturk a déclaré que l'une des forces de la technologie brevetée par NC State est qu'elle utilise les mêmes éléments semi-conducteurs que ceux utilisés dans les dispositifs rigides perfectionnés après des décennies de recherche. L'approche offre également une opportunité à faible coût aux fabricants de modules thermoélectriques rigides existants d'entrer sur le marché thermoélectrique flexible.

Il a ajouté que son laboratoire continuera de se concentrer sur l'amélioration de l'efficacité de ces dispositifs flexibles.