3D 印刷可能な熱電インクが車の排気管を発電機に変える

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韓国の蔚山科学技術院（UNIST）の研究チームは、3Dプリンティングを使用して発電チューブを製造できる熱電インクを開発した。

この発電管は鉛（Pb）とテルル（Te）で構成されており、産業用または自動車の排気ガスからの廃熱から発電できる高性能熱電発電機の基礎となる可能性がある。

研究者らは、その開発が燃料エネルギー効率を向上させる有望な手段を提供すると信じており、設計の柔軟性が限られているなど、熱電材料の従来の製造方法に伴う課題を克服する手段として 3D プリンティングを活用しました。

UNIST物質科学工学部のジェ・ソン・ソン教授は、「この研究を通じて、最も一般的な廃熱源である工場の煙突から発生する熱を効果的に電気に変換できるようになります」と述べた。

熱電技術の台頭

世界人口の増加と発展途上国の生活水準の向上により、世界のエネルギー需要は近年大幅に増加しています。 研究論文によると、現在の世界のエネルギー消費の80パーセント以上は化石燃料源によって実現されている一方、自然や人為的な環境によって生成される熱エネルギーの半分以上は周囲の環境に単純に放散されています。

これに対処するために、熱電発電は信頼性が高く、より環境に優しい廃熱回収方法を提供できる可能性があります。 研究者らによれば、熱電モジュールは、システムがシンプルで処理コストが低く抑えられながら、効率的な熱伝達を実現するために個々のシステムに合わせて特別に設計される必要があるという。 しかし、このようなモジュールを製造する一般的な製造プロセスは、特に排気管の場合、これらの要件を満たしていません。

この認識により、UNIST チームは 3D プリンティングに目を向け、さまざまな熱システムとの統合や地熱調整を可能にするためにカスタマイズできる高性能の発電熱電管の設計と製造に成功しました。

3Dプリント熱電発電機

研究中に、UNIST チームは PbTe 材料の押出ベースの 3D プリンティング プロセスを活用し、カスタマイズされた PbTe の「脚」を備えた発電熱電管を設計しました。 次に彼らは、3D プリンティングに適した粘弾性を備えた不純物を含まない PbTe インクを開発し、「電子ドーピング」によってインク内の粒子に強い表面電荷を誘導しました。

研究者らは、PbTe インクをチューブ状の形状に 3D プリントし、組み立てて自立発電熱電チューブを形成しました。 研究者らによると、PbTe材料の競争力のある熱電特性と印刷適性により、従来の構造の限界を超えた自由形状の3Dプリント熱電モジュールの設計が可能になったという。

このチューブは、自動車の排気ガスの温度範囲である摂氏 400 ～ 800 度の温度で高い熱電性能を実証しました。 また、熱電発電機はチューブ形状のため、従来の直方体型に比べて集熱効果が高くなりました。

したがって、3Dプリントされた熱電チューブは、高温の流体が流れる排気管として直接利用でき、軽量でシンプルな熱電発電システムのスケルトン型設計の基礎を形成できると研究チームは主張している。 伝えられるところによると、この設計は、流体と熱電「脚」の間にセラミック基板などの耐熱層がないため、チューブを通る高温流体の流れから熱電発電機までの「熱伝達の最も効果的な手段」を提供します。鉄合金で作られた従来の熱電発電機。

研究チームは、彼らのアプローチが高性能でカスタマイズ可能な熱電モジュールを設計するための費用対効果の高い処理に大きな可能性をもたらすと信じており、この技術を工業化するためには、排気ガスによって引き起こされる腐食の問題を克服することを目指すことになる。 熱電材料の防食コーティング技術の開発は、この問題を解消するのに役立ち、この分野ではすでに研究が進められています。

「熱電材料の製造に3Dプリンティング技術を使えば、従来の材料の限界を克服できるだろう」とUNIST材料科学工学部のHan Gi Chae教授は述べた。 「3D プリント材料に粘弾性特性を与える新しい技術は、他のさまざまな分野で使用されるでしょう。」

詳細については、Advanced Energy Materials ジャーナルに掲載された「発電管の 3D 印刷用 PbTe 熱電インクにおけるドーピング誘起粘弾性」というタイトルの研究をご覧ください。 この研究は、J. Lee、S. Choo、H. Ju、J. Hon、S. Eun Yang、F. Kim、D. Hwi Gu、J. Jang、G. Kim、S. Ahn、J の共著者です。 . Eun Lee、S. You Kim、H. Gi Chae、J. Sung Son。

3D プリンティングによる電力効率の向上

3D プリンティング技術は、さまざまな産業用コンポーネントの熱効率と電気効率を調整および改善するために他の場所でも活用されています。

たとえば、セラミック専門企業である CeramTec は、フラウンホーファー IISB と提携して開発した、EV の駆動インバーターを熱制御するように設計された、e-モビリティに焦点を当てた新しいパワー半導体モジュールの冷却機能をテストしました。 報告によると、このモジュールは従来の熱管理システムの 2 倍の熱抵抗を持ち、伝熱面の増加を示しています。

一方、3D Systems は、航空宇宙企業レイセオン テクノロジーズと陸軍研究所の CCDC によって、積層造形による米軍向けのトポロジー的に最適化された熱交換器の開発に選ばれました。 パートナーは、さまざまな軍の近代化製品の冷却とシステムのパフォーマンスを最大化できるコンポーネントを設計、製造、最適化します。

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注目の画像は、A) 測定セットアップ全体、B) 冷却器が取り付けられ、測定電子機器に接続された TEG を示しています。 UNIST経由の画像。

Hayley は 3DPI のテクノロジー ジャーナリストであり、製造、ツール、サイクリングに及ぶ B2B 出版物の経歴を持っています。 ニュースや特集記事を執筆している彼女は、私たちが住む世界に影響を与えている新興テクノロジーに強い関心を持っています。