mile米乐中国官方网站 开发了一种利用热流传感器测量相变物质的热量流入和流出量的技术

米乐m6官方网站[理事长中钵良二]（以下简称“AIST”）柔性电子研究中心[研究中心主任 Toshihide Kamata] 混合 IoT 设备团队首席研究员 Koji Suemori、Kiyoshi Uemura 研究组组长、新能源和产业技术开发组织 [主席 Hiroaki Ishizuka]（以下简称“NEDO”）、未利用热能创新利用技术研究协会 [主席 Okuchi] Hiroaki]（以下简称“TherMAT”）是柔性袋状热流传感器，一种定量测量相变过程中温度保持恒定的物质流入和流出的热量的技术。另外，使用这项技术，相变材料的热量。实时并将此信息显示在外部终端上。

当相变材料发生相变时潜热的热量与外界进行交换，材料的温度保持恒定，直至相变完成。因此，使用正常的温度测量很难测量流入和流出相变材料的热量。

新开发的热流传感器是袋状的，通过将物体封装在袋状传感器内，可以测量流入和流出该物体的热量。我们还开发了一种系统，将冰袋放入袋状热流传感器中，测量流入的热量，并在外部终端上显示剩余的蓄冷能力和蓄冷效果持续的剩余时间。预计能够预测冰袋的融化并获得热量流入的历史，并准确掌握用于低温物流、冰枕、高温工作服等的冰袋的剩余蓄冷量，从而提高便利性。除了冰袋外，该技术还可以应用于利用潜热的产品，如蓄热材料和热水袋。

这项研究的结果将在 ENEX2019 和 JFlex2019 展览上向公众展示，展览将于 2019 年 1 月 30 日至 2 月 1 日在东京国际展示场（东京江东区）举行。

实时测量冰袋剩余蓄冷量以及蓄冷效果生效剩余时间

物联网社会比以往任何时候都更需要能够精确测量“事物”状态的技术。其中，热量是让我们了解“事物”状态的重要量。尽管如此，目前的热测量仅测量“物体”的温度，几乎没有直接测量流入和流出“物体”的热量。特别是在温度保持恒定的情况下进行热交换的相变中，需要直接测量热量才能了解“物体”的状态。

冷袋利用材料的相变，用于多种应用，包括冷却冷藏物品、冰枕和高温工作的防寒服。如果能够准确测量相变期间热量的传递和接收，则可以确定冰袋中剩余的蓄冷能力的量以及蓄冷能力有效的剩余时间。因此，可以预期它将有助于提高冰袋的便利性。例如，如果在运输冷冻货物时能够准确测量流入每个冰袋的热量，就可以防止冷袋失去其冷却效果并确保质量保证。此外，当寒冷效果消失时，可以用冰枕头和防寒服代替冰袋，这有望提高便利性。因此，需要能够测量进入相变材料的热量的技术。此外，如果能够测量热流的技术得以实现，则有望用于各种应用，例如评估和利用“物体”中存储的热量（图1）。

图1 使用袋状热流传感器进行热流测量的概念图

AIST 迄今为止已开发出一种柔性热电转换层，其使用的材料是将碳纳米管 (CNT) 分散在聚合物中热电转换元件10756_107702011 年 9 月 30 日、2017 年 3 月 14 日 AIST 新闻稿）。热电转换元件用作热流传感器，因为它产生与通过元件的热量成比例的电压。这次，我们利用这个功能创建了一个灵活的热流传感器，并致力于开发一种技术，利用它来直接测量流入和流出相变材料的热量。

这项研究和开发在 TherMAT 进行到 2017 年。此外，这项研究和开发的一部分得到了 NEDO 委托项目“未利用热能的创新利用技术的研究和开发”（2013-2022 财年）的支持。

大面积、柔性热流传感器是必不可少的，以便将整个相变材料（例如带有热流传感器的冷袋）包裹起来。当热量流入热电转换材料时，材料内部会产生温差，并产生与该温差成比例的电压。为了通过增加材料内部的温差来产生高电压，典型的热电转换层的厚度为毫米量级，但以高生产率生产如此厚度和大面积的热电转换材料是困难的。因此，这次我们开发了一种适合生产大面积器件的方法。打印方法形成热电转换材料。然而，印刷方法不适合生产厚材料，因此这次我们采用了图2所示的器件结构，使其即使在热电转换层很薄的情况下也能运行。当热量通过该元件时，薄膜基材的顶部和底部之间会产生温差。板正反两面的热电转换材料通孔连接，因此在薄膜基材的正面和背面之间产生的温度差也在热电转换材料内产生。通过该元件的热量可以根据该温差产生的电压来测量。

印刷法制作这种结构的热流传感器容易与高分子材料混合，成本较高塞贝克系数以及绝缘聚合物，例如聚苯乙烯和甲基丙烯酸树脂。通过优化油墨中的固体成分浓度、有机溶剂的种类以及油墨溶液的制备方法，该热电转换材料油墨具有约60μV/℃的高塞贝克系数。此外，它还具有适当的流动性，以便在打印时能够穿过通孔。将新开发的热电转换材料油墨通过印刷板印刷在聚合物薄膜基材的两面并干燥，形成热电转换材料。另外，还使用市售的银膏通过印刷法制作电极。新开发的热流传感器采用聚合物薄膜作为基板，使其具有柔性，并且由于采用印刷方法制造，因此可以轻松制成大面积。

图2 制作的袋状热流传感器的结构（左）及其照片（右）

在新开发的热流传感器元件的正面和背面粘贴保护膜，形成袋状，用冰袋密封，放入冷箱内，测量流入的热量（图3（a））。来自外部的热量总是通过袋状热流传感器流入制冷剂，因此测量热流传感器中产生的电压可以定量地确定流入制冷剂的热流量。图3(b)显示了进入冷袋的热量、冷袋温度以及冷箱内温度的变化。冰袋的温度保持在大约0°C，直到大约180分钟过去，然后上升。这表明冰在大约 180 分钟内经历了完全相变（融化）为水。此外，冰袋融化后，箱内温度显着升高。冷袋融化后，流入冷袋的热量迅速减少。这被认为是因为冰袋融化后，冷袋的温度接近冷箱内的温度，流入冷袋的热流量减少。

这次，我们开发了一个系统，使用公式计算冰袋的剩余蓄冷量和蓄冷效果有效的剩余时间（见补充），并将这些值显示在无线连接的外部终端上（示意图）。在该显示系统中，市售的具有无线传输功能的电压表与热流传感器连接，根据无线接收的电压信号，可以计算出冰袋的剩余蓄冷量以及制冷效果持续的剩余时间，并实时显示在外部终端上。

图3（a）包裹着袋状热流传感器并安装在冷箱内的冷包示意图（左）和照片（右） (b) 进入冰袋的热流量（左纵轴）、冷袋温度（右纵轴）和冷箱内温度（右纵轴）的变化 测量是在冷箱盖关闭的情况下进行的。

新开发的技术使得预测冰包融化并获得低温运输过程中热量流入的历史成为可能，有望在未来为提高低温物流质量做出贡献。它不仅可以应用于冷袋，还可以测量进出各种相变材料的热量流量，例如蓄热加热器的蓄热材料和潜热热水瓶。

未来，我们将招募企业进行联合研究，致力于解决商业化问题，提高测量灵敏度。我们还将研究应用于冰袋以外的相变材料的可能性。

◆热流传感器

测量单位时间内流入和流出的热量的传感器。[返回来源]

◆相变材料

经历相变的材料，例如从固体到液体。一般来说，在相变过程中，材料的温度保持恒定，同时进行热交换。[返回来源]

◆潜热

物质发生相变时所需的热能。例如，当冰融化成水时，每1公斤大约需要335 kJ的热能。[返回来源]

◆热电转换元件

一种将热能转化为电能的元素。产生与通过元件的热量成比例的电压。因此，它也可以用作热流传感器。[返回来源]

◆打印方式

一种通过施加与材料混合的溶液并将其干燥而在材料上形成图案的方法（例如喷墨印刷）。它被认为是一种廉价的工艺，因为它不需要高温或真空。[返回来源]

◆通孔

穿过木板的孔。通过该孔可以在基板的顶部和底部之间形成电接触。 [返回来源]

◆塞贝克系数

当材料内施加温差时，就会产生电压。 1℃温差产生的电压称为塞贝克系数。[返回来源]

[补充]　本实验中使用的冰袋为53克冰。 53克冰从-98℃的初始温度完全融化所需的热量可以很容易计算为189×10⁴(J)。另外，有时间t为止流入冰袋的热量Q) 使用以下公式计算。

这里Q是流入热流速率（图 3(b) 中的左侧纵轴）。因此，经过的时间t冰袋的剩余蓄冷量继续按此速度降温，预计蓄冷效果剩余时间分别为189×10⁴–Q，和（189×10⁴–Q) /Q来计算