Effektiviserande värmeväxlare för Stirling kryokylare baserad på grafen

Syfte och mål 

Kryokylare är en grundläggande teknik i det nuvarande och kommande tekniksamhället, som möjliggör allt ifrån MRI-maskiner och förvaring av vaccin till rymdforskning, partikelacceleratorer, och kvantdatorer. Detta projekt har som mål att effektivisera dagens mest marknadsetablerade kryokylare genom en optimering av deras enskilt mest kritiska komponent: värmeväxlaren. Värmeväxlarna i dessa system har den centrala rollen att omvandla det tillförda arbetet ifrån kompressorn till den sökta temperaturminskningen med så lite effektförluster som möjligt. Dock så går majoriteten av energin förlorad även i dagens mest effektiva system, och befintliga värmeväxlare är oftast den största bidragande orsaken till denna förlust. De begränsar även utvecklingen mot högre drivfrekvenser som kan ge miniatyrisering av systemen. Genom att optimera värmeväxlarna i moderna regenerativa kryokylare med nano-materialet grafen så kan systemen få ökad verkningsgrad, på ett sätt som också vore särskilt konkurrenskraftigt för deras miniatyrisering. Ytbeläggningar av grafen utgör ett ekonomiskt skalbart sätt att förbättra precis de materialegenskaper som är allra mest fördelaktiga för en regenerativ värmeväxlares effektivitet, i synnerhet vid operation vid höga frekvenser. 

I detta projekt ska APR Technologies göra en FTO-undersökning, litteraturstudie, samt konstruera och bygga en första prototyp av en värmeväxlare för en Stirlingkryokylare, förbättrad genom ytbeläggning med grafen. Grafenet för projektet kommer att levereras av projektpartnern och underleverantören 2D fab, som har goda förutsättningar för skalbarhet i sin produktion. 

Abstract in English

Streamlining heat exchanger for Stirling cryocoolers based on graphene

Cryocoolers are a basic technology in the current and future technology society, enabling everything from MRI machines and storage of vaccines to space research, particle accelerators, and quantum computers. This project aims to streamline today's most market-established cryocoolers by optimizing their single most critical component: the heat exchanger. The heat exchangers in these systems have the central role of converting the supplied work from the compressor to the desired temperature reduction, with as little power loss as possible. However, the majority of energy is lost even in today's most efficient systems, and existing heat exchangers are often the biggest contributing factor to this loss. They also limit the development towards higher drive frequencies that can result in miniaturization of the systems. By optimizing the heat exchangers in modern regenerative cryocoolers with the nano-material graphene, the systems can have increased efficiency in a way that would also be particularly competitive for their miniaturization. Graphene coatings are an economically scalable way to improve exactly the material properties that are most advantageous for the efficiency of a regenerative heat exchanger, especially in high frequency operation.

In this project, APR Technologies will conduct an FTO study, literature study, and design and build a first prototype of a heat exchanger for a Stirling cryocooler, improved via graphene coating. The graphene for the project will be delivered by the project partner and subcontractor 2D fab, which has good conditions for scalability in its production.

Utlysning:
Samverkan kring kommersiella grafentillämpningar, hösten 2020

Projektpartners: APR Technologies, 2D fab

Projektledare: Are Björneklett, APR Technologies

Projektform: Genomförbarhetsstudie

Bidrag: 300 000 kr

Projektets löptid: 1 mars 2021 – 31 augusti 2021

Relaterade styrkeområden: