Förstudie på Miniatyriserad kryokylare baserad på grafen

Syfte och mål
APR Technologies AB utvecklar en miniatyriserad Knudsen-kryokompressor som fungerar utan rörliga delar och drivs av termisk energi. Grafenbaserade filmer undersöks som kritiska delar där extrem termisk prestanda behövs tillsammans med en kontrollerad permeabilitet. Projektet skulle ta fram ett lämpligt material, grafen i form av HOPG (Highly ordered pyrolytic graphite) och karakterisera dess termiska och gaspermeabla egenskaper i provuppställning. Sedan skulle grafenmaterialet integreras med kompressorns andra nyckelmaterial.

Effekter och resultat
Denna förstudie identifierade ett antal materialval, underleverantörer, lämplig konstruktion/design av system baserat på testresultat och simuleringar, samt möjliga bearbetningsmetoder för ingående delar. Det framkom en del nya svårigheter men samtidigt verifierades även möjligheterna till att använda grafenbaserade filmer som en kritisk del i tillämpningen. I utvecklingsarbetet av en kryokompressor utan rörliga delar har en testuppställning för kompressorcellsutvecklingen byggts och uppdaterats. SHT har tagit fram grafenbaserade filmer utifrån en kravställning från APR och dessa har utvärderats både på Chalmers och hos APR. Genom anpassning av grafenmaterialet i ett försök mikroperforerade grafenbaserade filmer, vilket gav bra resultat, har den kritiska kombinationen av värmeledning och permeabilitet kunnat uppnås.

De termiska egenskaper för filmerna validerades på Chalmers, men utvärdering i APRs kompressorcell visar att värmeledningsförmågan för en 20-40μm tjock film inte är tillräcklig när den sitter monterad tillsammans med bland annat aerogelkomposit. Nya simuleringar och referensmätningar gjorda med bearbetad aluminium som värmeledare visar att vi kommer behöva tjockare grafenbaserade filmer, och nästa steg är att utvärdera sådana.
Integration av grafenfilm och aerogelkomposit har visat sig fungera så vi kommer kunna fortsätta arbetet med dessa typer av material, ett nytt problem vi stött på är dock aerogelkompositens begränsade tålighet mot höga temperaturer varför vi nu även tittar på aerogelkompositer med rätt egenskaper, som även tål högre temperaturer.

Projektet som var en förstudie identifierade svårigheter och verifierade möjligheterna, och fortsätter i en genomförandefas tack vare vidare finansiering från Vinnova, som pågår till sista november 2016.