Miniatyriserad kryokylare baserad på grafen

Syfte och mål

APR Technologies AB har en affärsidé i att utveckla en kritisk komponent för kryokylning (miniatyriserad kompressor) helt utan rörliga delar och som drivs med termisk energi.

Grafen är ett lämpligt material för den mest kritiska komponenten i pumpkärnan, som på flera nivåer skall kunna säkerställa kompressorns behov av en internt extremt hög termisk ledningsförmåga. Det är kombinationen av mycket hög värmeledningsförmåga och möjligheten till en anpassad permeabilitet för gaser, som gör grafen till en unik materialkandidat.

Kryogeniska kylsystem behövs i en rad olika vetenskapliga, industriella, medicinska och militära utrustningar med syfte att kyla kritiska sensorer eller komponenter. Dagens kylsystem har höga kostnader, låg tillförlitlighet och behöver frekvent underhåll. Detta begränsar användningen av kryogeniskt kylda system och utesluter idag kryosystem inom en rad tillämpningar och marknadsområden.

Kylsystem som är miniatyriserade, tillförlitliga och billigare efterfrågas inom till exempel; IR-detektion, magnetisk detektion för magnetoencephalografi, kardiologi, geofysik och radiosystem för satellitmarkstationer. Förbättringar i kryokyl-tekniken öppnar även nya marknader som idag inte kan acceptera dagens låga tillförlitlighet och höga kostnader, stora underhållsbehov, alstrade vibrationer eller högljuddhet. Exempel på två stora potentiella marknader är mobilradiosystem och magnetfältsdetektorer (SQUID).

Projektet är en fortsättning på tidigare samarbeten mellan APR Technologies AB i Enköping, Chalmers och SHT Smart High-Tech AB i Göteborg. APR Technologies AB leder projektet, definierar kravbilden på materialet och står för idé-, system- och materialutveckling, Chalmers utför materialkarakterisering och SHTs roll är inom materialutveckling. En första fungerande prototyp togs fram i föregående projekt fast tillverkningsmetodiken behöver utvecklas mot bättre yield, stabilitet och prestanda. Huvudmålet med projektet är att uppnå en stabil tillverkningsprocess av kompressorn, ytterligare förbättra grafenmaterialet och ta fram ytterligare systemkomponenter för att efter projektet kunna gå över i en kommersialiseringsfas.

 

Resultat

Projektet har haft som mål att utveckla en termiskt driven Joule-Thomson kryokylare utan rörliga delar, som möjliggörs m.h.a. den goda värmeledningsförmågan hos grafen–baserade kompositer. Projektet innefattade utvecklingen av ett lämpligt grafen–baserat material och dess tillverkningsprocess, för att ge goda förutsättningar för en framtida kommersialisering. Avsedda kommersiella applikationer är inom rymdteknik och annan industri, med krav på låga vibrationsnivåer och lång livslängd, främst med naturligt tillgängliga temperaturskillnader.  

Under projektets gång fokuserades APR Technologies insats huvudsakligen på den termiskt drivna kompressorn tillsammans med övriga kritiska systemdelar, genom ett flertal prototypiterationer. Fungerande och mekaniskt robust kompressor utan rörliga delar har byggts, i handhållen storlek, som förmår att skapa en tryckökning på 0.5 bar. Likaså kan kompressorn användas för att pumpa ett undertryck på sin inmatningssida, och där demonstrerades en tryckminskning ifrån 1 bar ner till 0.7 bar, endast drivet av en kontrollerad extern temperaturskillnad på ca 120 grader Celsius. Innan projektet inleddes kunde den föregående prototypen pumpa ett maxtryck på ca 0.02 bar vilket innebär att det under projektets gång uppnåddes en ca 20-faldig ökning av genererat maxtryck. Konceptet är därefter skalbart för högre tryck. 

I samarbete med SHT Smart High Tech och Chalmers har grafen–materialet optimerats och en komposit med koppar/grafen har tagits fram och verkar mycket lovande även inom angränsande områden som värmeväxlare. Kompositmaterialet har uppnått nära 4 gånger högre värmeledningsförmåga än ren koppar. Detta med goda förutsättningar för ytterligare förbättring genom att variera tjockleken på grafen–filmerna, som under projektets gång har uppnått en värmelednings-förmåga på över 2.000W/mK.  

För att optimera kompressorn för framtida kommersialisering utvecklades ett kompositmaterial, bestående av koppar och grafen-baserad film. Kopparbitarna tillverkades med foto-kemisk etsning vilket lämpar sig för stora volymer till tillräckligt låga priser. Detta material utgör en viktig grafen-relaterad insikt i projektet: att kompositmaterial bestående av grafen och koppar är ett möjligt sätt att nyttja värmeledningsförmågan hos grafen i applikationer som kräver täthet och mekanisk styrka. 

Kompositmaterialet användes även till utvecklingen av kylsystemets motflödande värmeväxlare, som näst efter kompressorn är den mest kritiska komponenten i en motflödande kryokylare. Värmeväxlaren har tagits till ett tidigt prototypstadie, och tros ha en kommersiell potential då dess koncept representerar vissa förbättringar gentemot motsvarande befintliga värmeväxlare. 

Möjliga applikationer
En prototypkompressor är visad på några konferenser inklusive Mobile World Congress samt andra tillfällen i Sverige och APR har under projektet knutit kontakter med industri och Big Science. SHT säljer sina filmer bland annat via sin hemsida, och i framtiden tänker APR Technologies undersöka alternativa applikationer av Knudsen-kompressorn. Projektet har varit mycket värdefullt även utanför den specifika tekniska utvecklingen eftersom det starkt bidragit till att öppna dörrar hos industriella aktörer både i Sverige och internationellt. 

Abstract in English

Miniaturized cryo cooling based on graphene
APR Technologies has a business idea in developing a critical component for cryo cooling (miniaturized compressor) without moving parts and powered by thermal energy.

Graphene is a suitable material for the most critical component of the pump core, which at several levels will ensure the compressor's need for an internal extremely high thermal conductivity. It is the combination of very high thermal conductivity and the possibility of a customized permeability for gases, which makes graphene a unique material candidate.

Cryogenic cooling systems are needed in a variety of scientific, industrial, medical and military equipment with the purpose of cooling critical sensors or components. Today's cooling system has high costs, low reliability and frequent maintenance. This limits the use of cryogenic refrigerated systems and currently excludes cryosystems in a range of applications and market areas.

Cooling systems that are miniaturized, reliable and cheaper are demanded in, for example; IR detection, magnetic detection for magnetoencephalography, cardiology, geophysics and radio systems for satellite market stations. Enhancements in the cryo cooling technology also open up new markets that today can not accept today's low reliability and high costs, high maintenance needs, vibration or loudness generated. Examples of two major potential markets are mobile radio systems and magnetic field detectors (SQUID).

The project is a continuation of previous collaborations between APR Technologies in Enköping, Chalmers and SHT Smart High-Tech in Gothenburg. APR Technologies leads the project, defines the requirements for the material and stands for ideas, systems and materials development, Chalmers performs material characterization and SHT's role in material development. A first working prototype was developed in the previous project. The solid manufacturing methodology needs to be developed against better yield, stability and performance. The main objective of the project is to achieve a stable manufacturing process of the compressor, further improve the graphene material and develop additional system components in order for the project to pass into a commercialization phase.

Results
During the course of the project, APR Technologies' efforts were mainly focused on the thermally operated compressor together with other critical system parts, through a number of prototype iterations. Functional and mechanically robust compressor without moving parts has been built, in hand-held size, which is capable of creating a pressure increase of 0.5 bar. Similarly, the compressor can be used to pump a negative pressure on its feed side, where a pressure reduction from 1 bar down to 0.7 bar was demonstrated, driven only by a controlled external temperature difference of about 120 degrees Celsius. Before the project was initiated, the previous prototype was able to pump a maximum pressure of about 0.02 bar, which means that during the project a approximately 20-fold increase in the generated maximum pressure was achieved. The concept is then scalable for higher pressure.

In collaboration with SHT Smart High Tech and Chalmers, the graphene material has been optimized and a composite with copper / graphene has been developed and appears very promising even in adjacent areas such as heat exchangers. The composite has achieved close to 4 times higher thermal conductivity than pure copper. This with good conditions for further improvement by varying the thickness of the graphene films, which during the project has achieved a thermal conductivity of over 2,000W / mK.

In order to optimize the compressor for future commercialization, a composite material consisting of copper and graphene-based film was developed. The copper pieces were manufactured with photochemical etching, which is suitable for large volumes at sufficiently low prices. This material represents an important graphene-related insight into the project: that composite material consisting of graphene and copper is a possible way to utilize the thermal conductivity of graphene in applications that require tightness and mechanical strength.

The composite material was also used for the development of the cooling system's counter-flowing heat exchanger, which next to the compressor is the most critical component of a counter-flowing cryocooler. The heat exchanger has been taken to an early prototype stage, and is believed to have a commercial potential as its concept represents some improvements over the corresponding existing heat exchangers.

Possible applications
A prototype compressor has been shown at a few conferences including Mobile World Congress and other occasions in Sweden and APR has made contacts with industry and Big Science during the project. SHT sells its films, for example, through its website, and in the future, APR Technologies intends to investigate alternative applications of the Knudsen compressor. The project has been very valuable even outside the specific technological development as it has greatly contributed to opening doors of industrial players both in Sweden and internationally.

Utlysning:
FoI-projekt och Genomförbarhetstudier (2) 2017

Projektpartners: APR Technologies, Chalmers och SHT Smart High-Tech

Projektledare: Peter Nilsson, APR Technologies

Bidrag: 2 207 250 kr

Projektets löptid: nov 2017 - okt 2019

Relaterade styrkeområden: