FerroCool: Magnetisk pumpet kjøling av kraftelektronikkomformere

De siste to årene har vi på SINTEF Energi studert et konsept for kjølesystemer som bruker magnetiske nanofluider, også kalt ferrofluider. Nylig fikk vi innvilget midler fra Norges Forskningsråd sitt EnergiX-program «Nye konsepter» for å videreføre denne satsningen gjennom prosjektet FerroCool.

Ferrofluider er væsker som er tilsatt ekstremt små, magnetiske partikler.

Partiklene er ofte kun 10 nanometer i diameter. Dette tilsvarer lengden til 30 vannmolekyler lagt ved siden av hverandre.

Tilsetningen av magnetiske nanopartikler i en kjølevæske gir flere fordeler som er viktige for kjølesystemer. En fordel er forbedret varmeovergang fra rørvegg til væske. Dette er viktig for at så mye som mulig av varmen som produseres skal bli overført væsken og transportert bort. En annen fordel er termomagnetisk pumping, en eksotisk fysisk effekt som gjør at væsken kan pumpes med magneter når den varmes opp(!). Dette åpner for å lage kompakte kjølesystemer uten bevegelige deler (som konvensjonelle pumper) som dermed vil kreve mindre vedlikehold og tilsyn.

FerroCool: Kjøler elbiler, solceller og vindturbiner

En mulig anvendelse av denne kjøleteknologien er kjøling av halvlederkomponenter i kraftelektronikkomformere. Disse er viktige å kjøle fordi de produserer mye varme på et lite areal og blir ødelagte dersom de blir for varme.

Kraftelektronikkomformere er komponenter som brukes i veldig mange sammenhenger der man vil endre frekvensen til vekselstrøm eller konvertere mellom vekselstrøm og likestrøm. Eksempler er:

• Elbiler (likestrøm fra batteriet må konverters til vekselstrøm til motoren)
• Solceller (likestrøm fra cellene må konverters til vekselstrøm for å kunne sende solenergi ut på strømnettet)
• Vindturbiner (strøm med variabel frekvens gitt av rotasjonen på turbinbladene må konverters til strømnettets frekvens)

Enda nyttigere i framtida

Fordi de er viktige for produksjon og bruk av fornybar energi, for eksempel gjennom innfasing av smart grid-teknologien, vil anvendelse av kraftelektronikkomformere bli enda mer utbredt i framtida enn i dag.

I løpet av de to siste årene har vi utviklet matematiske modeller og et beregningsprogram som gjør oss i stand til å beregne og simulere kjølesystemer, både basert på ferrofluider og vanlige kjølevæsker. Modellene og koden vi bruker har vi beskrevet i en artikkel som nylig ble publisert. I dette arbeidet viste det seg at beregningsresultatene er spesielt avhengige av gode modeller for varmeovergang mellom ferrofluid og rørvegg. Det er foreløpig uklart hvilke modeller som egner seg. Derfor skal vi i FerroCool-prosjektet studere nettopp denne varmeovergangen nærmere, blant annet gjennom eksperimenter, for å forstå den bedre og komme fram til bedre modeller som kan brukes i beregninger.

Foreløpige beregninger virker lovende og viser at skal være det mulig å lage en passiv kjølekrets med ferrofluider og magnetisk pumping med nok effekt til å håndtere varmen (omtrent 15 kW) som produseres i en kraftelektronikkomformer i en 500 kW vindturbin (se figuren). En slik turbin vil kunne dekke strømforbruket til nesten 300 husstander når den går for fullt. Til sammenligning vil et like stort kjølesystem uten magnetisk pumping og ferrofluid kun håndtere en vindturbin på rundt 170 kW, ifølge våre beregninger. Med dette har vi sannsynliggjort at et nytt og uprøvd konsept vil kunne ha den kjøleeffekten som er nødvendig for å kunne brukes i praksis.

Ved videre arbeid med vår modell, nye eksperimentelle data fra FerroCool-prosjektet og optimalisering, tror vi det er mulig å lage vedlikeholdsfrie kjølesystemer som er enda mer kompakte og effektive kjølesystemer de systemene finnes i dag. Dette vil igjen kunne gjøre bruk av kraftelektronikkomformere billigere og bedre, som igjen vil kunne bety enklere og billigere innfasing av smart grid-teknologien og av fornybar energi.

Tidligere blogginnlegg om prosjektet:

• Stor økning i kjøleytelse ved bruk av ferrofluider
• Nanoteknologi kan gjøre både vindturbiner og subseafabrikker billigere og bedre
• Transporterer varme med magnetiske væsker

Se også:

• Ferrofluid og nanofluid varmetransport og omtale av prosjektet NanoHX-prosjektet.
• Publikasjon om forbedring av naturlig konveksjon med et termomagnetisk pumpet ferrofluid