Tema

Grafenförstärkta värmerör kan kyla kraftelektronik effektivt

Bra kylelektronik behövs för att bland annat kyla ner energikrävande serverhallar. Värmerör förstärkta med grafen skulle kunna kyla ner kraftelektroniken effektivare och därmed få ner klimatavtrycket.

Forskare på Chalmers tekniska högskola har, tillsammans med samarbetspartners i Kina och Italien, upptäckt att grafenbaserade värmerör kan lösa problem med kylelektronik och kraftsystem.

– Värmerör är ett av de bästa verktygen för detta på grund av deras höga effektivitet och unika förmåga att överföra värme över stora avstånd“, säger Johan Liu, professor i elektronikproduktion på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, på Chalmers. Resultaten har nyligen publicerats i den vetenskapliga Open Access-tidskriften Nano Select.

Elektronik och serverhallar måste kylas effektivt för att fungera korrekt. Grafenförstärkta värmerör kan lösa dessa problem. Värmerör är vanligtvis tillverkade av koppar, aluminium eller deras legeringar. Dessa materials relativt höga densitet och begränsade värmeöverföringskapacitet gör att sådana värmerör står inför stora framtida utmaningar.

Serverhallar stora miljöbovar

Stora serverhallar som levererar exempelvis digitala banktjänster och filmstreaming är mycket energikrävande och därmed också en miljöbov som släpper ut mer än flyget. Det är därför viktigt att få ner klimatavtrycket. Här kan forskarnas upptäckt ge ett betydande bidrag till energieffektiviseringen av sådana serverhallar och mycket annat. Det grafenförstärkta värmeröret uppvisar en specifik värmeöverföringskoefficient som är ungefär 3,5 gånger bättre än kopparbaserade värmerör.

De nya resultaten banar väg för att istället använda grafenförstärkta värmerör i lätta och stora kapacitetskylningstillämpningar, vilket krävs i många system för flygteknik, fordonselektronik, bärbara datorer, telefoner, serverhallar och rymdelektronik.

Grafen – tunt, böjligt och starkt

Grafen är ett tunt lager kol. Det har liknande egenskaper och uppbyggnad som grafit, men är bara en atom tjockt. En stapel med 3 miljoner ark grafen skulle bli ungefär 1 millimeter hög. Atomerna är ordnade i ett hexagonalt mönster, ungefär som ett hönsnät, vilket ger materialet ett antal unika egenskaper.

Det är töjbart och flexibelt, ändå extremt hårt. De oerhört kraftfulla bildningarna mellan kolatomerna gör grafen omkring 200 gånger starkare än stål. Dessutom är elektronrörligheten cirka 100 gånger snabbare än i kisel, vilket gör att också ledningsförmågan är mycket god. Dess smältpunkt ligger över 3 000 grader Celsius. Materialet kan framställas som antingen flagor eller filmer.

Egenskaperna gör grafen lämpligt till exempel för böjbar elektronik, förpackningar och biosensorer.

De grafenförstärkta värmerören är gjorda av grafenmonterade filmer med hög värmeledningsförmåga med hjälp av kolfiber med korgförstärkta innerytor. Forskarna testade rör med 6 millimeters ytterdiameter och en längd på 150 millimeter. De visar stora fördelar och potential när det gäller kylning av en mängd olika elektronik- och kraftsystem, särskilt där låg vikt och korrosionsmotstånd krävs.

Grafenförstärkta värmerör kan effektivt kyla kraftelektronik. Bild: Ya Liu and Johan Liu

– Kondensor-delen kan ersättas med en kylfläns eller fläkt för att göra kylningen ännu mer effektiv när den tillämpas i ett verkligt fall, säger Ya Liu, doktorand på avdelningen för elektronikmaterial och system (EMSL) på MC2.

Fotnot:

Den nya studien bygger på ett samarbete mellan forskare från Chalmers tekniska högskola, Fudan University, Shanghai University, Kina, SHT Smart High-Tech AB, Sverige och Marche Polytechnic University, Italien.

Vetenskaplig artikel:

A lightweight and high thermal performance graphene heat pipe, Nano Select

Kontakt:

Ya Liu, doktorand, avdelningen för elektronikmaterial och system (EMSL), institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, yaliu@chalmers.se
Johan Liu, professor, avdelningen för elektronikmaterial och system (EMSL), institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap – MC2, Chalmers tekniska högskola, johan.liu@chalmers.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Grafenförstärkta värmerör kan kyla kraftelektronik effektivt

 lästid ~ 3 min