Ferrofluids for cooling of power converters

FerroCool handlet om et konsept for kjølesystemer som bruker ferrofluider. Ferrofluider er væsker som er tilsatt magnetiske nanopartikler. Tilsetningen av magnetiske nanopartikler i en kjølevæske gir flere viktige fordeler. En fordel er forbedret varmeovergang fra rørvegg til væske. En annen er termomagnetisk pumping, en fysisk effekt som gjør at væsken kan pumpes med magneter når den varmes opp. Dette åpner for å lage kompakte kjølesystemer uten mekaniske pumper eller andre bevegelige deler som derfor vil kreve mindre vedlikehold og tilsyn. Mulige anvendelser av denne teknologien er til eksempel kjøling av kraftelektronikkomformere, solcelle-paneler og forbrukerelektronikk. I alle disse anvendelsene er kjøling viktig, fordi de produserer mye varme og de kan bli ødelagte ved for høy temperatur. Kraftelektronikkomformere brukes der man vil endre frekvensen til vekselstrøm eller konvertere mellom vekselstrøm og likestrøm, for eksempel i el-biler og vindturbiner. 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. Vi har tidligere utviklet modeller og et beregningsprogram som gjør oss i stand til å simulere kjølesystemer, både basert på ferrofluider og vanlige kjølevæsker. I dette arbeidet har det vist 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 begynte vi i FerroCool-prosjektet å studere denne varmeovergangen nærmere ved å bygge opp en eksperimentell rigg for å gjøre målinger på varmeovergang mellom ferrofluid og rørvegg. Gjennom FerroCool-prosjektet har vi designet og bygget et eksperimentelt oppsett for å måle varmeovergang i ferrofluider. Dette oppsettet er designet for å være nøyaktig og fleksibelt, det vil si, vi kan bytte ut test-objektet for i fremtiden å gjøre målinger på hvordan ferrofluider fungerer som kjølevæske, både med og uten ekstern magnetkraft. Vi har gjennomført en rekke testkjøringer for kalibrering. I fremtidige prosjekt vil vi fullføre kalibrering og gjøre målinger på varmeovergang, før vi går over til å sammenligne kjøleevnen til ferrofluid som kjølemedium med andre konvensjonelle fluider. FerroCool-prosjektet har også gjennomført et applikasjonsstudie for kjøling med nano- og ferrofluider. Dette studiet trekker frem to områder som spesielt lovende: Kjøling av solceller, samt kjøling av datamaskiner og forbruker-elektronikk. Studiet presenterer overordnede veikart for implementering av kjøleteknologien innenfor disse to områdene. Ved videre arbeid med vår modell, nye eksperimentelle data fra videreføring av FerroCool-prosjektet og optimalisering, tror vi det er mulig å lage vedlikeholdsfrie kjølesystemer som er mer kompakte og effektive enn de som finnes i dag. Dette vil kunne gjøre bruk av for eksempel kraftelektronikkomformere billigere og bedre, som igjen vil bety enklere og billigere innfasing av fornybar energi.

FerroCool proposes research towards a new cooling concept for power converters. The concept is based on recent advances in nanotechnology, specifically magnetic nanofluids, also known as ferrofluids. It utilizes the magnetic properties of ferrofluids to design a thermomagnetic pump with no moving parts. When combined with the superior heat transfer properties of nanofluids in general, the concept achieves more efficient, compact and reliable cooling compared to existing technology. Preliminary work has resulted in the development and implementation of a fundamental numerical model for ferrofluid flow that is able to describe the proposed cooling concept. However, the model is only partially validated due to lack of experimental data in the literature. In the proposed revised project, an initial experimental campaign will be conducted. The experiments will result in unique data that will be used to validate and improve the numerical model. The project will also investigate possible applications of the cooling concept. Power converters for wind turbines is considered a promising application, as this is one application where compactness and reliability is particularly important. A successful project will provide a strong foundation for further research through two main achievements: First, an experimental rig will be available that has future expansions in mind. Second, a knowledge gap regarding ferrofluid heat transfer will be closed, which should lead to accurate models for ferrofluid heat transfer loops.