Forskare vid Tokyo Institute of Technology kombinerar forcerad konvektionskylning med termoelektrokemisk energiomvandling för att skapa ett självförsörjande vätskekylningssystem. En flytande elektrolyt cirkuleras genom en cell för att kyla ett hett föremål, och den reversibla kemiska reaktionen i cellen genererar en högre elektrisk effekt än det hydrodynamiska pumparbete som krävs för att driva vätskan genom cellen. Denna teknik löser den långvariga oåtgärdade frågan om förlusten av fri energikomponent i den termiska energin.

Aktiv kylning är avgörande i de flesta moderna teknologier, allt från mikroprocessorer i datacenter till turbiner och motorer. Forcerad konvektionskylning, som cirkulerar en kylvätska över ytan på ett hett föremål, är effektivt för att uppfylla sådana kylningskrav men kräver en pumpkraft för att skicka kylvätskan genom den värmealstrande sektionen. Dock, aktiv kylning – snabbt avlägsnande av en stor mängd termisk energi i värmekällan under en stor temperaturskillnad – förstör omedelbart den fria energikomponenten i den termiska energin, vilket är en energidel som kan omvandlas till ett elektriskt verk. Detta problem i samband med forcerad konvektionskylning har förblivit olöst trots den utbredda användningen av forcerad konvektionskylning i den nuvarande världen.

En specifik metod för att omvandla spillvärme - värmen som inte behöver tas bort aktivt - till elektrisk energi genom flytande kemiska reaktioner har studerats i flera decennier. Den här metoden, kallas termo-elektrokemisk omvandling, innebär nedsänkning av två elektroder som hålls vid olika temperaturer i en flytande elektrolyt innesluten i ett slutet kärl, där en reversibel reduktionsoxidationsreaktion ("redox") inträffar. Denna reaktion genererar en elektrisk ström genom en extern krets. Forskning om termoelektrokemisk omvandling har mestadels utförts för statiska vätskor.

I den här studien, ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology integrerade termoelektrokemisk omvandling med påtvingad konvektionskylning för att delvis återvinna den ovannämnda frienergidelen, för närvarande förlorad under forcerad konvektionskylning, i form av elektrisk kraft. I cellen som utvecklats av dessa forskare, elektrolytvätskan flödar som ett kylmedel mellan två parallella elektroder, varav ett är ett värmeavgivande föremål som ska kylas. Redoxreaktionen som sker i cellen genererar elektricitet; denna elektricitet kan användas för att driva kylvätskeflödet genom cellen. Detta verk gräver in i okänt territorium, eftersom konceptet och genomförbarheten av självförsörjande vätskekylningssystem inte tidigare har visats.

Forskarna genomförde detaljerade studier för att belysa hur kylning och kraftgenerering fungerar i denna typ av termoelektrokemiska system med tvångsflöde. Dessa nya rön förväntas ge en grundläggande strategi för uppskalade framtida tillämpningar. "Även om prototypcellen som utvecklades i denna studie var liten och därmed kraftgenereringsprestandan var begränsad, denna teknik har mycket utrymme för förbättringar genom att optimera vätskekanalens geometri, elektrodmaterial, och redoxkemikalierna, " anmärker Prof. Yoichi Murakami, huvudutredaren för detta projekt.

Genom fortsatta studier, detta koncept som forskarna föreslår kan förhoppningsvis hitta sin tillämpning inom en snar framtid, tillhandahåller en ny teknisk plattform för forcerad konvektionskylning. "Genom detta tillvägagångssätt, vi kan delvis återvinna den fria energidelen av den termiska energin som för närvarande går förlorad under forcerad konvektionskylning, och denna förvärvade elektriska kraft kan användas för att pumpa kylvätskan i forcerad konvektionskylning, " avslutar Prof. Murakami.