專利名稱：納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于熱交換系統(tǒng)的傳熱冷卻工質(zhì)及其制備方法，特別是一種納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)及其制備方法。
納米流體傳熱冷卻工質(zhì)廣泛應(yīng)用于車輛、航天航空、電子、化工、建筑、食品等領(lǐng)域，滿足動力裝置、大功率發(fā)動機、絕熱發(fā)動機、空調(diào)裝置、熱泵系統(tǒng)、超導(dǎo)磁體、大功率電子設(shè)備、超級計算機等設(shè)備的高負荷的傳熱及冷卻要求。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和能源動力問題的日益突出，對熱交換設(shè)備的高效低阻緊湊等性能指標的要求越來越高。通常，強化傳熱的措施主要從強化換熱表面、制造工藝入手，研制多種類型的換熱表面。但隨著熱交換設(shè)備換熱表面強化傳熱技術(shù)研究的深入，換熱工質(zhì)的傳熱性能成為影響熱交換設(shè)備高效緊湊性能的一個主要因素。也就是說，低導(dǎo)熱系數(shù)的換熱工質(zhì)已成為研究新一代高效傳熱冷卻技術(shù)的主要障礙。例如隨著微機電系統(tǒng)(MEMS)的迅速滿足，微型換熱器及微尺度散熱器作為MEMS家族中的一員，在微電子、微型動力系統(tǒng)、航空航天、醫(yī)療、化學(xué)生物工程、材料科學(xué)、高溫超導(dǎo)體的冷卻、薄膜沉積中的熱控制、強激光鏡的冷卻以及其它一些對換熱設(shè)備的尺寸和重量有特殊要求的場合中有著非常重要的應(yīng)用前景。由于微型換熱器及微尺度散熱器特殊結(jié)構(gòu)的限制和高負荷傳熱強度的要求，傳統(tǒng)的純液體換熱工質(zhì)已很難滿足微尺度及高負荷等特殊條件下的傳熱與冷卻要求，必須開發(fā)研制傳熱性能好的換熱工質(zhì)來滿足微尺度條件下強化傳熱要求，滿足高負荷傳熱及冷卻要求。
在軍事方面，坦克、自行火炮及艦船等武器裝備的發(fā)動機主要是柴油機和燃氣輪機，為了獲得更強的作戰(zhàn)性能和更靈活的機動性，發(fā)動機的功率日漸增大，性能要求更高，由此引起的發(fā)動機散熱和冷卻問題也日益突出。事實上，如果柴油機缸套和缸套的冷卻水溫度過高或燃氣輪機壓縮空氣溫度過高，會引起發(fā)動機過熱、油耗增加和性能下降等一系列問題。對于動力裝置的油路系統(tǒng)而言，潤滑油和液壓油在高溫下會發(fā)生理化性能變化，工況惡化，密封性變差，容易造成泄漏。同時由于以上武器裝備內(nèi)部容積的限制和作戰(zhàn)機動性的要求，冷卻裝置應(yīng)盡可能輕，體積盡可能小。為了解決上述問題，必須研制高效、低阻、高緊湊傳熱冷卻設(shè)備與技術(shù)。
另外，隨著國防現(xiàn)代化的進程不斷發(fā)展，越來越多的電子器件及設(shè)備出現(xiàn)在各種武器裝備中，例如導(dǎo)彈自動尋的系統(tǒng)、導(dǎo)彈和火箭的控制系統(tǒng)、相共陣雷達和航空航天器控制系統(tǒng)等。上述軍用裝備性能的不斷提高，對其中的電子器件及設(shè)備的可靠性、緊湊化、小型化提出了更高的要求。高性能的電子器件意味著高功率消耗，而緊湊性要求使得眾多的電子元件集成在越來越小的區(qū)域之內(nèi)，導(dǎo)致熱流密度的急劇增加，而且由于某些惡劣的工作環(huán)境(如飛行器、軍用車輛內(nèi))，使得電子器件散熱更加困難。高熱流密度會使電子元件局部或整體處于較高的溫度下，如果電子器件的散熱冷卻措施達不到要求，就會導(dǎo)致器件失效或損壞。不均勻的溫度分布還會在電子器件內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形，造成電子器件疲勞損壞，機械性斷裂或永久變形，極大地影響了電子器件乃至整個武器系統(tǒng)的工作性能。此時，傳統(tǒng)的純液體工質(zhì)和常規(guī)的散熱措施已不能滿足某些電子儀器的散熱需要，為了保證電子器件及設(shè)備有足夠長的工作壽命和在高溫條件下安全運行，必須研究開發(fā)高效電子器件(設(shè)備)的冷卻技術(shù)，以穩(wěn)定電子儀器的工作特性，提高電子儀器的工作壽命和可靠性，滿足日益增長的高性能電子器件的需求。
美國Argonne的研究人員采用氣相沉積法制備了CuO-水、Cu-機油、Al2O3-水等納米流體。文獻為1、Eastman，J.A.，Choi，U.S，Li，S.，Thompson，L.J.，and Lee，S.，Enhancedthermal conductivity through the development of nanofluids.in Nanophase andNanocomposite Materials II(ed. By Komarneni，S.，Parker，J.C.，Wollenberger，H.J.)MRS，Pittsburgh，3-11，(1997).；2、Lee，S.，Choi，S.U.-S.，Li，S.and Eastman，J.A.，MeasuringThermal Conductivity of Fluids Containing Oxide Nanoparticles，J.of Heat Transfer 121，280-289，(1999).
目的通過在常規(guī)的傳熱冷卻液體中添加一定比例的納米級金屬或金屬氧化物粒子(粒徑≤100nm)，研制導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱性能好的高效新型換熱工質(zhì)。
構(gòu)成采用氣相沉積法制備納米流體。該方法原理為在一真空系統(tǒng)內(nèi)對金屬或金屬氧化物采用大功率激光加熱，使其產(chǎn)生蒸氣，蒸氣遇液氮后急速冷卻，形成納米級金屬或金屬氧化物粒子，并沉積分散至液體中，形成納米流體。
效果在液體中添加納米粒子，可以顯著增加液體的導(dǎo)熱系數(shù)，提高熱交換系統(tǒng)的傳熱性能。例如，美國Argonne國家實驗室的研究表明以大約4％的體積比在乙二醇中添加氧化銅納米粒子，則形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比乙二醇提高20％以上(Lee，et a1.，1999)，顯示了納米流體在強化傳熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
雖然通過氣相沉積法制備的納米流體，粒子分散性較好、懸浮穩(wěn)定性較高，但這種方法費用高且不適宜于實際應(yīng)用的需要。
本發(fā)明的目的在于提供一種通過將納米粒子與液體介質(zhì)直接混合得到導(dǎo)熱系數(shù)高、傳熱性能好的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)及其制備方法。
實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)，其特征在于它由(1)金屬或金屬氧化物納米粒子1—10％(體積比)(2)液體工質(zhì)89.5—98.8％(體積比)(3)分散劑或表面活性劑 0.2—0.5％(體積比)組成。
一種納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)的制備方法，其特征在于將一定比例的納米粒子與液體介質(zhì)直接共混，然后在其中添加少量比例的表面活性劑和(或)分散劑，再進行超聲振動，制得懸浮穩(wěn)定的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)。
本發(fā)明的原理是(1).由于粒子與粒子、粒子與液體、粒子與壁面間的相互作用及碰撞，破壞了流動層流底層，減小了傳熱熱阻，增強了流動湍流強度，使傳熱增加。
(2).在液體中添加納米粒子，可顯著增大液體的導(dǎo)熱系數(shù)，使傳熱增強。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其有益效果是采用直接共混法制備的納米流體，顯著增加了液體的導(dǎo)熱系數(shù)，納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)隨納米粒子體積份額的增加而增大。例如在水中添加5％體積比的Al納米粒子，則形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水提高23％；在水中添加3％體積比的Cu納米粒子，則形成的納米流體導(dǎo)熱系數(shù)比水提高29％?？梢钥闯?，效果非常明顯，并且通過直接共混法制備納米流體較之氣相沉積法制備納米流體非常適合于實際應(yīng)用。
采用納米流體作為換熱工質(zhì)，可以有效提高熱交換設(shè)備的傳熱性能，大大提高熱交換設(shè)備的高效低阻緊湊等性能指標、降低熱交換設(shè)備的制造成本，同時，減少換熱工質(zhì)總量，大大降低熱交換系統(tǒng)的動力消耗。例如，采用傳統(tǒng)換熱工質(zhì)，每提高傳熱效率2倍，就需要增加動力消耗10倍。而使用導(dǎo)熱系數(shù)是傳統(tǒng)純液體工質(zhì)的3倍的納米流體作為換熱工質(zhì)使用在同一熱交換系統(tǒng)中，可使傳熱效率增大2倍而不增加任何動力消耗。因此，納米流體可以大大降低熱交換系統(tǒng)的制造及運行成本。
附圖
是本發(fā)明的納米流體傳熱冷卻工質(zhì)的制備方法的流程圖。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。
結(jié)合附圖，本發(fā)明將一定比例的納米粒子與液體介質(zhì)直接共混，然后在其中添加少量比例的表面活性劑和(或)分散劑，再進行超聲振動，制備穩(wěn)定的納米流體。如何選擇合適的活性劑和分散劑主要依賴于懸浮液及粒子的性質(zhì)。比如，親水性的分散劑適合于水—粒子懸浮液，親油性的分散劑適合于油—粒子懸浮液。金屬納米粒子材料為粒徑小于100nm的銅、鋁等導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬；金屬氧化物納米粒子材料為粒徑小于100nm的CuO、Al2O3等金屬氧化物。
實施例1。
制備1vol.％Al—水納米流體。將體積份額配比為1％的Al納米粒子與體積份額配比為98.8％的機油相混合，為了使Al納米粒子均勻、穩(wěn)定地分散在水介質(zhì)中，選用親水性分散劑—月桂酸鈉，然后進行超聲振動10小時左右。分散劑的添加量為0.2vol.％。形成的Al—水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加3.5％。
實施例2。
制備5vol.％Cu—機油納米流體。將體積份額配比為5％的Cu納米粒子與體積份額配比為94.6％的機油相混合，為了使Cu納米粒子均勻、穩(wěn)定地分散在機油介質(zhì)中，選用親油性分散劑—油酸，然后進行超聲振動10小時左右。分散劑的添加量為0.4vol.％，懸浮液的分散性、穩(wěn)定性較好，并可維持三天左右。形成的Cu—機油納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比機油增加23％。
實施例3。
制備7.5vol.％Cu—水納米流體。將體積份額配比為7.5％的Cu納米粒子與體積份額配比為92％的水相混合，選用親水性分散劑—月桂酸鈉，然后進行超聲振動20小時。當(dāng)添加0.5vol.％分散劑時，水—Cu納米粒子懸浮液懸浮穩(wěn)定性較好，可穩(wěn)定存在30小時左右。形成的Cu—水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加45％。
實施例4。
制備10vol.％Cu—水納米流體將體積份額配比為10％的Cu納米粒子與體積份額配比為89.5％的水相混合，選用親水性分散劑—月桂酸鈉，分散劑添加量為0.5vol.％，然后進行超聲振動30小時。形成的Cu—水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加61％。
實施例5。
制備1vol.％CuO—機油納米流體。將體積份額配比為1％的Cu納米粒子與體積份額配比為98.8％的機油相混合，選用親油性分散劑—油酸，然后進行超聲振動10小時左右。分散劑的添加量為0.2vol.％，形成的CuO—油納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加2.8％。
實施例6。
制備5vol.％Al2O3—水納米流體。將體積份額配比為5％的Al2O3納米粒子與體積份額配比為94.8％的水相混合，添加0.2vol.％的親水性分散劑—月桂酸鈉，然后進行超聲振動10小時。形成的Al2O3—水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加7.8％。
實施例7。
制備10vol.％CuO—水納米流體。將體積份額配比為10％的Cu納米粒子與體積份額配比為89.6％的水相混合，選用親水性分散劑—月桂酸鈉，分散劑添加量為0.4vol.％，然后進行超聲振動15小時。形成的CuO—水納米流體的導(dǎo)熱系數(shù)比水增加12％。
權(quán)利要求
1.一種納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)，其特征在于它由(1)金屬或金屬氧化物納米粒子1—10％(體積比)(2)液體工質(zhì) 89.5—98.8％(體積比)(3)分散劑或表面活性劑 0.2—0.5％(體積比)組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)，其特征在于金屬納米粒子材料為粒徑小于100nm的銅、鋁等導(dǎo)熱系數(shù)較高的金屬；金屬氧化物納米粒子材料為粒徑小于100nm的CuO、Al2O3等金屬氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)，其特征在于液體工質(zhì)為水或油類。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)，其特征在于分散劑或表面活性劑為親水性的分散劑適合于水—粒子懸浮液，親油性的分散劑適合于油—粒子懸浮液。親水性的分散劑選用月桂酸鈉，親油性的分散劑選用油酸。
5.一種權(quán)利要求1所述的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)的制備方法，其特征在于將一定比例的納米粒子與液體介質(zhì)直接共混，然后在其中添加少量比例的表面活性劑和(或)分散劑，再進行超聲振動，制得懸浮穩(wěn)定的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)及其制備方法。它將體積比為1－10%的金屬或金屬氧化物納米粒子、89.5－98.8%的液體工質(zhì)直接共混,然后添加0.2－0.5%的分散劑或面活性劑組成。再進行超聲振動,制得懸浮穩(wěn)定的納米流體高效傳熱冷卻工質(zhì)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比,液體導(dǎo)熱系數(shù)顯著增加,可有效提高熱交換設(shè)備的傳熱性能及提高熱交換設(shè)備的高效低阻緊湊等性能、降低設(shè)備制造成本,減少換熱工質(zhì)總量,降低系統(tǒng)動力消耗。
文檔編號C09K5/00GK1329123SQ0011234
公開日2002年1月2日 申請日期2000年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月15日
發(fā)明者宣益民, 李強 申請人:南京理工大學(xué)