專利名稱：具有高傳熱性能的納米金屬流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于超高功率密度散熱器的冷卻流動(dòng)工質(zhì)，特別涉及一種適合于計(jì)算機(jī)芯片和反應(yīng)堆等高熱流密度條件下，需要高強(qiáng)度換熱和冷卻環(huán)境使用的冷卻流動(dòng)工質(zhì)。
背景技術(shù)：
眾所周知，當(dāng)前計(jì)算機(jī)芯片散熱采用的主要是受迫空氣對(duì)流來(lái)冷卻發(fā)熱器件，但這一方式的散熱量有限。因此，人們正逐步嘗試采用水冷或其他有機(jī)液體來(lái)實(shí)現(xiàn)散熱；低熔點(diǎn)液體金屬芯片散熱技術(shù)的提出(劉靜，周一欣，一種芯片散熱用散熱裝置，授權(quán)號(hào)02257291.0)，更將液體冷卻方式推進(jìn)了一大步。在這種方式中，散熱工質(zhì)為熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于常規(guī)流體的金屬，因而散熱能力更強(qiáng)。然而，由于可供選擇的低熔點(diǎn)液體金屬種類并不多，且由于是稀有金屬，因而價(jià)格偏高。特別是，這些已有金屬的導(dǎo)熱率在金屬材料系列中并不算突出。
實(shí)際上，液體金屬冷卻劑在核反應(yīng)堆工程上久已有重要應(yīng)用。從熱工水力學(xué)的角度看，根據(jù)冷卻劑的種類不同，反應(yīng)堆一般可分為水冷堆，氣冷堆和液態(tài)金屬冷卻堆。其中，液態(tài)金屬冷卻堆有代表性的是鈉冷快中子增殖堆。用液態(tài)金屬冷卻的快中子反應(yīng)堆是當(dāng)前反應(yīng)堆發(fā)展的方向，將逐漸在各種反應(yīng)堆中占主導(dǎo)地位。由于快堆的功率密度高，而液態(tài)金屬鈉對(duì)中子產(chǎn)生的慢化作用較弱，導(dǎo)熱能力強(qiáng)，對(duì)多種鋼種腐蝕性小且無(wú)毒，所以用作快堆中的冷卻劑。然而，液態(tài)金屬鈉化學(xué)性質(zhì)活潑，容易與氧，水等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，當(dāng)發(fā)生器傳熱管破漏時(shí)，容易引起強(qiáng)烈的鈉水反應(yīng)，所以在使用鈉作為快堆冷卻劑時(shí)，如何避免冷卻劑泄漏要比熱堆中用水作冷卻劑復(fù)雜得多。另外，近年來(lái)，人們注意到將納米尺度的顆粒懸置于一些工業(yè)用傳熱流體如水、乙烯乙二醇或機(jī)油中時(shí)，其傳熱會(huì)得到增強(qiáng)，這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)固體材料的熱導(dǎo)率均大于液體，因而由顆粒、流體組成的混合物熱導(dǎo)率將大于液體本身的熱導(dǎo)率，這實(shí)際上成為配制新型的具有高熱導(dǎo)率的工業(yè)流體的方法之一。但這類流體的溶劑本身熱導(dǎo)率很低，而添加的顆粒容易沉積，因而流體在傳熱性能的提高上效果有限。

發(fā)明內(nèi)容
為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供一種具有高傳熱性能的納米金屬流體，它解決了目前采用金屬流體作為冷卻工質(zhì)存在的價(jià)格過(guò)高，價(jià)格低的金屬流體冷卻性能差，用普通流體作為快堆冷卻劑時(shí)易造成泄漏，以及現(xiàn)有的納米流體冷卻劑易出現(xiàn)沉積的問(wèn)題。
本發(fā)明的具有高傳熱性能的納米金屬流體，它是一種以液態(tài)金屬為溶劑，納米顆粒為溶質(zhì)的流體。
進(jìn)一步地，本發(fā)明的具有高傳熱性能的納米金屬流體，它還可以具有如下的特點(diǎn)所述的作為溶質(zhì)的納米顆粒的粒徑為1～900納米，最佳為100～300納米。
所述的納米顆粒為金屬納米顆?；蚍墙饘偌{米顆粒；所述的金屬納米顆粒為銅、鋁、鐵、金、銀、鎂、鈣、鋇、鎳、鋅、鉻、鎘或銻，或者是上述至少兩種金屬的合金；所述的非金屬納米顆粒為碳納米管、石墨材料顆粒、硼、硅、鍺或砷的納米顆粒。
所述的流體金屬為汞、鎵或鎵銦系列合金；或者是其他中溫或低溫下的低熔點(diǎn)金屬，包括鉛、鉍、錫或鉻；或者是上述金屬中的至少兩種形成的合金，或者上述金屬與其它金屬形成的合金。
所述的作為溶劑的流體金屬為上述金屬或者合金組成的二元、三元或者多元混合物。
所述的作為溶質(zhì)的納米顆粒與作為溶劑的液態(tài)合金的溶積比為1∶(0.1～99)。
作為溶質(zhì)的納米顆粒在金屬流體溶質(zhì)中的加入量應(yīng)當(dāng)使該流體具有流動(dòng)性即可，如當(dāng)置于一定平板上被傾斜5～80度內(nèi)會(huì)發(fā)生流動(dòng)(因受重力作用)。
本發(fā)明從有別于傳統(tǒng)納米流體、傳統(tǒng)液態(tài)金屬冷卻劑的角度出發(fā)，提供一種概念新穎的金屬納米流體作為冷卻劑，這種金屬納米流體的選擇范圍可以很寬，可以根據(jù)特定的工作溫度范圍來(lái)確定。比如，若所針對(duì)的散熱對(duì)象是如計(jì)算機(jī)等電子元器件，則液態(tài)金屬可以采用常溫下呈液態(tài)的低熔點(diǎn)金屬如汞，鎵等，或者是這些金屬的合金，如鎵銦合金，鎵銦鍺合金等；但若針對(duì)的散熱對(duì)象是如核反應(yīng)堆等極高溫情況，則液態(tài)金屬可以采用熔點(diǎn)較高的金屬如以往所用的堿金屬系列，鉛鉍合金等。至于添加的納米顆粒，則可以有很多選擇，如采用直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的銅、鋁等普通金屬或其他貴金屬如銀、金等的顆粒；此外，一些非金屬類材料也是很好的選擇，比如直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的碳納米管也可作為這種流體的納米顆粒，替代金屬納米以獲得預(yù)期的傳熱性能。當(dāng)然，所采用的顆粒尺寸也可不限于這里所述的直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)，其他尺寸顆粒也可作為添加劑配置相應(yīng)流體。
本發(fā)明的關(guān)鍵之處在于1.首次提出了納米金屬流體的概念；2.將直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的納米顆粒引入液態(tài)金屬或其合金流體，從而配置出具有優(yōu)異傳熱性能的納米金屬流體；3.兩種或兩種以上的金屬，無(wú)論其熔點(diǎn)差別多大，相互性質(zhì)差別多大，均可作為納米金屬流體的組成部分。
以往雖已提出納米流體的概念，相應(yīng)技術(shù)在一些行業(yè)中也得到了應(yīng)用，但這類流體所采用的溶劑是水或其他有機(jī)液體，且容易造成堵塞及變質(zhì)，其中的納米金屬顆粒易于發(fā)生沉積；而采用液體金屬作為溶劑在內(nèi)涵上明顯地區(qū)別于已有觀念，由于液體金屬本身的密度及張力，所添加的納米金屬或非金屬顆粒不易發(fā)生沉積；另外，與單純的液體金屬或其合金液體相比，本發(fā)明提供的納米金屬流體，由于可根據(jù)需要添加具有特定熱特性、電特性、磁特性等的納米顆粒材料，因而使得其性能更好，使用范圍更寬?？梢灶A(yù)計(jì)的是，按本發(fā)明的技術(shù)方案，可以配制出滿足多方面需求的金屬納米流體。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明所述的流體，可有很多配比供選擇，比如該流體可按液態(tài)金屬或其合金容積分額10～99％，而納米顆?；蛭㈩w粒容積分額在90～1％之間來(lái)配制。
采用這一納米金屬流體作為散熱器中的制冷劑后，可以大大提高制冷劑的換熱能力，并易于采用一些常規(guī)手段如電磁泵、蠕動(dòng)泵，靜電驅(qū)動(dòng)、電潤(rùn)濕等方案對(duì)其進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
本發(fā)明的納米金屬流體具有液態(tài)金屬的優(yōu)良性質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)高，表面張力大，比熱容高，毛細(xì)作用強(qiáng)，熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高，蒸汽壓力小，體積膨脹小，因而不容易發(fā)生泄漏和事故。是用于高功率密度散熱器的一種優(yōu)良的冷卻劑。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明提供的納米金屬流體，有很高的導(dǎo)熱系數(shù)，在流動(dòng)過(guò)程中換熱系數(shù)為100-1000W/cm2·℃，因而具有很強(qiáng)的傳熱能力，用作制冷劑時(shí)，能很快將熱量從高溫?zé)嵩次詹鬟f給低溫散熱部分。
2.本發(fā)明提供的納米金屬流體，能把普通金屬，如價(jià)格便宜的銅、鋁、鐵等金屬納米顆粒加入液態(tài)金屬，從而大大降低單獨(dú)用液態(tài)金屬或其合金作為制冷劑的成本，這就為大規(guī)模使用這種液態(tài)納米金屬流體鋪平了道路。目前市場(chǎng)上液態(tài)金屬鎵(純度99.99％)價(jià)格每千克3250元，而純銅價(jià)格僅為每千克38元，價(jià)格相差近百倍。特別是液態(tài)金屬在自然界中含量少或冶煉成本高不可能得到大規(guī)模應(yīng)用，即使得到大規(guī)模應(yīng)用也會(huì)進(jìn)一步提高液態(tài)金屬價(jià)格。
3.本發(fā)明提供的納米金屬流體，可以將幾種性質(zhì)差別很大的金屬作為組成部分，從而發(fā)揮彼此的特長(zhǎng)，如用液態(tài)金屬鎵或其合金作溶劑，其在常溫下為液態(tài)，金屬納米顆粒為固態(tài)。組合后使金屬納米顆粒也具有了流動(dòng)性。而純銅的導(dǎo)熱系數(shù)為390W/(m·K)，鎵的導(dǎo)熱系數(shù)僅為40.6W/(m·K)，兩者相差約10倍，所以二者的摻混可以顯著提高單一液體鎵的熱學(xué)性能。
4.本發(fā)明提供的納米金屬流體必須與相應(yīng)的散熱器配合使用，容易配制，在不同溶劑-納米顆粒比例下可以實(shí)現(xiàn)不同的散熱效果，且相應(yīng)材料易于獲取，從而降低液體金屬散熱器的運(yùn)行成本。
5.本發(fā)明提供的納米金屬流體，由于用液態(tài)金屬作為溶劑，金屬納米顆粒作溶質(zhì)，而液態(tài)金屬表面張力大，金屬納米顆粒不會(huì)沉積，以固態(tài)相或合金的形式存在。
6.本發(fā)明提供的納米金屬流體，有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力，能用電磁力，電潤(rùn)濕，蠕動(dòng)泵，靜電作用，毛細(xì)作用或其他方式驅(qū)動(dòng)流體流動(dòng)。
7.本發(fā)明提供的納米金屬流體，其表面張力大，沸點(diǎn)溫度高，蒸汽壓力低，體積膨脹小，因而不易發(fā)生泄漏和事故，能很好的保證設(shè)備或人員的安全。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明。
實(shí)施例1本發(fā)明提供的納米金屬流體，以液態(tài)金屬為溶劑，可供選擇的常溫下或低溫下的液態(tài)金屬包括汞，熔點(diǎn)-38.72℃；鎵，熔點(diǎn)29.8℃；鎵銦系列合金(如62.5％Ga，21.5％In，16％Sn)，熔點(diǎn)10.7℃；以及其他中溫下或低溫下的低熔點(diǎn)金屬，包括鉛，327.5℃，鉍，271.4℃，錫，232.0℃；鉻，321.1℃；此納米金屬流體中液態(tài)溶劑包括上述金屬中的一種或幾種形成的合金，還包括上述金屬與其它金屬形成的合金。高中溫度下的液態(tài)金屬包括堿金屬系列或其合金，還包括與其它金屬形成的合金。
本發(fā)明的納米金屬流體所采用的金屬納米顆粒，包括直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的銅、鋁、鐵等普通金屬顆粒，也包括直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的金、銀等貴金屬。為實(shí)現(xiàn)某些預(yù)期的熱學(xué)和流體性能，其他直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的鎂、鈣、鋇、鎳、鋅、鉻、鎘、銻等的顆粒也可與液態(tài)金屬或其合金組成的溶劑一起，構(gòu)成流體。
本發(fā)明的納米金屬流體，可以形成合金，部分合金或混合物，也可以是二元，三元甚至多元流體。
實(shí)施例2本發(fā)明的納米金屬流體的溶質(zhì)除采用以上所述的金屬納米顆粒外，也可采用直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的過(guò)渡元素材料如硼、硅、鍺、砷等的顆粒。而液體金屬溶劑與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3本發(fā)明的納米金屬流體的溶質(zhì)除采用以上所述的金屬納米顆粒及過(guò)渡元素材料顆粒外，也可采用直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的具有高熱導(dǎo)率的直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的碳納米管、石墨材料顆粒，以作為流體的一部分。
實(shí)施例4本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為金屬汞，作為溶質(zhì)的納米顆粒為碳納米管，納米顆粒的直徑為100納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶50。
實(shí)施例5本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為鎵銦合金，作為溶質(zhì)的納米顆粒為金屬鎂，納米顆粒的直徑為200納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶30。
實(shí)施例6本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為鉛、錫的二元混合物，作為溶質(zhì)的納米顆粒為銅，納米顆粒的直徑為80納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶1。
實(shí)施例7本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為鉛、鉍、鎵的三元混合物，作為溶質(zhì)的納米顆粒為石墨，納米顆粒的直徑為50納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶80。
實(shí)施例8本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為鉛錫合金，作為溶質(zhì)的納米顆粒為鈣鎂合金，納米顆粒的直徑為300納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶90。
實(shí)施例9本發(fā)明的作為溶劑的流體金屬為鉛錫合金，作為溶質(zhì)的納米顆粒為硅，納米顆粒的直徑為150納米。溶質(zhì)與溶劑的容積比為1∶0.5。
實(shí)施例10本發(fā)明提供的一種納米金屬流體的具體制作方式如下本發(fā)明提供的具有高傳熱性能的納米金屬流體，在制備過(guò)程中要使作為溶劑的液態(tài)金屬如鎵或其合金如鎵、銦成液態(tài)，此方面可通過(guò)加熱的方式使其融化達(dá)到流體狀態(tài)，在流體狀態(tài)下加入金屬納米顆粒如直徑尺寸在1至900nm范圍內(nèi)的銅粉顆粒，并攪拌均勻，制作過(guò)程中，記錄不同溫度下單位體積液態(tài)金屬或其合金加入的金屬納米顆粒數(shù)量以及使該具有高傳熱性能的納米金屬流體不能再流動(dòng)的臨界數(shù)量，即可確保該具有高傳熱性能的納米金屬流體擁有良好流動(dòng)性的最大加入量。以便根據(jù)不同使用要求選用不同的成分和配比。對(duì)不同的成分和配比，可通過(guò)測(cè)量該具有高傳熱性能的納米金屬流體的導(dǎo)熱系數(shù)，比熱容，密度，表面張力，熔點(diǎn)和沸點(diǎn)等特性參數(shù)來(lái)評(píng)估所配制流體的熱學(xué)性能。
使用本發(fā)明提供的具有高傳熱性能的納米金屬流體的過(guò)程如下根據(jù)不同的使用要求，確定使用此具有高傳熱性能的納米金屬流體要達(dá)到的目的和要求，選擇不同的配比和成分。在其配比和成分選定之后，即可采取電磁泵，蠕動(dòng)泵，靜電驅(qū)動(dòng)，以及借助于電潤(rùn)濕、毛細(xì)作用等效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)金屬納米流體而完成對(duì)超高功率密度區(qū)域的散熱。
本發(fā)明在這類低熔點(diǎn)液體金屬中添加導(dǎo)熱率更高的納米顆粒材料，可以進(jìn)一步改良低熔點(diǎn)液體金屬的傳熱性能。正是基于這種考慮，本發(fā)明提供一種概念嶄新的冷卻劑，即具有高傳熱性能的納米金屬流體。
本發(fā)明提出的納米金屬流體可以顯著改變目前在水、乙烯、乙二醇或機(jī)油中加入納米顆粒造成的顆粒容易沉積的缺陷。
本發(fā)明采用一定配比下的金屬納米流體可以進(jìn)一步提高核反應(yīng)堆中采用傳統(tǒng)金屬流體為冷卻劑產(chǎn)生的散熱能力。
迄今，采用液態(tài)金屬做溶劑，以高導(dǎo)熱率金屬納米顆粒或其他非金屬納米顆粒作為溶質(zhì)的流體在國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及中均尚未見(jiàn)報(bào)道。特別是將兩種或兩種以上，甚至熔點(diǎn)相差很大的金屬混合作為一種新型流體系在本發(fā)明中第一次提出。
本發(fā)明特殊配制的金屬納米流體由于兼有優(yōu)良的熱學(xué)、電學(xué)及磁學(xué)等方面的性能，是各種高熱流密度散熱場(chǎng)合下理想的冷卻劑，在計(jì)算機(jī)芯片、衛(wèi)星、火箭推進(jìn)器及激光器領(lǐng)域都可望發(fā)揮重要作用。
權(quán)利要求
1.一種具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于它是一種以液態(tài)金屬為溶劑，納米顆粒為溶質(zhì)的流體。
2.如權(quán)利要求1所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的作為溶質(zhì)的納米顆粒的粒徑為1～900納米。
3.如權(quán)利要求1或2所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的納米顆粒為金屬納米顆?；蚍墙饘偌{米顆粒；
4.如權(quán)利要求3所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的金屬納米顆粒為銅、鋁、鐵、金、銀、鎂、鈣、鋇、鎳、鋅、鉻、鎘或銻，或者是上述至少兩種金屬的合金。
5.如權(quán)利要求3所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的非金屬納米顆粒為碳納米管，石墨材料納米顆粒，硼、硅、鍺或砷的納米顆粒。
6.如權(quán)利要求1所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的作為溶劑的流體金屬為汞、鎵或鎵銦系列合金；或者是其他中溫下或低溫下的低熔點(diǎn)金屬，包括鉛、鉍、錫或鉻；或者是上述金屬中的至少兩種形成的合金，或者上述金屬與其它金屬形成的合金。
7.如權(quán)利要求6所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的作為溶劑的流體金屬為上述金屬或者合金組成的二元、三元或者多元混合物。
8.如權(quán)利要求1或2所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于所述的作為溶質(zhì)的納米顆粒與作為溶劑的液態(tài)金屬的溶積比為1∶(0.1～99)。
9.如權(quán)利要求1或2所述的具有高傳熱性能的納米金屬流體，其特征在于作為溶質(zhì)的納米顆粒在金屬流體溶質(zhì)中的加入量應(yīng)當(dāng)使該流體具有流動(dòng)性，即當(dāng)金屬流體置于一定平板上被傾斜5～80度內(nèi)因受重力作用會(huì)發(fā)生流動(dòng)。
全文摘要
具有高傳熱性能的納米金屬流體，它涉及一種用于超高功率密度散熱器的冷卻流動(dòng)工質(zhì)，特別涉及一種適合于計(jì)算機(jī)芯片和反應(yīng)堆等高熱流密度條件下，需要高強(qiáng)度換熱和冷卻環(huán)境使用的冷卻流動(dòng)工質(zhì)。本發(fā)明是一種以液態(tài)金屬為溶劑，納米顆粒為溶質(zhì)的流體。本發(fā)明解決了目前采用金屬流體作為冷卻工質(zhì)存在的價(jià)格過(guò)高，而常規(guī)金屬流體冷卻性能有限，用普通流體作為冷卻劑時(shí)易造成泄漏，以及現(xiàn)有的納米冷卻劑易出現(xiàn)沉積的問(wèn)題。
文檔編號(hào)G06F1/20GK1955252SQ20051011462
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2005年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月24日
發(fā)明者馬坤全, 劉靜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所