纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法

摘要

本发明涉及一种纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法。它将体积比为1－10%的金属或金属氧化物纳米粒子、89.5－98.8%的液体工质直接共混,然后添加0.2－0.5%的分散剂或面活性剂组成。再进行超声振动,制得悬浮稳定的纳米流体高效传热冷却工质。本发明与现有技术相比,液体导热系数显著增加,可有效提高热交换设备的传热性能及提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能、降低设备制造成本,减少换热工质总量,降低系统动力消耗。

说明书

本发明涉及一种用于热交换系统的传热冷却工质及其制备方法，特别是一种纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法。

纳米流体传热冷却工质广泛应用于车辆、航天航空、电子、化工、建筑、食品等领域，满足动力装置、大功率发动机、绝热发动机、空调装置、热泵系统、超导磁体、大功率电子设备、超级计算机等设备的高负荷的传热及冷却要求。

随着科学技术的发展和能源动力问题的日益突出，对热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标的要求越来越高。通常，强化传热的措施主要从强化换热表面、制造工艺入手，研制多种类型的换热表面。但随着热交换设备换热表面强化传热技术研究的深入，换热工质的传热性能成为影响热交换设备高效紧凑性能的一个主要因素。也就是说，低导热系数的换热工质已成为研究新一代高效传热冷却技术的主要障碍。例如：

随着微机电系统(MEMS)的迅速满足，微型换热器及微尺度散热器作为MEMS家族中的一员，在微电子、微型动力系统、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却以及其它一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有着非常重要的应用前景。由于微型换热器及微尺度散热器特殊结构的限制和高负荷传热强度的要求，传统的纯液体换热工质已很难满足微尺度及高负荷等特殊条件下的传热与冷却要求，必须开发研制传热性能好的换热工质来满足微尺度条件下强化传热要求，满足高负荷传热及冷却要求。

在军事方面，坦克、自行火炮及舰船等武器装备的发动机主要是柴油机和燃气轮机，为了获得更强的作战性能和更灵活的机动性，发动机的功率日渐增大，性能要求更高，由此引起的发动机散热和冷却问题也日益突出。事实上，如果柴油机缸套和缸套的冷却水温度过高或燃气轮机压缩空气温度过高，会引起发动机过热、油耗增加和性能下降等一系列问题。对于动力装置的油路系统而言，润滑油和液压油在高温下会发生理化性能变化，工况恶化，密封性变差，容易造成泄漏。同时由于以上武器装备内部容积的限制和作战机动性的要求，冷却装置应尽可能轻，体积尽可能小。为了解决上述问题，必须研制高效、低阻、高紧凑传热冷却设备与技术。

另外，随着国防现代化的进程不断发展，越来越多的电子器件及设备出现在各种武器装备中，例如：导弹自动寻的系统、导弹和火箭的控制系统、相共阵雷达和航空航天器控制系统等。上述军用装备性能的不断提高，对其中的电子器件及设备的可靠性、紧凑化、小型化提出了更高的要求。高性能的电子器件意味着高功率消耗，而紧凑性要求使得众多的电子元件集成在越来越小的区域之内，导致热流密度的急剧增加，而且由于某些恶劣的工作环境(如飞行器、军用车辆内)，使得电子器件散热更加困难。高热流密度会使电子元件局部或整体处于较高的温度下，如果电子器件的散热冷却措施达不到要求，就会导致器件失效或损坏。不均匀的温度分布还会在电子器件内部产生热应力和热变形，造成电子器件疲劳损坏，机械性断裂或永久变形，极大地影响了电子器件乃至整个武器系统的工作性能。此时，传统的纯液体工质和常规的散热措施已不能满足某些电子仪器的散热需要，为了保证电子器件及设备有足够长的工作寿命和在高温条件下安全运行，必须研究开发高效电子器件(设备)的冷却技术，以稳定电子仪器的工作特性，提高电子仪器的工作寿命和可靠性，满足日益增长的高性能电子器件的需求。

美国Argonne的研究人员采用气相沉积法制备了CuO-水、Cu-机油、Al₂O₃-水等纳米流体。文献为：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：通过在常规的传热冷却液体中添加一定比例的纳米级金属或金属氧化物粒子(粒径≤100nm)，研制导热系数高、传热性能好的高效新型换热工质。

构成：采用气相沉积法制备纳米流体。该方法原理为：在一真空系统内对金属或金属氧化物采用大功率激光加热，使其产生蒸气，蒸气遇液氮后急速冷却，形成纳米级金属或金属氧化物粒子，并沉积分散至液体中，形成纳米流体。

效果：在液体中添加纳米粒子，可以显著增加液体的导热系数，提高热交换系统的传热性能。例如，美国Argonne国家实验室的研究表明：以大约4％的体积比在乙二醇中添加氧化铜纳米粒子，则形成的纳米流体导热系数比乙二醇提高20％以上(Lee，et a1.，1999)，显示了纳米流体在强化传热领域具有广阔的应用前景。

虽然通过气相沉积法制备的纳米流体，粒子分散性较好、悬浮稳定性较高，但这种方法费用高且不适宜于实际应用的需要。

本发明的目的在于提供一种通过将纳米粒子与液体介质直接混合得到导热系数高、传热性能好的纳米流体高效传热冷却工质及其制备方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种纳米流体高效传热冷却工质，其特征在于它由

(1)金属或金属氧化物纳米粒子    1—10％(体积比)

(2)液体工质                    89.5—98.8％(体积比)

(3)分散剂或表面活性剂          0.2—0.5％(体积比)组成。

一种纳米流体高效传热冷却工质的制备方法，其特征在于将一定比例的纳米粒子与液体介质直接共混，然后在其中添加少量比例的表面活性剂和(或)分散剂，再进行超声振动，制得悬浮稳定的纳米流体高效传热冷却工质。

本发明的原理是：

(1).由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，破坏了流动层流底层，减小了传热热阻，增强了流动湍流强度，使传热增加。

(2).在液体中添加纳米粒子，可显著增大液体的导热系数，使传热增强。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：

采用直接共混法制备的纳米流体，显著增加了液体的导热系数，纳米流体的导热系数随纳米粒子体积份额的增加而增大。例如在水中添加5％体积比的Al纳米粒子，则形成的纳米流体导热系数比水提高23％；在水中添加3％体积比的Cu纳米粒子，则形成的纳米流体导热系数比水提高29％。可以看出，效果非常明显，并且通过直接共混法制备纳米流体较之气相沉积法制备纳米流体非常适合于实际应用。

采用纳米流体作为换热工质，可以有效提高热交换设备的传热性能，大大提高热交换设备的高效低阻紧凑等性能指标、降低热交换设备的制造成本，同时，减少换热工质总量，大大降低热交换系统的动力消耗。例如，采用传统换热工质，每提高传热效率2倍，就需要增加动力消耗10倍。而使用导热系数是传统纯液体工质的3倍的纳米流体作为换热工质使用在同一热交换系统中，可使传热效率增大2倍而不增加任何动力消耗。因此，纳米流体可以大大降低热交换系统的制造及运行成本。

附图是本发明的纳米流体传热冷却工质的制备方法的流程图。

下面结合附图对本发明作进一步描述。

结合附图，本发明将一定比例的纳米粒子与液体介质直接共混，然后在其中添加少量比例的表面活性剂和(或)分散剂，再进行超声振动，制备稳定的纳米流体。如何选择合适的活性剂和分散剂主要依赖于悬浮液及粒子的性质。比如，亲水性的分散剂适合于水—粒子悬浮液，亲油性的分散剂适合于油—粒子悬浮液。金属纳米粒子材料为粒径小于100nm的铜、铝等导热系数较高的金属；金属氧化物纳米粒子材料为粒径小于100nm的CuO、Al₂O₃等金属氧化物。

实施例1。

制备1vol.％Al—水纳米流体。将体积份额配比为1％的Al纳米粒子与体积份额配比为98.8％的机油相混合，为了使Al纳米粒子均匀、稳定地分散在水介质中，选用亲水性分散剂—月桂酸钠，然后进行超声振动10小时左右。分散剂的添加量为0.2vol.％。形成的Al—水纳米流体的导热系数比水增加3.5％。

实施例2。

制备5vol.％Cu—机油纳米流体。将体积份额配比为5％的Cu纳米粒子与体积份额配比为94.6％的机油相混合，为了使Cu纳米粒子均匀、稳定地分散在机油介质中，选用亲油性分散剂—油酸，然后进行超声振动10小时左右。分散剂的添加量为0.4vol.％，悬浮液的分散性、稳定性较好，并可维持三天左右。形成的Cu—机油纳米流体的导热系数比机油增加23％。

实施例3。

制备7.5vol.％Cu—水纳米流体。将体积份额配比为7.5％的Cu纳米粒子与体积份额配比为92％的水相混合，选用亲水性分散剂—月桂酸钠，然后进行超声振动20小时。当添加0.5vol.％分散剂时，水—Cu纳米粒子悬浮液悬浮稳定性较好，可稳定存在30小时左右。形成的Cu—水纳米流体的导热系数比水增加45％。

实施例4。

制备10vol.％Cu—水纳米流体将体积份额配比为10％的Cu纳米粒子与体积份额配比为89.5％的水相混合，选用亲水性分散剂—月桂酸钠，分散剂添加量为0.5vol.％，然后进行超声振动30小时。形成的Cu—水纳米流体的导热系数比水增加61％。

实施例5。

制备1vol.％CuO—机油纳米流体。将体积份额配比为1％的Cu纳米粒子与体积份额配比为98.8％的机油相混合，选用亲油性分散剂—油酸，然后进行超声振动10小时左右。分散剂的添加量为0.2vol.％，形成的CuO—油纳米流体的导热系数比水增加2.8％。

实施例6。

制备5vol.％Al₂O₃—水纳米流体。将体积份额配比为5％的Al₂O₃纳米粒子与体积份额配比为94.8％的水相混合，添加0.2vol.％的亲水性分散剂—月桂酸钠，然后进行超声振动10小时。形成的Al₂O₃—水纳米流体的导热系数比水增加7.8％。

实施例7。

制备10vol.％CuO—水纳米流体。将体积份额配比为10％的Cu纳米粒子与体积份额配比为89.6％的水相混合，选用亲水性分散剂—月桂酸钠，分散剂添加量为0.4vol.％，然后进行超声振动15小时。形成的CuO—水纳米流体的导热系数比水增加12％。