具有高传热性能的纳米金属流体

摘要

具有高传热性能的纳米金属流体，它涉及一种用于超高功率密度散热器的冷却流动工质，特别涉及一种适合于计算机芯片和反应堆等高热流密度条件下，需要高强度换热和冷却环境使用的冷却流动工质。本发明是一种以液态金属为溶剂，纳米颗粒为溶质的流体。本发明解决了目前采用金属流体作为冷却工质存在的价格过高，而常规金属流体冷却性能有限，用普通流体作为冷却剂时易造成泄漏，以及现有的纳米冷却剂易出现沉积的问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于超高功率密度散热器的冷却流动工质，特别涉及一种适合于计算机芯片和反应堆等高热流密度条件下，需要高强度换热和冷却环境使用的冷却流动工质。

背景技术

众所周知，当前计算机芯片散热采用的主要是受迫空气对流来冷却发热器件，但这一方式的散热量有限。因此，人们正逐步尝试采用水冷或其他有机液体来实现散热；低熔点液体金属芯片散热技术的提出(刘静，周一欣，一种芯片散热用散热装置，授权号：02257291.0)，更将液体冷却方式推进了一大步。在这种方式中，散热工质为热导率远高于常规流体的金属，因而散热能力更强。然而，由于可供选择的低熔点液体金属种类并不多，且由于是稀有金属，因而价格偏高。特别是，这些已有金属的导热率在金属材料系列中并不算突出。

实际上，液体金属冷却剂在核反应堆工程上久已有重要应用。从热工水力学的角度看，根据冷却剂的种类不同，反应堆一般可分为水冷堆，气冷堆和液态金属冷却堆。其中，液态金属冷却堆有代表性的是钠冷快中子增殖堆。用液态金属冷却的快中子反应堆是当前反应堆发展的方向，将逐渐在各种反应堆中占主导地位。由于快堆的功率密度高，而液态金属钠对中子产生的慢化作用较弱，导热能力强，对多种钢种腐蚀性小且无毒，所以用作快堆中的冷却剂。然而，液态金属钠化学性质活泼，容易与氧，水等发生化学反应，当发生器传热管破漏时，容易引起强烈的钠水反应，所以在使用钠作为快堆冷却剂时，如何避免冷却剂泄漏要比热堆中用水作冷却剂复杂得多。另外，近年来，人们注意到将纳米尺度的颗粒悬置于一些工业用传热流体如水、乙烯乙二醇或机油中时，其传热会得到增强，这是因为大多数固体材料的热导率均大于液体，因而由颗粒、流体组成的混合物热导率将大于液体本身的热导率，这实际上成为配制新型的具有高热导率的工业流体的方法之一。但这类流体的溶剂本身热导率很低，而添加的颗粒容易沉积，因而流体在传热性能的提高上效果有限。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种具有高传热性能的纳米金属流体，它解决了目前采用金属流体作为冷却工质存在的价格过高，价格低的金属流体冷却性能差，用普通流体作为快堆冷却剂时易造成泄漏，以及现有的纳米流体冷却剂易出现沉积的问题。

本发明的具有高传热性能的纳米金属流体，它是一种以液态金属为溶剂，纳米颗粒为溶质的流体。

进一步地，本发明的具有高传热性能的纳米金属流体，它还可以具有如下的特点：所述的作为溶质的纳米颗粒的粒径为1～900纳米，最佳为100～300纳米。

所述的纳米颗粒为金属纳米颗粒或非金属纳米颗粒；所述的金属纳米颗粒为铜、铝、铁、金、银、镁、钙、钡、镍、锌、铬、镉或锑，或者是上述至少两种金属的合金；所述的非金属纳米颗粒为碳纳米管、石墨材料颗粒、硼、硅、锗或砷的纳米颗粒。

所述的流体金属为汞、镓或镓铟系列合金；或者是其他中温或低温下的低熔点金属，包括铅、铋、锡或铬；或者是上述金属中的至少两种形成的合金，或者上述金属与其它金属形成的合金。

所述的作为溶剂的流体金属为上述金属或者合金组成的二元、三元或者多元混合物。

所述的作为溶质的纳米颗粒与作为溶剂的液态合金的溶积比为：1∶(0.1～99)。

作为溶质的纳米颗粒在金属流体溶质中的加入量应当使该流体具有流动性即可，如当置于一定平板上被倾斜5～80度内会发生流动(因受重力作用)。

本发明从有别于传统纳米流体、传统液态金属冷却剂的角度出发，提供一种概念新颖的金属纳米流体作为冷却剂，这种金属纳米流体的选择范围可以很宽，可以根据特定的工作温度范围来确定。比如，若所针对的散热对象是如计算机等电子元器件，则液态金属可以采用常温下呈液态的低熔点金属如汞，镓等，或者是这些金属的合金，如镓铟合金，镓铟锗合金等；但若针对的散热对象是如核反应堆等极高温情况，则液态金属可以采用熔点较高的金属如以往所用的碱金属系列，铅铋合金等。至于添加的纳米颗粒，则可以有很多选择，如采用直径尺寸在1至900nm范围内的铜、铝等普通金属或其他贵金属如银、金等的颗粒；此外，一些非金属类材料也是很好的选择，比如直径尺寸在1至900nm范围内的碳纳米管也可作为这种流体的纳米颗粒，替代金属纳米以获得预期的传热性能。当然，所采用的颗粒尺寸也可不限于这里所述的直径尺寸在1至900nm范围内，其他尺寸颗粒也可作为添加剂配置相应流体。

本发明的关键之处在于：

1.首次提出了纳米金属流体的概念；

2.将直径尺寸在1至900nm范围内的纳米颗粒引入液态金属或其合金流体，从而配置出具有优异传热性能的纳米金属流体；

3.两种或两种以上的金属，无论其熔点差别多大，相互性质差别多大，均可作为纳米金属流体的组成部分。

以往虽已提出纳米流体的概念，相应技术在一些行业中也得到了应用，但这类流体所采用的溶剂是水或其他有机液体，且容易造成堵塞及变质，其中的纳米金属颗粒易于发生沉积；而采用液体金属作为溶剂在内涵上明显地区别于已有观念，由于液体金属本身的密度及张力，所添加的纳米金属或非金属颗粒不易发生沉积；另外，与单纯的液体金属或其合金液体相比，本发明提供的纳米金属流体，由于可根据需要添加具有特定热特性、电特性、磁特性等的纳米颗粒材料，因而使得其性能更好，使用范围更宽。可以预计的是，按本发明的技术方案，可以配制出满足多方面需求的金属纳米流体。

为实现本发明所述的流体，可有很多配比供选择，比如：该流体可按液态金属或其合金容积分额10～99％，而纳米颗粒或微颗粒容积分额在90～1％之间来配制。

采用这一纳米金属流体作为散热器中的制冷剂后，可以大大提高制冷剂的换热能力，并易于采用一些常规手段如电磁泵、蠕动泵，静电驱动、电润湿等方案对其进行驱动。

本发明的纳米金属流体具有液态金属的优良性质，其导热系数高，表面张力大，比热容高，毛细作用强，熔点低，沸点高，蒸汽压力小，体积膨胀小，因而不容易发生泄漏和事故。是用于高功率密度散热器的一种优良的冷却剂。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供的纳米金属流体，有很高的导热系数，在流动过程中换热系数为100-1000W/cm²·℃，因而具有很强的传热能力，用作制冷剂时，能很快将热量从高温热源吸收并传递给低温散热部分。

2.本发明提供的纳米金属流体，能把普通金属，如价格便宜的铜、铝、铁等金属纳米颗粒加入液态金属，从而大大降低单独用液态金属或其合金作为制冷剂的成本，这就为大规模使用这种液态纳米金属流体铺平了道路。目前市场上液态金属镓(纯度99.99％)价格每千克3250元，而纯铜价格仅为每千克38元，价格相差近百倍。特别是液态金属在自然界中含量少或冶炼成本高不可能得到大规模应用，即使得到大规模应用也会进一步提高液态金属价格。

3.本发明提供的纳米金属流体，可以将几种性质差别很大的金属作为组成部分，从而发挥彼此的特长，如用液态金属镓或其合金作溶剂，其在常温下为液态，金属纳米颗粒为固态。组合后使金属纳米颗粒也具有了流动性。而纯铜的导热系数为390W/(m·K)，镓的导热系数仅为40.6W/(m·K)，两者相差约10倍，所以二者的掺混可以显著提高单一液体镓的热学性能。

4.本发明提供的纳米金属流体必须与相应的散热器配合使用，容易配制，在不同溶剂-纳米颗粒比例下可以实现不同的散热效果，且相应材料易于获取，从而降低液体金属散热器的运行成本。

5.本发明提供的纳米金属流体，由于用液态金属作为溶剂，金属纳米颗粒作溶质，而液态金属表面张力大，金属纳米颗粒不会沉积，以固态相或合金的形式存在。

6.本发明提供的纳米金属流体，有很强的导电能力，能用电磁力，电润湿，蠕动泵，静电作用，毛细作用或其他方式驱动流体流动。

7.本发明提供的纳米金属流体，其表面张力大，沸点温度高，蒸汽压力低，体积膨胀小，因而不易发生泄漏和事故，能很好的保证设备或人员的安全。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步描述本发明。

实施例1：

本发明提供的纳米金属流体，以液态金属为溶剂，可供选择的常温下或低温下的液态金属包括：汞，熔点-38.72℃；镓，熔点29.8℃；镓铟系列合金(如62.5％Ga，21.5％In，16％Sn)，熔点10.7℃；以及其他中温下或低温下的低熔点金属，包括铅，327.5℃，铋，271.4℃，锡，232.0℃；铬，321.1℃；此纳米金属流体中液态溶剂包括上述金属中的一种或几种形成的合金，还包括上述金属与其它金属形成的合金。高中温度下的液态金属包括碱金属系列或其合金，还包括与其它金属形成的合金。

本发明的纳米金属流体所采用的金属纳米颗粒，包括直径尺寸在1至900nm范围内的铜、铝、铁等普通金属颗粒，也包括直径尺寸在1至900nm范围内的金、银等贵金属。为实现某些预期的热学和流体性能，其他直径尺寸在1至900nm范围内的镁、钙、钡、镍、锌、铬、镉、锑等的颗粒也可与液态金属或其合金组成的溶剂一起，构成流体。

本发明的纳米金属流体，可以形成合金，部分合金或混合物，也可以是二元，三元甚至多元流体。

实施例2：

本发明的纳米金属流体的溶质除采用以上所述的金属纳米颗粒外，也可采用直径尺寸在1至900nm范围内的过渡元素材料如硼、硅、锗、砷等的颗粒。而液体金属溶剂与实施例1相同。

实施例3：

本发明的纳米金属流体的溶质除采用以上所述的金属纳米颗粒及过渡元素材料颗粒外，也可采用直径尺寸在1至900nm范围内的具有高热导率的直径尺寸在1至900nm范围内的碳纳米管、石墨材料颗粒，以作为流体的一部分。

实施例4：

本发明的作为溶剂的流体金属为金属汞，作为溶质的纳米颗粒为碳纳米管，纳米颗粒的直径为100纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶50。

实施例5：

本发明的作为溶剂的流体金属为镓铟合金，作为溶质的纳米颗粒为金属镁，纳米颗粒的直径为200纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶30。

实施例6：

本发明的作为溶剂的流体金属为铅、锡的二元混合物，作为溶质的纳米颗粒为铜，纳米颗粒的直径为80纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶1。

实施例7：

本发明的作为溶剂的流体金属为铅、铋、镓的三元混合物，作为溶质的纳米颗粒为石墨，纳米颗粒的直径为50纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶80。

实施例8：

本发明的作为溶剂的流体金属为铅锡合金，作为溶质的纳米颗粒为钙镁合金，纳米颗粒的直径为300纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶90。

实施例9：

本发明的作为溶剂的流体金属为铅锡合金，作为溶质的纳米颗粒为硅，纳米颗粒的直径为150纳米。溶质与溶剂的容积比为1∶0.5。

实施例10：

本发明提供的一种纳米金属流体的具体制作方式如下：

本发明提供的具有高传热性能的纳米金属流体，在制备过程中要使作为溶剂的液态金属如镓或其合金如镓、铟成液态，此方面可通过加热的方式使其融化达到流体状态，在流体状态下加入金属纳米颗粒如直径尺寸在1至900nm范围内的铜粉颗粒，并搅拌均匀，制作过程中，记录不同温度下单位体积液态金属或其合金加入的金属纳米颗粒数量以及使该具有高传热性能的纳米金属流体不能再流动的临界数量，即可确保该具有高传热性能的纳米金属流体拥有良好流动性的最大加入量。以便根据不同使用要求选用不同的成分和配比。对不同的成分和配比，可通过测量该具有高传热性能的纳米金属流体的导热系数，比热容，密度，表面张力，熔点和沸点等特性参数来评估所配制流体的热学性能。

使用本发明提供的具有高传热性能的纳米金属流体的过程如下：

根据不同的使用要求，确定使用此具有高传热性能的纳米金属流体要达到的目的和要求，选择不同的配比和成分。在其配比和成分选定之后，即可采取电磁泵，蠕动泵，静电驱动，以及借助于电润湿、毛细作用等效应，驱动金属纳米流体而完成对超高功率密度区域的散热。

本发明在这类低熔点液体金属中添加导热率更高的纳米颗粒材料，可以进一步改良低熔点液体金属的传热性能。正是基于这种考虑，本发明提供一种概念崭新的冷却剂，即具有高传热性能的纳米金属流体。

本发明提出的纳米金属流体可以显著改变目前在水、乙烯、乙二醇或机油中加入纳米颗粒造成的颗粒容易沉积的缺陷。

本发明采用一定配比下的金属纳米流体可以进一步提高核反应堆中采用传统金属流体为冷却剂产生的散热能力。

迄今，采用液态金属做溶剂，以高导热率金属纳米颗粒或其他非金属纳米颗粒作为溶质的流体在国内外文献及中均尚未见报道。特别是将两种或两种以上，甚至熔点相差很大的金属混合作为一种新型流体系在本发明中第一次提出。

本发明特殊配制的金属纳米流体由于兼有优良的热学、电学及磁学等方面的性能，是各种高热流密度散热场合下理想的冷却剂，在计算机芯片、卫星、火箭推进器及激光器领域都可望发挥重要作用。