CN1401729A - 高速率传热介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用范围更为广泛的高传热速率热传介质，其结构简单、便于制造、使用安全且对环境无害、可高效率地快速导热。本发明另提供一种使用该热传介质之热传表面，以及使用该热传介质之热传元件。

Description

高速率传热介质

技术领域

本发明系关于一种高传热速率热传介质、使用本发明热传介质之热传表面与元件。

背景技术

有效地将热由某地传递至另一地一直是工业生产乃至于人类生活各个层面所面临的问题。有时需要快速地传导热并将其移除，像是使半导体晶片保持冷却，而有时则需快速地热传导热量并将其存留使用，如自炉中发散热量。无论是移除亦或是存留使用，热导热量所用之材料限制了热传导的效率。

举例来说，使用热管路(heat pipe)来导热为众所周知的例子。热管路操作之热传原理系经由其内含液质载体之质量转移，以及载体于一封闭回路管线中从液态至汽态之相变化。热量之吸收，系于封闭回路管路中的一端，藉由汽化液质载体来达成，而于他端以凝结此载体来释放热量。虽然与固体金属杆相较，热管路改善了热传导效率，但热管路却需要液态/汽态载体的循环流动且受限于载体相关之汽化/凝结温度。因此，热管路之轴向热传导速率会进一步受限于液体汽化潜热的量值以及液态与汽态间循环变态的速率。再者，热管路本质上必会发生对流因而造成热损失，以致降低热效率。一般可接受的观念是，当两个不同温度之物质放在一起，较热物质的温度下降而较冷物质的温度上升。当热由热输导管较热的一端传递至较冷的一端时，可获得之热量会有损失，这是因为输导管材料的导热能力、输导管较冷部份的加热过程、以及散至大气中的热损失所致。

为突破热传导材料本身的限制，申请人稍早于2000年10月17日获颁之美国专利第6,132,823号中所揭示之组合物成份及制备方法相较为简易。

于该专利中，热传介质系由沉积于一基材上之三层结构所组成。前两层是以曝置于输导管内壁上之溶液所制成。第三层则为包含不同组合之粉末。第一层系配置于输导管之内表面上，第二层接着配置于该第一层之上而在整个输导管内表面上形成一层薄膜。第三层为粉末，优选为平均地分布于整个输导管内表面上。

第一层命名为抗腐蚀层，用以防止受到输导管内表面的侵蚀。第二层据称系用以防止元素态之氢与氧的生成，故可限制氧原子与输导管材料间氧化反应。第三层称作为「黑粉」层，据称一旦曝露于最低活化温度38℃时即可被活化。因此，据称将先前专利之热传介质中三层结构中的任一层移除均会对热传效率造成不利的影响。

此外，制备该先前专利介质之方法十分繁琐。举例而言，该第一层的形成可涉及7个步骤中的9种化合物。形成第二层可涉及13个步骤断备之14种化合物。而形成第三层可涉及12步骤中制造的12种化合物。再者，倘若每一层之组成份的混合顺序与其列出次序不一致且符合该专利中所提醒的例外情形，则所制出于制备之溶液将可能不稳定。

一般而言，本发明之热传介质排除了或改良了许多先前技术中明显的缺点或坏处。本发明之热传介质优选系由沉积于基材上之一层，最优选为一单一层，结构所组成。其系由一组选自下列之12种无机化合物所制备而形成一单一层。此改良介质不仅降低了介质中使用之化合物数目及种类，而且有效地缩减制备该介质所需步骤，却无损热传效率。

发明内容

根据本发明以及上述依旧待解的问题，本发明目的之一即在于提供一种适用范围更为广泛的高传热速率热传介质，其结构简单、便于制造、使用安全且对环境无害、可高效率地快速导热。

本发明提供一种高传热速率热传介质，通常其本质为无机质，其可视为一种组合物。该组合物包含或，换个方式说，基本上由下列化合物一起以下示比例或量混合组成，所示量可依需要放大或缩小制造所要的量，虽然诸该化合物较佳要依所示次序混合，它们或许也可以不必依此次序混合：

(1)三氧二化钴(Co₂O₃)，0.5-1.0％，较佳0.7-0.8％，最佳为0.723％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.0-2.0％，较佳1.4-1.6％，最佳为1.4472％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.0-2.0％，较佳1.4-1.6％，最佳为1.4472％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，10.0-20.0％，较佳14.0-16.0％，最佳为14.472％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，40.0-80.0％，较佳56.0-64.0％，最佳为57.888％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，10.0-20.0％，较佳14.0-16.0％，最佳为14.472％；

(7)氧化铍(BeO)，0.05-0.10％，较佳0.07-0.08％，最佳为0.0723％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.5-1.0％，较佳0.7-0.8％，最佳为0.723％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.05-0.10％，较佳0.07-0.08％，最佳为0.0723％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，5.0-10.0％，较佳7.0-8.0％，最佳为7.23％，其中「M」系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.5-1.0％，较佳0.7-0.8％，最佳为0.723％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.5-1.0％，较佳0.7-0.8％，最佳为0.723％。

紧邻上述所表示之百分比为将所添加水份干燥移除后之最终组合物之重量百分比。

本发明之另一目的为提供一种热传表面，其包括至少部分覆盖本发明之高传热速率热传介质的表面基材。

本发明之又一目的在于提供一种包含本发明高传热速率热传介质之热传元件，该高传热速率热传介质位于一基材上。经由以下的对应图式与发明详述，本发明的其他特征及优点将会更加地明显。

附图说明

图1A显示根据本发明之热传管元件的透视图。

图1B显示图1元件之剖面图。

图1C显示加热器输入功率从由9瓦逐步加至20瓦，再逐步加至178瓦。

图1D显示是以各感应器及其平均值之稳定状态温差(感应器温度T减去周温T°)相对于输入功率之图。

图1E显示输入功率20至178瓦产生之瞬间温度。

图1F显示同样的电阻数据对应于热电偶温度感应器在管子的两半分别记录的平均温度之图。

图1G显示碳钢管之预期的热传导系数对应表面温度之图。

图1H显示对热输入功率20至170瓦反应之预期及观察之瞬间温度。

图1I显示模型计算的结果，用以预测沿着热管的温度分布。

图1J显示具第一换热器的热传管图，该装置称为Diff1，设计来测试在温度变化的系统中测量热导率的原理。

图1K显示另利一种不同的热导管，有一个中空通有水流的两烯酸柱体附于该热管的一端，称Diff2。

图1L显示由这两种热量计设计(Diff1和Diff2)在输入功率100-1500瓦范围内，流量1-85克/秒下操作，其相应的热流密度(heat fluxdensity)为0.11×10⁶至1.7×10⁶W/m²。得到从300到1500瓦的热量回收。

图1M显示应用Diff1和Diff2沿着热导管所测得之热量回收曲线。

图1N显示温差相对于热流密度之曲线。

图1O显示有效热导率相对于各输入功率之热流密度之测量值。

图中元件符号说明：

102    热传管元件

104    插塞

105    空腔

106    孔径

108    传输管

110    热传介质

具体实施方式组合物

本发明提供一种高传热速率热传介质，其可视为一种组合物。该组合物包含或，换个方式说，基本上由下列化合物一起以下示比例或量混合组成，所示量可依需要放大或缩小制造所要的量，虽然诸该化合物较佳要依所示次序混合，它们或许也可以不必依此次序混合：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.5-1.0％，优选0.7-0.8％，最优选为0.723％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.0-2.0％，优选1.4-1.6％，最优选为1.4472％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.0-2.0％，优选1.4-1.6％，最优选为1.4472％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，10.0-20.0％，优选14.0-16.0％，最优选为14.472％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，40.0-80.0％，优选56.0-64.0％，最优选为57.888％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，10.0-20.0％，优选14.0-16.0％，最优选为14.472％；

(7)氧化铍(BeO)，0.05-0.10％，优选0.07-0.08％，最优选为0.0723％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.5-1.0％，优选0.7-0.8％，最优选为0.723％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.05-0.10％，优选0.07-0.08％，最优选为0.0723％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，5.0-10.0％，优选7.0-8.0％，最优选为7.23％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.5-1.0％，优选0.7-0.8％，最优选为0.723％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.5-1.0％，优选0.7-0.8％，最优选为0.723％。

紧邻上述所表示之百分比为将所添加水份干燥移除后之最终组合物之重量百分比。

本发明最优选之组合物可以下列方式制得。下列之无机化学品可以化合物所示量之+/-0.10％范围变化添加，而添加方式则如下所讨论：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.01克；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，0.2克；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，0.02克；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，0.2克；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，0.8克；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，0.2克；

(7)氧化铍(BeO)，0.001克；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.01克；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.001克；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr2O7)，0.1克，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.01克；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.01克。

诸该化合物系以紧邻上述所列之次序添加至内含100毫升大体上为纯水(优选经二次蒸馏)的容器中直到溶解。该混合物在常温下混合，如约18至20℃，然后优选再加热至55至65℃(优选约60℃)之温度范围内，并在该温度下搅拌混合(约20分钟)直到完全溶解。所得之组合物即可或之后可用于应用用途。

本发明之热传介质可施于任何适合之基材上，例如置于金属传输管甚或玻璃传输管上，只要所选用之表面基本上不含金属氧化物、油脂或油类。为最佳化所得热传组合物之品质，优选是在很低的湿度环境下施用此组合物，如35至37％之相对湿度，且任何情况下均需低于约40％相对湿度。同时希望是将此组合物施用于一个一旦施用即与水(水气或液体)隔绝之密闭空间体积中。

为在含有此组合物之热传导传输管或空腔中实现此意欲之热传导性，加至该空腔中之本发明的热传介质质量会随该空腔之体积而改变。优选地，(本发明组合物体积/空腔体积)之比值希望能够保持在以下的比值范围内：0.001至0.025，而优选为0.01至0.025，最优选则为下面几个比值：0.025、0.02、0.0125与0.01。传输管不需要做任何预涂覆的步骤。一旦该传输管载入或填满所需量之介质，传输管便被加热至120℃以蒸发该二次蒸馏水。该传输管或空腔接着被密封，以备作为热传导装置使用。

用于制备该传输管之本发明之热传导介质用量可以根据所要之成品用途而有所不同。本改良之介质的制备与使用本发明热传导介质之热传导表面或传输管的制造均可于一个单一步骤中达到且完成。

该改良介质可在70至1800℃的温度范围内使用操作而无损其特性。而其表面可依据所需产品的外型建构成任何形状(如管形、板形或其组合)，而无任何结构角度上的限制。举例来说，该传输管可做成直的、弯的、曲折的、网状的、螺旋的、或蛇状的外形。再配合外部尺寸的设计，即可分别应用于不同的领域中。

顷观察到本发明介质之热传导与热传速率目前已超过纯金属银的32,000倍以上。

应注意的是，如果该改良介质组成份没有按照所列次序混合，介质会变得不稳定且可能会导致灾难性的反应。再者，应以金属做为本发明介质的基材，建议所用之金属应为干净且无任何氧化物或锈垢。这可藉由习用之喷砂、弱酸洗或弱碱洗之处理来完成。任何用于清洗或处理该传输管的材料均应完全被移除，且该传输管内表面在施加入该介质之前也应先经干燥处理。下面以非限定性之实施例来进一步说明本发明之技术内容。

实施例1

以下列方式制备无机高导热性热传导介质，而添加方式则如下所讨论：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.01克；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，0.2克；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，0.02克；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，0.2克；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，0.8克；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，0.2克；

(7)氧化铍(BeO)，0.001克；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.01克；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.001克；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，0.1克，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.01克；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.01克。

将上述各化合物依所列之次序添加至内含100毫升(ml)经二次蒸馏纯水的容器中直到溶解。该混合物在常温20℃下混合，然后于60℃之温度下，搅拌混合(约20分钟)直到完全溶解。所得之即可或之后可用于应用用途。

实施例2

将实施例1所得之组合物作为本发明之热传介质，在36％之相对湿度涂覆于各种不同之基材上，如金属(碳钢、不锈钢、铝、铜、钛、镍等合金)或非金属(玻璃或陶瓷)传输管上，形成所需之热传元件。所选用之基材表面基本上不含金属氧化物、油脂或油类。为使所得热传元件之品质最佳，施用实施例1之组合物是在低相对湿度环境下进行(低于约40％相对湿度)。作为热传介质之组合物于施用后，即将其密闭于热传元件之空腔中，以与水(水气或液体)隔绝。空腔中可视需要抽真空后密封。

为于含有此组合物之热传传输管(conduit)或空腔(cavity)中达成此意欲之热传导度，加至该空腔中之本发明热传介质的品质会随该空腔之体积而改变。本发明组合物体积与空腔体积之比值用0.025、0.02、0.0125与0.01等比例涂覆于传输管空腔之内壁上。传输管不需要做任何预涂附的步骤。一旦该传输管载入或填满所需量之介质，传输管便被加热至120℃以蒸发该二次蒸馏水。该传输管或空腔接着被密封，以供作为热传装置中之热传元件使用。

用于制备该传输管之本发明之热传介质用量可以根据所要之成品用途而有所不同。本改良之介质的制备与使用本发明热传介质之热传表面或传输管的制造均可于一个单一步骤中达到且完成。

该改良介质经测定可在70至1800℃的温度范围内操作而无损其特性。而其表面可依据所需产品的外型建构成任何形状(如管形、板形或其组合)，而无任何结构角度上的限制。举例来说，该传输管可做成直的、弯的、曲折的、网状的、螺旋的、或蛇状的外型。再配合外部尺寸的设计，即可分别应用于不同的领域中。

常规热管路是利用液体汽化和蒸汽冷凝时吸收和放出大量潜热，而使热能从管子的热端迅速传向冷端的技术，其轴向传热速率取决于液体汽化潜热的大小，汽液往返的速率。此外还要受材质是否适应、温度和压力不能太高等条件的限制。

本发明之热管元件其轴向导热速率远大于同样大小的任何金属棒或任何常规热管。管内压力强度远低于同温度下的任何热管的管内压强，适用的温度上限为管材的许用温度上限。根据本发明之热传介质可依不同应用领域的需求，管元件可依需求将外部制作成各种的尺寸与型式。

图1A及1B显示根据本发明之热传管元件的示意透视图与剖面图。如两图中所示，其中热传管元件102包含涂覆其内壁面表上之热传介质110，空腔105，传输管108，孔径106，以及密闭孔径106用之插塞104。

本发明之热传管元件可依使用上的实际需要将管与管元件组合应用。管管元件具有高效传热、均温性、可组合及热流密度可变等特性，用管管元件制造而成的换热器，体积紧凑，体积小，表面散热小，提高了热利用率，节省电能。管管元件都独立的工作元件，任意一端坏不会引起两种换热流体互混，任何一只管管元件损壤都不会影响其元件的正常工作。少量管管组合元件损坏或失效，不影响整台设备正常运行。

而随组合方式的不同一般可分为管管组合单体元件和管管组合分离元件。管管组合单体元件系将本发明之热传管元件并排或交错组合，通常是用于高度需要均匀加热的应用领域，如加热温恒稳，易燃，易爆之有毒化工原料气体或液体。加工化工原料气、液体、工艺要求高，难度大。多数化工原料流体属于易燃易爆有毒气体，有时还带压力，生产工艺要求原料气体液体的加热必需要均匀，加热温度要恒稳，且不得泄漏。功效测定过程及方法

一对使用实施例1所得组合物制成之管子(tube)，用于验证热传导性(thermal conductivity)及有效热导率(effective thermalconductance)，并于后进一步例示所得组合物材料在各种传递热方法上之用途。

例证管子(demonstration tube)其尺寸为直径2.5厘米×1.2米，管子的一端焊接有一直径7.5厘米×长度10厘米之开口圆柱形附件，以插入一紧密合且略带锥度的加热器(直径5厘米×长度9厘米)。例证管子的内部在清洁后涂覆上一层薄的由根据上述步骤制备之本发明热传导材料涂层。

在沿着例证热传导管子(heat transfer tube)外围部份经明确界定的位置上，接附上最多达9个经校正的热电偶。监看该等位置之温度，当测点的温度对不断变化的电热输入至位于管底之加热器产生反应时，对这些点进行监视并记录下来。在某些情况下，会用到重复的温度感应器及监视装置，尤其是在管子的两端，以确定不会发生任何重大之温度误测(mis-measurement)。

彼等实验在尺寸大小约为1.2×1.6×1.0米之安全密封的通气屏蔽体(closure)内进行。为了将测试室内温度分层化减至最小，该试验是以与水平线夹角为10之试验管进行。在此结构中输入功率及温度均受到监视，以量化在验证热导管内热传率。

使用7个J型热电偶，沿直径2.5厘米、长1.2米之管子等距放置于其上来进行温度测量。另一热电偶则放置于外覆在加热器之较大直径的管子上。该热电偶使用不锈钢管钳夹(clamp)固定。剩余的热电偶则测量室温。

将热电偶连接至凯氏(Keithley)706扫描器内部的凯氏7057A型热电偶扫描卡。在7057A的接点块(junction block)具有一支用于对冷温端进行补偿的热敏电阻(thermistor)温度感应器。以标准四阶多项式做连点温度补偿与温度计算。

自惠普(HP)66000A电源供应器供给电源至管加热器，电源供应器主要架构为具有8个HP66105A 125A/120V电力模组(module)。每四具电源供应器并联成一组，而将两组电源的输出端串联，以产生一5A/240V电源供应之净输出。此电源供应系统在整个实验过程中，产生非常稳定之加热功率。而实际电流以使用加热器通过kepco 01-Q/200瓦标准电流电阻器两端之电压测量之。通过连接在加热器两端的电压敏感线测量电压。

该二电压以上述凯氏(Keithley)706扫描器中之凯氏7055通用扫描卡进行测试。将扫描器板之输出信号输入到以直流电压模式操作之凯氏195A 5 1/2位数万用表(multi-meter)(DMM)。以麦金塔(Macintosh)IIsi电脑控制扫描器及DMM，该电脑使用IO Tech型SCS1488 IEEE-488介面。将结果储存在电脑硬盘上以用于存取(accessed)分析。数据收集(data acquisition)软件系以Future Basic语言编写。分析后之数据以微软EXCEL试算表(spreadsheet)软件呈现。热传导性之测试(Determination of Thermal Conductivity)

在将管子以接近水平放置后，使用最高达300瓦输入功率继续类似的测试，产生温度最高达到室温150℃以上，再将管子以置于水平之模式进行7次实验，包括在最后一次实验中，在10天内将输入功率在170至300瓦特间来回逐步改变大小。

进行数个实验以测试热管表面上之温度分布及对阶跃函数(stepfunction)加热器输入功之瞬态反应。于该等测试中使用9个相同且经校正(calibrated)之热电偶：1)一个监视周围温度之热电偶(Tair)，2)一个固定在管柱形加热器上之热电偶(Theat)，及3)7个置于沿着管轴等距位置之热电偶(在12点钟位置，命名为T2至T8，越接近加热器之数字越小)。

图1C显示某次该实验之结果，其中加热器输入功率从由9逐步加至20瓦，再逐步加至178瓦。图1D是以各感应器及其平均值之稳定状态温差(感应器温度T减去周温T0)相对于输入功率做图。图1D中之实线是用指定系数对温度平均值进行的二次方最佳配适(fit)。此线显示出均温管路之热耗散的期望形式，即与线性相关有一负的二阶偏离。令人意外的是温度的度数，沿着仅在一端加热之基本上为空的管线延伸长度方向上，温度始终保持不变。

在20至178瓦之间的大功率进行更仔细的不同功率的逐步试验时，发现于测量之时刻(time scale)，在沿着加热试验管之各点温度相当快速地升高。将温度感应器T2-T8及其平均值作为2小时时间之函数绘线于图1E上，温度紧跟着功率逐步上升而即刻变化。(最初45分钟，每分钟收集一次数据，接着每5分钟收集一次。)而在图中所示之时刻上，温度没有随位置显着变化，试验之管的行为表现就好象是沿着其轴向均匀地加热一般。

三种其他数据组绘制于图1E中，但它彼此间太紧密一致以致于难以去解析；星号表示尺寸等同于该热管(heat tube)均匀受热钢管，其对应之由20至178瓦功率阶跃的热量散发之预测温度。此模型细节将于下面讨论。

图1E中以空心菱形与圆形表示之绘点(point plotted)为测自沿管轴向金属相中之电阻比值。根据下面的公式可以预测，某种金属的电阻值会随着温度的变化而改变：

R＝R⁰(1+αT)     (1)

于是，

T＝(R/R⁰-1)/α

R为T＝0℃时测量到的电阻值。

标记有Rbot的数据点，是指在靠近加热器的半截管子上测量到的电阻值，而那些标有Rbot的数据点，是指管子的上半截的电阻值。图1F显示出绘出同样的电阻数据，分别对应于用热电偶温度感应器在管子的两半分别记的平均温度。从图1F中绘制的回归线，可以清楚地看到这条线很准确地遵从方程式(1)的计算结果，并且制造该管的钢材电阻值的温度系数0.428±001％ K^-1。

图1E与图1F中的电阻值数据的重要性在于1)在热电偶温度测量中没有明显的误差；2)对管子表面进行的这些温度测量，得到通过电阻值比率记录的容积的温度测量结果的准确确读；3)任何时候，不管热源点的位置在何处，远离加热器的管子一端的平均温度与接近加热器的管子一端测得的平均温度都很难辨别。有效热传速率(Effective Heat Transfer Rates)

热从碳钢管传递是一个熟知并且非常容易理解的，具有显着工程重要性的问题。

热经过自然对流和辐射的方式，从一根水平的、裸露的标准碳钢管的表面传递的速率，通过一组根据经验方程和确定的常数，在参考文献中有很好的描述。图1G绘制出1英寸直径的碳钢管对应其表面温度的预期的热传导系数。通过从表中常数计算出的数据点配适出一条抛物线形的回归线。这条回归线函数，用于匹配对应于逐步增加的加热器功率，所观察到的热管表面的温度的稳态响应和瞬态反应。

建立一个简单的210×10单元的数值模型，用以求解该热导管的热输入、热储存以及热损失速率的微分方程。该模型的建立用了两个假设：1)图1G中提出的函数精确地描述出管子表面的热损失；2)管子一端的热输入即时有效地传达到金属管的各个部份。

这两个假定与观察到的结果是一致的，因此，对于使数据合理化来说是必不可少的。

图1H表示这样的一种数值计算的结果，以及如图E所示的具有指定的钢材比热容值为0.54Jg^-1的热传导系数。(测量的)输入功率划分为两个部份，分别为在热管的总热容量(P_store)中储存，以及通过自然对流和对周围环境辐射的总耗散量(P_lost)，将周围环境温度(实测值)的略微增加考虑在内，模型预测的与测量得到的平均温度响应非常接近，预期的态热耗散略微(2％)大于测量的输入功率。这一差异很容易通过测试模的误差、温度感应器对于热耗散的效应、以及管子与水平结构的10°夹角来解决。

对于图1H中所示个案，以及其他的几个实验个案，明显地非常符合模的假设。也就是说，该热导管的热行为就像是一个标准的各处均匀加热的碳钢管一样。热传导系数(Heat Transfer Coefficient)

在前节之中，我们讨论了如何达到稳态响应和功率上升时的瞬态反应。作出与观察一致的假设。即管子是均匀一致地加热的。由于实际上只在管子的一端加热，这个假定就产生了显着的错误。

由于管子是在一端加热，热流模式可以做成一个一维的传输线模型。使用此概念，热从加热器开始，沿着管子的长度方向在各个连续单元中传导：1)热沿着轴的方向，在该管的容积内填充了无论何种物质；2)热通过管子的钢壁，呈放射状地传导至外表面(此处温度受到监视)；3)再次热呈放射状地传导至周围环境的空气中去(周围环境的温度考虑为固定的)。

将这些条款以排成倒序的形式，热由管子表面到环境空气中的传递速率为图1G中实线条所描述的函数。图1G中还表示的铁的热传导数据，使用一根抛物线形回归线配适(fit)并外推(extrapolation)。

图1I表明模型计算的结果，用以预测沿着热管的温度分布。假定管中充满银元素(Ag)。银被用作一种参考材料，是因为它在所有元素及元素的标准同素异形体中，是已知最好的热导体(钻石的导热性优于银)。在4.3W cm^-1K^-1的条件下，银的导热能力大约超过铁(Fe)的5倍(铁用于表示碳钢管)。

在图1I中，上方的线条显示出预期的沿着管子的温度分布，计算的加热器输入功率为178W。假定管子中充满一种媒介质，这种介质的导热率与银导热率(4.3W cm^-1K^-1)完全相同。在此条件下测得的沿管子轴向排列的8个感应器的温度，用实数据点加以表示。

图1I清楚地显示出，如果内部容积以固体金属银的传热速率和传热机构(mechanism)进行热传导的话，测得的温度分布轮廓比预测的温度分布要平坦的多。按照：按银的2倍、5倍、10倍、100倍以及1000倍这些指定的数值不断提高内部容积的导热率，进行计算。只有最后一次计算与实测的结果一致。换个方式说：该管之导热，好似其内部充满具有远较银之热导率(thermal conductivity)为高(至少1000倍以上)的材料。虽然该结果只在一次实验(当加热器的输入功率为178W时)中显示出来，但此结论与在多于一个的结构中和某一功率输入范围内，对热管所进行的大量测试的结果是一致的。

对于所观察到之轴向温度轮廓(profile)尚无一个明显的解释。举例而言，虽说热管路(heat pipe)(其中热传系以蒸发、蒸汽输送与工作液体的凝结发生)以高速率传热，也许可对例证热导管就大范围之操作温度得到排除此可能性的证据。而热管线可在不同温度或温度区间中操作。有效热导率的测量

典型热管的热流(Φ)按照输入功率(W)除以管的截面积(m²)来计算。在无负载条件下，画出测得的热管热源冷源两端的温差(T)相对于(Φ)的曲线，由此可得最大热流。考察上述曲线的T/Φ值何处偏离通常运行区域内测得的T/Φ值，该处的Φ值即最大热流密度Φ_MAX。我们增加(表为热流密度的)输入功率，并测量导管热源冷源两端的温度。但没有得到最热流密度，因为其T/Φ曲线没有明显的偏离。

将典型热管作为一个传热整体来计算其有效热导率(k_eff)，定义如下：

k_eff＝[P(W)-1/A]/(T₂-T₁)(K)

其中P是输入功率，1为管道长度，A为管道截面积，T₂是管道冷源端的温度，而T₁是管道热端的温度。在无负载条件下增加输入功率，并测量热源冷源两端以及其中若干点上的温度。所有的实验中导管四周都没包裹绝热材料。

另一种方法是在不同的负载、更好地控制运行温度的条件下进行同样的测量。在导管的冷源端连接三种不同的换热器，进行上述实验。在变化负载条件下改变输入功率，并测量热冷源两端以及其中若干点上的温度。用6千瓦循环激冷器将常温循环水流过换热器作为负载。(应用质量流热量计技术以及上述之分析方法测量冷源功率。)按方程式(1)计算k_eff。

图1J表示的是带第一换热器的热导管(heat transfer tube)，该装置称为Diff1，设计来测试在温度变化的系统中测量热导率的原理。

利用Omegatherm200高热导率环氧粘合剂将铜线圈固接于该例示热导管。但该环氧粘合剂之热导率只是铜的0.003倍左右，因此该环氧形成巨大的热阻，影响热量流入换热器。为了消除此热阻，第二种设计Diff2利用了一种不同的热导管，有一个中空的通有水流的两烯酸柱体附于该热管的一端，如图1K所示。

这两种热量计设计(Diff1和Diff2)的工作范围为输入功率：100-1500瓦，流量：1-85克/秒。其相应的热流密度(heat flux density)为0.11×10⁶至1.7×10⁶W/m²。从300到1500瓦的热量回收示于图1L中。

应用Diff1的效率为72％，应用Diff2的效率为93％。监于Diff1中使用的环氧其热导率很差，这是意料中的事。图1M显示的是应用Diff1和Diff2时沿着热导管所测得之热量回收曲线。

由于较高之热量回收效率，使用Diff2时我们可将输入功率提高到3千瓦。两种情况下，距加热器27厘米处温度都是最高。该点温度与距加热器107厘米处的温度作了比较；由于加热器的影响，距加热器越远，其温度越低。图1N中将此温差相对于热流密度画出了曲线。

本曲线呈线性变化或者呈现负偏离的区域，为典型热管的有效运行范围。超过此有效范围，由于热量以较低的效率传到热管的冷源端，温度将不成比例地增大。在各种测量条件下，该热导管的温度都是线性地随着热流密度的增加而增加。表明始终未达到最大的热流密度。唯一的例外是2千瓦以上时，那时107厘米处的温度要高于27厘处的温度。为此原因，输入功率2千瓦以上的数据，(2.2×10⁶W/m²)并未被标绘出来。

图1O总结了在所有小于2,000瓦的输入功率和热流密度为2.5×10⁶W/m²时，相对于热流密度的有效热导率。这些结果以k_eff与银热率之比(与管内充满银-热导率最高的金属-的金属的情况作比较)的形成来表达。此比值的最大值大于3万。

Claims (16)

1.一种高传热速率热传介质，其系藉由将下列化合物溶解于水中以产生一混合物，干燥所得之该混合物以产生具下列重量百分比之该热传介质产物：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.5-1.0％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.0-2.0％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.0-2.0％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，10.0-20.0％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，40.0-80.0％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，10.0-20.0％；

(7)氧化铍(BeO)，0.05-0.10％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.5-1.0％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.05-0.10％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，5.0-10.0％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.5-1.0％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.5-1.0％。

2.根据权利要求1之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之重量百分比为：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.7-0.8％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.4-1.6％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.4-1.6％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，14.0-16.0％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，56.0-64.0％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，14.0-16.0％；

(7)氧化铍(BeO)，0.07-0.08％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.7-0.8％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.07-0.08％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，7.0-8.0％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.7-0.8％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.7-0.8％。

3.根据权利要求1之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之重量百分比为：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.723％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.4472％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.4472％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，14.472％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，57.888％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，14.472％；

(7)氧化铍(BeO)，0.0723％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.723％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.0723％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，7.23％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.723％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.723％。

4.根据权利要求1之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之热传导系数为金属银的32,000倍以上。

5.根据权利要求2之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之热传导系数为金属银的32,000倍以上。

6.根据权利要求3之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之热传导系数为金属银的32,000倍以上。

7.一种高传热速率热传介质，其系藉由将下列化合物(以每个化合物所示量之+/-0.10％范围变化)溶解于水中以产生一种混合物，干燥所得之该混合物以产生该热传介质产物：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.01克；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，0.2克；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，0.02克；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，0.2克；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，0.8克；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，0.2克；

(7)氧化铍(BeO)，0.001克；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.01克；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.001克；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，0.1克，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.01克；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.01克。

8.根据权利要求7之高传热速率热传介质，其中该热传介质产物之热传导系数为金属银的32,000倍以上。

9.一种热传表面，其包括至少部分覆盖高传热速率热传介质之表面基质，该高传热速率热传介质系藉由将下列化合物溶解于水中以产生一混合物，干燥所得之该混合物以产生具下列重量百分比之该热传介质产物：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.5-1.0％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.0-2.0％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.0-2.0％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，10.0-20.0％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，40.0-80.0％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，10.0-20.0％；

(7)氧化铍(BeO)，0.05-0.10％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.5-1.0％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.05-0.10％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，5.0-10.0％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.5-1.0％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.5-1.0％。

10.根据权利要求9之热传表面，其中该高传热速率热传介质包含在热传介质产物中之重量百分比为：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.7-0.8％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.4-1.6％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.4-1.6％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，14.0-16.0％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，56.0-64.0％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，14.0-16.0％；

(7)氧化铍(BeO)，0.07-0.08％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.7-0.8％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.07-0.08％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，7.0-8.0％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.7-0.8％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.7-0.8％。

11.根据权利要求9之热传表面，其中该高传热速率热传介质包含在热传介质产物中之重量百分比为：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.723％；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，1.4472％；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，1.4472％；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，14.472％；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，57.888％；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，14.472％；

(7)氧化铍(BeO)，0.0723％；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.723％；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.0723％；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，7.23％，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.723％；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.723％。

12.根据权利要求9之热传表面，其中该高传热速率热传介质具热传导系数为金属银的32,000倍以上。

13.根据权利要求10之热传表面，其中该高传热速率热传介质具热传导系数为金属银的32,000倍以上。

14.根据权利要求11之热传表面，其中该高传热速率热传介质具热传导系数为金属银的32,000倍以上。

15.一种热传表面，其包括至少部分覆盖高传热速率热传介质之表面基质，该高传热速率热传介质系藉由将下列化合物(以每个化合物所示量之+/-0.10％范围变化)溶解于水中以产生一种混合物，干燥所得之该混合物以产生该热传介质产物：

(1)三氧化二钴(Co₂O₃)，0.01克；

(2)三氧化二硼(B₂O₃)，0.2克；

(3)重铬酸钙(CaCr₂O₇)，0.02克；

(4)重铬酸镁(MgCr₂O₇.6H₂O)，0.2克；

(5)重铬酸钾(K₂Cr₂O₇)，0.8克；

(6)重铬酸钠(Na₂Cr₂O₇)，0.2克；

(7)氧化铍(BeO)，0.001克；

(8)二硼化钛(TiB₂)，0.01克；

(9)过氧化钾(K₂O₂)，0.001克；

(10)一选用之金属或铵的重铬酸盐(MCr₂O₇)，0.1克，其中M系选自钾、钠、银及铵所构成之群组；

(11)铬酸锶(SrCrO₄)，0.01克；以及

(12)重铬酸银(Ag₂Cr₂O₇)，0.01克。

16.根据权利要求15之热传表面，其中该高传热速率热传介质具热传导系数为金属银的32,000倍以上。

Images