CN103421470A

CN103421470A - 一种包含固体空心颗粒的冷却流体

Info

Publication number: CN103421470A
Application number: CN2012101648402A
Authority: CN
Inventors: 刘静; 邓月光
Original assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Current assignee: Technical Institute of Physics and Chemistry of CAS
Priority date: 2012-05-24
Filing date: 2012-05-24
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-05-24
Also published as: CN103421470B

Abstract

本发明提供一种包含固体空心颗粒的冷却流体，其是由固体空心颗粒分散在液态流体中组成的，所述固体空心颗粒整体的密度为液态流体的密度的80％～120％。本发明提出的冷却流体具有以下优点：一方面高热导率材料包覆的颗粒具有极高的热导率，可以强化冷却液体的导热性能；另一方面，固体空心颗粒在流动过程中会促进湍流脉动的产生，因此能进一步强化液体对流传热。因为多层包覆颗粒呈空心结构，其整体密度与溶剂密度一致，因此颗粒在流动过程中不易发生沉降和集结，能够保证散热系统的稳定安全运行。

Description

一种包含固体空心颗粒的冷却流体

技术领域

本发明属于热交换材料领域，具体为一种包含固体空心颗粒的冷却流体，及其制备方法和应用。

背景技术

随着芯片集成度的持续增加，散热问题已成为制约现代信息工业发展的重要瓶颈。目前，各种冷却技术按照工件能承受的热流密度可划分为四代，分别为：翅片风冷、热管，水冷以及液态金属冷却。其中，水冷及液态金属冷却是目前针对高端散热需求的主流技术。然而，水和液态金属作为冷却工质，其导热能力仍然有限，通过工质的改进能够更进一步提升散热系统的冷却能力。

常规液冷系统中，水的热导率约为0.6W/m·K，液态金属的热导率约为40W/m·K。相对固态金属铜、铝等的热导率(200～400W/m·K)而言，纯液体的导热性能仍然有巨大的提升空间。目前，为提升液冷工质的冷却性能，研究人员提出并研究了系列纳米流体(CN200710032556.9)以及相变微胶囊流体(CN 200610069629.7)。但纳米流体几何结构及尺度不易调控，容易产生沉降或集结等问题。而相变微胶囊的目的主要在于提升工质的热容，增加携带热量的能力，对流体的导热能力无明显贡献。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明的目的是提出包含固体空心颗粒的冷却流体。

本发明的另一个目的是提出一种包含固体空心颗粒的冷却流体的制备方法。

为实现本发明目的的技术方案为：

一种包含固体空心颗粒的冷却流体，是由固体空心颗粒分散在液态流体中组成的，所述固体空心颗粒整体的密度为液态流体的密度的80％～120％。

其中，所述的液态流体是水或液态金属。

其中，所述的固体空心颗粒是多层结构，多层结构中有由至少一种金属材料或非金属材料制成的空心颗粒内层，空心颗粒内层外有0～3层非金属材料和/或金属材料的包覆层，所述固体空心颗粒的热导率大于所述液态流体的热导率。

其中，所述的液态金属是选自钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金中的一种，优选地，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金中的一种。

优选地，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

其中，所述金属材料为不锈钢、铅、铜、镍或铝中的一种或多种。

其中，所述非金属材料为二氧化硅、氧化铝、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯中的一种或多种。所选非金属材料对液态金属化有极强的亲和力，有非金属包覆的固体空心颗粒制成的冷却流体有更好的运行稳定性。

其中，所述固体空心颗粒的外径为1μm～10mm。

一种制备本发明提出的冷却流体的方法，其特征在于，把金属材料和/或非金属材料通过沉积、喷镀，溶胶凝胶法或原位聚合的方法，包覆在金属空心颗粒或非金属空心颗粒上，再把包覆所得固体空心颗粒分散在液态流体中，颗粒占液态流体的体积分数为0.1～80％。

本发明提出的冷却流体在制备热交换器件中的应用。

本发明所提出的一种包含毫微尺度多层固体空心颗粒，具有极高导热性能和优异湍流脉动特性的稳定两相冷却流体。其利用具有极高热导率的多层固体空心颗粒来提升整个冷却流体的导热能力。同时，固体空心颗粒的运动能够增强流体湍流，加强脉动，提升流体对流换热能力。因为多层固体空心颗粒可以通过原位聚合等方法进行多种材料固定厚度的材料包覆，固体空心颗粒的密度可以通过对其内外直径或壳后加以调节至与溶剂一致，并根据需要可增加某些物理化学特性如磁性。因此，固体空心颗粒与溶剂相容性好，不易发生沉降或集结问题。基于其优异的导热性能、湍流脉动特性，以及出色的稳定性，本发明提出的包含多层固体空心颗粒的流体在计算机、服务器、通讯基站、LED、太阳能电池、卫星、火箭推进器及激光器等诸多领域具有广阔的应用前景。

本发明的有益效果在于：

一方面高热导率材料(如铜)包覆的颗粒具有极高的热导率，可以强化冷却液体的导热性能；另一方面，固体空心颗粒在流动过程中会促进湍流脉动的产生，因此能进一步强化液体对流传热。因为多层包覆颗粒呈空心结构，其整体密度与溶剂密度一致，因此颗粒在流动过程中不易发生沉降和集结，能够保证液体散热系统的稳定安全运行。因此，本发明可广泛应用于计算机、服务器、通讯基站、LED、太阳能电池、卫星、火箭推进器及激光器等诸多领域的换热器件中。

附图说明

图1为本发明实施例1中冷却流体示意图，图中1为镓铟合金，2为固体空心颗粒外层包覆的铜，3为内层的铝空心颗粒。

图2为本发明实施例2中固体空心颗粒结构示意图，图中4为包覆的铝，5为内部空气。

具体实施方式

实施例中的固体空心颗粒可以是规则的球体或根据加工方式的不同，也可为椭圆、柱状、三角锥、六面体，或八面体等。本发明中的多层固体空心颗粒可以通过沉积、喷镀、溶胶凝胶法或原位聚合等方法制作而成。

实施例中对于液态金属溶剂的选择，钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金均可。其中，镓基合金、铟基合金和铋基合金因为无毒，性质稳定，不易蒸发泄漏等优点为最优选择。钠、钾、锂、铷、铯及其合金化学性质较活泼，必须在良好封装隔绝空气和水情况下应用。汞及其合金成本低，但因为存在一定毒性，因此也必须进行良好的封装后方能使用。

实施例中，密度的测定是在常温下；热导率的测定为用Mathis Tci(SETARAM，France)在20℃下测试得到。

现以以下最佳实施例来说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1：

以镓铟合金Ga₈₀In₂₀为溶剂1，铜/铝双层固体空心颗粒均匀分散在镓铟合金中，参见图1。

采用喷镀法将铜2沉积在铝3表面形成双层包覆颗粒结构。本实施例中的颗粒外直径尺寸为1mm，壳厚度为1μm。颗粒的密度为6.5g/cm³，镓铟合金密度为6.6g/cm³.。颗粒在镓铟合金中体积分数为5％，所得冷却流体的热导率为45W/mK。

因为铜和铝都具有极高的热导率，因此复合液体的导热性能得以有效强化。同时铜/铝的复合可以使颗粒的密度与镓铟合金一致。最后，外部覆铜层可以隔绝铝与镓铟合金的接触，避免液态金属对铝的腐蚀。

实施例2：

以水为溶剂，铝固体空心颗粒均匀分散在水中的冷却流体。颗粒在水中的体积分数为10％。

图2为本实施例铝固体空心颗粒的结构图。本实施例中的铝空心颗粒采用冷挤压工艺制作而成。固体空心颗粒直径为100μm，铝壳4厚度为20μm。空心颗粒的密度为1.2g/cm³。所得冷却流体的热导率为1.2W/mK。铝4和空气5的复合包覆可保证颗粒的密度和水一致，颗粒可稳定在溶剂中悬浮。

实施例3：

铜/二氧化硅双层固体空心颗粒均匀分散在镓铟锡合金中的冷却流体。

本实施例中冷却流体结构与图1类似，但其多层颗粒是采用溶胶凝胶法将二氧化硅(非金属)沉积在铜空心颗粒表面形成双层包覆结构。本实施例中，铜/二氧化硅双层固体空心颗粒直径为10μm。其中，铜空心颗粒内核直径6μm，二氧化硅层厚度2μm。颗粒的整体密度为6.7g/cm³，悬浮在镓铟锡合金中，颗粒在镓铟锡合金中的体积分数为50％，所得冷却流体的热导率为200W/mK。

因为二氧化硅对镓铟锡合金具有极强的亲和性，因此二氧化硅包覆的铜颗粒更容易混入液态金属溶剂中，系统运行更加稳定。因为铜的热导率很高，因此复合液体的导热性能得以有效强化。同时铜/二氧化硅的复合可以使颗粒的密度与镓铟锡合金一致，颗粒可稳定在溶剂中悬浮。

实施例4：

以镓铟锡锌合金为溶剂，铝/铜/二氧化硅三层包覆结构颗粒为溶质的冷却流体。颗粒外径10mm，包覆空气的壳厚度5mm。空心颗粒的密度为6.9g/cm³。所得冷却流体的热导率为100W/mK。颗粒在镓铟锡合金中的体积分数为20％。

其中铝/铜金属层可以通过厚度的不同灵活调节颗粒的整体密度，而最外层采用薄层二氧化硅可用来提高颗粒与镓铟锡锌合金间的亲和性。

实施例5：

以单质金属钠为分散剂，聚乙烯包覆铜空心颗粒为溶质的冷却流体。颗粒外径6mm，包覆空气的铜壳厚度1mm。空心颗粒的密度为1g/cm³。颗粒在钠中的体积分数为10％。所得冷却流体的热导率为150W/mK。

实施例6：

以铅铋金属合金为分散剂，二氧化硅包覆铅空心颗粒为溶质的冷却流体。颗粒外径5mm，包覆空气的铅壳厚度2mm。空心颗粒的密度为10g/cm³。颗粒在合金中的体积分数为0.1％。所得冷却流体的热导率为40W/mK。

实验例：实施例1所得冷却流体的冷却实验

采用铜空心颗粒作为掺混物，颗粒直径为1mm，密度为6.8g/cm³，颗粒在溶液中体积分数为10％，掺混后复合液体的热导率为40W/mK。

根据对流换热关系式(1)进行理论计算：

h＝kNu/d (1)

式(1)中，k为冷却介质热导率，Nu为努谢尔数(层流3.66)，d为水力直径(典型值5mm)。可以计算出掺混前后液态金属的对流换热系数分别为19032W/m²·℃和29280W/m²·℃。再根据对流换热传热量计算式：

Q＝hAΔT (2)

式(2)中，Q为传热量，A为换热面积(假定为0.001m²)，ΔT为传热温差(假定为10℃)，计算得到在相同的传热温差下，掺混后液态金属流体能够传递的热量为300W，传热能力提升明显。

传热实验采用液冷换热实验台(自组装)，热源为电加热，功率0-500W，计算机在线采集数据，包括热源温度和介质温度，由热源和介质温差计算传热量和传热性能。实验结果为实施例1所得冷却流体的传热量为400W。因为理论计算分析尚且没有考虑颗粒流动对流体微团的脉动和湍流的促进作用。而因为颗粒的引入促进的流体脉动紊流将更进一步提升流体的传热能力，在同样的运行工况下传热量可达到350W～400W左右。因此，掺混固体空心颗粒是提升液体工质传热性能的一种极为高效的方法。对比例：没有掺杂铜空心颗粒的镓铟合金Ga₈₀In₂₀的换热性能试验

液态金属镓铟合金Ga₈₀In₂₀，其热导率约为26W/mK。在和实验例相同的传热实验条件下，求得该液态金属流体能够传递的热量为200W。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims

1.一种包含固体空心颗粒的冷却流体，其特征在于，是由固体空心颗粒分散在液态流体中组成的，所述固体空心颗粒整体的密度为液态流体的密度的80％～120％。

2.如权利要求1所述的冷却流体，其特征在于，所述的液态流体是水或液态金属。

3.如权利要求1或2所述的冷却流体，其特征在于，所述的固体空心颗粒是多层结构，多层结构中有由至少一种金属材料或非金属材料制成的空心颗粒内层，空心颗粒内层外有0～3层非金属材料和/或金属材料的包覆层，所述固体空心颗粒的热导率大于所述液态流体的热导率。

4.如权利要求2所述的冷却流体，其特征在于，所述的液态金属是选自钠、钾、锂、铷、铯、镓、铟、汞、铅铋合金、镓基二元合金、镓基多元合金、铟基合金、铋基合金、汞基合金或钠钾合金中的一种，优选地，所述镓基二元合金为镓铟合金、镓铅合金或镓汞合金中的一种。

5.如权利要求4所述的冷却流体，其特征在于，所述镓基多元合金为镓铟锡合金或镓铟锡锌合金。

6.如权利要求3所述的冷却流体，其特征在于，所述金属材料为不锈钢、铅、铜、镍或铝中的一种或多种。

7.如权利要求3所述的冷却流体，其特征在于，所述非金属材料为二氧化硅、氧化铝、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或聚碳酸酯中的一种或多种。

8.如权利要求1或2所述的冷却流体，其特征在于，所述固体空心颗粒的外径为1μm～10mm。

9.一种制备如权利要求1～8任一所述的冷却流体的方法，其特征在于，把金属材料和/或非金属材料通过沉积、喷镀，溶胶凝胶法或原位聚合的方法，包覆在金属空心颗粒或非金属空心颗粒上，再把包覆所得固体空心颗粒分散在液态流体中，颗粒占液态流体的体积分数为0.1～80％

10.权利要求1～8任一所述的冷却流体在制备热交换器件中的应用。