CN106939155A - 一种传热工质及其制备方法和热管传热的方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于热管传热技术领域，具体涉及一种传热工质及其制备方法和热管传热的方法。本发明所提供的传热工质包括：第一醇类化合物、流体工质和水。该类水溶液的表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升，具有自湿润特性，能自发湿润热管烧干部位，有效延缓烧干现象的出现，并增强热输送效率。本发明所提供传热工质性能优异，可用于改善微电子热管的热传输性能，解决微电子芯片的散热问题。

Description

一种传热工质及其制备方法和热管传热的方法

技术领域

本发明属于热管传热技术领域，具体涉及一种传热工质及其制备方法和热管传热的方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，信息、材料和能源动力是现代科学技术发展的三大支柱。而微电子技术作为信息化时代的基础，在现代文明中扮演着重要的角色，从日常生活、工业生产到国家安全等各方面，都有着广泛的应用。目前电子设备的小型化、集成化已成为技术发展的趋向，但随着集成化程度的提高，单位面积的热流密度随之增大，恶劣的热环境将会严重影响电子元件的性能和使用寿命，因此电子元件的散热已成为一个急需解决的问题。微电子芯片尺寸结构的不断减小以及热流密度的逐渐增加，芯片的散热问题及温度分布不均匀已成为影响芯片性能的主要问题。研究结果显示，导致电子元器件失效的原因有温度、振动和潮湿等。据统计，55％的电子产品的失效是由温度过高导致的。微电子芯片对温度的稳定性和均匀性有相当高的要求，工作温度是影响其性能的重要因素之一，因而芯片散热/冷却技术已成为制约其发展的瓶颈。

传统散热技术的散热能力有限，而且温度控制的精准度较低，响应时间较长，已经无法满足高性能微电子芯片的散热冷却与温度控制要求。因此，对各种新型的散热方法的研究开发，以解决传统风冷散热所存在的缺陷，是相关技术人员研究的重点。热管传热技术因其能够利用工质蒸发冷凝的潜热性能将高密度热流及时转移，因而成为解决电子散热问题的有效方法。而改善和强化热管的热输送性能更是研究的重中之重。在众多研究中，探求不同工质对热管的热传输性能的影响，并找出性能优越的工质，用以解决微电子芯片的散热问题，是最为直接有效的方法之一。因此，研发出一种新型的传热工质，改善微电子热管的热传输性能，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种新型传热工质，用于改善微电子热管的热传输性能，解决微电子芯片的散热问题。

本发明的具体技术方案如下：

本发明提供了一种传热工质，包括：第一醇类化合物、流体工质和水；

所述第一醇类化合物选自丁醇、戊醇、已醇、庚醇或辛醇；

所述流体工质选自乙二醇、丙二醇、氨、FP40或FD40。

优选的，所述第一醇类化合物的浓度为0.1wt％～10.0wt％。

优选的，所述流体工质的浓度为0.1wt％～60.0wt％。

优选的，所述传热工质选自乙二醇-庚醇-水、丙二醇-庚醇-水、FP40-丁醇-水、FP40-庚醇-水、FD40-丁醇-水、FD40-庚醇-水或氨-庚醇-水。

优选的，所述传热工质选自2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水、45wt％FP40-0.2wt％丁醇-水、50wt％FP40-5wt％丁醇-水、60wt％FP40-0.2wt％庚醇-水、50wt％FD40-5.0wt％丁醇-水、60wt％FD40-0.2wt％庚醇-水或10％氨-0.2wt％庚醇-水。

本发明还提供了一种上述传热工质的制备方法，将所述第一醇类化合物、流体工质和水混合，得到所述传热工质。

本发明还提供了一种热管传热的方法，将上述传热工质和/或上述制备方法得到的传热工质注入热管作为传热工质进行散热。

本发明所提供的传热工质包括：第一醇类化合物、流体工质和水。该类水溶液的表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升，具有自湿润特性，能自发湿润热管烧干部位，有效延缓烧干现象的出现，并增强热输送效率。本发明所提供的传热工质性能优异，可用于改善微电子热管的热传输性能，解决微电子芯片的散热问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为流体表面张力的检测装置；

图2为实施例1中水和庚醇的表面张力随温度上升的变化曲线；

图3为实施例1中0.1wt％庚醇水溶液的表面张力随温度上升的变化曲线；

图4为实施例1中水和0.1wt％庚醇水溶液的热阻随温度上升的变化曲线；

图5为实施例2中三种传热工质的表面张力随温度上升的变化曲线；

图6为实施例3中五种传热工质的表面张力随温度上升的变化曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种传热工质，包括：第一醇类化合物、流体工质和水；所述第一醇类化合物选自丁醇、戊醇、已醇、庚醇或辛醇，所述流体工质选自乙二醇、丙二醇、氨、FP40或FD40。本发明对第一醇类化合物和流体工质的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的即可，如采用其市售产商品。其中，FD40为一种新型的盐水溶液，其英文全名为potassium hydroxide-based brines，购自研峰科技，包含：24wt％氢氧化钾、24wt％乙酸和水；FP40为一种新型的盐水溶液，其英文全名为potassium formate-based brines，购自研峰科技，包含：50wt％甲酸钾和水。

本发明对传热工质中的第一醇类化合物和流体工质的浓度无特殊的限定，由于不同场合下所需传热工质的热物性存在差别，而不同热物性均分别对应不同组合的传热工质，故传热工质中各组分的浓度应根据实际应用需求以及各组分之间的溶解度进行确定。

进一步的，第一醇类化合物的浓度优选为0.1wt％～10.0wt％。

进一步的，流体工质的浓度优选为0.1wt％～60.0wt％，更优选为0.1wt％～10.0wt％。

更进一步的，当流体工质为丙二醇时，其浓度优选为0.1wt％～10.0wt％；当流体工质为FP40时，其浓度优选为45wt％～60.0wt％；当流体工质为FD40时，其浓度优选为50wt％～60.0wt％。

进一步的，所述传热工质选自乙二醇-庚醇-水、丙二醇-庚醇-水、FP40-丁醇-水、FP40-庚醇-水、FD40-丁醇-水、FD40-庚醇-水或氨-庚醇-水。

更进一步的，所述传热工质选自2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水、45wt％FP40-0.2wt％丁醇-水、50wt％FP40-5wt％丁醇-水、60wt％FP40-0.2wt％庚醇-水、50wt％FD40-5.0wt％丁醇-水、60wt％FD40-0.2wt％庚醇-水或10％氨-0.2wt％庚醇-水。

本发明对所述传热工质的制备方法无特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的混合方法即可。在本发明中，以优选的传热工质2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水为例，该传热工质的制备具体为：先将庚醇加入到水中，配制得到庚醇水溶液，然后再加入适量丙二醇，混合，得到2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水传热工质。

众所周知，大多数如水和醇等单一流体随着温度的升高，其表面张力呈下降趋势。本发明所提供的传热工质这类稀醇溶液则呈现出相反的特性，这些流体的表面张力先是随着温度升高而下降，在一定温度降至最小值后，又随着温度的升高而逐渐上升。正是由于这种特性，在工质随温度升高发生沸腾时，热管加热段的温度高于冷凝段温度，即加热段的表面张力高于冷凝段的表面张力，两者之间产生有利于工质往加热段回流的表面张力梯度，液体工质自发地从冷凝段向加热段回流；同时易挥发的组分优先发生沸腾，优先沸腾的组分在气液界面引起组分浓度梯度，再由组分的浓度梯度引起有利于工质往加热段回流的表面张力梯度，从而引起“自湿润”现象，能有效延缓烧干现象的出现，并增强热输送效率。因此，本发明所提供的一种传热工质，具有湿润特性，能自发湿润热管烧干部位，可有效改善微电子热管的热传输性能，有效解决微电子芯片的散热问题。

下面将结合本发明具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域技术人员应当理解，对本发明的具体实施例进行修改或者对部分技术特征进行同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神，均应涵盖在本发明保护的范围中。

实施例1

1、受试工质：水、庚醇和0.1wt％庚醇水溶液。

2、实验以外径6mm、长260mm的烧结管作为研究对象，具体尺寸如图1所示。采用垂直底部加热和水平一侧加热的方式进行测试，把镍铬电阻丝直接缠绕在包有绝缘导热胶布的铜管上进行加热，加热段长度50mm；冷凝段长度50mm，采用数控低温恒温槽水冷的方法进行冷却，温度(即冷却水的温度)设定在(25±0.1)℃，水流量设定为3.5mL/s。加热段和冷凝段中间为120mm长的绝热段，用隔热棉包裹以减少热量在空气中散失。实验中采用安捷伦34970A和K-OMEGA热电偶(精度为±0.5℃)，分别置于热管的不同位置对热管的各个部位进行温度变动记录，具体位置如图1所示。为了不影响实验结果的对比，实验都以空调设定在26℃的室温下进行，以保证多次实验中，同等输入功率下，不可避免的漏热量大致相同。

3、实验中，依次将受试工质注入热管进行实验。实验前先通过调节三通，启动真空泵，然后利用压差慢慢吸入工质，直至注入工质量达到要求后再用天平进行校正。接着启动冷却系统，通过调节功率计，使初始输入功率为10W，待温度曲线稳定后，再每次增加10W输入功率。直至所测点最高温度超过100℃时，停止实验。

图2为水和庚醇的表面张力随温度上升的变化曲线，如图2所示，水和庚醇的表面张力随温度上升而呈下降趋势。图3为0.1wt％庚醇水溶液的表面张力随温度上升的变化曲线，如图3所示，0.1wt％庚醇水溶液的表面张力先随温度上升呈下降趋势，但之后又随温度的升高而逐渐上升，当温度上升至约39℃时，表面张力达到最小值，由此表明当工质温度高于39℃后，将产生有利于工质往加热段回流的表面张力梯度，从而强化热输送效率。

图4为水和0.1wt％庚醇水溶液的热阻随温度上升的变化曲线，如图4所示，当工质温度高于25℃后，0.1wt％庚醇水溶液的热阻均比同等条件下的水的热阻大，说明了相同条件下，自湿润流体拥有更低的热阻，两端温差更小，从而温度分布均匀，传热性能更好。

当处于水平工况时，虽然缺少重力作用，然而自湿润流体由于其湿润特性，使工质能及时回流，随着功率的增加，热管两端热阻逐渐小于水，也表现出明显优于水和庚醇的热输送能力。

实施例2

1、受试工质：3.0wt％丁醇-水、2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水、10wt％氨-0.2wt％庚醇-水。

2、采用Dataphysics DCAT21表面张力仪(表面张力测量范围为1～1000mN/m，精度±0.001mN/m)进行测定工质的表面张力，其中，检测温度的范围在20-80℃之间。在测试过程中，采用温控系统使所测试样品保持恒定的所需温度，以保障测试结果的准确性。测试了不同温度对应的表面张力，至少进行三次以上的重复测试，以保障其误差值控制在0.5mN/m以内。实验中采用挂片法，先将待测样品倒入培养皿里并放到试验台上，启动开关使实验台上升，待Pt片浸入样品后，开启相匹配的软件SCAT31，然后控制试验台缓慢下降，在下降的过程中，由于样品与Pt片之间存在湿润力，故与Pt片相连的天平可以测出此过程Pt所受的力。

图5为三种传热工质的表面张力随温度上升的变化曲线，如图5所示，这三种水溶液的表面张力均是随温度的升高，先降低至最小值，然后再呈上升的趋势。而且2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水和10％氨-0.2wt％庚醇-水这两种三元醇溶液的表面张力随温度升高而上升的趋势均比丁醇溶液明显，表现出明显优于二元醇的热性能。

实施例3

1、受试工质：50wt％FD40-5wt％丁醇-水、60wt％FD40-0.2wt％庚醇-水、50wt％FP40-5wt％丁醇-水、60wt％FP40-0.2wt％庚醇-水和水。

2、具体操作过程如实施例2中的步骤2所述。

图6为四种三元混合工质的表面张力随温度上升的变化曲线，如图6所示，FD40-5wt％丁醇-水、FD40-0.2wt％庚醇-水、FP40-5wt％丁醇-水和FP40-0.2wt％庚醇-水这四种三元混合工质在40℃之后的表面张力均随着温度升高而上升，表现出了明显优于水的热性能。

以上所述仅是本发明的实施方式的举例，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种传热工质，其特征在于，包括：第一醇类化合物、流体工质和水；

所述第一醇类化合物选自丁醇、戊醇、已醇、庚醇或辛醇；

所述流体工质选自乙二醇、丙二醇、氨、FP40或FD40。

2.根据权利要求1所述的传热工质，其特征在于，所述第一醇类化合物的浓度为0.1wt％～10.0wt％。

3.根据权利要求1所述的传热工质，其特征在于，所述流体工质的浓度为0.1wt％～60.0wt％。

4.根据权利要求1所述的传热工质，其特征在于，所述传热工质选自乙二醇-庚醇-水、丙二醇-庚醇-水、FP40-丁醇-水、FP40-庚醇-水、FD40-丁醇-水、FD40-庚醇-水或氨-庚醇-水。

5.根据权利要求1所述的传热工质，其特征在于，所述传热工质选自2.0wt％丙二醇-0.2wt％庚醇-水、45wt％FP40-0.2wt％丁醇-水、50wt％FP40-5wt％丁醇-水、60wt％FP40-0.2wt％庚醇-水、50wt％FD40-5.0wt％丁醇-水、60wt％FD40-0.2wt％庚醇-水或10％氨-0.2wt％庚醇-水。

6.一种权利要求1至5任意一项所述传热工质的制备方法，其特征在于，将所述第一醇类化合物、流体工质和水混合，得到所述传热工质。

7.一种热管传热的方法，其特征在于，将权利要求1至5任意一项所述的传热工质和/或权利要求6所述制备方法得到的传热工质注入热管作为传热工质进行散热。