CN111793475B - 一种热传递装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种热传递装置,其包括:器件;和用于实现与器件之间热量传递的机构,机构包括传热流体;传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1=H、F或烷氧基,R2=H、F、Cl或烷氧基,R3、R4=F或烷氧基,R5=H、F或烷氧基,且烷氧基为‑O‑CxFyH2x+1‑y,x是自然数,y是非负整数,n=1、2或3。还公开一种热传递方法,其包括:提供器件;以及使用传热流体实现与器件之间的热传递;传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1=H、F或烷氧基,R2=H、F、Cl或烷氧基,R3、R4=F或烷氧基,R5=H、F或烷氧基,且烷氧基为‑O‑CxFyH2x+1‑y,x是自然数,y是非负整数,n=1、2或3。
Description
技术领域
本申请属于流体热传递技术领域。具体涉及一种热传递装置及方法。
背景技术
目前,用于热传递装置的传热流体有很多种。需要根据应用环境选择适宜的传热流体。例如电力及电子设备中所使用的传热流体要求具有:惰性的化学性质、高的介电强度、小的介电常数、低毒性、友好的环境特性以及宽泛的温度范围内的良好的热传递特性。此外,还要求传热流体在整个使用温度范围内为单相,而且组成保持恒定,即其沸点、粘度等性质保持恒定,从而便于实现温度的精确控制和设备的结构设计。
含氟传热流体具有高介电强度、低毒性、良好的热传递特性、高的沸点。目前,传热流体有全氟烷烃、全氟聚醚、直链的氢氟醚以及全氟胺。
全氟烷烃(PFC)具有高的介电强度,不具有可燃性,与机械构造材料通常表现出良好的相容性。另外,PFC具有低毒性,便于操作。然而,PFC在环境特性方面表现出显著的缺点,其具有上千年的大气寿命和极高的全球变暖潜值(GWP)。
全氟聚醚(PFPE)表现出与PFC相同的有利属性和缺点,此外,全氟聚醚制备过程中经常产生分子量不一致的产物,因此其性能难以保持一致。
直链的氢氟醚(HFE)在某些方面表现出与PFC相当的有利属性,不过其大气寿命大大降低,一般大约为数十年。其中,氢氟聚醚(HFPE)与PFPE类似,组成难以保持一致,进而使其性质发生变化。HFE相较于全氟化合物的环境特性虽然大大改善,但是其大气寿命和GWP值仍然处于较高水平。
全氟胺(PFA)与PFC类似,表现出与PFC相同的有利属性和缺点。
现有的含氟流体具有高介电强度和高电阻率。但是全氟烷烃、全氟胺和全氟聚醚的全球暖化潜值(GWP100)一般大于7000,甚至更高,大气寿命长达数百年,在大气中的停留时间长。因此,全氟烷烃、全氟胺和全氟聚醚都不是理想的传热流体。而氢氟醚的GWP100值一般较低,具有良好的环境特性,但是常见的氢氟醚大多是直链构型,往往沸点较低,不能满足装载传热流体的装置的运作需求。另外,现有的全氟胺主要采用电解氟化的合成工艺来合成得到,该方法存在合成困难、合成效率低的缺陷。
综上所述,目前市场上还没有一种含氟传热流体同时满足高介电强度、低毒性、良好的热传递特性、高沸点、低GWP100值的使用要求。
发明内容
针对现有技术中的传热流体均具有较高的大气寿命和全球变暖潜值的问题,本申请的主要目的在于提供一种具有友好环境特性的含氟醚作为传热流体的热传递装置及热传递方法。
本申请的具体技术方案如下:
一方面,本申请提供一种热传递装置,其特征在于,包括:
器件;和用于实现与所述器件之间热量传递的机构,所述热量传递的机构包括传热流体;
所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1=H、F或烷氧基,R2=H、F、Cl或烷氧基,R3、R4=F或烷氧基,R5=H、F或烷氧基,且烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x是自然数,y是非负整数,n=1、2或3,
优选地,所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和式(II)中任意一种或数种结构化合物,所述式(I)化合物与所述式(II)化合物的物质的量的比为1:0.5~2。
优选地,单个所述烷氧基团包含至多5个氢原子。
进一步优选地,单个所述烷氧基团包含至多3个氢原子。
优选地,所述烷氧基为含氟烷氧基,R2=H、F或含氟烷氧基,所述含氟烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x、y均是自然数。
优选地,R1=R2=R5=含氟烷氧基,R3=R4=F,所述含氟烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x、y均是自然数。
进一步优选地,x=2、3或4,y=3x-3。
优选地,所述器件为大型计算机处理器、计算中心的电子硬件设备、微处理器、电子元件、半导体制造装置中的晶片、半导体器件、电力变压器、电容器、电力开关设备、电路板、焊接装置、动力源传热装置、电化学电池、燃料电池、化学反应器、核反应堆、激光器、导弹元件。
优选地,所述器件通过所述热量传递的机构进行加热。
优选地,所述器件通过所述热量传递的机构进行冷却。
优选地,所述器件通过所述热量传递的机构进行保温。
优选地,所述热量传递的机构为计算中心电子硬件设备的浸没式冷却系统、动力源传热系统、半导体处理装置中的温控工作区、热冲击测试浴贮液器或恒温浴。
另一方面,本申请还提供一种热传递方法,其特征在于,包括:
提供器件;以及
使用传热流体实现与所述器件之间的热传递;
所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1=H、F或烷氧基,R2=H、F、Cl或烷氧基,R3、R4=F或烷氧基,R5=H、F或烷氧基,且烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x是自然数,y是非负整数,n=1、2或3,
优选地,所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和式(II)中任意一种或数种结构化合物,所述式(I)化合物与所述式(II)化合物的物质的量的比为1:0.5~2。
优选地,单个所述烷氧基团包含至多5个氢原子。
优选地,单个所述烷氧基团包含至多3个氢原子。
优选地,所述烷氧基为含氟烷氧基,R2=H、F或含氟烷氧基,所述含氟烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x、y均是自然数。
优选地,R1=R2=R5=含氟烷氧基,R3=R4=F,所述含氟烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x、y均是自然数。
优选地,x=2、3或4,y=3x-3。
申请的效果
本申请提供的热传递装置及方法,其使用的含氟醚传热流体具有高介电强度、低毒性、低的全球暖化潜值(GWP100)、良好的热传递特性、高的沸点,且对目前正在使用的材料和设备的兼容性好,不需要更换材料和设备即可更换流体进行使用。
具体实施方式
下面的具体实施方式更具体地举例说明本申请的示例性实施例。在以下说明中,应当理解,以下具体的实施方式不具有限制性意义,在不脱离本申请范围和精神的情况下,可以预期其它实施例的实施。
除非另外指明,否则在所有情况下,本说明书和权利要求书中用于描述尺寸、数量和物理特性的数字均应理解为用术语“约”来修饰。因此,除非有相反说明,否则本说明书和权利说明书中所描述的数字均为近似值,且根据本领域技术人员利用本申请提出的方法实现所需特性,这些近似值可以发生变化。使用端值表示的数值范围包括该范围内所有数字以及该范围内的任何范围。
本申请提供一种热传递装置,其特征在于,包括:
器件;和用于实现与所述器件之间热量传递的机构,所述热量传递的机构包括传热流体;
所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1选自H、F或烷氧基,R2选自H、F、Cl或烷氧基,R3、R4各自独立或同时为F或烷氧基,R5选自H、F或烷氧基,且烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x是自然数,y是非负整数,n是重复单元数,n可为1、2或3,
本申请中的“烷氧基”是指可为直链或者支链的单价脂肪族烷氧基团;“H”表示氢原子;“C”表示碳原子;“O”表示氧原子;“F”表示氟原子;“Cl”表示氯原子;“R1”表示可变化学基团;“R2”表示可变化学基团;“R3”表示可变化学基团;“R4”表示可变化学基团;“R5”表示可变化学基团。
在一个具体实施方式中,所述传热流体,其包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和式(II)中任意一种或数种结构化合物,所述式(I)与所述式(II)的物质的量的比为1:0.5~2,例如可为1:0.5、1:0.6、1:0.7、1:0.8、1:0.9、1:1、1:1.1、1:1.2、1:1.3、1:1.4、1:1.5、1:1.6、1:1.7、1:1.8、1:1.9、1:2。
在一个具体实施方式中,所述含氟传热流体,其由式(I)中任意一种或数种结构和式(II)中任意一种或数种结构以任意物质的量的比例组成。
在一个具体实施方式中,单个所述烷氧基团包含至多5个氢原子,具体可为0、1、2、3、4、5个氢原子。在一个优选的实施方式中,单个所述烷氧基团包含至多3个氢原子。
在本文中,所提供的器件定义为待冷却、加热或维持在特定温度的元件、工件、组件等。这些器件包括电子元件、电力元件、机械元件和光学元件。本发明中的器件的例子包括但不限于:大型计算机处理器、计算中心的电子硬件设备、微处理器、电子元件、半导体制造装置中的晶片、半导体器件、电力变压器、电容器、电力开关设备、电路板、焊接装置、动力源传热装置、电化学电池、燃料电池、化学反应器、核反应堆、激光器、导弹元件等。
在一个具体实施方式中,所述器件为计算中心的电子硬件设备。计算中心的计算机组耗电量巨大,电子硬件产生的热量需要及时有效排出。本申请的传热流体具有高的介电强度和电阻率,与结构材料良好的相容性(即,不可以以不利方式破坏典型的构造材料),在宽泛的温度范围内为液体,并可实现良好的热量传输,低粘度,便于操作,即具有低毒性和低燃烧性。将本申请的传热流体引入所述浸没式冷却装置,所述传热流体在整个使用温度范围内为液体,且使得电脑硬件在工作状态下保持较适宜的工作温度。
在一个具体实施方式中,所述器件为半导体器件中用于测试半导体芯片功能和性能的设备。在半导体领域,本申请的传热流体可用于排热、散热或保持温度。其热传递过程在宽泛的温度范围内可稳定有效地发生。所述芯片来自半导体加工厂且必须经过功能和电参数测试判断其功能和和性能是否达到设计要求规范。通常,此测试在约–20℃至约150℃进行。
在上述具体实施方式中,在一些情况下,所述芯片通过分选设备逐一传送至测试工位,被测芯片通过测试工位的基座、专用连接线与测试设备连接进行测试,测试工位提供与芯片之间热量传输的条件,在不同温度下测试芯片的性能。在此情况下,本申请的传热流体在整个测试温度保持单相且具有良好的热传递性能。
在一个具体实施方式中,所述器件为刻蚀机。刻蚀机通常可在约50℃至约170℃温度范围内工作。刻蚀是基于特征各向异性通过反应性等离子体将图案刻蚀进半导体材料中。所述半导体材料包括但不限于硅片。通常,待加工的半导体恒定保持在设定温度下,因而需要使用在使用温度范围内具有单相的传热流体。此外,为精确控制温度,使用的传热流体在整个温度范围内的性能(包括组成、沸点等)是可以预期的。
在一个具体实施方式中,所述半导体器件为步进式光刻机,其操作温度可在约30℃至约100℃之间。步进光刻机是半导体制造中用于光刻法的核心装置,在将预制图案精确转递至半导体晶片过程中,可生产制造掩膜。掩膜为产生暴露感光所需的光和阴影的图案。为保障掩膜的良好性能,用于步进式光刻机的膜需要在+/–0.2℃的温度窗口工作。本申请的传热流体在整个温度范围内为单相,且具有可预期的性能,工作温度控制满足所述器件需要。
在一个具体实施方式中,所述器件可为蒸汽相的焊接装置。为实现最高温度的良好控制和保持整个组件的温度均匀性,用于蒸汽相焊接的本申请的传热流体在使用温度范围内(通常包括从约–10℃至约230℃)具有良好的热稳定性,在高温条件下具有良好的热传递性能。
在一个具体实施方式中,所述器件选自汽轮机动力源的传热系统。优选为低电导率(低于100μS/cm)的传热流体。动力源的运转产生热。与动力源连接的传热系统调节所产生的热,以保持动力源系统在适宜的温度下运转。通常情况下,传热流体从动力源吸收或耗散热,因而在宽泛的温度范围内应具有良好的热传递性能。该传热流体流动于金属材料制造的传热系统中,所述金属材料包括(但不限于)铝、镁以及它们的合金,为保护金属部件不受腐蚀,该传热流体应具有低电导率和良好的发泡性能。有利的是,在整个使用温度范围内,本申请的传热流体可有效用于传热系统中,并具有良好的热传递性能。
在一个具体实施方式中,所述热量传递是通过热量传递的机构与器件直接或间接接触实现的。通过热量传递的机构,从器件带走热量或输入热量,或将该器件维持在设定温度。热量从器件流出还是流入由器件和热量传递的机构之间的相对温差决定。
在一个具体实施方式中,热量传递的机构的例子包括但不限于:电子设备的浸没式冷却系统、动力源传热系统、半导体处理装置中的温控工作区、热冲击测试浴贮液器和恒温浴。所述热量传递的机构还可以包括用于循环传热流体的设施,所述用于循环传热流体的设施包括但不限于:泵、阀门、流体容载系统、压力控制系统、冷凝器、热交换器、热源、散热器、制冷系统、主动温度控制系统和被动温度控制系统。
另一方面,本申请还提供一种热传递方法,其特征在于,包括:
提供器件;以及
使用传热流体实现与所述器件之间的热传递;
所述传热流体包含式(I)中任意一种或数种结构化合物和/或式(II)中任意一种或数种结构化合物,R1=H、F或烷氧基,R2=H、F、Cl或烷氧基,R3、R4=F或烷氧基,R5=H、F或烷氧基,且烷氧基为-O-CxFyH2x+1-y,x是自然数,y是非负整数,n=1、2或3,
实施例
传热流体的物化性能(见表1)
表1传热流体的Cp、沸点、GWP100数据
表1给出了得到的各种式(I)和式(II)及其组合物的沸点、20℃下比热容数据(J/g·K)和GWP100值。同时列出了两个对比例,三(全氟正丁基)胺(FC-43)和三(全氟正戊基)胺(FC-70)是目前市场上正在使用的全氟胺类传热流体,两者的沸点、比热容和GWP100值为3M公司报道。
表1结果显示,在20℃温度下,我们提供的传热流体具有和FC-43、FC-70大小相当的比热容,且大多数的比热容比FC-43、FC-70更高。此外,我们提供的传热流体的GWP100值很低,仅仅不到FC-43、FC-70的数十分之一。因此,我们提供的传热流体的具有优良的热传递性能和更好的环保性能。
由表1可以看出,当式(II)是由式(I)加氢得到饱和结构时,此时具有以下特点:(1)式(I)的GWP100比式(II)更低,环保性能比式(II)更好;(2)式(II)的比热容比式(I)的比热容更高。因此,将式(I)和式(II)按照一定比例混配,比如1:0.5、1:1或1:2的混合物,其环保性能比式(II)更好,比热容比式(I)更高。
以上所述,仅是本发明的较佳实施方式而已,并非是对本发明作其它形式的限制,任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型,仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (13)
2.根据权利要求1所述的热传递装置,其特征在于,所述传热流体为式(I)中任意一种或数种结构化合物和式(II)中任意一种或数种结构化合物,所述式(I)化合物与所述式(II)化合物的物质的量的比为1:0.5~2。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件为大型计算机处理器、微处理器、电子元件、半导体器件、电力变压器、电力开关设备、电路板、焊接装置、动力源传热装置、化学反应器、核反应堆、激光器、导弹元件。
5.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件为计算中心的电子硬件设备、半导体制造装置中的晶片、电容器、电化学电池。
6.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件为燃料电池。
7.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件通过所述热量传递的机构进行加热。
8.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件通过所述热量传递的机构进行冷却。
9.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述器件通过所述热量传递的机构进行保温。
10.根据权利要求1~3中任一项所述的热传递装置,其特征在于,所述热量传递的机构为计算中心电子硬件设备的浸没式冷却系统、动力源传热系统、半导体处理装置中的温控工作区、热冲击测试浴贮液器或恒温浴。
12.根据权利要求11所述的热传递方法,其特征在于,所述传热流体为式(I)中任意一种或数种结构化合物和式(II)中任意一种或数种结构化合物,所述式(I)化合物与所述式(II)化合物的物质的量的比为1:0.5~2。
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