TWI525186B - 電子裝置冷卻用奈米流體 - Google Patents

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液體冷卻解決方案股份有限公司
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Description

電子裝置冷卻用奈米流體 相關申請案 本案要請求：
2011年1月31日申請之美國專利臨時申請案61/437,741，
2011年3月11日申請之美國專利臨時申請案61/451,761，及2012年1月24日申請之美國專利申請案13/356,938等各案的優先權，該各案的內容併此附送。
發明領域
加強導熱性的流體係藉將高導熱性的奈米材料散佈於一會被使用於許多用途，例如電子裝置之冷卻，的介電基本流體中來被製備。散佈可例如使用物理或化學技術來達成。方法和流體成分會被描述，其由於該等奈米材料散佈於該介電流體中而會展現改良的導熱性。該奈米流體的穩定性係為例如濃度和配方之一函數，但該奈米流體的長期穩定性最後將取決於操作環境。
 背景
現今電子裝置的冷卻由於更快及更小的電子構件之設計進展而逐變成一主要的技術挑戰。因此，不同的冷卻技術正被研發來由該等構件有效地移除熱。液體冷卻劑的使用已變成一種有吸引力的空氣擇代物，因為其材料密度和高傳熱係數可以移除更多的熱。冷卻劑能被以單相和雙相形態來被使用。
液體淹浸技術(LST)是一種用以冷卻電腦譬如桌上和伺服電腦等之最有展望和創新的方法之一。LST利用介電液體作為冷媒來取代空氣。
電子裝置的有效率冷卻能協助延伸其操作壽命。使電子裝置保持在低溫可容許以一較高速度操作(例如CPU的超時鐘運作)，因其可藉與流動的冷卻劑接觸而較容易移除電路中額外產生的熱。且，在由使用LST的大資料中心中之電子設備取出的熱又可被回收供嗣後使用於其它加熱用途，而得減少其操作成本和對環境的負面影響。以該LST技術來回收更多熱的能力亦可藉更增加流體的導熱性而被加強。
一種加強一流體之導熱性的有展望方法係將由較高導熱性物質所製成的奈米材料散佈於該流體中。依據平均場理論(Mean Field Theory)的預測，乃可預期該新混合流體的導熱性會比該單獨的基本流體更高。
不同類型的冷卻劑會被用於設備中和製程中來移除廢熱，而水是最有效率的元素，由於它的高導熱性和熱容。在許多用途中水並不適合，故油會被用來取代。各種不同類型的天然或人造的油會被使用，譬如大豆油、礦物油、聚α烯烴、酯人造油，及人造氟化物油等。這些油在室溫時的導熱率值係為0.1~0.17W/m-K之間，此乃比水的0.61W/m-K更低甚多。
碳奈米管是一種已知的導熱材料。碳奈米管係為一種細長圓筒形狀的大分子，故具有高縱橫比。有兩種主要類型的碳奈米管：單壁奈米管(“SWNT”)和多壁奈米管(“MWNT”)。一單壁奈米管的結構可被描述為如一單獨的石墨烯片捲成一無縫的圓筒，而其兩端係呈開放或者被半富勒烯或更複雜的結構包括五邊形物所套蓋。多壁碳奈米管包含一此等奈米管的陣列，它們係同心地置列如一樹幹的環圈，而在各層之間具有一典型約為0.34nm的距離。
過去十年來的基礎研究已顯示碳奈米管可具有一比銅更高量級的導熱率，即MWNT的3,000W/m-K和SWNT的6,000W/m-K。因此，含有奈米微粒的奈米流體之導熱性被預期會顯著地高於單獨的傳統流體。實驗結果已證明一含有大約1%體積之多壁碳奈米管的碳奈米管懸浮液顯示出最高的導熱性增強-油的導熱率增加150%(Choi等人.,App. Phys. Lett,2001,79(14),2252)。
儘管碳奈米管懸浮液有超凡的熱性質，但並不容易製造一種具有持久穩定性和一致的熱性質之奈米微粒懸浮液。由於石墨結構的疏水性本質，故碳奈米管並非可溶於任何習知的溶劑中。它們亦有非常高的傾向會形成鍵結奈米微粒的集聚和延伸結構物，而導致相態分離，在一基質內不佳地散佈，及不良地黏附於主體。但是，該奈米微粒懸浮液的穩定性對實際的工業用途是很重要的。否則，一奈米流體的熱性質，譬如導熱率，將會不斷地改變，因該等固體微粒會逐漸地與該流體分離。
碳奈米管及其衍生物的優異導熱性已被認知有一段很長的時間，但它們在冷卻電子裝置的用途尚未被廣泛地嚐試，因為碳有高導電性。如此之一原因係碳群可能會與電路交互作用，假使它們的濃度達到一關鍵標度。若該奈米材料的濃度保持適當低於該滲濾臨界值，則此情況能夠避免。此外，應可預期該流體的介電崩潰電壓將會因添該奈米材料而變成較小，故會導致電路崩潰。
 概要說明
一種流體組成或奈米流體會被揭述，其包含一介電基本流體，一化學分散劑，及奈米微粒等散佈在該介電流體中。該化學分散劑係用來促進該奈米微粒散佈程序，且亦用以增加所製造的奈米流體之穩定性。該奈米流體係可與電子裝置相容，並有增強的導熱性可供用於冷卻電子裝置。某些技術會被揭述，其可被用來將不同形式的奈米微粒，包括但不限於碳奈米管等，有效率地散佈於一基本流體中，並製成一穩定的奈米流體其係可與電子迴路和構件相容。
一被使用於此的化學分散劑，散佈劑或類似物係為一種材料，其會促進該等奈米材料在該基本流體中的散佈和穩定性。散佈可藉濕化/疏水性/表面活性劑化學成分來造成，其會改質該奈米材料的表面而使該等奈米材料儘可能長久地懸浮於該基本流體中。
於此所用之奈米材料、奈米微粒和類似詞語等係指在三個空間維度的至少一者中具有一在1～100nm範圍內之微粒尺寸的材料。
於此所用之奈米流體一詞係指含有懸浮奈米材料的流體，較好是介電流體。該等流體可為液體，且該等液體可為單相或雙相的。
在本發明中，增強導熱性的介電流體係將以W/m-K測計的所擇導熱率材料之碳奈米管或其它奈米材料散佈於改變的人造聚α烯烴流體中而來製備。所造成的奈米流體可被用於淹浸式電子裝置和電腦伺服器等之冷卻，或用於其它的冷卻用途。該等奈米材料的散佈遍及該所擇介電流體係藉物理及/或化學處理來達成，以產生一相較於單獨的基本介電流體更增強導熱性的流體組成。
在一例中，一種用於冷卻電子裝置之增加導熱性的流體組成包含一介電的基本流體具有一預定的導熱率，大約0.001至約1重量百分比之一種奈米材料其具有一導熱率大於該介電基本流體的預定導熱率，並具有一500～2000的縱橫比而散佈於該介電基本流體中，及一化學分散劑。
在另一例中，一熱性增強的流體組成包含一介電的基本流體具有一預定的導熱率，及最多大約1重量百分比的奈米材料散佈在該介電基本流體中。該奈米材料具有一由500至2000的縱橫比，且該奈米材料具有一導熱率大於該介電基本流體的預定導熱率。該流體組成亦包含一化學濕化劑。所造成的流體成分具有一電崩潰場，其會使該流體成分可適於與電子構件直接接觸。
在某些用途中，若冷卻劑的主要功能係為潤滑一機器中的移動部件，則添加一小量的石墨固體能加強該潤滑和冷卻的功能。該等石墨材料的尺寸係小得(奈米規格)足以使它們全部時間皆保持懸浮，而得避免機械性能的折損。
圖式簡單說明
第1圖為一圖表乃示出一基本流體、水和不同的奈米流體在不同溫度的熱阻數據。
第2圖為一圖表乃示出該基本流體、水和不同的奈米流體之熱導和導熱率。
第3圖為一圖表乃示出該基本流體及一種所擇的奈米流體之崩潰電壓。
 詳細說明
使用奈米材料來增強介電流體之導熱性的方法會在此被揭述。所造成的奈米流體可被用來冷卻電子裝置，例如在直接冷卻用途中，包括但不限於液體淹浸冷卻或噴灑冷卻；或者間接冷卻用途，包括但不限於將該奈米流體導經一傳熱板，其係與該等電子裝置呈熱交換關係。該奈米流體的特定冷卻用途包括但不限於，冷卻一資料中心，一伺服電腦，一桌上電腦，一電信開關，一雷射，一放大器，或一車輛。該奈米流體亦可被用於許多其它冷卻用途來取代傳統的冷卻流體。
碳奈米管的物理和化學性質取決於它們的製備方法；因此，並沒有可使它們懸浮的通用方法存在。以其表面之間之一強烈的固有凡得瓦爾吸引力來耦接的奈米管之高縱橫比具有一傾向會造成SWNT之六角晶格的串索或非結晶MWNT的集束。借著超音波處理的協助，有些奈米管能被適度地分散於某些溶劑中，例如二甲基甲醯胺和二氯苯，而來製成奈米管懸浮液。當被散佈時，該等奈米管則能被轉移至該基本流體中來製成最後的奈米流體。
為能成功地使用於傳熱用途中，穩定的奈米流體之製備是很重要的。奈米流體的穩定性包含若干參數：1)運動穩定性：散佈於奈米流體中的奈米微粒具有強烈的布朗運動，其可能抵消它們因重力而沈降的趨勢；2)散佈穩定性：由於奈米微粒的集聚作用，該等奈米微粒在流體中的散佈可能會隨著時間而變差；3)化學穩定性：當該等奈米流體在工作情況下，於懸浮的奈米微粒之間或奈米微米與該基本流體之間係最好沒有化學反應。
在一靜止狀態下，小球形微粒在液體中的沈降速度係依循史托克定律(Stock law)：
其中V是微粒的沈降速度；R是球形微粒的半徑；μ是該基本流體介質的黏度：ρp和ρL分別是該等微粒和基本流體的密度，而g是重力。
此公式反應該等作用在懸浮奈米微粒上的重力，浮力，和摩擦力的平衡。依據上述公式，該等奈米流體的穩定性可藉如下來加強：1)減少該等奈米微粒的尺寸R；2)增加該基本流體的黏度μ；及3)使該等奈米微粒與基本流體之間的密度差(ρp-ρL)最小化。
上述公式亦表示該沈降速度是非常敏感於微粒尺寸；V係正比於R平方。當該等奈米微粒的沈降與布朗運動(擴散)之間達到平衡時，該沈降的關鍵尺寸Rc將會“停住”。相反地，在小尺寸時，該等奈米微粒的表面能量會變高，因此會增加集聚的可能性。其挑戰是要使用較小的奈米微粒，並同時改變它們的表面能量以防止集聚。
(製備方法)
有數種用以製造奈米流體的概括性化學和物理方法於此揭述。一種方法包括將人造的氣相奈米微粒直接散佈於該基本流體中。另一種方法包含一奈米微粒的初始合成，然後使用超音波騷動將它們散佈於該基本流體中。
用以製造奈米流體的化學方法包括該奈米材料與添加的化學劑或表面活性劑的化學配製。疏水性奈米管可在散佈於該基本流體之前先被濕化。目的是為提供電排斥力或空間位阻，其會使該懸浮液免於凝聚。又，最後的奈米流體亦可含有一定量的一或多種化學化合物，譬如抗氧化劑，減少摩擦劑，及/或洗潔劑等，其不僅會加強分散，且亦能提供長操作時間的穩定黏度。
一種用以形成該奈米流體的適當介電基本流體可由Tyler,TX.的DSI Fluids公司獲得。
許多不同類型的奈米材料可被使用。奈米材料的例子包括但不限於，碳基的奈米材料或氧化物。奈米材料的特定例子包含但不限於，單或多壁的碳奈米管；石墨；單層(石墨烯)或多層的規則或白色六邊形硼氮化物(hBN)；及奈米鑽石等。
假使是碳奈米管，則該等奈米管的直徑可為大約3～10nm，而其長度範圍可由次微米至數微米。例如，該長度可為2～20微米。其縱橫比(長度/直徑)可為由大約數百至數千。適用的短多壁碳奈米管係可由Waltham,MA的Nano-lab公司或由Fremont,CA的Sun Innovations公司獲得，且能被使用而不必再進一步純化。
假使是石墨，該石墨可係為大厚度，或為數層的六邊形晶格。例如，在一例中，一所用的石墨奈米小板(xGnP)可由大約10層的石墨烯來形成。適用的石墨奈米材料可由Asbury,NJ的Asbury Graphite Mills公司獲得。
另一種能被使用之具有高導熱性的多層奈米材料是六邊形硼氮化物(hBN)，其亦是電絕緣的。適用的hBN可由Ontario,Canada的Lower Friction公司獲得。
假使是碳奈米鑽石，則該等奈米鑽石可為大約3～5奈米的球狀體。該等奈米鑽石的表面性質可被使用不同的化學修正來調變。該等奈米鑽石亦是電絕緣的。適用的奈米鑽石可由Houston,TX.的SkySpring Nanomaterial公司獲得。
(測試)
一散佈於介電流體中的奈米材料之導熱率會被測試。基本流體(較差的熱導體)和水(優異的熱導體)之已知的導熱率會被用作參考基準來決定新的奈米流體之最後導熱率。
以下各項和表1係彙整被測試的散佈材料之某些物理性質：
1.　碳奈米管，多壁式，中空結構；
2.　短MWNT SN-6578943具有0.48g/cm3的體積密度；
3.　人造石墨粉(4827-Asbury Mills)具有3μm的平均微粒尺寸；
4.　石墨奈米小板有5μm厚度；
5.　六邊形硼氮化物有70μm厚度；
6.　奈米鑽石有3～5nm直徑。
(奈米材料在該介電液體中的散佈)
在用以溶解不同類型的材料譬如在汽車和洗潔劑的市場中有多種常見的分散劑化學物。此等化學物亦能被用來協助奈米微粒的散佈。例如，用以溶解汽油引擎中之碳屑的化學物亦能不必或只甚小地改質而來被使用。另一種濕化劑的來源可為使用於油漆中以濕化乾疏水性色料者。一種濕化化學劑和非離子表面活性劑的組合物亦能被使用於不同的碳奈米材料來加強該新介電奈米流體的散佈和穩定性。
該等濕化劑可由緩慢或快速蒸發物質製成，乃視特定的用途而定。若濕化材料被添加於該基本介電流體，則該濕化材料應被容許將會蒸發而沒有改變該基本流體的化學成分。該濕化材料和分散表面活性劑，假使兩者皆被使用，則亦應在該基本流體中高度地可混合。
得自DSI Fluids公司的基本流體之物理性質係被提供於表2中。
(散佈奈米材料的物理技術)
一超音波技術會被用來將該奈米材料物理混合於該基本流體中。該等材料係被使用一泡槽式或一探針尖超音波器來混合。在使用一低功率泡槽音波系統來混合1小時後，一均勻的混合會被獲得。當使用較長的奈米管時此時間可被減少，因高音波能量會損壞其結構整體性，並減低其熱性能。在此情況下一低功率泡槽超音波器係較為妥當。被使用的奈米管係足夠地較小，因此不容易因長時間曝露於低或高功率的音波處理而受損。
(範例)
先前及以下的特定成分、方法和實施例等係意要說明發明概念，而不是要被作為本發明的限制，其乃由申請專利範圍來界定。該等組成、方法和實施例的變化是有可能的。
範例1是長多壁碳奈米管在介電基本流體中。
範例2是短多壁碳奈米管在介電基本流體中。
範例3是石墨奈米微粒在介電基本流體中。
為使該奈米材料懸浮於該介電基本流體中，一Virsonic 600超音波尖端音波器會被使用。我們使61.77mg的MWNT(MWNT nano)懸浮於300ml的基本流體中。在該基本流體中的MWNT nano會被曝露於來自一探針音波器的7w超音波能量20分鐘。該音波處理能量係被以20/10秒持續時間的開/關循環輸入該等樣本中。
為能更加強該等奈米材料的懸浮，數滴(大約2～5ml)的乾乙醇會在音波處理時被加入該基本流體中。該超音波程序會再被重複二次以使該材料更佳地分佈在該基本流體中。該MWNT nano的最終懸浮溶液係約為0.025wt%。
相同的程序會重複用於該短MWNT奈米材料(大約51.65mg的奈米材料會被加入大約300ml的基本流體中，並再添加乙醇，而來製成一大約0.021wt%的濃縮溶液)，及該石墨奈米微粒(大約320mg的石墨會被散佈於大約300ml的基本流體中，並再添加乙醇)。最終的石墨溶液是大約0.13wt%的溶液。
大部份留在該懸浮液中的材料只有很少的沈澱徵兆。有些沈澱的殘餘物係由於未溶解的材料或有5%的碳灰污染物存在所致。所有未溶解的材料皆應在使用該奈米流體於電子裝置之前，例如用一纖維素過濾器來被移除。
當該等奈米流體被留在室溫經久之後，有些該奈米材料的沈降會發生。但是，該等奈米流體製備物係可在架上存放保持穩定2個月以上，而不必任何機械攪拌的協助。
(導熱率的測量)
導熱率係被使用一系統來測量，其會測出沿一充滿一指定流體的試管之長度的熱傳播率。該試管係沿其長度被熱絕緣體包圍，其頂部係曝露於室溫，且其底部會與一熱槽接觸。數據會被使用一瞬時法來收集，其中該流體的溫度，會在當由與一大熱水槽接觸的底側來加熱期間，被記錄歷久時間。每一次該水槽溫度改變時，該系統會被容許在該水槽溫度改變成一較高值之前達到平衡。該等平衡值會被用來計算導熱率。此外，該系統的熱模擬會被進行來作所預期的溫度上升和該系統要達到平衡所用的時間之預測。
沿該試管之Z方向的傳熱通量係為Q/A=-k dT/dz，其中Q/A是熱通量；k是導熱率；A是該試管的截面積，而dT/dz是沿該z座標的熱梯度。
又，Qz=kA/L(Tbath-Tsample)，其中kA/L是熱導(或該熱導的倒數L/kA是熱阻)。
△T=Tbath-Tsample=L/kA*Q
在平衡時，相同高度的樣本，在該流體中點處的溫度係正比於由該熱水槽至該試管內的流體之熱通量。在該流體中點處的溫度量值係相關於由該試管底端至該中點(該熱偶位置)所測得之樣本高度的熱導。雖該溫度上升的速度係正比於該流體的擴散率，但穩定狀態的溫度值係正比於該流體的導熱率。該流體的導熱率愈高，則最終溫度會愈接近該加熱水槽的溫度。
一流體樣本會被放入一試管中，其係被由所有各側面隔絕，唯除底部(與該水槽熱源接觸)和頂部(曝露於室溫)沒有。熱會沿該筒管經由該樣本流入空氣中，而具有一由該水槽至室溫的熱梯度。使用的試管之直徑和長度分別為約0.015m和約0.16m。一0.06m長的樣本會被選用，且一獲自Omega Engineering公司(OMEGA Engineering INC.;Connecticut USA)的長熱偶會被放在該試管底部上方大約3cm處來測量在該流體之一半高度處的TSample。另一熱偶係被放在該絕緣的試管外部，且位在該底側來測量TBath。該整個系統會被降低至一大約1.5升容積的水槽中。該水槽會被以獲自Vernon Hills,Illinois.之Cole-Parmer Instrument Company的1000w Cole-Parmer Polystat Immersion Circulator來加熱。
該熱偶的輸出會被連接至一可得自Austin,Texas,之National Instruments Corporation的NI USB-9211A資料獲取模組系統，且所記錄的資料會被儲存和顯示。
該熱水槽會被加熱，而該樣本的溫度會每500ms被記錄一次。數據會被持續地收集，且該樣本的溫度係被容許與外部加熱水槽達到平衡。熱會從該水槽流至該樣本中，並由該樣本流至室溫中。該樣本的熱導係為熱阻的倒數，而係正比於導熱率。
最初，單獨介電基本流體的導熱率會被測量。具有散佈的長和短MWNT之碳及石墨奈米材料的介電流體之導熱率亦會被測量。此外，一相同高度之水樣本的導熱率亦會被測量，並作為一參考基準。此等測量會在由約25℃至約80℃的不同溫度來進行。該水槽與該樣本的溫度差會在不同的水槽溫度時被描點繪圖，而來計算在不同溫度時的熱阻或熱導。
第1圖示出該等不同流體在不同溫度時的熱阻(Tbath-TSample)數據彙整。第1圖的數據可被彙整如下：
1.　該基本流體的熱阻是所有樣本中最高者。
2.　MWNT的熱阻係比單獨的基本流體更低。
3.　短和長MWNT的熱阻係互相近似。
4.　在較低溫時該石墨樣本的熱阻係稍低於單獨的基本流體。但在高溫時，其熱阻係比該基本流體者更高。
5.　水的熱阻率係比所有的流體更低。
概要而言，該等奈米流體的熱阻係明顯低於單獨的基本流體，表示該等奈米流體會比單獨的基本流體更有效率地傳導熱。然而，其傳熱效率並非如液態水一樣高。該等不同奈米流體樣本的導熱率量值係介於該基本流體和水之間。
既然已知不同奈米流體的導熱率值係介於水和該基本流體之間，則在不同溫度的導熱率值會被算出。水和介電流體在全部溫度的導熱率係已知(見表2)。水在不同溫度的導熱率亦已公知。
為了計算該等奈米流體的導熱率，數條直線會連接水和該等流體樣本在不同溫度的熱導，而該熱導係被繪製於y軸上，且導熱率在x軸上。熱導係正比於導熱率，因此水和介電流體會被用作一基準，並在各溫度的該二值之間繪出一線。在各溫度時，該奈米流體的熱導(該Y值)之投影會被投射在水和該基本流體之間的對應線上，而來計算其在x軸上之對應的導熱率值。此等步驟會在不同溫度被重複以算出該等奈米流體的導熱率。
第2圖示出連接在不同溫度之水和基本流體的熱導及導熱率的直線。
表3包含該熱導，對應的導熱率，及該奈米流體MWNT_nano與基本流體的導熱率比之一彙整概要。同樣地，其它奈米流體的導熱率亦可被使用此方法來計算。
明顯地在該基本流體中有一0.02%w之碳MWNT的懸浮液會增加20至30%的導熱率。該奈米流體的導熱率亦會與該懸浮的奈米材料之濃度相關。
就石墨樣本而言，在高溫時熱阻的增加可被歸因於該等奈米材料的沈降，其會阻止由於石墨之非等向性導熱率所致生的熱流動。
該奈米流體的熱阻會隨著該等散佈材料的濃度而改變。在較高濃度時，其應會朝向水的導熱率增加，而在非常低濃度時應會接近於該基本流體之值。
(範例4-石墨奈米小板在基本流體中)
為將石墨奈米小板散佈於該基本流體中，大約200mg的GNP-M-5會被緩慢地混合於大約20～50ml的基本流體中。該新懸浮液會被使用一探針尖端音波處理系統來音波處理數秒鐘。最後，該樣本會被緩慢地加入大約1升的基本流體，並曝露於再次的音波處理。該音波處理會被以大約20/10秒的開/關循環持續進行總共大約30分鐘。在該音波處理結束時，一非常均勻且穩定的暗懸浮液會被獲得。
在另一實施例中，數毫升(例如每1000ml的基本流體有10ml)之100%的異丙醇會在音波處理之前被直接添加於乾奈米小板中來濕化。該醇的添加會加強其分散，並增加所造成之奈米流體的穩定性。所觀察到之含有石墨奈米小板的奈米流體之導熱率的增強係類似於含有碳奈米管的奈米流體。
(範例5-hBN在基本流體中)
大約120mg之約70nm厚度hBN的會與每1000ml基本流體有大約10ml的異丙醇一起被溶解於一小量(約40～60ml)的基本流體樣本中，並在一玻璃燒杯中緩慢地混合。當該混合均勻時，該樣本會被使用一探針尖端音波處理器來音波處理大約20秒再休息大約10秒，且該音波處理會重複進行。
該樣本的顏色係呈棕色，且非常良好地散佈。該小量樣本會被加入於約1升的基本流體中。所形成的樣本流體會被音波處理大約1小時，而使該樣本曝露於大約20/10秒的開/關循環。
在高濃度時，其熱阻係高於該基本流體，表示有較低的導熱率。在該熱測量結束時，白色沈澱會被看到在該試管的底部。藉著濾出一些沈澱物而減少該樣本的濃度，則其導熱率會改善。
嗣，在一熱循環之後，該樣本會被使用一微纖維素過濾器來過濾，俾由該樣本中移除任何可見的沈澱物。此會使被過濾的樣本之導熱率增加。
(範例6-奈米鑽石)
大約3～4奈米的球形奈米鑽石會被測試，因其有高導熱率和電絕緣性。類似hBN，該等奈米鑽石會與每1000基本流體大約10ml的異丙醇一起被散佈於該基本流體中。但是，假使需要，該等奈米鑽石亦可被散佈於該基本流體中，而沒有使用異丙醇作為一濕化劑。該樣本嗣會被過濾來加強其導熱率。
(碳奈米流體的電崩潰測量)
該奈米流體係被設計成可使用於電子裝置的直接接觸冷卻，譬如LST或噴灑冷卻。因此，該奈米流體的崩潰電壓必需是充分足夠的。
決定該崩潰電壓包括將二電極連接至一10～60kV輸出的高壓電源。該等電極會被放入一容器內，其內已裝滿要被觀察的奈米流體。該二電極會全部被該流體覆蓋以防止在空氣中形成電弧。該二電極的間距在施加外部電壓之前會被測量。在一指定分開距離時，該電壓會被啟動並增加，直到該奈米流體內有第一次放電指示被看到為止。相同的程序會在一較大距離時重複進行，且該新的放電電壓會被記錄。
電場崩潰電壓係被計算為所施加的靜電電壓/電極的分開距離之比(V/d)，並被繪製成該分開距離之一函數。
第3圖示出該基本流體及載有一0.02wt%奈米管懸浮體的基本流體之崩潰電場。很清楚該二樣本的崩潰電壓並沒有顯著的差別。該基本流體的崩潰電場係大約5.5 106v/m，相對於該奈米流體的大約5.0 106v/m，此若考量V或d的測量誤差則無太大差別。在較小距離時的小增升可能由於測量d的變數或其它影響所致。用以製造該奈米流體的濃度係小於1wt%，剛新製備的奈米散佈物的尺寸總是小且均一的。隨著老化，有些微群團會形成，其會影響該奈米流體的電性質。
相信使用最小量的散佈奈米材料是很重要的，其會給予最高的導熱率。對奈米材料而言，會導致電壓崩潰的電滲濾之臨界值，除了該奈米材料的濃度外會取決於許多因素，譬如縱橫比，散佈均一性，和分散物尺寸等。
除了碳MWNT和石墨外，其它奈米材料亦能被用來形成供冷卻電子裝置的奈米流體。氧化物材料譬如Al2O3，CuO，TiO2等係為導熱和電絕緣體，因此可被以很小的調變來輕易地適用於此。
(應用例)
所見到之奈米流體導熱率的實質增加容許該等奈米流體的廣泛工業用途。該等奈米流體之增強的傳熱能力可轉變為LST冷卻式電腦資料中心的高能量效率，較佳性能，和低操作成本。用來冷卻資料中心的能量會耗用美國之總耗電量的大約8%。使用於此所述之具有增強奈米流體的LST將會對減少耗能有一甚大的衝擊。一被用於伺服器中的LST之例係被揭述於No. 7905106美國專利中，其內容併此附送。
被用於運作電腦晶片的電能有98%係耗廢成熱。因此，若有一有效率的奈米流體能供由電腦晶片和其它電子裝置來移除熱，將容許熱可被回收並再使用。被該奈米流體吸收的熱可被使用該技術中已知的技術來回收及再使用。
在本申請案中所揭的實施例於各方面皆應被視為是舉例說明而非限制性的。本發明的範圍係由所附申請專利範圍而非以上說明來表示；且所有會在該申請範圍之意義及等同範圍內的變化皆應被包含於其中。
第1圖為一圖表乃示出一基本流體、水和不同的奈米流體在不同溫度的熱阻數據。
第2圖為一圖表乃示出該基本流體、水和不同的奈米流體之熱導和導熱率。
第3圖為一圖表乃示出該基本流體及一種所擇的奈米流體之崩潰電壓。

Claims (13)

  1. 一種用以冷卻電子裝置之具有增強的導熱率之流體組成，包含：一介電基本流體，其具有一導熱率，該介電基本流體包含聚α烯烴及添加的抗氧化化學物；一大約0.001至大約1重量百分比的非導電性奈米材料，其具有一500~2000的縱橫比而散佈於該介電基本流體中，該非導電性奈米材料具有一導熱率大於該介電基本流體之導熱率，且該非導電性奈米材料包含六邊形的硼氮化物；以及一化學分散劑。
  2. 如申請專利範圍第1項之流體組成，其中該化學分散劑係可溶解於該介電基本流體中。
  3. 如申請專利範圍第1項之流體組成，其中該化學分散劑係為一表面活性劑。
  4. 如申請專利範圍第3項之流體組成，其中該表面活性劑係為一非離子物質。
  5. 一種熱增強的流體組成，包含：一介電基本流體，其具有一導熱率，該介電基本流體包含聚α烯烴及添加的抗氧化化學物；一大約0.001至大約1重量百分比的非導電性奈米材料散佈於該介電基本流體中，該非導電性奈米材料具有一由500至2000的縱橫比，且該非導電性奈米材料具有一導熱率大於該介電基本流體之導熱率，又該非導電性 奈米材料具有經一化學濕化劑改質的表面，且該非導電性奈米材料包含六邊形的硼氮化物；且該流體組成具有一電崩潰場會使該流體組成可適合與電子構件直接接觸。
  6. 如申請專利範圍第5項之熱增強的流體組成，其中該非導電性奈米材料係以一由約0.01至約1重量百分比的量存在。
  7. 如申請專利範圍第5項之熱增強的流體組成，其中該非導電性奈米材料具有一在約3000至約6000W/m-K範圍內的導熱率。
  8. 如申請專利範圍第5項之熱增強的流體組成，其中該介電基本流體具有一約1.2 centistoke的黏度。
  9. 如申請專利範圍第5項之熱增強的流體組成，其中該電崩潰場係為5.5×106v/m或更高。
  10. 一種方法，包含使用申請專利範圍第5項之流體組成來冷卻在一資料中心，一伺服電腦，一桌上電腦，一電信開關，一雷射，一放大器，或一車軸中的電子裝置。
  11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中該流體組成會淹浸該等電子裝置，或該流體組成會被噴灑在該等電子裝置上，或該流體組成會流過一傳熱板其係與該等電子裝置呈熱交換關係。
  12. 一種造成申請專利範圍第5項之熱增強的流體組成之方法，包含：將該非導電性奈米材料引入該介電基本流體中；及 用音波處理將該非導電性奈米材料散佈於該介電基本流體中。
  13. 如申請專利範圍第12項之方法，包含在將該非導電性奈米材料引入該介電基本流體之前先使用該化學濕化劑改質該非導電性奈米材料的表面。
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