CN107841291A - 一种作为冷却工质的相变微乳液及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作为冷却工质的相变微乳液，包括相变材料、表面活性剂、水和无机盐，所述相变材料为一种或多种石蜡形成的混合物，本申请的相变微乳液具有良好的流动性，并且减少了冷却液在吸收热量过程中的温度变化，可以大大提升散热效率，增加***稳定性。所述相变材料满足如下条件 $\frac{C_p\mathrm{\Δ}T+H}{\mathrm{\Δ}T}>4.2,$ ΔT＝T₂‑T₁， $T>T_1+\frac{4.2\·\mathrm{\Δ}T-Hx}{4.2(1-x)+C_{p}x}$ 其中，Cp为所述相变材料的比热，kJ/kg/K，H为所述相变材料的相变焓kJ/kg，T2为冷却液为水时，换热工作完成后冷却液在出口处的最高温度，℃，T1为冷却液为水时，冷却液在进口处的温度，℃，T为所述相变材料的相变温度，℃，X为相变材料占所述相变微乳液的质量分数。

Description

一种作为冷却工质的相变微乳液及其应用

技术领域

本发明涉及一种微乳液，具体涉及一种作为冷却工质的相变微乳液及其应用。

背景技术

水由于其高比热等特性，被广泛用作常规冷却液。水冷***由于其冷却均匀，效果好，噪音小等优点，在各行业得到了广泛应用和大量关注。但在换热过程中，热量完全以显热的方式进行传输，因此单位质量的水所能吸收的热量完全取决于其比热容和温差。在冷却***规模不变的情况下，随着发热元件功率的增加，使得冷却水的出口温度不断上升，进而使得发热元件的温度逐渐提高，不能满足冷却需求，而如果以提高冷却水用量为前提来满足发热元件的降温需求，则需要对目前大多数现有冷却设备的结构进行改进，无形中增加了企业的负担，且造成了不必要的浪费。因此，如何在一定的结构条件下，在不增加冷却***规模以及相关能耗的基础上，提高冷却***的冷却能力变的尤为重要。

中国专利文献CN103146349A公开了一种正十八烷相变微乳液，其包括水、5％～40％的正十八烷、2％～20％的表面活性剂、0～20％的脂肪醇类和0～3％的无机盐类。上述正十八烷相变微乳液可应用于微电子***热管理中，并作为热管理体系中微通道的高效散热冷却工质使用。其原理使用相变材料将热量以潜热的形式储存起来，从而提高其有效热容，在一定的工作温度范围内有效的提升其储热密度，这样可以在不改变冷却液使用量的情况下增加其所能携带的热量，从而提升***的冷却能力。然而上述专利文献仅仅给出了一种微电子***中使用的散热冷却工质，并且在实际工作中，发热元件的种类及散热需求不同，因此上述散热冷却工质不具有普适性。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中作为散热冷却工质使用的相变微乳液普适性差的缺陷，从而提供一种适用于所有发热元件换热的相变微乳液，从而扩大散冷却工质的可选种类和选择范围。

为此,本申请采取的技术方案为，

一种作为冷却工质的相变微乳液，包括相变材料、表面活性剂、水和无机盐，以所述相变微乳液的总质量计，表面活性剂为0-5％，无机盐为0-5％，相变材料为0.05-50％，所述相变材料为一种或多种石蜡形成的混合物。

上述的相变微乳液，所述相变材料满足如下条件

ΔT＝T₂-T₁，

其中，

C_p为所述相变材料的比热，kJ/kg/K，

H为所述相变材料的相变焓kJ/kg，

T₂为冷却液为水时，换热工作完成后冷却液在出口处的最高温度，℃，

T₁为冷却液为水时，冷却液在进口处的温度，℃，

T为所述相变材料的相变温度，℃，

χ为相变材料占所述相变微乳液的质量分数。

上述的相变微乳液，所述相变微乳液的总质量计，所述相变材料为1-10％。

上述的相变微乳液，所述相变材料的相变温度为20℃-90℃，其碳原子数18-48个。

上述的相变微乳液，表面活性剂选自***胶、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钙烷基多苷、西土马哥、十八醇十六醇混合物、鲸蜡醇、Cocamide DEA、Cocamide MEA、烷基聚葡萄糖苷、单硬脂酸甘油酯、IGEPAL CA-630、Isoceteth-20、月桂基葡糖苷、麦芽糖苷、甘油一月桂酸酯、窄分布乙氧基化物、Nonidet P-40、壬苯醇醚-9、壬苯醇醚、NP40、八乙二醇单十二醚、辛基多苷、油醇、PEG-10Sunflower甘油酯、五甘醇单十二烷基醚、聚乙二醇单十二醚、泊咯沙姆、泊咯沙姆407、聚甘油蓖麻醇酯、聚山梨醇酯、聚山梨醇酯20、聚山梨醇酯80、山梨聚糖、山梨醇酐单硬脂酸酯、去水山梨糖醇三硬脂酸酯、十八烷醇、聚乙二醇辛基苯基醚、Tween80中的一种或几种。

上述的相变微乳液，无机盐选自NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、AlCl₃中的一种或几种。

上述任一相变微乳液的应用。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的相变微乳液，包括相变材料、表面活性剂、水和无机盐，以所述相变微乳液的总质量计，表面活性剂为0-5％，无机盐为0-5％，相变材料为0.05-50％，所述相变材料为一种或多种石蜡形成的混合物。其具有良好的流动性，并且减少了冷却液在吸收热量过程中的温度变化，可以大大提升散热效率，增加***稳定性。

2、本发明提供的相变微乳液，其相变材料需同时满足以下条件，

ΔT＝T₂-T₁，

其中，C_p为所述相变材料的比热，kJ/kg/K，H为所述相变材料的相变焓kJ/kg，T₂为冷却液为水时，换热工作完成后冷却液在出口处的最高温度℃，T1为冷却液为水时，冷却液在进口处的温度℃，T为所述相变材料的相变温度℃，χ为相变材料占所述相变微乳液的质量分数。满足上述条件的相变材料形成的相变微乳液，满足发热元件高负荷工作时的散热需求，同时选择种类多，可选范围广。依据实际情况选择适宜的相变材料合成相变微乳液。在对发热元件进行冷却的过程中，相变材料的温度几乎不发生变化，从而保证了冷却效果不随管道位置发生变化，使发热元件在冷却液入口端和出口端附近温度保持基本一致。相变材料在散热器内能够依据发热元件表面温度分布，以不同速率进行相变以吸收热量，从而实现稳定均一的温度控制。因此由其形成的散热元件在运行中不容易产生高温热点，从而保证其正常工作。

3、本申请的相变微乳液中，所述相变材料为一种或多种石蜡形成的混合物。本申请的石蜡基相变微乳液形成的相变材料在实际运行中，在流速不变的情况下，将依据发热元件的工作温度自发改变换热能力。从而在保障***稳定运行的基础上实现冷却过程的智能化，自动化，简化了***的控制。在对发热元件进行冷却时，将发热元件释放的热量以潜热的方式储存。其储热密度很大，在体积相同的情况下，能够得到比使用去离子水更佳的冷却效果。所述相变微乳液中的石蜡材料无毒，对环境无害。其电阻率为10¹⁵-10¹⁹Ωcm，大于纯水的电阻率，因此不会导致冷却液电阻率下降。对相变微乳液进行外部冷却时，相变材料中的热量以潜热的方式释放。放热过程中的相变微乳液温度变化很小，从而提升了外冷却换热器对其的冷却效果，使其中的热量更有效率的被释放到空气中。

4、本申请的相变微乳液中，还包括提高相变微乳液悬浮性能的无机盐和/或表面活性剂，并且由于无机盐和/或表面活性剂的添加量较小，在考虑相变微乳液的换热性能时予以忽略。

具体实施方式

实施例1

采用水对发热元件进行冷却时，冷却液在散热器进口端的温度为30℃，出口端的温度为50℃。采用相变微乳液作为冷却液替代冷却水，以所述相变微乳液的总质量计，该相变微乳液包括相变材料和水，0.1％***胶作为表面活性剂以及1％的NaCl。所述相变材料的比热为C_p(kJ/kg/K)，所述相变材料的相变焓为H(kJ/kg)，所述相变材料的相变温度为T(℃)，相变材料占所述相变微乳液的质量分数为χ。由于***胶和NaCl的含量较小，且对相变微乳液的换热性能影响很小，所以在计算中忽略表面活性剂和无机盐对换热的影响。

冷却液温度升高ΔT℃(ΔT＝45-30＝15)，冷却水水所吸收的热量为：

Q₂＝4.2·ΔT

同样温度变化下去相变微乳液吸收的热量为

Q₁＝4.2·ΔT·(1-x)+C_p·ΔT·x+H·x

由于相变材料在发生相变时，部分能量会以潜热的形式吸收，所以同样温度变化下Q₁>Q₂

得出

进一步的，假设单位质量的相变微乳液与冷却水吸收等量的热量，

则去离子水温度变化为ΔT，其中ΔT＝T₂-T₁＝45-30＝15

相变微乳液温度变化为ΔT_液，

因此

4.2·ΔT_液·(1-x)+C_p·ΔT_液·x+H·x＝4.2·ΔT_水

即

ΔT_液(4.2(1-x)+C_px)+Hx-4.2·ΔT_水＝0

则

由于相变材料在发生相变时，部分能量会以潜热的形式吸收，所以吸收同样的热量时ΔT_液＜ΔT_水，且石蜡的相变温度T＞T₁+ΔT_液，

得，

在现有的材料中选则其物理参数C_p、H和T满足上述关系的石蜡，得出相变温度为36.6℃的正二十烷作为相变微乳液中的相变材料。依据对换热能力的加强需求确定相变材料在相变微乳液中质量分数为0.05％。相变材料的热物理性质如表1所示。

表1相变材料参数

当***释放热量增加时，相变材料温度升高至超过36.6℃，相变材料以潜热吸收发热元件中的热量。当使用去离子水的散热器的入口端和出口端温度分别为30℃及50℃时。

单位质量的去离子水所能吸收的热量为：

Q＝4.2×20

Q＝84kJ/kg

使用相变微乳液进行冷却，当单位质量的相变微乳液吸收的热量与去离子水相等时，其表达式为：(其中T_out为相变微乳液出口温度，T_m为相变材料相变温度)

84＝4.2×0.9995×(T_out–30)+1.93×0.0005×6.6+2.33×0.0005×(T_out–T_m)+248×0.0005

因为T_m＝36.6℃

因此T_out＝49.98℃

可见散热器出口温度比使用去离子水有所下降。

使用相变微乳液进行冷却，当进出口温度不变时，所吸收的热量为：

Q＝4.2×0.9995×20+1.93×0.005×6.6+2.33×0.0005×13.4+248×0.0005

Q＝84.10kJ/kg

由此可知，在保持换热能力不变的情况下，使用相变微乳液时散热器表面温度比使用去离子水时下降了0.02度；在保持散热器进出口温度不变的情况下下，使用相变微乳液作为冷却液比纯水吸收的热量提高了0.12％。

进一步的，当相变微乳液中的正二十烷质量分数为1％时，

当单位质量的相变微乳液吸收的热量与去离子水相等时，其表达式为：(其中T_out为相变微乳液出口温度，Tm为相变材料相变温度)

84＝4.2×0.99×(T_out–30)+1.93×0.01×6.6+2.33×0.01×(T_out-T_m)+248×0.01

因为T_m＝36.6℃

因此T_out＝49.50℃

可见散热器出口温度比使用去离子水时下降0.5℃。

使用相变微乳液进行冷却，当进出口温度分别为30及50℃时，所吸收的热量为：

Q＝4.2×0.99×20+1.93×0.01×6.6+2.33×0.01×13.4+248×0.01

Q＝86.08kJ/kg

由此可知，在保持换热能力不变的情况下，使用相变微乳液时冷却液出口温度比使用去离子水时下降了0.5度；在保持散热器进出口温度与使用纯水情况相同时，使用相变微乳液作为冷却液比纯水吸收的热量提高了2.4％。

进一步的，当相变微乳液中的正二十烷质量分数提高到5％，

当单位质量的相变微乳液吸收的热量与去离子水相等时，其表达式为：(其中T_out为相变微乳液出口温度，Tm为相变材料相变温度)

84＝4.2×0.95×(T_out–30)+1.93×0.05×6.6+2.33×0.05×(T_out-T_m)+248×0.05

因为T_m＝36.6℃

因此T_out＝47.47℃

可见散热器出口温度比使用去离子水时下降2.53℃。

使用相变微乳液进行冷却，当进出口温度分别为30及50℃时，所吸收的热量为：

Q＝4.2×0.95×20+1.93×0.05×6.6+2.33×0.05×13.4+248×0.05

Q＝94.40kJ/kg

由此可知，在保持换热能力不变的情况下，使用相变微乳液时冷却液出口温度比使用去离子水时下降了2.53度；在保持散热器进出口温度与使用纯水情况相同时，使用相变微乳液作为冷却液比纯水吸收的热量提高了12.38％。

进一步，将相变微乳液中的正二十烷质量分数提高到10％，

当单位质量的相变微乳液吸收的热量与去离子水相等时，其表达式为：(其中T_out为相变微乳液出口温度，Tm为相变材料相变温度)

84＝4.2×0.90×(T_out–20)+1.93×0.10×6.6+2.33×0.10×(T_out-T_m)+248×0.10

因为T_m＝36.6℃

因此T_out＝44.82℃

可见散热器出口温度比使用去离子水时下降5.18℃。

使用相变微乳液进行冷却，当进出口温度分别为30及50℃时，所吸收的热量为：

Q＝4.2×0.90×15+1.93×0.1×6.6+2.33×0.1×13.4+248×0.1

Q＝104.80kJ/kg

由此可知，在保持换热能力不变的情况下，使用相变微乳液时冷却液出口温度比使用去离子水时下降了5.42度；在保持散热器进出口温度与使用纯水情况相同时，使用相变微乳液作为冷却液比纯水吸收的热量提高了24.76％。

实施例2

采用水对发热元件进行冷却时，冷却液在散热器进口端的温度为30℃，出口端的温度为70℃。可以选择由德国Ter Hell Paraffin Hamburg公司提供的石蜡6106(其成分为碳原子在16个和28个之间的混合物)。该相变材料在相变微乳液中质量分数为50％。其相关参数如表3所示。0.1％***胶作为表面活性剂以及1％的NaCl。由于***胶和无机盐的含量较小，且对相变微乳液的换热性能影响很小，所以在计算中忽略表面活性剂和无机盐对换热的影响。

表3相变材料参数1

当***释放热量增加时，相变材料温度升高至超过42℃，相变材料以潜热吸收发热元件中的热量。当使用去离子水的散热器的入口端和出口端温度分别为30℃及70℃时。

单位质量的去离子水所能吸收的热量为：

Q＝4.2×40

Q＝168kJ/kg

使用相变微乳液进行冷却，当单位质量的相变微乳液吸收的热量与去离子水相等时，其表达式为：(其中T_out为相变微乳液出口温度，T_m为相变材料相变温度)

168＝4.2×0.5×(T_out–30)+1.8×0.5×12+2.1×0.5×(T_out–T_m)+189×0.5

因为T_m＝42℃

因此T_out＝53.90℃

可见散热器出口温度比使用去离子水有明显下降。

使用相变微乳液进行冷却，当进出口温度不变时，所吸收的热量为：

Q＝4.2×0.5×40+12×1.8×0.5+2.1×0.5×11.9+189×0.5

Q＝218.70kJ/kg

由此可知，在保持换热能力不变的情况下，使用50％的相变微乳液时散热器表面温度比使用去离子水时下降了16.1度；在保持散热器进出口温度不变的情况下下，使用相变微乳液作为冷却液比纯水吸收的热量提高了30.18％。

实施例3

本实施例与实施例1处理对象相同，其区别在于，该相变微乳液包括相变材料和水，以所述相变微乳液的总质量计，还包括0.5％的表面活性剂十二烷基硫酸钠和1％的无机盐KCl，由于十二烷基硫酸钠和无机盐的含量较小，且对相变微乳液的换热性能影响很小，所以在计算中忽略表面活性剂和无机盐对换热的影响，计算方法同实施例1。

实施例4

本实施例的相变微乳液与实施例1和2中的相变微乳液基本相同，其区别仅在于不添加表面活性剂和无机盐。

实施例5

本实施例与实施例1处理对象相同，其区别在于，该相变微乳液包括相变材料和水，以所述相变微乳液的总质量计，还包括5％的表面活性剂十二烷基硫酸钠和5％的无机盐KCl，由于十二烷基硫酸钠和无机盐的含量较小，且对相变微乳液的换热性能影响很小，所以在计算中忽略表面活性剂和无机盐对换热的影响，计算方法同实施例1。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种作为冷却工质的相变微乳液，包括相变材料、表面活性剂、水和无机盐，其特征在于，以所述相变微乳液的总质量计，表面活性剂为0-5％，无机盐为0-5％，相变材料为0.05-50％，所述相变材料为一种或多种石蜡形成的混合物。

2.根据权利要求1所述的相变微乳液，其特征在于，所述相变材料满足如下条件

<mrow> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>+</mo> <mi>H</mi> </mrow> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> </mrow> </mfrac> <mo>&gt;</mo> <mn>4.2</mn> <mo>,</mo> </mrow>

ΔT水＝T₂-T₁，

<mrow> <mi>T</mi> <mo>&gt;</mo> <msub> <mi>T</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>4.2</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>T</mi> <mo>-</mo> <mi>H</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mrow> <mn>4.2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>x</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>C</mi> <mi>p</mi> </msub> <mi>x</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，

Cp为所述相变材料的比热，kJ/kg/K，

H为所述相变材料的相变焓kJ/kg，

T2为冷却液为水时，换热工作完成后冷却液在出口处的温度，℃，

T1为冷却液为水时，冷却液在进口处的温度，℃，

T为所述相变材料的相变温度，℃，

X为相变材料占所述相变微乳液的质量分数。

3.根据权利要求1或2所述的相变微乳液，其特征在于，以所述相变微乳液的总质量计，所述相变材料为1-10％。

4.根据权利要求1-3任一所述的相变微乳液，其特征在于，所述相变材料的相变温度为18℃-90℃，其碳原子数16-48个。

5.根据权利要求4所述的相变微乳液，其特征在于，表面活性剂选自***胶、十二烷基硫酸钠、十二烷基苯磺酸钙烷基多苷、西土马哥、十八醇十六醇混合物、鲸蜡醇、CocamideDEA、Cocamide MEA、烷基聚葡萄糖苷、单硬脂酸甘油酯、IGEPAL CA-630、Isoceteth-20、月桂基葡糖苷、麦芽糖苷、甘油一月桂酸酯、窄分布乙氧基化物、Nonidet P-40、壬苯醇醚-9、壬苯醇醚、NP40、八乙二醇单十二醚、辛基多苷、油醇、PEG-10Sunflower甘油酯、五甘醇单十二烷基醚、聚乙二醇单十二醚、泊咯沙姆、泊咯沙姆407、聚甘油蓖麻醇酯、聚山梨醇酯、聚山梨醇酯20、聚山梨醇酯80、山梨聚糖、山梨醇酐单硬脂酸酯、去水山梨糖醇三硬脂酸酯、十八烷醇、聚乙二醇辛基苯基醚、Tween 80中的一种或几种。

6.根据权利要求5所述的相变微乳液，其特征在于，无机盐选自NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂、AlCl₃中的一种或几种。

7.权利要求1-6中任一所述相变微乳液的应用。