TWI264415B - Heat transfer fluids with heteroatom-containing nanocapsules - Google Patents
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1264415 九 '發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種液冷式散熱裝置所需使用的流體,特別關於一 種δ異原子奈米碳球之導熱溶液,作為熱導管(heat pipe)或具微流管 之導熱模組内熱傳導流體之應用。 【先前技#ί】
一知電腦、電子、電器、通訊及機械等產品,在經過一段時間 之運轉過程後,會持續消耗電功率而產生熱能,該熱能對設備本身 的穩定及效能的影響相當大,為了使電子產品之各項電子組件正常 操作必需確保該電子產品係在一預設之溫度範圍内操作,因此熱 散功能乃是在設計各項電子產品時極為重要之課題之一。但是隨著 產品,計不斷的創新改進,使得產品之使用時間更長,相對地也造 ^更多的熱能產生,並且隨著電子產品的尺寸越來越小,而使得熱 =越來越集中(即所熱點),而傳統❹空氣冷卻(散熱片或是 扇)之單純散熱設計,除了具有增加產品的體積及衍生鳴音等 、…、卜,亦無法有效地快速導出或分散熱能。 為解決上述問題,業界提出使用熱⑽叫㈣成水冷式散 ::波置一般來說,係以純水料冷卻液。然而,純水的熱傳 導度不佳’隨著筆記型電腦之運算速度加快及製程微小化的趨 勢’需要藉添加高導熱材於流體中,卩更高導熱效率的流體作 為液々式政熱ι置之導熱流體,提升整體系統散熱效能。 【發明内容】 本發明之目的在於提供一種包含異原子奈米破球之導熱洛 液’以作為散熱裝置之冷卻液。藉由異原子奈米碳球高熱傳導 0424-A21384TWF(N2);P029400l4A01;phoelip 5 ⑧
正 醇 1264415 度(大於1800W/mK)、高表面積及質輕的性質,增加冷卻液的熱 傳導效率,進而提昇散熱裝置的散熱能力。此外,異原子奈米 碳球之直徑小於 lOOnm,且及易於分散於液體中,非常適用於 具有微米流道(管徑約數個至數十個μηι)之散熱裝置中。 為達上述目的,本發明所述之含異原子奈米碳球之導熱溶液, 包含一流體,以及複數之異原子奈米碳球分散於該流體中,其中該 異原子奈米碳球之重量百分比係介於〇·〇ΐ〜l〇wt%,較佳係介於 〜4wt%,以該含異原子奈米碳球之溶液總重為基準。 本案發明所用的異原子奈米碳球(Hetero-Nanocapsules)是一種 換雜異原子的奈米碳材,具有封閉的多層石墨層結構外殼,該石墨 層的紐成以化學式C(D)X來表示,其中,C表示碳原子,具有sp2的 混成執域結構,D可為氮、硼、磷或硫原子,與碳原子形成鍵結,χ 為0.0001至〇_1之數字。此種具有異原子之奈米碳球可為中空形狀, 或在内部含有金屬或金屬化合物。 本發明所述之異原子奈米碳球可添加至習知任何液冷式散熱I 置或熱導管(heat pipe)所使用之導熱流體中,以形成本發明所述之勺 含異原子奈米碳球之溶液。在本發明之較佳實施例中,該導熱#胃 可為水、油或是有機溶液,例如:醇類、醚類、酮類、酸、驗、匕 類、或芳香族溶劑,像是:水、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、曰 丁醇、異丁醇、t-丁醇、t-戊醇、乙二醇、乙二醇單甲基醚、乙— 單乙基醚、丙二醇單乙基醚、苯乙烯、醋酸乙酯、曱笨、二 ’ 甲乙酮、丙酮或其混合。 以下藉由數個實施例及比較實施例並配合所附圖式,以更進 步說明本發明之方法、特徵及優點,但並非用來限制本發明之範圍 本發明之範圍應以所附之申請專利範圍為準。 0424-A21384TWF(N2);P〇2940014A01 ;phoelip 6 1264415 【實施方式】 本發明所述之異原子奈米碳球為一種由封閉的多層石墨層結構 所組的多面體碳簇。奈米碳球外殼的石墨層,中間部份都是六員環, 而在邊角及轉折部份則有五員環組成,每一個唆原子皆為Sp2構迕。 奈米礙球的特殊層石墨結構使其具有高的熱傳導性、導電性、纟士構 強度、穩定性等優點。 该異原子之奈米碳球’其设層為完整封閉的多面體結構,這點 與全碳的奈米碳球相同,但在此異原子奈米碳球之多面體碳镇的外 部石墨殼層中,部分的碳原子為氮、硼、磷、或硫等異原子所取代, 則有別於一般的奈米碳球,如第1圖所示。這使得原來純碳結構的 石墨殼層因氮、硼、磷、或/及硫等異原子的存在,具有多電子或電 洞的特性,而成為一種具異原子特性的奈米碳粒子,請參照第2圖, 係顯示摻雜硼(B)之異原子奈米碳球在室溫下的電子自旋光譜 (ESR),從圖中可知,該摻雜硼之異原子奈米碳球帶有未成對電子 (Lone pair) 〇 奈米碳球石墨層上有少量的碳被氮、硼、磷或/及硫所取代,並 不致改變石墨的六員環或五員環結構,其上每個原子(包括摻雜的異 Φ 原子)仍為sp2混成執域構造,仍具有類石墨的特性與許多未飽和雙 鍵的構造。由於N或B原孑較會傾向sp3的構形,因此,異原子出 現在奈米碳球石墨殼層會導致石墨層間的熱傳導與電子傳遞的能力 較純碳的石墨層高。請參照第3圖’係為異原子奈米碳球的高解析 度電子顯微鏡(HRSEM)照片。 本發明之特徵之一在於,利用異原子奈米碳球石墨層上摻雜了 氮、磷、硼或硫之多電子或缺電子的特性,使其對極性溶液(水相) 有較佳親和力,使其得以分散溶於溶液中。此外,藉由氮、磷、硼 或硫等異原子的反應性,可鍵結(或配位鍵結)氫原子、烷基、烷氧基、 0424-A21384TWF(N2);P02940014A01 iphoelip 7 1264415 鹵素、虱氧基、氨基、金屬原子或有機金屬錯合物,使其帶電荷後 而更增加對溶液的分散性。在異原子上的鍵結與一般官能基化修飾 的不同點在於:異原子鍵結時會變為SP3構形,並不破壞石墨層的 完整;而一般官能基化修飾則會打開雙鍵而破壞石墨層的結構完整 (破壞雙鍵共振),也破壞了石墨面的熱傳導性。例如,以摻雜氮(N) 奈米碳球(Doped-NNanocapsules)為例,當N原子上鍵結氫質子(H+) 後,會將電荷轉移到N原子上,使Doped-N Nanocapsule粒子帶正 電荷(如第4圖所示),而增加異原子奈米碳球與極性流體(例如:水、 醇類等有機溶劑)之間的作用力(溶解度),因此不需要額外使用任何 > 之界面活性劑即具有極佳之分散性。此外,奈米碳球由於其粒徑介 於1〜100nm(多數約30〜40nm)之間,在使用微流道設計之散熱裝置 中具有非常好的流動性能。 在習知技術中’有以奈米碳材例如奈米碳黑或奈米碳管、中空 或内含金屬的純碳奈米碳球等,作為知:幵流體熱傳導效果之添加 劑。然而’純碳石墨結構的導熱與導電具方向性,在平行石墨層的 平面具高導熱(電)性,在垂直石墨層的方向導熱(電)性極差。因此外 層石墨層無法有效傳導熱到碳簇顆粒的内部。此外,影響奈米流體 _ 熱傳導性的因素,除了流體與溶質本身的熱傳導度外,所添加的奈 米粒子在流體中的運動性也有很大的影響;異原子奈米竣球含電子 或電洞、在極性溶液中具有較其它純碳奈米碳球(或碳材)更易分散、 與改質的優點,因此更適合作為奈米導熱流體的添加材。 異原子奈米碳球的外殼為多層石墨結構,内部可為中空的 (hollow),或是填充具磁性之金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬 硫化物、金屬氮化物、金屬化物、或金屬合金於其内部,金屬的 含量可為O.lwt%至8〇wt%。該金屬或其化合物可包含%、v、Cr、
Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、pd、La、Ce、pr、Nd、 0424-A21384TWF(N2);P029400l4A01;Ph〇elip 8 1264415
Ta、Os、Ir、Pt、Th、
Gd、Tb、A卜 Zn、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、 或U專金屬原子或其組合。 為使異原子奈米碳j求更易於均勻的分散在該流體中,本發明進 v藉由化學反應的方式’將特定之分子與異原子奈米碳球石墨層 上之異原子(N、B、p或S原子)鏈結,使得異原子奈米魏鍵結(或 配位鍵結)氫原子、烧基、絲基、錢、氫氧基、氨基、金屬原 子或有機金屬錯合物,使其帶電荷後而更增加對流體(例如:水、醇
類等有機,合劑)之間的分散性,因此本發明不需要使用任何額外之界 面活性劑即具有極佳之分散性。 含異原子奈米碳球之溶液的製備 將lOOmg之摻雜氮(N)異原子奈米碳球(D〇ped_N 與分散溶於l〇Gg之水中,配製成G.lwt%的異原子奈米碳球水溶液。 異原子奈米碳球流體性質鑑定 分別取純水與上述O.lwt%的摻雜氮(N)異原子奈米碳球,並測 量其熱傳導度,測量結果如下表1所示: 表1 純水 0.1 wt%(Doped-N Nanocapsules)水溶 液 熱傳導度 (W/mk) 0.64 — 0.92 由表1可知,添加異原子奈米碳球的水溶液之熱傳導度係為鉦 添加奈米碳球純水的1·4倍,因此以異原子奈米碳球作為添……、 確實可大幅提昇原溶液(例如水)的熱傳導度。 ’ 0424-Α21384TWF(N2);P02940014Α01 ;phoelip 9 1264415 雖然本發明已以較佳實施例揭露如上,然其並非用以限定本發 明,任何熟習此技藝者,在不脫離本發明之精神和範圍内,當可作 各種之更動與潤飾,因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範 圍所界定者為準。
0424-A21384TWF(N2);P02940014A01 ;phoelip 10(D
1264415 【圖式簡單說明】 第1圖係顯示本發明一具體實施例之具有異原子之奈米碳球的 外層結構示意圖。 第2圖係顯示摻雜硼(B)之異原子奈米碳球在室溫下的電子自 旋光譜(ESR)。 第3圖係顯示本發明一具體實施例之摻雜氮(N)之異原子奈米 碳球的高解析度電子顯微鏡(HRSEM)照片。 第4圖係顯示摻雜氮(N)之異原子奈米碳球與帶正電荷的氫離 子反應後,氫原子鍵結於多電子的N上而將電荷轉移到異原子奈米 > 碳球上的N原子位置。 【主要元件符號說明】 無0
11 0424-A21384TWF(N2);P02940014A01;phoelip
Claims (1)
1264415 十、申請專利範圍: 1. 一種含異原子奈米碳球之導熱溶液,包含: 一流體;以及 複數之異原子奈米碳球,分散於該流體中。 2. 如申請專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該異原子奈米碳球之重量百分比係介於0.01〜l〇wt%,以該 含異原子奈米碳球之導熱溶液總重為基準。 3·如申請專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該異原子奈米碳球為一種外殼為封閉石墨層以球中球的結 > 構所組成,具有C(D)x化學組成的多面體型奈米碳簇材料。其中, C表示碳原子,具有sp2的混成軌域結構,D可為氮(N)、或硼(B)、 或磷(P)、或是硫(S)原子,與碳原子形成鍵結,X為0.0001至0.1之 數字。 4.如申請專利範圍第3項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該異原子奈米碳球之封閉石墨殼層上摻雜之異原子(D)可鍵 結(或配位鍵結)氫原子、烷基、烷氧基、鹵素、氫氧基、氨基、金 屬原子或有機金屬錯合物。 | 5.如申請專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該異原子奈米碳球為内部為中空的。 6. 如申請專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該異原子奈米碳球之内部填充有金屬、金屬氧化物、金屬 石炭化物、金屬硫化物、金屬氮化物、金屬硼化物、或金屬合金。 7. 如申請專利範圍第6項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該金屬為 Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、 Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、A1、Zn、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、 Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Au、Th、U、或其組合0 0424-A21384TWF(N2);P02940014A01;phoelip 12
1264415 液,第1項所述之含異原子奈米破球之導熱溶 Q…:、原子奈米碳球之直徑係介於WOO-。 申明專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 攻’/、中H體係包含水、有機溶劑或其混合。 10·如申睛專利範圍第9項所述之含異原子奈米碳球之導熱溶 液,其中該有機溶劑包含醇類。 /、 ^ U·如申請專利範圍第1項所述之含異原子奈米碳球之導熱 /容液其中该流體係為水、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正
丁醇異丁醇、t-丁醇、卜戊醇、乙二醇、乙二醇單甲基醚、乙 二 甲苯、甲乙酮、丙酮、礦物油或其混合 醇單乙基醚、丙二醇單乙基醚、苯乙烯、醋酸乙酯、甲苯、 Ψ ^ , m ^ ^ ___ 、.
0424-A21384TWF(N2);P02940014A01;phoelip 13
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