專利名稱：含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于高功率密度散熱器的冷卻流動工質(zhì)，尤其是由相變微膠囊和
液態(tài)金屬組成的冷卻流動工質(zhì)。
背景技術(shù)：
伴隨著芯片產(chǎn)業(yè)高性能、微型化、集成化的高速發(fā)展，芯片散熱問題已經(jīng)成為影 響當(dāng)今芯片工業(yè)發(fā)展的一個瓶頸。目前，傳統(tǒng)的冷卻方法如空氣冷卻(張千山，專利電 腦CPU散熱器，申請?zhí)?1130819. 2)、水冷(朱玉如，專利CPU芯片水冷散熱器，專利 號99253842. 4)和半導(dǎo)體制冷片法等卻已無法滿足高熱流芯片的熱控要求。采用相變 換熱(李穆炯等，專利用于冷卻計算機(jī)內(nèi)裝置的系統(tǒng)，申請?zhí)?9804075. 4)、熱管散熱、 微通道散熱、制冷芯片、合成微噴及振動制冷器、熱電離子冷卻、熱聲冷卻、氣體節(jié)流制
冷、低熔點(diǎn)液體金屬芯片散熱(劉靜，周一欣，專利一種芯片散熱用散熱裝置，專利號
02257291. 0)、納米金屬流體(馬坤全，劉靜，專利具有高傳熱性能的納米金屬流體，專利 號200510114621.3)等新技術(shù)也逐漸提到日程上來，相應(yīng)產(chǎn)品也零星出現(xiàn)在市場上。
隨著芯片集成度的飛速增長，所要求的換熱強(qiáng)度也越來越高，亟待有更高換熱性 能的材料和技術(shù)出現(xiàn)。除需要具備很強(qiáng)的散熱能力之外，芯片的工作特點(diǎn)決定了其冷卻系 統(tǒng)還需滿足可靠性、性價比、集成三個方面的要求。也正因為如此，本發(fā)明提供一種含相變 微膠囊的液態(tài)金屬流體作為冷卻介質(zhì)強(qiáng)化芯片散熱。由于相變材料在其融化/凝固相變過 程中吸收/釋放潛熱，在相變材料的相變溫度區(qū)內(nèi)含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體具有很大 的表觀比熱；同時，由于微膠囊顆粒與流體和管道壁面的相互作用，含相變微膠囊的液態(tài)金 屬流體兼有類似于納米流體的顯著強(qiáng)化傳熱功能(黃勇，宣益民，李強(qiáng)，車劍飛，磁性相變 微膠囊的制備與表征，科學(xué)通報，2008，53(20) :2526-2530)。因此，含相變微膠囊的液態(tài)金 屬流體是一種集儲熱與強(qiáng)化傳熱功能于一身的新型輸能介質(zhì)，可望成為芯片或其他高功率 器件散熱的良好冷卻介質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種冷卻流動工質(zhì)，不僅起到顯著強(qiáng)化傳熱功 能，提供優(yōu)越于目前冷卻流動工質(zhì)換熱性能更好的冷卻流動工質(zhì)，適宜于高功率密度散熱 器，而且易于采取一些常規(guī)手段如電磁泵、蠕動泵、靜電驅(qū)動、電潤濕等方法對其進(jìn)行驅(qū)動。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，以相變微 膠囊為溶質(zhì)，液態(tài)金屬為溶劑。它充分利用液態(tài)金屬的優(yōu)點(diǎn)，并利用相變微膠囊在其融化/ 凝固相變過程中吸收/釋放潛熱和相變微膠囊與流體和管道壁面的相互作用，增強(qiáng)相變微 膠囊的液態(tài)金屬流體的換熱能力。 所述相變微膠囊是通過原位聚合等方法把相變材料包埋在外殼里制成的直徑為 lnm lmm的球形微膠囊，優(yōu)選10 300nm。 所述液態(tài)金屬為汞、鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金；或者是其他中溫或低溫下的低熔點(diǎn)金屬，包括鉛、鉍、錫或鉻；或者是上述金屬中的至少兩種形成的合金，或者上述金屬與其 他金屬形成的合金。 所述相變材料具有很高的相變熱，可以選擇固液或液氣的水合無機(jī)鹽、高級脂肪 醇、高級脂肪酸、烴類物質(zhì)、聚醚、脂肪族聚脂和聚脂醚等，單位重量(克)的相變熱在數(shù)十 到一萬余焦耳之間。 所述外殼具有較高的熱導(dǎo)率，可為無機(jī)或有機(jī)高分子等材料，優(yōu)選熱導(dǎo)率高的金 屬材料；所述的無機(jī)材料中無機(jī)鹽外殼可選硅酸鈣和金屬等材料，高分子材料可以使用脲 醛樹脂、蜜氨樹脂、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲酯和芳香族聚酰胺等。
所述相變微膠囊與液態(tài)金屬的容積比為i : (o. oi ioo)。 所述液態(tài)金屬可為滎、鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金單一體，也可為這些金屬或/和
合金組成的二元、三元或者多元混合物。 所述相變材料可為一種單一的相變材料，也可為兩種或兩種以上相變材料的組合體。 所述外殼可為一種單一無機(jī)或有機(jī)高分子等材料，也可為兩種或兩種以上無機(jī)或
/和有機(jī)高分子等材料的組合體，以提高外殼的密閉性或熱濕穩(wěn)定性。 本發(fā)明在傳統(tǒng)納米流體、液態(tài)金屬和含納米顆粒的金屬流體的基礎(chǔ)上，提供一種 概念新穎的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體作為冷卻介質(zhì)，可根據(jù)實(shí)際工作范圍選擇合適 相變溫度的相變材料，也可以選擇多個相變溫度的相變材料組合實(shí)現(xiàn)多溫度區(qū)域的傳熱強(qiáng) 化。相變微膠囊的外殼選擇傳熱性能高的材料，也可為兩種材料的組合。也不僅限于無機(jī) 或有機(jī)高分子等材料，碳納米管等非金屬材料也可替代無機(jī)和有機(jī)高分子等材料以獲得高 效的傳熱性能。 由于液態(tài)金屬自身的密度和張力特性，相變微膠囊在其中不易發(fā)生沉積和聚集，
相變微膠囊和液態(tài)金屬的比例可以變化很大范圍，優(yōu)選i : (o.oi ioo)。還可對相變微
膠囊外殼進(jìn)行改性(例如施加電荷)，提高液態(tài)金屬中相變微膠囊的穩(wěn)定性。 本發(fā)明提供一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體具有高表觀比熱，大表面張力，高
表觀比熱容，強(qiáng)毛細(xì)作用，熔點(diǎn)低，沸點(diǎn)高，小體積膨脹等特點(diǎn)，適宜于高功率密度散熱器的 優(yōu)良冷卻介質(zhì)，且因其有很強(qiáng)的導(dǎo)電性宜通過一些常規(guī)手段如電磁泵、蠕動泵、靜電驅(qū)動、 電潤濕等方法對其進(jìn)行驅(qū)動。


圖1是本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1所示相變微膠囊的示意圖。
其中1、相變微膠囊；2、液態(tài)金屬；3、相變材料；4、外殼。
具體實(shí)施例方式
以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。 圖1是本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是圖1所 示相變微膠囊的示意圖。由圖可知，本發(fā)明的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，包括作為溶質(zhì) 的相變微膠囊1和作為溶劑的液態(tài)金屬2。所述相變微膠囊1是通過原位聚合等方法把相
4變材料3包埋在外殼4里制成的直徑為lnm 1mm的球形相變微膠囊，優(yōu)選10 300nm。
實(shí)施例1 所述的作為溶劑的液態(tài)金屬2為滎(熔點(diǎn)-38. 72°C )、鎵(熔點(diǎn)29. 8°C )、鎵銦合 金(如62.5wt^Ga，21.5wt^ In，16wt% Sn，熔點(diǎn)10. 7°C );或者是其他中溫或低溫下的低 熔點(diǎn)金屬，包括鉛(熔點(diǎn)327.5tO、鉍(熔點(diǎn)271.4tO、錫(熔點(diǎn)232. (TC )或鉻(熔點(diǎn) 321. rc );或者是上述金屬中的至少兩種形成的合金，或者上述金屬與其他金屬形成的合 金?？筛鶕?jù)實(shí)際需要選擇液態(tài)合金中組合物的配比，使合金熔點(diǎn)低于工作溫度。
所述相變材料3具有很高的相變熱，可以選擇固液或液氣的水合無機(jī)鹽、高級脂 肪醇、高級脂肪酸、烴類物質(zhì)、聚醚、脂肪族聚脂和聚脂醚等，單位重量(克)的相變熱在數(shù) 十到一萬余焦耳之間。所述外殼4具有較高的熱導(dǎo)率，可為無機(jī)或有機(jī)高分子等材料，優(yōu)選 熱導(dǎo)率高的金屬材料；所述的無機(jī)材料中無機(jī)鹽外殼可選硅酸鈣或金屬等材料，高分子材 料可以使用脲醛樹脂、蜜氨樹脂、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲酯或芳香族聚酰胺等。由于液態(tài) 金屬2自身的密度和張力特性，相變微膠囊1在其中不易發(fā)生沉積和聚集，相變微膠囊1和 液態(tài)金屬2的比例可以變化很大范圍，優(yōu)選1 : (0. 01 100)。還可對相變微膠囊外殼4 進(jìn)行改性(例如施加電荷)，提高液態(tài)金屬2中相變微膠囊1的穩(wěn)定性。
實(shí)施例2 本發(fā)明的相變材料3為兩種或兩種以上上述相變材料的組合體，形成多相變溫度 的相變微膠囊1，多不同溫度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)化換熱。而外殼4和液態(tài)金屬2均與實(shí)施例1相 同。 實(shí)施例3 本發(fā)明的外殼4為兩種或兩種以上實(shí)施例1所述無機(jī)或有機(jī)高分子等材料的組合 體，以提高外殼的密閉性或熱濕穩(wěn)定性。而相變材料3和液態(tài)金屬2均與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例4 本發(fā)明的外殼4不為單一的實(shí)施例1所述無機(jī)或有機(jī)高分子等材料，也不為它們 的組合物，選擇碳納米管等非金屬材料也可替代無機(jī)或有機(jī)高分子等材料以獲得高效的傳 熱性能。而相變材料3和液態(tài)金屬2均與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例5 本發(fā)明的相變材料3為兩種或兩種以上實(shí)施例1所述相變材料的組合體，形成多 相變溫度的相變微膠囊1 ，外殼4為兩種或兩種以上實(shí)施例1所述無機(jī)或有機(jī)高分子等材料 的組合體，而液態(tài)金屬2與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例6 本發(fā)明的相變材料3為兩種或兩種以上實(shí)施例1所述相變材料的組合體，形成多 相變溫度的相變微膠囊1 ，外殼4為碳納米管等非金屬材料，而液態(tài)金屬2與實(shí)施例1相同。
實(shí)施例7 本發(fā)明的相變材料3為兩種或兩種以上實(shí)施例1所述相變材料的組合體，形成多 相變溫度的相變微膠囊1 ，外殼4為實(shí)施例1所述無機(jī)或有機(jī)高分子及實(shí)施例4所述碳納米 管等非金屬材料中兩種或兩種以上物質(zhì)的組合體，而液態(tài)金屬2與實(shí)施例1相同。
本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，先采用原位聚合等方法把相變材料 3包埋在外殼4里制成直徑為lnm lmm的球形相變微膠囊1，然后通過加熱等方式使液態(tài)金屬2融化，在流體狀態(tài)下加入相變微膠囊l，并攪拌均勻。制作過程中記錄不同溫度下單 位體積液態(tài)金屬2內(nèi)加入的相變微膠囊1數(shù)量，及使該液態(tài)金屬2不能在流動的臨界數(shù)量， 以確定確保該含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體擁有良好流動性的最大加入量。根據(jù)實(shí)際使用 中工作狀況，選擇上述實(shí)施例中合適的制作方法、成分和成分比，通過測定該含相變微膠囊 的液態(tài)金屬流體的表觀比熱容、表觀導(dǎo)熱系數(shù)、密度、表面張力、相變微膠囊1熔點(diǎn)和沸點(diǎn) 等參數(shù)評估所選擇制作方法、成分和成分比的優(yōu)越性。使用中，結(jié)合適宜的散熱器通過電 磁泵、蠕動泵、靜電驅(qū)動、電潤濕和毛細(xì)作用等方法驅(qū)動本發(fā)明含相變微膠囊的液態(tài)金屬流 體，完成對高功率密度區(qū)域的散熱。 首先，由于相變材料在其融化/凝固相變過程中吸收/釋放潛熱，在相變材料的 相變溫度區(qū)內(nèi)本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體具有很大的表觀比熱；其次，由 于微膠囊顆粒與流體和管道壁面的相互作用，使得含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體兼有類似 于納米流體的顯著強(qiáng)化傳熱功能；再者，由于液態(tài)金屬自身的密度和張力特性，相變微膠囊 在其中不易發(fā)生沉積和聚集。因此，本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體具有良好 的熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等方面的性能，大大加強(qiáng)了現(xiàn)有液態(tài)金屬的熱學(xué)性能，是適合各種高熱 流密度散熱場合的冷卻介質(zhì)，在計算機(jī)芯片、衛(wèi)星、火箭推進(jìn)器及激光器領(lǐng)域都有廣泛的用 途。
權(quán)利要求
一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于，以相變微膠囊(1)為溶質(zhì)，液態(tài)金屬(2)為溶劑。所述相變微膠囊(1)是通過原位聚合方法把相變材料(3)包埋在外殼(4)里制成的直徑為1nm～1mm的球形相變微膠囊；
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述相變材 料(3)為固液或液氣的水合無機(jī)鹽、高級脂肪醇、高級脂肪酸、烴類物質(zhì)、聚醚、脂肪族聚脂 或聚脂醚，每克所述相變材料(3)的相變熱在1到10000焦耳之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述外殼 (4)為無機(jī)材料或有機(jī)高分子材料。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述無機(jī)材 料為硅酸鈣或金屬材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述高分子 材料為脲醛樹脂、蜜氨樹脂、聚氨脂、聚甲基丙烯酸甲酯或芳香族聚酰胺。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述相變微 膠囊(1)與液態(tài)金屬(2)的容積比為1 : (0. 01 100)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述液態(tài)金 屬(2)為汞、鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金單一體，或上述金屬或/和合金組成的二元、三元或 者多元混合物。
8. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述相變材 料(3)為一種單一的相變材料，或兩種或兩種以上相變材料的組合體。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體，其特征在于所述外殼 (4)為一種單一無機(jī)或有機(jī)高分子材料，或兩種或兩種以上無機(jī)或/和有機(jī)高分子材料的 組合體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體。該含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體以相變微膠囊(1)為溶質(zhì)，液態(tài)金屬(2)為溶劑，其中相變微膠囊(1)是通過原位聚合等方法把相變材料(3)包埋在外殼(4)里制成的直徑為1nm～1mm的球形相變微膠囊，液態(tài)金屬(2)為汞、鎵、鎵銦合金或鎵銦錫合金。本發(fā)明提供的含相變微膠囊的液態(tài)金屬流體在相變材料的相變溫度區(qū)具有很大的表觀比，且相變微膠囊(1)不易發(fā)生沉積和聚集，具有良好的熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)等方面的性能，大大加強(qiáng)了現(xiàn)有液態(tài)金屬的熱學(xué)性能，是適合各種高熱流密度散熱場合的冷卻介質(zhì)，在計算機(jī)芯片、衛(wèi)星、火箭推進(jìn)器及激光器領(lǐng)域都有廣泛的用途。
文檔編號C09K5/06GK101775270SQ20101012304
公開日2010年7月14日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者呂永鋼, 楊力 申請人:重慶大學(xué)