專利名稱：具有增強(qiáng)的傳熱效率的流體組合物的制作方法
背景本發(fā)明一般地涉及冷卻劑添加劑，更加具體地涉及在冷卻劑中添加納米顆粒以增強(qiáng)傳熱效率。汽車?yán)鋮s系統(tǒng)通常設(shè)計(jì)有小型散熱器，其作用是作為一類換熱器。散熱器被設(shè)計(jì)為將來(lái)自流經(jīng)散熱器的熱冷卻劑的熱量轉(zhuǎn)移到被風(fēng)扇吹送而經(jīng)過(guò)散熱器的空氣。一般而言，從流體轉(zhuǎn)移到散熱器管的熱量的數(shù)量取決于管和接觸所述管的流體之間的溫度差。因此，如果正與管接觸的流體快速冷卻下來(lái)，那么轉(zhuǎn)移的熱量將會(huì)變少。雖然更小的散熱器有助于汽車設(shè)計(jì)的改進(jìn)(例如車輛前端的降低)，但是如果使用小散熱器并且其中的流體快速冷卻，那么部分由于散熱器管更小的尺寸，可以轉(zhuǎn)移的熱量甚至?xí)?。傳熱系統(tǒng)的傳熱能力的最大化對(duì)于使用該系統(tǒng)的車輛的整體性能來(lái)說(shuō)可能是重要的。傳熱流體的熱容可能影響流體的轉(zhuǎn)移效率，而流體的轉(zhuǎn)移效率反過(guò)來(lái)可能有助于車輛動(dòng)力系的溫度控制。
概述本發(fā)明通過(guò)提供包括冷卻劑和分散于該冷卻劑中的很多納米顆粒的流體組合物解決了上述缺點(diǎn)。所述很多納米顆粒包括玻璃、二氧化硅、浮石、適合與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)的金屬化合物和/或它們的混合物。所述很多納米顆粒顯著增加了冷卻劑的熱容，從而增強(qiáng)了流體組合物的傳熱效率。
實(shí)施方案詳述出人意料并且幸運(yùn)的，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)了向冷卻劑中加入各種納米顆?？梢杂欣卦黾永鋮s劑的熱容。本發(fā)明的實(shí)施方案涉及流體組合物和制備所述流體組合物的方法。在一個(gè)實(shí)施方案中，流體組合物包括冷卻劑和分散于整個(gè)冷卻劑中的很多納米顆粒。不擬囿于任何理論，據(jù)信很多納米顆粒的加入增加了冷卻劑的熱容，其反過(guò)來(lái)增強(qiáng)了流體的傳熱效率和使用該流體組合物的系統(tǒng)的效率。任何合適的冷卻劑都可以考慮用于本發(fā)明實(shí)施方案的流體組合物中。例如，一些合適的冷卻劑包括其中具有有機(jī)酸腐蝕抑制劑的那些(也稱為“長(zhǎng)壽命”冷卻劑/防凍劑)、其中具有硅酸鹽腐蝕抑制劑的冷卻劑(也稱為“常規(guī)”冷卻劑/防凍劑)以及基于硅酸鹽和有機(jī)酸腐蝕抑制劑的組合的冷卻劑(也稱為“雜化”防凍劑/冷卻劑)。所有冷卻劑的主要組分都是液體醇凝固點(diǎn)降低劑。合適的液體醇凝固點(diǎn)降低劑包括能夠用作傳熱流體的任何醇或者傳熱介質(zhì)。醇的非限定性例子包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、四氫糠基、乙氧基化糠基、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙甘醇、丁二醇、甘油、甘油單乙醚、甘油二甲醚、山梨糖醇、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇和/或它們的混合物。在非限制性的實(shí)施方案中，醇是二醇。所述二醇可以是下述至少之一乙二醇、二甘醇、丙二醇、甘油和/或它們的混合物。加入到冷卻劑中的腐蝕抑制劑的類型可以不同。常規(guī)冷卻劑可以基于硅酸鹽作為主腐蝕抑制劑。長(zhǎng)壽命冷卻劑可以包括有機(jī)酸作為主腐蝕抑制劑。雜化冷卻劑可以基于來(lái)自常規(guī)和/或長(zhǎng)壽命防凍劑/冷卻劑的組分的組合。此類有機(jī)酸的非限定性例子包括但不限于脂肪族和/或芳香族一元和/或二元羧酸，例如2-乙基己酸、苯甲酸、叔丁基苯甲酸、癸二酸、壬酸、十二烷酸、新癸酸和它們的混合物?？缮藤?gòu)的防凍劑/冷卻劑通常包括乙二醇、水和可以為使用它的特定換熱體系提供腐蝕保護(hù)和/或其它益處的另外的化學(xué)組分。此外，在用于制造商業(yè)防凍劑/冷卻劑的乙二醇等級(jí)中可以存在高達(dá)約10％或更高的二甘醇。預(yù)期各種各樣的組合物都可以與乙二醇基防凍劑/冷卻劑聯(lián)合使用用作內(nèi)燃機(jī)冷卻系統(tǒng)的換熱流體。代表性的可商購(gòu)乙二醇基防凍劑/冷卻劑是包含硅氧烷/硅酸鹽添加劑和/或各種羧酸作為腐蝕抑制劑的那些。其它任選的添加劑通常以基于防凍劑/冷卻劑的重量低于約50wt％的較少數(shù)量用于商業(yè)防凍劑/冷卻劑中。這些添加劑的例子包括但不限于與油和/或疏水劑混合的鋁或其它金屬腐蝕抑制劑，例如鉬酸鹽，一元和/或二元脂肪酸，例如癸二酸鹽，碳酸鹽，硅酸鹽，堿金屬硝酸鹽，堿金屬亞硝酸鹽，二異丙基胺亞硝酸鹽，二環(huán)已基胺硝酸鹽，甲苯基三唑，巰基苯并噻唑，苯并三唑，鋅化合物，鈣化合物，磷酸鹽，苯甲酸鹽等等，和/或它們的混合物。可以存在于商業(yè)防凍劑/冷卻劑中的其它任選的添加劑包括但不限于潤(rùn)濕劑和表面活性劑，例如離子和/或非離子表面活性劑，如脂肪醇的聚(氧化烯)加合物；消泡劑和/或潤(rùn)滑劑，例如聚硅氧烷和聚氧化烯二醇；防磨損劑，例如二硫代磷酸鋅和硫代氨基甲酸鋅；潤(rùn)滑劑，例如硅氧烷泵潤(rùn)滑劑；和適合用于不會(huì)不利地影響需要由防凍劑/冷卻劑的最終用途實(shí)現(xiàn)的防凍劑/冷卻劑特性的防凍劑/冷卻劑的其它成分。制造流體組合物一個(gè)具體方案的方法包括將很多納米顆?；旌系嚼鋮s劑中。不擬囿于任何理論，據(jù)信所述納米顆?？梢员人鼈兯〈w積的液體(例如冷卻劑)容納更多的熱量。所述納米顆?？梢砸曰揪鶆蚧蚧静痪鶆虻姆绞椒稚⒃诶鋮s劑中。此外，按照要求和/或需要，可以將任何合適數(shù)量的納米顆粒加入到冷卻劑中。在一個(gè)實(shí)施方案中，納米顆粒存在的數(shù)量是約0.1％-約3％。認(rèn)為該相對(duì)小的納米顆粒濃度有利地使納米顆粒保持懸浮在溶液中同時(shí)顯著增加冷卻劑的傳熱效率。在一個(gè)非限制性的例子中，約1％的浮石，對(duì)于加入浮石的冷卻劑的傳熱性能來(lái)說(shuō)，大約與水含量增加10％相當(dāng)。認(rèn)為納米顆粒是以納米尺度測(cè)量的固體顆粒，其可以具有任何合適的尺寸和/或形狀。據(jù)信，更大的顆粒在某些情況下可能隨時(shí)間沉淀出來(lái)和/或積聚在冷卻系統(tǒng)的低點(diǎn)。在一個(gè)實(shí)施方案中，每種納米顆粒具有最大約4000納米的平均直徑。在一個(gè)非限制性的實(shí)施方案中，納米顆粒具有約1nm-約2000nm的平均尺寸。在另外的實(shí)施方案中，納米顆粒具有約5nm-約1500nm的平均尺寸。此外，在優(yōu)選的實(shí)施方案中，納米顆粒具有約10nm-約1000nm的尺寸。納米顆粒尺寸可以受很多因素影響，包括但不限于可用性、分散和沉降特性、成本和/或性能有效性。納米顆粒的形狀可以具有相同的幾何形狀、類似的幾何形狀或幾何形狀的混合。這些形狀的一些非限制性例子包括但不限于球形、柱形、立方形、錐形和/或不規(guī)則形狀。在一個(gè)實(shí)施方案中，納米顆粒是粉末形式的。納米顆粒可以選自下述的至少之一玻璃、二氧化硅、浮石、可以發(fā)生反應(yīng)原位形成不溶性金屬化合物(例如氯化物)顆粒的金屬混合物和/或它們的混合物。在一個(gè)實(shí)施方案中，流體組合物在含氯化物的冷卻劑中包含金屬化合物(單獨(dú)地或者和其它納米顆粒一起)，所述金屬化合物通常具有作為氯化物清除劑的趨勢(shì)。金屬化合物與冷卻劑中的游離氯化物反應(yīng)原位形成不溶性金屬氯化物顆粒。應(yīng)該理解的是，這些不溶性金屬氯化物顆粒有利地可以(除了其它加入的納米顆粒以外，如果存在的話)顯著改進(jìn)冷卻劑的傳熱能力。在一個(gè)實(shí)施方案中，金屬化合物與冷卻劑的比例為約0.001-1.0。在原位形成不溶性金屬化合物(例如氯化物)的非限制性例子中，金屬化合物是銀化合物，包括但不限于硝酸銀等等。銀作為清除劑，并且冷卻劑中的游離氯化物(其存在產(chǎn)生對(duì)于鋁的點(diǎn)腐蝕危險(xiǎn))與銀發(fā)生相互作用原位形成不溶性的氯化銀。應(yīng)該理解的是，可以向流體組合物中加入多種其它組分。這些添加劑的例子包括但不限于腐蝕抑制劑(在上文已討論)、分散/鈍化劑和/或穩(wěn)定劑。此類分散/鈍化和/或穩(wěn)定添加劑的一種是具有親水特性并具有顆粒成鍵特性的物質(zhì)(例如溶膠凝膠化合物，其在一端形成Si-顆粒鍵，而在另一端是親水的)以協(xié)助保持納米顆粒處于懸浮狀態(tài)。合適的穩(wěn)定添加劑的另一個(gè)例子是膠束形成化合物(例如皂)，其將納米顆粒圈閉在內(nèi)部，從而基本防止納米顆粒與其它顆粒形成聚集體。高水性增稠和穩(wěn)定化合物的一些非限制性例子還包括當(dāng)中和到高于7的pH時(shí)堿可溶的丙烯酸類聚合物，特別是改性的交聯(lián)聚丙烯酸聚合物，水溶性聚合物，和/或它們的混合物。這些添加劑的具體非限制性例子可以以下述商品名商購(gòu)ACUSOL 820，得自ROHMand HAAS，Philadelphia，PA；CARBOPOL ETD-2623聚合物，得自BF Goodrich，Charlotte，NC；和不同分子量的CELLOSIZE羥乙基纖維素(QP-15000H、QP-30000H和/或QP-52000H)，得自DOW，Midland，MI。應(yīng)該理解的是，腐蝕抑制劑可以選自任何合適的有助于防止一種或多種金屬腐蝕并且與常規(guī)和長(zhǎng)壽命冷卻劑都相容的腐蝕抑制劑或腐蝕抑制劑混合物。合適的常規(guī)和長(zhǎng)壽命冷卻劑配方腐蝕抑制劑的一些非限制性例子包括堿金屬硝酸鹽、磷酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、亞硝酸鹽、有機(jī)酸(其非限制性的例子包括2-乙基己酸、苯甲酸、叔丁基苯甲酸、癸二酸、壬酸、十二烷酸、新癸酸和/或它們的混合物)、吡咯和/或改性吡咯和/或它們的混合物。此外，一種或多種這些腐蝕抑制劑可以以對(duì)于待保護(hù)的金屬(例如銅、鋼、黃銅、鋁和鋁合金、鑄鐵、焊料和焊料合金等等)表面足以提供可測(cè)量數(shù)量的腐蝕抑制的數(shù)量存在。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，其它任選的添加劑可以存在于流體組合物中。這些任選的添加劑包括但不限于潤(rùn)濕劑和表面活性劑，例如離子和/或非離子表面活性劑，如脂肪醇的聚(氧化烯)加合物；消泡劑和/或潤(rùn)滑劑，例如聚硅氧烷和聚氧化烯二醇；磨損抑制劑，例如二硫代磷酸鋅和硫代氨基甲酸鋅；潤(rùn)滑劑，例如硅氧烷泵潤(rùn)滑劑；和不會(huì)不利地影響需要由流體組合物實(shí)施方案的最終用途實(shí)現(xiàn)的特性的其它合適成分。取決于期望的和/或需要的最終組合物的特性，可以以期望的和/或需要的數(shù)量加入添加劑。在一個(gè)實(shí)施方案中，添加劑物質(zhì)的數(shù)量少于約1％。為了進(jìn)一步舉例說(shuō)明本發(fā)明公開(kāi)的流體組合物，參考如下實(shí)施例。這些實(shí)施例用于舉例說(shuō)明目的，并不擬限制本發(fā)明實(shí)施方案的范圍。
實(shí)施例為了制備上文描述的流體組合物的實(shí)施方案，將99ml包含50％經(jīng)抑制的乙二醇和50％水混合物的防凍劑/冷卻劑溶液放入量筒中。將納米顆粒，一個(gè)例子是浮石粉末，加入到量筒中直至溶液達(dá)到100ml。為進(jìn)行對(duì)比，制備沒(méi)有納米顆粒的另一流體組合物。共制備了10個(gè)不同的冷卻組合物(實(shí)施例1-10)。這些組合物的組分描述于下面的表1a/1b中。實(shí)施例1-3用作對(duì)照組合物。
表1a
表1b 制備以后，對(duì)組合物的傳熱能力進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析，其中傳熱能力通過(guò)計(jì)算臨界冷卻效率系數(shù)(，％)確定。結(jié)果示于下表2中。
表2
傳熱能力測(cè)定試驗(yàn)本文描述了一種用于評(píng)價(jià)傳熱能力效率的新方法。該方法是一種快速、可再現(xiàn)且低花費(fèi)的用于評(píng)價(jià)不同傳熱防凍劑/冷卻劑傳熱能力的方法。概括而言，該傳熱能力方法包括確定臨界冷卻效率系數(shù)(CCE，％)。在傳熱能力測(cè)定試驗(yàn)中，通常具有大于約0％的值的臨界冷卻效率系數(shù)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的有效測(cè)試組合物的最低通過(guò)值。應(yīng)該理解的是，CCE越高，流體組合物具有的傳熱能力越好。應(yīng)該進(jìn)一步理解的是，CCE應(yīng)該足夠高使得流體組合物的傳熱能力得到增加(高于不包括根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的新納米顆粒添加劑的冷卻劑組合物)，并且CCE應(yīng)該足夠低使得基本不存在對(duì)其它冷卻劑性能(例如通過(guò)換熱器中小通道的能力、降低/增加沸點(diǎn)、在熱排出表面上積聚等等)的不利影響。在一個(gè)實(shí)施方案中，CCE為約0％-約15％。在另一個(gè)實(shí)施方案中，CCE為約2％-約11％。
臨界冷卻效率系數(shù)(CCE，％)的計(jì)算為了確定含有以及不含有納米顆粒的不同冷卻劑配方的效率，建立每個(gè)配方的CCE(％)。防凍劑/冷卻劑溶液(如前面所述制備，含有納米顆粒和不含納米顆粒)用水稀釋到約40％-約60％的濃度。樣品制備以后，使用改進(jìn)的ASTM D 1177測(cè)試?yán)鋮s斜率“m初始”(沒(méi)有納米顆粒的冷卻劑斜率)和“m最終”(含有納米顆粒的冷卻劑斜率)。使用下式計(jì)算臨界冷卻效率系數(shù)(CCE，％)[(m初始-m最終)/m初始]*100％。雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案，但對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)所公開(kāi)的實(shí)施方案都可以進(jìn)行改動(dòng)。因此，前面的描述被認(rèn)為是示例性的而不是限制性的。
權(quán)利要求
1.一種流體組合物，包括冷卻劑；和分散在整個(gè)冷卻劑中的很多納米顆粒，所述很多納米顆粒包括下述至少之一適于反應(yīng)以原位形成不溶性金屬化合物顆粒的金屬化合物、玻璃、二氧化硅、浮石和它們的混合物；其中所述很多納米顆粒增加冷卻劑的熱容并增強(qiáng)流體組合物的傳熱效率。
2.權(quán)利要求1的流體組合物，其中所述很多納米顆粒的每一種都具有約1nm-約4000nm的平均直徑。
3.權(quán)利要求1的流體組合物，進(jìn)一步包括分散于組合物中的添加劑。
4.權(quán)利要求3的流體組合物，其中所述添加劑包括至少下述之一腐蝕抑制劑、分散劑、鈍化劑、穩(wěn)定劑和它們的混合物。
5.權(quán)利要求1的流體組合物，其中所述金屬化合物包括適于與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)以形成不溶性氯化銀的銀化合物。
6.權(quán)利要求5的流體組合物，其中所述銀化合物是硝酸銀。
7.權(quán)利要求1的流體組合物，其中所述很多納米顆粒基本均勻地分散于整個(gè)冷卻劑中。
8.權(quán)利要求1的流體組合物，其中所述很多納米顆粒適于比冷卻劑容納更多的熱量。
9.權(quán)利要求1的流體組合物，其中所述很多納米顆粒以約0.1％-約3％的數(shù)量存在于流體組合物中。
10.權(quán)利要求1的流體組合物，其中冷卻劑是常規(guī)冷卻劑和長(zhǎng)壽命冷卻劑至少之一，并且其中冷卻劑包括至少下述之一甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、四氫糠基、乙氧基化糠基、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙甘醇、丁二醇、甘油、甘油單乙醚、甘油二甲醚、山梨糖醇、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇和它們的混合物。
11.一種流體組合物，包括在其中含有氯化物的冷卻劑；分散在整個(gè)冷卻劑中并且適于增強(qiáng)流體組合物的傳熱的很多納米顆粒，所述很多納米顆粒包括下述至少之一玻璃、二氧化硅、浮石和它們的混合物；和適于與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)以原位形成不溶性金屬氯化物顆粒的很多金屬化合物。
12.權(quán)利要求11的流體組合物，其中所述很多金屬化合物包括銀化合物。
13.權(quán)利要求12的流體組合物，其中所述銀化合物包括硝酸銀。
14.權(quán)利要求11的流體組合物，其中所述很多納米顆粒具有約1nm-約2000nm的平均直徑。
15.權(quán)利要求11的流體組合物，其中金屬化合物與冷卻劑的比率是約0.001-1.0。
16.權(quán)利要求11的流體組合物，進(jìn)一步包括適于穩(wěn)定所述很多納米顆粒和所述不溶性金屬氯化物顆粒的添加劑。
17.權(quán)利要求11的流體組合物，其中冷卻劑是常規(guī)冷卻劑和長(zhǎng)壽命冷卻劑至少之一，并且其中冷卻劑包括至少下述之一甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、四氫糠基、乙氧基化糠基、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙甘醇、丁二醇、甘油、甘油單乙醚、甘油二甲醚、山梨糖醇、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇和它們的混合物。
18.一種制造可傳熱的流體的方法，包括如下步驟將很多納米顆粒與包括氯化物的冷卻劑混合，所述很多納米顆粒包括下述至少之一玻璃、二氧化硅、浮石、適合與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)以原位形成不溶性金屬氯化物顆粒的金屬化合物和它們的混合物；其中所述很多納米顆粒適于增加冷卻劑的熱容并增強(qiáng)流體的傳熱效率。
19.權(quán)利要求18的方法，其中所述很多納米顆粒包括適于與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)以形成不溶性氯化銀的銀化合物。
20.權(quán)利要求18的方法，進(jìn)一步包括在流體中加入能夠穩(wěn)定所述很多納米顆粒的添加劑的步驟。
21.權(quán)利要求18的方法，其中冷卻劑是常規(guī)冷卻劑和長(zhǎng)壽命冷卻劑至少之一，并且其中冷卻劑包括至少下述之一甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、糠醛、四氫糠基、乙氧基化糠基、乙二醇、二甘醇、三甘醇、1，2-丙二醇、1，3-丙二醇、二丙甘醇、丁二醇、甘油、甘油單乙醚、甘油二甲醚、山梨糖醇、1，2，6-己三醇、三羥甲基丙烷、甲氧基乙醇和它們的混合物。
22.一種確定流體冷卻劑組合物的有效傳熱能力的方法，所述方法包括以下步驟確定流體冷卻劑組合物的臨界冷卻效率百分比值；和確定所述臨界冷卻效率百分比值是否大于0％，從而確定所述流體冷卻劑組合物是否具有有效的傳熱能力；其中所述臨界冷卻效率百分比足夠高以表明流體冷卻劑組合物的傳熱能力得到增加，并且所述臨界冷卻效率百分比足夠低以基本防止對(duì)所述流體冷卻劑組合物其它性能的不利影響。
23.權(quán)利要求22的方法，其中所述流體冷卻劑組合物包括冷卻劑；和分散在整個(gè)冷卻劑中的很多納米顆粒，所述很多納米顆粒包括下述至少之一適于反應(yīng)以原位形成不溶性金屬化合物顆粒的金屬化合物、玻璃、二氧化硅、浮石和它們的混合物；其中所述很多納米顆粒增加冷卻劑的熱容并增強(qiáng)流體冷卻劑組合物的傳熱效率。
24.權(quán)利要求23的方法，其中所述很多納米顆粒的每一種都具有約1nm-約4000nm的平均直徑。
25.權(quán)利要求23的方法，其中所述金屬化合物包括適于與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)以形成不溶性氯化銀的銀化合物。
全文摘要
一種流體組合物，包括冷卻劑和分散在冷卻劑中的很多納米顆粒。所述很多納米顆粒包括玻璃、二氧化硅、浮石、適于與冷卻劑中的氯化物反應(yīng)的金屬化合物和/或它們的混合物。所述很多納米顆粒顯著增加冷卻劑的熱容并增強(qiáng)流體組合物的傳熱效率。
文檔編號(hào)G01N25/00GK1965050SQ200580018487
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2005年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月8日
發(fā)明者C·S·杰夫科亞特, A·V·格爾申, F·J·馬林霍 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司