专利名称：具有高铝或镍表面面积水平的部件的水基冷却的制作方法
具有高铝或镍表面面积水平的部件的水基冷却
背景技术：
铝是一种适合在多种航天部件中使用的金属。铝具有低密度同时拥有高强度重量t匕。铝还具有耐久性和延展性，后一种性质使其能够用在多种成形部件中。由于这些性质，铝及其合金对于航天部件至关重要。镍由于其天然的抗腐蚀性、热传导性和镀层能力，也是适合用于航天部件的金属。铝和镍尤其是适合航天冷却系统部件的金属。这些部件包括冷却板、换热器、冷却剂传输管线及冷却系统中的其他部件。水基冷却剂由于其高的热性能、低粘度及通常的低成本适合用在航天冷却系统中。不过，当与具有高铝表面面积的部件结合时，水基冷却剂表现出显著的材料适应性问题。即，当前可商购的水基冷却剂腐蚀铝的湿表面。这些问题特别集中于流限制部件，铝腐蚀产物会在所述部件处限制或阻塞冷却剂流。虽然一些可商购的水基冷却剂表现得比别的更好，但它们并不是设计与表面区域含有高比例铝的部件相适应的。当前的冷却剂是设计用于非航天应用，诸如汽车散热器，并不含有在许多航天冷却系统部件中使用的高含量的铝。所以，当前冷却剂对高铝表面面积的应用没有提供足够的抗腐蚀性。另外，非航天部件典型地含有其他金属，诸如铜或碳钢。选择用于与含铜或碳钢的部件一起使用的冷却剂通常含有特别适于那些金属的另外的防腐蚀剂。不幸的是，这些另外的防腐蚀剂会在航天应用中造成污染并加速铝腐蚀。 上面所描述的问题也影响到含镍的部件。因此，有必要为含有高量铝和镍表面面积的航天部件提供充分抗腐蚀的水基冷却剂。
发明内容
一种冷却系统包括铝或镍表面以及水基冷却剂。所述水基冷却剂具有在8和9之间的pH值并包括约35%重量到65%重量的丙二醇、约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约
0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。一种冷却含有铝或镍的部件表面的方法包括将水基冷却剂输送到所述部件表面并使用所述水基冷却剂冷却所述部件表面。所输送的水基冷却剂具有在8和9之间的pH值并包括约35%重量到约65%重量的丙二醇、约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.5%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.5%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。一种水基冷却剂包括约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。所述水基冷却剂以约4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
图1是使用冷却系统的换热器的示意图。图2是冷却系统图。
具体实施例方式本发明提供一种冷却系统，一种冷却铝或镍表面的方法以及一种水基冷却剂，所有这些使得能够水基冷却具有高铝或镍表面面积的部件。所述系统及方法中使用的水基冷却剂一般包括丙二醇、2-乙基己酸、癸二酸、苯甲酸和钥酸盐氧离子(molybdateoxyanion)。“铝”是指纯铝及铝合金(例如，铝为主要金属的合金)。“镍”是指纯镍及镍合金(例如，镍为主要金属的合金)。尽管本公开特指对铝表面的腐蚀抑制剂，同样的概念也作用于镍表面。依赖于要求冷却的部件或系统的温度和特定功能，所述部件或系统可包含同时带有大量铝和镍二者的表面。许多航天部件比相似的地面部件包含更高水平的铝。铝的好处(高强度重量比、耐久性、延展性)使许多航天部件的尺寸得以降低。例如，铝微通道换热器可用于替代较大的常规换热器。与常规换热器相比时，微通道换热器占据更小的体积并提供改善的传热效率。换热器的更小的体积和铝的低密度也有助于降低系统的整体重量，该整体重量通常被视为航空器和航天器的关键设计参数。更小的体积经常伴有部件表面之间更小的间隙及冷却剂流路内更小的空隙。在一些镍换热器内，鳍片之间的空隙仅是约0.5mm(0.020英寸)而在铝冷却板内相似的空隙可能低至约0.6mm (0.025英寸)。流控制阀可以具有小至约0.3mm (0.012英寸)的空隙，并且泵在轴衬和轴之间可具有约0.025mm (0.001英寸)和约0.04mm (0.0015英寸)之间的间隙。这些减少的间隙和空隙对冷却剂沉淀物和铝腐蚀产物更为敏感。水基冷却剂内的沉淀物和被移除的腐蚀产物会堵塞这些小空隙以阻碍、限制或堵塞冷却剂流。本发明中所用的水基冷却剂不但必须对于铝表面提供足够抗腐蚀性，而且必须最小化冷却剂本身内的沉淀物的风险。航天器冷却系统尤其包含具有高铝表面面积的部件。冷却系统部件包括冷却板、换热器和流体传输管线。换热器包括鳍片、冷却通道和制冷剂歧管。这些部件的每一个都可由铝制成或者包含铝。另外，冷却系统可能包含其他具有与冷却剂流接触的铝表面的部件。 这些冷却系统和其 他航天部件包含具有大量铝的表面。在航天应用中，铝表面面积的量可远大于在相似的地面应用中的量。航天冷却系统可以包含十倍于汽车或地热应用中所用冷却系统的铝表面面积。此增加的表面面积导致铝表面和冷却剂体积的比率更大。例如，在一个特定的航天应用中，铝表面面积和冷却剂体积的比率在流动系统中约为每mL冷却剂4.7cm2铝表面面积(每立方英寸12平方英寸)而在静态条件下为约34.6cm2/mL (每立方英寸88平方英寸)。与此相比，要求最高的地面应用(太阳能及地热应用的冷却系统)估计具有的铝表面面积和冷却剂体积的比率在流动系统中约为0.04cm2/mL (每立方英寸0.1平方英寸)而在静态条件下约为0.39cm2/mL (每立方英寸0.99平方英寸)。汽车应用的铝表面面积和冷却剂体积的比率的数量级被估计为小于太阳能和地热应用的数量级。表面面积对冷却剂体积的巨大差异解释了为什么常规的、可商购的水基冷却剂对于用在包含高铝表面面积的航天应用中不是最优的选择，并解释了为什么需要更专用的水基冷却剂。尽管本文所述的水基冷却剂也可以在铝表面面积和冷却剂体积的比率低的地面应用中使用，它还是尤其适合用于铝表面面积和冷却剂体积的比率大于等于每mL冷却剂约1.0cm2铝表面面积的应用。
水基冷却剂拥有很多有吸引力的特性。首先，水具有高热容，使其对于传热应用是一种理想的冷却剂。第二，与其他液体冷却剂相比，水通常更加易于获得和易于产生。而且，水是无毒的且通常易于处置，并且去离子水具有相对低的导电性。水基冷却剂通常含有防冻剂以使冷却剂能够承受低于0°c的温度并含有一种或多种添加剂以降低水所显现的腐蚀的潜在可能。本发明中使用的水基冷却剂通常包括在约35重量百分比(35%重量)和约65重量百分比(65%重量)之间的水。丙二醇即为防冻剂的一例。丙二醇是一种分子式为C3H8O2或H0-CH2-CH0H-CH3的二醇。丙二醇是一种清澈粘性液体，该液体易吸水、可与水混溶且是热稳定的。与乙二醇类似，当与水混合时由于氢键的断裂，丙二醇的凝固点下降，因而丙二醇起到防冻剂的作用。与乙二醇不同，丙二醇具有一般的低毒性，使其更适合某些应用。本发明中所使用的水基冷却剂通常包括在约35重量百分比和约65重量百分比之间的丙二醇。2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸都是有机酸，并且作为所述水基冷却剂的成分在抑制铝表面的腐蚀方面特别有效。2-乙基己酸是一种分子式为CH3 (CH2) 3CH(C2H5) CO2H的一元羧酸。它在水中的可溶性低但在许多有机溶剂中是可溶的。癸二酸是一种分子式为(HOOC)(CH2)8(COOH)的二羧酸。癸二酸是蓖麻油的天然出现的衍生物并有低水溶性。苯甲酸是一种分子式为C7H6O2 (或C6H5COOH)的芳香族一元羧酸。当这些有机酸的每一种出现在循环通过冷却系统的水基冷却剂中时，所述有机酸就在冷却系统表面“建立起来(build up)”。所述有机酸附着到铝(或·其它金属)表面并形成保护膜。一旦这些有机酸在所述表面上形成保护膜，所述膜就充当防止表面腐蚀(即电化学氧化)的保护层。所述保护膜通常随时间过去逐渐地形成，而不是立即形成。申请人:已经发现这三种有机酸的某些组合物协同地为铝表面提供优越的腐蚀抑制。通过一系列实验，申请人发现比例约为4:1:1的2-乙基己酸:癸二酸:苯甲酸提供一种利用了有机酸协同组合物的水基冷却剂。在示例性实施例中，本发明中所使用的水基冷却剂通常包括在约1.0重量百分比和约4.0重量百分比之间的2-乙基己酸，并且更优选地，在约1.5重量百分比和约2.5重量百分比之间的2-乙基己酸。在示例性实施例中，本发明中所使用的水基冷却剂通常包括在约0.25重量百分比和约1.0重量百分比之间的癸二酸，并且更优选地，在约0.35重量百分比和约0.75重量百分比之间的癸二酸。在示例性实施例中，本发明中所使用的水基冷却剂通常包括在约0.25重量百分比和约1.0重量百分比之间的苯甲酸，并且更优选地，在约0.35重量百分比和约0.75重量百分比之间的苯甲酸。在一个示例性实施例中的水基冷却剂包含约2.0重量百分比的2-乙基己酸、约0.5重量百分比的癸二酸和约0.5重量百分比的苯甲酸。钥酸盐氧离子是一种快速作用的无机腐蚀抑制剂。上面所列出的有机酸花费时间在铝表面上建立起保护膜。水基冷却剂中存在的钥酸盐氧离子则在有机酸逐渐附着到铝表面并形成保护膜同时立即提供腐蚀抑制。钥酸盐氧离子也改善了羧酸盐流体的腐蚀保护；有人相信这是由于有助于保护膜的附着及形成而出现的。可以使用碱金属钥酸盐、碱土钥酸盐(alkali earth molybdate)、钥酸铵和有机钥酸盐化合物向溶液中提供钥酸盐氧离子。示例性的钥酸盐氧离子来源是钥酸钠。钥酸钠是一种分子式为NhMoO4的非氧化阳极抑制剂。钥酸钠经常以二水合物(Na2MoO4.2H20)的形式出现。在示例性实施例中，本发明中所使用的水基冷却剂通常包括在约0.03重量百分比和约0.1重量百分比之间的钥酸盐氧离子，并且更优选地，在约0.05重量百分比和约0.075重量百分比之间的钥酸盐氧离子。在一个示例性实施例中，水基冷却剂包含约0.06重量百分比的钥酸钠。调整水基冷却剂的pH值使得有机酸和钥酸盐氧离子达到最佳可溶度并使它们的效果最大化。所述PH值通常在有机酸和钥酸盐氧离子被引入水基冷却剂之后调节。在示例性实施例中，本发明所使用的水基冷却剂通常具有在8和9之间，并且更优选地在8.25和8.75之间的pH值。在一个示例性实施例中，水基冷却剂具有在约8.4和8.6之间的pH值。在示例性实施例中，使用氢氧化钾调节水基冷却剂的PH值。氢氧化钾能够调节并缓冲水基冷却剂的PH值，同时帮助溶液免于沉淀。其他缓冲剂，诸如氢氧化锂、硼酸钠和碳酸钠/重碳酸钠，要么不能在期望范围内调节及缓冲PH值，要么显示出会导致可溶性或沉淀问题。由于在一些航天应用中的高铝表面面积，水基冷却剂中会省略一些常用的添加齐U。例如，在航天应用中通常不使用诸如铜或碳钢这样的材料。因此，水基冷却剂不需包含专门抑制这些材料腐蚀的添加剂。没有这些添加剂使得从水基冷却剂中免除了它们潜在的不必要影响。比如，已发现唑(azole)和亚硝酸盐对模拟航天应用中的表面有潜在的损害。唑/有机酸反应产物被怀疑会对冷却系统中使用的过滤器产生污垢。在具有高铝表面面积的系统中，亚硝酸盐会还原为氨并使水基冷却剂的pH值偏移到高于其有效范围。更高的pH值还会导致冷却剂和铝表面不利的反应。通过省去这些不必要的添加物，就消除了它们相关的不必要的潜在影响。在示例性实施例中，水基冷却剂基本上没有唑和亚硝酸盐。在本发明的一个实施例中，一种冷却系统包括铝或镍表面及上面所描述的水基冷却剂。在示例性实施例中，水基冷却剂具有在8和9之间的pH值并包含约35%重量到约65%重量的丙二醇、约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。在一个更加示例性的实施例中，水基冷却剂具有8.25和8.75之间的pH值并包含约1.5%重量到约2.5%重量的2-乙基己酸、约0.35%重量到约0.75%重量的癸二酸、约0.35%重量到约0.75%重量的苯甲酸以及约0.05%重量到约0.075%重量的钥酸盐氧离子。在进一步示例性的实 施例中，水基冷却剂具有在8.4和8.6之间的pH值并包含约2.0%重量的2-乙基己酸、约0.5%重量的癸二酸、约0.5%重量的苯甲酸以及约0.06%重量的钥酸钠。冷却系统的示例性实施例包括没有唑及亚硝酸盐的水基冷却剂。图1示出本发明的冷却系统的一个实施例的示意图。换热系统10包括热源12、泵
14、换热器16、流控制装置18和流体储池20。一般来说，泵14泵送流体通过换热系统10。通过换热系统10的流体流受泵14和流控制装置18的控制。流体经由流体储池20加到换热系统10或从换热系统10去除。换热器16是用于冷却换热系统10内的流体的冷却型换热器。换热器16与冷却剂回路22流体连通。由于上面所述的原因，换热系统10的一个或多个部件，诸如泵14、换热器16、流控制装置18或冷却剂回路22包含具有高铝和/或镍表面面积的表面。由于在换热系统10的部件中出现大量的铝和/或镍，当使用常规的水基冷却剂时，部件表面受到腐蚀并出现前面提到的问题。为了冷却这些部件表面并防止不希望的腐蚀，换热系统10包含上面描述的水基冷却剂。图2示出构件24的放大图，其具有被水基冷却剂冷却的表面26。构件24包括鳍片、冷却板、阀表面、泵表面以及换热系统10的可能接触水基冷却剂的任何其他表面。水基冷却剂经由冷却剂通道28被输送并引导到构件24的表面26。在本发明的另一实施例中，一种冷却含有铝或镍的部件表面的方法包括将水基冷却剂输送到部件表面并使用该水基冷却剂冷却该部件表面。在示例性实施例中，水基冷却剂与上面关于冷却系统所描述的实施例相同。本发明还提供一种用于在铝或镍表面面积和冷却剂体积的比率高的应用中冷却并减少潜在腐蚀的水基冷却剂。所述水基冷却剂包含约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。尽管已关于示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员应理解在不偏离本发明的范围的情况下可作出各种变化并且其元件可用等同物替代。另外，可以在不偏离本发明本质范围的情况下作出修改以使特定的情况或材料适应本发明的教导。因此，所意图的是，本发明不限于所公开的具体实施例，而是本发明将包括落在所附权利要求范围内的所 有实施例。
权利要求
1.一种冷却系统，包括: 铝或镍表面；和 具有在8和9之间的pH值的水基冷却剂，所述水基冷却剂包括: 约35%重量到约65%重量的丙二醇； 约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸； 约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸； 约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸；和 约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子。
2.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述铝或镍表面是从由冷却板、换热器和冷却剂管线组成的组中选择的装置的部件。
3.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述水基冷却剂基本上没有唑和亚硝酸盐。
4.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述冷却系统含有铝表面，并且铝表面面积和水基冷却剂体积的比率大于等于约1.0cmVmL。
5.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述冷却系统含有镍表面，并且镍表面面积和水基冷却剂体积的比率大于等于约1.0cmVmL。
6.如权利要求1所述的冷冻系统,其中,所述水基冷却剂以约4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
7.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述水基冷却剂还包括: 足以将所述水基冷却剂的PH值调节并缓冲在8.4和8.6之间的一定量的氢氧化钾。
8.如权利要求1所述的冷却系统，其中，所述水基冷却剂具有在8.25和8.75之间的pH值并包括: 约1.5%重量到约2.5%重量的2-乙基己酸； 约0.35%重量到约0.75%重量的癸二酸； 约0.35%重量到约0.75%重量的苯甲酸；和 约0.05%重量到约0.075%重量的钥酸盐氧离子。
9.如权利要求8所述的，其中，所述水基冷却剂具有在8.4和8.6之间的pH值并包括: 约2.0%重量的2-乙基己酸； 约0.5%重量的癸二酸； 约0.5%重量的苯甲酸；和 约0.06%重量的钥酸钠。
10.一种冷却含铝或镍的部件表面的方法，所述方法包括: 将PH值在8和9之间的水基冷却剂输送到所述部件表面，所述水基冷却剂包括: 约35%重量到约65%重量的丙二醇； 约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸； 约0.5%重量到约1.0%重量的癸二酸； 约0.5%重量到约1.0%重量的苯甲酸；和 约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子；以及 使用所述水基冷却剂冷却所述部件表面。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述部件选自由冷却板、换热器和冷却剂管线组成的组。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述水基冷却剂基本上没有唑和亚硝酸盐。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述部件表面含有铝，并且其中，所述部件表面的铝表面面积和水基冷却剂体积的比率大于或等于约1.0cmVmL。
14.如权利要求10所述的方法，其中，所述部件表面含有镍，并且其中，所述部件表面的镍表面面积和水基冷却剂体积的比率大于或等于约1.0cmVmL。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述水基冷却剂以约4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
16.如权利要求10所述的方法，其中，所述水基冷却剂具有在8.25和8.75之间的pH值并包括: 约1.5%重量到约2.5%重量的2-乙基己酸； 约0.35%重量到约0.75%重量的癸二酸； 约0.35%重量到约0.75%重量的苯甲酸；和 约0.05%重量到约0.075%重量的钥酸盐氧离子。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述水基冷却剂具有在8.4和8.6之间的pH值并包括: 约2.0%重量的2-乙基己酸； 约0.5%重量的癸二酸； 约0.5%重量的苯甲酸；和 约0.06%重量的钥酸钠。
18.一种水基冷却剂，包括: 约35%重量到约65%重量的丙二醇； 约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸； 约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸； 约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸；和 约0.03%重量到约0.1%重量的钥酸盐氧离子； 其中，所述水基冷却剂以约4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
19.如权利要求18所述的水基冷却剂，还包括: 足够将所述水基冷却剂的PH值设置在8.4和8.6之间的一定量氢氧化钾。
20.如权利要求18所述的水基冷却剂，其中，所述水基冷却剂基本上没有唑和亚硝酸盐。
全文摘要
本发明涉及具有高铝或镍表面面积水平的部件的水基冷却，具体地，一种用于在铝或镍表面面积和冷却剂体积的比率高的应用中冷却并降低潜在腐蚀的水基冷却剂具有在8和9之间的pH值并包括约35%重量到约65%重量的丙二醇、约1.0%重量到约4.0%重量的2-乙基己酸、约0.25%重量到约1.0%重量的癸二酸、约0.25%重量到约1.0%重量的苯甲酸以及约0.03%重量到约0.1%重量的钼酸盐氧离子。一种冷却系统包括铝或镍表面以及所述水基冷却剂。一种冷却含铝或镍的部件表面的方法包括将所述水基冷却剂输送到所述部件表面并使用所述水基冷却剂冷却所述部件表面。
文档编号C09K5/10GK103160246SQ20111040821
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者J.W.斯蒂尔, D.M.贝林格, M.R.贾沃罗夫斯基, J.D.瓦西克, J.莫伦斯, B.塔尔 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德空间系统国际有限公司