用于相变传热介质的无机水溶液(ias)的制作方法
【专利说明】用于相变传热介质的无机水溶液（IAS)
[0001] 相关申请的夺叉引用
[0002] 本申请要求于2012年5月11日提交的标题为"用于相变传热介质的无机水溶液 (IAS)(INORGANIC AQUEOUS SOLUTION(IAS)FOR PHASE CHANGE HEAT TRANSFER MEDIUM)"的 美国临时申请系列号第61/646, 155号的优先权和权益，该临时申请的全部内容通过引用 并入本文。
[0003] 关于联邦咨助的研究或开发的声明
[0004] 本发明是通过政府的支持、在由美国国防部国防高级研宄计划局颁发的 批准号N66001-08-C-2007以及由美国陆军研宄、开发和工程指挥部颁发的批准号 W31P4Q-09-1-005下完成的。政府对本发明拥有一些权利。
技术领域
[0005] 本公开大体涉及传热介质，且涉及用于传递热量的装置和方法。更具体地，本公开 涉及一种用作相变传热介质的工作流体，涉及包含所述工作流体的传热装置，且涉及制备 包含所述工作流体的所述传热装置的方法。
[0006] 发曰月背景
[0007] 热管是一种利用热导性和相变原理以实现两个固体界面之间的热量传递的传热 装置，所述两个固体界面例如热源（或热界面）以及热沉（heat sink)(或冷界面）。热管 被用在许多应用中以实现冷却的效果。例如，热管是市面上电子冷却的最有效的手段之一。 它们主要通过潜热传递能量，这使它们能够以热源和热沉之间的最小温降运行。此外，它们 是无源器件（passive device)，无需输入来运行或无需机械装置来实现功能。
[0008] 一种典型的热管包括由导热材料（例如铜、铝或不锈钢）制成的、在给定的压力下 填充有工作流体的密封壳体。热管的一端是在热源处，另一端是在热沉（heat sink)处。为 了在热源和热沉之间传递热量，工作流体在热源端（或热界面）处与所述壳体的导热材料 接触，当被加热时热源将工作流体转化为蒸气。然后该蒸气行进到热沉端（或冷界面），在 这里该蒸气冷凝回成液体并释放潜热。当冷凝回到液相时，工作流体行进回到热管的热源 端，并且工作流体再次蒸发，重复蒸发和冷凝的循环。
[0009] -旦从热源产生的蒸气在热管的热沉端处冷凝回成液体，该液体必须行进回到热 源端以重新开始循环。为了促进冷凝液行进回到热管的热源端，在某些情况下重力可能是 足够的。然而，在一些应用中，热管可能以不允许重力促进液体返回热管的热源端的运动的 方式被定向。例如，在某些应用中，热管可能被定位成使得热源端和热沉端是水平而不是垂 直布置。在这样的设置中，可以使用芯（wick)通过毛细管作用促进液体返回热源端的运 动。
[0010] 工作流体通过显热和潜热的组合来传导热量。工作流体的期望的特性包括高比热 容、高表面张力、小接触角和低粘度。高比热容能使得大量的能量加入液体，伴随很小的温 度变化，从而最大限度地减少操作所需的加热器（或热源）和冷凝器（或热沉）之间的温 差。高表面张力有助于提供足够的毛细管压力以将液体抽送至蒸发表面上。小接触角提供 了尽可能大的薄膜蒸发区域，这允许更多的热传递。低粘度降低了使液体移动到热源以待 蒸发所需的流动的阻力量。
[0011] 一些典型的工作流体包括水、醇（如甲醇或乙醇）、制冷剂（例如R134(即氟利 昂））、氨以及水和醇的混合物。对工作流体的材料选择依赖于所需的操作温度和热负 荷。例如，对于在极低的温度下操作的应用而言，工作流体可以包括液体氦（2-4K)，而对 于在极高的温度下操作的应用而言，工作流体可以包括汞（523-923K)、钠（873-1473K) 或铟（2000-3000K)。对于在低温下操作的应用而言，一些典型的工作流体可以包括水 (303-473K)或醇（例如，甲醇（283-403K)或乙醇（273-403K))。然而，大多数热管在233 和473K之间提供，并使用氨、醇、乙醇、水或它们的混合物。
[0012] 氨和醇在宽的操作温度范围（例如，约_25°C至约200°C)内不具有传热效能（即， 在中等压力下，以小的温度差传递大量的热）。水能够在宽的操作温度范围内部分地实现这 样的传热效能，但只能在铜热管中使用。具体而言，水具有高比热容和大蒸发焓，并且可以 在许多要求宽的操作温度范围（即，约-25°C至约200°C)的应用中使用。在该范围内工作 的热管在电子装置、发电厂中的蓄热器（regenerator)、航空母舰甲板和卫星中是特别有用 的。因此，水是一种许多应用中使用的特别理想的工作流体。事实上，水被经常在铜热管中 使用。然而，水不能被用作铝热管中的工作流体，原因是发生失控的化学反应，形成非可冷 凝气体（如氢气），从而导致热管失效。具体而言，非可冷凝气体（non-condensable gas， NCG)的形成妨碍了能量在冷凝器处被释放（being rejected)。
[0013] 铝重量轻、成本低，并且具有相对高的热导率（即，是铜的热导率的一半）。铝也是 铜的密度的大约三分之一，且比铜便宜很多。因此，由铝制成的热管是特别理想的，并且使 用水作为工作流体的铝热管的研发一直是近来研宄的主题。这项研宄通常集中于在铝管的 内表面上提供涂层，这样的涂层是为了防止NCG的形成。在发明使用水作为工作流体的铝 热管方面的一些这样的尝试包括在铝管的内表面上提供具有防腐蚀性能的涂层。然而，在 密封的热管中无法补充这些涂层。因此，如果该涂层被破坏或损坏，则将形成NCG，从而导致 热管的快速失效。
[0014] 在为了减少或防止铝热管中形成NCG的另一种尝试中，将包括特定无机盐的水溶 液用作工作流体。这种溶液在壳体的内表面上产生涂层，以保护铝免遭腐蚀，从而防止或减 少NCG的形成。如果该涂层被损坏或破坏，则工作流体中无机盐的连续存在允许该涂层自 我修复。然而，尽管此溶液显示出可接受的热传递特性以及在铝传热装置中的稳定运行，但 是该配方包括有毒组分（如铍）和放射性组分（如镑）。此溶液的其他缺点包括形成微粒 和沉淀以及堵塞芯的趋势。此外，使用此溶液的热管是在保密的条件下由单个生产者在中 国制造，并且据信这些热管不再被生产。
[0015] 发明概沐
[0016] 根据本发明的实施方案，一种用在相变传热装置中的无机水溶液包括高锰酸钾 (KMn04)、重铬酸钾（K2Cr207)、三氧化铬（Cr0 3)、铬酸银（Ag2Cr04)、氢氧化锶（Sr(0H)2)、氢氧 化隹？（Ca(0H)2)、氢氧化镁（Mg(0H)2)、氢氧化钠（NaOH)和水。所述无机水溶液还可包括硼 酸（H3B03)和/或醇，如甲醇。所述无机水溶液可具有约5至约7的初始pH。
[0017] 在一些实施方案中，所述无机水溶液被用作传热装置中的工作流体。所述传热装 置可包括具有腔体且由传导性材料制成的细长元件。所述无机水溶液被装入所述细长元件 的腔体中。所述细长元件的传导性材料可以是铝、铝合金、铜、铜合金、不锈钢或它们的组 合。在一些实施方案中，例如，所述传导性材料是铝或铝合金。
[0018] 所述传热装置还可以包括衬于所述细长元件腔体的芯。所述芯可以由选自铝、铝 合金、铜、铜合金、不锈钢以及它们的组合中的材料制成。例如，在一些实施方案中，所述芯 可以由铜或铜合金制成。在一些实施方案中，所述芯可以是双孔径芯（bi-porous wick)。
[0019] 所述传热装置可进一步包括衬于所述腔体的钝化层。所述钝化层由无机水溶液和 传导性材料之间的反应形成。在包括衬于所述细长元件腔体的芯的实施方案中，所述钝化 层可以在所述芯上。在这些实施方案中，所述钝化层由无机水溶液与芯的材料的反应形成。
[0020] 根据本发明的另一实施方案，一种制备用在相变传热装置中的无机水溶液的方法 包括使高锰酸钾在水中溶解以形成溶液。然后，所述方法包括使重铬酸钾在该溶液中溶解。 所述方法进一步包括将三氧化络加入该溶液，然后将络酸银、氢氧化锁、氢氧化1?和氢氧化 镁加入该溶液。另外，所述方法包括将氢氧化钠加入该溶液。所述方法进一步包括，例如用 水和/或醇（如甲醇）将该溶液