专利名称：氧化铝的胶态分散体的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热交换流体及其应用。
背景技术：
热交换流体旨在冷却承受温度的许多设备，该温度对于设备的良好运行来说太闻。例如，它们用于冷却微处理器,车载电子板(onboard electronics)或热发动机或电发动机。 它们也用于核反应堆的冷却。水是已知作为热交换流体的最好流体之一。然而，在其中可添加添加剂(如乙二醇或丙二醇)，以防止它在过低的温度凝固。然而，无论预期在哪减重，事实上能够使用少量的热交换流体(水，水+乙二醇)以达到相同、甚至更优良的热交换性能具有极大的优势。因此，增加热交换流体的热导率是必要的。最近研究表明，向热交换流体中添加纳米颗粒显著地增加了热交换流体的热导率。这些新的热交换流体被称为纳米流体(CHOI (s. ) -Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles (提高具有纳米颗粒的流体的热导率)，The American Society of Mechanical Engineers (美国机械工程师协会)，New York(纽约)，Vol. 231/MD Vol. 66 :99-105, Nov. 1995.，或 YU(W.)，FRANCE(D.), R0UTB0RT(J.)和 CHOI(S.), Review and Comparison of Nanofluid ThermalConductivity and Heat Transfer Enhancements (纳米流体热导率与热交换提高的回顾与比较)，Heat Transfer Engineering (热交换工程)，Vol. 29, p. 432-460 (2008)，或 DAS (S.)CHOI (S. ), YU (W.)和 PRADEEP (Τ· ) Nanofluids Science and Technology.(纳米流体科学与技术)，J. Wiley (2008))。因此，人们对流体中加入各种类型的纳米颗粒以提高其热性能进行了广泛的研究，目前看来，所使用的纳米材料并不必须在本质上是由良好导热材料如金属组成，且对于热性能显著较低的材料，例如粘土或氧化物埃洛石(halloysite)、锂阜石(Iaponite)、娃石(SiO2)、氧化锌(ZnO)或氧化铝(Al2O3)也能得到可观的性能，这些材料是工业产品。参数如鲁棒性(robustness)也即在使用时间内纳米流体的稳定性，以及整体的能量平衡也即热导率的增加与流体粘度增加之间的折衷可被评价。相比之下，在层流中，当增加的粘度小于增加的热导率5倍时，认为整体的能量平衡是正向的。这是因为粘度的极大增加导致需要增加泵送单元的功率，这就抵消了全部或大部分通过增加热导率所获得的效果。更特别地，由于氧化铝(Y -Al2O3和a -Al2O3)及其水合衍生物(Al (OH) 3，、Α100Η)的工业有用性、极低的毒性以及可获得具有许多形状的纳米颗粒的可行性，故此进行了特别地研究，并且对以氧化物类型的材料来说其热导率良好(对于a-Al2O3,^nT1IT1)。
对于水合形式的氧化铝，热导率要低得多。氧化铝颗粒的形状和尺寸对水的热导率的影响特别是由Timofeeva等人在“Particle shape effects on thermophysical properties of alumina nanofluids，，(颗粒形状影响氧化招纳米流体的热物理性能)，Journal ofApplied Physics (应用物理杂志)，106,014304(2009)中进行了研究。该论文的结论是与条状、板状或柱状的氧化铝相比，片状的氧化铝颗粒导致包含氧化铝的热交换流体的热导率的增加最低，此外，仍然同具有条状、板状或柱状的化学性质等同的氧化铝相比，片状的氧化铝是导致包含氧化铝的热交换流体粘度增加最 大的氧化招。因此，在热交换流体中可用作添加剂的氧化铝颗粒中，那些具有片状的，也就是说最小尺寸为厚度的那些，也就是最不太适合的那些，这是因为热交换流体中具有相等重量百分比时，这些氧化铝表现出最弱的增加流体热导率能力，但另一方面，大大增加了流体的粘度。
发明内容
事实上，与现有技术状态相反，本发明提供了一种包含这种片状氧化铝颗粒的热交换流体。因此，本发明提供了一种热交换流体，其特征在于，热交换流体由水溶胶组成，水溶胶包括I)水；以及2)相对于流体总重量至多为58. 8wt%的a -Al2O3颗粒-所述a-Al2O3颗粒的厚度是最小的尺寸且小于或等于30nm,优选在15_25nm之间，-90-95%数量的这些颗粒具有小于或等于210nm的尺寸,其中所述90_95%数量的具有小于或等于210nm尺寸的50%具有小于或等于160nm的尺寸。此外,优选地,这些90-95%数量的颗粒中的10%具有小于或130nm的尺寸。优选地，本发明的流体的粘度小于10cP，更优选小于5cP，同时大于I. IcP0优选地，本发明的流体只包括所述的a -Al2O3颗粒和水。在这种情况下，优选地，该流体的密度在I. 650和I. 770之间，更优选I. 748。本发明的热交换流体特别适合作为核反应堆紧急冷却的流体。
通过阅读下面的单个附图的描述性说明，将会更好的理解本发明，也更清楚明显的理解本发明的其他特征和优点，附图显示了包含不同形状的a -Al2O3颗粒的各种热交换流体，其热导率K (相对于Ktl,纯水的热导率)的增加与水溶胶中的氧化铝颗粒重量浓度百分比的函数曲线。
具体实施例方式本发明基于的发现是，包含水和粒径分布非常精确的片状氧化铝颗粒(a -Al2O3)的热交换流体比任何其他形状和粒径分布的氧化铝颗粒具有改善热导率的优良性能。颗粒的尺寸通过差示光散射(differential light scattering, dls)来测量。因此，本发明中使用的是片状形式的氧化铝颗粒，也就是说具有扁平形式的颗粒，其厚度是最小的尺寸且小于或等于30nm，优选在15-25nm之间，且其具有精确的粒径分布颗粒数量的90-95%数量的颗粒具有小于或等于210nm的尺寸，90-95%数量的这些颗粒中的50%具有小于或等于160nm的尺寸。优选地,此外，90-95%数量的这些颗粒数中的10%具有小于或130nm的尺寸。除了该特定粒径分布之外，本发明使用的纳米颗粒具有300_60nm之间的尺寸。
尺寸应理解为是指这些颗粒的最大尺寸且通常是它们的平均直径。该尺寸通过透射电子显微镜来测量。根据本领域的技术人员已知的技术，通过将氧化铝纳米颗粒混合到水中容易地制备这种热交换流体。正如图I中看到的，该图表示，相对水本身的热导率Ktl,由水和氧化铝颗粒组成的流体的热导率K的增加，与不同形状的氧化铝作为胶态分散体纳米颗粒的重量浓度的函数值，在所有浓度下，由BAIK0WSKI销售的标示为BAi5PS 的氧化铝胶态分散体显示出最好的热导率增加。特别地，相对由水和氧化铝组成的热交换流体的总重量，在50%重量的氧化铝浓度下，对于BA15PS 的氧化铝颗粒的胶态分散体，获得了 86%的热导率增加，而对于相同的重量百分比浓度，Alfa Aesar销售的NanoDur : X1121W氧化铝颗粒的胶态分散体仅显示出25%的热导率增加。Alfa Aesar 销售的NanoDur :Xll2lW和NanoTek A1-6021 氧化铝的胶态分散
体从20%重量浓度开始显示出渐进的热导率增加。这些水溶胶组合物中存在的氧化铝纳米颗粒都是晶形的α-氧化铝。它们表现出不同的形态。它们不包含不理想的相(主要是Α100Η和Y -Al2O3)。尺寸域是可比较的，但BA15PS 氧化铝在尺寸上是较少多分散的。NanoDur :X1121W和NanoTek A1-6021的氧化铝的胶体分散体形态是球形，而对于部分的BA 15PS 的氧化铝来说，不包含不良的相的片状晶形α -氧化铝，其尺寸分布要使得纳米颗粒的90 % -95 %具有小于或等于210nm的尺寸，且在90 % -95 %的纳米颗粒中，50 %具有小于或等于160nm的尺寸，90% -95%的纳米颗粒中仅有10%具有小于或等于130nm的尺寸。此外，对于这种氧化铝，热交换流体的粘度增加到最小的程度，如下表中所示。
样品粘度(cP)
_4] 含有58.8\^%氧化铝的水溶胶BA15PS 0—
含有53.3wt%氧化铝的水溶胶NanoDur X1121W40.1测量在布氏粘度计(Brookfield viscometer)上进行；用25°C测量的水的I. 05cP为基准值来代替理论上的lcP。
因此，如本发明中限定的，浓度最高到58. 8￥七％的α -氧化铝纳米颗粒加入到热交换流体中。在这些浓度下，热交换流体保持为稳定的水溶胶，也就是说观察不到沉淀分离现象。当然，如果需要，作为期望热导率数值的函数值，本领域的技术人员能够稀释该胶体溶胶，并能够通过图I的曲线来确定。本发明中使用的氧化铝颗粒必须具有片状形状，并可表现出极不相同的形状，V形、Y形或者甚至是X形。 为了更好地限定本发明中使用的氧化铝，可以增加的是，这些氧化铝颗粒是100%的具有熔点2045°C、沸点2980°C、密度3. 965的α -氧化铝组成，这意味着根据本发明最好的热交换流体，包含58. 8wt% (相对热交换流体总重量)的这种氧化铝，当热交换流体为水时，其密度须在I. 650-1. 760之间。更优选地，密度为I. 748。然而，具有优良热性能的本发明的热交换流体还有相反用处该流体是极好的研磨剂。因此，最优选将它们用于不需要具有长使用寿命的冷却回路中。在这些回路中，特别合适核反应堆的紧急冷却回路。这是因为，在核反应堆的紧急冷却回路中，问题是如果发生偶然过热，能够极快地冷却反应堆核心。因此，该应用中，重启发电厂不会存在任何问题，本发明的热交换流体的研磨性质并不重要，是因为所考虑的是其可能用最少的材料来分散可能最多的热量的能力。本发明的热交换流体的目的在于防止燃料棒熔化和辐射材料被分散。因此，本发明的热交换流体十分适合用于此类应用。
权利要求
1.一种热交换流体，其特征在于，所述热交换流体由水溶胶组成，所述水溶胶包括 1)水；以及 2)相对于所述流体的总重量至多为58.8￥丨％的a -Al2O3颗粒 -所述ct -Al2O3颗粒的厚度是最小的尺寸且小于或等于30nm, -90-95%数量的这些颗粒具有小于或等于210nm的尺寸,其中所述90-95%数量的具有小于或等于210nm尺寸的颗粒中的50%具有小于或等于160nm的尺寸。
2.如权利要求I所述的流体，其特征在于，此外，所述90-95%数量的具有小于或等于210nm尺寸的颗粒中的10%具有小于或等于130nm的尺寸。
3.如权利要求I所述的流体，其特征在于，所述流体仅包括所述的a-Al2O3颗粒和水。
4.如权利要求I或2所述的流体，其特征在于，所述流体的密度在I.650和I. 770之间。
5.如前述权利要求中任一项所述的流体，其特征在于，所述流体的密度等于1.748。
6.如前述权利要求中任一项所述的流体，其特征在于，所述流体的粘度小于10cP，优选小于5cP。
7.一种如前述权利要求中任一项所述的热交换流体在核反应堆的紧急冷却中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种热交换流体及其应用。本发明的热交换流体由水溶胶组成，包括水以及相对流体总重量至多为58.8wt％的α-Al2O3颗粒，α-Al2O3颗粒的厚度为其最小尺寸且小于或等于30nm。90％-95％的所述α-Al2O3颗粒具有小于或等于210nm的尺寸，其中90％-95％的具有小于或等于210nm的尺寸所述α-Al2O3颗粒中的50％具有小于或等于160nm的尺寸。本发明用于冷却领域，尤其用于核反应堆的备用冷却。
文档编号C09K5/10GK102782079SQ201080059903
公开日2012年11月14日 申请日期2010年11月30日 优先权日2009年12月3日
发明者丹尼尔·盖特, 奥利维尔·庞斯莱特, 弗朗索瓦·塔迪夫, 莱昂内尔·邦尼奥 申请人:原子能和替代能源委员会