冷卻液發(fā)展及應(yīng)用綜述

毛紀(jì)昕，胡建強(qiáng)，郭 力，鄭全喜

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空軍需與燃料系，江蘇徐州 221000)

隨著電子芯片高頻化，高功率化發(fā)展，設(shè)備工作的主頻越來(lái)越快，工作功率越來(lái)越大，散發(fā)出的熱量也越來(lái)越多[1-4]。早期采用的空氣冷卻技術(shù)因其效率低，適應(yīng)性差被逐漸淘汰，用冷卻液作為冷卻介質(zhì)的液冷技術(shù)廣受人們的青睞[5-7]。

1 冷卻液的組成及功能

冷卻液是指在冷卻系統(tǒng)循環(huán)工作的介質(zhì)，又叫做防凍液，主要是用于帶走發(fā)動(dòng)機(jī)或其他機(jī)械在工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，保證機(jī)械正常運(yùn)行的一種液體。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的組成包括基礎(chǔ)液和多種添加劑，添加劑主要包括金屬抗腐蝕劑、抗泡抑制劑、管路防垢劑和液體熒光劑等[8-10]。

2 冷卻液的發(fā)展及應(yīng)用

冷卻液的主要功能就是冷用冷卻介質(zhì)帶走機(jī)械工作中產(chǎn)生的多余熱量，同時(shí)又保證自身不在低溫下凍結(jié)失效。冷卻液中通常加入大量的蒸餾水，因?yàn)樗谋葻崛荽螅嵝Ч?，但由于其冰點(diǎn)較高，在低溫下工作容易凍結(jié)，所以為了降低其冰點(diǎn)，常常加入無(wú)機(jī)鹽作為防凍劑，如NaCl，MgCl2，F(xiàn)eCl3等氯化物來(lái)降低冰點(diǎn)，使用效果明顯，但是氯元素較為活潑，容易與接觸到的金屬表面發(fā)生反應(yīng)，對(duì)黃銅、低碳鋼和鑄鐵這些金屬材料造成嚴(yán)重腐蝕，所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著設(shè)備材料的不斷發(fā)展和冷卻液成本增加等因素，也有學(xué)者繼續(xù)研究含氯防凍劑[11-13]。后來(lái)也有研究者將蜂蜜、蔗糖、淀粉等天然有機(jī)物作為防凍劑進(jìn)行試驗(yàn)，但這些天然有機(jī)物熱穩(wěn)定性較差[14]，不能很好的降低冰點(diǎn)。

后來(lái)，甲醇、乙醇的效果因降低冰點(diǎn)效果好，與水的相溶性也非常好，因此被用作醇類冷卻液的防凍劑。但是由于二者都是低沸點(diǎn)、易揮發(fā)、易燃的物質(zhì)，并且甲醇還具有毒性大，不方便儲(chǔ)存的缺點(diǎn)，所以應(yīng)用難以推廣。

后來(lái)醇類防凍劑發(fā)展有二乙二醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇及混合型等類型。

跟之前的甲醇和乙醇相比，丙三醇具有閃點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、不易揮發(fā)、毒性低的特點(diǎn)[15]。因此也作為防凍劑使用在冷卻液中。但不足的是丙三醇會(huì)引起冷卻液黏度增加，散熱效果降低：并且在冷卻液中容易受熱分解，制造成本也較高，所以沒(méi)有被廣泛應(yīng)用[16]。

目前乙二醇是應(yīng)用最為普遍的冷卻液防凍劑，它的具有沸點(diǎn)高、冰點(diǎn)低、防腐、防水垢、流動(dòng)性好等特點(diǎn)[17-18]，因而得到人們的青睞。

雖然乙二醇各項(xiàng)性能較為優(yōu)異，但對(duì)于人體和環(huán)境均具有一定的毒性。為了解決這一問(wèn)題，許多國(guó)家采用丙二醇替代乙二醇，目前丙二醇型冷卻液在市場(chǎng)應(yīng)用逐步擴(kuò)大。跟乙二醇相比，丙二醇在抗氣穴腐蝕、與橡膠相容性、環(huán)境友好性、可生物降解性等方面要明顯優(yōu)于乙二醇[19]。雖然丙二醇優(yōu)點(diǎn)較多，但生產(chǎn)成本高，盡管世界各國(guó)政府政府在大力提倡和推廣，但只有一些環(huán)保意識(shí)較強(qiáng)，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)力較好的國(guó)家使用丙二醇型冷卻液。現(xiàn)在，美國(guó)防凍液的使用比例中，超過(guò)10%是丙二醇防凍液，而且其使用率還在逐漸增長(zhǎng)[20]。目前，國(guó)內(nèi)的丙二醇型冷卻液的研發(fā)報(bào)道非常少，距離廣泛推廣還有很長(zhǎng)的路要走[21]。

如果冷卻液中有水分存在，無(wú)機(jī)鹽添加劑與有機(jī)添加劑之間會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)使得冷卻液的使用性能下降，儲(chǔ)存壽命縮短。并且，在使用過(guò)程中，一些外來(lái)物質(zhì)進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，會(huì)與水形成腐蝕性溶液會(huì)促進(jìn)冷卻系統(tǒng)的腐蝕。相反，無(wú)水型冷卻液具有較低的冰點(diǎn)和較高的沸點(diǎn)，還有優(yōu)異的防腐蝕性能和抗氣蝕性能，十分有利于發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷條件下運(yùn)行[22]。因此，能夠?qū)⑺秩コ瑢?shí)現(xiàn)終生免更換的無(wú)水冷卻液受到了人們的追捧，成為研究的熱點(diǎn)[23]。作為美國(guó)陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛與武器司令部的合作伙伴，Evans冷卻系統(tǒng)公司在20世紀(jì)90年代開(kāi)發(fā)出無(wú)水丙二醇冷卻液(愛(ài)溫?zé)o水冷卻液)。據(jù)報(bào)道，美國(guó)Evans冷卻系統(tǒng)公司生產(chǎn)的無(wú)水丙二醇冷卻液(NPG)，在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中美軍戰(zhàn)車及運(yùn)輸車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)上已有使用，實(shí)際應(yīng)用表明無(wú)水丙二醇冷卻液使用性能較好[24]。國(guó)內(nèi)也有相關(guān)研究，杜雙飛將不同比例乙二醇和丙二醇復(fù)配后與傳統(tǒng)含水冷卻液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，乙二醇與丙二醇混合后，其冷卻效果幾乎不受影響，但是其熱損失大大減小，對(duì)提高設(shè)備的工作效率具有重要作用[25]。

目前，研究者為了提高冷卻液的換熱能力，提高冷卻液的沸點(diǎn)，于1995年首次提出了“納米流體(Nanofluids)”的概念[26]。納米流體是由納米尺度的固體顆粒和基液形成的一種新型的、導(dǎo)熱性能優(yōu)異的傳熱介質(zhì)。流體中懸浮的金屬或非金屬納米顆粒改變了基液的傳輸性質(zhì)和導(dǎo)熱性能。納米粒子(固體)的高導(dǎo)熱性配合液體的對(duì)流傳熱，加之納米粒子在液體中強(qiáng)烈的布朗(Brown)運(yùn)動(dòng)，使得納米流體具有了高效的換熱能力，顯著提高了液體的傳熱性能 。

Peyghambarzadeh[27]等人將不同數(shù)量的Al2O3納米顆粒添加到冷卻液基液中并測(cè)試了其冷卻性能，結(jié)果表明，納米流體明顯增強(qiáng)了基液的傳熱能力，在最佳狀況下，傳熱效率增強(qiáng)40%左右。謝華清團(tuán)隊(duì)解決了納米流體品質(zhì)保障及制備工藝、納米流體基礎(chǔ)物性的測(cè)量等問(wèn)題，研制出了一系列均勻穩(wěn)定的含銅、金剛石、碳納米管及氧化鎂等納米顆粒的納米流體，完成了大量納米流體冷卻液的制備及其熱物性測(cè)定工作，對(duì)納米流體冷卻液在發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器測(cè)試平臺(tái)上的換熱性能進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明納米流體冷卻液的換熱系數(shù)增大，用于發(fā)動(dòng)機(jī)換熱器時(shí)換熱效率有所提升。其中金剛石和MgO納米流體傳熱幅度均可增加200%[18]。

3 總結(jié)與展望

目前，冷卻液產(chǎn)品主要為乙二醇型冷卻液，丙二醇由于成本較高而占比較少。未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的開(kāi)發(fā)將向著多功能、環(huán)保型和長(zhǎng)壽命，逐步減少乙二醇比例直至不使用乙二醇作為防凍劑的方向發(fā)展，在保證冷卻液低溫性能的前提下，尋找具有散熱效果好好、熱安定性好、抗腐蝕性好的環(huán)境友好型防凍劑。丙二醇型無(wú)水冷卻液和納米流體冷卻液作為新近發(fā)展的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)換熱介質(zhì)，在毒性、沸點(diǎn)、冰點(diǎn)、傳熱、防腐等方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能，特別是在高溫性能和傳熱性能等方面分別具有各自的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)有廣闊的發(fā)展前景[9]。