冷卻液發展及應用綜述

毛紀昕，胡建強，郭 力，鄭全喜

(空軍勤務學院航空軍需與燃料系，江蘇徐州 221000)

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

1 冷卻液的組成及功能

冷卻液是指在冷卻系統循環工作的介質，又叫做防凍液，主要是用于帶走發動機或其他機械在工作過程中產生的熱量，保證機械正常運行的一種液體。發動機冷卻液的組成包括基礎液和多種添加劑，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 冷卻液的發展及應用

冷卻液的主要功能就是冷用冷卻介質帶走機械工作中產生的多余熱量，同時又保證自身不在低溫下凍結失效。冷卻液中通常加入大量的蒸餾水，因為水的比熱容大，散熱效果好，但由于其冰點較高，在低溫下工作容易凍結，所以為了降低其冰點，常常加入無機鹽作為防凍劑，如NaCl，MgCl2，FeCl3等氯化物來降低冰點，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生反應，對黃銅、低碳鋼和鑄鐵這些金屬材料造成嚴重腐蝕，所以沒有得到廣泛應用。但是隨著設備材料的不斷發展和冷卻液成本增加等因素，也有學者繼續研究含氯防凍劑[11-13]。后來也有研究者將蜂蜜、蔗糖、淀粉等天然有機物作為防凍劑進行試驗，但這些天然有機物熱穩定性較差[14]，不能很好的降低冰點。

后來，甲醇、乙醇的效果因降低冰點效果好，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、易揮發、易燃的物質，并且甲醇還具有毒性大，不方便儲存的缺點，所以應用難以推廣。

后來醇類防凍劑發展有二乙二醇、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，丙三醇具有閃點高、沸點高、不易揮發、毒性低的特點[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，所以沒有被廣泛應用[16]。

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

雖然乙二醇各項性能較為優異，但對于人體和環境均具有一定的毒性。為了解決這一問題，許多國家采用丙二醇替代乙二醇，目前丙二醇型冷卻液在市場應用逐步擴大。跟乙二醇相比，丙二醇在抗氣穴腐蝕、與橡膠相容性、環境友好性、可生物降解性等方面要明顯優于乙二醇[19]。雖然丙二醇優點較多，但生產成本高，盡管世界各國政府政府在大力提倡和推廣，但只有一些環保意識較強，并且經濟實力較好的國家使用丙二醇型冷卻液。現在，美國防凍液的使用比例中，超過10%是丙二醇防凍液，而且其使用率還在逐漸增長[20]。目前，國內的丙二醇型冷卻液的研發報道非常少，距離廣泛推廣還有很長的路要走[21]。

如果冷卻液中有水分存在，無機鹽添加劑與有機添加劑之間會發生一系列復雜的化學反應，會使得冷卻液的使用性能下降，儲存壽命縮短。并且，在使用過程中，一些外來物質進入冷卻系統，會與水形成腐蝕性溶液會促進冷卻系統的腐蝕。相反，無水型冷卻液具有較低的冰點和較高的沸點，還有優異的防腐蝕性能和抗氣蝕性能，十分有利于發動機在高負荷條件下運行[22]。因此，能夠將水分去除，實現終生免更換的無水冷卻液受到了人們的追捧，成為研究的熱點[23]。作為美國陸軍坦克機動車輛與武器司令部的合作伙伴，Evans冷卻系統公司在20世紀90年代開發出無水丙二醇冷卻液(愛溫無水冷卻液)。據報道，美國Evans冷卻系統公司生產的無水丙二醇冷卻液(NPG)，在海灣戰爭中美軍戰車及運輸車輛的發動機冷卻系統上已有使用，實際應用表明無水丙二醇冷卻液使用性能較好[24]。國內也有相關研究，杜雙飛將不同比例乙二醇和丙二醇復配后與傳統含水冷卻液進行對比試驗，結果表明，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，對提高設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，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、導熱性能優異的傳熱介質。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和導熱性能。納米粒子(固體)的高導熱性配合液體的對流傳熱，加之納米粒子在液體中強烈的布朗(Brown)運動，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]等人將不同數量的Al2O3納米顆粒添加到冷卻液基液中并測試了其冷卻性能，結果表明，納米流體明顯增強了基液的傳熱能力，在最佳狀況下，傳熱效率增強40%左右。謝華清團隊解決了納米流體品質保障及制備工藝、納米流體基礎物性的測量等問題，研制出了一系列均勻穩定的含銅、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定工作，對納米流體冷卻液在發動機換熱器測試平臺上的換熱性能進行測試，結果表明納米流體冷卻液的換熱系數增大，用于發動機換熱器時換熱效率有所提升。其中金剛石和MgO納米流體傳熱幅度均可增加200%[18]。

3 總結與展望

目前，冷卻液產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。未來發動機冷卻液的開發將向著多功能、環保型和長壽命，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、抗腐蝕性好的環境友好型防凍劑。丙二醇型無水冷卻液和納米流體冷卻液作為新近發展的發動機冷卻系統換熱介質，在毒性、沸點、冰點、傳熱、防腐等方面表現出了優異的性能，特別是在高溫性能和傳熱性能等方面分別具有各自的優勢，在未來有廣闊的發展前景[9]。