冷却液发展及应用综述

毛纪昕，胡建强，郭 力，郑全喜

(空军勤务学院航空军需与燃料系，江苏徐州 221000)

随着电子芯片高频化，高功率化发展，设备工作的主频越来越快，工作功率越来越大，散发出的热量也越来越多[1-4]。早期采用的空气冷却技术因其效率低，适应性差被逐渐淘汰，用冷却液作为冷却介质的液冷技术广受人们的青睐[5-7]。

1 冷却液的组成及功能

冷却液是指在冷却系统循环工作的介质，又叫做防冻液，主要是用于带走发动机或其他机械在工作过程中产生的热量，保证机械正常运行的一种液体。发动机冷却液的组成包括基础液和多种添加剂，添加剂主要包括金属抗腐蚀剂、抗泡抑制剂、管路防垢剂和液体荧光剂等[8-10]。

2 冷却液的发展及应用

冷却液的主要功能就是冷用冷却介质带走机械工作中产生的多余热量，同时又保证自身不在低温下冻结失效。冷却液中通常加入大量的蒸馏水，因为水的比热容大，散热效果好，但由于其冰点较高，在低温下工作容易冻结，所以为了降低其冰点，常常加入无机盐作为防冻剂，如NaCl，MgCl2，FeCl3等氯化物来降低冰点，使用效果明显，但是氯元素较为活泼，容易与接触到的金属表面发生反应，对黄铜、低碳钢和铸铁这些金属材料造成严重腐蚀，所以没有得到广泛应用。但是随着设备材料的不断发展和冷却液成本增加等因素，也有学者继续研究含氯防冻剂[11-13]。后来也有研究者将蜂蜜、蔗糖、淀粉等天然有机物作为防冻剂进行试验，但这些天然有机物热稳定性较差[14]，不能很好的降低冰点。

后来，甲醇、乙醇的效果因降低冰点效果好，与水的相溶性也非常好，因此被用作醇类冷却液的防冻剂。但是由于二者都是低沸点、易挥发、易燃的物质，并且甲醇还具有毒性大，不方便储存的缺点，所以应用难以推广。

后来醇类防冻剂发展有二乙二醇、乙二醇、丙二醇、丙三醇及混合型等类型。

跟之前的甲醇和乙醇相比，丙三醇具有闪点高、沸点高、不易挥发、毒性低的特点[15]。因此也作为防冻剂使用在冷却液中。但不足的是丙三醇会引起冷却液黏度增加，散热效果降低：并且在冷却液中容易受热分解，制造成本也较高，所以没有被广泛应用[16]。

目前乙二醇是应用最为普遍的冷却液防冻剂，它的具有沸点高、冰点低、防腐、防水垢、流动性好等特点[17-18]，因而得到人们的青睐。

虽然乙二醇各项性能较为优异，但对于人体和环境均具有一定的毒性。为了解决这一问题，许多国家采用丙二醇替代乙二醇，目前丙二醇型冷却液在市场应用逐步扩大。跟乙二醇相比，丙二醇在抗气穴腐蚀、与橡胶相容性、环境友好性、可生物降解性等方面要明显优于乙二醇[19]。虽然丙二醇优点较多，但生产成本高，尽管世界各国政府政府在大力提倡和推广，但只有一些环保意识较强，并且经济实力较好的国家使用丙二醇型冷却液。现在，美国防冻液的使用比例中，超过10%是丙二醇防冻液，而且其使用率还在逐渐增长[20]。目前，国内的丙二醇型冷却液的研发报道非常少，距离广泛推广还有很长的路要走[21]。

如果冷却液中有水分存在，无机盐添加剂与有机添加剂之间会发生一系列复杂的化学反应，会使得冷却液的使用性能下降，储存寿命缩短。并且，在使用过程中，一些外来物质进入冷却系统，会与水形成腐蚀性溶液会促进冷却系统的腐蚀。相反，无水型冷却液具有较低的冰点和较高的沸点，还有优异的防腐蚀性能和抗气蚀性能，十分有利于发动机在高负荷条件下运行[22]。因此，能够将水分去除，实现终生免更换的无水冷却液受到了人们的追捧，成为研究的热点[23]。作为美国陆军坦克机动车辆与武器司令部的合作伙伴，Evans冷却系统公司在20世纪90年代开发出无水丙二醇冷却液(爱温无水冷却液)。据报道，美国Evans冷却系统公司生产的无水丙二醇冷却液(NPG)，在海湾战争中美军战车及运输车辆的发动机冷却系统上已有使用，实际应用表明无水丙二醇冷却液使用性能较好[24]。国内也有相关研究，杜双飞将不同比例乙二醇和丙二醇复配后与传统含水冷却液进行对比试验，结果表明，乙二醇与丙二醇混合后，其冷却效果几乎不受影响，但是其热损失大大减小，对提高设备的工作效率具有重要作用[25]。

目前，研究者为了提高冷却液的换热能力，提高冷却液的沸点，于1995年首次提出了“纳米流体(Nanofluids)”的概念[26]。纳米流体是由纳米尺度的固体颗粒和基液形成的一种新型的、导热性能优异的传热介质。流体中悬浮的金属或非金属纳米颗粒改变了基液的传输性质和导热性能。纳米粒子(固体)的高导热性配合液体的对流传热，加之纳米粒子在液体中强烈的布朗(Brown)运动，使得纳米流体具有了高效的换热能力，显著提高了液体的传热性能 。

Peyghambarzadeh[27]等人将不同数量的Al2O3纳米颗粒添加到冷却液基液中并测试了其冷却性能，结果表明，纳米流体明显增强了基液的传热能力，在最佳状况下，传热效率增强40%左右。谢华清团队解决了纳米流体品质保障及制备工艺、纳米流体基础物性的测量等问题，研制出了一系列均匀稳定的含铜、金刚石、碳纳米管及氧化镁等纳米颗粒的纳米流体，完成了大量纳米流体冷却液的制备及其热物性测定工作，对纳米流体冷却液在发动机换热器测试平台上的换热性能进行测试，结果表明纳米流体冷却液的换热系数增大，用于发动机换热器时换热效率有所提升。其中金刚石和MgO纳米流体传热幅度均可增加200%[18]。

3 总结与展望

目前，冷却液产品主要为乙二醇型冷却液，丙二醇由于成本较高而占比较少。未来发动机冷却液的开发将向着多功能、环保型和长寿命，逐步减少乙二醇比例直至不使用乙二醇作为防冻剂的方向发展，在保证冷却液低温性能的前提下，寻找具有散热效果好好、热安定性好、抗腐蚀性好的环境友好型防冻剂。丙二醇型无水冷却液和纳米流体冷却液作为新近发展的发动机冷却系统换热介质，在毒性、沸点、冰点、传热、防腐等方面表现出了优异的性能，特别是在高温性能和传热性能等方面分别具有各自的优势，在未来有广阔的发展前景[9]。