具有高熱輻射性能的散熱塗料的製作方法
2023-06-09 08:46:21 1
具有高熱輻射性能的散熱塗料的製作方法
【專利摘要】高發射塗料包括具有不同官能團的有機材料、一種或多種無機材料和任選的其他塗料性能調節劑。塗料的紅外吸收範圍源自有機官能團如C-C、C-H、N-H、C-N、C-O和C-X基團和一種或多種無機材料。一種或多種無機材料也可以存在為微米或納米尺寸微粒。
【專利說明】具有高熱輻射性能的散熱塗料
【技術領域】
[0001]本發明涉及散熱塗料。更具體地，本發明涉及具有高熱發射率的塗料，其可被直接施加在基底表面上用於迅速移除熱。
【背景技術】
[0002]由於對增加電子器件的功率和效率的需求，器件上的熱密度迅速增加，導致損壞器件的可能性增加。因此，從功能器件上移除熱已經在工業中變成關鍵性的。
[0003]例如，在太陽能工業中，光伏(PV)模塊的運行溫度是決定器件的轉換效率的關鍵因素。對於25°C以上的每1°C，電力輸出下降大約0.4%到0.5%。典型的屋頂PV陣列可以在大約55°C到75°C運行，這意味著電力輸出可能在銘牌定額以下大約12%到25%。
[0004]在另一個實例中，發光二極體(LED)已經引起了作為傳統燈泡的潛在替代物的增長的興趣。然而，與PV模塊相同，LED性能受升高的運行溫度影響。例如，高接合點溫度可引起效率損失，LED壽命縮短和顏色退化。這可能是有問題的，因為通常用於驅動LED的能量的大約75%到85%轉化為熱。在常規環境條件下的恆定運行下，LED中的接合點溫度可能是60°C或者更高，這意味著LED的光輸出量可能在器件的定額以下10%到50%。
[0005]三種常見機制(傳導、對流和輻射)對於從器件移除熱是有用的。在傳導的情況中，通過固體中的電子或通過聲子-聲子相互作用，能量被原子晶格運送。導熱膏和導熱墊基於此機制運行。在對流的情況中，通常將熱的器件與冷的液體或氣體流接觸。熱從熱的器件轉移到冷的液體或氣體，該冷的液體或氣體被運走並且用更冷的液體或氣體代替。這些系統經常需要專用的系統以控制冷卻液體或氣體的流動，並且潛在地需要額外的部件如散熱片或風扇。這種系統的使用是笨拙的並且昂貴的。進一步地，當高溫表面的面積大時，使用對流用於有效的冷卻實際上是不可能的。最後，在熱輻射的情況中，通過電磁波或光子照射散熱，而不需要介質從表面轉移熱。熱輻射機制通常用於高溫應用，例如在750°C或以上。例如，高發射率塗層已經被報導用作加熱爐內塗層。
【發明內容】
[0006]第一方面，示出了熱發射塗料。在一些實施方式中，本發明的熱發射塗料包括多種有機材料，其包括滷代烴或具有選自下列的官能團:胺、烷基、羥基、環氧基、羧酸和乙烯基；和在大約I到40 μ m的範圍內熱吸收的無機材料。
[0007]在一些實施方式中，選擇多種有機材料和至少一種無機材料，使得熱發射塗料跨越大約2到15 μ m的基本上全部範圍吸收。在一些實施方式中，選擇多種有機材料和至少一種無機材料，使得熱發射塗料跨越大約2到40 μ m的基本上全部範圍吸收。在一些實施方式中，選擇多種有機材料和至少一種無機材料，使得熱輻射塗料跨越大約I到50 μ m的大部分範圍吸收。
[0008]在一些實施方式中，多種有機材料包括下列的一種或多種:丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化環氧豆油(acrylated epoxylated soybean oil)和腦氨酸。[0009]在 一些實施方式中，無機材料包括微粒的或納米微粒的無機材料。
[0010]在一些實施方式中，無機材料包括下列的一種或多種:炭黑、石墨、木炭粉和活性炭。
[0011]在一些實施方式中，無機材料包括下列的一種或多種:金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和金屬磷化物。在一些實施方式中，無機材料包括下列的一種或多種:釉面磚和鏽鐵(rusted iron)。在一些實施方式中,無機材料包括下列的一種或多種:氧化f凡、石英、氧化招和氧化鋪。
[0012]在一些實施方式中，有機材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化環氧豆油和脯氨酸。在一些相關的實施方式中，熱發射塗料是按重量計20%的丁二烯-苯乙烯、按重量計30%的丙烯酸酯化環氧豆油和按重量計10%的脯氨酸。在一些相關的實施方式中，無機材料包括氧化釩和活性炭。在一些進一步相關的實施方式中，塗料是按重量計20%的丁二烯-苯乙烯、按重量計30%的丙烯酸酯化環氧豆油、按重量計10%的脯氨酸、按重量計30%的氧化鑰;和按重量計10%的活性炭。
[0013]在一些實施方式中，塗料具有大於或等於大約90%的發射率，例如大於或等於大約92%、大於或等於大約95%、大於或等於大約97%、或甚至大約100%。
[0014]在一些其他實施方式中，本發明的熱發射塗料包括多種有機官能團，使得多種有機官能團跨越大約2到15 μ m的基本上全部範圍熱吸收；和在大約I到40 μ m的範圍內熱吸收的無機材料。
[0015]在一些相關的實施方式中，多種有機官能團和無機材料跨越大約2到40 μ m的基本上全部範圍熱吸收。在一些相關的實施方式中，多種有機官能團和無機材料跨越大約I到50 μ m的大部分範圍熱吸收。
[0016]在一些實施方式中，多種有機官能團包括下列的三個或更多:胺、烷基、羥基、環氧基、竣酸和乙烯基。
[0017]在一些實施方式中，無機材料包括下列的一種或多種:金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和金屬磷化物。
[0018]如本文所用，術語「大約」在數量術語中指的是加或減10%。例如，「大約3%」將包括2.7-3.3%和「大約10%」將包括9-11%。此外，在本文中與數量術語結合使用「大約」之處，應當理解除了加或減10%的值之外，數量術語的準確值也被預期和描述。例如，術語「大約3%」清楚地預期、描述並且準確地包括3%。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1示出了各種有機官能團的紅外吸收的近似波長範圍。
[0020]圖2示出了各種無機材料的紅外吸收的近似波長範圍。
[0021]圖3圖解了由於包含微粒的無機材料塗料的表面積的增加。塗料塗層表面A不包括微粒物質；塗料塗層表面B包括。
【具體實施方式】
[0022]本發明的各種實施方式提供了熱塗料，當其被塗覆在表面上時有利於從表面移除熱，而不使用任何進一步的附屬器件如散熱片或風扇。原則上，熱塗料利用熱輻射的機制，其中通過電磁波或光子照射散熱，而不需要介質從表面轉移熱。
[0023]本發明的熱發射塗料不僅可容易地用於專用的小表面面積，而且可用於大表面面積應用，比如用於太陽能電池板背面散熱和LED背面散熱。
[0024]有時，本發明在此根據這些實例環境進行描述。提供根據這些環境的描述以允許本發明的各種特徵和實施方式在示例性應用的背景下進行描繪。閱讀此描述後，對本領域普通技術人員來說如何在不同的和可選的環境中實施本發明將變得明顯。
[0025]在熱力學中，在溫度T的體輻射電磁能。在熱力學平衡中的絕對黑體吸收撞擊其的所有輻射能，並且根據溫度T的輻射發射功率的唯一定律輻射能量，這對於所有絕對黑體是普遍的。熱輻射的基爾霍夫定律是這種行為的數學描述。基爾霍夫定律的一個推論是對於在熱力學平衡中任意的發射和吸收熱輻射的體，發射率(體多麼接近於絕對黑體的無量綱比)等於體的吸收率。因此，對於具有高發射率的材料，它們也必須具有高吸收率。
[0026]塗料中的熱吸收率可能受材料組成的影響。例如，現有技術(上面提到的)的高溫高發射率塗料包括在光譜的紅外區域中吸收的無機材料。使用這些無機材料，因為預期的運行溫度如此高以致在運行期間只有無機材料經受得起。本發明的塗料不同，因為它們的預期的運行溫度低得多(例如，低於大約250°C )，這允許使用所選擇的有機材料以增強熱吸收。因此，本發明的塗料包括在電磁光譜的紅外區域中顯示吸收的所選擇的有機材料。
[0027]如圖1中所示，不同的有機官能團在紅外光譜內的不同的波長範圍處吸收。為了提高熱吸收率，期望塗料包括具有覆蓋紅外光譜的大部分——如果不是所有——的吸收波長範圍的材料。因此，在一些實施方式中，本發明的塗料包括一種或多種有機種類，使得多種官能團存在於塗料中。在這些實施方式中，選擇一種或多種有機種類，以便存在於塗料中的官能團具有不同的紅外吸收波長範圍，因此提供了跨越紅外範圍中的各種波長吸收的塗料。
[0028]例如，一些實施方式包括有機胺基團(N-H，吸收=大約2.9-4.2 μ m ;C_N，吸收=大約4.4 - 6.1 μ m)，例如具有以下結構的胺:
[0029]
【權利要求】
1.熱發射塗料，包括: 多種有機材料，其包括滷代烴或具有選自下列的官能團:胺、烷基、羥基、環氧基、羧酸和乙烯基；和 無機材料，其在大約I到40 μ m的範圍內熱吸收。
2.權利要求1所述的熱發射塗料，其中選擇所述多種有機材料和至少一種無機材料，使得所述熱發射塗料跨越大約2到15 μ m的基本上全部範圍吸收。
3.權利要求1所述的熱發射塗料，其中選擇所述多種有機材料和至少一種無機材料，使得所述熱發射塗料跨越大約2到40 μ m的基本上全部範圍吸收。
4.權利要求1所述的熱發射塗料，其中選擇所述多種有機材料和至少一種無機材料，使得所述熱發射塗料跨越大約I到50 μ m的範圍的大部分吸收。
5.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述多種有機材料包括下列的一種或多種:丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化環氧豆油和脯氨酸。
6.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括微米微粒的無機材料或納米微粒的無機材料。
7.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括下列的一種或多種:炭黑、石墨、炭粉和活性炭。
8.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括下列的一種或多種:金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和金屬磷化物。
9.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括下列的一種或多種:釉面磚和鎊鐵。
10.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括下列的一種或多種:氧化釩、石英、氧化鋁和氧化銻。
11.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述有機材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化環氧豆油和脯氨酸。
12.權利要求11所述的熱發射塗料，其中所述塗料是按重量計20%的丁二烯-苯乙烯、按重量計30%的丙烯酸酯化環氧豆油和按重量計10%的脯氨酸。
13.權利要求11所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括氧化釩和活性炭。
14.權利要求13所述的熱發射塗料，其中所述塗料是按重量計20%的丁二烯-苯乙烯、按重量計30%的丙烯酸酯化環氧豆油、按重量計10%的脯氨酸、按重量計30%的氧化釩和按重量計10%的活性炭。
15.權利要求1所述的熱發射塗料，其中所述塗料具有大於或等於大約90%的發射率。
16.熱發射塗料，其包括: 多種有機官能團，使得跨越大約2到15 μ m的基本上全部範圍多種熱吸收；和 和無機材料，其在大約1到40 μ m的範圍內熱吸收。
17.權利要求16所述的熱發射塗料，其中所述多種有機官能團和無機材料跨越大約2到40 μ m的基本上全部範圍熱吸收。
18.權利要求16所述的熱發射塗料，其中所述多種有機官能團和無機材料跨越大約I到50 μ m的範圍的大部分熱吸收。
19.權利要求16所述的熱發射塗料，其中所述多種有機官能團包括下列的三種或更多種:胺、烷基、羥基、環氧基、竣酸和乙烯基。
20.權利要求16所述的熱發射塗料，其中所述無機材料包括下列的一種或多種:金屬氧化物、金屬硫化物、金屬氮化物和金屬磷化物。
【文檔編號】C09D7/12GK103917610SQ201280051406
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年10月19日 優先權日:2011年10月19日
【發明者】S·陳, N-C·李 申請人:銦泰公司