具有高鋁或鎳表面面積水平的部件的水基冷卻的製作方法

2023-08-03 04:09:21 1

專利名稱：具有高鋁或鎳表面面積水平的部件的水基冷卻的製作方法
具有高鋁或鎳表面面積水平的部件的水基冷卻
背景技術：
鋁是一種適合在多種航天部件中使用的金屬。鋁具有低密度同時擁有高強度重量t匕。鋁還具有耐久性和延展性，後一種性質使其能夠用在多種成形部件中。由於這些性質，鋁及其合金對於航天部件至關重要。鎳由於其天然的抗腐蝕性、熱傳導性和鍍層能力，也是適合用於航天部件的金屬。鋁和鎳尤其是適合航天冷卻系統部件的金屬。這些部件包括冷卻板、換熱器、冷卻劑傳輸管線及冷卻系統中的其他部件。水基冷卻劑由於其高的熱性能、低粘度及通常的低成本適合用在航天冷卻系統中。不過，當與具有高鋁表面面積的部件結合時，水基冷卻劑表現出顯著的材料適應性問題。即，當前可商購的水基冷卻劑腐蝕鋁的溼表面。這些問題特別集中於流限制部件，鋁腐蝕產物會在所述部件處限制或阻塞冷卻劑流。雖然一些可商購的水基冷卻劑表現得比別的更好，但它們並不是設計與表面區域含有高比例鋁的部件相適應的。當前的冷卻劑是設計用於非航天應用，諸如汽車散熱器，並不含有在許多航天冷卻系統部件中使用的高含量的鋁。所以，當前冷卻劑對高鋁表面面積的應用沒有提供足夠的抗腐蝕性。另外，非航天部件典型地含有其他金屬，諸如銅或碳鋼。選擇用於與含銅或碳鋼的部件一起使用的冷卻劑通常含有特別適於那些金屬的另外的防腐蝕劑。不幸的是，這些另外的防腐蝕劑會在航天應用中造成汙染並加速鋁腐蝕。 上面所描述的問題也影響到含鎳的部件。因此，有必要為含有高量鋁和鎳表面面積的航天部件提供充分抗腐蝕的水基冷卻劑。

發明內容
一種冷卻系統包括鋁或鎳表面以及水基冷卻劑。所述水基冷卻劑具有在8和9之間的pH值並包括約35%重量到65%重量的丙二醇、約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約
0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。一種冷卻含有鋁或鎳的部件表面的方法包括將水基冷卻劑輸送到所述部件表面並使用所述水基冷卻劑冷卻所述部件表面。所輸送的水基冷卻劑具有在8和9之間的pH值並包括約35%重量到約65%重量的丙二醇、約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.5%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.5%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。一種水基冷卻劑包括約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。所述水基冷卻劑以約4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。


圖1是使用冷卻系統的換熱器的示意圖。圖2是冷卻系統圖。
具體實施例方式本發明提供一種冷卻系統，一種冷卻鋁或鎳表面的方法以及一種水基冷卻劑，所有這些使得能夠水基冷卻具有高鋁或鎳表面面積的部件。所述系統及方法中使用的水基冷卻劑一般包括丙二醇、2-乙基己酸、癸二酸、苯甲酸和鑰酸鹽氧離子(molybdateoxyanion)。「鋁」是指純鋁及鋁合金(例如，鋁為主要金屬的合金)。「鎳」是指純鎳及鎳合金(例如，鎳為主要金屬的合金)。儘管本公開特指對鋁表面的腐蝕抑制劑，同樣的概念也作用於鎳表面。依賴於要求冷卻的部件或系統的溫度和特定功能，所述部件或系統可包含同時帶有大量鋁和鎳二者的表面。許多航天部件比相似的地面部件包含更高水平的鋁。鋁的好處(高強度重量比、耐久性、延展性)使許多航天部件的尺寸得以降低。例如，鋁微通道換熱器可用於替代較大的常規換熱器。與常規換熱器相比時，微通道換熱器佔據更小的體積並提供改善的傳熱效率。換熱器的更小的體積和鋁的低密度也有助於降低系統的整體重量，該整體重量通常被視為航空器和太空飛行器的關鍵設計參數。更小的體積經常伴有部件表面之間更小的間隙及冷卻劑流路內更小的空隙。在一些鎳換熱器內，鰭片之間的空隙僅是約0.5mm(0.020英寸)而在鋁冷卻板內相似的空隙可能低至約0.6mm (0.025英寸)。流控制閥可以具有小至約0.3mm (0.012英寸)的空隙，並且泵在軸襯和軸之間可具有約0.025mm (0.001英寸)和約0.04mm (0.0015英寸)之間的間隙。這些減少的間隙和空隙對冷卻劑沉澱物和鋁腐蝕產物更為敏感。水基冷卻劑內的沉澱物和被移除的腐蝕產物會堵塞這些小空隙以阻礙、限制或堵塞冷卻劑流。本發明中所用的水基冷卻劑不但必須對於鋁表面提供足夠抗腐蝕性，而且必須最小化冷卻劑本身內的沉澱物的風險。太空飛行器冷卻系統尤其包含具有高鋁表面面積的部件。冷卻系統部件包括冷卻板、換熱器和流體傳輸管線。換熱器包括鰭片、冷卻通道和製冷劑歧管。這些部件的每一個都可由鋁製成或者包含鋁。另外，冷卻系統可能包含其他具有與冷卻劑流接觸的鋁表面的部件。 這些冷卻系統和其 他航天部件包含具有大量鋁的表面。在航天應用中，鋁表面面積的量可遠大於在相似的地面應用中的量。航天冷卻系統可以包含十倍於汽車或地熱應用中所用冷卻系統的鋁表面面積。此增加的表面面積導致鋁表面和冷卻劑體積的比率更大。例如，在一個特定的航天應用中，鋁表面面積和冷卻劑體積的比率在流動系統中約為每mL冷卻劑4.7cm2鋁表面面積(每立方英寸12平方英寸)而在靜態條件下為約34.6cm2/mL (每立方英寸88平方英寸)。與此相比，要求最高的地面應用(太陽能及地熱應用的冷卻系統)估計具有的鋁表面面積和冷卻劑體積的比率在流動系統中約為0.04cm2/mL (每立方英寸0.1平方英寸)而在靜態條件下約為0.39cm2/mL (每立方英寸0.99平方英寸)。汽車應用的鋁表面面積和冷卻劑體積的比率的數量級被估計為小於太陽能和地熱應用的數量級。表面面積對冷卻劑體積的巨大差異解釋了為什麼常規的、可商購的水基冷卻劑對於用在包含高鋁表面面積的航天應用中不是最優的選擇，並解釋了為什麼需要更專用的水基冷卻劑。儘管本文所述的水基冷卻劑也可以在鋁表面面積和冷卻劑體積的比率低的地面應用中使用，它還是尤其適合用於鋁表面面積和冷卻劑體積的比率大於等於每mL冷卻劑約1.0cm2鋁表面面積的應用。
水基冷卻劑擁有很多有吸引力的特性。首先，水具有高熱容，使其對於傳熱應用是一種理想的冷卻劑。第二，與其他液體冷卻劑相比，水通常更加易於獲得和易於產生。而且，水是無毒的且通常易於處置，並且去離子水具有相對低的導電性。水基冷卻劑通常含有防凍劑以使冷卻劑能夠承受低於0°c的溫度並含有一種或多種添加劑以降低水所顯現的腐蝕的潛在可能。本發明中使用的水基冷卻劑通常包括在約35重量百分比(35%重量)和約65重量百分比(65%重量)之間的水。丙二醇即為防凍劑的一例。丙二醇是一種分子式為C3H8O2或H0-CH2-CH0H-CH3的二醇。丙二醇是一種清澈粘性液體，該液體易吸水、可與水混溶且是熱穩定的。與乙二醇類似，當與水混合時由於氫鍵的斷裂，丙二醇的凝固點下降，因而丙二醇起到防凍劑的作用。與乙二醇不同，丙二醇具有一般的低毒性，使其更適合某些應用。本發明中所使用的水基冷卻劑通常包括在約35重量百分比和約65重量百分比之間的丙二醇。2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸都是有機酸，並且作為所述水基冷卻劑的成分在抑制鋁表面的腐蝕方面特別有效。2-乙基己酸是一種分子式為CH3 (CH2) 3CH(C2H5) CO2H的一元羧酸。它在水中的可溶性低但在許多有機溶劑中是可溶的。癸二酸是一種分子式為(HOOC)(CH2)8(COOH)的二羧酸。癸二酸是蓖麻油的天然出現的衍生物並有低水溶性。苯甲酸是一種分子式為C7H6O2 (或C6H5COOH)的芳香族一元羧酸。當這些有機酸的每一種出現在循環通過冷卻系統的水基冷卻劑中時，所述有機酸就在冷卻系統表面「建立起來(build up)」。所述有機酸附著到鋁(或·其它金屬)表面並形成保護膜。一旦這些有機酸在所述表面上形成保護膜，所述膜就充當防止表面腐蝕(即電化學氧化)的保護層。所述保護膜通常隨時間過去逐漸地形成，而不是立即形成。申請人:已經發現這三種有機酸的某些組合物協同地為鋁表面提供優越的腐蝕抑制。通過一系列實驗，申請人發現比例約為4:1:1的2-乙基己酸:癸二酸:苯甲酸提供一種利用了有機酸協同組合物的水基冷卻劑。在示例性實施例中，本發明中所使用的水基冷卻劑通常包括在約1.0重量百分比和約4.0重量百分比之間的2-乙基己酸，並且更優選地，在約1.5重量百分比和約2.5重量百分比之間的2-乙基己酸。在示例性實施例中，本發明中所使用的水基冷卻劑通常包括在約0.25重量百分比和約1.0重量百分比之間的癸二酸，並且更優選地，在約0.35重量百分比和約0.75重量百分比之間的癸二酸。在示例性實施例中，本發明中所使用的水基冷卻劑通常包括在約0.25重量百分比和約1.0重量百分比之間的苯甲酸，並且更優選地，在約0.35重量百分比和約0.75重量百分比之間的苯甲酸。在一個示例性實施例中的水基冷卻劑包含約2.0重量百分比的2-乙基己酸、約0.5重量百分比的癸二酸和約0.5重量百分比的苯甲酸。鑰酸鹽氧離子是一種快速作用的無機腐蝕抑制劑。上面所列出的有機酸花費時間在鋁表面上建立起保護膜。水基冷卻劑中存在的鑰酸鹽氧離子則在有機酸逐漸附著到鋁表面並形成保護膜同時立即提供腐蝕抑制。鑰酸鹽氧離子也改善了羧酸鹽流體的腐蝕保護；有人相信這是由於有助於保護膜的附著及形成而出現的。可以使用鹼金屬鑰酸鹽、鹼土鑰酸鹽(alkali earth molybdate)、鑰酸銨和有機鑰酸鹽化合物向溶液中提供鑰酸鹽氧離子。示例性的鑰酸鹽氧離子來源是鑰酸鈉。鑰酸鈉是一種分子式為NhMoO4的非氧化陽極抑制劑。鑰酸鈉經常以二水合物(Na2MoO4.2H20)的形式出現。在示例性實施例中，本發明中所使用的水基冷卻劑通常包括在約0.03重量百分比和約0.1重量百分比之間的鑰酸鹽氧離子，並且更優選地，在約0.05重量百分比和約0.075重量百分比之間的鑰酸鹽氧離子。在一個示例性實施例中，水基冷卻劑包含約0.06重量百分比的鑰酸鈉。調整水基冷卻劑的pH值使得有機酸和鑰酸鹽氧離子達到最佳可溶度並使它們的效果最大化。所述PH值通常在有機酸和鑰酸鹽氧離子被引入水基冷卻劑之後調節。在示例性實施例中，本發明所使用的水基冷卻劑通常具有在8和9之間，並且更優選地在8.25和8.75之間的pH值。在一個示例性實施例中，水基冷卻劑具有在約8.4和8.6之間的pH值。在示例性實施例中，使用氫氧化鉀調節水基冷卻劑的PH值。氫氧化鉀能夠調節並緩衝水基冷卻劑的PH值，同時幫助溶液免於沉澱。其他緩衝劑，諸如氫氧化鋰、硼酸鈉和碳酸鈉/重碳酸鈉，要麼不能在期望範圍內調節及緩衝PH值，要麼顯示出會導致可溶性或沉澱問題。由於在一些航天應用中的高鋁表面面積，水基冷卻劑中會省略一些常用的添加齊U。例如，在航天應用中通常不使用諸如銅或碳鋼這樣的材料。因此，水基冷卻劑不需包含專門抑制這些材料腐蝕的添加劑。沒有這些添加劑使得從水基冷卻劑中免除了它們潛在的不必要影響。比如，已發現唑(azole)和亞硝酸鹽對模擬航天應用中的表面有潛在的損害。唑/有機酸反應產物被懷疑會對冷卻系統中使用的過濾器產生汙垢。在具有高鋁表面面積的系統中，亞硝酸鹽會還原為氨並使水基冷卻劑的pH值偏移到高於其有效範圍。更高的pH值還會導致冷卻劑和鋁表面不利的反應。通過省去這些不必要的添加物，就消除了它們相關的不必要的潛在影響。在示例性實施例中，水基冷卻劑基本上沒有唑和亞硝酸鹽。在本發明的一個實施例中，一種冷卻系統包括鋁或鎳表面及上面所描述的水基冷卻劑。在示例性實施例中，水基冷卻劑具有在8和9之間的pH值並包含約35%重量到約65%重量的丙二醇、約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。在一個更加示例性的實施例中，水基冷卻劑具有8.25和8.75之間的pH值並包含約1.5%重量到約2.5%重量的2-乙基己酸、約0.35%重量到約0.75%重量的癸二酸、約0.35%重量到約0.75%重量的苯甲酸以及約0.05%重量到約0.075%重量的鑰酸鹽氧離子。在進一步示例性的實 施例中，水基冷卻劑具有在8.4和8.6之間的pH值並包含約2.0%重量的2-乙基己酸、約0.5%重量的癸二酸、約0.5%重量的苯甲酸以及約0.06%重量的鑰酸鈉。冷卻系統的示例性實施例包括沒有唑及亞硝酸鹽的水基冷卻劑。圖1示出本發明的冷卻系統的一個實施例的示意圖。換熱系統10包括熱源12、泵
14、換熱器16、流控制裝置18和流體儲池20。一般來說，泵14泵送流體通過換熱系統10。通過換熱系統10的流體流受泵14和流控制裝置18的控制。流體經由流體儲池20加到換熱系統10或從換熱系統10去除。換熱器16是用於冷卻換熱系統10內的流體的冷卻型換熱器。換熱器16與冷卻劑迴路22流體連通。由於上面所述的原因，換熱系統10的一個或多個部件，諸如泵14、換熱器16、流控制裝置18或冷卻劑迴路22包含具有高鋁和/或鎳表面面積的表面。由於在換熱系統10的部件中出現大量的鋁和/或鎳，當使用常規的水基冷卻劑時，部件表面受到腐蝕並出現前面提到的問題。為了冷卻這些部件表面並防止不希望的腐蝕，換熱系統10包含上面描述的水基冷卻劑。圖2示出構件24的放大圖，其具有被水基冷卻劑冷卻的表面26。構件24包括鰭片、冷卻板、閥表面、泵表面以及換熱系統10的可能接觸水基冷卻劑的任何其他表面。水基冷卻劑經由冷卻劑通道28被輸送並引導到構件24的表面26。在本發明的另一實施例中，一種冷卻含有鋁或鎳的部件表面的方法包括將水基冷卻劑輸送到部件表面並使用該水基冷卻劑冷卻該部件表面。在示例性實施例中，水基冷卻劑與上面關於冷卻系統所描述的實施例相同。本發明還提供一種用於在鋁或鎳表面面積和冷卻劑體積的比率高的應用中冷卻並減少潛在腐蝕的水基冷卻劑。所述水基冷卻劑包含約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。儘管已關於示例性實施例描述了本發明，但本領域技術人員應理解在不偏離本發明的範圍的情況下可作出各種變化並且其元件可用等同物替代。另外，可以在不偏離本發明本質範圍的情況下作出修改以使特定的情況或材料適應本發明的教導。因此，所意圖的是，本發明不限於所公開的具體實施例，而是本發明將包括落在所附權利要求範圍內的所 有實施例。
權利要求
1.一種冷卻系統，包括: 鋁或鎳表面；和 具有在8和9之間的pH值的水基冷卻劑，所述水基冷卻劑包括: 約35%重量到約65%重量的丙二醇； 約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸； 約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸； 約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸；和 約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子。
2.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述鋁或鎳表面是從由冷卻板、換熱器和冷卻劑管線組成的組中選擇的裝置的部件。
3.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述水基冷卻劑基本上沒有唑和亞硝酸鹽。
4.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述冷卻系統含有鋁表面，並且鋁表面面積和水基冷卻劑體積的比率大於等於約1.0cmVmL。
5.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述冷卻系統含有鎳表面，並且鎳表面面積和水基冷卻劑體積的比率大於等於約1.0cmVmL。
6.如權利要求1所述的冷凍系統,其中,所述水基冷卻劑以約4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
7.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述水基冷卻劑還包括: 足以將所述水基冷卻劑的PH值調節並緩衝在8.4和8.6之間的一定量的氫氧化鉀。
8.如權利要求1所述的冷卻系統，其中，所述水基冷卻劑具有在8.25和8.75之間的pH值並包括: 約1.5%重量到約2.5%重量的2-乙基己酸； 約0.35%重量到約0.75%重量的癸二酸； 約0.35%重量到約0.75%重量的苯甲酸；和 約0.05%重量到約0.075%重量的鑰酸鹽氧離子。
9.如權利要求8所述的，其中，所述水基冷卻劑具有在8.4和8.6之間的pH值並包括: 約2.0%重量的2-乙基己酸； 約0.5%重量的癸二酸； 約0.5%重量的苯甲酸；和 約0.06%重量的鑰酸鈉。
10.一種冷卻含鋁或鎳的部件表面的方法，所述方法包括: 將PH值在8和9之間的水基冷卻劑輸送到所述部件表面，所述水基冷卻劑包括: 約35%重量到約65%重量的丙二醇； 約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸； 約0.5%重量到約1.0%重量的癸二酸； 約0.5%重量到約1.0%重量的苯甲酸；和 約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子；以及 使用所述水基冷卻劑冷卻所述部件表面。
11.如權利要求10所述的方法，其中，所述部件選自由冷卻板、換熱器和冷卻劑管線組成的組。
12.如權利要求10所述的方法，其中，所述水基冷卻劑基本上沒有唑和亞硝酸鹽。
13.如權利要求10所述的方法，其中，所述部件表面含有鋁，並且其中，所述部件表面的鋁表面面積和水基冷卻劑體積的比率大於或等於約1.0cmVmL。
14.如權利要求10所述的方法，其中，所述部件表面含有鎳，並且其中，所述部件表面的鎳表面面積和水基冷卻劑體積的比率大於或等於約1.0cmVmL。
15.如權利要求10所述的方法，其中，所述水基冷卻劑以約4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
16.如權利要求10所述的方法，其中，所述水基冷卻劑具有在8.25和8.75之間的pH值並包括: 約1.5%重量到約2.5%重量的2-乙基己酸； 約0.35%重量到約0.75%重量的癸二酸； 約0.35%重量到約0.75%重量的苯甲酸；和 約0.05%重量到約0.075%重量的鑰酸鹽氧離子。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述水基冷卻劑具有在8.4和8.6之間的pH值並包括: 約2.0%重量的2-乙基己酸； 約0.5%重量的癸二酸； 約0.5%重量的苯甲酸；和 約0.06%重量的鑰酸鈉。
18.一種水基冷卻劑，包括: 約35%重量到約65%重量的丙二醇； 約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸； 約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸； 約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸；和 約0.03%重量到約0.1%重量的鑰酸鹽氧離子； 其中，所述水基冷卻劑以約4:1:1的比例含有2-乙基己酸、癸二酸和苯甲酸。
19.如權利要求18所述的水基冷卻劑，還包括: 足夠將所述水基冷卻劑的PH值設置在8.4和8.6之間的一定量氫氧化鉀。
20.如權利要求18所述的水基冷卻劑，其中，所述水基冷卻劑基本上沒有唑和亞硝酸鹽。
全文摘要
本發明涉及具有高鋁或鎳表面面積水平的部件的水基冷卻，具體地，一種用於在鋁或鎳表面面積和冷卻劑體積的比率高的應用中冷卻並降低潛在腐蝕的水基冷卻劑具有在8和9之間的pH值並包括約35%重量到約65%重量的丙二醇、約1.0%重量到約4.0%重量的2-乙基己酸、約0.25%重量到約1.0%重量的癸二酸、約0.25%重量到約1.0%重量的苯甲酸以及約0.03%重量到約0.1%重量的鉬酸鹽氧離子。一種冷卻系統包括鋁或鎳表面以及所述水基冷卻劑。一種冷卻含鋁或鎳的部件表面的方法包括將所述水基冷卻劑輸送到所述部件表面並使用所述水基冷卻劑冷卻所述部件表面。
文檔編號C09K5/10GK103160246SQ20111040821
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年12月9日
發明者J.W.斯蒂爾, D.M.貝林格, M.R.賈沃羅夫斯基, J.D.瓦西克, J.莫倫斯, B.塔爾 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德空間系統國際有限公司