冷却剂

冷却剂是一种物质，通常是液体或气体，用于降低或调节系统的温度。理想的冷却剂具有高热容量、低粘度、低成本、无毒、化学惰性，并且既不会导致也不会促进冷却系统的腐蚀。一些应用还要求冷却剂是电绝缘体。虽然术语冷却剂通常用于汽车和HVAC应用，但在工业加工中，传热流体是一个更常用于高温和低温制造应用的技术术语。该术语还涵盖切削液。工业切削液大致分为水溶性冷却液和纯切削液。水溶性冷却剂是水包油乳液。它具有来自零油（合成冷却剂）的不同油含量。这种冷却剂可以保持其相态并保持液态或气态，也可以经历相变，潜热增加了冷却效率。后者，当用于实现低于环境温度时，通常被称为制冷剂。

空气是冷却剂的常见形式。空气冷却使用对流气流（被动冷却）或使用风扇的强制循环。氢气用作高性能气态冷却剂。它的热导率高于所有其他气体，具有高比热容、低密度和低粘度，这对于易受风阻损失的旋转机器来说是一个优势。氢冷涡轮发电机是目前大型发电厂中最常见的发电机。惰性气体在气冷核反应堆中用作冷却剂。氦吸收中子并具有放射性的倾向较低。二氧化碳用于Magnox和AGR反应器。六氟化硫用于一些高压电力系统（断路器、开关、一些变压器等）的冷却和绝缘。蒸汽可用于需要气态形式的高比热容并且考虑到热水的腐蚀性的情况。

一些冷却剂在同一回路中以液体和气体形式使用，除了流体的非相变热容量外，还利用沸腾/冷凝相变的高比潜热、汽化焓。制冷剂是用于通过液体和气体之间的相变来达到低温的冷却剂。经常使用卤代甲烷，最常见的是R-12和R-22，通常与液化丙烷或其他卤代烷如R-134a一起使用。无水氨经常用于大型商业系统，二氧化硫用于早期的机械冰箱。二氧化碳(R-744)用作汽车、住宅空调、商业制冷和自动售货机的气候控制系统的工作流体。许多其他优秀的制冷剂由于环境原因而被淘汰（由于臭氧层影响，CFCs，现在它们的许多继任者由于全球变暖而面临限制，例如R134a）。热管是制冷剂的一种特殊应用。有时以这种方式使用水，例如在沸水反应器中。相变效应可以被有意使用，也可以是有害的。相变材料使用固体和液体之间的其他相变。液态气体可能落入此处，或落入制冷剂中，因为它们的温度通常通过蒸发来维持。液氮是实验室中最著名的例子。相变可能不会发生在冷却界面，而是发生在液体表面，热量通过对流或强制流动传递到此处。

水是最常见的冷却剂。其高热容量和低成本使其成为合适的传热介质。它通常与添加剂一起使用，如缓蚀剂和防冻剂。防冻剂是一种合适的有机化学物质（最常见的是乙二醇、二甘醇或丙二醇）在水中的溶液，当水基冷却剂必须承受低于0°C的温度时，或者当其沸点必须达到提高。甜菜碱是一种类似的冷却剂，除了它是由纯植物汁制成的，因此无毒或难以生态处理。

• 非常纯净的去离子水，由于其相对较低的电导率，用于冷却一些电气设备，通常是大功率变送器和大功率真空管。
• 重水是一些核反应堆中使用的中子慢化剂；它还具有作为冷却剂的辅助功能。轻水反应堆，沸水和压水反应堆最常见的类型，使用普通（轻）水。一些设计，例如CANDU反应堆，使用这两种类型；非加压排管罐中的重水作为慢化剂和补充冷却剂，轻水作为主要传热流体。

聚亚烷基二醇(PAG)用作高温、热稳定的传热流体，具有很强的抗氧化性。现代PAG也可以是无毒无害的。切削液是一种冷却剂，也可用作金属成形机床的润滑剂。油通常用于不适合水的应用。由于沸点比水高，油可以升高到相当高的温度（高于100摄氏度），而不会在所讨论的容器或回路系统中引入高压。许多油的用途包括传热、润滑、压力传递（液压流体），有时甚至是燃料，或同时具有多种此类功能。

• 矿物油在许多机械齿轮中用作冷却剂和润滑剂。也使用一些植物油，例如蓖麻油。由于其高沸点，矿物油用于住宅应用中的便携式电散热器式空间加热器，以及用于工业过程加热和冷却的闭环系统。矿物油通常用于浸没式PC系统，因为它不导电，因此不会短路或损坏任何部件。
  • 聚苯醚油适用于需要高温稳定性、极低挥发性、固有润滑性和/或抗辐射性的应用。全氟聚醚油是它们更具化学惰性的变体。
  • 使用二苯醚(73.5%)和联苯(26.5%)的低共熔混合物，因为它的温度范围宽且在400°C下稳定。
  • 多氯联苯和多氯三联苯用于传热应用，因其低可燃性、耐化学性、疏水性和良好的电性能而受到青睐，但由于它们的毒性和生物累积性，现已逐步淘汰。
• 硅油和氟碳油（如fluorinert）因其广泛的工作温度范围而受到青睐。然而，它们的高成本限制了它们的应用。
• 变压器油用于大功率电力变压器的冷却和附加电绝缘。通常使用矿物油。硅油用于特殊应用。多氯联苯通常用于旧设备，现在可能存在污染风险。

燃料经常用作发动机的冷却剂。冷燃料流过发动机的某些部分，吸收其废热并在燃烧前进行预热。煤油和其他喷气燃料经常在航空发动机中发挥这一作用。液态氢用于冷却火箭发动机的喷嘴。无水冷却剂用作传统水和乙二醇冷却剂的替代品。沸点高于水（约370F），冷却技术可防止沸腾。该液体还可以防止腐蚀。氟利昂经常用于例如电子产品的沉浸式冷却。

液态易熔合金可用作需要高温稳定性的应用中的冷却剂，例如一些快中子增殖核反应堆。钠（在钠冷快堆中）或钠钾合金NaK经常使用；在特殊情况下可以使用锂。另一种用作冷却剂的液态金属是铅，例如在铅冷却快堆中，或铅铋合金。一些早期的快中子反应堆使用汞。对于某些应用，汽车提升阀的阀杆可能是中空的并充满钠以改善热传输和传递。对于高温应用，例如熔盐反应堆或高温反应堆，熔盐可以用作冷却剂。其中一种可能的组合是氟化钠和四氟硼酸钠(NaF-NaBF4)的混合物。其他选择是FLiBe和FLiNaK。

液化气体用作低温应用的冷却剂，包括低温电子显微镜、计算机处理器的超频、使用超导体的应用或极其敏感的传感器和极低噪声放大器。二氧化碳（化学式为CO2）-用作切削液的冷却剂替代品。CO2可以在切削界面提供受控冷却，从而使切削工具和工件保持在环境温度下。CO2的使用xxx延长了刀具寿命，并且在大多数材料上使操作运行得更快。这被认为是一种非常环保的方法，特别是与使用石油作为润滑剂相比时；零件保持清洁和干燥，这通常可以消除二次清洁操作。液氮的沸点约为-196°C(77K)，是使用中最常见和最便宜的冷却剂。液态空气的使用范围较小，因为其液态氧含量使其在与可燃材料接触时容易引起火灾或爆炸（参见氧溶化物）。使用沸点约为-246°C的液化氖可以达到较低的温度。使用液氦可以达到用于xxx大的超导磁体的最低温度。-250至-265°C的液态氢也可用作冷却剂。液态氢也可用作燃料和冷却剂来冷却火箭发动机的喷嘴和燃烧室。

一类新的冷却剂是纳米流体，它由一种载液组成，例如水，分散有被称为纳米颗粒的微小纳米级颗粒。与单独的载液相比，分散在载液中的专门设计的纳米颗粒（例如CuO、氧化铝、二氧化钛、碳纳米管、二氧化硅或金属（例如铜或银纳米棒））增强了所得冷却剂的传热能力。理论上增强可以高达350%。然而，实验并没有证明导热性有如此高的改进，而是发现冷却剂的临界热通量显着增加。一些显着的改进是可以实现的；例如，直径为55±12nm且平均长度为12.8µm的银纳米棒在0.5vol.%时将水的导热率提高了68%，而0.5vol.%的银纳米棒将乙二醇基冷却剂的导热率提高了98%。0.1%的氧化铝纳米粒子可使水的临界热通量增加多达70%；这些颗粒在冷却的物体上形成粗糙的多孔表面，这促进了新气泡的形成，而它们的亲水性则有助于将它们推开，从而阻碍蒸汽层的形成。浓度超过5%的纳米流体的作用类似于非牛顿流体。

在某些应用中，固体材料用作冷却剂。材料需要高能量才能蒸发；然后，这种能量被蒸发的气体带走。这种方法在航天飞行中很常见，用于烧蚀大气再入防护罩和火箭发动机喷嘴的冷却。同样的方法也用于应用烧蚀涂层的结构的防火。当与被冷却的结构直接接触时，干冰和水冰也可以用作冷却剂。有时会使用额外的传热流体；加冰的水和丙酮中​​的干冰是两种流行的搭配。水冰的升华用于冷却阿波罗计划的太空服。