具有高热辐射性能的散热涂料的制作方法
【专利摘要】高发射涂料包括具有不同官能团的有机材料、一种或多种无机材料和任选的其他涂料性能调节剂。涂料的红外吸收范围源自有机官能团如C-C、C-H、N-H、C-N、C-O和C-X基团和一种或多种无机材料。一种或多种无机材料也可以存在为微米或纳米尺寸微粒。
【专利说明】具有高热辐射性能的散热涂料
【技术领域】
[0001]本发明涉及散热涂料。更具体地，本发明涉及具有高热发射率的涂料，其可被直接施加在基底表面上用于迅速移除热。
【背景技术】
[0002]由于对增加电子器件的功率和效率的需求，器件上的热密度迅速增加，导致损坏器件的可能性增加。因此，从功能器件上移除热已经在工业中变成关键性的。
[0003]例如，在太阳能工业中，光伏(PV)模块的运行温度是决定器件的转换效率的关键因素。对于25°C以上的每1°C，电力输出下降大约0.4%到0.5%。典型的屋顶PV阵列可以在大约55°C到75°C运行，这意味着电力输出可能在铭牌定额以下大约12%到25%。
[0004]在另一个实例中，发光二极管(LED)已经引起了作为传统灯泡的潜在替代物的增长的兴趣。然而，与PV模块相同，LED性能受升高的运行温度影响。例如，高接合点温度可引起效率损失，LED寿命缩短和颜色退化。这可能是有问题的，因为通常用于驱动LED的能量的大约75%到85%转化为热。在常规环境条件下的恒定运行下，LED中的接合点温度可能是60°C或者更高，这意味着LED的光输出量可能在器件的定额以下10%到50%。
[0005]三种常见机制(传导、对流和辐射)对于从器件移除热是有用的。在传导的情况中，通过固体中的电子或通过声子-声子相互作用，能量被原子晶格运送。导热膏和导热垫基于此机制运行。在对流的情况中，通常将热的器件与冷的液体或气体流接触。热从热的器件转移到冷的液体或气体，该冷的液体或气体被运走并且用更冷的液体或气体代替。这些系统经常需要专用的系统以控制冷却液体或气体的流动，并且潜在地需要额外的部件如散热片或风扇。这种系统的使用是笨拙的并且昂贵的。进一步地，当高温表面的面积大时，使用对流用于有效的冷却实际上是不可能的。最后，在热辐射的情况中，通过电磁波或光子照射散热，而不需要介质从表面转移热。热辐射机制通常用于高温应用，例如在750°C或以上。例如，高发射率涂层已经被报道用作加热炉内涂层。
【发明内容】
[0006]第一方面，示出了热发射涂料。在一些实施方式中，本发明的热发射涂料包括多种有机材料，其包括卤代烃或具有选自下列的官能团:胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基；和在大约I到40 μ m的范围内热吸收的无机材料。
[0007]在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热发射涂料跨越大约2到15 μ m的基本上全部范围吸收。在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热发射涂料跨越大约2到40 μ m的基本上全部范围吸收。在一些实施方式中，选择多种有机材料和至少一种无机材料，使得热辐射涂料跨越大约I到50 μ m的大部分范围吸收。
[0008]在一些实施方式中，多种有机材料包括下列的一种或多种:丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油(acrylated epoxylated soybean oil)和脑氨酸。[0009]在 一些实施方式中，无机材料包括微粒的或纳米微粒的无机材料。
[0010]在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种:炭黑、石墨、木炭粉和活性炭。
[0011]在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种:金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种:釉面砖和锈铁(rusted iron)。在一些实施方式中,无机材料包括下列的一种或多种:氧化f凡、石英、氧化招和氧化铺。
[0012]在一些实施方式中，有机材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。在一些相关的实施方式中，热发射涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油和按重量计10%的脯氨酸。在一些相关的实施方式中，无机材料包括氧化钒和活性炭。在一些进一步相关的实施方式中，涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油、按重量计10%的脯氨酸、按重量计30%的氧化钥;和按重量计10%的活性炭。
[0013]在一些实施方式中，涂料具有大于或等于大约90%的发射率，例如大于或等于大约92%、大于或等于大约95%、大于或等于大约97%、或甚至大约100%。
[0014]在一些其他实施方式中，本发明的热发射涂料包括多种有机官能团，使得多种有机官能团跨越大约2到15 μ m的基本上全部范围热吸收；和在大约I到40 μ m的范围内热吸收的无机材料。
[0015]在一些相关的实施方式中，多种有机官能团和无机材料跨越大约2到40 μ m的基本上全部范围热吸收。在一些相关的实施方式中，多种有机官能团和无机材料跨越大约I到50 μ m的大部分范围热吸收。
[0016]在一些实施方式中，多种有机官能团包括下列的三个或更多:胺、烷基、羟基、环氧基、竣酸和乙烯基。
[0017]在一些实施方式中，无机材料包括下列的一种或多种:金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。
[0018]如本文所用，术语“大约”在数量术语中指的是加或减10%。例如，“大约3%”将包括2.7-3.3%和“大约10%”将包括9-11%。此外，在本文中与数量术语结合使用“大约”之处，应当理解除了加或减10%的值之外，数量术语的准确值也被预期和描述。例如，术语“大约3%”清楚地预期、描述并且准确地包括3%。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1示出了各种有机官能团的红外吸收的近似波长范围。
[0020]图2示出了各种无机材料的红外吸收的近似波长范围。
[0021]图3图解了由于包含微粒的无机材料涂料的表面积的增加。涂料涂层表面A不包括微粒物质；涂料涂层表面B包括。
【具体实施方式】
[0022]本发明的各种实施方式提供了热涂料，当其被涂覆在表面上时有利于从表面移除热，而不使用任何进一步的附属器件如散热片或风扇。原则上，热涂料利用热辐射的机制，其中通过电磁波或光子照射散热，而不需要介质从表面转移热。
[0023]本发明的热发射涂料不仅可容易地用于专用的小表面面积，而且可用于大表面面积应用，比如用于太阳能电池板背面散热和LED背面散热。
[0024]有时，本发明在此根据这些实例环境进行描述。提供根据这些环境的描述以允许本发明的各种特征和实施方式在示例性应用的背景下进行描绘。阅读此描述后，对本领域普通技术人员来说如何在不同的和可选的环境中实施本发明将变得明显。
[0025]在热力学中，在温度T的体辐射电磁能。在热力学平衡中的绝对黑体吸收撞击其的所有辐射能，并且根据温度T的辐射发射功率的唯一定律辐射能量，这对于所有绝对黑体是普遍的。热辐射的基尔霍夫定律是这种行为的数学描述。基尔霍夫定律的一个推论是对于在热力学平衡中任意的发射和吸收热辐射的体，发射率(体多么接近于绝对黑体的无量纲比)等于体的吸收率。因此，对于具有高发射率的材料，它们也必须具有高吸收率。
[0026]涂料中的热吸收率可能受材料组成的影响。例如，现有技术(上面提到的)的高温高发射率涂料包括在光谱的红外区域中吸收的无机材料。使用这些无机材料，因为预期的运行温度如此高以致在运行期间只有无机材料经受得起。本发明的涂料不同，因为它们的预期的运行温度低得多(例如，低于大约250°C )，这允许使用所选择的有机材料以增强热吸收。因此，本发明的涂料包括在电磁光谱的红外区域中显示吸收的所选择的有机材料。
[0027]如图1中所示，不同的有机官能团在红外光谱内的不同的波长范围处吸收。为了提高热吸收率，期望涂料包括具有覆盖红外光谱的大部分——如果不是所有——的吸收波长范围的材料。因此，在一些实施方式中，本发明的涂料包括一种或多种有机种类，使得多种官能团存在于涂料中。在这些实施方式中，选择一种或多种有机种类，以便存在于涂料中的官能团具有不同的红外吸收波长范围，因此提供了跨越红外范围中的各种波长吸收的涂料。
[0028]例如，一些实施方式包括有机胺基团(N-H，吸收=大约2.9-4.2 μ m ;C_N，吸收=大约4.4 - 6.1 μ m)，例如具有以下结构的胺:
[0029]
【权利要求】
1.热发射涂料，包括: 多种有机材料，其包括卤代烃或具有选自下列的官能团:胺、烷基、羟基、环氧基、羧酸和乙烯基；和 无机材料，其在大约I到40 μ m的范围内热吸收。
2.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约2到15 μ m的基本上全部范围吸收。
3.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约2到40 μ m的基本上全部范围吸收。
4.权利要求1所述的热发射涂料，其中选择所述多种有机材料和至少一种无机材料，使得所述热发射涂料跨越大约I到50 μ m的范围的大部分吸收。
5.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述多种有机材料包括下列的一种或多种:丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。
6.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括微米微粒的无机材料或纳米微粒的无机材料。
7.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种:炭黑、石墨、炭粉和活性炭。
8.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种:金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。
9.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种:釉面砖和镑铁。
10.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种:氧化钒、石英、氧化铝和氧化锑。
11.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述有机材料包括丁二烯-苯乙烯、丙烯酸酯化环氧豆油和脯氨酸。
12.权利要求11所述的热发射涂料，其中所述涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油和按重量计10%的脯氨酸。
13.权利要求11所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括氧化钒和活性炭。
14.权利要求13所述的热发射涂料，其中所述涂料是按重量计20%的丁二烯-苯乙烯、按重量计30%的丙烯酸酯化环氧豆油、按重量计10%的脯氨酸、按重量计30%的氧化钒和按重量计10%的活性炭。
15.权利要求1所述的热发射涂料，其中所述涂料具有大于或等于大约90%的发射率。
16.热发射涂料，其包括: 多种有机官能团，使得跨越大约2到15 μ m的基本上全部范围多种热吸收；和 和无机材料，其在大约1到40 μ m的范围内热吸收。
17.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团和无机材料跨越大约2到40 μ m的基本上全部范围热吸收。
18.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团和无机材料跨越大约I到50 μ m的范围的大部分热吸收。
19.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述多种有机官能团包括下列的三种或更多种:胺、烷基、羟基、环氧基、竣酸和乙烯基。
20.权利要求16所述的热发射涂料，其中所述无机材料包括下列的一种或多种:金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物和金属磷化物。
【文档编号】C09D7/12GK103917610SQ201280051406
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2012年10月19日 优先权日:2011年10月19日
【发明者】S·陈, N-C·李 申请人:铟泰公司