导热硅脂在热泵热水器上的应用研究

导热硅脂在热泵热水器上的应用研究

吴扬军,  ,陈昌中,  ,王星瑞

珠海格力电器股份有限公司     广东   珠海   519070

摘  要：我们主要研究了导热硅脂在热泵热水器上的应用，分析导热硅脂在热泵热水器上的发展趋势。我们使用XRD对硅脂成分进行分析，得到添加剂中氧化铝的含量为60.22%；用各种设备对硅脂的性能进行测试，得到其导热系数为1.201W/(m*K)、油离度0.314%、挥发度0.296%等。另外简单计算了热泵热水器上的导热性能，热泵热水器的性能与导热硅脂热阻，水箱体积，接触面积等有关。结果表明通过提高导热硅脂的导热系数能使热水器给水加温时间更短，才能将水箱里面的水加热到更高的温度，以便缩小热水器体积。

关键词：导热硅脂；热泵热水器；热传导；水箱

Research on Application of Thermal Conductive

Silicone Grease in Heat Pump Water Heater

Wu Yangjun , Chen Changzhong，Wang Xingrui

Gree Electric Appliances, INC. of Zhuhai, Zhuhai ,519070

Abstract:We mainly studied the application of thermal conductive grease on heat pump water heaters, and analyzed the development trend of thermal conductive grease on heat pump water heaters. We used XRD to analyze the composition of the silicone grease and found that the content of alumina in the additive was 60.22%; tested the performance of the silicone grease with various equipment and found that its thermal conductivity was 1.201W/(m*K) and oil separation was 0.314%, volatility was 0.296%, etc. In addition, we calculated the thermal conductivity of the heat pump water heater. The performance of the heat pump water heater is related to the thermal resistance of the thermal grease, the volume of the water tank, and the contact area. The results show that by increasing the thermal conductivity of the thermal conductive silicone grease, the heating time of the water heater can be shortened, and the water in the water tank can be heated to a higher temperature in order to reduce the volume of the water heater.

Keywords: thermal grease; heat pump water heater; heat conduction; water tank

1 引言

1.1导热材料的发展与现状

导热材料是一种填充在两种材料之间的混合物，作用于提高材料之间的能量相互交换，是能量传递的重要桥梁。当两种平面材料接触的时候，即使施加非常大的压力，两个平面任然无法紧密贴合，只有部分接触，其他处存在非常小的空隙。空隙会影响两个材料之间的热传导，这是因为空气的热导率一般比固体热导率低，从而导热能力下降、热阻增大。所以在两个材料之间加入导热材料填充空气间隙可以极大增加其导热能力降低热阻。Teertstra[1]等人在两固体表面之间填充导热材料，两个界面之间的热阻降低到原来的五分之一。

1.2导热硅脂研究现状

导热硅脂是导热材料中的一种，它主要成分是硅油和添加剂，硅油为高分子基材，而添加剂为导热性填充材料，高分子基材导热性不如添加剂，所以主要起导热作用的是添加剂，硅油的作用是使其具有良好流动性和添加剂的连接剂（使其不成粉末导致空隙变大）。

添加剂是微小的颗粒，方便填充材料界面，其成分为易导电材料，如金属及其氧化物（银、铝、铜、氧化铝、氧化锌等）和非金属材料主要含碳（碳化硅、石墨等）[2]。由于其添加剂不同，硅脂的导热系数也会不一样，低的可以是0.1W/(m*K)，高的可以达到3000W/(m*K)。如Kim[3]等人以多壁纳米管（MWNT）为填料填充导热硅脂，其在室温下的测得的导热系数可以达到3000 W/(m*K)。

导热硅脂的导热能力不仅与添加剂材料本身的导热系数有关，还与添加剂材料种类、添加剂所占比例、添加材料的形状和大小等有关。当添加剂填充体积为64%时，添加SiC的导热系数为2.65W/(m*K)，而添加氧化铝的导热系数为2.2 W/(m*K)，这是因为碳化硅的导热系数高与氧化铝的导热系数，而当用球形氮化硼为添加剂的时候，导热系数可以大于4 W/(m*K)。

1.3导热硅脂在热泵热水器上的应用

空气能热泵热水器[5]的原理与空调相近，冷媒在热泵热水器外机通过翅片来吸热、汽化，压缩机作为动力，汽化冷媒流到与水箱接触的冷凝器里面并液化放热，给水箱里面的水加热升温。而在水箱里外面的冷凝器没有像翅片一样具有较大的换热面积，所以只能从提高换热效率方面入手，如增加导热系数，在冷凝器管路和内胆之间添加导热材料，如硅脂，可以提高导热能力。另外用氧化锌、氧化铝和铝粉作为添加剂的导热硅脂在高温和冷热冲击试验中热性能变化小，稳定性强，使用年限也比较久，储存也比较方便，而且导热效率高，满足热泵热水器的生产需求，所以用在热泵热水器上的硅脂的添加剂多用氧化铝、氧化锌等。

2热泵热水器上导热硅脂的研究

2.1热泵热水器上导热硅脂的性能测试

目前硅脂主要测试的性能有锥入度、油离度、挥发度、导热系数等。锥入度与其流动性有关，软硅脂就相对容易流动，容易从罐中挤出来；油离度、挥发度测试其高分子组分是否容易挥发，低挥发度确保硅脂不会变质、保持流动性和导热性能，这个性能与硅脂中高分子基材硅油用量和小分子有机材料有关。硅脂的主要性能是其导热传热的性能，所以要求导热系数是必须满足要求，各行各业都非常注重导热性能；热水器对导热硅脂的主要要求有：导热系数≥1 W/(m*K)，高温稳定性在200℃下烘240小时，烘烤实验后导热硅脂仍有粘性，并且导热硅脂不得出现硬化或脱落铝箔片的情况；与烘烤前对比，不得有明显差异。其油离度和挥发度要求：在200℃下烘24小时，质量下降百分比要求油离度≤0.45%；蒸发度≤0.5%。

2.2导热性能的计算

选用200L的热泵热水器计算导热能力，热水器的冷凝器与内胆之间导热硅脂的涂覆面积为S=5200cm2，涂覆厚度为D=0.031cm。目前水箱使用的硅脂导热系数λ约为1W/(m*K)，冷媒温度T0=80℃，不考虑水箱钢板层导热和铝导热，当热泵热水器工作时，水箱里面的水的温度Y与加热时间t的关系为：

dT*V*ρ*C=（80-Y）*λ/D*S*dt   （1）

其中水箱容积V为200L，水密度ρ=1L/kg，水的比热容C为4200J/(kg*K)，S为硅脂与冷凝器和水箱的接触面积，Y为时时水温，得到：

80-Y=V*ρ*C/（λ/D*S）Y’   （2）

带入数值可以得到Y+656Y’=80

假设初始水温是15℃，得到Y=80-65e-t/656，实际过程中还包扩其他热阻导致传热效率下降，如硅脂与冷凝器的界面、硅脂与水箱内胆的界面、内胆钢板外壳、内胆里面搪瓷层等多种热阻以及不同材质之间界面的热阻。因此实际值比计算的理论值721.2大得多，所需加热时间长。另外，冷媒是从进冷凝管到出冷凝管一直被冷却，温差也不能保持恒定，再一次说明温度升高时间远比理论值高。

其冷媒和水之间的热阻可以用公式（3）表示：

R=R搪+R内+D/λ+R铝     （3）

R搪是搪瓷层热阻，R内是水箱内胆钢板热阻，R铝是冷媒和硅脂之间的热阻，由此总导热公式为：

T0-Y=V*ρ*C*R/S）Y’（4）

热阻值R比理想热阻D/λ大。 公式中λ值越大，导热硅脂层热阻越小，导致总体热阻减小，加热所需时间越短，同一加热时间，加热温度越高。从关系式（4）中可以看到加热所需时间与体积也有关系，体积越小加热到同一温度所需时间越越短；体积小而加热时间相同，水温越高。当体积减小，而使硅脂导热系数相应增加，可以使其更短的时间加热到更高的温度，能效更高，可以解决目前热泵热水器体积较大的缺点。另外，总体热阻值减小，导致冷凝器换热效率提升，间接降低冷媒温度，当冷媒回流到外机时，冷媒与空气换热效率提升，吸收的热量也增加，然后又返回给水箱，良性循环，而且同等情况下可以应用到环境温度更低的地方，所以提高热泵热水器导热硅脂的导热性能是明智的选择。另外，从公式（4）中可以看到导热性能越好要求涂覆面积S越大，冷媒温度T0越高，热泵热水器的导热性能越好。

2.3硅脂成分分析

我们对某厂家热泵热水器产品的硅脂成分进行XRD分析，研究其添加剂种类和含量。首先我们对导热硅脂进行热重分析，确定高分子含量，以每分钟4℃升温到800℃，其结果如图1所示。深绿色为热重曲线，当加热25分钟之后，硅脂残留质量百分数为90.96%。二甲基硅油的分子式为[-Si(CH

3)2-O-]n，失去的为甲基基团，说明硅脂中甲基的成分为9.04%，硅脂的占比为22.3%。绿色虚线为时时失重曲线，每一个谷对应不同能量的键断裂。

图1导热硅脂的热重图

我们另取一定量硅脂将其烘干成粉末，只残留添加剂的粉末，用XRD光谱仪分析其成分，通过软件分析，得到添加物为氧化铝和氧化锌,其中氧化铝对应的峰为25.2、31.4、42.9、52.1、56.1、67.6等；而氧化锌对应的峰为34.0、34.7、35.8、37.3、47.1、57.1、62.4、76.5。分别对面积积分并对比，得到氧化铝和氧化锌的含量在添加剂里面占比分别60.22%和39.78%。可以计算得到氧化铝含量为46.79%、氧化锌含量为30.91%。在70℃下测得硅脂的导热系数约为1.20W/(m*K)，如果将氧化铝或者氧化锌换成导热系数更高的填充剂，导热硅脂的导热性能可以更高，热水器的能效等级也会更高，更加能够节能减排。

3 总结

在热泵热水器行业中，导热硅脂在一定程度上决定了热水器性能的好坏。导热硅脂的导热系数越大，热阻越小，热水器热传导效率更高，加热时间更短，水箱体积可以更小，所以提高热泵热水器的导热硅脂的导热性能是未来的发展趋势。目前热水器的导热硅脂的导热系数在1.201W/(m*K)左右，通过热重和XRD对硅脂进行分析，得到硅脂成分为：硅油22.3%、氧化铝46.79%、氧化锌30.91%。如果用更高导热系数的填充物（比如铝粉）来代替氧化铝可以得到更高导热系数的硅脂，这种方法是可以实行的，也是热泵热水器的导热硅脂目前的研究热门。

4 参考文献

[1]P. Teertstra, MM. Yovanovich,JR.Culham.Calculating interface resistance. Electron Cool,1997,3(2):1-9.

[2]勾昱军,刘中良．大功率LED热管散热器传热强化研究[D]．北京：北京工业大学,2014．

[3]P.Kim,L.Shi,A.Majumdar,et al. Thermal transport measurements of inpidual multiwalled nanotubes. Phys.Rev.Lett.2001,87(215502):1-4.

[4]杨发达,李士成,岳风树．导热硅脂聚合物.发明专利,CN102134474A.

[5]张丽,李征涛,余鹏,等．空气源热泵热水器的性能分析[R]．能源工程,上海理工大学能源与动力工程学院,2018.

第一作者简介，吴扬军，男，任职于珠海格力电器股份有限公司，工艺工程师，主要从事商用空调与空气能热水器新品导入、新材料开发、工艺规划及工艺管理等工作。