Brevet FR2893948A1 — publié le 20070601

FLUIDES DE TRANSFERT THERMIQUE AVEC NANOCAPSULES DE CARBONE CONTENANT DES HETEROATOMES La présente invention concerne des fluides de transfert thermique, et en particulier des fluides de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes. La consommation électrique résulte en la génération de chaleur lors du fonctionnement des dispositifs tels que des ordinateurs, équipements électroniques, ou appareils de communication. Dans la mesure où la vitesse du vieillissement du dispositif est directement liée à la température de fonctionnement de celui-ci, la température de fonctionnement doit être maintenue dans une plage spécifique afin d'empêcher que la chaleur générée n'affecte le dispositif. Par conséquent, il est important de concevoir un dispositif ayant une capacité de dissipation thermique supérieure. Au vu du développement et des progrès de la technologie, l'efficacité et le côté pratique sont importants pour l'utilisation des produits électroniques qui sont de préférence réalisés en présentant des fonctions multiples, un profil abaissé et un fonctionnement très efficace. En ce qui concerne le secteur des semi-conducteurs et la conception des circuits intégrés (CI), bien qu'on ait atteint avec succès des améliorations considérables telles que la miniaturisation du profil, une intégration élevée et des fonctions multiples pour des éléments électroniques, un problème de fiabilité se pose cependant du fait de la production de chaleur lors du fonctionnement des éléments électroniques. Un dispositif de refroidissement classique ayant un dissipateur thermique et un petit ventilateur monté en association avec le dispositif électrique ne peut cependant pas répondre à l'exigence de dissipation efficace du dispositif électronique. En outre, un bruit est généré lors du fonctionnement du ventilateur. Récemment, grâce au développement et à l'application à grande échelle des produits électroniques, tels que les téléphones mobiles, PDA, et ordinateurs bloc-notes, on a assisté à une demande accrue de dispositifs électriques ayant un temps de marche plus long et occupant moins de place. Par conséquent, la chaleur dans le dispositif s'accumule de façon excessive et est concentrée, ce qui représente un défi pour la technologie de dissipation thermique. La technologie de dissipation thermique très efficace telle que le refroidissement par fluide est souvent requise. Dans un système de refroidissement par fluide classique pour un ordinateur bloc-notes, l'eau douce sert en général de fluide de transfert thermique. Cependant, pour de nombreuses applications, la conductivité thermique de l'eau douce est trop faible. La vitesse de la transmission thermique est trop faible, et l'efficacité de fonctionnement du caloduc est insatisfaisante. Par conséquent, il est nécessaire de mettre au point un nouveau fluide de transfert thermique ayant une conductivité thermique élevée et une mobilité appropriée pour des dispositifs électroniques tels que des ordinateurs bloc-notes. L'invention fournit un fluide de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone servant de liquide de refroidissement pour un système de dissipation thermique tel qu'un échangeur thermique microfluidique. Le fluide de transfert thermique comprend un fluide et une pluralité de nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes, dispersées uniformément dans le fluide, en une quantité de 0, 01 à 10 parties en poids, davantage de préférence de 0,05 à 4 parties en poids, sur la base de 100 parties en poids du fluide de transfert thermique. La nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes est une nanocapsule contenant des hétéroatomes, comprenant une couche graphitique fermée représentée par une formule chimique C(D)x, où C est un carbone présentant une orbitale hybride sp2, D est un atome du groupe III ou V de la classification périodique des éléments lié au carbone, et X est un équivalent molaire de 0,0001 à 0,1, sur la base d'un équivalent molaire du carbone égal à 1. Dans la mesure où les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes peuvent se disperser dans des fluides et ont une conductivité thermique supérieure, la capacité de conduction thermique du fluide de transfert thermique est améliorée. Notamment, le D comprend des atomes N, B, P ou S et peut former des liaisons avec un hydrogène, le groupe alkyle, le groupe alcoxy, un halogène, un groupe hydroxyle, un groupe amino, un métal ou un complexe métallique qui sont modifiés pour former des liaisons covalentes ou de coordination. Une description détaillée est donnée dans les modes de réalisation suivants en faisant référence aux dessins joints. L'invention sera mieux comprise en lisant la description détaillée suivante et les exemples suivants qui font référence aux dessins joints, dans lesquels : la figure 1 est un dessin schématique agrandi de nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes selon l'invention ; la figure 2 est un spectre à résonance paramagnétique électronique de nanocapsules de carbone dopées en B de l'invention ; la figure 3 est une photographie SEM (microscope à balayage électronique) à haute résolution de nanocapsules de carbone dopées en N de l'invention dans un exemple ; et la figure 4 montre la charge positive migrant vers l'atome d'azote lorsque l'atome d'azote est lié à l'ion hydrogène (H+) . La description suivante repose sur le mode de réalisation préféré de l'invention. Cette description sert à illustrer les principes généraux de l'invention et ne doit pas être considérée comme restrictive. La portée de l'invention est mieux déterminée en faisant référence aux revendications jointes. Le fluide de transfert thermique comprend un fluide et une pluralité de nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes dispersées uniformément dans le fluide. Le fluide peut être de l'eau ou un solvant organique (tel que de l'alcool ou une huile pour moteur). Dans certains modes de réalisation de l'invention, le fluide est de l'eau, du méthanol, de l'éthanol, du n-propanol, de l'isopropanol, du n-butanol, de l'isobutanol, du t-butanol, du t-pentanol, de l'éthylène glycol, un éther monométhylique d'éthylène glycol, un éther monoéthylique d'éthylène glycol, un éther monoéthylique de propylène glycol, du styrène, de l'acétate d'éthyle, du toluène, du xylène, de la méthyléthylcétone, de l'acétone, de l'huile pour moteur, ou une combinaison de ceux-ci. Dans l'invention, les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes sont des nanocapsules de carbone qui contiennent des hétéroatomes, et peuvent être des amas de carbone polyèdres ayant des couches graphitiques polyèdres terminées et fermées. Dans une nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes de l'invention, certains atomes de carbone sont remplacés par des atomes du groupe III ou V de la classification périodique, tels que des atomes d'azote, de bore, de phosphore ou de soufre, comme le montre la figure 1. En raison de l'hétéroatome dopé, la nanocapsule présente les propriétés spécifiques des atomes du groupe III ou V, telles que le ferromagnétisme riche en électrons ou en trous. La couche graphitique ayant des hétéroatomes remplaçant l'atome de carbone comprend des anneaux pentagonaux et hexagonaux, leurs présentant une orbitale hybride sp2. La nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes présente des liaisons doubles insaturées tout en gardant les propriétés spécifiques du graphite. En faisant référence à la figure 2, les nanocapsules de carbone dopées en B se caractérisent par une spectroscopie à résonance paramagnétique électronique. Par conséquent, les hétéroatomes (D) des nanocapsules de carbone présentent des électrons célibataires. Dans la mesure où les hétéroatomes, tels que N, favorisent l'exposition d'une orbitale hybride sp3 et préfèrent se situer sur les coins de la couche graphitique polyèdre, à savoir sur les anneaux pentagonaux, les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes présentent une conductivité électrique et thermique supérieure à celle des nanocapsules de carbone non dopées. En théorie, les atomes d'azote situés au niveau des coins de la couche graphitique polyèdre présentent une configuration différente de celles des anneaux hexagonaux. La couche graphitique polyèdre de la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes peut avoir, mais sans s'y limiter, 12 coins. La figure 3 est une photographie SEM (microscope à balayage électronique) à haute résolution de la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes selon un mode de réalisation de la présente invention. Etant donné les caractères pauvres en électrons ou riches en électrons des hétéroatomes (tels que les atomes N, B, P ou S), les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes sont capables de se disperser dans l'eau ou dans un solvant à polarité élevée. En outre, les hétéroatomes des nanocapsules de carbone peuvent se lier à l'hydrogène, un groupe alkyle, un groupe alcoxy, un groupe halogène, un groupe hydroxyle, un groupe amino, un métal, ou un complexe métallique et être chargés, ce qui améliore la solubilité des nanocapsules de carbone dans le fluide. Dans certains modes de réalisation de l'invention, la nanocapsule de carbone est une nanocapsule de carbone dopée en N. En faisant référence à la figure 4, lorsque l'atome d'azote se lie à l'ion hydrogène (H+), la charge positive migre vers l'atome d'azote, ce qui résulte en une nanocapsule de carbone dopée en N chargée en électricité positive. Etant donné l'électricité, les nanocapsules de carbone peuvent se disperser uniformément dans le fluide sans ajouter de tensioactif. La nanocapsule de carbone peut être creuse et comprendre une couche graphitique. En outre, la nanocapsule de carbone peut comprendre deux couches graphitiques et être remplie avec 0,1 à environ 80 % en poids de charges, telles que le métal, l'oxyde métallique, les carbures métalliques, le sulfure métallique, le nitrure métallique, le borate métallique, ou un alliage, sur la base du poids de la nanocapsule. Des métaux ou métallines appropriés peuvent comprendre, sans s'y limiter, le Sc, le V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Ta, Os, Ir, Pt, Au, Th, U, ou des combinaisons de ceux-ci. Le fluide de transfert thermique avec une nanocapsule de carbone remplie de filtres magnétiques présente une activité magnétique et peut être utilisé dans l'échangeur thermique microfluidique ayant un champ magnétique ou électrique appliqué. Dans la mesure où les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes ont une conductivité thermique supérieure (plus de 1 800 W/mK), une grande surface, et des caractéristiques de poids léger, le fluide de transfert thermique est plus apte à retirer plus efficacement la chaleur. En outre, dans la mesure où les nanocapsules de carbone ont des diamètres inférieurs à 100 nm (la plupart d'entre elles ont des diamètres entre 30 et 40 nm), et une stabilité thermique supérieure, le fluide de transfert thermique est approprié pour le système de dissipation de chaleur employant un échangeur thermique microfluidique ayant un diamètre inférieur à 10 m. Préparation du fluide de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes On a ajouté 100 mg de nanocapsules dopées en N dans 100 g d'eau douce, et on a obtenu 0,1 % en poids de fluide de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes. Propriétés du fluide de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone solubles dans l'eau Les résultats mesurés des propriétés pour le 0,1 % en poids de fluide de transfert thermique avec des nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes sont montrés dans le tableau 1. Tableau 1 Eau douce 0,1 % en poids de nanocapsules dopées en N dans l'eau Conductivité thermique 0,64 0,92 (en W/mk) Comme décrit dans le tableau 1, dans la mesure où la conductivité thermique du fluide de transfert thermique est supérieure à celle de l'eau douce, l'ajout de nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes améliore la capacité de dissipation thermique de l'eau. Tandis que l'on a décrit l'invention à titre d'exemple et en termes de modes de réalisation préférés, il faut comprendre que l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation décrits. Au contraire, elle vise à couvrir plusieurs modifications et agencements similaires (comme ceux qui apparaîtront évidents aux spécialistes de la technique). Par conséquent, la portée des revendications jointes doit être interprétée de la façon la plus large de manière à englober l'ensemble de ces modifications et agencements similaires. REVENDICATIONS 1. Un fluide de transfert thermique avec nanocapsules de carbone, comprenant : - un fluide ; et - une pluralité de nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes dispersés uniformément dans le fluide. 2. Le fluide de transfert thermique selon la revendication 1, dans lequel les nanocapsules de carbone contenant des hétéroatomes sont présentes en une quantité de 0,01 à 10 parties en poids, sur la base de 100 parties en poids du fluide de transfert thermique. 3. Le fluide de transfert thermique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes est une nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes, comprenant une couche graphitique fermée représentée par une formule chimique C(D)x, dans laquelle C est un carbone présentant une orbitale hybride sp2, D est un atome du groupe III ou V de la classification périodique des éléments lié au carbone, et X est un équivalent molaire de 0,0001 à 0,1, sur la base de l'équivalent du molaire du carbone, égal à 1. 4. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes est un amas de carbone polyèdre constituant plusieurs couches graphitiques ayant une structure de billes à l'intérieur d'une bille. 5. Le fluide de transfert thermique selon la revendication 3, dans laquelle D comprend des atomes N, B, P ou S. 6. Le fluide de transfert thermique selon la revendication 3, dans lequel D est lié à l'hydrogène, au groupe alkyle, au groupe alcoxy, à l'halogène, au groupe hydroxyle, au groupe amino, au métal, ou au complexe métallique. 7. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes est creuse. 8. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel la nanocapsule de carbone contenant des hétéroatomes est une nanocapsule de carbone remplie de métaux, oxydes métalliques, carbures métalliques, sulfure métallique, nitrure métallique, borate métallique ou alliages métalliques. 9. Le fluide de transfert thermique selon la revendication 8, dans lequel l'atome métallique du métal, de l'oxyde métallique, du carbure métallique, du sulfure métallique, du nitrure métallique, du borate métallique, ou de l'alliage comprend le Sc, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Mo, Ru, Rh, Pd, La, Ce, Pr, Nd, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Lu, Ta, Os, Ir, Pt, Au, Th, U ou une combinaison de ceux-ci. 10. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel le diamètre de la nanocapsule contenant des hétéroatomes est de 1 à 100 nm. 11. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans laquelle le fluide est de l'eau, un solvant organique ou une combinaison de ceux-ci. 12. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel le fluide est de l'alcool. 13. Le fluide de transfert thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le fluide est de l'eau, du méthanol, de l'éthanol, du n-propanol, de l'isopropanol, du n-butanol, de l'iso-butanol, du t-butanol, du t-pentanol, de l'éthylène glycol, de l'éther monométhylique d'éthylène glycol, de l'éther monoéthylique d'éthylène glycol, de l'éther monoéthylique de propylène glycol, du styrène, de l'acétate d'éthyle, du toluène, du xylène, de la méthyléthylcétone, de l'acétone, de l'huile pour moteur, ou des combinaisons de ceux-ci.