热管、系统和用于对传热进行切换和/或编程的方法

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的热管、一种根据权利要求12的具有热管的系统以及一种根据权利要求15的前序部分所述的用于对热管中的传热进行切换和/或编程的方法。

背景技术

已知热管(也作为Heatpipe已知)通过蒸发热进行传热，可以实现高热流密度。通常，热管具有热侧，即热源，以及具有冷侧，即热沉。在热管中设有工作流体，所述工作流体在热源的区域内蒸发并且在热沉的区域内冷凝。通过输送工作流体和通过冷凝潜热和蒸发潜热进行的传输来实现传热。

已知的热管对于热流具有一个首选方向，就是说，所述热管被构造成热二极管。这意味着，这种二极管在一个方向上的导热效果非常好，而在相反的方向上的导热效果非常差。

这种热二极管例如记载在Boreyko et al.2001,Applied Physics Letter 99(23)以及文献US 8716689 B2中。通过在热沉的区域内使用超疏水的涂层，并且在热源的区域内使用超亲水的涂层，导致热二极管对热量的首选方向：通过超疏水的涂层，在热沉的区域内的表面排斥工作流体，从而工作流体被输送回到热源的超亲水的区域中，并在这里重新蒸发。

由现有技术在先已知的热二极管的不利之处在于，预先规定了传热的首选方向，并且由于结构形式，固定了二极管特性，就是说，在进行的运行中不能改变或适应性调整二极管特性。

发明内容

由此，本发明的目的在于，提出用于传热的热管或方法，所述热管或方法是可变的并且克服了由现有技术已知的方法和装置的限制。

所述目的通过根据权利要求1的热管，以及通过根据权利要求15的用于对热管中的传热进行切换/或编程的方法实现。根据本发明的热管的优选设计方案在从属权利要求2至11中给出。在权利要求12至14中给出具有根据本发明的热管的系统的设计方案。根据本发明的方法的优选设计方案在权利要求16和17中给出。由此全部权利要求在文字上明确地通过引用包含在说明书中。

如本身已知的那样，根据本发明的热管包括至少一个工作腔，所述工作腔具有蒸发器区域和至少一个冷凝器区域。所述蒸发器区域与热源作用连接，并且所述冷凝器区域与热沉连接。在工作腔中设有工作流体。在第一运行状态下，热量通过工作流体从热源输送到热沉。

重要的是，所述热管构造成可切换和/或可编程的热二极管或热开关，其方式是设有至少一种可激活的功能材料，所述功能材料被设置和设计成，在第二运行状态下保持蒸发器区域没有工作流体和/或防止工作流体蒸发，以减少和/或防止传热，和/或改变传热的导热首选方向。

所述工作流体填充了工作腔，并且根据压力和温度的不同，以液态和气态两种形式存在。表述“保持蒸发器区域没有工作流体”是指液相的工作流体与蒸发器区域的表面的直接接触和/或直接相互作用。这里，同样在本发明范围内的是，在蒸发器区域中，所述工作流体以气相存在，因为气相的工作流体充满热管的工作腔的整个容积。

本发明基于申请人的以下认识，即，通过适当地设计工作腔中的条件能够控制传热并且甚至使传热反转。

由此根据本发明的热管在一些重要的方面不同于在先已知的热管：

在所述热管中设有可激活的功能材料，所述功能材料能够从第一状态(热管的第一运行状态)变换到第二状态(热管的第二运行状态)。在第一状态下，所述可激活的功能材料允许沿第一运行状态的导热首选方向传热，或者对于热管的功能没有影响。在第二状态下，所述可激活的功能材料保持蒸发器区域没有工作流体或防止工作流体蒸发。由于热管中的传热主要通过工作流体在蒸发器区域中的蒸发和将蒸发的工作流体输送到冷凝器区域中来实现，这减少或防止了热管中的传热。同样在本发明范围内的是，所述可激活的功能材料被设计成，使得在第二运行状态下通过所述可激活的功能材料改变导热首选方向。

在本发明一个优选的实施形式中，所述热管被设计成可切换的热二极管或热开关，其方式是，所述至少一种可激活的功能材料被设计成，在外部的场中至少部分地改变其特性。可激活的功能材料的能通过外部场改变的可能的特性是表面润湿特性、膨胀能力、流体结合特性和体积。

在本发明的一个备选的实施形式中，所述热管被设计成可编程的热二极管或热开关，其方式是，所述至少一种可激活的功能材料被设计成，根据工作腔内部的条件至少部分地改变其特性。可激活的功能材料的能通过外部场改变的可能的特性是表面润湿特性、膨胀能力、流体结合特性和体积。

由此，所述可激活的功能材料优选能通过外部或内部的影响进行切换或编程。“可切换”在这种情况下是指，可以通过主动施加外部的场使运行状态变换。“可编程”在这种情况下是指，当环境条件、特别是工作腔中的条件改变时，热管自行通过材料固有的内部因素改变状态。

由此实现这样的优点，即，可以有针对性地控制根据本发明的热管中的传热。

在本发明的一个优选的实施形式中，所述热管被设计成可编程的热二极管或热开关，其方式是，所述至少一种可激活的功能材料被设计成，根据工作腔内部的条件，特别是根据温度、工作流体的pH值和/或工作流体的离子强度改变其特性。因此，有利的是，不需要外部场，而是可以仅通过工作流体或通过热管的直接特性来控制热管中的传热。

所述工作腔优选被构造成封闭的空间，特别是被构造成，通过蒸发的工作流体的对流和冷凝的工作流体从冷凝器区域回流到蒸发器区域进行传热。特别是所述工作腔的封闭的空间被构造成压力密封的系统。特别是除了工作流体以外的所有外来气体，基本上从所述压力密封的系统中去除。为此可以考虑采用不同的结构形式，这些结构形式的区别在于工作流体的回流。这里已知的是，设计成热管或两相热虹吸管。

所述可激活的功能材料被设置在工作腔的内部。这里，所述可激活的功能材料也可以被设置成工作腔的一部分，例如工作腔的底部或顶盖。

在本发明的一个优选的实施形式中，所述热管被构造成具有用于工作流体的流体回路。优选所述流体回路包括用于将冷凝的工作流体从冷凝器区域回流到蒸发器区域的流体回引结构。由此可以有针对性地且计量地将工作流体导回到蒸发器区域中，并且由此避免蒸发器区域变干。

在本发明的一个优选的实施形式中，所述封闭的空间在蒸发器区域中具有疏流体的涂层和/或结构，和/或在冷凝器区域中具有亲流体的涂层和/或结构。同样在本发明的范围内的是，所述封闭的空间、即所述工作腔在蒸发器区域和/或冷凝器区域中具有附加的结构。由此，例如可以优化表面的润湿特性。

所述封闭的空间在蒸发器区域中具有亲水的涂层和/或结构，和/或在冷凝器区域具有疏水的涂层和/或结构，和/或所述封闭的空间蒸发器区域中具有亲油的涂层和/或结构，和/或在冷凝器区域具有疏油的涂层和/或结构。

所述至少一种可激活的功能材料优选被构造成工作腔的蒸发器区域和/或冷凝器区域的可切换的涂层的形式，其方式是，蒸发器区域的涂层的表面特性能从亲流体变为疏流体的。优选蒸发器区域冷凝器区域的涂层都被构造成这样，即蒸发器区域的涂层的表面特性能从亲流体变为疏流体的，而冷凝器区域的涂层的表面特性能从疏流体变为亲流体的。在这种情况下，所述热管被构造成可切换的热二极管：通过施加外部场可以使热管从第一运行状态变到第二运行状态。

如果在第一运行状态下，热侧、即蒸发器区域通过热源加热，则聚集在蒸发器区域的亲流体的涂层上的工作流体蒸发，并使得热量可以从蒸发器区域传输到冷凝器区域。这里，工作流体在冷凝器区域的疏流体的涂层上冷凝。由于冷凝器区域中疏流体的表面特性，工作流体会形成液滴。在表面有强疏流体的设计方案中，工作流体“弹跳”回到蒸发器区域中。备选地，也可以通过设置毛细力实现液滴的流体回引，例如其形式是亲水的吸液芯结构，如由现有技术已知的热管那样。在这种状态下，热二极管是导热的。

如果在第二运行状态(下面也称为截止状态)下，改变蒸发器区域和/冷凝器区域中的涂层的表面特性，例如通过施加外部的电场改变，则热源处的热侧、即蒸发器区域现在具有疏水的特性。工作流体没有充分地汇集在这个涂层上，并且汇集在这里的工作流体快速蒸发并在冷凝器区域的亲流体的涂层上冷凝。工作流体留在这里并且没有回流到蒸发器区域中，因为上面所述的回引机制不起作用。由此工作腔的热侧变干，并且没有通过工作流体进行传热。热二极管截止。

优选所述可切换的涂层被构造成

在一个特别优选的实施形式中，

在本发明的一个优选实施形式中，所述可激活的功能材料被设计成，使得蒸发器区域和冷凝器区域在第二运行状态中互换特性。由此，第二运行状态不是截止状态，而是使热量沿与第一运行状态相反的方向传输。在这种情况下，在第二运行状态中，工作流体可以在现在表现为蒸发器区域的原冷凝器区域中蒸发，并且从热源吸收热量并将热量输送到现在表现为冷凝器区域的原蒸发器区域。工作流体在这个新的冷凝器区域中冷凝，并且向热沉释放热量。由此使得热二极管的导热的首选方向反转。

优选所述可激活的功能材料在蒸发器区域以及冷凝器区域中都被构造成

为了实现根据本发明的亲流体/疏流体的特性的电可切换性，例如使用

在本发明的一个可选的实施形式中，所述至少一种功能材料被构造成用于工作流体的储存器的形式，特别是液体储存器的形式。通过这种储存器控制传热所需的工作流体的吸收或释放。这意味着，可以使得可供使用的工作流体量是可变化的。在热管的第一运行状态中，提供工作流体用于导热。所述热管导热。在第二运行状态、即截止状态下，工作流体被约束在储存器中，特别是液体储存器形式的储存器中。在这种约束的形式中，工作流体不再能够供传热使用。所述热管不再导热。

在本发明的范围内，表述“热管不再导热”是指二极管的截止状态。这意味着，相比于另一个切换状态，传热明显降低。尽管如此，可能例如还通过构件的热传导出现小的热流。

优选所述用于工作流体的储存器被构造成凝胶、特别是被构造成聚合物凝胶，被构造成吸附剂或被构造成介观结构化的表面。

特别优选地，所述储存器被构造成化学交联的聚合物凝胶。交联的聚合物凝胶被设计成在工作流体的作用下发生膨胀，并且具有体积相变，优选是水凝胶的膨胀状态和萎缩状态之间的体积相变。

特别是对于工作流体是水的情况，所述储存器优选被构造成结合水的水凝胶。所述聚合物凝胶具有结合水和非结合水的状态。优选热管从第一运行状态到截止运行状态的过渡、就是说聚合物凝胶的非结合流体的状态到聚合物凝胶的结合流体的状态的过渡，是通过温度变化来引发的。所述聚合物凝胶可以被构造成具有UCST型(上临界会溶温度(upper critiical solution temperature))或LCST型(下临界会溶温度(Lowercritiical solution temperature))的体积相变的聚合物凝胶。对于UCST型的体积相变，交联的聚合物凝胶在超过临界温度(极限温度)时，才会由于工作流体发生膨胀。对于LCST型的体积相变，在低于临界温度(极限温度)时，工作流体从交联的聚合物凝胶中排出。因此，对于UCST型相变，热管在临界温度之上截止。对于LCST型相变，热管在临界温度之下截止。由此，极限温度可用于定义从热管的第一运行状态到截止状态的转换的切换温度。

已知的具有UCST体积相变的聚合物例如记载在Macromol.Rapid.Commun.33,1898-1920,2012中。已知的具有LCST体积相变的聚合物例如记载在Adv.Polym.Sci.242,29-89,2011。所述聚合物与水相互作用，因此特别适用于使用水作为工作流体的热管。但还存在一系列这样的聚合物，所述聚合物具有与有机流体、如例如矿物油一起具有所述特性和所述表现，例如见J.Polym.Sci.A46,5724-5733,2008。在这种情况下也可以使用水以外的其他流体作为工作流体。

在本发明的一个优选的实施形式中，所述储存器被构造成吸附剂。吸附剂与流体结合。结合在吸附剂中的流体量也称为吸附量。随着温度升高(和由此引起的所结合的流体的蒸汽压力升高)，吸附剂的吸附量降低并重新释放流体。

优选地，所述吸附剂具有极限温度，从而在超过极限温度时或超过流体确定的蒸汽压力时，流体会非常突然地重新从吸附剂中释放。由此，极限温度可以用于定义热管从截止状态到第一运行状态的转换的切换温度。

具有确定的极限温度或与此相关的流体蒸汽压力的吸附剂的一个材料示例是三菱

同样在本发明范围内的是，液体储存器的特性不仅通过温度，而且通过其他物理或化学激励影响。对此的例子有UV光或微波辐射以及pH值、离子强度或是否存在确定的有机原子。对此的例子记载在Angew.Chem.Int.Ed.55,6641-6644,2015中。热二极管的切换由此通过不同的因素实现，并且可以相应地与应用领域和环境条件相适配。

根据本发明的目的还通过一种系统来实现，所述系统包括具有根据本发明的上面所述的特性的热管和用于加载场以便改变可激活的功能材料的特性的机构。

优选作为用于加载场的机构设有E场、B场、应力-应变场、用于产生光，特别是UV光、用于产生热和/或用于产生冷的场发生器。既可以仅设置一个所提及的场发生器，也可以设置多个所提及的场发生器的组合。对此的例子包括冷凝器、线圈、偏心器、(UV)光源或者加热和冷却装置。由此可以针对所使用的工作流体，以及所使用的可激活的功能材料单独地适应性调整控制方案。

根据本发明的系统还具有根据本发明的热管和/或热管的优选实施形式的上面所述的优点和特性。

优选所述系统在热侧和冷侧方面灵活地构成。如果所述热管被构造成具有可反转的导热的首选方向，则优选设有这样的机构，所述机构使得蒸发器区域和冷凝器区域通过与热侧或相应地与冷侧接触而指定地获得其功能。优选蒸发器区域和冷凝器区域分别与热侧或冷侧之间设置良好的热接触。热沉和热源与热管设有良好的热接触。

在一个优选的实施形式中，所述系统是用两种功能材料的组合形成的热管，所述两种功能材料之一被构造成上面所述的、特别是聚合物凝胶形式的液体储存器。另一种功能材料优选被构造成在其亲流体/疏流体特性上可变的

根据本发明的目的还通过具有权利要求15的特征的方法来实现。如本身已知的那样，所述用于对传热进行切换和/或编程的方法是利用热管和工作流体执行的，所述热管具有至少一个工作腔，所述工作腔具有至少一个蒸发器区域和至少一个冷凝器区域。这里，所述方法包括以下方法步骤：

A在蒸发器区域中蒸发工作流体，热量随气态的工作流体从蒸发器区域输送到冷却器区域，

B在冷却区域中冷凝工作流体，此时，热量被导出到热沉。

重要的是，使所述热管作为热二极管或热开关运行，其方式是，通过施加外部的场和/或根据工作腔内部的条件改变导热性。

根据本发明的方法优选设计成用于通过根据本发明的热管和/或根据本发明的热管的优选实施形式来执行。相反，根据本发明的热管被构造成用于执行根据本发明的方法和/或根据本发明的方法的优选实施形式。

根据本发明的方法同样具有根据本发明的热管和/或根据本发明的系统的上面所述的优点和特征。

优选通过保持蒸发器区域没有工作流体和/或防止工作流体蒸发，改变热管的导热性。

在本发明的一个优选的实施形式中，在所述热管中，在第一运行状态下从设置在蒸发器区域上的热侧(热源)向设置在冷凝器区域上的冷侧(热沉)输送热量。通过在方法步骤C中施加外部场，所述热管转换到第二运行状态。优选为此产生E场、B场、应力-应变场或者利用光，特别是UV光、用热和/或用冷加载所述可激活的功能材料。在第二运行状态下，在蒸发器区域中不再提供工作流体或至少不再提供足够的工作流体。蒸发器区域变干并且热管不再沿第一运行状态的导热的首选方向导热。

备选地，所述工作流体可以根据工作腔内部的条件从第一运行状态变换到第二运行状态。可以引起从第一运行状态到第二运行状态的变换的参数是温度、工作流体的pH值和/或工作流体的离子强度。由此，得到这样优点，即可以对热管进行“编程”，以在确定的条件下变换运行状态，而不需要外部影响。

优选通过可切换的表面涂层，将工作流体从工作腔的蒸发器区域排出，如上面已经说明的那样。

备选地，可以通过可激活的功能材料结合工作流体。为此，所述至少一种可激活的功能材料优选被构造成用于工作流体的储存器的形式、特别是液体储存器的形式。通过所述储存器控制传热所需的工作流体的吸收或释放。这意味着，可以改变可供使用的工作流体量。在热管的第一运行状态下，工作流体可供导热使用。所述热管导热。在第二运行状态、即截止状态下，工作流体被约束在储存器中，特别是以液体储存器的形式。在这种约束的形式中，工作流体不能供传热使用。所述热管不再导热。

在本发明的一个优选的实施形式中，其方式是，通过施加外部的场和/或根据工作腔内部的条件使蒸发器区域和冷凝器区域的表面特性互换，来使热二极管的导热的首选方向发生反转。在这种情况下，在第二运行状态下，现在表现为蒸发器区域的原冷凝器区域中使工作流体蒸发，并且从热源吸收热量并将其输送到现在表现为冷凝器区域的原蒸发器区域。在这个新的冷凝器区域中，工作流体发生冷凝并且向热沉释放热量。由此，相对于运行状态1，导热的首选方向发生反转。

根据本发明的热管、根据本发明的系统和根据本发明的方法特别适合于，有效地接通和关闭热流，或者说控制或调节热流。基于热管的热开关或热二极管是特别合适的，因为这种热管可以实现高开关因子，并且由于高传热在导通状态下仅具有很小的热阻。此外，这种热管可以以非常紧凑的结构形式实现，并且因此可以容易地集成。根据具体设计方案，所述热管可以简单地构成，包括较少的零件，并且不需要包含活动部件。

附图说明

下面参考实施例和附图说明根据本发明的热管和根据本发明的方法的其他优选特征和实施形式。其中：

图1示出根据本发明的热管的第一实施例的示意图，

图2示出根据本发明的热管的第二实施例的示意图。

具体实施方式

图1示出一种热二极管的示意图，其在蒸发器区域和冷凝器区域中的可激活的功能材料以可切换的涂层的形式存在，其中部分图示a)处于导通状态，而b)处于截止状态。

热管1具有工作腔2，所述工作腔具有至少一个蒸发器区域3和至少一个冷凝器区域4。所述蒸发器区域3与热源(未示出)作用连接，所述热源当前情况下具有温度T

所述工作腔2在当前情况下构造成封闭的、压力密封的空间，所述空间被构造成，通过蒸发的工作流体5的对流来进行传热，并且将冷凝的工作流体5输送回去。

工作流体5在当前情况下是水。

蒸发器区域3和冷凝器区域4被构造成具有由可激活的功能材料制成的涂层6。蒸发器区域3以及冷凝器区域4的涂层6都被构造成，使得蒸发器区域3的涂层6a的表面特性能从亲水的变为疏水的，并且能够反转变化，而冷凝器区域4的涂层6b的表面特性能从疏水的变为亲水的，并且能够重新反转变化。这里，所述涂层6被设计成，使得蒸发器区域3和冷凝器区域4恰好具有相反的表面润湿特性。

在当前情况下，由可激活的功能材料组成的涂层6被构造成由

在当前情况下，蒸发器区域3中的涂层6a和冷凝器区域4中的涂层6b被构造成具有能电切换的

通过施加电场形成亲水和疏水的侧面，通过反转场方向，所述特性同样反转。

由此，在当前情况下，所述热管1被构造成可切换的热二极管：在第一运行状态下，通过工作流体5的蒸发从热源向热沉输送热量，其方式是，利用气态的工作流体5将热量从蒸发器区域3输送到冷凝器区域4。蒸发器区域3通过热源加热，并且积聚在蒸发器区域3的亲水涂层6a上的工作流体5蒸发，并且使得能够从蒸发器区域3向冷凝器区域4传热。在冷凝器区域4，工作流体5在冷凝器区域4的疏水的涂层6b上冷凝并且向热沉导出热量。由于冷凝器区域4中疏水的表面特性，而出现的是工作流体5形成液滴。由于这个表面的强疏水设计，工作流体5“弹跳”回到蒸发器区域3中。

通过施加外部场，在当前情况下是大小为5V的电压，热管1可以从导热的第一运行状态切换到不导热的第二运行状态。

如所说明的那样，通过施加外部场，蒸发器区域3和冷凝器区域4中的涂层6的表面特性发生改变。现在，热源处的蒸发器区域3具有疏水的特性。在蒸发器区域3的涂层6a上没有积聚足够的工作流体5，并且积聚在这里的工作流体5快速蒸发，并在冷凝器区域4的亲水涂层6b上冷凝。工作流体5留在这里并且没有被输送回到蒸发器区域3中，因为现在亲水的表面不会排斥工作流体5。由此，工作腔2的热侧变干，并且没有通过工作流体5进行传热。热二极管截止。

图2示出了一种热开关的示意图，该开关的可激活的功能材料是以液体储存器的形式存在，其中，部分图示a)处于导通状态，b)处于截止状态。

为了避免重复，下面将只讨论与图1的区别。

在本例中，至少一种可激活的功能材料是以工作流体5的液体储存器的形式存在的，即以水结合水凝胶7的形式存在。在本例中，水结合水凝胶7的形成方式如下。

具有LCST型体积相变的水凝胶可以例如在使用下面的单体的情况下，通过自由基聚合制造。所提及的组成不应理解为排他的。

具有UCST型体积相变的水凝胶可以例如在使用下面的单体的情况下，通过自由基聚合制造。所提及的组成不应理解为排他的：

此外，还存在这样的可能性，即，通过可溶性的聚合物发生的后续交联，来制造合适的水凝胶，所述水凝胶具有体积相变。为了以这种方式获得具有LCST型体积相变的水凝胶，可以例如使部分水解的聚醋酸乙烯酯(Poly(vinylacetat))与1,4-丁二醇二缩水甘油醚(1,4-Butandioldiglycidylether),聚乙二醇二缩水甘油醚(Poly(ethylenglykol)-diglycidylether)或者其他双或多功能环氧化物(multifunktionellen Epoxiden)交联。

通过结合水的水凝胶7使得工作流体5可用量是可变的。结合水的水凝胶7具有结合水的状态和结合水明显程度更低的状态。在当前情况下，热管1从第一运行状态到截止状态的转换、就是说水凝胶7的结合水明显程度更低的状态到结合水的状态的转换通过温度变化引起，在当前情况下，是从室温到约150℃的温度变化。这种升温例如通过加热蒸发器侧的热侧、就是说在没有外部场的情况下实现。

在热管1的第一运行状态下，工作流体5可供导热使用。热管1导热。在第二运行状态、即截止状态下，工作流体5结合在所述结合水的水凝胶7中。工作流体5以这种结合的形式不再能用于传热。热管1不再导热。

与图1不同，没有设置确保从冷凝器区域4向蒸发器区域3回输工作流体5的涂层。因此，热管1在当前情况下被构造成具有吸液芯结构(未示出)形式的流体回引结构。