CN114466998A

CN114466998A - 热传递设备

Info

Publication number: CN114466998A
Application number: CN202080051104.9A
Authority: CN
Inventors: A·A·杜林顿
Original assignee: A ADulindun
Current assignee: A ADulindun
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-05-10
Also published as: US20220235971A1; CA3143854A1; EP3999790A1; KR20220042153A; AU2020315500A1; EP3999790A4; JP2022541892A; WO2021010842A1

Abstract

在一个方面，本发明提供了一种热传递设备，其包括限定外部收集表面和内部发射表面的发射器物体。还提供了偏离所述发射器物体的接收器物体，所述接收器物体限定内部接收表面和外部热递送表面。提供了热导管，所述热导管结合有连接在所述发射器物体和所述接收器物体之间的至少一个侧壁，该至少一个侧壁跨越所述发射器物体和所述接收器物体之间的距离并且包围所述发射器物体和所述接收器物体之间的容积。该一个或多个侧壁包围所述发射器物体的所述内部发射表面和所述接收器物体的所述内部接收表面。所述发射器物体、接收器物体和热导管被配置成促进主要朝向所述接收器物体的热传递。

Description

热传递设备

技术领域

本发明涉及一种热传递设备，特别涉及热能传递和管理系统。更具体地，在特定实施例中，本发明用于实现改进的热泵系统。

背景技术

所有物体不断地向它们附近的环境释放热，同时获得从附近物体释放的热。当它们释放热时，它们冷却，而当它们获得热时，它们变热。物体越热，它们释放的热就越多。

通常，我们观察到较热的物体将热传递给较冷的物体，因为比它们的紧邻环境更热的物体比它们获得的热释放更多的热。同样地，比它们的周围环境更冷的物体被加热，因为它们比它们释放更多的热。

我们还通常观察到处于与它们的周围环境相同温度的物体保持在该温度，因为它们获得的热量被它们释放的热量平衡，导致热没有净变化。

例如，在内部被加热到舒适温度的寒冷环境中的建筑物不断地向外部损失热。因此，为了保持内部温度稳定，使用某种形式的加热器来平衡建筑物损失的热。在处于被冷却到舒适温度的热环境中的建筑物中，不断地从外部获得热。同样，为了保持恒定的内部温度，使用某种冷却装置来平衡所吸收的热。

有许多情况希望停止或减少从较热物体到较冷物体的热传递。例如，在建筑物墙壁、地板和天花板中安装隔热材料，以减少维持稳定温度所需的加热或冷却。

实际上，通常希望将热从较冷的物体转移到较热的物体，这与通常接受的自然热传递方向相反。这种装置通常称为热泵。对于在高温环境中的建筑物，可以使用热泵来将热从内部移动到外部，以抵消从外部到内部的自然热传递。冰箱是使用热泵将热从冰箱内部移动到冰箱外部的另一实例。

现有的热泵系统无处不在且有效，但具有以下缺点：需要能源如电力；具有足够的机械复杂性，操作寿命有限，并且需要维护、维修和修理；并且具有需要对环境有害的化合物的历史。

因此，优选且有价值的是具有一种用于热管理系统的热传递设备，其最小化持续存在的能量消耗，或至少提供一种优于现有技术的替代方案。此外，优选且有价值的是具有一种用于热管理系统的热传递设备，其不需要大量维护且对环境影响最小。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种热传递设备，该热传递设备包括：

发射器物体，该发射器物体限定外部收集表面和内部发射表面，

接收器物体，该接收器物体偏离发射器物体，该接收器物体限定内部接收表面和外部热递送表面，

热导管，该热导管结合有连接在发射器物体与接收器物体之间的至少一个侧壁，所述至少一个侧壁跨越发射器物体与接收器物体之间的距离并且包围发射器物体与接收器物体之间的容积，所述至少一个侧壁包围发射器物体的内部发射表面和接收器物体的内部接收表面，

其中发射器物体、接收器物体和热导管被配置成主要在一个方向上促进热传递。

根据本发明的另一个方面，提供了一种热传递设备，该热传递设备包括：

其中发射器物体、接收器物体和热导管被配置成促进主要朝向接收器物体的热传递。

根据本发明的另一方面，提供了一种基本上如上所述的热传递设备，其中热导管侧壁的内表面包括一个或多个热反射器，热反射器由适于优先反射特定方向上的热辐射的纳米结构超颖材料形成，纳米结构、纳米层或超颖材料被施加到发射器物体的内部发射表面和/或接收器物体的内部接收表面以优先发射特定波长带中的热辐射，发射器物体的内部发射表面的面积大于接收器物体的内部接收表面的面积，并且由热导管包围的容积包括滤波器，滤波器适于反射特定波长带中的热辐射并透射其它波长带中的热辐射。

在第一方面，本发明适于提供一种热传递设备，在另一方面，本发明提供一种由两个或多个这种设备形成的热传递组合件。

通过本发明的作用，可以促进热传递以主要在一个方向上传递热，并且优选地朝向接收器物体。在本发明的各种实施例中，设备可以配置成促进主要从发射器物体向接收器物体的热传递，并且在实施例的范围内，可以利用这样的配置：由接收器物体发射的热传递可以被反射回接收器物体。本领域的技术人员将理解，仍然可以发生从接收器物体到发射器物体的热流动，而本发明促进净或更大的热流动以从发射器物体传递到接收器物体。

在整个说明书中还提及了本发明的作为热发射器或接收器的各种部件、物体或表面。然而，本领域技术人员将理解，这些提及涉及考虑相同制品的热发射和热接收两者的总体结果。特别地，根据本发明描述为热发射器的元件可以以比其发射热更低的速率接收热。相反，热接收器将以低于其接收热的速率发射热。

在各种实施例中，发射器物体的外部收集表面用于主要从热传递设备的紧邻环境收集热。在其它实施例中，外部热收集表面可用于从封闭或容纳的空间收集热，例如在本发明用于向该封闭空间提供冷却效果的应用中。在进一步的实施例中，该外部热收集表面可用于从本发明提供的另一热传递设备的接收器物体收集热。

在整个说明书中，一般将参考用于将热传递到封闭空间的热传递设备。在这样的实施例中，接收器物体可以位于封闭空间内或与封闭空间热连通，并且发射器物体的外部收集表面可以用于从该封闭空间外部的设备的紧邻环境收集热。然而，本领域的技术人员将理解，本发明可以用于其它配置，并且例如可以在发射器物体位于该封闭空间内或与该封闭空间热连通时冷却该封闭空间。

本领域技术人员还将认识到，热连通还可以包括使用中间热传递机构，例如热交换器、热传递流体和热管。

在优选实施例中，发射器物体的外表面可以用于从热传递设备的紧邻环境收集热。

在另一优选实施例中，发射器物体的外表面可适于主要从热传递设备的紧邻环境收集热。例如，在一些实施例中，该外表面可以结合纳米结构超颖材料，由纳米结构超颖材料形成，包括纳米结构超颖材料或已经施加纳米结构超颖材料，纳米结构超颖材料被调节成吸收太阳光-以加热发射器物体-并阻止来自表面的黑体辐射。可以执行这种角色的候选超颖材料表面的形式和构造的具体细节仅通过实例的方式描述：《材料杂志(Materialsjournal)》,2018,第11卷,第862页：《场和远场辐射热传输中超材料可调波长选择性的研究进展(A review of tunable wavelength selectivity of meta-materials in thefield and far field radiative thermal transport)》，Yanpei Tian、Alok Ghanekar、Matt Ricci、Mikhail Hyde、Otto Gregory和Yi Zheng著。

优选地，接收器物体的外部热递送表面用于主要将热递送到热传递设备的紧邻环境。如上所述，在各种实施例中，该紧邻环境可以是要被加热的封闭空间，或者是从由本发明的发射器物体的存在而冷却的封闭空间接收热的开放区域。

在一些实施例中，接收器物体的外部热递送表面可以适于将热递送到也暴露于阳光的开放区域，并且其中发射器物体用于从相邻的封闭空间移除热。例如，在一些实施例中，该外部热递送表面可以结合纳米结构超颖材料，由纳米结构超颖材料形成或已经施加纳米结构超颖材料，超颖材料被调节成阻止阳光的吸收并促进黑体辐射的发射。可以执行这种角色的候选超颖材料表面的形式和构造的具体细节仅通过实例在以下出版物中描述：

·《用于白天辐射冷却的可扩展制造的随机玻璃-聚合物混合超颖材料(Scalable-manufactured randomized glass-polymer hybrid metamaterial fordaytime radiative cooling)》，Yao Zhai、Yaoguang、Sabrina N.David、Dongliang Zhao、Runnan Lou、Gang Tan、Ronggui Yang、Xiaobo Yin著，《科学(Science)》,2017年3月10日：第355卷,第6329期,第1062-1066页,DOI:10.1126/science.aai7899。

·《阳光直射下低于环境空气温度的被动辐射冷却(Passive radiative coolingbelow ambient air temperature under direct sunlight)》，Aaswath P.Raman、MarcAbou Anoma、Linxiao Zhu、Eden Rephaeli和Shanhui Fan著,《自然(Nature)》,第515卷,第540-544页，2014年。

优选地，发射器物体的内部发射表面用于发射黑体热辐射。

优选地，接收器物体的内部接收表面用于吸收从发射器物体的内部发射表面发射的热辐射。

在各种实施例中，发射器物体的内部发射表面和/或接收器物体的内部接收表面适于优先发射特定波长带中的热辐射。

优选地，可以将纳米结构、纳米层或超颖材料施加到发射器物体的内部发射表面和/或接收器物体的内部接收表面，以优先发射特定波长带中的热辐射。

在进一步优选的实施例中，在这样的实施方式中使用的纳米结构、纳米层或超颖材料可以由表现出发射黑体辐射的特性的任何材料形成，所述黑体辐射具有如通过普朗克定律预测的与大多数天然存在的材料不同的谱密度或含量。

优选地，热传递设备可包括在由热导管包围的容积内的滤波器。

优选地，滤波器适于反射特定波长带中的热辐射并透射其它波长带中的热辐射。当这些物体的内表面中的任一个适于发射特定波长带中的热辐射时，该滤波器可优选地配置成有助于促进从发射器物体到接收器物体的热传递。

优选地，滤波器可以由通过二向反射镜、薄膜干涉滤波器和/或纳米结构超颖材料提供的依赖于波长的反射器形成。

优选地，由热导管包围的容积的内部环境促进辐射热交换并阻止其它热交换方法。

在各种实施例中，由热导管的一个或多个侧壁包围的容积可以是低空气压力、部分真空或真空环境。在其它实施例中，由热导管的一个或多个侧壁包围的容积可包含惰性或低热导率气体，例如氙气、氩气、氪气和/或一氧化二氮气体。本领域技术人员将理解，在由热导管限定的容积中不存在气体，或在该容积中存在低热导率气体将有效地促进辐射热交换并阻止其它热交换方法。

在一些实施例中，发射器物体的内部发射表面的面积可以大于接收器物体的内部接收表面的面积。

在一些实施例中，热导管侧壁的内表面可以包括一个或多个热反射器，这些热反射器被布置成优先将热辐射引导到接收器物体。

优选地，至少一个热反射器或多个热反射器可以包括纳米结构超颖材料，这种超颖材料适于优先反射特定方向上的热辐射。

在进一步优选的实施例中，用作热反射器的纳米结构超颖材料可以由在包含由发射器物体的发射表面发射的黑体辐射的大部分能量的波长范围内表现出以下特性的任何材料形成：

·高的反射率；

·低吸收；

·可以主要在特定方向上聚焦、衍射或以其它方式引导光；

在各种优选实施例中，设备还可以包括至少一种热缓冲材料，该热缓冲材料适于允许在第一控制状态下进行热传递并且阻止在第二控制状态下进行热传递。在进一步优选的实施例中，本发明使用的热缓冲材料可以具有对应于特定温度值或温度范围的控制状态。在各种实施例中，可能希望限制由本发明促进的热传递效果。本发明可以使用上面提到的一种或多种缓冲材料来检查某些控制条件的存在或破坏，并用于禁止或减少本发明进行的热传递。例如，在一些实施例中，可以使用缓冲材料来禁止本发明的操作或减弱由本发明提供的热传递效果。

在一些实施例中，可以提供与发射器物体的外部收集表面接触的热缓冲材料。

在一些实施例中，可以提供与接收器物体的外部热递送表面接触的热缓冲材料。

在一些实施例中，可以提供与发射器物体的内部发射表面接触的热缓冲材料。

在一些实施例中，可以提供与接收器物体的内部接收表面接触的热缓冲材料。

在一些实施例中，可以提供与热导管的内侧壁表面接触的热缓冲材料。

在一些实施例中，热缓冲材料可以由滤波器提供或与滤波器结合提供。在这样的实施例中，滤波器可以被配置为在暴露于特定的控制刺激时表现出对由本发明实现的热传递具有影响的特性的突然变化。例如，在一个可能的实施例中，组合的滤波器和热缓冲材料可以由电子控制的可变折射器提供。

本领域技术人员将理解，在各种实施例中，缓冲材料可以与本发明提供的上述表面中的任何一个或其组合接触。

优选地，当暴露于特定控制刺激时，与本发明结合使用的热缓冲材料经历以下特性中的任何一种或多种的突然变化：

·热导率；

·发射率；

·反射率。

因此，这些特性允许热缓冲材料用于基于缓冲材料所暴露到的特定控制刺激来改变本发明的行为或性能。本领域技术人员将理解，这些特性的变化的可接受的突变性可以由使用本发明的应用来确定。

本领域技术人员还将理解，特定控制刺激的形式和特征将根据与本发明结合使用的缓冲材料的特定类型而变化。在各种实施例中，特定控制刺激可以包括以下各项中的一项或多项：

·热刺激；

·电子刺激；

·机械刺激；

·磁刺激；

·光刺激。

例如，在一些实施例中，热刺激可以涉及导致所使用的缓冲材料的相关特性的突然变化的特定温度范围。这种缓冲材料在暴露于由第一范围的温度值组成的热刺激时可以促进热传递，并且在暴露于第二范围的温度值时可以阻止热传递。

类似地，其它形式的缓冲材料当暴露于特定的电压或电流值、不同幅度的外加力或选定频率的振动、特定强度和/或方向的磁场时，或者当暴露于具有特定频带的光时，可以表现出本发明所采用的相关特性的突然变化。

在进一步的优选实施例中，热缓冲材料可以由相变材料形成，该相变材料是在其不同材料相之间表现出热传导特性的显著变化的材料。例如，在一些实施例中，热缓冲材料可以作为固体表现出高热导率，以及作为液体表现出低热导率。

在各种实施例中，热缓冲材料可以由在转变温度下突然改变热传导特性的材料形成。因此，这样的材料可以在小的温度范围内在相之间转变。

在另外的实施例中，热缓冲材料可以由在转变温度下突然改变发射率或反射特性的材料形成。

在各种实施例中，根据本发明使用的热缓冲材料可以由表现出以下特征的任何材料形成：

·响应于特定控制刺激或条件的高热导率、发射率或反射率状态；

·响应于另一特定控制刺激或条件的低热导率、发射率或反射率状态；

·响应于变化的刺激，从高到低或从低到高的状态的快速转变；

刺激或条件可能与特定温度范围或外部控制信号(例如电子或机械事件)相关。

优选地，热缓冲材料可以被配置成具有对应于由外部控制系统生成的热、电、机械、磁或光刺激中的至少一个的一个或多个控制状态。本领域技术人员将理解，结合本发明使用的特定热缓冲材料可以基于用于改变该材料的特性的刺激或条件的形式来选择。改变本发明感兴趣的特性的此类材料和相关刺激或条件的示例性类别通过以下出版物中的实例描述：

·Qiyang Lu,Samuel Huberman,Hantao Zhang,Qichen Song,Jiayue Wang,Gulin Vardar,Adrian Hunt,Iradwikanari Waluyo,Gang Chen和Bilge Yildi,《电化学诱导相变对SrCoOx热传输的双向调节(Bi-directional tuning of thermal transport inSrCoOx with electrochemically induced phase transitions)》,《自然材料19(NatureMaterials 19)》,第655–662页，2020年。

·Geoff Wehmeyer,Tomohide Yabuki,Christian Monachon,Junqiao Wu,和Chris Dames,《热二极管、调节器和开关：物理机制和潜在应用(Thermal diodes,regulators,and switches:Physical mechanisms and potential applications)》,《应用物理学评论4(Applied Physics Reviews 4)》,041304，2017年；doi 10.1063/1.5001072

·Albert Massaguer Colomer,Eduard Massaguer,Toni Pujol,MartíComamala,Lino Montoro,J.R.González，《热电材料中的电可调热导率：主动和被动控制(Electrically tunable thermal conductivity in thermoelectric materials:Activeand passive control)》，《应用能源(Applied Energy)》,第154卷,2015年9月15日,第709-717页；

·Kaikai Du,Qiang Li,Yanbiao Lyu,Jichao Ding,Yue Lu,Zhiyuan Cheng和Min Qiu,《基于相变材料GST的零静态功率热发射器发射率控制(Control overemissivity of zero-static-power thermal emitters based on phase changingmaterial GST)》,《光：科学与应用(Light:Science&Applications)》,第6卷,第e16194页，2017年。

根据本发明的另一方面，提供了一种由至少两个基本上如上所述的热传递设备形成的热传递组合件。

根据本发明的另一方面，提供了一种热传递组合件，其包括与第二传递设备的发射器物体接合或热连通的第一传递设备的接收器物体。

根据本发明的又一方面，提供了一种由至少两个热传递设备形成的热传递组合件，每个热传递设备结合有共用的发射器物体，该发射器物体为每个热传递设备限定单独的外部收集表面和内部发射表面，每个热传递设备结合有共用的接收器物体，该接收器物体为每个热传递设备限定单独的内部接收表面和外部热递送表面。

本领域技术人员将理解，在本发明的其它方面，多个上述热传递设备可组合在一起以形成热传递组合件。该方法可用于放大提供隔离的单个热传递设备的性能，并且还提供在各种应用中提供的几何结构设备组合件方面的附加灵活性。该组合件可以通过直接的物理连接或者潜在地通过共享)每个相邻设备的部件来形成，或者间接地通过位于相邻设备之间的中间热连通部件来形成。本领域的技术人员将理解，各种现有的热连通或热交换技术可以与本发明结合使用，用于此目的。

本发明可以提供优于现有技术的许多潜在优点，或者至少是现有技术的替代选择，如下面进一步详细讨论的。

本领域技术人员将理解，物体释放热或获得热的重要机理是热辐射的发射或吸收。由物体发射的热辐射的量随着其温度和其表面积而增加。

在相同温度下通过热辐射相互作用的两个物体通常观察到零净热传递，因为每个物体吸收的热量与向另一个物体发射的热量相同，并且它们的相互作用的有效表面积是相同的。这被称为热平衡。

然而，本发明的一个方面是，如果较冷物体的较大表面积可以有效地耦合到较热物体的较小表面积，则可以在具有不同温度的两个物体之间实现热平衡。也就是说，由于较冷物体的较大表面积而引起的热辐射发射的增加平衡了由于较热物体的较热温度而引起的热辐射发射的增加，从而实现零净热传递。

在相同的从较大到较小表面积的耦合布置下，如果两个物体最初处于相同的温度，则热将从较大的表面流向较小的表面，从而较大的表面变得较冷而较小的表面变得较热，直到达到平衡，且表面在不同的温度下稳定。

因此，热可以从具有较大表面积的较冷物体移动到具有较小表面积的较热物体。如果例如通过从热储存体的传导将额外的热能供应到较冷的表面，并且例如将热能从热表面移除到另一热储存体，则可以在热储存体的限制内实现连续的热流。我们可以将这样做的装置称为热虹吸。

回到在冷环境中的建筑物实例，较冷的热储存体是外部环境，包括地面或大地，而较热的热储存体是建筑物的内部。使用热虹吸，热可以从外部较冷的环境移动到内部较热的环境，而能量消耗很少或没有。

从概念上讲，热反射面积减小结构，例如漏斗形或截头圆锥形或金字塔形，可用作热导管以连接较大和较小的表面区域，从而用作热集中导管。然而，该结构的内表面应该表现出电磁反射特性，这些电磁反射特性优选地将能量朝向较小的面积反射。

超颖表面和超颖材料控制和引导光和其它电磁波的能力是公知的，而传统折射和反射光学器件不可能实现这种能力。例如，以下出版物提供了这样的超颖表面和超颖材料的使用的实例-Dragomir Neshev和Igor Aharonovich,《光学超颖表面：多功能光学器件的新一代构件(Optical metasurfaces:new generation building blocks for multi-functional optics)》,《光：科学与应用7》,文章编号:58(2018年)。因此，超颖表面和超颖材料是用于反射结构的内表面的优先反射表面材料的示例性候选。

此外，已知的是，超颖表面和超颖材料也可以用于优先发射特定谱带中的热辐射。例如，以下出版物提供了可用于本申请的材料的示例性描述-Yanpei Tian,AlokGhanekar,Matt Ricci,Mikhail Hyde,Otto Gregory和Yi Zheng,《近场和远场辐射热传输中超颖材料波长可调选择性的研究进展(A Review of Tunable Wavelength Selectivityof Metamaterials in Near-Field and Far-Field Radiative Thermal Transport)》,《材料(Materials)》2018年,11,862；doi:10.3390/ma11050862。

因此，实现或增强从一个表面到另一个表面的优先热传递的另一种方法是通过移动一个或多个表面的黑体辐射的波长并采用波长选择元件以在优先方向上引导热辐射。

根据本发明的多个方面，提供了用于有效热管理的设备，由此热辐射从较冷物体的相对较大的表面面积耦合到较热物体的相对较小的表面面积，由此布置该系统使得：

a.较热的物体吸收的热辐射多于它发射的，因此变得更热，以及

b.较冷的物体发射的热辐射多于它吸收的，因此变得更冷。

因此，本发明的目的是提供用于将热从较冷物体传递到较热物体的至少一个且可能多个热传递设备。本发明的另一个目的是热传递设备需要很少或不需要持续存在的能量消耗，需要很少或不需要持续存在的维护，并且比以前的解决方案更具环境可持续性。

附图说明

从以下参照附图仅以实例的方式给出的实施例的描述中，本发明的其它和进一步的方面对于读者将是显而易见的，在附图中：

·图1是根据本发明一个实施例提供的热传递设备的正投影图；

·图2a、2b、2c提供了根据本发明的各种附加实施例提供的热传递设备的几种版本的截面图；

·图3a、3b提供了根据本发明的另外的方面和实施例的由堆叠的热传递设备提供的热传递组合件的两个版本的侧视图；

·图4a、4b提供了根据本发明的各种附加实施例的包括热缓冲的两个热传递设备的侧视图；

·图5是根据本发明另一实施例的包括热控制单元的热传递设备的侧视图；

·图6a、6b提供了根据本发明另外的实施例的形成组合件的热传递设备的阵列的侧视图；

·图7a、7b提供了根据本发明另外的实施例的形成组合件的两种不同类型的热传递设备的阵列的正投影；

·图8a、8b提供了根据本发明另外的实施例的形成组合件的热传递设备的堆叠阵列的正投影；

·图9是根据本发明本发明另一实施例的柔性热传递组合件的柔性设备阵列的侧视图；

本发明的其它方面将从以下仅通过特定实施例的实例给出的本发明的描述中变得明显。

具体实施方式

热通过以下四种机制之一传递：传导、对流、平流和辐射。仅考虑放置在真空中的静止物体之间的热传递，由此排除平流，由此排除对流，以及良好的热绝缘，由此具有可忽略的传导，留下辐射作为唯一重要的热传递机制。这里我们将考虑这种情况。

所有物体都发射黑体热辐射。该发射的功率(以瓦特为单位)通过斯蒂芬-玻尔兹曼定律与温度和表面积相关：

P＝∈σAT⁴

其中∈是表面发射率，σ是斯蒂芬-玻尔兹曼常数(5.670373×10^-8Wm^-2K^-4)，A是物体的表面积，并且T是以开尔文为单位的物体表面温度。

当物体发射热辐射时，其损失内部能量并且其温度降低。所有发射热辐射的物体也能够吸收热辐射。当物体吸收热辐射时，其内部能量，并且因此其温度上升。

黑体热辐射从发射表面转移到收集表面的量是发射表面的温度和面积，收集表面对着的立体角和表面的发射率的函数。通常假设对于给定的材料，发射率是固定的，而对于给定的物理布置，通过热辐射相互作用的物体的有效表面积是固定的。

因此，为了处于热平衡，物体必须处于相同的温度。当引入传统的折射和反射光学器件时，这种假设是成立的，因为表面积的任何放大都需要对着的立体角的反向放大，导致能量转移没有净变化。

通常，热将从较热的物体传递到较冷的物体，因为较热的物体发射的热辐射比它从较冷的物体吸收的热辐射多，导致净的热发射，将其冷却下来。较冷的物体从较热的物体吸收比它发射的更多的热辐射，导致热能的净吸收，因此它变热。

处于稳定温度，即不变热或冷却的物体被称为处于热平衡。热平衡被定义为当物体通过可透热路径连接时，物体之间没有热能的净流动的情况。即使在热平衡中，所有物体仍然会发射黑体辐射并吸收从其它物体发射的辐射，但是以完全相同的速率吸收和发射，导致零净热流。

通常假设处于热平衡的物体处于相同的温度，因为每个物体的有效相互作用表面积通常是相同的。然而，根据本发明，假设较冷物体的较大表面积可有效地耦合到较热物体的较小表面积，也可在不同温度的两个物体之间实现热平衡。在本文中，我们将这种能够在不同温度的物体之间实现热平衡的设备称为热虹吸。

图1示出了热传递设备的优选实施例的示意性正投影，热传递设备在整个说明书中可互换地称为“热虹吸”设备。该设备被配置成通过将黑体辐射从发射器物体的较大表面区域集中到接收器物体的较小表面区域上而优先允许热辐射从发射器物体(101)流到接收器物体(102)。通过热导管(103)实现热集中。发射器物体和接收器物体被描绘为平板，但是其它形状在特定应用中可能是有益的。热导管被描绘为截顶正方形金字塔，但其它形状(包括但不限于截顶圆锥形或挤出梯形)可能是有益的。

图2a更详细地示出了图1的热虹吸设备的示意截面图。热导管(103)包含反射表面(204)，该反射表面被适配成优先朝向接收器物体(102)反射能量。设备可以被密封和抽空，或接近抽空，或填充有气体，以限制传导和对流热传递，从而改善性能。

光线跟踪光线(205)示出了热辐射的示例性优先反射，其中反射表面(204)在物理上基本上是平的，但适于聚焦光线并以等效于理想化凹面镜的一半的方式起作用。然而，具有其它特性的反射表面也是有效的。此外，为了本发明的目的，不需要高质量的成像光学器件，这意味着该设备容许具有较小误差或失真的反射表面，并且因此可以用更便宜的制造工艺来制造。

图2b示出了被配置为使用波长选择元件的热虹吸设备的另一实施例的示意性截面图。该系统被配置为通过配置发射器物体的发射表面(206)以发射偏移波长(207)的辐射，例如通过使用超颖表面涂层，并且用波长选择元件(208)诸如二向色镜或滤波器选择性地传递那些波长，来优先允许热辐射从发射器物体(101)流到接收器物体(102)。从接收器物体发射(209)的辐射将在波长上不偏移，并由波长选择元件反射回同一物体。波长选择元件可以放置在发射器物体和接收器物体之间的不同位置，并且在接收器物体表面上使用波长偏移超颖表面也是有益的。

图2c示出了图2a和图2b的设备的组合的示意图，以提高两者的效率或性能。

根据定义，当发射器物体和接收器物体之间的热能净流量为零时，实现发射器物体和接收器物体之间的热平衡。即，由发射器物体发射并由接收器物体吸收的热能的量等于由接收器物体发射并由发射器物体吸收的热能的量。当发射器物体的表面积大于接收器物体的表面积，并且热辐射有效地耦合在它们之间时，为了热平衡，发射器物体必须处于比接收器物体低的温度。

在波长选择元件放置在物体之间的情况下，热辐射的反射或部分反射相对于表面的表面积的变化。例如，如果由表面发射的热辐射功率的80％被反射回该表面，则有效表面积也可以被认为减小了80％，从而在数学上被视为其实际尺寸的20％。

对于辐射热平衡，由发射器物体发射并由接收器物体吸收的功率等于由接收器物体发射并由发射器物体吸收的功率：

P₁＝P₂

其中具有下标1的变量涉及发射器物体，带有下标2的变量涉及接收器物体。

为了简单起见，我们将假设两个物体具有基本上相同的发射率，允许简化为：

在实践中，集中器的反射表面将对它们的朝向接收器物体的优先能量反射的能力具有限制，使得平衡功率转移为：

P₂+P₁(1-η_c)＝P₁η_c

P₂＝P₁(2η_c-1)

其中η_c是发射器物体发射的被接收器物体吸收的功率分数。这里我们假设剩余功率被引导回发射器物体并被其吸收。为了简单起见，我们将“耦合比”定义为：

η＝2η_c-1

然后，可以将平衡温度比计算为：

P₂＝P₁η

该平衡温度还表示单个热虹吸设备将用作热虹吸的操作最大温度值。

上述等式假定由接收器物体发射的所有热能将被发射器物体吸收。然而，在实际中可能不是这种情况，但是在这里，为了清楚和简单起见，假设效果不是重要的。如果它实际上是重要的，它将仅改进系统的性能。本领域技术人员还将认识到，对本发明的进一步修改有意地限制了热能从接收器物体到发射器物体的传递，这也将改善设备的整体性能。

热能传递率(以瓦特为单位)是物体之间传递的热能的差异，考虑到耦合比：

再次，假设两个物体的发射率基本相同，则传递的热功率为：

或者，就物体表面积的比率而言：

如果较冷侧温度和期望的功率传递是已知的，则较热侧温度可以计算为：

图3a、3b示出了堆叠在一起以形成组合件的多个热传递设备的示意性侧视图。图3a示出了第一设备(302)的较热的接收器物体(301)如何也形成第二设备(304)的较冷的发射器物体或与第二设备(304)的较冷的发射器物体热接触，从而提高最大操作温度。温度和传递的功率之间的总体关系现在可以表示为两个独立单元的组合：

并且简化为：

如图3b所示，除了明显的例如部件材料的温度限制之外，对于可以堆叠以实现甚至更大的最大工作温度范围(热的或冷的，包括低温的)或在给定温度差下的更大的功率传递的设备的数量，没有限制。温度和传递的功率之间的关系可以更一般地表示为：

其中n是堆叠中分层设备的数量。因此，堆叠系统的热传递可计算为：

本领域技术人员还将认识到，可为设备的每一层，使用不同的表面积或配置。

图4示出了示意性侧视图，其示出了适于限制加热或冷却温度的设备的其它实施例，其中将热缓冲材料(401)添加到热虹吸设备的较热侧，如图4a所示，或者添加到设备的较冷侧，如图4b所示。

热缓冲材料适于具有在所需温度极限的转变温度，并在转变温度附近经历热导率的显著变化，从而限制设备的加热或冷却温度范围。众所周知，一些材料在经历相变(例如从固态到液态或反之亦然)时表现出热导率的快速变化，因此，这些材料将是热缓冲的良好候选材料。还众所周知，一些材料在经历相变时表现出发射率或反射率的变化。这种材料可用作设备内表面上的热缓冲材料。热缓冲材料的其它候选实例是热部件，例如热二极管、调节器和开关，以及可调或可控热导体。

图5示出了示意性侧视图，示出了适于通过包括温度传感器(501)和控制器(502)来动态地控制设备的加热或冷却极限，以根据温度控制算法选择性地控制热缓冲材料的热导率。相同的温度控制方法可以应用于设备的较冷侧，或放置在设备的内表面上的热缓冲材料。

图6a、6b示出了示意侧视图，示出了安排在一起作为两个不同组合件的多个设备的实例，这两个不同组合件形成更大的或封闭的组，该组限定了在图6a的情况下的条带，或在图6b的情况下的环。其它类似的布置包括交换各个热虹吸的取向以反转热传递方向，以及使用可能更适合于特定应用的其它结构形状。

多个设备可以被布置成适合于具体应用的其它几何形状，例如：

·多边规则或不规则多边形，特别是互锁多边形，例如六边形，允许多组设备彼此热接触；

·弯曲的轮廓，其中多个设备被布置成形成或近似圆形、椭圆形，或其它平滑的形状，其中这些单独的设备的表面也可以是弯曲的；

·适于特定应用的任意形状，包括形成适于遵循可能需要从其供应或移除热能的另一物体的形状的覆盖物、涂层或表面；以及

·所有的形状都是上述三维轮廓。

图7a、7b示出了由图3a、3b提供的侧视图的示意性正投影等效物，示出了单独的热虹吸设备可以如何形成为诸如面板、瓦片、管或管道的形状。本领域技术人员还将认识到这些形状然后可以如何组合以产生甚至更复杂的形状，例如形成长方体的6个面板，封闭或半封闭加热或冷却区，在端部处封闭的管以形成用于加热或冷却的封闭或半封闭的圆柱体，或布置成形成封闭或半封闭的球体的单个设备。

图8a、8b示出了如图3所示的布置成层或堆叠的图7的多个阵列的示意性正投影，以增强热虹吸的性能。为了清楚起见，示出了三层，但是也可以使用其它数量的层。

图9是示出了如何通过铰链或柔性接头机构(601)连接多个单独的设备以形成柔性或半柔性片材的示意性侧视图。也可以构造其它形式的柔性材料，例如，通过在织物中嵌入多个小型设备。

本领域技术人员还将认识到，如图3、图6、图7、图8、图9的层和堆叠中所示的设备的各种组合以及任何其它组合，还可以包括使用如图4和图5中所示的热缓冲材料和热控制单元。

本文公开的热虹吸和热虹吸阵列可用于包括但不限于以下的应用：

·通过将瓷砖结合到地板、墙壁或天花板中，或通过将管道结合到基于流体的加热或冷却系统(如散热器和地板下供暖)中来加热和冷却建筑物，并且包括偏远位置(如南极洲、月亮和火星)的建筑物；

·为食品或医疗用品的储存和运输等应用创造既保持冷却又能主动冷却物品的冷却箱；

·主动加热或冷却其内容物的瓶子；

·水加热系统；

·低温冷却器和低温碳捕获、回收和隔离系统；

·热电发电；

·可提供主动加热的毯子和急救毯。

在前面的描述和下面的权利要求中，词语“包含”或其等效变化以包含的意义使用，以指定所述一个或多个特征的存在。该术语不排除在各种实施例中存在或添加其它特征。

应当理解，本发明不限于这里描述的实施例，并且对于本领域的技术人员来说，通过参考附图所示的实例，在本发明的精神和范围内的进一步和附加的实施例将是显而易见的。特别地，本发明可以以在此描述的特征的任何组合存在，或者可以以这些特征与给定特征的已知等效物的替代实施例或组合存在。以上讨论的本发明的示例性实施例的修改和变化对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且可以在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下做出。

Claims

1.一种热传递设备，其包括

发射器物体，所述发射器物体限定外部收集表面和内部发射表面，

接收器物体，所述接收器物体偏离所述发射器物体，所述接收器物体限定内部接收表面和外部热递送表面，

热导管，所述热导管结合有连接在所述发射器物体与所述接收器物体之间的至少一个侧壁，所述至少一个侧壁跨越所述发射器物体与所述接收器物体之间的距离并且包围所述发射器物体与所述接收器物体之间的容积，所述至少一个侧壁包围所述发射器物体的所述内部发射表面和所述接收器物体的所述内部接收表面，

其中所述发射器物体、接收器物体和热导管被配置成促进主要朝向所述接收器物体的热传递。

2.根据权利要求1所述的热传递设备，其中由所述热导管的一个或多个侧壁包围的所述容积是低空气压力、部分真空或真空环境。

3.根据权利要求1所述的热传递设备，其中由所述热导管的一个或多个侧壁包围的所述容积包含惰性或低热导率气体。

4.根据权利要求1所述的热传递设备，其中热导管侧壁的内表面包括一个或多个热反射器，所述一个或多个热反射器被布置成优先将热辐射引导到所述接收器物体。

5.根据权利要求4所述的热传递设备，其中所述至少一个或多个热反射器包括纳米结构超颖材料，所述纳米结构超颖材料适于优先反射特定方向上的热辐射。

6.根据权利要求1所述的热传递设备，其中所述发射器物体的所述外部收集表面用于从所述热传递设备的紧邻环境收集热。

7.根据权利要求6所述的热传递设备，其中所述发射器物体的所述外部收集表面包括或已经施加了纳米结构超颖材料，所述纳米结构超颖材料被调节成吸收阳光并阻止来自所述外部收集表面的黑体辐射。

8.根据权利要求1所述的热传递设备，其中所述接收器物体的所述外部热递送表面用于将热递送到所述热传递设备的紧邻环境。

9.根据权利要求8所述的热传递设备，其中所述接收器物体的所述外部热递送表面包括或已经施加了纳米结构超颖材料，所述纳米结构超颖材料被调节成阻挡阳光的吸收并促进黑体辐射的发射。

10.根据权利要求1所述的热传递设备，其中所述发射器物体的所述内部发射表面用于发射黑体热辐射。

11.根据权利要求10所述的热传递设备，其中纳米结构、纳米层或超颖材料被施加到所述发射器物体的所述内部发射表面以优先发射特定波长带中的热辐射。

12.根据权利要求1所述的热传递设备，其中所述接收器物体的所述内部接收表面用于吸收从所述发射器物体的所述内部发射表面发射的所述热辐射。

13.根据权利要求12所述的热传递设备，其中纳米结构、纳米层或超颖材料被施加到所述接收器物体的所述内部接收表面以优先发射特定波长带中的热辐射。

14.根据权利要求1所述的热传递设备，其中热传递设备包括在由所述热导管包围的所述容积内的滤波器，所述滤波器适于反射特定波长带中的热辐射并透射其它波长带中的热辐射。

15.根据权利要求14所述的热传递设备，其中所述滤波器由波长依赖反射器形成，所述波长依赖反射器由二色反射镜、薄膜干涉滤波器和/或纳米结构超颖材料提供。

16.根据权利要求1所述的热传递设备，其中所述发射器物体的所述内部发射表面的面积大于所述接收器物体的所述内部接收表面的面积。

17.根据权利要求1或权利要求14所述的热传递设备，其中提供与以下各项中的任一项或多项接触或作为其一部分的热缓冲材料：

·所述发射器物体的所述外部收集表面；

·所述接收器物体的所述外部热递送表面；

·所述发射器物体的所述内部发射表面；

·所述接收器物体的所述内部接收表面；

·所述热导管的内部侧壁表面；

·所述滤波器。

18.根据权利要求17所述的热传递设备，其中所述热缓冲材料在暴露于特定控制刺激时经历以下特性中的任何一项或多项的突然变化：

·热导率；

·发射率；

·反射率。

19.根据权利要求18所述的热传递设备，其中所述特定控制刺激包括以下各项中的一项或多项：

·热刺激；

·电子刺激；

·机械刺激；

·磁刺激；

·光刺激。

20.根据权利要求1所述的热传递设备，其中热导管侧壁的内表面包括

由纳米结构超颖材料形成的一个或多个热反射器，所述纳米结构超颖材料适于优先反射特定方向上的热辐射，并且

纳米结构、纳米层或超颖材料被施加到所述发射器物体的所述内部发射表面和/或所述接收器物体的所述内部接收表面，以优先发射特定波长带中的热辐射，并且

所述发射器物体的所述内部发射表面的面积大于所述接收器物体的所述内部接收表面的面积，并且

由所述热导管包围的所述容积包括滤波器，所述滤波器适于反射特定波长带中的热辐射并透射其它波长带中的热辐射。

21.一种热传递组合件，其由至少两个根据权利要求1所述的热传递设备形成。

22.根据权利要求21所述的热传递组合件，所述热传递组合件包括第一传递设备的接收器物体，所述接收器物体与第二传递设备的发射器物体接合或热连通。

23.根据权利要求21所述的热传递组合件，所述热传递组合件由至少两个热传递设备形成，每个热传递设备结合有共用的发射器物体，所述发射器物体为每个热传递设备限定分开的外部收集表面和内部发射表面，每个热传递设备结合有共用的接收器物体，所述接收器物体为每个热传递设备限定分开的内部接收表面和外部热递送表面。