EP3926285A1 - Wärmerohr, system und verfahren zum schalten und/oder programmieren eines wärmetransports - Google Patents

Wärmerohr, system und verfahren zum schalten und/oder programmieren eines wärmetransports Download PDF

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EP3926285A1
EP3926285A1 EP20180665.0A EP20180665A EP3926285A1 EP 3926285 A1 EP3926285 A1 EP 3926285A1 EP 20180665 A EP20180665 A EP 20180665A EP 3926285 A1 EP3926285 A1 EP 3926285A1
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EP
European Patent Office
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heat
working fluid
heat pipe
area
designed
Prior art date
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Pending
Application number
EP20180665.0A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Kluge
Jürgen Dr. Clade
Christoph Prof. Dr. EBERL
Markus Dr. WINKLER
Erik Dr. Wischerhoff
Kilian Dr. BARTHOLOMÉ
Olaf Dr. SCHÄFER-WELSEN
Murat Dr. TUTUS
Martin Prof. Dr. KRUS
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Priority to JP2022577654A priority patent/JP2023531430A/ja
Priority to KR1020237002195A priority patent/KR20230037570A/ko
Priority to US18/011,247 priority patent/US20230417492A1/en
Priority to PCT/EP2021/066424 priority patent/WO2021255176A1/de
Priority to CN202180047345.0A priority patent/CN115968437A/zh
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    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04—Coatings; Surface treatments hydrophobic

Definitions

  • the invention relates to a heat pipe according to the preamble of claim 1, a system with a heat pipe according to claim 12 and a method for switching and / or programming the heat transport in a heat pipe according to the preamble of claim 15.
  • heat pipes also known as heat pipes
  • Heat pipes enable a high heat flux density due to the heat transport via evaporation heat.
  • Heat pipes usually have a hot side, the heat source, and a cold side, the heat sink.
  • a working fluid is provided in the heat pipe, which is evaporated in the area of the heat source and condenses in the area of the heat sink.
  • the heat transport takes place via the transport of the working fluid and the transfer by means of latent heat of condensation and evaporation.
  • Known heat pipes have a preferred direction for the heat flow, that is, they are designed as thermal diodes. This means that the diode conducts heat very well in one direction and very poorly in the opposite direction.
  • thermal diode is for example in Boreyko et al. 2011, Applied Physics Letter 99 (23 ) as well as in the publication US 8716689 B2 described.
  • the use of superhydrophobic coatings in the area of the heat sink and superhydrophilic coatings in the area of the heat source creates a preferred direction of the thermal diode described for the heat: Due to the superhydrophobic coating, the surface in the area of the heat sink repels the working fluid so that it returns to the superhydrophilic area the heat source is transported and can evaporate again there.
  • the invention is therefore based on the object of proposing a heat pipe or a method for heat transport that is more variable and overcomes the limits of the methods and devices known from the prior art.
  • the heat pipe according to the invention comprises at least one working chamber with at least one evaporator area and at least one condenser area.
  • the evaporator area is in operative connection with a heat source and the condenser area is in connection with a heat sink.
  • a working fluid is provided in the working chamber. In a first operating state, heat is transported from the heat source to the heat sink by means of the working fluid.
  • the heat pipe is designed as a switchable and / or programmable thermal diode or heat switch, in which at least one activatable functional material is provided, which is arranged and designed to keep the evaporator area free of the working fluid in a second operating state and / or to prevent the working fluid from evaporating in order to reduce and / or prevent the heat transport and / or to change the preferred thermal conduction direction of the heat transport.
  • the working fluid fills the working chamber and, depending on the pressure and temperature, is both liquid and gaseous.
  • the phrase "to keep the evaporator area free of the working fluid" refers to the working fluid in the liquid phase in direct contact and / or direct interaction with the surface of the evaporator area. It is also within the scope of the invention that working fluid is present in the gaseous phase in the evaporator area, since the working fluid in the gaseous phase fills the entire volume of the working chamber of a heat pipe.
  • the invention is based on the applicant's knowledge that the heat transport can be controlled and even reversed by means of a corresponding design of the conditions in the working chamber.
  • the heat pipe according to the invention thus differs in essential aspects from previously known heat pipes:
  • An activatable functional material is provided in the heat pipe, which can change from a first state (first operating state of the heat pipe) to a second state (second operating state of the heat pipe).
  • first state the functional material that can be activated enables heat to be transported in the preferred thermal conduction direction of the first operating state or has no influence on the function of the heat pipe.
  • second state the activatable functional material keeps the evaporator area free of the working fluid or prevents the working fluid from evaporating.
  • the activatable functional material is designed in such a way that in the second operating state the preferred thermal conduction direction is changed by the activatable functional material.
  • the heat pipe is designed as a switchable thermal diode or heat switch, in which the at least one activatable functional material is designed, in an outer one Field to at least partially change its properties.
  • Possible properties of the activatable functional material are surface wetting properties, swelling capacity, fluid-binding properties and volume.
  • the heat pipe is designed as a programmable thermal diode or heat switch, in which the at least one activatable functional material is designed to at least partially change its properties depending on conditions within the working chamber.
  • Possible properties of the activatable functional material are surface wetting properties, swelling capacity, fluid-binding properties and volume.
  • the functional material that can be activated is thus preferably switchable or programmable by external or internal influences.
  • switchable means that the operating state can be changed by actively applying an external field.
  • programmable means that the heat pipe changes its state automatically due to internal factors inherent in the material when ambient conditions, in particular the conditions in the working chamber, change.
  • the heat pipe is designed as a programmable thermal diode or heat switch in which the at least one activatable functional material is designed, depending on conditions within the working chamber, in particular temperature, pH value of the working fluid and / or ionic strength of the working fluid to change its properties. So there are advantageously no external fields necessary, but the control of the heat transport in the heat pipe can take place solely via the working fluid or direct properties of the heat pipe.
  • the working chamber is preferably designed as a closed volume, in particular such that a heat transport by means of convection of the evaporated fluid and a return transport of the condensed fluid from the Condenser area takes place in the evaporator area.
  • the closed volume of the working chamber is designed as a pressure-tight system.
  • essentially all foreign gases with the exception of the working fluid have been removed from the pressure-tight system.
  • Various designs are possible for this, which differ in the return transport of the working fluid.
  • the design as a heat pipe or as a 2-phase thermosyphon is known here.
  • the functional material that can be activated is preferably provided within the working chamber. It is also possible that the functional material that can be activated is provided as part of the working chamber, for example of the floor and ceiling of the working chamber.
  • the heat pipe is designed with a fluid circuit for the working fluid.
  • the fluid circuit preferably comprises a fluid return for a return transport of the condensed working fluid from the condenser area to the evaporator area. In this way, the working fluid can be guided back into the evaporator area in a targeted and metered manner, thus preventing the evaporator area from drying out.
  • the enclosed volume has a fluid-phobic coating in the evaporator area and / or a fluid-phobic coating in the condenser area. It is also within the scope of the invention that the closed volume, that is to say the working chamber, has an additional structure both in the evaporator area and / or in the condenser area. In this way, for example, the wetting properties of the surfaces can be optimized.
  • the at least one activatable functional material is preferably designed in the form of a switchable coating of the evaporator area and / or the condenser area of the working chamber, in that at least the surface properties of the coating of the evaporator area can be changed from fluid-philic to fluid-phobic.
  • both the coating of the evaporator area and the condenser area are designed in such a way that the surface property of the coating of the evaporator area is fluid-philic fluid-phobic is changeable, while the surface property of the coating of the capacitor area can be changed from fluid-phobic to fluid-phobic.
  • the heat pipe is designed as a switchable thermal diode: by applying an external field, the heat pipe can be changed from the first operating state to the second operating state.
  • the working fluid that has collected on the fluid-philic coating of the evaporator area evaporates and enables heat to be transported from the evaporator area to the condenser area.
  • the working fluid condenses on the fluid-phobic coating of the condenser area. Because of the fluid-phobic surface property in the condenser area, drops form in the working fluid. In the case of a highly fluid-phobic configuration of the surface, the working fluid "jumps" back into the evaporator area.
  • a fluid return of the droplets via capillary forces can also be provided, for example in the form of a hydrophilic wick structure, as is known from the prior art for heat pipes. In this state the thermal diode is thermally conductive.
  • the hot side i.e. the evaporator area
  • the hot side now has hydrophobic properties at the heat source.
  • Not enough working fluid collects on this coating and the working fluid that collects there evaporates quickly and condenses on the fluid-philic coating of the condenser area.
  • the working fluid remains there and is not transported back into the evaporator area, since the above-mentioned return mechanisms do not work.
  • the hot side of the working chamber dries out and there is no heat transfer via the working fluid.
  • the switchable coating as ORMOCER ® and / or with ORMOCER ® is formed.
  • ORMOCER ® e are inorganic-organic hybrid polymers that can advantageously influence the surface properties of many substrates, cf. B. Sanchez et al., Chem. Soc. Rev. 40, 2011, 696-753 .
  • ORMOCER ® e can also be designed as switchable coatings from hydrophilic to hydrophobic and back using mechanisms known from the specialist literature, see B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782 .
  • ORMOCER ® e according to the invention therefore contain z. B.
  • the ORMOCER ® coatings have a micro-, meso- or nano-structuring that reinforces their fluid-philic / fluid-phobic properties by utilizing the capillary or lotus effect.
  • the functional material that can be activated is designed in such a way that the evaporator area and condenser area exchange properties in the second operating state.
  • the second operating state is therefore not a blocking state, but rather enables heat to be transported in the opposite direction to the first operating state.
  • the working fluid in the second operating state, can evaporate in the original condenser area, which now acts as the evaporator area, and absorb heat from a heat source and transport it to the original evaporator area, which now acts as the condenser area.
  • the working fluid condenses in the new condenser area and transfers the heat to a heat sink. This reverses the preferred thermal conduction direction of the thermal diode.
  • the activatable functional material is formed both in the evaporator region than in the capacitor area as ORMOCER ® coating.
  • the coatings are selected so that the application of an external field, preferably an electric field or a radiation field, ie (UV) light radiation, swaps the surface wetting properties of the evaporator area and the condenser area.
  • the functional end groups of an ionic group consists of a "spacer", ie a linear alkyl chain with 2-20 carbon atoms, preferably 3-12 carbon atoms, are covalently bound to the ORMOCER ® network.
  • the electrical voltage to be applied to the thermal diode is preferably ⁇ 50 V, particularly preferably ⁇ 5 V.
  • the at least one functional material that can be activated is designed in the form of a reservoir for the working fluid, in particular in the form of a liquid reservoir.
  • the reservoir controls the uptake or release of the working fluid required for heat transport. This means that the available amount of the working fluid can be made variable.
  • the working fluid In the first operating state of the heat pipe, the working fluid is available for heat conduction. The heat pipe conducts heat.
  • the second operating state, the blocking state the working fluid is bound in the reservoir, in particular in the form of a liquid reservoir. In this bound form, the working fluid is no longer available for heat transport. The heat pipe no longer conducts heat.
  • the phrase "the heat pipe no longer conducts heat” means the blocking state of the diode. This means that the heat transport is considerably reduced compared to the other switching state. Nevertheless, a small heat flow can take place, for example via the thermal conduction of components.
  • the reservoir for the working fluid is preferably designed as a gel, in particular as a polymer gel, as an adsorbent or as a mesoscopically structured surface.
  • the reservoir is particularly preferably designed as a chemically crosslinked polymer gel.
  • the crosslinked polymer gel is designed in such a way that it swells up due to the working fluid and then exhibits a volume phase transition, preferably between a swollen and a collapsed state of the hydrogel.
  • the reservoir is preferably designed as a water-binding hydrogel.
  • the polymer gel has a water-binding and a non-water-binding state.
  • the transition from the first operating state to the blocking state of the heat pipe, that is to say from a non-fluid-binding state of the polymer gel to the fluid-binding state of the polymer gel, is preferably induced by a temperature transition.
  • the polymer gel can be designed as a polymer gel with a volume phase transition of the UCST type (Upper Critical Solution Temperature) or of the LCST type (Lower Critical Solution Temperature).
  • the crosslinked polymer gel is only swollen when the working fluid exceeds the critical temperature (limit temperature).
  • the working fluid is displaced from the crosslinked polymer gel when the critical temperature (limit temperature) is exceeded.
  • the heat pipe blocks in the event of a UCST transition above the critical temperature.
  • the heat pipe blocks below the critical temperature.
  • the limit temperature can thus be used to define a switching temperature for the transition from the first operating state to the blocking state of the heat pipe.
  • Known polymers that have a UCST volume phase transition are, for example, in Macromol. Rapid Commun. 33, 1898-1920, 2012 described.
  • Known polymers that exhibit an LCST volume phase transition are, for example, in Adv. Polym. Sci. 242, 29-89, 2011 described.
  • the named polymer gels interact with water and are therefore particularly suitable for a heat pipe in which water is used as the working fluid. It
  • organic fluids such as mineral oils, for example J. Polym. Sci. A46, 5724 - 5733, 2008 .
  • a fluid other than water can also be used as the working fluid.
  • the reservoir is designed as an adsorbent.
  • An adsorbent binds fluid.
  • the amount of fluid bound in the adsorbent is also referred to as the load. With increasing temperature (and the associated increasing vapor pressure of the bound fluid) the loading of an adsorbent decreases and the fluid is released again.
  • the adsorbent preferably has a limit temperature so that when this limit temperature or a specific vapor pressure of the fluid is exceeded, the fluid is released again quite abruptly by the adsorbent.
  • a switching temperature for the transition from the blocking state to the first operating state of the heat pipe can thus be defined.
  • a material example for an adsorbent with a defined limit temperature or the associated vapor pressure of the fluid is the adsorbent AQSOA TM -Z05 from Mitsubishi TM .
  • the properties of the liquid reservoir are not influenced by temperature, but by another physical or chemical stimulus. Examples of this are UV light or microwave radiation as well as pH value, ionic strength or the presence of certain organic molecules. Examples are in Applied Chem. Int. Ed. 55, 6641 - 6644, 2015 described.
  • the switching of the thermal diode is therefore possible due to a wide variety of factors and can be adapted accordingly to the area of application and the ambient conditions.
  • the object according to the invention is also achieved by a system with a heat pipe with the properties according to the invention described above and means for applying a field in order to change the properties of the functional material that can be activated.
  • Field generators for an E field, a B field, a stress-strain field, for generating light, in particular UV light, for generating heat and / or for generating cold are preferably provided as the means for applying the field. Only one of the named field generators or a combination of several of the named field generators can be provided. Examples of this are a capacitor, a coil, an eccentric, a (UV) light source or a heating and cooling device. As a result, the control options can be individually adapted to the working fluid used and to the functional material that can be activated.
  • the system according to the invention also has the advantages and properties of the heat pipe according to the invention and / or a preferred embodiment thereof described above.
  • the system is preferably designed to be flexible with regard to the hot side and cold side.
  • the heat pipe is designed as a heat pipe with a reversible preferred heat conduction direction, means are preferably provided that the evaporator area and condenser area are assigned their function through contact with a hot side or, accordingly, a cold side. Good thermal contact is preferably provided between the evaporator area and the condenser area and the hot side or cold side. There is good thermal contact between the heat sink and the heat source and the heat pipe.
  • the system is designed with a heat pipe with a combination of two functional materials, one of the two functional materials being designed as a liquid reservoir described above, in particular in the form of a polymer gel.
  • the other functional material is preferably formed as a fluidphoben in its fluid hydrophilic / properties changeable ORMOCER ®, preferably under the influence of light, in particular UV light.
  • the heat pipe is operated as a thermal diode or heat switch in that the thermal conductivity is changed by applying an external field and / or depending on conditions within the working chamber.
  • the method according to the invention is preferably designed to be carried out by means of the heat pipe according to the invention and / or a preferred embodiment of the heat pipe according to the invention.
  • the heat pipe according to the invention is preferably designed to carry out the method according to the invention and / or a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • the method according to the invention also shows the advantages and features of the heat pipe according to the invention and / or the system according to the invention described above.
  • the thermal conductivity of the heat pipe is changed in that the evaporator area is kept free of the working fluid and / or the working fluid is prevented from evaporating.
  • heat in a first operating state, heat is transported in the heat pipe from a hot side (heat source) arranged on the evaporator area to a cold side (heat sink) arranged on the condenser area.
  • a hot side heat source
  • a cold side heat sink
  • the heat pipe is transferred to a second operating state.
  • an E field, a B field, a stress-strain field is preferably generated or the activatable functional material is exposed to light, in particular UV light, with heat and / or cold.
  • no or at least insufficient working fluid is available in the evaporator area.
  • the evaporator area dries out and the heat pipe no longer conducts heat in the direction of the preferred thermal conduction direction of the first operating state.
  • the working fluid can change from the first operating state to the second operating state as a function of conditions within the working chamber.
  • Parameters that can initiate a change from the first operating state to the second operating state are temperature, pH value of the working fluid and / or ionic strength of the working fluid. This has the advantage that the heat pipe can be "programmed" to change the operating state under certain conditions without any external influence being necessary.
  • the working fluid is preferably displaced from the evaporator area of the working chamber by means of a switchable surface coating, as already described above.
  • the working fluid can be bound by means of an activatable functional material.
  • the at least one activatable functional material is preferably designed in the form of a reservoir for the working fluid, in particular in the form of a liquid reservoir.
  • the reservoir controls the uptake or release of the working fluid necessary for the heat transport. This means that the available amount of the working fluid can be changed.
  • the working fluid In the first operating state of the heat pipe, the working fluid is available for heat conduction. The heat pipe conducts heat.
  • the second operating state the blocking state, the working fluid is bound in the reservoir, in particular in the form of a liquid reservoir. In this bound form, the working fluid is no longer available for heat transport. The heat pipe no longer conducts heat.
  • the preferred thermal conduction direction of the thermal diode is reversed by exchanging the surface properties of the evaporator area and condenser area by applying an external field and / or depending on conditions within the working chamber.
  • the working fluid in a second operating state, can evaporate in the original condenser area, which now acts as the evaporator area, and absorb heat from a heat source and transport it to the original evaporator area, which now acts as the condenser area.
  • the working fluid condenses in the new condenser area and transfers the heat to a heat sink.
  • the preferred thermal conduction direction is reversed compared to operating state 1.
  • the heat pipe according to the invention, the system according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for being able to effectively switch heat flows on and off or to control or regulate them.
  • Heat switches or thermal diodes based on heat pipes are particularly suitable because they can achieve high switching factors and, due to the high heat transport in the conductive state, only have a very low thermal resistance. In addition, they can be implemented as very compact designs and are therefore easy to integrate.
  • the heat pipes have a simple structure, consist of a few individual parts and do not have to contain any moving parts.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a thermal diode with an activatable functional material in the form of a switchable coating in the Evaporator area and the condenser area with the partial images a) in the conductive state and b) in the blocked state.
  • the heat pipe 1 has a working chamber 2 with at least one evaporator area 3 and at least one condenser area 4.
  • a working fluid 5 is provided in the working chamber 2 in the working chamber 2, a working fluid 5 is provided in the working chamber 2, a working fluid 5 is provided in the working chamber 2, a working fluid 5 is provided in the working chamber 2, a working fluid 5 is provided.
  • the working chamber 2 is designed as a closed, pressure-tight volume which is designed in such a way that heat is transported by means of convection of the evaporated working fluid 5 and the condensed working fluid 5 is transported back.
  • the working fluid 5 is water.
  • the evaporator area 3 and the condenser area 4 are formed with a coating 6 made of functional material that can be activated. Both the coating 6 of the evaporator area 3 and the condenser area 4 are designed in such a way that the surface property of the coating 6a of the evaporator area 3 can be changed from hydrophilic to hydrophobic and back again, while the surface property of the coating 6b of the condenser area 4 can be changed from hydrophobic to hydrophilic and back again is changeable.
  • the coatings 6 are designed in such a way that the evaporator area 3 and condenser area 4 have exactly the opposite surface wetting properties.
  • the coating 6 is formed of activatable function as a switchable material coating 6 of ORMOCER ® and / or with ORMOCER ®.
  • ORMOCERE ® are inorganic-organic hybrid polymers that can advantageously influence the surface properties of many substrates. ORMOCERE ® can hydrophobic from hydrophilic and are formed back by utilizing known from the literature mechanisms as switchable coatings 6, see B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782 .
  • the coatings are formed in the evaporator 6a and 6b region 3 in the condenser section 4 with an electrically switchable ORMOCER ®, as described above.
  • the coatings consist of an ORMOCER ® with functional end groups in the form of methylimidazoliumdodecylsilyl groups.
  • the substrate in the evaporator area is designed to be electrically charged with the same name. This leads to a hydrophilic property of the surface 6a in the evaporator area 3.
  • an electrically oppositely charged substrate is provided in the condenser area 4. As a result, however, the ionic groups are attracted, so that the non-polar dodecyl chains protrude into the interior of the thermal diode, which leads to a hydrophobic property of the surface 6b in the capacitor area.
  • the heat pipe 1 is thus designed as a switchable thermal diode: In a first operating state, heat is transported from the heat source to the heat sink by means of evaporation of the working fluid 5, in that heat is transported with the gaseous working fluid 5 from the evaporator area 3 to the condenser area 4.
  • the evaporator area 3 is heated by the heat source and the working fluid 5, which has collected on the hydrophilic coating 6a of the evaporator area 3, evaporates and enables heat to be transported from the evaporator area 3 to the condenser area 4.
  • the working fluid 5 condenses on the hydrophobic coating 6b of the capacitor area 4 and the heat is dissipated to a heat sink. Due to the hydrophobic surface property in the condenser area 4, drops form in the working fluid 5. Due to the highly hydrophobic configuration of the surface, the working fluid 5 “jumps” back into the evaporator area 3.
  • the heat pipe 1 can be switched from the first thermally conductive operating state to the second non-thermally conductive operating state.
  • the application of the external field changes the surface properties of the coating 6 in the evaporator area 3 and in the condenser area 4.
  • the evaporator area 3 at the heat source now has hydrophobic properties. Not enough working fluid 5 collects on the coating 6a of the evaporator area 3 and the working fluid 5 that collects there evaporates quickly and condenses on the hydrophilic coating 6b of the condenser area 4.
  • the working fluid 5 remains there and is not transported back into the evaporator area 3, since the working fluid 5 is not repelled by the now hydrophilic surface.
  • the hot side of the working chamber 2 dries out and there is no heat transport via the working fluid 5.
  • the thermal diode blocks are not necessary to transport the working fluid 5.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a thermal switch with an activatable functional material in the form of a liquid reservoir with the partial images a) in the conductive state and b) in the blocked state.
  • the at least one activatable functional material is designed in the form of a reservoir for the working fluid 5, namely in the form of a water-binding hydrogel 7.
  • the water-binding hydrogel 7 is designed as follows: For example, hydrogels with a volume phase transition of the LCST type can be produced by radical polymerization using the following monomers.
  • compositions mentioned are not to be understood as exclusive: Composition Monomer 1 Mole% Monomer 2 Mole% Crosslinker Mole% 1 50-80 0 - 30 2 - 20 2 50-85 2 - 30 2 - 20 3 50-85 2 - 30 2 - 20 4th 30-80 10 - 45 2 - 25 5 30-80 10 - 45 2 - 25 6th 30-80 10 - 45 2 - 25 7th 80-98 - 2 - 20 8th 20 - 80 10 - 50 2-20 9 30-90 10 - 40 2 - 20 9 20 - 80 10 - 50 2 - 20
  • hydrogels with a volume phase transition of the UCST type can be prepared by radical polymerization using the following monomers.
  • the compositions mentioned are not to be understood as exclusive: Composition Monomer 1 Mole% Monomer 2 Mole% Crosslinker Mole% 1 80-98 - 2 - 20 2 80-98 - 2 - 20 3 60-90 10-30 2 - 20 4th 60-90 10-30 2 - 20
  • hydrogels that have a volume phase transition.
  • partially hydrolyzed poly (vinyl acetate) can be crosslinked with 1,4-butanediol diglycidyl ether, poly (ethylene glycol) diglycidyl ether or other di- or multifunctional epoxides.
  • the available amount of the working fluid 5 is made variable by the water-binding hydrogel 7.
  • the water-binding hydrogel 7 has a water-binding and a significantly less water-binding state.
  • the transition from the first operating state to the blocking state of the heat pipe 1, i.e. from a significantly less water-binding state of the hydrogel 7 to the water-binding state of the hydrogel 7, is induced by a temperature transition, in the present case in a temperature range from room temperature to approx. 150 ° C . This heating takes place by heating the hot side on the evaporator side, i. H. without an outside field.
  • the working fluid 5 In the first operating state of the heat pipe 1, the working fluid 5 is available for heat conduction. The heat pipe 1 conducts heat. In the second operating state, the blocking state, the working fluid 5 is bound in the water-binding hydrogel 7. The working fluid 5 is not in this bound form more available for heat transport. The heat pipe 1 no longer conducts heat.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr 1 mit zumindest einer Arbeitskammer 2 mit zumindest einem Verdampferbereich 3 in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle und zumindest einem Kondensatorbereich 4 in Wirkverbindung mit einer Wärmesenke, wobei in der Arbeitskammer 2 ein Arbeitsfluid 5 vorgesehen ist und in einem ersten Betriebszustand mittels des Arbeitsfluids 5 Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke transportiert wird. Wesentlich ist, dass das Wärmerohr als schaltbare und/oder programmierbare thermische Diode oder als schaltbarer und/oder programmierbarer Wärmeschalter ausgestaltet ist, indem zumindest ein aktivierbares Funktionsmaterial vorgesehen ist, das angeordnet und ausgestaltet ist, um in einem zweiten Betriebszustand den Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid zu halten und/oder das Arbeitsfluid am Verdampfen zu hindern, um den Wärmetransport zu reduzieren und/oder zu verhindern und/oder die Wärmeleit-Vorzugsrichtung zu ändern. Weiter betrifft die Erfindung ein System und ein Verfahren zum Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports in einem Wärmerohr.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein System mit einem Wärmerohr gemäß Anspruch 12 sowie ein Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports in einem Wärmerohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
  • Wärmerohre (auch bekannt als Heatpipe) ermöglichen durch den Wärmetransport über Verdampfungswärme bekanntermaßen eine hohe Wärmestromdichte. Üblicherweise weisen Wärmerohre eine Heißseite, die Wärmequelle, sowie eine Kaltseite, die Wärmesenke auf. In dem Wärmerohr ist ein Arbeitsfluid vorgesehen, welches im Bereich der Wärmequelle verdampft wird und im Bereich der Wärmesenke kondensiert. Über den Transport des Arbeitsfluids und der Übertragung mittels latenter Kondensations- und Verdampfungswärme findet der Wärmetransport statt.
  • Bekannte Wärmerohre weisen für den Wärmestrom eine Vorzugsrichtung auf, das heißt sie sind als thermische Dioden ausgebildet. Das bedeutet, dass die Diode in einer Richtung Wärme sehr gut und in der entgegengesetzten Richtung sehr schlecht leitet.
  • Eine solche thermische Diode ist beispielsweise in Boreyko et al. 2011, Applied Physics Letter 99 (23) sowie in der Druckschrift US 8716689 B2 beschrieben. Durch den Einsatz von superhydrophoben Beschichtungen im Bereich der Wärmesenke und superhydrophilen Beschichtungen im Bereich der Wärmequelle entsteht eine Vorzugsrichtung der beschriebenen thermischen Diode für die Wärme: Durch die superhydrophobe Beschichtung stößt die Oberfläche im Bereich der Wärmesenke das Arbeitsfluid ab, sodass es zurück in den superhydrophilen Bereich der Wärmequelle transportiert wird und dort erneut verdampfen kann.
  • Nachteilig an den vorbekannten thermischen Dioden aus dem Stand der Technik ist, dass die Vorzugsrichtung für den Wärmetransport vorgegeben und die Diodizität bauartbedingt festliegt, d.h. im laufenden Betrieb nicht verändert bzw. angepasst werden kann.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr bzw. ein Verfahren zum Wärmetransport vorzuschlagen, das variabler ist und die Grenzen der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen überwindet.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Wärmerohr gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports in einem Wärmerohr gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmerohrs finden sich in den Ansprüchen 2 bis 11. In den Ansprüchen 12 bis 14 finden sich Ausgestaltungen eines Systems mit einem erfindungsgemäßen Wärmerohr. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 16 und 17. Hiermit wird der Wortlaut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezogen.
  • Das erfindungsgemäße Wärmerohr umfasst, wie an sich bekannt, zumindest eine Arbeitskammer mit zumindest einem Verdampferbereich und zumindest einem Kondensatorbereich. Der Verdampferbereich steht in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle und der Kondensatorbereich in Verbindung mit einer Wärmesenke. In der Arbeitskammer ist ein Arbeitsfluid vorgesehen. In einem ersten Betriebszustand wird mittels des Arbeitsfluids Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke transportiert.
  • Wesentlich ist, dass das Wärmerohr als schaltbare und/oder programmierbare thermische Diode oder Wärmeschalter ausgebildet ist, in dem zumindest ein aktivierbares Funktionsmaterial vorgesehen ist, das angeordnet und ausgestaltet ist, um in einem zweiten Betriebszustand den Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid zu halten und/oder das Arbeitsfluid am Verdampfen zu hindern, um den Wärmetransport zu reduzieren und/oder zu verhindern und/oder die Wärmeleitvorzugsrichtung des Wärmetransports zu ändern.
  • Das Arbeitsfluid füllt die Arbeitskammer aus und liegt abhängig von Druck und Temperatur sowohl flüssig als auch gasförmig vor. Die Formulierung "den Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid zu halten" bezieht sich auf das Arbeitsfluid in der Flüssigen Phase in direktem Kontakt und/oder direkter Wechselwirkung mit der Oberfläche des Verdampferbereichs. Dabei liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass im Verdampferbereich Arbeitsfluid in der gasförmigen Phase vorhanden ist, da das Arbeitsfluid in der gasförmigen Phase das ganze Volumen der Arbeitskammer eines Wärmerohrs ausfüllt.
  • Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass mittels entsprechender Gestaltung der Bedingungen in der Arbeitskammer der Wärmetransport steuerbar und sogar umkehrbar ist.
  • Das erfindungsgemäße Wärmerohr unterscheidet sich somit in wesentlichen Aspekten von vorbekannten Wärmerohren:
    In dem Wärmerohr ist ein aktivierbares Funktionsmaterial vorgesehen, das von einem ersten Zustand (erster Betriebszustand des Wärmerohrs) in einen zweiten Zustand (zweiter Betriebszustand des Wärmerohrs) wechseln kann. In dem ersten Zustand ermöglicht das aktivierbare Funktionsmaterial den Wärmetransport in die Wärmeleit-Vorzugsrichtung des ersten Betriebszustands oder hat keinen Einfluss auf die Funktion des Wärmerohrs. In dem zweiten Zustand hält das aktivierbare Funktionsmaterial den Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid bzw. hindert das Arbeitsfluid am Verdampfen. Da der Wärmetransport in dem Wärmerohr maßgeblich über das Verdampfen des Arbeitsfluids in dem Verdampferbereich und den Transport des verdampften Arbeitsfluids in den Kondensatorbereich funktioniert, reduziert bzw. verhindert dies den Wärmetransport in dem Wärmerohr. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass das aktivierbare Funktionsmaterial derart ausgestaltet ist, dass in dem zweiten Betriebszustand die Wärmeleitvorzugsrichtung durch das aktivierbare Funktionsmaterial geändert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als schaltbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet, in dem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in einem äußeren Feld zumindest teilweise seine Eigenschaften zu ändern. Mögliche Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmaterials, die durch das äußere Feld änderbar sind, sind Oberflächenbenetzungseigenschaften, Quellvermögen, fluidbindende Eigenschaften und Volumen.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als programmierbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet, in dem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer zumindest teilweise seine Eigenschaften zu ändern. Mögliche Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmaterials, die durch das äußere Feld änderbar sind, sind Oberflächenbenetzungseigenschaften, Quellvermögen, fluidbindende Eigenschaften und Volumen.
  • Das aktivierbare Funktionsmaterial ist somit vorzugsweise durch äußere oder innere Einflüsse schaltbar bzw. programmierbar. "Schaltbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Betriebszustand durch das aktive Anlegen eines äußeren Feldes gewechselt werden kann. "Programmierbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Wärmerohr selbstständig durch materialinhärente innere Faktoren den Zustand ändert, wenn sich Umgebungsbedingungen, insbesondere die Bedingungen in der Arbeitskammer, ändern.
  • Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wärmetransport in dem erfindungsgemäßen Wärmerohr gezielt gesteuert werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als programmierbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet, in dem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer, insbesondere Temperatur, pH-Wert des Arbeitsfluids und/oder lonenstärke des Arbeitsfluids, seine Eigenschaften zu ändern. Es sind also vorteilhafterweise keine äußeren Felder notwendig, sondern die Steuerung des Wärmetransports im Wärmerohr kann allein über das Arbeitsfluid oder direkte Eigenschaften des Wärmerohrs erfolgen.
  • Vorzugsweise ist die Arbeitskammer als ein abgeschlossenes Volumen ausgebildet, insbesondere derart, dass ein Wärmetransport mittels Konvektion des verdampften Fluids und ein Rücktransport des kondensierten Fluids aus dem Kondensatorbereich in den Verdampferbereich erfolgt. Insbesondere ist das abgeschlossene Volumen der Arbeitskammer als druckdichtes System ausgebildet. Insbesondere sind aus dem druckdichten System im Wesentlichen alle Fremdgase mit Ausnahme des Arbeitsfluids entfernt. Dafür kommen verschiedene Bauformen infrage, die sich im Rücktransport des Arbeitsfluids unterscheiden. Bekannt sind hier die Ausgestaltung als Heatpipe oder als 2-Phasen-Thermosyphon.
  • Vorzugsweise ist das aktivierbare Funktionsmaterial innerhalb der Arbeitskammer vorgesehen. Dabei ist ebenfalls möglich, dass das aktivierbare Funktionsmaterial als Teil der Arbeitskammer, beispielsweise von Boden und Decke der Arbeitskammer, vorgesehen ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr mit einem Fluidkreislauf für das Arbeitsfluid ausgebildet. Vorzugsweise umfasst der Fluidkreislauf eine Fluidrückführung für einen Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids von dem Kondensatorbereich zu dem Verdampferbereich. Hierdurch kann gezielt und dosiert das Arbeitsfluid zurück in den Verdampferbereich geführt werden und so ein Austrocknen des Verdampferbereichs vermieden werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich eine fluidphobe Beschichtung auf und/oder im Kondensatorbereich eine fluidphile Beschichtung. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass das abgeschlossene Volumen, das heißt die Arbeitskammer, eine zusätzliche Strukturierung sowohl im Verdampferbereich und/oder im Kondensatorbereich aufweist. Hierdurch können beispielsweise die Benetzungseigenschaften der Oberflächen optimiert werden.
  • Vorzugsweise ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial in Form einer schaltbaren Beschichtung des Verdampferbereichs und/oder des Kondensatorbereichs der Arbeitskammer ausgebildet, indem zumindest die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung des Verdampferbereichs von fluidphil auf fluidphob änderbar ist. Vorzugsweise ist sowohl die Beschichtung des Verdampferbereichs als auch des Kondensatorbereichs derart ausgebildet, dass die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung des Verdampferbereichs von fluidphil auf fluidphob änderbar ist, während die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung des Kondensatorbereichs von fluidphob auf fluidphil änderbar ist. Das Wärmerohr ist in diesem Fall als schaltbare thermische Diode ausgebildet: Durch das Anlegen eines äußeren Feldes kann das Wärmerohr von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand geändert werden.
  • Wird im ersten Betriebszustand die Heißseite, das heißt der Verdampferbereich, durch die Wärmequelle erwärmt, verdampft das Arbeitsfluid, das sich auf der fluidphilen Beschichtung des Verdampferbereichs gesammelt hat und ermöglicht einen Wärmetransport von dem Verdampferbereich zu dem Kondensatorbereich. Hier kondensiert das Arbeitsfluid auf der fluidphoben Beschichtung des Kondensatorbereichs. Aufgrund der fluidphoben Oberflächeneigenschaft im Kondensatorbereich kommt es zu Tropfenbildung des Arbeitsfluids. Bei einer stark fluidphoben Ausgestaltung der Oberfläche "springt" das Arbeitsfluid in den Verdampferbereich zurück. Alternativ kann auch eine Fluidrückführung der Tropfen über Kapillarkräfte vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer hydrophilen Dochtstruktur, wie aus dem Stand der Technik für Wärmerohre bekannt. In diesem Zustand ist die thermische Diode thermisch leitend.
  • Ändert man im zweiten Betriebszustand (im weiteren auch Sperrzustand) die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung in dem Verdampferbereich und/oder Kondensatorbereich, beispielsweise durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes, weist die Heißseite, das heißt der Verdampferbereich, an der Wärmequelle nun hydrophobe Eigenschaften auf. Auf dieser Beschichtung sammelt sich nicht ausreichend Arbeitsfluid und das Arbeitsfluid, das sich dort sammelt, verdampft schnell und kondensiert auf der fluidphilen Beschichtung des Kondensatorbereichs. Dort bleibt das Arbeitsfluid und wird nicht in den Verdampferbereich zurücktransportiert, da die oben genannten rückführenden Mechanismen nicht wirken. Somit trocknet die Heißseite der Arbeitskammer aus und es findet kein Wärmetransport über das Arbeitsfluid statt. Die thermische Diode sperrt.
  • Vorzugsweise ist die schaltbare Beschichtung als ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebildet. ORMOCER®e sind anorganisch-organische Hybridpolymere, die die Oberflächeneigenschaften vieler Substrate vorteilhaft beeinflussen können, vgl. z. B. Sanchez et al., Chem. Soc. Rev. 40, 2011, 696-753. ORMOCER®e können auch als schaltbare Beschichtungen von hydrophil zu hydrophob und zurück ausgebildet werden unter Ausnutzung von aus der Fachliteratur bekannten Mechanismen, siehe B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782. Erfindungsgemäße ORMOCER®e enthalten daher z. B. Imidazoliumalkyl-Endgruppen für elektrisch schaltbare Oberflächeneigenschaften oder Fluoralkylazobenzol- oder Spiropyran-Endgruppen für photochemisch schaltbare Oberflächeneigenschaften.
    In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die ORMOCER®-Beschichtungen eine Mikro-, Meso- oder Nanostrukturierung auf, die ihre fluidphilen/fluidphoben Eigenschaften durch Ausnutzung von Kapillar- bzw. Lotos-Effekt verstärkt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das aktivierbare Funktionsmaterial derart ausgestaltet, dass Verdampferbereich und Kondensatorbereich im zweiten Betriebszustand die Eigenschaften tauschen. Der zweite Betriebszustand ist somit kein Sperrzustand, sondern ermöglicht einen Wärmetransport in die entgegengesetzte Richtung wie der erste Betriebszustand. In diesem Fall kann in dem zweiten Betriebszustand das Arbeitsfluid in dem ursprünglichen Kondensatorbereich, der jetzt als Verdampferbereich agiert, verdampfen und Wärme von einer Wärmequelle aufnehmen und zu dem ursprünglichen Verdampferbereich, der jetzt als Kondensatorbereich agiert, transportieren. In dem neuen Kondensatorbereich kondensiert das Arbeitsfluid und gibt die Wärme an eine Wärmesenke ab. Dadurch wird die Wärmeleit-Vorzugsrichtung der thermischen Diode umgedreht.
  • Vorzugsweise ist das aktivierbare Funktionsmaterial sowohl im Verdampferbereich als auch im Kondensatorbereich als ORMOCER®-Beschichtung ausgebildet. Die Beschichtungen sind so gewählt, dass durch das Anlegen eines äußeren Feldes, vorzugsweise eines elektrischen Feldes oder eines Strahlungsfeldes, d. h. (UV-)Lichtstrahlung, die Oberflächenbenetzungseigenschaften von Verdampferbereich und Kondensatorbereich getauscht werden.
  • Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltbarkeit der fluidphilen/fluidphoben Eigenschaften werden beispielsweise ORMOCER®e eingesetzt, deren funktionelle Endgruppen aus einer ionischen Gruppe (Trialkylammonium-, Imidazolium-, Sulfonat- etc.) besteht, die über einen "Spacer", d. h. eine lineare Alkylkette mit 2-20 C-Atomen, bevorzugt 3-12 C-Atomen, kovalent an das ORMOCER®-Netzwerk gebunden sind. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden (vgl. Langer et al., Science 299, 2003, 371-374) die ionischen Endgruppen von einem elektrisch gleichnamig geladenen Substrat abgestoßen und ragen in den Innenraum der thermischen Diode, was zu einer hydrophilen Eigenschaft der Oberfläche führt. Von einem elektrisch entgegengesetzt geladenen Substrat werden die ionischen Gruppen hingegen angezogen, so dass die unpolaren "Spacer"-Ketten in den Innenraum der thermischen Diode ragen, was zu einer hydrophoben Eigenschaft der Oberfläche führt. Werden also beide einander gegenüberliegende Flächen der thermischen Diode mit demselben funktionellen ORMOCER® beschichtet, so entsteht durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine hydrophile und eine hydrophobe Seite, wobei die Eigenschaften sich durch Umkehrung der Feldrichtung ebenfalls umkehren. Die an die thermische Diode anzulegende elektrische Spannung liegt bevorzugt < 50 V, besonders bevorzugt < 5 V.
  • In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid ausgebildet, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers. Durch das Reservoir wird die Aufnahme bzw. Freigabe des für den Wärmetransports notwendigen Arbeitsfluids gesteuert. Dies bedeutet, dass die verfügbare Menge des Arbeitsfluids veränderlich gemacht werden kann. Im ersten Betriebszustand des Wärmerohrs steht das Arbeitsfluid zur Wärmeleitung zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet Wärme. Im zweiten Betriebszustand, dem Sperrzustand, wird das Arbeitsfluid in dem Reservoir, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers, gebunden. In dieser gebundenen Form steht das Arbeitsfluid nicht mehr für den Wärmetransport zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr.
  • Im Rahmen dieser Beschreibung ist mit der Formulierung "das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr" der Sperrzustand der Diode gemeint. Dies bedeutet, dass der Wärmetransport im Vergleich zum anderen Schaltzustand erheblich verringert ist. Trotzdem kann ein geringer Wärmestrom, beispielsweise auch über die thermische Leitung von Bauteilen, stattfinden.
  • Bevorzugt ist das Reservoir für das Arbeitsfluid als Gel, insbesondere als Polymergel, als Adsorbens oder als mesoskopisch strukturierte Oberfläche ausgebildet.
  • Insbesondere bevorzugt ist das Reservoir als chemisch vernetztes Polymergel ausgebildet. Das vernetzte Polymergel ist so ausgestaltet, dass es durch das Arbeitsfluid aufquillt und dann einen Volumenphasenübergang aufweist, vorzugsweise zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Zustand des Hydrogels.
  • Insbesondere für den Fall, dass das Arbeitsfluid Wasser ist, ist das Reservoir bevorzugt als wasserbindendes Hydrogel ausgebildet. Das Polymergel weist einen wasserbindenden und einen nicht wasserbindenden Zustand auf. Bevorzugt wird der Übergang von dem ersten Betriebszustand zu dem Sperrzustand des Wärmerohrs, das heißt von einem nicht fluidbindenden Zustand des Polymergels zu dem fluidbindenden Zustand des Polymergels durch einen Temperaturübergang induziert. Das Polymergel kann als Polymergel mit einem Volumenphasenübergang des UCST-Typs (Upper Critical Solution Temperature) oder des LCST-Typs (Lower Critical Solution Temperature) ausgebildet sein. Bei einem Volumenphasenübergang des UCST-Typs wird das vernetzte Polymergel erst bei Überschreiten der kritischen Temperatur (Grenztemperatur) durch das Arbeitsfluid aufgequollen. Bei einem Volumenphasenübergang des LCST-Typs wird das Arbeitsfluid bei Überschreiten der kritischen Temperatur (Grenztemperatur) aus dem vernetzten Polymergel verdrängt. Demzufolge sperrt das Wärmerohr bei einem UCST-Übergang oberhalb der kritischen Temperatur. Bei einem LCST-Übergang sperrt das Wärmerohr unterhalb der kritischen Temperatur. Mit der Grenztemperatur lässt sich somit eine Schalttemperatur für den Übergang von dem ersten Betriebszustand zu dem Sperrzustand des Wärmerohrs definieren.
  • Bekannte Polymere, die einen UCST-Volumenphasenübergang aufweisen, sind beispielsweise in Macromol. Rapid Commun. 33, 1898 - 1920, 2012 beschrieben. Bekannte Polymere, die einen LCST-Volumenphasenübergang aufweisen, sind zum Beispiel in Adv. Polym. Sci. 242, 29 - 89, 2011 beschrieben. Die genannten Polymergele wechselwirken mit Wasser und sind daher insbesondere für ein Wärmerohr geeignet, bei dem Wasser als Arbeitsfluid eingesetzt wird. Es gibt jedoch auch eine Reihe von Polymeren, die die beschriebenen Eigenschaften und das beschriebene Verhalten mit organischen Fluiden, wie zum Beispiel Mineralölen, aufweisen, beispielsweise J. Polym. Sci. A46, 5724 - 5733, 2008. In diesem Fall kann auch ein anderes Fluid als Wasser als Arbeitsfluid eingesetzt werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Reservoir als Adsorbens ausgebildet. Ein Adsorbens bindet Fluid. Die im Adsorbens gebundene Fluidmenge wird auch als Beladung bezeichnet. Mit steigender Temperatur (und dem damit verbundenen steigenden Dampfdruck des gebundenen Fluids) nimmt die Beladung eines Adsorbens ab und das Fluid wird wieder freigegeben.
  • Vorzugsweise weist das Adsorbens eine Grenztemperatur auf, sodass beim Überschreiten dieser Grenztemperatur, bzw. eines bestimmten Dampfdrucks des Fluids, das Fluid recht abrupt vom Adsorbens wieder freigegeben wird. Mit der Grenztemperatur lässt sich somit eine Schalttemperatur für den Übergang von dem Sperrzustand zu dem ersten Betriebszustand des Wärmerohrs definieren.
  • Ein Materialbeispiel für ein Adsorbens mit einer definierten Grenztemperatur bzw. dem damit verknüpften Dampfdruck des Fluids ist das Adsorbens AQSOA™-Z05 von Mitsubishi™.
  • Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass die Eigenschaften des Flüssigkeitsspeichers nicht durch Temperatur, sondern durch einen anderen physikalischen oder chemischen Stimulus beeinflusst wird. Beispiele hierfür sind UV-Licht oder Mikrowellenstrahlung sowie pH-Wert, lonenstärke oder die Anwesenheit bestimmter organischer Moleküle. Beispiele hierfür sind in Angew. Chem. Int. Ed. 55, 6641 - 6644, 2015 beschrieben. Die Schaltung der thermischen Diode ist somit durch verschiedenste Faktoren möglich und kann entsprechend auf den Einsatzbereich und die Umgebungsbedingungen angepasst werden.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein System mit einem Wärmerohr mit den erfindungsgemäßen oben beschriebenen Eigenschaften sowie Mitteln zur Feldbeaufschlagung, um die Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmaterials zu ändern.
  • Vorzugsweise sind als Mittel zur Feldbeaufschlagung Felderzeuger für ein E-Feld, ein B-Feld, ein Spannungs-Dehnungs-Feld, zur Erzeugung von Licht, insbesondere UV-Licht, zur Erzeugung von Wärme und/oder zur Erzeugung von Kälte vorgesehen. Es kann sowohl lediglich eine der genannten Felderzeuger oder eine Kombination mehrerer der genannten Felderzeuger vorgesehen sein. Beispiele hierfür sind ein Kondensator, eine Spule, ein Excenter, eine (UV-) Lichtquelle oder eine Heiz- und Kühlvorrichtung. Dadurch können die Steuerungsmöglichkeiten individuell an das verwendete Arbeitsfluid sowie an das verwendete aktivierbare Funktionsmaterial angepasst werden.
  • Das erfindungsgemäße System weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und/oder einer bevorzugten Ausführungsform davon auf.
  • Vorzugsweise ist das System flexibel in Bezug auf Heißseite und Kaltseite ausgebildet. Ist das Wärmerohr als Wärmerohr mit einer umkehrbaren Wärmeleit-Vorzugsrichtung ausgebildet, sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, dass Verdampferbereich und Kondensatorbereich durch den Kontakt mit einer Heißseite oder entsprechend einer Kaltseite ihre Funktion zugewiesen bekommen. Vorzugsweise ist ein guter thermischer Kontakt zwischen Verdampferbereich und Kondensatorbereich und Heißseite respektive Kaltseite vorgesehen. Es ist ein guter thermischer Kontakt von Wärmesenke und Wärmequelle zum Wärmerohr vorgesehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist das System mit einem Wärmerohr mit einer Kombination aus zwei Funktionsmaterialien ausgebildet ist, wobei eines der beiden Funktionsmaterialien als ein oben beschriebener Flüssigkeitsspeicher, insbesondere in Form eines Polymergels ausgebildet ist. Das andere Funktionsmaterial ist vorzugsweise als ein in seinen fluidphilen/fluidphoben Eigenschaften veränderbares ORMOCER® ausgebildet, bevorzugt unter Einfluss von Licht, insbesondere UV-Licht.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Wie an sich bekannt, wird das Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports mit einem Wärmerohr mit zumindest einer Arbeitskammer mit zumindest einem Verdampferbereich und zumindest einem Kondensatorbereich und einem Arbeitsfluid durchgeführt. Es umfasst dabei die folgenden Verfahrensschritte:
    • A Verdampfen des Arbeitsfluids in dem Verdampferbereich, wobei Wärme mit dem gasförmigen Arbeitsfluid von dem Verdampferbereich zu dem Kondensatorbereich transportiert wird,
    • B Kondensieren des Arbeitsfluids in dem Kondensatorbereich, wobei die Wärme an eine Wärmesenke abgeführt wird.
  • Wesentlich ist, dass das Wärmerohr als thermischen Diode oder Wärmeschalter betrieben wird, indem die thermische Leitfähigkeit durch das Anlegen eines äußeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer geändert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Durchführung mittels des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmerohrs ausgebildet. Das erfindungsgemäße Wärmerohr ist hingegen bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und/oder des erfindungsgemäßen Systems.
  • Vorzugsweise wird die thermische Leitfähigkeit des Wärmerohrs geändert, indem der Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid gehalten wird und/oder das Arbeitsfluid am Verdampfen gehindert wird.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in dem Wärmerohr in einem ersten Betriebszustand Wärme von einer an dem Verdampferbereich angeordneten Heißseite (Wärmequelle) zu einer an dem Kondensatorbereich angeordneten Kaltseite (Wärmesenke) transportiert. Durch das das Anlegen eines äußeren Feldes in einem Verfahrensschritt C wird das Wärmerohr in einen zweiten Betriebszustand überführt. Vorzugsweise wird dazu ein E-Feld, ein B-Feld, ein Spannungs-Dehnungs-Feld erzeugt oder das aktivierbare Funktionsmaterial mit Licht, insbesondere UV-Licht, mit Wärme und/oder Kälte beaufschlagt. In dem zweiten Betriebszustand ist kein oder zumindest nicht mehr ausreichend Arbeitsfluid in dem Verdampferbereich verfügbar. Der Verdampferbereich trocknet aus und das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr in Richtung der Wärmeleit-Vorzugsrichtung des ersten Betriebszustands.
  • Alternativ kann das Arbeitsfluid in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand wechseln. Parameter, die Wechsel von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand initiieren können sind Temperatur, pH-Wert des Arbeitsfluids und/oder lonenstärke des Arbeitsfluids. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Wärmerohr "programmiert" werden kann, bei bestimmten Bedingungen den Betriebszustand zu wechseln, ohne dass ein externer Einfluss notwendig ist.
  • Vorzugsweise wird das Arbeitsfluid mittels einer schaltbaren Oberflächenbeschichtung aus dem Verdampferbereich der Arbeitskammer verdrängt, wie oben bereits beschrieben.
  • Alternativ kann das Arbeitsfluid mittels eines aktivierbaren Funktionsmaterials gebunden werden. Dazu ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial vorzugsweise in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid ausgebildet, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers. Durch das Reservoir wird die Aufnahme bzw. Freigabe des für den Wärmetransport notwendigen Arbeitsfluids gesteuert. Dies bedeutet, dass die verfügbare Menge des Arbeitsfluids verändert werden kann. Im ersten Betriebszustand des Wärmerohrs steht das Arbeitsfluid zur Wärmeleitung zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet Wärme. Im zweiten Betriebszustand, dem Sperrzustand, wird das Arbeitsfluid in dem Reservoir, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers, gebunden. In dieser gebundenen Form steht das Arbeitsfluid nicht mehr für den Wärmetransport zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Wärmeleit-Vorzugsrichtung der thermischen Diode umgedreht, indem durch das Anlegen eines äußeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer die Oberflächeneigenschaften von Verdampferbereich und Kondensatorbereich getauscht werden. In diesem Fall kann in einem zweiten Betriebszustand das Arbeitsfluid in dem ursprünglichen Kondensatorbereich, der jetzt als Verdampferbereich agiert, verdampfen und Wärme von einer Wärmequelle aufnehmen und zu dem ursprünglichen Verdampferbereich, der jetzt als Kondensatorbereich agiert, transportieren. In dem neuen Kondensatorbereich kondensiert das Arbeitsfluid und gibt die Wärme an eine Wärmesenke ab. Dadurch dreht sich die Wärmeleit-Vorzugsrichtung im Vergleich zum Betriebszustand 1 um.
  • Das erfindungsgemäße Wärmerohr, das erfindungsgemäße System und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere geeignet, Wärmeströme effektiv ein- und ausschalten bzw. steuern oder regeln zu können. Wärmeschalter oder thermische Dioden auf der Basis von Wärmerohren sind insbesondere geeignet, da diese hohe Schaltfaktoren erreichen können und durch den hohen Wärmetransport im leitenden Zustand nur einen sehr geringen Wärmewiderstand aufweisen. Darüber hinaus können sie als sehr kompakte Bauformen realisiert werden und sind daher leicht integrierbar. Je nach Ausgestaltung sind die Wärmerohre einfach aufgebaut, bestehen aus wenigen Einzelteilen und müssen keine beweglichen Teile beinhalten.
  • Weitere bevorzugten Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und der erfindungsgemäßen Verfahren werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer thermischen Diode mit einem aktivierbaren Funktionsmaterial in Form einer schaltbaren Beschichtung in dem Verdampferbereich und dem Kondensatorbereich mit den Teilabbildungen a) im leitenden Zustand und b) im Sperrzustand.
  • Das Wärmerohr 1 weist eine Arbeitskammer 2 auf mit zumindest einem Verdampferbereich 3 und zumindest einem Kondensatorbereich 4. Der Verdampferbereich 3 steht in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle (nicht dargestellt), vorliegend mit der Temperatur T1= 100° C und der Kondensatorbereich 4 in der Verbindung mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) mit der Temperatur T2 = 10° C. In der Arbeitskammer 2 ist ein Arbeitsfluid 5 vorgesehen.
  • Die Arbeitskammer 2 ist vorliegend als ein abgeschlossenes, druckdichtes Volumen ausgebildet, welches derart ausgebildet ist, dass ein Wärmetransport mittels Konvektion des verdampften Arbeitsfluids 5 erfolgt und ein Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids 5 erfolgt.
  • Das Arbeitsfluid 5 ist vorliegend Wasser.
  • Der Verdampferbereich 3 und der Kondensatorbereich 4 sind mit einer Beschichtung 6 aus aktivierbarem Funktionsmaterial ausgebildet. Sowohl die Beschichtung 6 des Verdampferbereichs 3 als auch des Kondensatorbereichs 4 istderart ausgebildet, dass die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung 6a des Verdampferbereichs 3 von hydrophil auf hydrophob und wieder zurück änderbar ist, während die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung 6b des Kondensatorbereichs 4 von hydrophob auf hydrophil und wieder zurück änderbar ist. Dabei sind die Beschichtungen 6 so ausgelegt, dass Verdampferbereich 3 und Kondensatorbereich 4 gerade die entgegengesetzten Oberflächenbenetzungseigenschaften aufweisen.
  • Vorliegend ist die Beschichtung 6 aus aktivierbarem Funktionsmaterial als schaltbare Beschichtung 6 aus ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebildet. ORMOCERE® sind, wie bereits beschrieben, anorganisch-organische Hybridpolymere, die die Oberflächeneigenschaften vieler Substrate vorteilhaft beeinflussen können. ORMOCERE® können auch als schaltbare Beschichtungen 6 von hydrophil zu hydrophob und zurück ausgebildet werden unter Ausnutzung von aus der Fachliteratur bekannten Mechanismen, siehe B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782.
  • Vorliegend sind die Beschichtungen 6a in dem Verdampferbereich 3 und 6b in dem Kondensatorbereich 4 mit einem elektrisch schaltbaren ORMOCER® ausgebildet, wie oben beschrieben. Vorliegend bestehen die Beschichtungen aus einem ORMOCER® mit funktionellen Endgruppen in Form von Methylimidazoliumdodecylsilylgruppen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden (vgl. Langer et al., Science 299, 2003, 371-374) diese ionischen Endgruppen von einem elektrisch gleichnamig geladenen Substrat abgestoßen und ragen durch "Streckung" der Dodecyl-Kette in den Innenraum der thermischen Diode. Vorliegend ist das Substrat in dem Verdampferbereich elektrisch gleichnamig geladen ausgebildet. Dies führt zu einer hydrophilen Eigenschaft der Oberfläche 6a in dem Verdampferbereich 3. In dem Kondensatorbereich 4 ist ein elektrisch entgegengesetzt geladenes Substrat vorgesehen. Dadurch werden die ionischen Gruppen hingegen angezogen, so dass die unpolaren Dodecyl-Ketten in den Innenraum der thermischen Diode ragen, was zu einer hydrophoben Eigenschaft der Oberfläche 6b in dem Kondensatorbereich führt.
  • Durch Anlegen eines elektrischen Feldes entstehen eine hydrophile und eine hydrophobe Seite, wobei die Eigenschaften sich durch Umkehrung der Feldrichtung ebenfalls umkehren.
  • Das Wärmerohr 1 ist somit vorliegend als schaltbare thermische Diode ausgebildet: In einem ersten Betriebszustand wird mittels Verdampfen des Arbeitsfluids 5 Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke transportiert, indem Wärme mit dem gasförmigen Arbeitsfluid 5 von dem Verdampferbereich 3 zu dem Kondensatorbereich 4 transportiert wird. Der Verdampferbereich 3 wird durch die Wärmequelle erwärmt und das Arbeitsfluid 5, das sich auf der hydrophilen Beschichtung 6a des Verdampferbereichs 3 gesammelt hat, verdampft und ermöglicht einen Wärmetransport von dem Verdampferbereich 3 zu dem Kondensatorbereich 4. In dem Kondensatorbereich 4 kondensiert das Arbeitsfluid 5 auf der hydrophoben Beschichtung 6b des Kondensatorbereichs 4 und es wird die Wärme an eine Wärmesenke abgeführt. Aufgrund der hydrophoben Oberflächeneigenschaft im Kondensatorbereich 4 kommt es zu Tropfenbildung des Arbeitsfluids 5. Aufgrund der stark hydrophoben Ausgestaltung der Oberfläche "springt" das Arbeitsfluid 5 in den Verdampferbereich 3 zurück.
  • Durch das Anlegen eines äußeren Feldes, vorliegend mit einer Spannung in Höhe von 5 V, kann das Wärmerohr 1 von dem ersten wärmeleitenden Betriebszustand in den zweiten nicht wärmeleitenden Betriebszustand geschaltet werden.
  • Durch das Anlegen des äußeren Feldes ändern sich, wie beschrieben, die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung 6 in dem Verdampferbereich 3 und in dem Kondensatorbereich 4. Der Verdampferbereich 3 an der Wärmequelle weist nun hydrophobe Eigenschaften auf. Auf der Beschichtung 6a des Verdampferbereichs 3 sammelt sich nicht ausreichend Arbeitsfluid 5 und das Arbeitsfluid 5, das sich dort sammelt, verdampft schnell und kondensiert auf der hydrophilen Beschichtung 6b des Kondensatorbereichs 4. Dort bleibt das Arbeitsfluid 5 und wird nicht in den Verdampferbereich 3 zurücktransportiert, da das Arbeitsfluid 5 von der jetzt hydrophilen Oberfläche nicht abgestoßen wird. Somit trocknet die Heißseite der Arbeitskammer 2 aus und es findet kein Wärmetransport über das Arbeitsfluid 5 statt. Die thermische Diode sperrt.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Schalters mit einem aktivierbaren Funktionsmaterial in Form eines Flüssigkeitsreservoirs mit den Teilabbildungen a) im leitenden Zustand und b) im Sperrzustand.
  • Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu Figur 1 eingegangen werden.
  • Vorliegend ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid 5 ausgebildet, nämlich in Form eines als wasserbindenden Hydrogels 7. Das wasserbindende Hydrogel 7 ist vorliegend wie folgt ausgebildet:
    Hydrogele mit einem Volumenphasenübergang des LCST-Typs können beispielsweise durch radikalische Polymerisation unter Verwendung folgender Monomere hergestellt werden. Die genannten Zusammensetzungen sind nicht als ausschließlich zu verstehen:
    Zusam men setzun g Monomer 1 Mol -% Monomer 2 Mol -% Vernetzer Mol -%
    1
    Figure imgb0001
         		50 - 80
    Figure imgb0002
         		0 - 30
    Figure imgb0003
         		2 - 20
    2
    Figure imgb0004
         		50 - 85
    Figure imgb0005
         		2 - 30
    Figure imgb0006
         		2 - 20
    3
    Figure imgb0007
         		50 - 85
    Figure imgb0008
         		2 - 30
    Figure imgb0009
         		2 - 20
    4
    Figure imgb0010
         		30 - 80
    Figure imgb0011
         		10 - 45
    Figure imgb0012
         		2 - 25
    5
    Figure imgb0013
         		30 - 80
    Figure imgb0014
         		10 - 45
    Figure imgb0015
         		2 - 25
    6
    Figure imgb0016
         		30 - 80
    Figure imgb0017
         		10 - 45
    Figure imgb0018
         		2 - 25
    7
    Figure imgb0019
         		80 - 98 -
    Figure imgb0020
         		2 - 20
    8
    Figure imgb0021
         		20 - 80
    Figure imgb0022
         		10 - 50
    Figure imgb0023
         		2-20
    9
    Figure imgb0024
         		30 - 90
    Figure imgb0025
         		10 - 40
    Figure imgb0026
         		2 - 20
    9
    Figure imgb0027
         		20 - 80
    Figure imgb0028
         		10 - 50
    Figure imgb0029
         		2 - 20
  • Hydrogele mit einem Volumenphasenübergang des UCST-Typs können beispielsweise durch radikalische Polymerisation unter Verwendung folgender Monomere hergestellt werden. Die genannten Zusammensetzungen sind nicht als ausschließlich zu verstehen:
    Zusam men setzung Monomer 1 Mol -% Monomer 2 Mol -% Vernetzer Mol -%
    1
    Figure imgb0030
         		80 - 98 -
    Figure imgb0031
         		2 - 20
    2
    Figure imgb0032
         		80 - 98 -
    Figure imgb0033
         		2 - 20
    3
    Figure imgb0034
         		60 - 90
    Figure imgb0035
         		10 - 30
    Figure imgb0036
         		2 - 20
    4
    Figure imgb0037
         		60 - 90
    Figure imgb0038
         		10 - 30
    Figure imgb0039
         		2 - 20
  • Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, durch nachträgliche Vernetzung löslicher Polymere geeignete Hydrogele herzustellen, die einen Volumenphasenübergang aufweisen. Um auf diese Weise ein Hydrogel mit einem Volumenphasenübergang des LCST-Typs zu erhalten, kann zum Beispiel teilweise hydrolysiertes Poly(vinylacetat) mit 1,4-Butandioldiglycidylether, Poly(ethylenglykol)-diglycidylether oder anderen di- oder multifunktionellen Epoxiden vernetzt werden.
  • Durch das wasserbindende Hydrogel 7 wird die verfügbare Menge des Arbeitsfluids 5 veränderlich gemacht. Das wasserbindende Hydrogel 7 weist einen wasserbindenden und einen deutlich weniger wasserbindenden Zustand auf. Vorliegend wird der Übergang von dem ersten Betriebszustand zu dem Sperrzustand des Wärmerohrs 1, das heißt von einem deutlich weniger wasserbindenden Zustand des Hydrogels 7 zu dem wasserbindenden Zustand des Hydrogels 7 durch einen Temperaturübergang induziert, vorliegend in einem Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 150 °C. Diese Erwärmung erfolgt durch Erwärmung der Heißseite auf der Verdampferseite, d. h. ohne ein äußeres Feld.
  • Im ersten Betriebszustand des Wärmerohrs 1 steht das Arbeitsfluid 5 zur Wärmeleitung zur Verfügung. Das Wärmerohr 1 leitet Wärme. Im zweiten Betriebszustand, dem Sperrzustand, wird das Arbeitsfluid 5 in dem wasserbindenden Hydrogel 7 gebunden. In dieser gebundenen Form steht das Arbeitsfluid 5 nicht mehr für den Wärmetransport zur Verfügung. Das Wärmerohr 1 leitet keine Wärme mehr.
  • Im Unterschied zu Figur 1 ist keine Beschichtung vorgesehen, die für einen Rücktransport des Arbeitsfluids 5 von dem Kondensatorbereich 4 zu dem Verdampferbereich 3 sorgt. Das Wärmerohr 1 ist daher vorliegend mit einer Fluidrückführung in Form einer Dochtstruktur (nicht dargestellt) ausgebildet.

Claims (17)

  1. Wärmerohr (1) mit zumindest einer Arbeitskammer (2) mit zumindest einem Verdampferbereich (3) in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle und zumindest einem Kondensatorbereich (4) in Wirkverbindung mit einer Wärmesenke, wobei in der Arbeitskammer (2) ein Arbeitsfluid (5) vorgesehen ist, und in einem ersten Betriebszustand mittels des Arbeitsfluids (5) Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke transportiert wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmerohr (1) als schaltbare und/oder programmierbare thermische Diode oder als schaltbarer und/oder programmierbarer Wärmeschalter ausgestaltet ist, indem zumindest ein aktivierbares Funktionsmaterial vorgesehen ist, das angeordnet und ausgestaltet ist, um in einem zweiten Betriebszustand den Verdampferbereich (3) frei von dem Arbeitsfluid (5) zu halten und/oder das Arbeitsfluid (5) am Verdampfen zu hindern, um den Wärmetransport zu reduzieren und/oder zu verhindern und/oder die Wärmeleit-Vorzugsrichtung zu ändern.
  2. Wärmerohr nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmerohr (1) als schaltbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet ist, indem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in einem äußeren Feld zumindest teilweise seine Eigenschaften zu ändern.
  3. Wärmerohr nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmerohr (1) als programmierbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet ist, indem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer (2), insbesondere Temperatur, pH-Wert des Arbeitsfluids (5) und/oder lonenstärke des Arbeitsfluids (5) seine Eigenschaften zu ändern.
  4. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Arbeitskammer (2) als ein abgeschlossenes Volumen ausgebildet ist, welches derart ausgebildet ist, dass ein Wärmetransport mittels Konvektion des verdampften Arbeitsfluids (5) erfolgt und ein Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids (5) erfolgt, insbesondere dass das abgeschlossene Volumen als druckdichtes System ausgebildet ist, bevorzugt dass aus dem druckdichten System im Wesentlichen alle Fremdgase mit Ausnahme des Arbeitsfluids (5) entfernt sind.
  5. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmerohr (1) mit einem Fluidkreislauf für das Arbeitsfluid (5) ausgebildet ist, vorzugsweise dass der Fluidkreislauf eine Fluidrückführung für einen Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids (5) von dem Kondensatorbereich (4) zu dem Verdampferbereich (3) umfasst.
  6. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich (3) eine fluidphobe Beschichtung (6) und/oder Strukturierung aufweist und/oder im Kondensatorbereich (4) eine fluidphile Beschichtung (6) und/oder Strukturierung, insbesondere
    dass das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich (3) eine hydrophile Beschichtung (6) und/oder Strukturierung aufweist und/oder im Kondensatorbereich (4) eine hydrophobe Beschichtung (6) und/oder Strukturierung oder dass das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich (3) eine oleophile Beschichtung (6) und/oder Strukturierung aufweist und/oder im Kondensatorbereich (4) eine oleophobe Beschichtung (6) und/oder Strukturierung.
  7. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zumindest eine Funktionsmaterial in Form einer schaltbaren Beschichtung des Verdampferbereichs (3) und/oder des Kondensatorbereichs (4) ausgebildet ist, indem zumindest die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung des Verdampferbereichs (3) von fluidphil auf fluidphob änderbar ist.
  8. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die schaltbare Beschichtung (6) als ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebildet ist.
  9. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das zumindest eine Funktionsmaterial in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid (5) ausgebildet ist, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers.
  10. Wärmerohr nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reservoir für das Arbeitsfluid (5) als Gel, insbesondere als Polymergel, als Adsorbens oder als mesoskopisch strukturierte Oberfläche ausgebildet ist.
  11. Wärmerohr nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Reservoir für das Arbeitsfluid (5) als Polymergel ausgebildet ist, das einen durch Temperatur induzierten Volumenphasenübergang aufweist, insbesondere als ein Polymer mit einem Volumenphasenübergang des UCST-Typs oder als ein Polymer mit einem Volumenphasenübergang des LCST-Typs.
  12. System umfassend ein Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass Mittel zur Feldbeaufschlagung vorgesehen sind, um die Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmaterials zu ändern.
  13. System nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass als Mittel zur Feldbeaufschlagung Felderzeuger für ein elektrisches Feld, ein magnetisches Feld, ein Spannungs-Dehnungs-Feld, zur Erzeugung von Licht, insbesondere UV-Licht, zur Erzeugung von Wärme und/oder zur Erzeugung von Kälte vorgesehen sind.
  14. System nach einem der Ansprüche 12 oder 13,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das System mit einer Kombination aus zwei Funktionsmaterialien ausgebildet ist, wobei eines der beiden Funktionsmaterialien als ein Flüssigkeitsspeicher nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ausgebildet ist, und das andere Funktionsmaterial als ein in seinen fluidphilen/fluidphoben Eigenschaften veränderbares ORMOCER® ausgebildet ist, bevorzugt unter Einfluss von Licht, insbesondere UV-Licht.
  15. Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports in einem Wärmerohr mit zumindest einer Arbeitskammer (2) mit zumindest einem Verdampferbereich (3) und zumindest einem Kondensatorbereich (4) und einem Arbeitsfluid (5)
    mit folgenden Verfahrensschritten:
    A Verdampfen des Arbeitsfluids (5) in dem Verdampferbereich (3), wobei Wärme mit dem gasförmigen Arbeitsfluid (5) von dem Verdampferbereich (3) zu dem Kondensatorbereich (4) transportiert wird,
    B Kondensieren des Arbeitsfluids (5) in dem Kondensatorbereich (4), wobei die Wärme an eine Wärmesenke abgeführt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Wärmerohr (1) als thermische Diode oder Wärmeschalter betrieben wird, indem die thermische Leitfähigkeit durch das Anlegen eines äußeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer (2) geändert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die thermische Leitfähigkeit der thermischen Diode oder des Wärmeschalters geändert wird, indem der Verdampferbereich (3) frei von dem Arbeitsfluid (5) gehalten wird und/oder das Arbeitsfluid (5) am Verdampfen gehindert wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wärmeleit-Vorzugsrichtung der thermischen Diode umgekehrt wird, indem durch das Anlegen eines äußeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer (2) die Oberflächeneigenschaften von Verdampferbereich (3) und Kondensatorbereich (4) getauscht werden.
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