WO2021255176A1 - Heat pipe, system and method for switching and/or programming a transport of heat - Google Patents

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WO2021255176A1
WO2021255176A1 PCT/EP2021/066424 EP2021066424W WO2021255176A1 WO 2021255176 A1 WO2021255176 A1 WO 2021255176A1 EP 2021066424 W EP2021066424 W EP 2021066424W WO 2021255176 A1 WO2021255176 A1 WO 2021255176A1
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heat
working fluid
heat pipe
area
designed
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PCT/EP2021/066424
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Martin Kluge
Jürgen CLADE
Christoph EBERL
Markus Winkler
Erik Wischerhoff
Kilian Bartholomé
Olaf SCHÄFER-WELSEN
Murat TUTUS
Martin Krus
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e. V.
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    • F28F2245/00Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/04Coatings; 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 to be achieved through 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 condensed 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) and in the document US 8716689 B2.
  • the use of superhydrophobic coatings in the area of the heat sink and superhydrophilic coatings in the area of the heat source results in 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 is returned to the superhydrophilic area of the heat source is transported and can evaporate there again.
  • the disadvantage of the known thermal diodes from the prior art is that the preferred direction for the heat transport is predetermined and the diode is fixed due to the design, ie cannot be changed or adapted during operation.
  • 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 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 transfer and / or to change the preferred direction of heat transfer.
  • 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 appropriately designing 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. Since the heat transport in the heat pipe works mainly via the evaporation of the working fluid in the evaporator area and the transport of the evaporated working fluid in the condenser area, this reduces or prevents the heat transport in the heat pipe. It is also within the scope of the invention that 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 functional material that can be activated is designed, in an outer one Field to at least partially change its properties.
  • 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 that can be changed by the external field 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 outer field.
  • programmable means that the heat pipe changes its state automatically through material-inherent factors when environmental 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 of the working fluid and / or ionic strength of the Working fluids 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 in such a way 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. This allows the working fluid to be directed 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 operational state to the second operational 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 capacitor area. Due to the fluid-phobic surface property in the capacitor area, drops form in the working fluid. In the case of a strongly 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 Ver evaporator area, since the above-mentioned recirculating mechanisms do not work.
  • the hot side of the working chamber dries out and there is no heat transfer via the working fluid.
  • the thermal diode blocks.
  • 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 ® s may also act as switchable coatings are formed from hydrophilic back utilizing multiple Lite of temperature from the known mechanisms, see B. Xin, J. Hao, Chem. Soc hyd to rophob and. Rev. 39, 2010, 769-782.
  • ORMOCER ® e according to the invention therefore contain z.
  • the ORMOCER ® coatings have a micro-, meso- or nano-structuring that strengthens their fluidphil / fluidphobic properties by utilizing the capillary or lotus effect.
  • the functional material that can be activated is configured in such a way that the evaporator area and capacitor area swap properties in the second operating state.
  • the second operating state is therefore not a blocking state, but enables heat to be transported in the opposite direction as the first operating state.
  • the working fluid in the original condenser area which now acts as the evaporator area, evaporates and absorbs heat from a heat source and transports it to the original evaporator area, which now acts as the condenser area.
  • the working fluid condenses and transfers the heat to a heat sink. This reverses the preferred thermal conduction direction of the thermal diode.
  • the activatable material is det function both in Verdampferbe rich and in the capacitor region as ORMOCER ® coating.
  • the coatings are chosen so that by applying an external field, preferably an electric field or a radiation field, ie (UV) light radiation, the surface wetting properties of the evaporator area and condenser area are exchanged.
  • ORMOCER ® s are used to realize electrical switchability of the fluidphilic / fluidphobic properties, whose functional end groups consist of an ionic group (trialkylammonium, imidazolium, sulfonate, etc.), which is connected via a “spacer”. , ie one linear alkyl chain with 2-20 carbon atoms, preferably 3-12 carbon atoms, are covalently bound to the ORMOCER ® network. By applying an electric field (cf.
  • the ionic end groups are repelled from an electrically charged substrate of the same name and protrude into the interior of the thermal diode, which leads to a hydrophilic property of the surface .
  • the ionic groups are attracted by an electrically oppositely charged substrate, so that the non-polar “spacer” chains protrude into the interior of the thermal diode, which leads to a hydrophobic property of the surface. If both opposing surfaces of the thermal diode are coated with the same functional ORMOCER ® , a hydrophilic and a hydrophobic side are created by applying an electrical field, whereby the properties are also reversed by reversing the field direction.
  • the electrical voltage to be applied to the thermal diode is preferably ⁇ 50 V, particularly preferably ⁇ 5 V.
  • the at least one activatable functional material is designed in the form of a reservoir for the working fluid, in particular in the form of a liquid reservoir.
  • the reservoir Through the reservoir, the intake or release of the Ar beitsfluids necessary for the transport of heat is controlled. 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 working fluid In 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 has 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 locks in the event of a UCST transition above the critical temperature.
  • the heat pipe blocks below the critical temperature.
  • Known polymers that have a UCST volume phase transition are, for example, in Macromol. Rapid Commun. 33, 1898 - 1920, 2012.
  • Known polymers that have an LCST volume phase transition are, for example, in Adv. Polym. May be. 242, 29-89, 2011.
  • 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 however, there are also a number of polymers which have the properties described and the behavior described with organic fluids, such as mineral oils, for example J. Polym. May be. 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 storage device 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 of this are given in Angew. Chem.
  • 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.
  • 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 above-described advantages and properties of the heat pipe according to the invention and / or a preferred embodiment thereof.
  • 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 heat conduction preferential direction, means are preferably provided that the evaporator area and condenser area are assigned their function by contact with a hot side or, accordingly, a cold side.
  • a good thermal contact between the evaporator area and the condenser area and the hot side or cold side is preferably provided. 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 storage device as described above, in particular in the form of a polymer gel.
  • the other functional material is preferably designed as an ORMOCER® that can be changed in its fluid-philic / fluid-phobic properties, preferably under the influence of light, in particular UV light.
  • the object according to the invention is also achieved by a method with the features of claim 15.
  • the method for switching and / or programming the heat transport with a heat tube with at least one working chamber with at least one Verdampferbe rich and at least one condenser area and a working fluid Runaway leads. It includes the following procedural steps:
  • the heat pipe is operated as a thermal diode or thermal switch in that the thermal conductivity is changed by applying an external field and / or as a function of 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 inventive method also shows the above-described parts and features of the heat pipe according to the invention and / or the system according to the invention.
  • the thermal conductivity of the heat pipe is preferably changed by keeping the evaporator area free of the working fluid and / or preventing the working fluid 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 Through the reservoir, the acquisition or release of the working fluid required for heat transport is controlled. 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 in the reservoir, in particular special in the form of a liquid reservoir, is bound. In this bound form, the working fluid is no longer available for heat transport. The heat pipe no longer conducts heat.
  • the preferred heat conduction direction of the thermal diode is reversed by changing 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 heat pipe according to the invention, the system according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for effectively switching heat flows on and off or being able to control or regulate.
  • 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, have only a very low thermal resistance in the conductive state. In addition, they can be implemented as very compact designs and are therefore easy to integrate.
  • the heat pipes are simple, consist of a few individual parts and do not have to contain any moving parts.
  • Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a heat pipe according to the invention
  • Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a heat pipe according to the invention.
  • 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.
  • 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 can be changed back again.
  • the coatings 6 are designed in such a way that the evaporator area 3 and the condenser area 4 have the opposite surface wetting properties.
  • the coating is det 6 accessible 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 also function as switchable coatings 6 of hydrophilic to hydrophobic and back are formed by utilizing technical literature from the known mechanisms, 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 out with an electrically switchable ORMOCER ®, as described above.
  • the coatings consist of an ORMOCER ® with functional end groups in the form of methylimidazolium dodecylsilyl groups.
  • an electric field cf. Langer et al., Science 299, 2003, 371-374
  • these ionic end groups are repelled by an electrically charged substrate of the same name and protrude into the interior of the thermal by “stretching” the dodecyl chain Diode.
  • the substrate is formed from electrically charged with the same name in the evaporator area. This leads to a hydrophilic property of the surface 6a in the evaporator region 3.
  • a substrate with an electrically oppositely charged charge is provided.
  • 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 upper surface 6b in the capacitor area.
  • the heat pipe 1 is thus in the present case as a switchable thermal diode:
  • heat is transported from the heat source to the heat sink by evaporation of the working fluid 5 by transporting heat 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 allows light to transport heat from the evaporator area 3 to the condenser area 4.
  • the working fluid condenses 5 on the hydrophobic coating 6b of the capacitor area 4 and the heat is dissipated to a heat sink.
  • the working fluid 5 Due to the hydrophobic surface property in the condenser area 4, drops form in the working fluid 5. Due to the highly hydrophobic design of the surface, the working fluid 5 "jumps" back into the evaporator area 3.
  • an external field in the present case with a voltage of 5 V, 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.
  • FIG. 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:
  • Hydrogels with a volume phase transition of the LCST type can be produced, for example, by radical polymerization using the following monomers.
  • the compositions mentioned are not to be understood as exclusive:
  • Hydrogels with a volume phase transition of the UCST type can be produced, for example, by radical polymerization using the following monomers.
  • the compositions mentioned are not to be understood as exclusive:
  • 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 what-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 conduction of heat. 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.
  • the heat pipe 1 is therefore embodied in the present case with a fluid return in the form of a wick structure (not shown).

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Abstract

The invention relates to a heat pipe (1) having at least one working chamber (2) having at least one evaporator region (3) operatively connected to a heat source and at least one condenser region (4) operatively connected to a heat sink, wherein a working fluid (5) is provided in the working chamber (2) and in a first operating state heat is transported from the heat source to the heat sink by means of the working fluid (5). It is essential to the invention that the heat pipe is designed as a switchable and/or programmable thermal diode or as a switchable and/or programmable heat switch by providing at least one activatable functional material, which is arranged and designed, in a second operating state, to keep the condenser region free of working fluid and/or to prevent the working fluid from evaporating, in order to reduce and/or prevent the transport of heat and/or to change the preferred direction of heat conduction. The invention also relates to a system and a method for switching and/or programming the transport of heat in a heat pipe.

Description

Wärmerohr, System und Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren einesHeat pipe, system and method for switching and / or programming one
Wärmetransports Heat transfer
Beschreibung 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. 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.
Wärmerohre (auch bekannt als Heatpipe) ermöglichen durch den Wärmetrans port 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 vorgese hen, welches im Bereich der Wärmequelle verdampft wird und im Bereich der Wärmesenke kondensiert. Über den Transport des Arbeitsfluids und der Über tragung mittels latenter Kondensations- und Verdampfungswärme findet der Wärmetransport statt. As is known, heat pipes (also known as heat pipes) enable a high heat flux density to be achieved through 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 condensed 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.
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. 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.
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 Wär mesenke 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 Be reich der Wärmesenke das Arbeitsfluid ab, sodass es zurück in den superhydro philen 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 Diodi- zität bauartbedingt festliegt, d.h. im laufenden Betrieb nicht verändert bzw. an gepasst werden kann. Such a thermal diode is for example in Boreyko et al. 2011, Applied Physics Letter 99 (23) and in the document US 8716689 B2. The use of superhydrophobic coatings in the area of the heat sink and superhydrophilic coatings in the area of the heat source results in 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 is returned to the superhydrophilic area of the heat source is transported and can evaporate there again. The disadvantage of the known thermal diodes from the prior art is that the preferred direction for the heat transport is predetermined and the diode is fixed due to the design, ie cannot be changed or adapted during operation.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Wärmerohr bzw. ein Verfah ren zum Wärmetransport vorzuschlagen, das variabler ist und die Grenzen der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen überwindet. 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.
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 erfin dungsgemäßen Wärmerohrs finden sich in den Ansprüchen 2 bis 11. In den An sprüchen 12 bis 14 finden sich Ausgestaltungen eines Systems mit einem erfin dungsgemäßen Wärmerohr. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemä ßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 16 und 17. Hiermit wird der Wort laut sämtlicher Ansprüche explizit per Referenz in die Beschreibung einbezo gen. This object is achieved by a heat pipe according to claim 1 and by a method for switching and / or programming the heat transport in a heat pipe according to claim 15. Preferred embodiments of the heat pipe according to the invention can be found in claims 2 to 11. In claims 12 to 14 there are configurations of a system with a heat pipe according to the invention. Preferred embodiments of the method according to the invention can be found in claims 16 and 17. The word according to all claims is hereby explicitly included in the description by reference.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr umfasst, wie an sich bekannt, zumindest eine Arbeitskammer mit zumindest einem Verdampferbereich und zumindest ei nem Kondensatorbereich. Der Verdampferbereich steht in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle und der Kondensatorbereich in Verbindung mit einer Wärme senke. In der Arbeitskammer ist ein Arbeitsfluid vorgesehen. In einem ersten Betriebszustand wird mittels des Arbeitsfluids Wärme von der Wärmequelle zu der Wärmesenke transportiert. As is known per se, 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 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.
Wesentlich ist, dass das Wärmerohr als schaltbare und/oder programmierbare thermische Diode oder Wärmeschalter ausgebildet ist, in dem zumindest ein ak tivierbares 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 Wärme leitvorzugsrichtung 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 Ver dampferbereich frei von dem Arbeitsfluid zu halten“ bezieht sich auf das Arbeits fluid in der Flüssigen Phase in direktem Kontakt und/oder direkter Wechselwir kung mit der Oberfläche des Verdampferbereichs. Dabei liegt es ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass im Verdampferbereich Arbeitsfluid in der gasförmi gen Phase vorhanden ist, da das Arbeitsfluid in der gasförmigen Phase das ganze Volumen der Arbeitskammer eines Wärmerohrs ausfüllt. It is essential that 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 transfer and / or to change the preferred direction of heat transfer. 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.
Die Erfindung ist in der Erkenntnis der Anmelderin begründet, dass mittels ent sprechender Gestaltung der Bedingungen in der Arbeitskammer der Wär metransport steuerbar und sogar umkehrbar ist. The invention is based on the applicant's knowledge that the heat transport can be controlled and even reversed by appropriately designing the conditions in the working chamber.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr unterscheidet sich somit in wesentlichen As pekten von vorbekannten Wärmerohren: The heat pipe according to the invention thus differs in essential aspects from previously known heat pipes:
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 ers ten 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 ak tivierbare 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 Ver dampferbereich und den Transport des verdampften Arbeitsfluids in den Kon densatorbereich funktioniert, reduziert bzw. verhindert dies den Wärmetransport in dem Wärmerohr. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass das akti vierbare Funktionsmaterial derart ausgestaltet ist, dass in dem zweiten Betriebs zustand die Wärmeleitvorzugsrichtung durch das aktivierbare Funktionsmaterial geändert wird. 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). In the 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. In the second state, the activatable functional material keeps the evaporator area free of the working fluid or prevents the working fluid from evaporating. Since the heat transport in the heat pipe works mainly via the evaporation of the working fluid in the evaporator area and the transport of the evaporated working fluid in the condenser area, this reduces or prevents the heat transport in the heat pipe. It is also within the scope of the invention that 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als schaltbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet, in dem das zu mindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in einem äußeren Feld zumindest teilweise seine Eigenschaften zu ändern. Mögliche Eigenschaf ten des aktivierbaren Funktionsmaterials, die durch das äußere Feld änderbar sind, sind Oberflächenbenetzungseigenschaften, Quellvermögen, fluidbindende Eigenschaften und Volumen. In a preferred embodiment of the invention, the heat pipe is designed as a switchable thermal diode or heat switch in which the at least one functional material that can be activated is designed, in an outer one Field to at least partially change its properties. Possible properties of the activatable functional material, which can be changed by the external field, are surface wetting properties, swelling properties, fluid-binding properties and volume.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als pro grammierbare thermische Diode bzw. Wärmeschalter ausgestaltet, in dem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeitskammer zumindest teilweise seine Eigen schaften zu ändern. Mögliche Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmateri als, die durch das äußere Feld änderbar sind, sind Oberflächenbenetzungsei genschaften, Quellvermögen, fluidbindende Eigenschaften und Volumen. In an alternative embodiment of the invention, 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 that can be changed by the external field are surface wetting properties, swelling capacity, fluid-binding properties and volume.
Das aktivierbare Funktionsmaterial ist somit vorzugsweise durch äußere oder in nere Einflüsse schaltbar bzw. programmierbar. "Schaltbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass der Betriebszustand durch das aktive Anlegen eines äu ßeren Feldes gewechselt werden kann. "Programmierbar" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das Wärmerohr selbstständig durch materialinhärente in nere Faktoren den Zustand ändert, wenn sich Umgebungsbedingungen, insbe sondere die Bedingungen in der Arbeitskammer, ändern. The functional material that can be activated is thus preferably switchable or programmable by external or internal influences. In this context, "switchable" means that the operating state can be changed by actively applying an outer field. In this context, "programmable" means that the heat pipe changes its state automatically through material-inherent factors when environmental conditions, in particular the conditions in the working chamber, change.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Wärmetransport in dem erfindungsge mäßen Wärmerohr gezielt gesteuert werden kann. This has the advantage that the heat transport in the heat pipe according to the invention can be controlled in a targeted manner.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr als pro grammierbare 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 Eigenschaf ten 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. In a preferred embodiment of the invention, 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 of the working fluid and / or ionic strength of the Working fluids 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.
Vorzugsweise ist die Arbeitskammer als ein abgeschlossenes Volumen ausge bildet, 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 ab geschlossene Volumen der Arbeitskammer als druckdichtes System ausgebildet. Insbesondere sind aus dem druckdichten System im Wesentlichen alle Fremd gase 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-Thermosy- phon. The working chamber is preferably designed as a closed volume, in particular in such a way 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. In particular, the closed volume of the working chamber is designed as a pressure-tight system. In particular, 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.
Vorzugsweise ist das aktivierbare Funktionsmaterial innerhalb der Arbeitskam mer vorgesehen. Dabei ist ebenfalls möglich, dass das aktivierbare Funktions material als Teil der Arbeitskammer, beispielsweise von Boden und Decke der Arbeitskammer, vorgesehen ist. 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Wärmerohr mit ei nem Fluidkreislauf für das Arbeitsfluid ausgebildet. Vorzugsweise umfasst der Fluidkreislauf eine Fluidrückführung für einen Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids von dem Kondensatorbereich zu dem Verdampferbereich. Hier durch kann gezielt und dosiert das Arbeitsfluid zurück in den Verdampferbereich geführt werden und so ein Austrocknen des Verdampferbereichs vermieden wer den. In a preferred embodiment of the invention, 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. This allows the working fluid to be directed back into the evaporator area in a targeted and metered manner, thus preventing the evaporator area from drying out.
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 Arbeitskam mer, eine zusätzliche Strukturierung sowohl im Verdampferbereich und/oder im Kondensatorbereich aufweist. Hierdurch können beispielsweise die Benetzungs eigenschaften der Oberflächen optimiert werden. In a preferred embodiment of the invention, 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.
Vorzugsweise ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial in Form ei ner schaltbaren Beschichtung des Verdampferbereichs und/oder des Kondensa torbereichs der Arbeitskammer ausgebildet, indem zumindest die Oberflächenei genschaften der Beschichtung des Verdampferbereichs von fluidphil auf flu- idphob änderbar ist. Vorzugsweise ist sowohl die Beschichtung des Verdampfer bereichs als auch des Kondensatorbereichs derart ausgebildet, dass die Ober flächeneigenschaft der Beschichtung des Verdampferbereichs von fluidphil auf fluidphob änderbar ist, während die Oberflächeneigenschaft der Beschichtung des Kondensatorbereichs von fluidphob auf fluidphil änderbar ist. Das Wärme rohr ist in diesem Fall als schaltbare thermische Diode ausgebildet: Durch das Anlegen eines äußeren Feldes kann das Wärmerohr von dem ersten Betriebszu stand in den zweiten Betriebszustand geändert werden. 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. Preferably, 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. In this case, the heat pipe is designed as a switchable thermal diode: by applying an external field, the heat pipe can be changed from the first operational state to the second operational state.
Wird im ersten Betriebszustand die Heißseite, das heißt der Verdampferbereich, durch die Wärmequelle erwärmt, verdampft das Arbeitsfluid, das sich auf der flu- idphilen Beschichtung des Verdampferbereichs gesammelt hat und ermöglicht einen Wärmetransport von dem Verdampferbereich zu dem Kondensatorbereich. Hier kondensiert das Arbeitsfluid auf der fluidphoben Beschichtung des Konden satorbereichs. Aufgrund der fluidphoben Oberflächeneigenschaft im Kondensa torbereich kommt es zu Tropfenbildung des Arbeitsfluids. Bei einer stark flu idphoben Ausgestaltung der Oberfläche "springt" das Arbeitsfluid in den Ver dampferbereich 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 die sem Zustand ist die thermische Diode thermisch leitend. If the hot side, ie the evaporator area, is heated by the heat source in the first 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. Here the working fluid condenses on the fluid-phobic coating of the capacitor area. Due to the fluid-phobic surface property in the capacitor area, drops form in the working fluid. In the case of a strongly fluid-phobic configuration of the surface, the working fluid "jumps" back into the evaporator area. Alternatively, 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.
Ändert man im zweiten Betriebszustand (im weiteren auch Sperrzustand) die Oberflächeneigenschaften der Beschichtung in dem Verdampferbereich und/o der Kondensatorbereich, beispielsweise durch Anlegen eines äußeren elektri schen Feldes, weist die Heißseite, das heißt der Verdampferbereich, an der Wärmequelle nun hydrophobe Eigenschaften auf. Auf dieser Beschichtung sam melt sich nicht ausreichend Arbeitsfluid und das Arbeitsfluid, das sich dort sam melt, verdampft schnell und kondensiert auf der fluidphilen Beschichtung des Kondensatorbereichs. Dort bleibt das Arbeitsfluid und wird nicht in den Ver dampferbereich zurücktransportiert, da die oben genannten rückführenden Me chanismen nicht wirken. Somit trocknet die Heißseite der Arbeitskammer aus und es findet kein Wärmetransport über das Arbeitsfluid statt. Die thermische Diode sperrt. If the surface properties of the coating in the evaporator area and / o the condenser area are changed in the second operating state (hereinafter also called the blocking state), for example by applying an external electrical field, the hot side, i.e. the evaporator area, 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 Ver evaporator area, since the above-mentioned recirculating mechanisms do not work. Thus, the hot side of the working chamber dries out and there is no heat transfer via the working fluid. The thermal diode blocks.
Vorzugsweise ist die schaltbare Beschichtung als ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebildet. ORMOCER®e sind anorganisch-organische Hybridpo lymere, die die Oberflächeneigenschaften vieler Substrate vorteilhaft beeinflus sen können, vgl. z. B. Sanchez et al. , Chem. Soc. Rev. 40, 2011 , 696-753. ORMOCER®e können auch als schaltbare Beschichtungen von hydrophil zu hyd rophob und zurück ausgebildet werden unter Ausnutzung von aus der Fachlite ratur bekannten Mechanismen, siehe B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782. Erfindungsgemäße ORMOCER®e enthalten daher z. B. Imidazoliumal- kyl-Endgruppen für elektrisch schaltbare Oberflächeneigenschaften oder Flu- oralkylazobenzol- oder Spiropyran-Endgruppen für photochemisch schaltbare Oberflächeneigenschaften. Preferably, 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 ® s may also act as switchable coatings are formed from hydrophilic back utilizing multiple Lite of temperature from the known mechanisms, see B. Xin, J. Hao, Chem. Soc hyd to rophob and. Rev. 39, 2010, 769-782. ORMOCER ® e according to the invention therefore contain z. B. imidazolium alkyl end groups for electrically switchable surface properties or fluoralkylazobenzene or spiropyran end groups for photochemically switchable surface properties.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen die ORMOCER®-Be- schichtungen eine Mikro-, Meso- oder Nanostrukturierung auf, die ihre fluidphi- len/fluidphoben Eigenschaften durch Ausnutzung von Kapillar- bzw. Lotos-Effekt verstärkt. In a particularly preferred embodiment, the ORMOCER ® coatings have a micro-, meso- or nano-structuring that strengthens their fluidphil / fluidphobic properties by utilizing the capillary or lotus effect.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das aktivierbare Funkti onsmaterial derart ausgestaltet, dass Verdampferbereich und Kondensatorbe reich im zweiten Betriebszustand die Eigenschaften tauschen. Der zweite Be triebszustand ist somit kein Sperrzustand, sondern ermöglicht einen Wär metransport in die entgegengesetzte Richtung wie der erste Betriebszustand. In diesem Fall kann in dem zweiten Betriebszustand das Arbeitsfluid in dem ur sprünglichen Kondensatorbereich, der jetzt als Verdampferbereich agiert, ver dampfen und Wärme von einer Wärmequelle aufnehmen und zu dem ursprüngli chen Verdampferbereich, der jetzt als Kondensatorbereich agiert, transportie ren. In dem neuen Kondensatorbereich kondensiert das Arbeitsfluid und gibt die Wärme an eine Wärmesenke ab. Dadurch wird die Wärmeleit-Vorzugsrichtung der thermischen Diode umgedreht. In a preferred embodiment of the invention, the functional material that can be activated is configured in such a way that the evaporator area and capacitor area swap properties in the second operating state. The second operating state is therefore not a blocking state, but enables heat to be transported in the opposite direction as the first operating state. In this case, in the second operating state, the working fluid in the original condenser area, which now acts as the evaporator area, evaporates and absorbs heat from a heat source and transports it to the original evaporator area, which now acts as the condenser area. In the new condenser area the working fluid condenses and transfers the heat to a heat sink. This reverses the preferred thermal conduction direction of the thermal diode.
Vorzugsweise ist das aktivierbare Funktionsmaterial sowohl im Verdampferbe reich als auch im Kondensatorbereich als ORMOCER®-Beschichtung ausgebil det. Die Beschichtungen sind so gewählt, dass durch das Anlegen eines äuße ren Feldes, vorzugsweise eines elektrischen Feldes oder eines Strahlungsfel des, d. h. (UV-)Lichtstrahlung, die Oberflächenbenetzungseigenschaften von Verdampferbereich und Kondensatorbereich getauscht werden. Preferably, the activatable material is det function both in Verdampferbe rich and in the capacitor region as ORMOCER ® coating ausgebil. The coatings are chosen so that by applying an external field, preferably an electric field or a radiation field, ie (UV) light radiation, the surface wetting properties of the evaporator area and condenser area are exchanged.
Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltbarkeit der flu- idphilen/fluidphoben Eigenschaften werden beispielsweise ORMOCER®e einge setzt, deren funktionelle Endgruppen aus einer ionischen Gruppe (Trialkylammo- nium-, 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 gelade nen 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 ei nander gegenüberliegende Flächen der thermischen Diode mit demselben funk tioneilen 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 thermi sche Diode anzulegende elektrische Spannung liegt bevorzugt < 50 V, beson ders bevorzugt < 5 V. ORMOCER ® s, for example, are used to realize electrical switchability of the fluidphilic / fluidphobic properties, whose functional end groups consist of an ionic group (trialkylammonium, imidazolium, sulfonate, etc.), which is connected via a “spacer”. , ie one linear alkyl chain with 2-20 carbon atoms, preferably 3-12 carbon atoms, are covalently bound to the ORMOCER ® network. By applying an electric field (cf. Langer et al., Science 299, 2003, 371-374) the ionic end groups are repelled from an electrically charged substrate of the same name and protrude into the interior of the thermal diode, which leads to a hydrophilic property of the surface . On the other hand, the ionic groups are attracted by an electrically oppositely charged substrate, so that the non-polar “spacer” chains protrude into the interior of the thermal diode, which leads to a hydrophobic property of the surface. If both opposing surfaces of the thermal diode are coated with the same functional ORMOCER ® , a hydrophilic and a hydrophobic side are created by applying an electrical field, whereby the properties are also reversed by reversing the field direction. The electrical voltage to be applied to the thermal diode is preferably <50 V, particularly preferably <5 V.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist das zumindest eine akti vierbare Funktionsmaterial in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid ausge bildet, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers. Durch das Reservoir wird die Aufnahme bzw. Freigabe des für den Wärmetransports notwendigen Ar beitsfluids gesteuert. Dies bedeutet, dass die verfügbare Menge des Arbeitsflu ids veränderlich gemacht werden kann. Im ersten Betriebszustand des Wärme rohrs steht das Arbeitsfluid zur Wärmeleitung zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet Wärme. Im zweiten Betriebszustand, dem Sperrzustand, wird das Arbeits fluid in dem Reservoir, insbesondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers, ge bunden. In dieser gebundenen Form steht das Arbeitsfluid nicht mehr für den Wärmetransport zur Verfügung. Das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr. In an alternative embodiment of the invention, the at least one activatable functional material is designed in the form of a reservoir for the working fluid, in particular in the form of a liquid reservoir. Through the reservoir, the intake or release of the Ar beitsfluids necessary for the transport of heat is controlled. This means that the available amount of the working fluid can be made variable. In the first operating state of the heat pipe, the working fluid is available for heat conduction. The heat pipe conducts heat. In 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.
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 verrin gert 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 Poly mergel, als Adsorbens oder als mesoskopisch strukturierte Oberfläche ausgebil det. In the context of this description, 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.
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, vor zugsweise zwischen einem gequollenen und einem kollabierten Zustand des Hydrogels. 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 has a volume phase transition, preferably between a swollen and a collapsed state of the hydrogel.
Insbesondere für den Fall, dass das Arbeitsfluid Wasser ist, ist das Reservoir bevorzugt als wasserbindendes Hydrogel ausgebildet. Das Polymergel weist ei nen 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 Polymer gels zu dem fluidbindenden Zustand des Polymergels durch einen Temperatu rübergang induziert. Das Polymergel kann als Polymergel mit einem Volumen phasenübergang des UCST-Typs (Upper Critical Solution Temperature) oder des LCST-Typs (Lower Critical Solution Temperature) ausgebildet sein. Bei ei nem 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 (Grenztempe ratur) aus dem vernetzten Polymergel verdrängt. Demzufolge sperrt das Wärme rohr 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 definie ren. In particular in the event that the working fluid is water, 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). In the case of a volume phase transition of the UCST type, the crosslinked polymer gel is only swollen when the working fluid exceeds the critical temperature (limit temperature). In the case of a volume phase transition of the LCST type, the working fluid is displaced from the crosslinked polymer gel when the critical temperature (limit temperature) is exceeded. As a result, the heat pipe locks in the event of a UCST transition above the critical temperature. In the case of an LCST transition, the heat pipe blocks below the critical temperature. With the limit temperature, a switching temperature for the transition from the first operating state to the blocking state of the heat pipe can thus be defined.
Bekannte Polymere, die einen UCST-Volumenphasenübergang aufweisen, sind beispielsweise in Macromol. Rapid Commun. 33, 1898 - 1920, 2012 beschrie ben. Bekannte Polymere, die einen LCST-Volumenphasenübergang aufweisen, sind zum Beispiel in Adv. Polym. Sei. 242, 29 - 89, 2011 beschrieben. Die ge nannten 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 Eigenschaf ten und das beschriebene Verhalten mit organischen Fluiden, wie zum Beispiel Mineralölen, aufweisen, beispielsweise J. Polym. Sei. A46, 5724 - 5733, 2008.Known polymers that have a UCST volume phase transition are, for example, in Macromol. Rapid Commun. 33, 1898 - 1920, 2012. Known polymers that have an LCST volume phase transition are, for example, in Adv. Polym. May be. 242, 29-89, 2011. 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 however, there are also a number of polymers which have the properties described and the behavior described with organic fluids, such as mineral oils, for example J. Polym. May be. A46, 5724 - 5733, 2008.
In diesem Fall kann auch ein anderes Fluid als Wasser als Arbeitsfluid einge setzt werden. In this case, a fluid other than water can also be used as the working fluid.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Reservoir als Ad sorbens 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. In a preferred embodiment of the invention, 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.
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. 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. With the limit temperature, a switching temperature for the transition from the blocking state to the first operating state of the heat pipe can thus be defined.
Ein Materialbeispiel für ein Adsorbens mit einer definierten Grenztemperatur bzw. dem damit verknüpften Dampfdruck des Fluids ist das Adsorbens AQSOA™-Z05 von Mitsubishi™. A material example for an adsorbent with a defined limit temperature or the associated vapor pressure of the fluid is the adsorbent AQSOA ™ -Z05 from Mitsubishi ™.
Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass die Eigenschaften des Flüs sigkeitsspeichers nicht durch Temperatur, sondern durch einen anderen physi kalischen oder chemischen Stimulus beeinflusst wird. Beispiele hierfür sind UV- Licht oder Mikrowellenstrahlung sowie pH-Wert, lonenstärke oder die Anwesen heit bestimmter organischer Moleküle. Beispiele hierfür sind in Angew. Chem.It is also within the scope of the invention that the properties of the liquid storage device 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 of this are given in Angew. Chem.
Int. Ed. 55, 6641 - 6644, 2015 beschrieben. Die Schaltung der thermischen Di ode ist somit durch verschiedenste Faktoren möglich und kann entsprechend auf den Einsatzbereich und die Umgebungsbedingungen angepasst werden. Int. Ed. 55, 6641 - 6644, 2015. 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.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls gelöst durch ein System mit ei nem 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, ins besondere UV-Licht, zur Erzeugung von Wärme und/oder zur Erzeugung von Kälte vorgesehen. Es kann sowohl lediglich eine der genannten Felderzeuger o- der 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 Steue rungsmöglichkeiten individuell an das verwendete Arbeitsfluid sowie an das ver wendete aktivierbare Funktionsmaterial angepasst werden. 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.
Das erfindungsgemäße System weist ebenfalls die oben beschriebenen Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und/oder einer bevor zugten Ausführungsform davon auf. The system according to the invention also has the above-described advantages and properties of the heat pipe according to the invention and / or a preferred embodiment thereof.
Vorzugsweise ist das System flexibel in Bezug auf Heißseite und Kaltseite aus gebildet. Ist das Wärmerohr als Wärmerohr mit einer umkehrbaren Wärmeleit- Vorzugsrichtung ausgebildet, sind vorzugsweise Mittel vorgesehen, dass Ver dampferbereich und Kondensatorbereich durch den Kontakt mit einer Heißseite oder entsprechend einer Kaltseite ihre Funktion zugewiesen bekommen. Vor zugsweise 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. The system is preferably designed to be flexible with regard to the hot side and cold side. If the heat pipe is designed as a heat pipe with a reversible heat conduction preferential direction, means are preferably provided that the evaporator area and condenser area are assigned their function by contact with a hot side or, accordingly, a cold side. A good thermal contact between the evaporator area and the condenser area and the hot side or cold side is preferably provided. There is good thermal contact between the heat sink and the heat source and the heat pipe.
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 Flüssigkeitsspei cher, insbesondere in Form eines Polymergels ausgebildet ist. Das andere Funktionsmaterial ist vorzugsweise als ein in seinen fluidphilen/fluidphoben Ei genschaften veränderbares ORMOCER® ausgebildet, bevorzugt unter Einfluss von Licht, insbesondere UV-Licht. In a preferred embodiment, 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 storage device as described above, in particular in the form of a polymer gel. The other functional material is preferably designed as an ORMOCER® that can be changed in its fluid-philic / fluid-phobic properties, preferably under the influence of light, in particular UV light.
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 Wärme- rohr mit zumindest einer Arbeitskammer mit zumindest einem Verdampferbe reich und zumindest einem Kondensatorbereich und einem Arbeitsfluid durchge führt. Es umfasst dabei die folgenden Verfahrensschritte: The object according to the invention is also achieved by a method with the features of claim 15. As is known per se, the method for switching and / or programming the heat transport with a heat tube with at least one working chamber with at least one Verdampferbe rich and at least one condenser area and a working fluid Runaway leads. It includes the following procedural steps:
A Verdampfen des Arbeitsfluids in dem Verdampferbereich, wobei Wärme mit dem gasförmigen Arbeitsfluid von dem Verdampferbe reich zu dem Kondensatorbereich transportiert wird, A evaporation of the working fluid in the evaporator area, heat being transported with the gaseous working fluid from the evaporator area to the condenser area,
B Kondensieren des Arbeitsfluids in dem Kondensatorbereich, wobei die Wärme an eine Wärmesenke abgeführt wird. B condensing the working fluid in the condenser area, the heat being dissipated to a heat sink.
Wesentlich ist, dass das Wärmerohr als thermischen Diode oder Wärmeschalter betrieben wird, indem die thermische Leitfähigkeit durch das Anlegen eines äu ßeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Arbeits kammer geändert wird. It is essential that the heat pipe is operated as a thermal diode or thermal switch in that the thermal conductivity is changed by applying an external field and / or as a function of conditions within the working chamber.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt zur Durchführung mittels des er findungsgemäßen Wärmerohrs und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmerohrs ausgebildet. Das erfindungsgemäße Wär merohr ist hingegen bevorzugt zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver fahrens und/oder einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. 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, on the other hand, is preferably designed to carry out the method according to the invention and / or a preferred embodiment of the method according to the invention.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt ebenfalls die oben beschriebenen Vor teile und Merkmale des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und/oder des erfin dungsgemäßen Systems. The inventive method also shows the above-described parts and features of the heat pipe according to the invention and / or the system according to the invention.
Vorzugsweise wird die thermische Leitfähigkeit des Wärmerohrs geändert, in dem der Verdampferbereich frei von dem Arbeitsfluid gehalten wird und/oder das Arbeitsfluid am Verdampfen gehindert wird. The thermal conductivity of the heat pipe is preferably changed by keeping the evaporator area free of the working fluid and / or preventing the working fluid from evaporating.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in dem Wärmerohr in einem ersten Betriebszustand Wärme von einer an dem Verdampferbereich an geordneten Heißseite (Wärmequelle) zu einer an dem Kondensatorbereich an geordneten Kaltseite (Wärmesenke) transportiert. Durch das das Anlegen eines äußeren Feldes in einem Verfahrensschritt C wird das Wärmerohr in einen zwei ten 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 trock net aus und das Wärmerohr leitet keine Wärme mehr in Richtung der Wärmeleit- Vorzugsrichtung des ersten Betriebszustands. In a preferred embodiment of the invention, 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. By creating a External field in a process step C, the heat pipe is transferred to a second operating state. For this purpose, 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. In the second operating state, 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.
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 zwei ten Betriebszustand initiieren können sind Temperatur, pH-Wert des Arbeitsflu ids 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. Alternatively, 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.
Vorzugsweise wird das Arbeitsfluid mittels einer schaltbaren Oberflächenbe schichtung aus dem Verdampferbereich der Arbeitskammer verdrängt, wie oben bereits beschrieben. 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.
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, insbe sondere in Form eines Flüssigkeitsspeichers. Durch das Reservoir wird die Auf nahme bzw. Freigabe des für den Wärmetransport notwendigen Arbeitsfluids ge steuert. 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 Be triebszustand, dem Sperrzustand, wird das Arbeitsfluid in dem Reservoir, insbe sondere 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-Vor- zugsrichtung der thermischen Diode umgedreht, indem durch das Anlegen eines äußeren Feldes und/oder in Abhängigkeit von Bedingungen innerhalb der Ar beitskammer die Oberflächeneigenschaften von Verdampferbereich und Kon densatorbereich getauscht werden. In diesem Fall kann in einem zweiten Be triebszustand das Arbeitsfluid in dem ursprünglichen Kondensatorbereich, der jetzt als Verdampferbereich agiert, verdampfen und Wärme von einer Wärme quelle 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 Betriebszu stand 1 um. Alternatively, the working fluid can be bound by means of an activatable functional material. For this purpose, 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. Through the reservoir, the acquisition or release of the working fluid required for heat transport is controlled. This means that the available amount of the working fluid can be changed. In the first operating state of the heat pipe, the working fluid is available for heat conduction. The heat pipe conducts heat. In the second operating state, the blocking state, the working fluid in the reservoir, in particular special in the form of a liquid reservoir, is bound. In this bound form, the working fluid is no longer available for heat transport. The heat pipe no longer conducts heat. In a preferred embodiment of the invention, the preferred heat conduction direction of the thermal diode is reversed by changing the surface properties of the evaporator area and condenser area by applying an external field and / or depending on conditions within the working chamber. In this case, in a second operating state, the working fluid 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. As a result, the preferred direction of thermal conduction is reversed compared to Betriebszu stand 1.
Das erfindungsgemäße Wärmerohr, das erfindungsgemäße System und das er findungsgemäße 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 Wär metransport 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 Wär merohre einfach aufgebaut, bestehen aus wenigen Einzelteilen und müssen keine beweglichen Teile beinhalten. The heat pipe according to the invention, the system according to the invention and the method according to the invention are particularly suitable for effectively switching heat flows on and off or being able to control or regulate. 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, have only a very low thermal resistance in the conductive state. In addition, they can be implemented as very compact designs and are therefore easy to integrate. Depending on the design, the heat pipes are simple, consist of a few individual parts and do not have to contain any moving parts.
Weitere bevorzugten Merkmale und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Wärmerohrs und der erfindungsgemäßen Verfahren werden im Folgenden an hand von Ausführungsbeispielen und den Figuren erläutert. Dabei zeigt: Further preferred features and embodiments of the heat pipe according to the invention and the method according to the invention are explained below using exemplary embodiments and the figures. It shows:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs, Figure 1 is a schematic representation of a first embodiment of a heat pipe according to the invention,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmerohrs. Figure 2 is a schematic representation of a second embodiment of a heat pipe according to the invention.
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. 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.
Das Wärmerohr 1 weist eine Arbeitskammer 2 auf mit zumindest einem Ver dampferbereich 3 und zumindest einem Kondensatorbereich 4. Der Verdampfer bereich 3 steht in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle (nicht dargestellt), vor liegend mit der Temperatur Ti= 100° C und der Kondensatorbereich 4 in der Verbindung mit einer Wärmesenke (nicht dargestellt) mit der Temperatur T2 =The heat pipe 1 has a working chamber 2 with at least one evaporator area 3 and at least one condenser area 4. The evaporator area 3 is in operative connection with a heat source (not shown), with the temperature Ti = 100 ° C and the condenser area 4 in the connection to a heat sink (not shown) with the temperature T2 =
10° C. In der Arbeitskammer 2 ist ein Arbeitsfluid 5 vorgesehen. 10 ° C. A working fluid 5 is provided in the working chamber 2.
Die Arbeitskammer 2 ist vorliegend als ein abgeschlossenes, druckdichtes Volu men ausgebildet, welches derart ausgebildet ist, dass ein Wärmetransport mit tels Konvektion des verdampften Arbeitsfluids 5 erfolgt und ein Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids 5 erfolgt. In the present case, 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.
Das Arbeitsfluid 5 ist vorliegend Wasser. In the present case, the working fluid 5 is water.
Der Verdampferbereich 3 und der Kondensatorbereich 4 sind mit einer Be schichtung 6 aus aktivierbarem Funktionsmaterial ausgebildet. Sowohl die Be schichtung 6 des Verdampferbereichs 3 als auch des Kondensatorbereichs 4 ist- derart 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 Kondensator bereichs 4 von hydrophob auf hydrophil und wieder zurück änderbar ist. Dabei sind die Beschichtungen 6 so ausgelegt, dass Verdampferbereich 3 und Kon densatorbereich 4 gerade die entgegengesetzten Oberflächenbenetzungseigen schaften aufweisen. 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 can be changed back again. The coatings 6 are designed in such a way that the evaporator area 3 and the condenser area 4 have the opposite surface wetting properties.
Vorliegend ist die Beschichtung 6 aus aktivierbarem Funktionsmaterial als schaltbare Beschichtung 6 aus ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebil det. ORMOCERE® sind, wie bereits beschrieben, anorganisch-organische Hyb ridpolymere, die die Oberflächeneigenschaften vieler Substrate vorteilhaft be einflussen 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® ausge bildet, wie oben beschrieben. Vorliegend bestehen die Beschichtungen aus ei nem ORMOCER® mit funktionellen Endgruppen in Form von Methylimidazolium- dodecylsilylgruppen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes werden (vgl. Lan ger et al . , Science 299, 2003, 371 -374) diese ionischen Endgruppen von einem elektrisch gleichnamig geladenen Substrat abgestoßen und ragen durch „Stre ckung“ der Dodecyl-Kette in den Innenraum der thermischen Diode. Vorliegend ist das Substrat in dem Verdampferbereich elektrisch gleichnamig geladen aus gebildet. Dies führt zu einer hydrophilen Eigenschaft der Oberfläche 6a in dem Verdampferbereich 3. In dem Kondensatorbereich 4 ist ein elektrisch entgegen gesetzt 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 Ober fläche 6b in dem Kondensatorbereich führt. In the present case, the coating is det 6 ausgebil of activatable function as a switchable material coating 6 of ORMOCER ® and / or with ORMOCER®. As already described, ORMOCERE ® are inorganic-organic hybrid polymers that can advantageously influence the surface properties of many substrates. ORMOCERE ® can also function as switchable coatings 6 of hydrophilic to hydrophobic and back are formed by utilizing technical literature from the known mechanisms, see B. Xin, J. Hao, Chem. Soc. Rev. 39, 2010, 769-782. In the present case, the coatings are formed in the evaporator 6a and 6b region 3 in the condenser section 4 out with an electrically switchable ORMOCER ®, as described above. In the present case, the coatings consist of an ORMOCER ® with functional end groups in the form of methylimidazolium dodecylsilyl groups. By applying an electric field (cf. Langer et al., Science 299, 2003, 371-374) these ionic end groups are repelled by an electrically charged substrate of the same name and protrude into the interior of the thermal by “stretching” the dodecyl chain Diode. In the present case, the substrate is formed from electrically charged with the same name in the evaporator area. This leads to a hydrophilic property of the surface 6a in the evaporator region 3. In the condenser region 4, a substrate with an electrically oppositely charged charge is provided. 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 upper surface 6b in the capacitor area.
Durch Anlegen eines elektrischen Feldes entstehen eine hydrophile und eine hydrophobe Seite, wobei die Eigenschaften sich durch Umkehrung der Feldrich tung ebenfalls umkehren. By applying an electric field, a hydrophilic and a hydrophobic side are created, the properties also being reversed by reversing the field direction.
Das Wärmerohr 1 ist somit vorliegend als schaltbare thermische Diode ausgebil det: 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 Kon densatorbereich 4 transportiert wird. Der Verdampferbereich 3 wird durch die Wärmequelle erwärmt und das Arbeitsfluid 5, das sich auf der hydrophilen Be schichtung 6a des Verdampferbereichs 3 gesammelt hat, verdampft und ermög licht einen Wärmetransport von dem Verdampferbereich 3 zu dem Kondensator bereich 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 Oberflä cheneigenschaft im Kondensatorbereich 4 kommt es zu Tropfenbildung des Ar beitsfluids 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 Betriebs zustand in den zweiten nicht wärmeleitenden Betriebszustand geschaltet wer den. The heat pipe 1 is thus in the present case as a switchable thermal diode: In a first operating state, heat is transported from the heat source to the heat sink by evaporation of the working fluid 5 by transporting heat 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 allows light to transport heat from the evaporator area 3 to the condenser area 4. In the condenser area 4, the working fluid condenses 5 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 design of the surface, the working fluid 5 "jumps" back into the evaporator area 3. By applying an external field, in the present case with a voltage of 5 V, the heat pipe 1 can be switched from the first thermally conductive operating state to the second non-thermally conductive operating state.
Durch das Anlegen des äußeren Feldes ändern sich, wie beschrieben, die Ober flächeneigenschaften 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 Verdampferbe reichs 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. As described, 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. Thus, 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.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines thermischen Schalters mit ei nem aktivierbaren Funktionsmaterial in Form eines Flüssigkeitsreservoirs mit den Teilabbildungen a) im leitenden Zustand und b) im Sperrzustand. FIG. 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.
Zur Vermeidung von Wiederholungen soll im Folgenden lediglich auf die Unter schiede zu Figur 1 eingegangen werden. To avoid repetition, only the differences from FIG. 1 will be discussed below.
Vorliegend ist das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial in Form eines Reservoirs für das Arbeitsfluid 5 ausgebildet, nämlich in Form eines als wasser bindenden Hydrogels 7. Das wasserbindende Hydrogel 7 ist vorliegend wie folgt ausgebildet: In the present case, 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:
Hydrogele mit einem Volumenphasenübergang des LCST-Typs können bei spielsweise durch radikalische Polymerisation unter Verwendung folgender Mo nomere hergestellt werden. Die genannten Zusammensetzungen sind nicht als ausschließlich zu verstehen:
Figure imgf000020_0001
Hydrogels with a volume phase transition of the LCST type can be produced, for example, by radical polymerization using the following monomers. The compositions mentioned are not to be understood as exclusive:
Figure imgf000020_0001
Hydrogele mit einem Volumenphasenübergang des UCST-Typs können bei spielsweise durch radikalische Polymerisation unter Verwendung folgender Mo nomere hergestellt werden. Die genannten Zusammensetzungen sind nicht als ausschließlich zu verstehen:
Figure imgf000021_0001
Hydrogels with a volume phase transition of the UCST type can be produced, for example, by radical polymerization using the following monomers. The compositions mentioned are not to be understood as exclusive:
Figure imgf000021_0001
Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, durch nachträgliche Vernetzung lösli cher Polymere geeignete Hydrogele herzustellen, die einen Volumenphasen- Übergang aufweisen. Um auf diese Weise ein Hydrogel mit einem Volumenpha senübergang des LCST-Typs zu erhalten, kann zum Beispiel teilweise hydroly siertes Poly(vinylacetat) mit 1 ,4-Butandioldiglycidylether, Poly(ethylenglykol)- diglycidylether oder anderen di- oder multifunktionellen Epoxiden vernetzt wer den. Furthermore, there is also the possibility of subsequently crosslinking soluble polymers to produce suitable hydrogels that have a volume phase transition. In order to obtain a hydrogel with a volume phase transition of the LCST type in this way, for example 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 .
Durch das wasserbindende Hydrogel 7 wird die verfügbare Menge des Arbeits fluids 5 veränderlich gemacht. Das wasserbindende Hydrogel 7 weist einen was serbindenden und einen deutlich weniger wasserbindenden Zustand auf. Vorlie gend wird der Übergang von dem ersten Betriebszustand zu dem Sperrzustand des Wärmerohrs 1 , das heißt von einem deutlich weniger wasserbindenden Zu stand 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. The available amount of the working fluid 5 is made variable by the water-binding hydrogel 7. The water-binding hydrogel 7 has a what-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.
Im ersten Betriebszustand des Wärmerohrs 1 steht das Arbeitsfluid 5 zur Wär meleitung zur Verfügung. Das Wärmerohr 1 leitet Wärme. Im zweiten Betriebs zustand, 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. In the first operating state of the heat pipe 1, the working fluid 5 is available for conduction of heat. 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.
Im Unterschied zu Figur 1 ist keine Beschichtung vorgesehen, die für einen Rücktransport des Arbeitsfluids 5 von dem Kondensatorbereich 4 zu dem Ver- dampferbereich 3 sorgt. Das Wärmerohr 1 ist daher vorliegend mit einer Flu idrückführung in Form einer Dochtstruktur (nicht dargestellt) ausgebildet. In contrast to FIG. 1, no coating is provided which ensures that the working fluid 5 is transported back from the condenser area 4 to the evaporator area 3. The heat pipe 1 is therefore embodied in the present case with a fluid return in the form of a wick structure (not shown).

Claims

Ansprüche Expectations
1. Wärmerohr (1) mit zumindest einer Arbeitskammer (2) mit zumindest einem Verdampferbereich (3) in Wirkverbindung mit einer Wärmequelle und zumin dest einem Kondensatorbereich (4) in Wirkverbindung mit einer Wärme senke, 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 thermi sche Diode oder als schaltbarer und/oder programmierbarer Wärmeschalter ausgestaltet ist, indem zumindest ein aktivierbares Funktionsmaterial vorge sehen ist, das angeordnet und ausgestaltet ist, um in einem zweiten Be triebszustand den Verdampferbereich (3) frei von dem Arbeitsfluid (5) zu hal ten und/oder das Arbeitsfluid (5) am Verdampfen zu hindern, um den Wär metransport zu reduzieren und/oder zu verhindern und/oder die Wärmeleit- Vorzugsrichtung zu ändern. 1. Heat pipe (1) with at least one working chamber (2) with at least one evaporator area (3) in operative connection with a heat source and at least one condenser area (4) in operative connection with a heat sink, with a working fluid (2) in the working chamber (2) 5) is provided, and in a first operating state by means of the working fluid (5) heat is transported from the heat source to the heat sink, characterized in that the heat pipe (1) as a switchable and / or programmable thermal diode or as a switchable and / or programmable heat switch is designed in that at least one activatable functional material is provided, which is arranged and designed to keep the evaporator area (3) free of the working fluid (5) and / or the working fluid (5) in a second operating state To prevent evaporation to reduce the heat metransport and / or prevent and / or to change the preferred direction of heat conduction.
2. Wärmerohr nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (1) als schaltbare thermische Diode bzw. Wärmeschal ter ausgestaltet ist, indem das zumindest eine aktivierbare Funktionsmaterial ausgestaltet ist, in einem äußeren Feld zumindest teilweise seine Eigen schaften zu ändern. 2. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the heat pipe (1) is designed as a switchable thermal diode or heat switch by the at least one activatable functional material is designed to at least partially change its own properties in an external field.
3. Wärmerohr nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (1) als programmierbare thermische Diode bzw. Wär meschalter ausgestaltet ist, indem das zumindest eine aktivierbare Funkti onsmaterial 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. 3. Heat pipe according to claim 1, characterized in that the heat pipe (1) is designed as a programmable thermal diode or heat switch by the at least one activatable functi onsmaterial is designed, depending on conditions within the working chamber (2), in particular temperature to change the pH of the working fluid (5) and / or ionic strength of the working fluid (5).
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 Konvek tion des verdampften Arbeitsfluids (5) erfolgt und ein Rücktransport des kon densierten 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 Ar beitsfluids (5) entfernt sind. 4. Heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that that the working chamber (2) is designed as a closed 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, in particular that the closed volume is pressure-tight System is designed, preferably that essentially all foreign gases with the exception of the working fluid (5) are removed from the pressure-tight system.
5. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (1) mit einem Fluidkreislauf für das Arbeitsfluid (5) aus gebildet ist, vorzugsweise dass der Fluidkreislauf eine Fluidrückführung für einen Rücktransport des kondensierten Arbeitsfluids (5) von dem Kondensa torbereich (4) zu dem Verdampferbereich (3) umfasst. 5. Heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pipe (1) is formed with a fluid circuit for the working fluid (5), preferably that the fluid circuit has a fluid return for a return transport of the condensed working fluid (5) from the condensator area (4) to the evaporator area (3).
6. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich (3) eine flu- idphobe Beschichtung (6) und/oder Strukturierung aufweist und/oder im Kon densatorbereich (4) eine fluidphile Beschichtung (6) und/oder Strukturierung, insbesondere dass das abgeschlossene Volumen im Verdampferbereich (3) eine hydro phile Beschichtung (6) und/oder Strukturierung aufweist und/oder im Kon densatorbereich (4) eine hydrophobe Beschichtung (6) und/oder Strukturie rung 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 Struktu rierung. 6. Heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the closed volume in the evaporator area (3) has a fluid-phobic coating (6) and / or structuring and / or in the condenser area (4) a fluid-philic coating (6) and / or structuring, in particular that the closed volume in the evaporator area (3) has a hydrophilic coating (6) and / or structuring and / or in the condenser area (4) a hydrophobic coating (6) and / or structuring or that the closed Volume in the evaporator area (3) has an oleophilic coating (6) and / or structuring and / or in the condenser area (4) an oleophobic coating (6) and / or structuring.
7. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Funktionsmaterial in Form einer schaltbaren Be schichtung des Verdampferbereichs (3) und/oder des Kondensatorbereichs (4) ausgebildet ist, indem zumindest die Oberflächeneigenschaft der Be schichtung des Verdampferbereichs (3) von fluidphil auf fluidphob änderbar ist. 7. Heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one functional material is designed in the form of a switchable coating of the evaporator area (3) and / or the condenser area (4) by at least the surface property of the coating of the evaporator area (3 ) can be changed from fluidphil to fluidphob.
8. Wärmerohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schaltbare Beschichtung (6) als ORMOCER® und/oder mit ORMOCER® ausgebildet ist. 8. Heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that the switchable coating (6) is designed as ORMOCER ® and / or with ORMOCER ® .
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 Flüssigkeitsspei chers. 9. Heat pipe according to one of claims 1 to 8, characterized in that the at least one functional material is designed in the form of a reservoir for the working fluid (5), in particular in the form of a liquid storage device.
10. Wärmerohr nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir für das Arbeitsfluid (5) als Gel, insbesondere als Poly mergel, als Adsorbens oder als mesoskopisch strukturierte Oberfläche aus gebildet ist. 10. Heat pipe according to claim 9, characterized in that the reservoir for the working fluid (5) is formed as a gel, in particular as a poly mergel, as an adsorbent or as a mesoscopically structured surface.
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. 11th Heat pipe according to one of claims 9 or 10, characterized in that the reservoir for the working fluid (5) is designed as a polymer gel which has a temperature-induced volume phase transition, in particular as a polymer with a volume phase transition of the UCST type or as a polymer with a volume phase transition of the LCST type.
12. System umfassend ein Wärmerohr nach einem der vorangegangenen An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Feldbeaufschlagung vorgesehen sind, um die Eigenschaften des aktivierbaren Funktionsmaterials zu ändern. 12. System comprising a heat pipe according to one of the preceding claims, characterized in that means are provided for applying the field in order to change the properties of the functional material that can be activated.
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. 13. System according to claim 12, characterized in that the means for applying the field to a field generator for an electric field, a magnetic field, a stress-strain field, for generating of light, in particular UV light, are provided for generating heat and / or for generating cold.
14. System nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit einer Kombination aus zwei Funktionsmaterialien aus gebildet ist, wobei eines der beiden Funktionsmaterialien als ein Flüssig keitsspeicher nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ausgebildet ist, und das andere Funktionsmaterial als ein in seinen fluidphilen/fluidphoben Eigen schaften veränderbares ORMOCER® ausgebildet ist, bevorzugt unter Ein fluss von Licht, insbesondere UV-Licht. 14. System according to one of claims 12 or 13, characterized in that the system is formed with a combination of two functional materials, one of the two functional materials being formed as a liquid keitsspeicher according to one of claims 9 to 11, and the other functional material properties as a fluidphoben in its fluid hydrophilic / own changeable ORMOCER ® is formed, preferably under a flow of light, in particular UV light.
15. Verfahren zum Schalten und/oder Programmieren des Wärmetransports in einem Wärmerohr mit zumindest einer Arbeitskammer (2) mit zumindest ei nem Verdampferbereich (3) und zumindest einem Kondensatorbereich (4) und einem Arbeitsfluid (5) mit folgenden Verfahrensschritten: 15. A method for switching and / or programming the heat transport in a heat pipe with at least one working chamber (2) with at least one evaporator area (3) and at least one condenser area (4) and a working fluid (5) with the following process steps:
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, A evaporation of the working fluid (5) in the evaporator area (3), heat being transported with the gaseous working fluid (5) from the evaporator area (3) to the condenser area (4),
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 Arbeitskam mer (2) geändert wird. B condensing of the working fluid (5) in the condenser area (4), the heat being dissipated to a heat sink, characterized in that the heat pipe (1) is operated as a thermal diode or heat switch by increasing the thermal conductivity by applying an external field and / or is changed depending on conditions within the working chamber (2).
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Leitfähigkeit der thermischen Diode oder des Wär meschalters geändert wird, indem der Verdampferbereich (3) frei von dem Arbeitsfluid (5) gehalten wird und/oder das Arbeitsfluid (5) am Verdampfen gehindert wird. 16. The method according to claim 15, characterized in that the thermal conductivity of the thermal diode or the heat switch is changed by leaving the evaporator area (3) free of the Working fluid (5) is held and / or the working fluid (5) is prevented from evaporating.
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 Oberflächeneigen schaften von Verdampferbereich (3) und Kondensatorbereich (4) getauscht werden. 17. The method according to claim 15 or 16, characterized in that the preferred thermal conduction direction of the thermal diode is reversed by the surface properties of the evaporator area (3 ) and capacitor area (4) can be exchanged.
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