陶瓷间接蒸发冷却系统的疏水性阻挡层

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相关申请的交叉引用

本专利申请要求2018年10月2日提交的美国临时申请第62/740221号的利益，其全部内容通过引用并入本文。

本申请涉及蒸发冷却系统。本申请尤其涉及具有超疏水性表面的蒸发冷却系统。

背景

蒸发冷却利用空气中含有的热能(即热量)来蒸发水。与水的相变有关的大焓(即蒸发潜热)可产生相当大的温降，因为来自环境空气的热能(即显热)被用于液-气相变。随着空气的水分含量或湿度的增加，空气温度或干球温度降低，而湿球温度几乎保持不变。对于干燥、高温的气候，增加的水分含量可有利于热舒适，例如皮肤和呼吸系统的再水合作用。

蒸发冷却系统的冷却能力取决于干湿球温度差，该干湿球温度差被定义为干球与湿球温度之间的差值。因此，与基于压缩机的空调系统相比，在干燥、干旱的气候下，蒸发冷却具有更高的冷却能力潜力，且可减少一次能量需求。对于具有较高湿度的气候，增加的湿度会增加使用者的不适感。而间接蒸发冷却系统可用来避免向空调空间直接增加湿度。

技术实现要素：

在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括多孔陶瓷体，该多孔陶瓷体具有多个干通道和多个湿通道，这些干通道配置为抑制水蒸气输送到干通道中，并且包括具有小于1000nm的特征尺寸的粗糙化层和布置在粗糙化层上的疏水性化学修饰；这些湿通道配置为允许水蒸气输送。

在一些实施方案中，多个干通道和多个湿通道具有选自平行流、逆流和横流的配置。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统是间接蒸发冷却系统。

在一些实施方案中，间接蒸发冷却系统是再生式间接蒸发冷却系统、露点间接蒸发冷却系统或maisotsenko间接蒸发冷却系统。

在一些实施方案中，多孔陶瓷体包括氧化物、复合材料、粘土体、石器、陶器、瓷器、骨瓷、或其组合。

在一些实施方案中，氧化物包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化锰、氧化铁、或其组合。

在一些实施方案中，复合材料包括颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料、氧化物与非氧化物的组合、及其组合。

在一些实施方案中，多孔陶瓷体具有介于10nm与1000nm之间的孔径。

在一些实施方案中，多孔陶瓷体具有介于1μm与1000μm之间的孔径。

在一些实施方案中，多孔陶瓷体具有1％至80％的孔体积。

在一些实施方案中，粗糙化层的粗糙度在0.1nm与1000nm之间。

在一些实施方案中，粗糙化层的粗糙度在0.1nm与100nm之间。

在一些实施方案中，粗糙化层的粗糙度在100nm与1000nm之间。

在一些实施方案中，粗糙化层包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化铜、氧化亚铜、氧化钡、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化铪、氧化镁、氧化铌、氧化锡、氧化钽、氧化钨、氢氧化铝、或其组合。

在一些实施方案中，粗糙化层包括溶胶-凝胶涂层。

在一些实施方案中，粗糙化层包括金属氧化物颗粒的分散体。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒具有2nm至20μm的直径。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒具有2nm至10nm的直径。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒具有10nm至50nm的直径。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒具有50nm至200nm的直径。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒是多分散的。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化铜、氧化亚铜、氧化钡、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化铪、氧化镁、氧化铌、氧化锡、氧化钽、氧化钨、或其组合。

在一些实施方案中，粗糙化层具有100nm至5mm的厚度。

在一些实施方案中，粗糙化层具有200nm至5mm的渗透深度。

在一些实施方案中，粗糙化层包括具有100nm至500μm厚度的覆盖层。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰包括以如下封端的有机硅烷或硫醇分子：甲基、芳基、支链烷基链、直链烷基链、全氟链、或者疏水性聚合物、硅氧烷、烷基磷酸盐、烷基磷酸酯、烷烃膦酸、烷烃膦酸酯、烷烃异羟肟酸、烷烃羧酸、或其组合。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰包括脂肪酸、天然蜡、合成蜡、及其组合。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰共价连接至粗糙化层。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰吸附于粗糙化层。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰具有2nm至1μm的厚度。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统被整合到建筑物的外壁中。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统被整合到建筑物的屋顶中。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统被整合到建筑物的内部。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统是独立单元。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却内部空间。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却外部空间。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括储水槽。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括泵。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括配置为通过多孔陶瓷体吸入空气的风扇。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括喷雾器、超声波喷雾器、雾化喷嘴、喷嘴及其组合。

在一些实施方案中，制造蒸发冷却系统的方法包括提供多孔陶瓷体，在多孔陶瓷体的第一区域内形成具有小于1000nm的特征尺寸的粗糙化层，以及在第一区域内对粗糙化层进行化学修饰。

在一些实施方案中，该方法包括在多孔陶瓷体的第二区域内形成粗糙阻挡层。

在一些实施方案中，提供多孔陶瓷体包括根据包括挤出、共挤出、压制、铸造、泡沫化、增材制造和多材料增材制造的方法形成陶瓷。

在一些实施方案中，共挤出进一步包括从第一区域内的第一挤出头沉积粗糙化层的组分和多孔陶瓷体的第一制剂，从第二区域内的第二挤出头沉积多孔陶瓷的第二制剂。

在一些实施方案中，共挤出进一步包括从挤出头沉积多孔陶瓷体的制剂和粗糙化层的组分，其中该制剂具有在所述沉积期间随时间(temporally)变化的组成。

在一些实施方案中，粗糙化层包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化铜、氧化亚铜、氧化钡、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化铪、氧化镁、氧化铌、氧化锡、氧化钽、氧化钨、氢氧化铝或其组合。

在一些实施方案中，形成粗糙化层包括将溶胶-凝胶前体溶解在有机溶剂中，诱发水解反应以形成网状凝胶，向多孔陶瓷体施加网状凝胶，并加热多孔陶瓷体。

在一些实施方案中，形成粗糙化层包括提供金属氧化物颗粒。

在一些实施方案中，该方法包括在将溶胶-凝胶前体溶解在有机溶剂中之前在溶胶-凝胶前体中提供金属氧化物颗粒。

在一些实施方案中，该方法包括在将溶胶-凝胶前体溶解在有机溶剂中之后在溶胶-凝胶前体中提供金属氧化物颗粒。

在一些实施方案中，该方法包括在水解反应期间提供金属氧化物颗粒。

在一些实施方案中，该方法包括通过水热反应使网状凝胶致密化和再结晶。

在一些实施方案中，形成粗糙化层包括向多孔陶瓷体施加金属氧化物颗粒的分散体。

在一些实施方案中，施加金属氧化物颗粒的分散体包括洗涂、喷涂、浸涂或刷涂。

在一些实施方案中，对粗糙化层进行化学修饰包括将分子共价连接至粗糙化层。

在一些实施方案中，分子包括烷基链、全氟链、硅氧烷、烷基磷酸盐、烷基磷酸酯、烷基磷酸酯、烷烃膦酸/酯、烷烃异羟肟酸、烷烃羧酸、硫醇、或其组合。

在一些实施方案中，对粗糙化层进行化学修饰包括将分子吸附于粗糙化层。

在一些实施方案中，分子包括脂肪酸、天然蜡、合成蜡、及其组合。

附图简要说明

在结合附图考虑以下详细说明时，其目的和优点将变得显而易见，其中相同的附图标记始终指相同的部分，其中：

图1a示出了根据某些实施方案的蒸发冷却系统，该蒸发冷却系统包括超疏水性粗糙化陶瓷。

图1b示出了根据某些实施方案的超疏水性粗糙化陶瓷。

图2a示出了根据某些实施方案的平行直接冷却配置。

图2b示出了根据某些实施方案得到的平行直接冷却配置的理论干湿冷却(psychrometriccooling)。

图3a示出了根据某些实施方案的平行间接冷却配置。

图3b示出了根据某些实施方案得到的平行间接冷却配置的理论干湿冷却。

图3c示出了根据某些实施方案的平行间接冷却配置。

图3d示出了根据某些实施方案得到的平行间接冷却配置的理论干湿冷却。

图4a示出了根据某些实施方案的间接再生蒸发冷却配置。

图4b示出了根据某些实施方案得到的间接再生蒸发冷却配置的理论干湿冷却。

图5a示出了根据某些实施方案的露点间接再生蒸发冷却配置。

图5b示出了根据某些实施方案得到的露点间接再生蒸发冷却配置的理论干湿冷却。

图6a示出了根据某些实施方案的逆流配置形式的m循环状蒸发冷却系统。

图6b示出了根据某些实施方案得到的逆流配置形式的m循环状蒸发冷却系统的理论干湿冷却。

图6c示出了根据某些实施方案的横流配置形式的m循环状蒸发冷却系统。

图6d示出了根据某些实施方案得到的横流配置形式的m循环状蒸发冷却系统的理论干湿冷却。

图7a示出了根据某些实施方案的具有化学修饰和通过陶瓷体的溶胶-凝胶浸渍而引入的粗糙化层的多孔陶瓷体。

图7b示出了根据某些实施方案，在多孔陶瓷体的未经处理的区域中湿工作空气的输送和在具有化学修饰和粗糙化层的多孔陶瓷体的区域中干产物空气的输送。

图8a示出了根据某些实施方案的掩模图案。

图8b示出了根据某些实施方案的掩模图案。

图8c示出了根据某些实施方案的浸没在水中的具有施加了图案化的溶胶-凝胶的阻挡层的瓷砖。

图8d示出了根据某些实施方案的浸没在水中的具有施加了图案化的溶胶-凝胶的阻挡层的瓷砖。

图9示出了根据某些实施方案的具有经溶胶-凝胶处理的区域作为具有纳米级粗糙度的粗糙化层的瓷砖的横截面。

图10a示出了根据某些实施方案的具有化学修饰和通过颗粒分散体引入的粗糙化层的多孔陶瓷体。

图10b示出了根据某些实施方案，在多孔陶瓷体的未经处理的区域中湿工作空气的输送和在具有化学修饰和粗糙化层的多孔陶瓷体的区域中干产物空气的输送。

图11a示出了根据某些实施方案的水在未经处理的陶砖上的接触角(ca)。

图11b示出了根据某些实施方案的水在具有氟官能化的陶砖上的接触角。

图11c示出了根据某些实施方案的水在具有纳米级勃姆石溶胶-凝胶涂层和氟官能化的陶砖上的接触角。

图11d示出了根据某些实施方案的水在具有氧化铝纳米颗粒和氟官能化的陶砖上的接触角。

图12示出了根据某些实施方案的玻璃、未经处理的的陶瓷、经溶胶-凝胶氧化铝处理的陶瓷、经勃姆石处理的陶瓷、经化学修饰处理的陶瓷、经溶胶-凝胶氧化铝和化学修饰处理的陶瓷以及经勃姆石和化学修饰处理的陶瓷的水蒸气渗透性。

图13示出了根据某些实施方案的单级间接蒸发冷却板。

图14示出了根据某些实施方案的分别通过入口空气干湿球温度差和干球温差测量的入口空气流与出口产物空气之间的温差。

图15示出了根据某些实施方案的未经处理的对照瓷砖、具有施加的疏水性溶胶-凝胶蒸气阻挡层(冷snap)的砖和平行流配置形式的涂覆有铝箔的砖的入口空气水分含量和产物空气水分含量。

图16a显示了根据某些实施方案的未经处理的陶瓦砖的sem图像。

图16b显示了根据某些实施方案的具有纳米级粗糙度的溶胶-凝胶勃姆石涂层的陶瓦砖的sem图像。

图16c显示了根据某些实施方案的具有氧化铝纳米颗粒分散体的陶瓦砖的sem图像。

图17a显示了根据某些实施方案的下向通风(downdraft)间接蒸发冷却立面或屋顶系统的示意图。

图17b显示了根据某些实施方案的再生式间接蒸发冷却立面或屋顶系统。

图18a显示了根据某些实施方案的用于制造蒸发冷却系统的增材制造系统的照片。

图18b显示了根据某些实施方案的通过增材制造制成的蒸发冷却系统的示意图。

详细说明

在图1a中显示的一个实施方案中，蒸发冷却系统100包括多个干通道、多个湿通道、超疏水性粗糙化陶瓷、储槽135和泵132。在一些实施方案中，蒸发冷却系统包括风扇134。在图1b中显示的一些实施方案中，超疏水性粗糙化陶瓷包括(i)具有(ii)粗糙化层112和(iii)疏水性化学修饰113的块状多孔陶瓷体111。在某些实施方案中，粗糙化层112可具有小于1000nm的特征尺寸。在其他实施方案中，粗糙化层112可具有小于500nm、100nm、50nm、10nm、1nm、0.1nm等的特征尺寸。(ii)与(iii)的组合可称为“超疏水性涂层”或阻挡层114。在图1a中显示的实施方案中，阻挡层114布置在干通道102中或其上。在一些实施方案中，多孔陶瓷的未经处理的区域115形成湿通道101。在一些实施方案中，干产物空气104流过干通道102，湿工作空气103流过湿通道101。在一些实施方案中，多孔陶瓷体111包括与湿通道101相邻的湿陶瓷多孔体111a的区域和与干通道102相邻的干多孔陶瓷体111b的区域。

i.蒸发冷却系统

在一些实施方案中，间接蒸发冷却系统利用蒸发冷却机制，但将通过蒸发产生的湿气流(“工作”、“湿”、“工艺”或“二次”空气流)与进入空间的空气(“产物”、“干”、“供应”或“一次”空气流)分开。在一些实施方案中，工作空气流过湿通道，产物空气流过干通道。在一些实施方案中，干通道包括阻挡层，该阻挡层包括粗糙化层和疏水性化学修饰。在与间接蒸发冷却相关的实施方案中，通过工作空气中的蒸发产生的显冷却能量使用热交换介质(或表面)与产物空气交换。在一些实施方案中，热交换介质是多孔陶瓷元件。在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却内部空间。在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却外部空间。经冷却的干产物空气进入空间，而湿工作空气保持与待冷却区域分开。在具有平衡的空气流量和无限接触面积的理想热交换系统中，干产物空气温度可降低到工作湿气流的湿球温度。在一些实施方案中，通过结合具有蒸气分离的多级热交换元件，间接蒸发冷却(iec)系统可比直接蒸发冷却系统提供进一步的冷却效率改善(30-50％)。在一些实施方案中，蒸发冷却系统可具有许多逆流和横流“再生”设计，包括maisotsenko或m循环冷却系统。在一些实施方案中，这些和类似的系统利用一系列湿通道和干通道将一次空气温度降低到入口空气湿球温度，并且可进一步增加低于入口空气湿球温度的冷却，进一步提高冷却效率。在这些实施方案中，产物空气保持在低的相对湿度，允许舒适的排汗，进一步增加冷却的感知。实验室测试和中试现场研究已经显示，直接和间接系统的实际效率(由干球效率定义)接近50-60％和70-95％。

多级iec的一个优点是，与传统蒸发冷却装置相比，其实现更冷的送气温度(低于工作空气湿球温度)的能力(更冷至30％)，其扩大了可适用的气候区的范围，改善了热舒适性，并取代了更多的基于热泵的冷却或机械的冷却。与直接蒸发冷却装置相比，其性能的提高仅占机械式空调的能源耗用和能源成本的一小部分，因为iec系统仅使用电能来移动空气和水。此外，与机械式空调相比，间接蒸发冷却系统可提供改善的通风率，其减少了对配电网的压力和投资，并减少有害的、全球变暖潜力高的制冷剂气体。

a.蒸发冷却系统的类型

1.立面和屋顶

在一些实施方案中，iec系统可整合在建筑物的外壁或/和屋顶内或安装在其上。在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却内部空间。在一些实施方案中，蒸发冷却系统冷却外部空间。在一些实施方案中，iec系统可整合在通风包覆层或屋顶系统内。在该实施方案中，iec系统的湿通道可整合为包覆层材料内的表面、板、通道或其他配置，并悬挂、夹持或固定在墙壁或屋面板外部的子结构上。在一些实施方案中，包覆层材料的内表面涂覆有蒸气阻挡层或类似物。蒸气阻挡层是任何材料、膜、片、箔或阻止、减缓或抵抗水蒸气(即湿气)通过其本体扩散或输送的其他材料。不可渗透的蒸气阻挡层显示usperm<1(siperm<57)。渗透性蒸气阻挡层显示1至10的usperm(siperm57-570)。可渗透蒸气阻挡层显示usperm>10(siperm>570)。在一些实施方案中，墙壁或屋面板的外面涂覆有蒸气膜或类似涂层。在一些实施方案中，在外部包覆层材料与墙壁或屋面板之间形成的空间或空腔形成iec系统的干通道。在湿通道中，空气流过通道，并借助于浮力或风驱动的流动或借助于鼓风机风扇排放至建筑物外部。在干通道中，空气借助于通过建筑物内的浮力或风驱动的流动产生的负压，借助于通过位于建筑物内的鼓风机风扇产生的负压，或借助于在干通道空腔外部的鼓风机风扇产生的正压或负压而流过通道并进入建筑物。在一些实施方案中，空气借助于设置穿过墙壁或屋顶的管道流入建筑物。

在一些实施方案中，通过泵向湿通道供水。在一些实施方案中，借助于带有喷雾器喷嘴的泵向外部包覆层材料的湿通道的表面供水并润湿所述表面。在其他实施方案中，湿通道被置于充水的储槽中，并且湿通道借助于毛细管力被润湿。在一些实施方案中，未蒸发和流出的水被收集在湿通道下方的储槽中，然后来自储槽的水再循环至喷嘴。在一些实施方案中，使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式向储槽供应补给水。在一些实施方案中，流量阀用于控制水流量。在一些实施方案中，流量阀用于控制出口空气流量和/或将未经处理的室外空气与经处理的产物空气混合。

在其他实施方案中，iec系统可作为独立单元安装，其独立于包覆层系统、位于包覆层系统的顶部或旁边。在该实施方案中，iec系统的湿通道和干通道可在包覆层材料内以平行、逆流、再生、露点或m循环iec热交换器配置的形式整合为表面、板、通道或其他几何结构，并悬挂、夹持，或直接固定在墙壁或屋面板上，或者悬挂、夹持，直接固定在墙壁或屋面板外部的子结构上。对于湿通道和干通道，空气流可通过来自安装于iec系统通道上的鼓风机风扇的正压或负压而产生。在一些实施方案中，干通道中的空气通过歧管与湿通道中的空气分离。在一些实施方案中，空气借助于设置穿过墙壁的管道直接从干通道流入建筑物，而来自湿通道的空气则被排放至建筑物外。在一些实施方案中，流量阀用于控制出口空气流和/或将未经处理的室外空气与经处理的产物空气混合。在其他实施方案中，诸如再生、露点和m循环-iec系统，一部分干产物空气可借助于歧管或周期性出口与进入建筑物的产物空气分离。在这些实施方案中，与进入建筑物的产物空气分离的一部分干产物空气被重导入湿通道中以用作湿工作空气，然后被排放至建筑物外。

在一些实施方案中，借助于带有喷雾器喷嘴的泵向独立单元的湿通道表面供水并使其润湿。在其他实施方案中，湿通道被置于充水的储槽中，并且湿通道借助于毛细管力被润湿。在一些实施方案中，未蒸发和流出的水收集在湿通道下方的储槽中。在一些实施方案中，来自储槽的水随后再循环至喷嘴。在一些实施方案中，使用建筑物的管道系统、雨水收集或其他方式向储槽供应补给水。在一些实施方案中，流量阀用于控制水流。

2.独立单元

在一些实施方案中，iec是独立的、屋顶或墙包(wall-pack)单元。在一些实施方案中，独立的蒸发冷却系统冷却内部空间。在一些实施方案中，独立的蒸发冷却系统冷却外部空间。在这些实施方案中，这些独立的iec系统可包括以下组件。单元壳体外部的鼓风机风扇从建筑物外提供工作空气。该空气随后被供应给热交换介质。热交换介质可为平行、横流、逆流、再生、露点、m循环或其他配置的形式。在一些实施方案中，热交换介质借助于带有喷雾器喷嘴的泵、芯吸或淋湿被润湿。在一些实施方案中，未蒸发和流出的水由储槽收集，并且在带有泵的喷雾器系统的情况下，被再循环。在一些实施方案中，流量阀用于控制水流量。在一些实施方案中，冷却的产物空气通过一系列管道导入建筑物，而湿工作空气被排放至建筑物外。在一些实施方案中，流量阀用于控制出口空气流量和/或将未经处理的室外空气与经处理的产物空气混合。

i.抑制蒸气流动

a.方向性和选择性的机制

水蒸气从高含水量(即水蒸气压力或水蒸气分压)区域流向低含水量区域。在一些实施方案中，为了有效的蒸发冷却，湿通道可借助于阻挡层与干通道离。

在一些实施方案中，可通过几种物理机制及其组合来抑制蒸气流动。在一些实施方案中，减少孔的数量或孔的尺寸可抑制蒸气流动。在其他实施方案中，可用于蒸气输送的路径的弯曲可抑制蒸气流动。在一些实施方案中，陶瓷体中的多个孔可通过用溶胶-凝胶、胶体纳米颗粒或其他材料回填而完全堵塞或部分缩窄。在该实施方案中，可通过选择性克努森(knudsen)扩散、分子(即菲茨基(fickian))扩散、表面扩散、毛细管冷凝或其组合来限制传质，这取决于阻挡层中存在的孔的尺寸、蒸气/液体与固体之间的分子相互作用以及操作条件(例如压力)。在一些实施方案中，通过化学修饰用疏水官能团替换亲水官能团(例如羟基)来降低孔的表面能，为水在整个固体中的扩散产生高的界面能阻挡层，可进一步抑制通过陶瓷体的输送。在一些实施方案中，低表面能或疏水性化学修饰(例如氟烷基官能化)和纳米级或微米级形态(例如勃姆石或纳米颗粒)的组合可产生超过单独的疏水性化学修饰的超疏水行为的超疏水性行为。在该实施方案中，增加的超疏水行为增加了润湿陶瓷阻挡涂层中存在的任何孔隙所需的毛细管压力，因此进一步限制了水分从iec中的湿通道渗透到干通道。

b.蒸发冷却系统中通道的配置

在一些实施方案中，间接蒸发冷却热交换介质可描述为一系列表面、板、通道、管或其他几何形状，其具有多孔层、可芯吸或其他流体保持材料和防水层或低渗透材料。在一些实施方案中，交换介质的配置和组成用于促进传热，同时也抑制传质。

术语水蒸气可包括任何液体或流体流，其包括这些流中的空气、水、水蒸气和颗粒物(有机、无机、惰性等)。湿通道或表面是指任何热交换介质或结构，其具有空气或流体流过、穿过或围绕其流动，而水蒸气在多孔介质上、在多孔介质中或在多孔介质内流动。干通道或表面是指任何热交换介质或结构，其具有空气或流体流过、穿过或围绕其流动，但阻止来自高压、高温或高浓度区域的水蒸气流动或扩散。在一些实施方案中，干通道被配置成抑制水蒸气输送到干通道中。在一些实施方案中，干通道包括阻挡层，该阻挡层包括粗糙化层和疏水性化学修饰。在一些实施方案中，热交换介质是多孔陶瓷。

在一些实施方案中，蒸发冷却系统具有以下配置之一：平行流、逆流或横流。在一些实施方案中，蒸发冷却系统是间接蒸发冷却系统(iec)、再生式间接蒸发冷却系统(r-iec)、露点间接蒸发冷却系统(d-iec)或maisotsenko间接蒸发冷却系统(m-iec)。

在一些实施方案中，平行流蒸发冷却配置包括热交换介质，其中干通道和湿通道中的空气或其他流体的流动是平行的，且方向相同。在一些实施方案中，平行流配置可用于直接蒸发冷却。在这些实施方案中，直接蒸发冷却系统包括以平行配置形式布置的湿通道。在其他实施方案中，平行流配置可用于间接蒸发冷却。在这些实施方案中，间接蒸发冷却系统包括湿通道和干通道。

在一些实施方案中，逆流配置描述了热交换介质，其中干通道中的干产物空气流与湿通道中的湿工作空气为相反方向或逆流方向。在这些实施方案中，通道是平行的，但流动为相反方向。

在一些实施方案中，横流配置描述了热交换介质，其中干通道中的干空气流与湿通道中的湿空气流垂直。

图2a-2b显示了平行配置形式的直接蒸发冷却系统200的实施方案。如图2a中所示，在该实施方案中，直接蒸发冷却系统包括流动空气203与水接触的一个或多个湿热交换通道201。在该实施方案中，水蒸发并扩散到湿通道201中的流动空气203中。在该实施方案中，流动空气同时用作工作空气和产物空气。如图2b中所示，空气203的温度降低而湿度比增加。

在一些实施方案中，间接蒸发冷却系统(iec)包括流动的二次(或工作)空气与水接触的一个或多个湿热交换通道(或表面)，以及具有被明显冷却的一次(或产物)空气的一个或多个干热交换通道(或表面)。来自通过热交换介质输送到湿通道的一次产物空气的热量作为潜热被水吸收，水蒸发并扩散到二次湿空气中。在一些实施方案中，一次产物空气和二次工作空气可以平行、逆流或横流配置形式从单独的入口流向单独的出口。在这些实施方案中，干通道中的热产物空气通过热交换介质将热量输送到湿通道。一次产物空气的干球温度可降低到入口处的二次工作空气的湿球温度下限。一次产物空气的水分含量保持不变，而二次工作空气的水分含量增加，可达到饱和状态(露点)。iec的一个益处是，一次产物空气在不增加水分含量的情况下被冷却。然而，一次空气干球温度受二次工作空气的湿球温度的限制。

图3a-3b显示了平行配置形式的间接蒸发冷却系统300的实施方案。如图3a中所示，在该实施方案中，间接蒸发冷却系统300包括以平行配置形式布置的湿通道301。在这些实施方案中，湿工作空气303流过湿通道301，干产物空气304以相同的平行方向流过湿通道301的外表面。在一些实施方案中，外表面包括阻挡层。图3b显示了平行流间接蒸发冷却系统的理论干湿冷却。如图3b中所示，湿工作空气的温度降低而湿工作空气的湿度比增加，干产物空气的温度降低而干产物空气的湿度比保持恒定。

图3c-3d显示了平行配置形式的间接蒸发冷却系统300的另一个实施方案。如图3c中所示，在该实施方案中，间接蒸发冷却系统300包括以平行配置形式布置的湿通道301和干通道302。在这些实施方案中，以相同的平行方向，湿工作空气303流过湿通道301，干产物空气304流过湿干通道302。在一些实施方案中，干通道包括阻挡层。图3d显示了平行流间接蒸发冷却系统的理论干湿冷却。如图3d中所示，湿工作空气的温度降低而湿工作空气的湿度比增加，干产物空气的温度降低而干产物空气的湿度比保持恒定。

在图4a-4b中所示的一些实施方案中，平行、逆流或横流形式的再生式间接蒸发冷却系统(r-iec)配置为使流动的二次(或工作)空气403与水接触的一个或多个湿热交换通道401(或表面)，以及具有被明显冷却的一次(或产物)空气404的一个或多个干热交换通道402(或表面)。图4a-4b显示了逆流配置形式的再生式间接蒸发冷却系统。在图4a中所示一些实施方案中，再生式间接蒸发冷却系统包括相邻的湿通道401和干通道402，而工作空气403和404以相反方向流动。来自干通道402中的一次产物空气404的热量通过热交换介质输送到湿通道401，作为潜热被水吸收。水蒸发并扩散到湿通道401中的二次工作空气403中。在一些实施方案中，一次产物气流的一部分在一次产物气流出口407处被抽取，并且在逆流或横流配置中用作二次工作气流的入口气流。在该实施方案中，产物空气404b的剩余部分进入待冷却的空间。在一些实施方案中，干通道包括阻挡层。由于分离的二次工作空气已经被部分冷却，因此工作空气具有低于原始入口气流的湿球温度。因此，一次空气可冷却到较低的干球温度，低于入口处一次气流的湿球温度。如图4b中所示，一次空气的水分含量在其被冷却时保持恒定，而由虚线表示的再循环的一次产物空气的水分含量增加并且可达到一次空气出口的饱和状态(露点)。r-iec的一个益处是，一次产物空气404被冷却到低于湿球温度而不增加其水分含量。然而，r-iecs与压力损失和流量降低有关。

在图5a-5b中所示的一些实施方案中，露点间接蒸发冷却系统(d-iec)包括多级r-iec热交换器。在一些实施方案中，d-iec500包括与多级湿通道501a、501b相邻的多级干通道502a、502b。在一些实施方案中，一次空气504a流过第一级508a的干通道502a。在该实施方案中，r-iec的第一级508a的一次产物空气504a流的一部分在一次气流出口507处被抽取并用作第二级508b的干通道502b的入口产物空气504b流，而来自第一级508a的剩余一次气流用作第一级508a的逆流或横流配置形式的湿通道501a中的二次湿空气流503a。流过第二级508b的干通道502b的一次空气504b的一部分用作第二级508b的逆流或横流配置形式的湿通道501b中的二次湿空气流503b。该过程可重复用于多级，例如直至20级。在一些实施方案中，干通道502a、502b包括阻挡层。由于第一级一次空气和第二级二次空气已经被冷却，因此两者都具有低于原始入口气流的湿球温度。因此，第一级中的一次空气可冷却到较低的干球温度，低于湿球温度，而第二级中的一次空气可冷却到接近露点。一次空气的水分含量保持恒定而二次空气的水分含量增加，并且可达到一次空气出口的饱和状态(露点)。d-iec的一个益处是，一次产物空气冷却至露点温度附近或露点温度而不增加水分含量。然而，随着级数的增加，压力和流量减小。

在图6a-6d中所示的一些实施方案中，maisotsenko间接蒸发冷却系统(m-iec)包括使流动的二次工作空气603a与水接触的一个或多个湿热交换通道601(或表面)，具有被明显冷却的干工作空气603b的一个或多个干热交换通道602a(或表面)，以及具有被明显冷却的一次产物空气604的一个或多个干热交换通道602b(或表面)。来自干工作空气603b和一次产物空气604的热量通过热交换介质输送到湿通道601，并作为潜热被水吸收。水蒸发并扩散到二次湿工作空气603a中。在一些实施方案中，干通道包括阻挡层。

图6a-6b显示了逆流配置形式的maisotenko类间接蒸发冷却系统600的实施方案。在图6a中所示的该实施方案中，干工作空气603b和一次产物空气604在与湿通道601中的湿工作空气603b相反的方向流过干通道602a、602b。在该实施方案中，空气从多个入口流向(1)具有形成通向湿通道601的入口606的多个出口通道的专用干通道602a，和(2)具有通向空调空间的出口607的一次空气干通道602b。由于从专用干通道入口606进入湿通道601的空气已经被冷却，因此该空气具有低于原始入口气流的湿球温度。因此，一次干通道602a中的干工作空气603b可被冷却到较低的干球温度，低于入口处一次气流的湿球温度，接近露点。在图6b中所示的一些实施方案中，一次产物空气604的水分含量保持恒定而湿工作空气603a的水分含量在来自专用干工作空气603b的每个入口606处等温增加。m-iec的一个益处是一次产物空气604冷却至露点温度附近而不增加水分含量。然而，流动结构涉及陶瓷元件更复杂的通道设计。

图6c-6d显示了横流配置形式的maisotenko类间接蒸发冷却系统600的实施方案。在图6c中所示的该实施方案中，干工作空气603b和一次产物空气604在垂直于湿通道601中的湿工作空气603a的方向流过干通道602a、602b。在该实施方案中，空气从多个入口流向(1)具有形成通向湿通道601的入口606的多个出口通道的专用干通道602a和(2)具有通向空调空间的出口607的一次空气干通道602b。由于从专用干通道入口606进入湿通道601的空气已经被冷却，因此该空气具有低于原始入口气流的湿球温度。因此，一次干通道602a中的干工作空气603b可被冷却到较低的干球温度，低于入口处一次气流的湿球温度，接近露点。在图6d中所示的一些实施方案中，一次产物空气604的水分含量保持恒定，而湿工作空气603a的水分含量在来自专用干工作空气603b的每个入口606处等温增加。m-iec的一个益处是一次产物空气604冷却至露点温度附近而不增加水分含量。然而，流动结构涉及陶瓷元件更复杂的通道设计。

c.超疏水性粗糙化陶瓷热交换介质：

在图7a-7b中所示的一个方面，蒸发冷却系统包括蒸发冷却系统干通道内的超疏水性粗糙化陶瓷710。在一些实施方案中，超疏水性粗糙化陶瓷包括(i)具有(ii)粗糙化层712和(iii)疏水性化学修饰713的块状多孔陶瓷体711。(ii)与(iii)的组合可称为“超疏水性涂层”或阻挡层714。在某些实施方案中，粗糙化层712可具有小于1000nm的特征尺寸。在其他实施方案中，粗糙化层112可具有小于500nm、100nm、50nm、10nm、1nm、0.1nm等的特征尺寸。

在一些实施方案中，将超疏水性粗糙化陶瓷结合到蒸发冷却系统700中，其包括储水槽和泵。在一些实施方案中，多孔陶瓷是热交换介质。在这些实施方案中，超疏水性涂层或阻挡层被选择性地施加于多孔陶瓷材料，使得陶瓷包括经处理的超疏水性区域或阻挡层714和未经处理的区域715。如图7b中所示，该涂层可选择性地以允许湿工作空气703流过多孔陶瓷体的未经处理的区域715的配置形式施加，以引起陶瓷体的蒸发冷却，同时多孔陶瓷体的经处理的超疏水性部分714保持干燥，从而在不增加其湿度的情况下冷却单独的干产物气流704。在一些实施方案中，经处理的区域714是干通道702，而未经处理的区域715是湿通道701。

在一些实施方案中，超疏水性涂层的选择性施加形成了蒸发冷却系统，该蒸发冷却系统包括横流、逆流、平行流和其他热交换流配置形式的多个干通道和湿通道。在一些实施方案中，这些通道可以平行、逆流或横流配置的形式布置。在一些实施方案中，这些通道可布置成形成间接蒸发冷却系统(iec)、再生式间接蒸发冷却系统(r-iec)、露点间接蒸发冷却系统(d-iec)和maisotsenko间接蒸发冷却系统(m-iec)。

a.多孔陶瓷

在一些实施方案中，间接蒸发冷却使用多孔介质来实现多孔介质中存在的水与通过的空气之间，或干产物空气与湿工作空气之间的传热和传质。几种类型的多孔材料可用作间接蒸发冷却系统中的传热和传质介质，即金属、纤维状纤维素或聚合物垫和陶瓷。在一些实施方案中，多孔陶瓷711提供中等程度高的热导率/传导性、保水能力、芯吸性、形状定制、易于制造和低成本，这使得多孔陶瓷711适合用作蒸发冷却热交换介质。在一些实施方案中，陶瓷提供对磨损性、腐蚀和候化的耐久性。在一些实施方案中，陶瓷是氧化物、复合陶瓷或其组合。氧化物的非限制性实例包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化锰、氧化铁、及其组合。氧化物的另外的非限制性实例包括粘土体、石器、陶器、瓷器、骨瓷、及其组合。复合陶瓷的非限制性实例包括颗粒增强复合材料、纤维增强复合材料以及氧化物与非氧化物的组合。

在一些实施方案中，多孔陶瓷是导热性的。在一些实施方案中，多孔陶瓷的热导率与组成、孔隙率和制造工艺有关。多孔陶瓷的组成包括纯度、晶粒尺寸和密度。孔隙率包括孔径和分布。例如，陶瓷的热导率将随着孔隙率的增加和晶粒尺寸的减小而减小。在一些实施方案中，陶瓷的热导率通常介于金属与有机纤维材料、合成纤维材料的热导率之间，范围从0.1至240w/m·k，使得陶瓷合乎空调应用中的传热和传质的需要。

陶瓷因其长寿命和特有的轻量，可用于制造各种建筑部件，如墙壁、屋顶和地板。此外，陶瓷可使用各种制造方法成型。在一些实施方案中，陶瓷具有从50gpa至1000gpa的杨氏模量。由于其优越的硬度，陶瓷的形状保持性使其适合用作热交换介质。在一些实施方案中，当陶瓷被用作建筑包覆层时，陶瓷是自支撑的并且可承受高的风荷载和与天气相关的影响，诸如冰雹。此外，多孔陶瓷在潮湿条件下耐用，不易腐蚀。

在一些实施方案中，多孔陶瓷在热交换元件的一侧上包括阻挡层或疏水性涂层，以允许在不添加水分的情况下对产物空气进行间接蒸发冷却。在这些实施方案中，可选择相容的防水涂层以维持高的耐久性和持续的性能。在一些实施方案中，多孔陶瓷和防水涂层在高水分含量下具有界面粘附性和匹配的热膨胀系数以消除机械变形或分层。

陶瓷吸收或吸附流体的能力与表面自由能、孔隙半径、孔隙几何结构、孔隙的隔离或连通性(弯曲度)、孔隙表面粗糙度和电荷以及陶瓷介质的体积孔隙率(空隙的总体积)有关。流体吸收可发生在三个领域：(1)作为气相被吸收的吸湿性流体；(2)作为液相被毛细管力吸收的毛细流体；(3)作为液相被重力或过饱和吸收的重力流体。在一些实施方案中，流体被流体与孔壁之间的范德华力吸附。在一些实施方案中，传质的扩散受限。一般来说，储液能力随孔隙半径和体积孔隙率的增大而增大。可通过较低的储液能力和低的孔隙率来增强显热传递。在一些实施方案中，多孔陶瓷具有0.1与1nm、1与10nm、10nm与100nm、100nm与1000nm、1μm与10μm、10μm与100μm、100μm与1000μm或1mm与10mm之间的孔径。在一些实施方案中，多孔陶瓷具有1至10、10至20、20至30、30至40、40至50、50至60、60至70或70至80％的总孔隙体积。

在一些实施方案中，可使用各种方法形成多孔陶瓷，包括但不限于挤出、共挤出、铸造、泡沫化、增材制造和多材料制造。

在一些实施方案中，可通过挤出形成多孔陶瓷。挤出可包括迫使粘土体通过模具来产生具有固定或可变横截面轮廓的物体。在一些实施方案中，通过共挤出形成多孔陶瓷。共挤出与挤出相似，但涉及被同时挤压在一起的具有不同性质的多个粘土体。

在一些实施方案中，通过压制形成多孔陶瓷。压制包括使用高压在模具中压制干的陶瓷粉末。在一些实施方案中，通过铸造形成多孔陶瓷。在一些实施方案中，铸造包括泥浆浇注和压力铸造，其中泥浆或液态粘土被浇注或注入石膏模中。通过多孔石膏模可将泥浆中的水吸收，形成固态粘土体。在一些实施方案中，使用泡沫形成多孔陶瓷。发泡形成陶瓷的方法的非限制性实例包括聚合海绵法、将空气泵入悬浮的陶瓷中、以及从悬浮的陶瓷中的化学反应形成气体。

在一些实施方案中，通过增材制造形成多孔陶瓷。陶瓷的增材制造方法的非限制性实例包括使用立体光刻技术用聚合物粘合剂将陶瓷粉末硬化、使用粘合剂喷射将陶瓷粉末硬化以及糊料基陶瓷的挤出。在一些实施方案中，通过多材料增材制造形成多孔陶瓷。用于多材料增材制造的方法的非限制性实例包括使用多个挤出头挤出具有不同性质的多个粘土体的糊料基陶瓷或在挤出头内混合粘土体。

b.粗糙化层

在图7a中所示的一些实施方案中，多孔陶瓷711的一部分涂覆有粗糙化层712。在某些实施方案中，粗糙化层712可具有小于1000nm的特征尺寸。在其他实施方案中，粗糙化层712可具有小于500nm、100nm、50nm、10nm、1nm、0.1nm等的特征尺寸。在一些实施方案中，粗糙化层包括合理控制的纳米级或微米级的孔隙或粗糙表面。在一些实施方案中，粗糙化层具有纳米级粗糙度或孔隙率。在一些实施方案中，粗糙化层的至少一个特征尺寸小于1000nm。

在一些实施方案中，粗糙化层是金属氧化物层，其布置在多孔陶瓷体711的一部分的表面上或渗透到多孔陶瓷体711的一部分的主体中。金属氧化物的非限制性实例包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化铜、氧化亚铜、氧化钡、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化铪、氧化镁、氧化铌、氧化锡、氧化钽、氧化钨及其组合。在一些实施方案中，粗糙化层是氢氧化铝或勃姆石。

在一些实施方案中，粗糙化层的特征尺寸在0.1至1nm、1nm与10nm、10nm与50nm、50nm与100nm、100nm与500nm、500nm与1000nm、1μm与20μm、或其组合之间。

在一些实施方案中，粗糙化层的粗糙度在0.1至1nm、1nm与10nm、10nm与50nm、50nm与100nm、100nm与500nm、500nm与1000nm、1μm与20μm、或其组合之间。在一些实施方案中，粗糙度可通过溶胶-凝胶工艺、纳米颗粒的施加、喷砂、化学蚀刻、电化学蚀刻、等离子体蚀刻、激光蚀刻、再结晶、水热处理、牺牲孔生成添加剂(包括固相、液相或气相)、分层沉积、喷涂或其组合来引入。在一些实施方案中，表面粗糙度基于孔隙率、微米结构、纳米结构、或其组合。

在一些实施方案中，化学、材料组成、沉积条件和后加工处理的变化可导致具有一系列粗糙度或孔隙率长度尺度的金属氧化物粗糙化层。在一些实施方案中，粗糙化层的孔长度尺度可是分子网络固有的亚纳米长度尺度，形成扩散受限的蒸气阻挡层。在其他实施方案中，通过使用牺牲成孔剂，诸如聚合物珠或有机物，孔长度尺度可达毫米级，所述聚合物珠或有机物可被热解掉而在纳米结构层中产生预期尺寸的空隙。在一些实施方案中，粗糙化层的孔隙率可具有从亚纳米至毫米长度的长度尺度。在一些实施方案中，粗糙化层的孔隙率可用于调节蒸气的渗透。例如，较小的孔隙可降低蒸气的渗透。在某些实施方案中，适度水平的蒸气渗透可有益于建筑物居住者的舒适性或系统能效。

在一些实施方案中，化学、材料组成、沉积条件和后加工处理的变化可导致具有一系列厚度，包括到块状多孔陶瓷的渗透深度的金属氧化物粗糙化涂层。沉积条件的非限制性实例包括输注时间、退出速率和浸渍速率。在一些实施方案中，粗糙化层的厚度为10nm至100nm、100nm至1μm、1μm至10μm、10μm至100μm或100μm至1000μm。在一些实施方案中，薄金属氧化物粗糙化层可促进热导率并为外部结构提供可见的透明涂层。

根据制剂，可在不同阶段将粗糙化层引入陶瓷或粘土体，包括生粘土(干或湿)、泥浆、塑性、皮硬状、干透的、素烧坯和烧制。

在一些实施方案中，可在多孔陶瓷上将粗糙化层空间图案化。空间图案化的非限制性实例包括通过3d打印或喷涂的遮蔽或计算机数控(cnc)自动或程序化沉积。在一些实施方案中，可在多孔陶瓷体的本体内实现选择性图案化。用于在多孔陶瓷体内选择性图案化的非限制性方法包括挤出、共挤出、压制、共注射、铸造、泡沫化、增材制造或多材料增材制造。在一些实施方案中，图案化可在单个多孔陶瓷体内产生具有从毫米到米尺度尺寸的高和低蒸气渗透的区域或通道。选择性图案化可降低制造蒸发冷却装置的成本和复杂性。在一些实施方案中，现有陶瓷元件可被重新利用或改装为间接蒸发冷却器。

在一些实施方案中，可通过使用多个挤出喷嘴、头或类似的末端操纵装置的共挤出来形成多孔陶瓷体，以在连续的三维多孔陶瓷体内挤出具有不同粘土制剂的多个粘土体。在该实施方案中，第一挤出头用于沉积粘土制剂，而第二挤出头用于沉积粘土制剂和粗糙化层组分(例如溶胶-凝胶前体或颗粒)。在该实施方案中，通过第一挤出头沉积的材料是未经处理的多孔陶瓷，而通过第二喷嘴沉积的材料是具有粗糙化层的多孔陶瓷。在一些实施方案中，具有未经处理的多孔陶瓷的挤出头可用于形成湿通道，具有多孔陶瓷和粗糙化层组分的挤出头可用于形成干通道。

在一些实施方案中，共挤出可用单个挤出头完成。在这些实施方案中，通过挤出头挤出的材料的组成随时间而改变。例如，共挤出设备可包括混合器。在这些实施方案中，粗糙化层组分可在不同的时间以不同的量添加到混合器中。在一些实施方案中，具有随时间变化的组成的多孔陶瓷的挤出可产生具有空间图案的多孔陶瓷体。例如，当挤出头沉积未经处理的多孔陶瓷材料时可形成湿通道，当挤出沉积具有粗糙化层组分的多孔陶瓷材料时可形成干通道。在一些实施方案中，共挤出可用于在多孔陶瓷体中产生粗糙化层组分量的空间梯度。例如，如果挤出的陶瓷材料中粗糙化层组分的浓度随时间增加，则多孔陶瓷体中粗糙化层组分量可从一点增加到另一点。在一些实施方案中，粗糙化层组分量的梯度可用于在多孔陶瓷体中产生渗透梯度。

在图8a-8d中所示的一些实施方案中，图案可用作仅在未经处理的区域815被润湿时可见的建筑装饰，从而为标识、环境指示器、湿度指示器或其他功能性显示器提供了机会。在一些实施方案中，使用选择性图案形成的标识、环境指示器、湿度指示器或功能显示器可用于快速验证蒸发冷却系统的性能，例如在蒸发冷却系统的遥控区域。在一些实施方案中，标识、环境指示器、湿度指示器或功能显示器指示管道系统是否向蒸发冷却系统供应充足的水。在其他实施方案中，标识、环境指示器、湿度指示器或功能指示器向使用者指示蒸发冷却系统正在运行。在其他实施方案中，空间图案可用于选择性地用阻挡层处理蒸发冷却系统的通道以形成干通道。在该实施方案中，蒸发冷却系统的未经处理的通道形成湿通道。

图8a和8b显示了可用于素烧瓷砖821的空间图案化的掩模825。白色区域824对应于将会暴露于包括粗糙化层和化学修饰的蒸气阻挡层的沉积的区域，而黑色区域825对应于将会保持未经处理的区域815。如图8c-8d中所示，在空间图案化之后，瓷砖821包括对应于白色无遮蔽区域824的经处理的区域814(其中砖暴露于溶胶-凝胶粗糙化层的沉积和氟官能化)，以及对应于黑色区域825的未经处理的区域815(其中砖不暴露于阻挡层的沉积)。如图8c-8d中所示，当该砖暴露于水蒸气时，未经处理的区域815将会被润湿并变暗。相反，经处理的区域814由于其渗透性降低而不会被润湿。在一些实施方案中，可以这样的方式在该砖上形成可视图案。在其他实施方案中，湿通道和干通道可以这样的方式在蒸发冷却系统中形成。

在一些实施方案中，可通过将添加剂引入本体涂料制剂将增强的功能性附加给粗糙化层。添加剂的非限制性实例包括杀生物剂/消毒剂组分(例如银纳米颗粒或季铵化合物)、光催化和/或气味降低组分(例如二氧化钛纳米颗粒)和光学组分(例如着色剂/染料和红外反射颗粒)。红外反射颗粒的非限制性实例包括纳米晶体和微米晶体二氧化钛(tio2)、氧化锌(zno)、氧化铈(ceo2)、氧化镁(mgo)、氧化铝(al2o3)。

在一些实施方案中，外部陶瓷热交换元件降低辐射热增益通量。例如，氧化铝的近红外吸收率约为0.40，而陶器陶瓷的近红外吸收率约为0.80，几乎代表潜在太阳热增益的一半。

在一些实施方案中，当将粗糙化层施加于瓷砖、屋顶砖、陶器和其他材料时，陶瓷粗糙化层可增加产物寿命并减少潮湿环境造成的潜在退化。

1.通过溶胶-凝胶工艺形成的粗糙化层

在一些实施方案中，通过溶胶-凝胶工艺形成粗糙化层。溶胶-凝胶工艺可制备出高品质的玻璃和精细陶瓷。在一些实施方案中，溶胶-凝胶形成薄的表面涂层。溶胶-凝胶涂层提供许多优点，包括低加工温度、成本效益、与多种基底材料和复杂几何形状相容。在一些实施方案中，由于在多孔氧化物陶瓷的表面上存在氢氧化物基团，溶胶-凝胶膜牢固地粘附到多孔氧化物陶瓷基底。

在一些实施方案中，金属的醇盐可用作溶胶-凝胶工艺中的前体材料。醇盐的非限制性实例包括铝、钛、硅、铜、锆、铈、钡、锗、钇、锶、铪、镁、铌、锡、钽、钨的醇盐及其组合。在一些实施方案中，前体材料可溶解于有机溶剂中。有机溶剂的非限制性实例包括异丙醇、乙醇、甲醇、丁醇、甲氧基乙醇、甲氧基乙氧基乙醇、叔戊醇、环己烷、及其组合。在一些实施方案中，通过向前体溶剂溶液中添加水来引发水解反应，导致凝胶形成。在一些实施方案中，水解包括羟基离子附着于金属原子，取代有机基团。在一些实施方案中，水解分子可进一步经历缩合反应，其中在两种金属之间形成氧连合。在一些实施方案中，渐进的水解和缩合反应继续构建较大的聚合物，其随时间在连续网状凝胶中交联在一起。

在一些实施方案中，可使用多种沉积方法在此时将半粘性凝胶作为薄层施加到基底。沉积方法的非限制性实例包括喷涂、刷涂、旋涂和浸涂。在沉积时，凝胶包括聚合物和残余溶剂。在一些实施方案中，例如在沉积过程期间或在热处理期间通过蒸发去除溶剂。在一些实施方案中，在去除溶剂之后，可利用连续的加热或热解去除残余有机物，从而产生致密结构。在一些实施方案中，加热包括在40℃至400℃范围内的低温保持。在其他实施方案中，加热包括缓慢加热至约300-1600℃的溶胶-凝胶金属氧化物结晶温度范围。在一些实施方案中，连续的金属氧化物溶胶-凝胶膜直接从均质液体形成。在该实施方案中，粗糙化层没有固有的堆积孔隙率或最小厚度，这可能是由颗粒基的涂层引起的限制。

在一些实施方案中，毛细管压力将有利于液体流入多孔陶瓷的孔中，使得涂覆溶液可容易地渗透多孔陶瓷体。由于陶瓷结构内的一些孔隙率对于保水和蒸发是需要的，因此可控制涂覆溶液的渗透深度以防止由粗糙化层引起的多孔陶瓷孔隙率的显著降低。粗糙化层的厚度可指多孔陶瓷表面顶部覆盖层的厚度，或可指多孔陶瓷体内的渗透深度。控制粗糙化层厚度的方法的非限制性实例包括通过化学或物理添加剂(例如粒状溶胶)改变溶液粘度和表面张力，控制多孔陶瓷的表面能，以及在涂覆前用挥发性或牺牲性填充材料暂时堵塞孔隙。在一些实施方案中，也可修改合成参数，包括但不限于水:溶剂:前体比率、溶液ph、溶胶老化时间、粒度分布和晶粒尺寸分布以改变粗糙化层覆盖层的厚度或粗糙化层进入多孔陶瓷中的渗透深度。在一些实施方案中，还可以修改工艺和涂覆参数，包括但不限于涂层数量、喷涂速度、退出或浸泡时间，以改变粗糙化层覆盖层的厚度或粗糙化层进入多孔陶瓷中的渗透深度。在一些实施方案中，所述条件可使得粗糙化层涂层溶液渗透并阻塞孔隙至特定基底深度以降低水蒸气的渗透性。在一些实施方案中，选择溶胶-凝胶制剂溶剂类型或增加的溶剂浓度作为降低总粘度和/或表面张力以促进渗透到多孔陶瓷中的手段。在该实施方案中，增强的渗透产生厚度增加的粗糙化层。在其他实施方案中，可通过溶剂类型、浓度、添加剂或增稠剂(例如无机纳米或微米颗粒)来增加粘度和/或表面张力，以抑制向块状多孔陶瓷中的渗透，从而限制总厚度。在一些实施方案中，利用喷涂施加溶胶-凝胶制剂，其中可利用分层沉积增加厚度。在一些实施方案中，热处理可用于使涂层致密化，从而减小总厚度。在一些实施方案中，可改变溶液ph以驱动溶胶-凝胶中粒料的沉淀，增加溶液粘度并降低渗透深度。

在图9中所示的一个实施方案中，可调整陶瓦砖921上溶胶-凝胶粗糙化层的渗透深度。在该实施方案中，溶胶-凝胶渗透到陶瓦砖921中几毫米，并且经溶胶-凝胶处理的区域914作为较浅色区域是可见的。超过该渗透深度，未经处理的区域915的颜色较深。在图9中所示的实施方案中，通过沉积工艺控制渗透深度。在该实施方案中，在陶瓦砖的所有侧面上手工施加受控体积的异丙醇基溶胶-凝胶氧化铝溶液，从而限制可用于渗透的涂层材料的量。

在一些实施方案中，可调整条件以产生作为覆盖层存在的涂层，并且在陶瓷体的孔隙内不发生溶液芯吸。在一些实施方案中，选择溶胶-凝胶制剂溶剂类型或降低的溶剂浓度作为增加总粘度和/或表面张力以防止渗透到多孔陶瓷中的手段。在一些实施方案中，将涂层制剂施加于预热的多孔陶瓷，使得载体溶剂在与表面接触时蒸发，从而限制渗透到多孔陶瓷中。在一些实施方案中，覆盖层的厚度达500μm。在一些实施方案中，覆盖层的厚度为100-200nm、200-500nm、500-1000nm、1-10μm、10-50μm、50-100μm、100-200μm、200-300μm、300-400μm或400-500μm。在这些实施方案中，多孔陶瓷的体积孔隙率和保水体积不变。在该实施方案中，只有外表面上的孔隙闭合，陶瓷体内的孔隙保持开放。

在其他实施方案中，条件可以使得涂层溶液渗透并堵塞一定基底深度处的孔隙，降低水蒸气的渗透性。在一些实施方案中，溶胶-凝胶层的厚度与蒸气渗透性的降低相关。在一些实施方案中，渗透深度的范围在200nm与5mm之间。在一些实施方案中，粗糙化层的渗透为200-500nm、500-1000nm、1-10μm、10-50μm、50-100μm、100-200μm、200-300μm、300-400μm、400-500μm、500-1000μm、1-2mm、2-3mm、3-4mm、4-5mm。

在一些实施方案中，通过改变溶胶-凝胶溶液中的总固体含量，可调整多孔陶瓷的总孔隙率和弯曲度，以实现中等水平的蒸气传输。在一个这样的实施方案中，通过有机溶剂稀释涂覆溶液以降低有效金属氧化物含量，使得形成的金属氧化物膜的体积小于原始溶液体积的10％。在该实施方案中，最初填充有涂覆溶液的多孔陶瓷的孔隙现在衬有金属氧化物膜并且多孔陶瓷的孔隙尺寸被缩小。在一些实施方案中，可通过合成参数进一步修改涂层的渗透性，以产生不同程度的孔隙率，从具有低蒸气透过率的均匀、连续的致密膜到具有高透过率的高度无序或开裂的膜及其间的任何孔隙率。合成参数的非限制性实例包括水:溶剂:前体比率、固体含量、溶液ph值、溶胶老化时间、粒度分布和晶粒尺寸分布。

在一些实施方案中，可通过高温热处理来实现由增加的凝胶网络连接性产生的膜致密化，以产生具有进一步降低的蒸气渗透性的更致密的膜。在一些实施方案中，高温热处理的温度取决于溶胶-凝胶组成、相变和致密化程度。在一些实施方案中，高温处理发生在300℃至1600℃的温度。在某些实施方案中，可通过水热反应实现膜致密化，该水热反应同时引起结晶相转变和表面形态或粗糙度的相应增加。在一些实施方案中，水热反应包括将氧化铝转化为氢氧化铝或勃姆石。

2.通过纳米颗粒沉积形成的粗糙化层

在图10a-10b中所示的一些实施方案中，通过金属氧化物颗粒1012的分散，可在多孔陶瓷体1011上实现具有高热导率的阻滞蒸气的阻挡层的超疏水性粗糙化陶瓷1010。在一些实施方案中，可用化学修饰1013对金属氧化物颗粒进一步改性。在一些实施方案中，将具有金属氧化物颗粒1012的超疏水性粗糙化陶瓷1010结合到蒸发冷却系统1000中。在这些实施方案中，将金属氧化物颗粒1012选择性地施加到多孔陶瓷材料1011，使得陶瓷包括经处理的超疏水性区域1014和未经处理的区域1015。如图10b中所示，可以如下配置选择性地施加该涂层，该配置允许湿工作空气1003流过未经处理的湿多孔陶瓷基体1015，以引起陶瓷体的蒸发冷却，而经处理的超疏水性表面1014保持干燥，从而在不增加其湿度的情况下冷却单独的干产物气流1004。在一些实施方案中，经处理的区域1014是干通道1002，而未经处理的区域1015是湿通道1001。

金属氧化物颗粒的非限制性实例包括氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氧化铜、氧化亚铜、氧化铍、氧化铈、氧化锆、氧化钡、氧化锗、氧化钇、氧化锶、氧化铪、氧化镁、氧化铌、氧化锡、氧化钽、氧化钨、及其组合。

在一些实施方案中，可通过洗涂、喷涂、浸涂或刷涂等将金属氧化物颗粒施加于多孔陶瓷。在一些实施方案中，可将金属氧化物颗粒随后暴露于300至1600℃范围的高温，以将单个颗粒烧结成连续膜。在一些实施方案中，可将烧结工艺整合到陶瓷烧制工艺中。在其他实施方案中，可在先前烧制的陶瓷上施行烧结。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒的初始分散体可包括具有不同化学组成、粒度分布或不同组成与粒度分布的组合的颗粒混合物。

在一些实施方案中，化学组成基于元素组成、晶相或两者而变化。在一些实施方案中，化学组成和粒度可改变烧结温度。在该实施方案中，颗粒混合物的温度处理可烧结某些类型或尺寸的颗粒，而其他颗粒不受影响。在一些实施方案中，可以调整粒度以限制或增强颗粒到多孔陶瓷本体(bulk)中的渗透。在一些实施方案中，渗透到本体中影响粗糙化层的总厚度、热导率和蒸气渗透性。在一些实施方案中，加热和冷却条件可用于控制金属氧化物颗粒的再结晶，从而控制所产生的金属氧化物层的渗透性。在一些实施方案中，非烧结颗粒可用于向粗糙化层上引入表面形态或粗糙度(例如2nm-20μm)。在其他实施方案中，再结晶参数(包括但不限于露出的晶粒尺寸、晶界或晶体结构)可用于向涂层上引入表面形态或粗糙度(例如2nm-20μm)。

在一些实施方案中，金属氧化物颗粒的直径介于2nm与10nm、10nm与50nm、50nm与100nm、100nm与500nm、500nm与1000nm、1μm与20μm之间、及其组合。在一些实施方案中，金属氧化物颗粒的尺寸至少介于2nm与10nm、10nm与50nm、50nm与100nm、100nm与500nm、500nm与1000nm以及1μm与20μm之间。

在一些实施方案中，金属颗粒具有形状，包括但不限于球、杆、纤维、板、立方体和多面结构。在一些实施方案中，可基于堆积密度选择颗粒形状以形成具有特定孔隙率的粗糙化层。在一些实施方案中，颗粒是非晶态的。在其他实施方案中，颗粒是晶态的。

在一个实施方案中，可将金属氧化物颗粒添加到溶胶-凝胶制剂中以形成复合粗糙化层。在一些实施方案中，颗粒可作为干相添加，例如作为不含载液的粉末添加。在其他实施方案中，可在溶胶-凝胶处理期间将颗粒作为分散体，例如作为悬浮在载液中的粉末来添加。在一些实施方案中，可在水解期间、冷凝期间或凝胶期间向溶胶-凝胶前体、溶剂稀释的前体添加颗粒。在一些实施方案中，添加金属氧化物颗粒可在干燥和致密化过程期间降低凝胶中的内应力。在一些实施方案中，凝胶相充当金属氧化物颗粒之间的粘合剂。在一些实施方案中，复合粗糙化层可通过在溶胶-凝胶材料的干燥和致密化期间减少总体积收缩来实现更大的厚度和更低的开裂概率。

在一些实施方案中，可通过向未烧制陶瓷中添加0-1％、1-5％、5-10％、10-20％、20-30％或30-40％重量的金属氧化物颗粒分散体来实现超疏水性蒸气阻挡系统。在该实施方案中，颗粒的固有组成和形态为随后的表面化学修饰提供了必要的粗糙度和位点。在一些实施方案中，可在陶瓷体成型之前将颗粒整合到干混、泥浆或塑性相中。在一些实施方案中，颗粒被分散在多孔陶瓷体的整个本体中。在一些实施方案中，该方法允许通过诸如共挤出、压制、共注射或多材料增材制造的常用制造方法在连续多孔陶瓷体内进行选择性的颗粒图案化。一旦成型，具有整合颗粒的多孔陶瓷体可在不损失纳米和微米级特征的情况下被烧制。在一些实施方案中，通过用烷烃或氟烷基封端的磷酸酯的官能化或其他化学修饰，可在烧制陶瓷之后，降低颗粒的表面能以增加疏水性。在一些实施方案中，将化学修饰的液体或蒸气的施加选择性地与颗粒的金属氧化物位点结合，使周围的本体陶瓷为亲水性。

c.疏水性化学修饰

在图7a中所示的一些实施方案中，布置在多孔陶瓷711上的粗糙化层712可利用疏水性化学修饰713进一步改性。在一些实施方案中，粗糙化层712具有高的表面能且亲水。在这些实施方案中，疏水性化学修饰713可布置在粗糙化层712上以降低其表面能并形成低表面能、超疏水性涂层或阻挡层。在一些实施方案中，超疏水性涂层或阻挡层可布置在干通道的壁上。

如图11a-11d中所示，多孔陶瓷体的表面能可通过添加粗糙化层和化学修饰来改性。在一些实施方案中，由于极性羟基的存在，金属氧化物的表面自由能非常高。在一些实施方案中，极性羟基可导致偶极-偶极相互作用或氢键。因此，金属氧化物可容易地被液体润湿，并对大气中存在的水有很强的亲和力。如图11a中所示，具有纳米级粗糙化勃姆石溶胶-凝胶涂层的陶瓦基底1111被水滴1116完全润湿并且与水滴1116具有0°的接触角(ca)。金属氧化物可容易地被润湿，因为液体很可能在表面上扩散而增加接触面积，并使系统的总界面能最小化。在一些实施方案中，例如在湿通道内，高的表面能可有益于水的渗透性和保持性。

然而，在一些实施方案中，例如在干通道中，所施加的粗糙化层的表面化学可利用包括低表面能材料或官能团的疏水性化学修饰来改性，以形成提供耐湿性，并使液体或水蒸气与表面的相互作用最小化的阻挡层。在一些实施方案中，具有纳米级或微米级形态的粗糙化层的疏水性化学修饰或化学官能作用可产生超疏水行为。对于水滴而言，超疏水性表面表现出超过150°的静态接触角。如图11b-11d中所示，化学修饰可降低陶瓦基底1111的表面能并产生疏水性表面。图11b显示具有氟官能化的陶瓦基底1111上的液滴1116。氟官能化基底与液滴之间的接触角为105°。图11c显示具有溶胶-凝胶勃姆石涂层和氟官能化的陶瓦基底1111上的水滴1116。氟官能化勃姆石涂层与水滴1116之间的接触角为155°。图11d显示具有混合氧化铝纳米颗粒和氟官能化的陶瓦基底1111上的液滴1116。含氟官能化纳米颗粒的陶瓦与水滴1116之间的接触角为163°。低表面能或疏水性化学修饰(例如氟官能化)与纳米级或微米级形态(例如勃姆石或纳米颗粒)的组合可产生超过单独的疏水性化学修饰的超疏水行为。在一些实施方案中，增加的接触角增加了润湿陶瓷阻挡层中存在的任何孔隙所需的毛细管压力，因此进一步限制水分从iec中的湿通道渗透到干通道。

在图12中所示的一些实施方案中，产生自疏水性化学修饰的增加的接触角增加了润湿陶瓷阻挡涂层中存在的任何孔隙所需的毛细管压力，进一步限制水分从iec中的湿通道渗透到具有超疏水性表面的干通道。在玻璃、未经处理的陶瓷基底、具有溶胶-凝胶氧化铝涂层的陶瓷基底、具有勃姆石涂层的陶瓷基底、具有氟官能化的陶瓷基底(fs100，pilotchemicalmason氟表面活性剂fs-100，氟烷基磷酸酯)、具有溶胶-凝胶氧化铝涂层和氟官能化的陶瓷基底，以及具有勃姆石涂层和氟官能化的陶瓷基底上测量水的渗透性。如图12中所示，未经处理的陶瓷基底、溶胶-凝胶氧化铝涂覆的陶瓷基底和勃姆石涂覆的陶瓷基底的渗透性是高的。相反，氟官能化的加入降低了裸陶瓷基底、溶胶-凝胶氧化铝涂覆的陶瓷基底和勃姆石涂覆的基底的渗透性。在一个实施方案中，如使用astme96测量的那样，示例性的施加了疏水性溶胶-凝胶的蒸气阻挡层(“勃姆石+fs100”)与未经处理的(陶瓦)相比使水蒸气渗透性降低超过10倍。事实上，与仅具有氟官能化的陶瓷基底相比，具有勃姆石和氟官能化的陶瓷基底的水蒸气渗透性降低了近三倍。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰可赋予阻挡层其他有利特性，包括但不限于抗菌、防污、防涂鸦和防结垢性能。在一些实施方案中，这些性能可通过表面改性剂的组合或按顺序的功能化步骤来实现。

在一些实施方案中，疏水性化学修饰的增加的接触角还可提供自清洁或易清洁的特性，其可保持底层陶瓷的可视外观，并且对于立面整合的iec是期望的。

在其他实施方案中，疏水性化学修饰的防污和自清洁表面性能可减少有害细菌和霉菌的生长，减少与被动和主动蒸发冷却系统相关的病态建筑物综合症的发生。在一些实施方案中，与其他系统相比，涂层的防污、自清洁和坚固性能可减少维护和更换成本。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件的外表面可用超疏水性蒸气阻挡层系统进行处理，以提供多种益处。在一些实施方案中，超疏水性蒸气阻挡层系统可用于阻止蒸气从陶瓷热交换元件的内部润湿表面流向外部环境，从而减少从润湿通道蒸发掉的水损失量。在这些实施方案中，额外蒸发可增加显冷。在一些实施方案中，超疏水性表面减少陶瓷热交换元件外表面上的污垢、结垢、生物污垢和风化。

在一些实施方案中，化学修饰是薄的(例如2nm-1μm)，并且表面能的化学修饰在不引起热阻的情况下赋予有益的传质性能。

在一些实施方案中，物理吸附或选择性化学反应可用于粗糙化层的疏水性化学修饰。在一个实施方案中，以疏水性甲基(诸如三甲基甲硅烷氧基三氯硅烷)、芳基(诸如苯基三甲氧基硅烷)、支链或直链烷基(诸如三氯(十八烷基)硅烷)或全氟链(诸如1h,1h,2h,2h-全氟辛基三乙氧基硅烷)或其组合封端的有机硅烷分子可共价连接至粗糙化层。在一些实施方案中，有机硅烷可容易地与带有羟基的表面结合。在其他实施方案中，可利用化合物的共价连接来实现疏水性，所述化合物包括但不限于硅氧烷(诸如线性甲基封端或环状聚二甲基硅氧烷或氟烷基二硅氧烷)、烷基磷酸盐、烷基磷酸酯、烷烃膦酸、烷烃膦酸酯、烷烃异羟肟酸，烷烃羧酸、硫醇、及其组合。在其他实施方案中，可通过分子物质的物理吸附来改变表面能。分子物质的非限制性实例包括脂肪酸(诸如硬脂酸、棕榈酸和肉豆蔻酸)、天然蜡(诸如蜂蜡、巴西棕榈蜡和羊毛脂)、合成蜡(诸如蓖麻蜡、地蜡和石蜡)及其组合。

施加疏水性化学修饰的方法的非限制性实例包括蒸发、真空升华、喷雾干燥或浸入所需表面改性剂的稀释溶液中。在一些实施方案中，来自溶剂的溶质的吸附(例如物理吸附或化学吸附)可以是实现均匀涂覆的表面的有效手段，其允许分子间力帮助表面上的吸附质的组合。

iv.实施例

现在将在以下非限制性实例中描述某些实施方案。

a.单级蒸发冷却系统

图13显示了单级间接蒸发冷却板，其带有一个约0.01m×0.2m×0.05m的湿通道和一个约0.01m×0.2m×0.05m的干通道。图14-15显示了该单级间接蒸发冷却板的实验数据。

图14显示了该蒸发冷却板的冷却实验数据。测量了具有超疏水性溶胶-凝胶涂层(冷snap(超疏水性纳米结构工艺))、铝箔和未经处理的陶瓷(对照)板的系统的入口空气湿球温差和干球温差。铝箔可形成物理阻挡层以抑制蒸气流动。干球温差是入口气流与出口产物空气之间的温差。随着室外空气温度的升高和/或室外湿度的降低，冷却能力增加，表现为干球温差的增加。在所测试的样品中，未经处理的陶瓷板由于水分含量增加而具有最高的冷却量。然而，超疏水性溶胶-凝胶涂层显示铝箔样品上方干球温差增加。这一结果表明，与标准的箔蒸气阻挡层相比，超疏水性溶胶-凝胶涂层的总冷却量可能增加。

图15显示了平行流配置形式的各种瓷砖的室外入口空气水分含量和出口产物空气水分含量的实验数据。未经处理的陶瓷(“对照品”)由于水蒸发和缺少阻挡层而经历产物空气流中的水分含量增加。施加了疏水性粗糙化的溶胶-凝胶蒸气阻挡层(“冷snap”)提供了有效的防水界面，如入口和出口产物气流的接近恒定的水分含量所证明的那样，而未经处理的对照品的水分含量增加了约25％，由数据所表示，其在1比1虚线上方。结合图14中所示的冷却数据，在施加了疏水性粗糙化的溶胶-凝胶的蒸气阻挡层的入口和出口处接近恒定的水分含量显示施加了疏水性粗糙化的溶胶-凝胶的蒸气阻挡层可抵抗蒸气物质传递，从而不会增加产物流的湿度，同时当与标准蒸气阻挡层(铝箔)相比时，还增加了显热传递。

b.纳米级粗糙化层的表征

图16a-16c显示了粗糙化层的sem图像。图16a显示了未经处理的陶瓦砖。图16b显示了具有纳米级粗糙度的溶胶-凝胶勃姆石涂层的陶瓦砖。图16c显示了具有氧化铝纳米颗粒分散体的陶瓦砖。溶胶-凝胶勃姆石涂层和氧化铝纳米颗粒分散体都为多孔陶瓷材料附加了纳米级的粗糙度。

c.下向通风间接蒸发冷却立面或屋顶系统

在图17a中所示的一些实施方案中，下向通风间接蒸发冷却立面或屋顶系统1700可包括三个部件：(1)陶瓷热交换元件1711；(2)选择性地施加于陶瓷热交换元件以分离干通道和湿通道的蒸气阻挡层；(3)带有储槽、水泵1732、喷嘴、风扇或其组合的歧管单元1733。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件可包括平行、再生或其他配置形式的一个或多个通道，这些通道排列在建筑物立面1731或屋顶的选定区域上。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件的位置可基于预期的冷却负荷和新鲜空气供应要求。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件可包括垂直方向上的板(表面)或通道的阵列。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件在垂直方向上的长度可从10mm至2000mm。在一些实施方案中，这些热交换元件可使用垫圈、管、套筒或其他不透蒸气的连接件连接以形成较长的连续垂直部分。在一些实施方案中，水平方向上通道或板的中心间距可从1mm至100mm。在一些实施方案中，通道壁或板厚度可从500μm至30mm。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件(以及相关的泵、歧管和鼓风机)可安装到建筑物墙壁或屋顶的外部屋面板上。非限制性安装方式包括框架、支座、轨道和其他结构系统。在一些实施方案中，可使用夹子、扎带、螺钉或其他机械装置将陶瓷热交换元件固定在结构系统上。在一些实施方案中，结构系统和机械紧固件可包括不渗透蒸气或非反应性的材料。不渗透蒸气或非反应性的材料的非限制性实例包括铝、不锈钢、镀锌钢、刷涂低碳钢、聚合物、及其组合。在一些实施方案中，墙壁或屋顶的屋面板可覆盖有不渗透蒸气的片、涂料或其他膜系统。在一些实施方案中，结构系统可在建筑物墙壁或屋顶的屋面板与陶瓷热交换元件之间产生1mm至约200mm的空腔或空间。

在一些实施方案中，面向墙壁空腔的陶瓷热交换元件的表面可用超疏水性蒸气阻挡层处理。

在一个实施方案中，超疏水性蒸气阻挡层可通过向全烧陶瓷体施加液体制剂来实现。作为典型的超疏水性蒸气阻挡层，给出了金属氧化物溶胶-凝胶(氧化铝)作为潜在的低成本陶瓷涂层材料。可使用溶胶-凝胶工艺，通过包括但不限于浸渍、刷涂和喷涂的各种可扩展的手段，在液态下以受控的渗透深度施加阻挡层涂层。施加后，通过将氧化铝转化为氢氧化铝或勃姆石的简单、无毒的水热反应，可实现纳米级的粗糙度。在该反应之后，可通过利用烷烃或氟烷基封端的磷酸酯的官能化降低勃姆石的表面能，以增加液体排斥性。将化学修饰的液体或蒸气施加选择性地与阻挡层的金属氧化物位点结合，使周围的本体陶瓷为亲水性。

在另一个实施方案中，可通过向非烧制陶瓷中添加20％重量的金属氧化物纳米颗粒(np)(诸如氧化铝)分散体来实现超疏水性蒸气阻挡层。在一些实施方案中，粒度范围从约2nm至20μm。在该实施方案中，np的固有组成和形态为随后的表面化学修饰提供了必要的粗糙度和位点。可在陶瓷体成型之前将np整合到干混、泥浆或塑性阶段。该方法允许通过诸如共挤出、压制、共注射或多材料增材制造的常用制造方法在连续的粘土体内进行选择性的np图案化。一旦成型，具有整合的np的粘土体可在不损失纳米或微米级粗糙度的情况下被烧制。一旦烧制，可通过利用烷烃或氟烷基封端的磷酸酯的官能化来降低np的表面能，以增加液体排斥性。将化学修饰的液体或蒸气施加选择性地与金属氧化物的位点结合，使周围的本体陶瓷为亲水性。

在一些实施方案中，具有蒸气阻挡层的墙壁或屋顶的屋面板与具有超疏水性蒸气阻挡层的陶瓷热交换元件的组合可形成间接蒸发冷却系统的干通道。相反，未经处理的通道或板保持亲水性，形成间接蒸发冷却系统的湿通道。

在一些实施方案中，可通过毛细管力或机械泵和喷雾器将湿通道或板的内表面润湿。在湿通道或板被毛细管力润湿的实施方案中，陶瓷热交换元件的底部边缘接触或浸没在储水槽或收集区域内。在这些实施方案中，多孔陶瓷内的毛细管力将水向上吸到通道或板的内表面，且水被蒸发。可使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式将补给水供应至储槽。在通过机械泵和喷雾器将通道或板润湿的实施方案中，可通过布置在陶瓷热交换元件顶部的具有管、喷雾器、超声波喷雾器、雾化喷嘴或其他喷嘴的水泵将陶瓷热交换元件的内表面润湿。在该实施方案中，随后可通过重力吸收将陶瓷热交换元件润湿。在一些实施方案中，未蒸发和流出的水可以收集在储槽或其他收集区域中。在一些实施方案中，来自储槽的水随后再循环至喷嘴。在一些实施方案中，使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式向储槽供应补给水。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件的亲水性通道或板可由垂直于墙壁或屋顶的水平方向排列的多个通道或板组成，以形成多个通道的矩阵。在该实施方案中，可将外部通道润湿并用于蒸散和冷却。在其他实施方案中，外部通道可充当气隙，以阻止或促进对流，其减少作用在交换介质上的热通量，或提供自遮蔽。自遮蔽可提供对太阳辐射的隔绝。

在一些实施方案中，借助于通过自然浮力和/或风驱动的通风产生的负压或借助于位于目标空间内的机械风扇，产物空气流过干通道1702或空腔，进入目标建筑物空间或外部空间。在其他实施方案中，入口管道布置在建筑物墙壁或屋顶内。在一些实施方案中，可借助于格栅控制通过进气管道的产物空气流。在一些实施方案中，在空腔底部布置歧管或盖以防止回流。

流过湿通道1701的工作空气由风或浮力驱动的流动来驱动，并借助于干通道末端的歧管1733或盖与干通道1702的管道保持分离。

在一些实施方案中，切向、横流或直接的鼓风机风扇或泵1732可布置在组件顶部。在一些实施方案中，鼓风机风扇可用于对干通道1702或空腔施加正压，并借助于管道入口和通道盖使产物空气1704流入目标空间，以防止压力损失。湿通道1701可使用风或浮力驱动的通风使工作空气1703流过通道或流过板。在其他实施方案中，鼓风机风扇可用于对干通道和湿通道施加正压。在图17a中所示的该实施方案中，干通道1702中的产物空气1704通过管道系统1707流入建筑物，而湿通道1701中的工作空气1703被排放到外部环境1709。

d.再生式间接蒸发冷却立面或屋顶系统

在图17b中所示的一些实施方案中，再生式间接蒸发冷却立面或屋顶系统1700可包括三个部件：(1)陶瓷热交换元件1711；(2)选择性地施加于陶瓷热交换元件以分离干通道和湿通道的蒸气阻挡层；(3)带有储槽、水泵1732、喷嘴、风扇1734或其组合的歧管单元1733。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件可包括平行、再生或其他配置形式的一个或多个通道，这些通道排列在建筑物立面1731或屋顶的选定区域。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件的位置可基于预期的冷却负荷和新鲜空气供应要求。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件通常由平行流、逆流、横流、再生、露点或m循环配置形式的通道或板(表面)的阵列组成。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件在垂直方向上的长度可从10mm至2000mm。在一些实施方案中，这些热交换元件可使用垫圈、管、套筒或其他不透蒸气的连接件连接以形成较长的连续垂直部分。在一些实施方案中，水平方向上通道或板的中心间距可从1mm至100mm。在一些实施方案中，通道壁或板厚度可从500μm至30mm。

在一些实施方案中，陶瓷热交换元件的干通道通过利用超疏水性蒸气阻挡层的空间选择性处理来形成。相反，湿通道保持未经处理和超亲水性，并形成间接蒸发冷却系统的湿通道。

在一个实施方案中，超疏水性蒸气阻挡层可通过向全烧陶瓷体施加液体制剂来实现。作为典型的超疏水性蒸气阻挡层，给出了金属氧化物溶胶-凝胶(氧化铝)作为潜在的低成本陶瓷涂层材料。可使用溶胶-凝胶工艺，通过包括但不限于浸渍、刷涂和喷涂的各种可扩展的手段，在液态下以受控的渗透深度施加涂层。施加后，通过将氧化铝转化为氢氧化铝或勃姆石的简单、无毒的水热反应，可实现纳米级的粗糙度。在该反应之后，可通过利用烷烃或氟烷基封端的磷酸酯的官能化降低勃姆石的表面能，以增加液体排斥性。将化学修饰的液体或蒸气施加选择性地与金属氧化物位点结合，使周围的本体陶瓷为亲水性。

在另一个实施方案中，可通过向非烧制陶瓷中添加20％重量的粒度范围从约1纳米至10微米的金属氧化物纳米颗粒(np)(诸如氧化铝)分散体来实现超疏水性蒸气阻挡层。在该实施方案中，np的固有组成和形态为随后的表面化学修饰提供了必要的粗糙度和位点。可在陶瓷体成型之前将np整合到干混、泥浆或塑性阶段。本方法允许通过诸如共挤出、压制、共注射或多材料增材制造的常用制造方法在连续的粘土体内进行选择性的np图案化。一旦成型，具有整合的np的粘土体可在不损失纳米/微米级粗糙度的情况下被烧制。一旦烧制，可通过利用烷烃或氟烷基封端的磷酸酯的官能化来降低np的表面能，以增加液体排斥性。将化学修饰的液体或蒸气施加选择性地与金属氧化物的位点结合，使周围的本体陶瓷为亲水性。

使用框架、支座、轨道或其他结构系统将陶瓷热交换元件(以及相关的泵、歧管和鼓风机)安装到建筑物墙壁或屋顶的外部屋面板。使用夹子、扎带、螺钉或其他机械方式将陶瓷热交换元件固定在结构系统。

在一些实施方案中，可将通道、翅片或其他几何结构整合到陶瓷热交换元件的外表面中。在一些实施方案中，这些几何结构可充当气隙以阻止或促进对流，其用于减少作用在交换介质上的热通量，或提供自遮蔽。自遮蔽可提供对太阳辐射的隔绝。

在一些实施方案中，可通过毛细管力或机械泵和喷雾器将湿通道或板的内表面润湿。在湿通道或板被毛细管力润湿的实施方案中，陶瓷热交换元件的底部边缘接触或浸没在储水槽或收集区域内。在这些实施方案中，多孔陶瓷内的毛细管力将水向上吸到通道或板的内表面，且水被蒸发。可使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式将补给水供应至储槽。在通过机械泵和喷雾器将通道或板润湿的实施方案中，可通过布置在陶瓷热交换元件顶部的具有管、喷雾器、超声波喷雾器、雾化喷嘴或其他喷嘴的水泵将陶瓷热交换元件的内表面润湿。在该实施方案中，随后可通过重力吸收将陶瓷热交换元件润湿。在一些实施方案中，未蒸发和流出的水可以收集在储槽或其他收集区域中。在一些实施方案中，来自储槽的水随后再循环至喷嘴。在一些实施方案中，使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式向储槽供应补给水。

在图17b中所示的一些实施方案中，产物空气1704和工作空气1703可使用切向、横流或直接鼓风机风扇供应至湿通道和干通道。在一些实施方案中，歧管可用于引导干通道1702与湿通道1701之间的气流。

在一些实施方案中，干通道出口处的歧管通过布置在建筑物墙壁或屋顶内的管道系统将产物空气导入建筑物、目标空间或外部空间。在该实施方案中，歧管将湿通道出口处的工作空气排放到外部环境1709。

在图17b中所示的另一个实施方案中，干通道1702出口处的歧管1733通过建筑物墙壁或屋顶内的管道系统1707将部分产物空气1704a导入建筑物、目标空间，或外部空间，且部分产物空气1704b作为湿通道1701的预冷工作空气1703而重导入。在该实施方案中，该歧管或另一歧管将湿通道出口处的工作空气排放到外部。

在一些实施方案中，再生式间接蒸发冷却立面或屋顶系统安装在屋顶或墙壁系统内，使得陶瓷热交换系统的外表面暴露于内部空间。在该实施方案中，通过与内部墙壁、设备和居住者的辐射热交换的附加冷却进一步增加再生式间接蒸发冷却的冷却能力。

b.独立单元的间接蒸发冷却介质。

在一些实施方案中，独立的间接蒸发冷却系统可包括三个部件：(1)陶瓷热交换元件；(2)选择性地施加于陶瓷热交换元件以分离干通道和湿通道的蒸气阻挡层；(3)带有储槽、水泵、喷雾器、风扇或其组合的(一个或多个)歧管单元。在一些实施方案中，陶瓷热交换元件可在绝缘、气密和环境保护的壳体内包括一个或多个平行流、逆流、再生、露点或m循环交换器配置形式的其他几何形状的通道。

在一些实施方案中，通过陶瓷热交换介质的工作气流和产物气流由来自安装于iec系统的通道、歧管或壳体的鼓风机风扇的正压产生。在一些实施方案中，空气通过歧管在干通道与湿通道之间分离。在一些实施方案中，产物空气借助于设置穿过墙壁、屋顶、其他建筑物构件的管道直接从干通道流入建筑物或外部空间，而湿通道空气则排放到建筑物外部。在一些实施方案中，诸如再生、露点和m循环iec系统，干通道空气在进入建筑物或外部空间之前可借助于歧管或周期性的出口分离，并重导入湿通道中，然后在此排放到建筑物外部。在一些实施方案中，流量阀用于控制出口空气流量和/或将未经处理的室外空气与经处理的产物空气混合。

在一些实施方案中，借助于带有喷雾器喷嘴的泵向湿通道的表面供水并润湿其表面。或者，当湿通道布置在充水的储槽中时，借助于毛细管力使通道润湿。或者，通过填充整个壳体，浸没陶瓷介质，填充其孔隙结构，使交换介质润湿。在这种情况下，当陶瓷介质干燥时，废物被清除，过程继续进行。未蒸发和流出的水被收集在湿通道下方的储槽中。然后，来自储槽的水被再循环至喷嘴。使用建筑物管道系统、雨水收集或其他方式向储槽供应补给水。流量阀用于控制水流量。

在一些实施方案中，在目标冷却空间内安装独立的间接蒸发冷却单元，使陶瓷热交换系统的一个或多个外表面暴露于内部空间。在该实施方案中，通过与内壁、设备和居住者的辐射热交换的附加冷却进一步增加了独立间接蒸发冷却单元的冷却能力。在一些实施方案中，在外部空间中安装独立的间接蒸发冷却单元。

c.增材制造

图18a-18b显示了使用增材制造来制造蒸发冷却系统1800的方法。如图18a中所示，可使用3d打印系统1841形成多孔陶瓷体1811。当挤出头在预定路径移动以逐层沉积粘土来形成三维多孔陶瓷体1811时，粘土通过挤出头1842被挤出。如图18a-18b中所示，所得多孔陶瓷体包括多个平行的垂直通道。可将金属氧化物阻挡层和化学修饰选择性地施加于这些通道的一部分以形成干通道1802a、1802b。任何未经处理的通道保持亲水性并且可充当湿通道1801。

在一些实施方案中，可使用具有多个挤出喷嘴、头或类似末端执行器的3d打印系统1841来形成多孔陶瓷体1811，以在连续的三维多孔陶瓷体1811内挤出具有不同粘土制剂的多个粘土体。在一些实施方案中，这些粘土制剂中的一种可具有在其内均匀混合的粗糙化层组分，诸如氧化铝纳米颗粒的分散体，而第二种粘土制剂不具有粗糙化层组分且表现出高的孔隙率。这两种粘土制剂可通过隔开的挤出头挤出，或在挤出头在预定路径移动以逐层沉积粘土时在单个挤出头内混合。在一些实施方案中，可同时挤出两种或更多种粘土制剂，将每种制剂(例如30％制剂1、70％制剂2)混合到不同程度并挤出，作为分隔的路径挤出，以二元样模式挤出，其中路径沿着路径的离散部分挤出一种制剂，然后沿着路径的隔开的离散部分挤出另一种制剂。如图18a-18b中所示，所得多孔陶瓷体包括多个平行的垂直通道。可将化学修饰选择性地施加于这些通道的一部分，或施加于整个三维多孔陶瓷体以形成干通道1802a、1802b。从不含阻挡层组分的粘土制剂挤出的三维多孔陶瓷体的任何通道或部分保持亲水性并可充当湿通道1801。

图18b显示了通过图18a中所示的3d打印工艺形成的maisotsenko类间接蒸发冷却系统1800(m-iec)。3d打印冷却系统包括使二次工作空气1803a流动与水接触的一个或多个湿热交换通道1801，具有被明显冷却的干工作空气1803b的一个或多个干热交换通道1802a，以及具有被明显冷却的一次产物空气1804的一个或多个干热交换通道1802b。来自干工作空气1803b和一次产物空气1804的热量通过多孔陶瓷1811传递到湿通道1801，并作为潜热被水吸收。水蒸发并扩散到湿通道中的二次湿工作空气1803a中。空气从多个入口流向(1)具有形成通向湿通道1801的入口1806的多个出口通道的专用干通道1802a和(2)具有通向空调空间的出口的一次空气干通道1802b。湿工作空气1803a可排放到待冷却的建筑物或空间之外，而干产物空气1804则被带入待冷却的建筑物或空间。由于从专用干通道入口1806进入湿通道1801的空气已经被冷却，因此该空气具有低于原始入口气流的湿球温度。因此，一次干通道1802a中的干工作空气1803b可冷却到较低的干球温度，低于入口处的一次气流的湿球温度，接近露点。在一些实施方案中，一次产物空气的水分含量保持恒定，而工作空气的水分含量在来自专用干工作空气的每个入口处等温增加。m-iec的一个益处是，一次产物空气冷却至露点温度附近而不增加水分含量。

应当理解，尽管为了解释的目的已经示出和描述了一个或多个特定的材料或步骤，但是在某些方面可改变材料或步骤，或者可将材料或步骤组合，同时仍然获得期望的结果。另外，对所公开的实施方案和所要求保护的发明的修改是可能的，并且在本公开发明的范围内。