一种基于液晶弹性体的热开关及其单、多级热管理系统的制作方法

1.本发明属于热管理技术领域，涉及一种基于液晶弹性体的热开关及其单、多级热管理系统。


背景技术：

2.热管理技术适用于任何对温度有控制要求的对象和场合，可以实现对热管理对象进行加热、冷却和维持恒温等，从而使热管理对象在最佳温度范围内工作的目的。热管理技术广泛应用于电子芯片、储能电站和动力电池等领域。
3.温度较高或较低以及温度不均匀都会引起电子芯片、储能电站和动力电池等无法正常工作，极端条件下会导致工作性能下降和使用寿命衰减，乃至引发与温度相关的热失效、电气失效以及机械失效等。因此，采取合理有效的先进热管理技术对热管理对象的温度进行高效、精准的调节以及确保热管理对象均温性是至关重要的。
4.现有热管理技术例如风冷、水冷等，普遍存在系统结构复杂且占用空间较大、热管理系统的能量消耗占比大、效率较低、成本较高等问题。在应对热管理需求更高的应用领域时存在一定的局限性。未来的热管理技术必将朝着小型化、高比能、高效率和高均温性方面发展。液晶弹性体结合了液晶的各向异性和交联聚合物的橡胶弹性，具有作为可逆形变的形状记忆材料的潜力。在光、热、电场或磁场的驱动下，液晶弹性体可以选择性地和可逆地形变，因而在光学传感器、热开关、软体机器人、人造肌肉、可控驱动器等领域中具有潜在应用价值。另外，利用液晶弹性体分子指向矢随温度变化而导致其导热系数差异这一独特的物理特性，可实现自动温度控制，广泛应用于需要恒温控制或温度保持基本不变的热管理对象。本发明创新性地提出利用液晶弹性体作为热开关的功能材料，利用不同温度下液晶弹性体分子指向矢取向的不同而导致其导热系数等热力学性质的差异，实现对子电子芯片、储能电站和动力电池等热管理对象在高温和低温下不同的热管理需求，同时提高热管理对象的温度均匀性，并且结构简单、成本低、无运动部件、不耗能，也极大的减少了相关成本。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于液晶弹性体的热开关及其单、多级热管理系统，针对现有热管理系统结构复杂且占用空间较大、能量消耗占比大、效率较低、成本较高等问题，本发明利用液晶弹性体在不同温度下液晶分子指向矢取向的变化导致其导热系数等热力学性质的变化，实现对电子芯片、储能电站和动力电池等热管理对象在高温和低温下不同的热管理需求，同时提高热管理对象温度均匀性，并且结构简单，无运动部件，不耗能，也极大的减少了相关成本。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种基于液晶弹性体的热开关，包括热端基板、液晶弹性体和冷端基板；
8.所述热端基板一侧贴附于热管理对象表面；
9.所述液晶弹性体一侧紧贴于热端基板的另一侧；
10.所述冷端基板另一侧贴附于液晶弹性体。
11.可选的，所述冷端基板和热端基板的导热性能和机械性能较好。
12.可选的，所述液晶弹性体置于冷端基板和热端基板之间。
13.可选的，所述热端基板、液晶弹性体和冷端基板为依次紧密相贴。
14.可选的，所述液晶弹性体的分子指向矢取向会随温度发生改变，分子指向矢取向的变化导致其导热系数等热力学性质的变化。
15.可选的，所述热开关的液晶弹性体包含若干种类和结构及尺寸不同的子液晶弹性体，形成对局部温度敏感程度不同的热开关。
16.基于所述热开关的单级热管理系统，所述单级热管理系统由所述热开关组成。
17.基于所述热开关的多级热管理系统，所述多级热管理系统包括若干串联、并联或串并混合的热开关。
18.本发明的有益效果在于：本发明利用液晶弹性体不同温度下液晶分子指向矢转变而引起的导热系数差异的特性，实现对储能电站、动力电池和电子芯片等热管理对象在高温和低温下不同的热管理需求。热管理对象温度较高时，液晶弹性体分子指向矢方向垂直于热端基板，液晶弹性体导热系数较大，强化传热。热管理对象温度较低时，液晶弹性体分子指向矢方向与热端基板平行，液晶弹性体导热系数较小，削弱传热。同时液晶弹性体可以根据热管理对象热流密度分布设计成包含多个种类和结构及尺寸不同的子液晶弹性体，提高热管理对象的温度均匀性，并且结构简单、成本低、无运动部件、无额外能耗，也极大的减少了相关成本。此外，还具有如下有益技术效果。
19.1、结构简单，加工难度小，仅需要热端基板、液晶弹性体和冷端基板紧密贴联即可制作出热开关；
20.2、占地空间小，无泵、风机、制冷设备和流道等传统热管理系统的部件；
21.3、制作成本低，制作成本主要集中于液晶弹性体上，市场上容易购买液晶单体等反应原始试剂，反应流程有公开报道并且简单；
22.4、运营维护成本低，利用不同温度下液晶弹性体分子指向矢方向差异实现其导热系数的不同，无运动部件，无额外能耗；
23.5、热管理效果好，热管理对象温度较高和较低时，液晶弹性体分子指向矢方向分别垂直和平行于热端基板，液晶弹性体导热系数相差3倍及以上，能显著强化和削弱传热。根据热管理对象热流密度分布设计成包含多个种类和结构及尺寸不同的子液晶弹性体，导热系数差异明显，热管理对象的温度均匀性好。
24.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
25.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
26.图1为实施例一基于液晶弹性体的热开关结构示意图；
27.图2为液晶弹性体导热系数随温度变化示意图；
28.图3为实施例二应用于动力电池的基于液晶弹性体热开关结构示意图；
29.图4为实施例三应用于5g基站的基于液晶弹性体热开关结构示意图；
30.图5为基于液晶弹性体的热开关的单级热管理系统示结构意图；
31.图6为基于液晶弹性体的热开关的多级热管理系统示结构意图；图6(a)为多级热管理系统内包含并联连接的多个热开关；图6(b)为多级热管理系统内包含串联连接的多个热开关。
32.附图标记：热管理对象1、热端基板2、液晶弹性体3、冷端基板4、热开关5、环境6。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
35.本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
36.实施例一
37.如图1，一种基于液晶的弹性体的热开关5，包括热端基板2、液晶弹性体3和冷端基板4；所述热端基板2的一侧贴附于热管理对象1的表面；所述液晶弹性体3的一侧紧贴于热端基板1的另一侧；所述冷端基板4的一侧贴附于液晶弹性体3的另一侧。所述热管理对象1、热端基板2、液晶弹性体3和冷端基板4紧密相贴。热流量通过导热从热端基板2、液晶弹性体3和冷端基板4依次传递至冷端基板4外侧表面，最后与环境空气进行对流传热。液晶弹性体分子指向矢方向会随温度发生改变，导致其导热系数等热力学性质的差异，最终实现对热管理对象在高温和低温下强化和削弱冷却散热的不同热管理需求。
38.使用时，当热管理对象1温度较低时，需要削弱热管理对象1向环境冷却散热的能力。此时，液晶弹性体3的分子指向矢取向平行于热端基板2，其导热系数较小，削弱传热能力，热管理对象1产生的热量较少的传递至环境，提高了热管理对象1的温度，热开关5处于闭合状态，如表1所示；当热管理对象1处于适温区时，需维持热管理对象向环境冷却散热的
现有能力，液晶弹性体3的分子指向矢与热端基板2有一定夹角，夹角介于0
°
和90
°
之间并与温度正相关，其导热系数适中也与温度正相关，如图2所示；热管理对象产热和冷却散热处于热平衡状态，热开关处于半开合状态，维持热管理对象温度；当热管理对象1的温度较高时，需要强化热管理对象1向环境冷却散热的能力。此时，液晶弹性体3分子指向矢会随着温度升高而发生转动，垂直于热端基板2，其导热系数较大，强化传热，热管理对象1产生的热量能高效地传递至环境，热开关处于打开状态，降低热管理对象温度。热管理对象1温度恢复到初始温度时，液体弹性体3指向矢恢复到初始状态，其导热系数恢复到初始值，热开关也回归至初始状态，热开关能实现循环开关。
39.表1典型温度下液晶弹性体导热系数及基于液晶弹性体的热开关工作状态表
40.温度范围导热系数热开关状态低温区较小关适温区中等半开合高温区较大开
41.本发明热开关利用液晶弹性体作为其功能材料，根据不同温度下液晶弹性体分子指向矢取向的不同而导致其导热系数等热力学性质的差异，分别实现对热管理对象在高温和低温下强化和削弱冷却散热的不同热管理需求，同时提高热管理对象温度均匀性，并且具有结构简单、成本较低、无运动部件以及不耗能等优势。
42.实施例二
43.如图3，所述热管理对象为动力电池。所述动力电池、热端基板、液晶弹性体和冷端基板依次紧密相贴。所述动力电池的运行温度范围为
‑
20
‑
65℃；所述液晶弹性体是基于硫醇
‑
丙烯酸酯/硫醇
‑
烯点击反应制备，优选液晶单体rm257和rm82，优选柔性连接剂为eddt和三乙烯基交联剂(tatato)。
44.使用时，当动力电池温度低于10℃时，液晶弹性体的分子指向矢取向平行于热端基板，其导热系数较小，削弱传热能力，动力电池产生的热量较少的传递至环境，提升了动力电池的温度，热开关处于闭合状态；当动力电池温度处于适温区(10
‑
40℃)时，液晶弹性体的分子指向矢会随着温度升高而发生转动，液晶弹性体的分子指向矢与热端基板有一定夹角，其导热系数适中，动力电池产热和冷却散热处于热平衡状态，热开关处于半开合状态，动力电池温度基本保持不变；当动力电池温度高于40℃时，液晶弹性体的分子指向矢垂直于热端基板，其导热系数较大，强化传热能力，动力电池产生的热量较多的传递至环境，动力电池产生的热量能高效地传递至环境，热开关处于打开状态，如表1所示。
45.降低动力电池温度。动力电池温度恢复到初始温度时，液体弹性体指向矢恢复到初始状态，其导热系数恢复到初始值，热开关也回归至初始状态，热开关能实现循环开关。
46.实施例三
47.如图4，本实施例与实施例1的区别在于：所述热管理对象为5g基站；所述热管理对象的特点是热流密度分布极其不均衡，例如：a区域热流密度较小，b区域热流密度适中、c区域热流密度较大；所述液晶弹性体内组装和集成多个种类和结构及尺寸不同的子液晶弹性体。根据热管理对象热流密度大小的差异，a、b和c区域分别对应图4右侧所示a、b和c处不同的液晶弹性体，液晶弹性体分子长径比依次增大。在相同的液晶分子指向矢取向夹角条件下，a、b和c处液晶弹性体的导热系数也依次增大。根据热流密度差异，选配不同种类、结构
和尺寸的液体弹性体，达到不同的传热能力，实现5g基站较好的温度均匀性。
48.本实施例在液晶弹性体内组装和集成多个种类和结构及尺寸不同的子液晶弹性体，从而根据热管理对象热流密度的变化使液晶弹性体不同位置具有不同大小的导热系数，形成对局部温度敏感程度不同的热开关，以便根据热管理对象的热流密度的实时变化进行散热强度的调节，并提高热管理对象内部温度的均匀性。
49.在实施例一、二或三的基础上，如图5为一种基于液晶液晶弹性体的热开关的单级热管理系统，所述单级热管理系统内仅包含一个热开关5，利用液晶弹性体随温度变化引起的液晶弹性体分子指向矢取向的转变而导致其导热系数差异的特性，热开关5根据热管理对象的实时温度变化进行液晶弹性体导热系数的转变。当热管理对象温度较低时，导热系数较小，将较少的热量传递至外界环境6，提高热管理对象的温度；当热管理对象温度较高时，导热系数较大，将较多的热量传递至外界环境6，降低热管理对象的温度。可将该种基于液晶弹性体的热开关的单级热管理系统应用于动力电池、电子芯片等热管理技术领域。
50.在实际工业应用中，存在热流密度、热管理对象与环境温差和现有液晶弹性体难以匹配问题。本技术还提出了一种基于液晶弹性体的热开关的多级热管理系统，所述多级热管理系统内包含多个串联、并联或串并联混合的热开关。在实施例一、二或三的基础上，如图6为一种基于液晶弹性体的热开关的多级热管理系统，所述多级热管理系统内包含并联连接的多个热开关，如图6(a)所示，所述多级热管理系统内包含串联连接的多个热开关，如图6(b)所示。可将该种基于液晶弹性体的热开关的多级热管理系统应用于较为复杂的电气设备、储能电站和电子芯片中，以实现对多种不同热管理对象或某一复杂的热管理对象在高温和低温下强化和削弱冷却散热的不同热管理需求，同时提高热管理对象温度均匀性，并且具有结构简单、成本较低、无运动部件以及不耗能等优势。
51.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。