換熱器熱管性能翻倍：5大毛細(xì)結(jié)構(gòu)如何平衡毛細(xì)力與滲透率？
前言
作為換熱器核心組件，熱管與均溫板的高效傳熱能力源于內(nèi)部毛細(xì)結(jié)構(gòu)的精密設(shè)計(jì)。毛細(xì)芯通過(guò)多孔結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)冷凝液回流并加速工質(zhì)蒸發(fā)，其性能由毛細(xì)力與滲透率的動(dòng)態(tài)平衡決定——孔徑大小直接影響驅(qū)動(dòng)力與流動(dòng)阻力的此消彼長(zhǎng)。文章將深度解析五大主流毛細(xì)結(jié)構(gòu)：溝槽型、粉末燒結(jié)型、絲網(wǎng)燒結(jié)型、復(fù)合型以及仿生型。
在熱管理領(lǐng)域的技術(shù)深耕中，沈氏科技以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng)，專(zhuān)注于換熱器設(shè)計(jì)自主研發(fā)，致力于為航空航天、綠色能源等高熱流密度場(chǎng)景提供高效、可靠的低碳熱管理解決方案。
正文
熱管和均熱板應(yīng)該是比較常見(jiàn)的兩種傳熱均溫手段。為什么它們的等效熱導(dǎo)率如此高？誠(chéng)然，是因?yàn)閮?nèi)部的工質(zhì)（水、乙醇、氟化液等）發(fā)生了相變，潛熱要遠(yuǎn)比顯熱高得多。
另一方面，在應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜的工況下，冷凝液能及時(shí)回流至蒸發(fā)端而不至干涸也是非常重要的一點(diǎn)，起到這個(gè)重要作用的就是內(nèi)部的毛細(xì)結(jié)構(gòu)。在整個(gè)傳熱過(guò)程中，毛細(xì)芯一方面為冷凝液體工質(zhì)的回流提供動(dòng)力和通道，另一方面蒸發(fā)端毛細(xì)芯的多孔結(jié)構(gòu)能夠加速蒸發(fā)端液體工質(zhì)的蒸發(fā)和沸騰。毛細(xì)芯的毛細(xì)性能通常采用毛細(xì)力（Ccapillary force）和滲透率（permeability）來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)。
一般情況下，當(dāng)毛細(xì)芯孔隙率一定時(shí)，孔徑越大，毛細(xì)芯滲透率越大，液體工質(zhì)的回流阻力減小，但此時(shí)毛細(xì)力變小，液體工質(zhì)回流的驅(qū)動(dòng)力減小；反之，孔徑減小，毛細(xì)力增大，但滲透率減小，液體工質(zhì)的回流阻力變大。因此，平衡好毛細(xì)力和滲透率這對(duì)矛盾變量之間的關(guān)系，是提高熱管和均熱板傳熱性能的關(guān)鍵。
經(jīng)過(guò)多年的研究，科研人員嘗試采用不同的制造方式來(lái)制備毛細(xì)芯，發(fā)展出了一系列不同的毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，其中常見(jiàn)的有：溝槽型毛細(xì)芯（Groove）、粉末燒結(jié)型毛細(xì)芯（Powder）、絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯（Mesh）、復(fù)合型毛細(xì)芯（Composite）以及仿生型毛細(xì)芯（Bionic structure）等。
1、溝槽型毛細(xì)芯（Groove）
通常是在熱管或均熱板的內(nèi)壁通過(guò)機(jī)械加工（如銑削、車(chē)削等）或化學(xué)蝕刻等方法形成具有一定形狀和尺寸的溝槽。優(yōu)勢(shì)在于溝槽結(jié)構(gòu)液體回流阻力小，工質(zhì)循環(huán)快。且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工制造，成本相對(duì)較低。
但毛細(xì)力相對(duì)較弱，抗重力能力太差，限制了其在一些高要求場(chǎng)合的應(yīng)用。所以，為了提高溝槽型毛細(xì)芯均溫板的傳熱性能，通常采用在溝槽上燒結(jié)粉末的方法來(lái)獲得更大的毛細(xì)力，也就形成了后面提到的復(fù)合型毛細(xì)芯。
2、粉末燒結(jié)型毛細(xì)芯（Powder）
粉末燒結(jié)型毛細(xì)芯是目前應(yīng)用最廣泛的熱管毛細(xì)芯材料，它是將金屬或陶瓷粉末均勻地鋪設(shè)在熱管或均熱板的內(nèi)壁，然后通過(guò)高溫?zé)Y(jié)工藝使粉末顆粒相互粘結(jié)形成具有一定孔隙結(jié)構(gòu)的毛細(xì)芯。
這種毛細(xì)結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要調(diào)整孔隙大小和分布，以適應(yīng)不同的工作條件，具有毛細(xì)力大，抗重力性能好的特點(diǎn)，但其孔隙率一般較低，滲透率較低，工質(zhì)回流阻力大。
3、絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯（Mesh）
先將金屬絲網(wǎng)裁剪成合適的尺寸和形狀，然后將其放置在熱管或均熱板的內(nèi)壁，通過(guò)燒結(jié)工藝使絲網(wǎng)與管壁以及絲網(wǎng)自身的網(wǎng)孔相互粘結(jié)固定。
絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯主要通過(guò)網(wǎng)絲之間的間隙來(lái)提供毛細(xì)力，所以絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯的毛細(xì)力大小主要由網(wǎng)絲的直徑和網(wǎng)絲之間的間距決定。
絲網(wǎng)以目數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行區(qū)分，目數(shù)是指每平方英寸篩網(wǎng)上的孔眼數(shù)目，目數(shù)越高，孔眼越多，表示能夠通過(guò)篩網(wǎng)的粒子的粒徑越小。在中國(guó)，目數(shù)通常以每厘米長(zhǎng)度內(nèi)的目孔數(shù)表示，而國(guó)際上則用每英寸內(nèi)的目孔數(shù)表示。
相較于粉末燒結(jié)形成的多孔結(jié)構(gòu)型毛細(xì)芯，絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯中液體工質(zhì)的回流阻力更小，因此絲網(wǎng)燒結(jié)型毛細(xì)芯通常被用于提升均溫板內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)的滲透率。
4、復(fù)合型毛細(xì)芯（Composite）
通過(guò)調(diào)整不同毛細(xì)結(jié)構(gòu)的比例和分布，得到一系列復(fù)合型毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)，比如槽道毛細(xì)芯與燒結(jié)粉末毛細(xì)芯進(jìn)行組合、槽道毛細(xì)芯與燒結(jié)絲網(wǎng)毛細(xì)芯進(jìn)行組合等，以適應(yīng)不同的工作條件和散熱要求。
制作過(guò)程需要分別完成不同毛細(xì)結(jié)構(gòu)的制作，然后通過(guò)特定的工藝將它們結(jié)合在一起。受傳統(tǒng)加工工藝的成形限制，復(fù)合毛細(xì)芯結(jié)構(gòu)的加工難度很大，加工工序繁多、加工周期長(zhǎng)，這極大影響了復(fù)合型毛細(xì)芯的優(yōu)化設(shè)計(jì)和在均溫板中的運(yùn)用。
5、仿生型毛細(xì)芯（Bionic structure）
通常是通過(guò)模擬自然界中具有高效液體傳輸能力的生物結(jié)構(gòu)（如植物的葉脈、昆蟲(chóng)的微通道等），采用微納加工技術(shù)或特殊的材料制備方法來(lái)制造毛細(xì)芯。例如，利用光刻、蝕刻等微納加工工藝在材料表面制造出類(lèi)似葉脈的微通道結(jié)構(gòu)。目前技術(shù)尚處于發(fā)展階段，大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用存在一定的技術(shù)瓶頸。
綜上，性能良好的毛細(xì)芯應(yīng)具有足夠的毛細(xì)力使得熱管可以完成工質(zhì)回流循環(huán)，同時(shí)具有較大的滲透率使得回流的工質(zhì)量達(dá)到傳熱的需求。此外，毛細(xì)芯應(yīng)具有良好的工藝性、可靠性及較低的成本。
文章資料來(lái)源：大米的老爹
熱管理沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，持續(xù)碰撞的思維星火，方能點(diǎn)燃下一代換熱技術(shù)的炬光。若您正面臨熱管理場(chǎng)景的技術(shù)瓶頸，或?qū)峁芾韯?chuàng)新有獨(dú)到見(jiàn)解，歡迎通過(guò)郵箱hzssmarket@hzssjn.com或電話18758208828與我們展開(kāi)技術(shù)對(duì)話。
