環路熱管用吸液芯的研究進展及探討

李志威　孫健　王羅堅　杜海權

摘 要：對主流的幾種環路熱管吸液芯的研究進展進行了闡述，在當前研究基礎之上，從吸液芯的孔隙結構、孔隙率、滲透率等方面出發討論了Al₂O₃多孔陶瓷作為環路熱管吸液芯的可行性，并對其今后的研究方向進行了展望。

關鍵詞：環路熱管;吸液芯;Al₂O₃多孔陶瓷

1 前 言

環路熱管（Loop Heat Pipe，LHP）是一種利用工質相變傳遞熱量的高效被動散熱裝置，在高熱流密度電子器件散熱和航天器熱控及陶瓷窯爐的余熱利用等領域有廣闊的應用前景，通常由蒸發器、冷凝器、氣液管線和補償腔五個部分組成，并且補償腔是和蒸發器耦合在一起的[1，2]。吸液芯作為LHP的核心元件，其具有的毛細力為系統的運行提供驅動力， 同時也為工質的相變提供了空間。因此，LHP的性能與吸液芯有著密切的聯系，引起了許多專家和學者的關注與研究[3-5]。聚合物芯[6]、金屬網芯[7]、金屬粉末燒結芯[8-9]及陶瓷芯[10]等多種吸液芯運用于LHP中的研究也是絡繹不絕。本文對環路熱管吸液芯幾種主要類型的研究進展進行了詳細的闡述，并對多孔陶瓷作為吸液芯的可行性進行了討論。

2? 吸液芯的研究進展

吸液芯通過自身的孔隙結構為整個環路熱管系統提供動力，圖1所示為比較多見的幾種吸液芯結構示意圖。從圖中可以看出，洗液芯的結構大致可分為溝槽式吸液芯、網狀式吸液芯以及粉末燒結式吸液芯三種。

三種結構各有優劣，溝槽式的結構使得冷卻介質在其中的流動阻力不大也增加了吸液芯的滲透率但同時槽式結構削弱了吸液芯的抗重力能力。唐恒等通過表面化學處理結合犁切-擠壓的方法制備了一種新型溝槽吸液芯，并比較了是否進行吸液芯表面化學處理對吸液芯性能的影響，實驗結果表明經行表面處理對于提升吸液芯的毛細壓力是有利的，并且表面化學處理溶液Cu Cl₂的濃度在一定范圍內，浸泡時間和溶液濃度對毛細壓力是有一定影響的[14]。聶聰等在銅溝槽管內壁采用電化學沉積法制得多孔槽復合吸液芯，并對吸液芯的性能進行了測試，實驗結果表明通過這種方法制得的復合吸液芯其性能比單純的溝槽吸液芯要優異。另外電解液濃度為0.03mol/L時，復合吸液芯的性能達到最佳[15]。對于吸液芯的表面處理，除了采用化學方法外，激光蝕刻法也是目前備受青睞的有效方法之一，相比于傳統的溝槽加工方法，激光蝕刻法對于尺寸和精度受限較小。況旭等通過這種方法成功制備出具備主次結構的復合溝槽吸液芯，并構建了其毛細壓力分布的數學模型，得到了軸向毛細壓力的軸向分布規律，研究結果表明采用激光蝕刻法是制備微熱管微溝槽吸液芯的高效手段[16]。趙豪通過數值模擬的方法對裝配了復合溝槽洗液芯的均熱板傳熱性能進行了研究，通過改變結構參數來對均熱板性能的變化進行模擬，模擬結果表明，銅粉粒徑直接影響吸液芯的孔隙率，而溝槽的結構參數也是造成均熱板性能變化的重要因素[17]。

金屬網狀式吸液芯是最為簡易一種吸液芯，其制作方法簡單便捷，只需要將金屬絲網交錯布置層層疊加就能燒制得到。但用這種方法制得的吸液芯，因為無法保證絲網結構與熱管換熱壁面緊密相連，可能導致與壁面間隙過大使得導熱熱阻變大從而影響熱管的整體換熱能力。Kempers[18]研究了金屬燒結絲網的層數和充液率對熱管換熱性能的影響，在層數不多的情況下得到了傳熱熱阻和熱流量之間的非線性關系，得出充液率和熱阻之間是成正比的。對于如手機，平板等小型輕型化的移動產品，既要滿足它的散熱，又要不影響其外觀重量等限制條件，這就對散熱裝置提出了更高的要求，因此就有了超薄熱管，如圖2所示。池勇[20]等多重疊層網狀吸液芯，這種結構能夠抑制不凝結氣體的阻礙作用，從而不借助外部手段來控制冷卻介質的流動方向。唐恒[21]以銅絲編織的螺旋帶狀結構作為吸液芯結構，并對吸液芯的表面進行了氧化腐蝕處理，結果表明，表面處理后的吸液芯毛細壓力要顯著高于其他結構類型的吸液芯，在所有結構類型中，溝槽式吸液芯具有最快的毛細上升速度，但穩定之后高度要比表面氧化處理后的銅螺旋絲網吸液芯低。唐永樂[22]從理論計算、吸液芯表面改性、及絲網超薄熱管傳熱性能測試三方面對熱管進行了系統的研究。通過不同的表面改性手段，使得吸液芯的蒸發端和冷凝端分別表現出超親水和超疏水的特性，對于冷凝端的超疏水的改性，獲得了一個最佳的沉積參數，這兩個特性使吸液芯蒸發端的沸騰傳熱得到增強，而冷凝端加快了冷凝速度減薄了液膜厚度。

高孔隙率、高滲透率和高毛細壓力是衡量吸液芯質量的三個標準，但想要同時滿足三個條件往往是很困難的。金屬粉末燒結是一種常用的制備吸液芯的方法，具有工藝簡單，成本低廉，孔型容易控制的特點。面對如今越來越嚴苛的散熱要求，傳統的單孔徑吸液芯因其低孔隙率已無法滿足現在的環路熱管散熱性能要求，因此制備具有雙孔和復合結構的吸液芯成為改善這一問題的重要研究方向[5，23-25]。對于制備雙孔吸液芯，通常是采用添加造孔劑的方式，這種方式的造孔原理一為造孔劑燒失，另一種為發生化學反應從而形成預留孔。鄭曉歡[26]等人以Na₂CO₃作為造孔劑，改變其體積分數，制備了多種規格銅基多孔吸液芯，并對銅粉粒徑和造孔劑的摻入比對多孔吸液芯的毛細性能影響進行了研究。結果表明粉末粒徑和造孔劑摻入比存在一個最佳值使得吸液芯的性能達到最優。CaCl₂化學性質穩定，價格便宜，易于清洗的特點讓其能夠成為一種優質的造孔劑。孫健[27]等用銅粉做基體，CaCl₂為造孔劑制備了一種環路熱管用雙孔吸液芯，研究了吸液芯性能與燒結溫度和造孔劑含量的關系，實驗結果表明，吸液芯的抽吸性能和滲透率與燒結溫度直接相關。劉雅聰[28]等人以銅粉為原料成功制備熱管內部多孔銅吸液芯，設計了一套用于測量毛細抽力和滲透率的裝置，并計算推導出了相應的值。黃豆[29]等對銅粉燒結均熱板內吸液芯的各項性能進行了實驗，并通過數值計算的方法對其展開研究，計算出了毛細性能因子，對銅粉粒徑與各項參數之間的關系進行了分析，實驗結果也驗證了數值計算的準確性。59E89B05-577A-4913-B486-1A2651C7CA6F

3? 關于Al2O3多孔陶瓷的研究

多孔陶瓷作為多孔材料的一種，其自身表現出的結構特點和性能滿足作為環路熱管用吸液芯的要求。相比于其他類型的吸液芯，陶瓷吸液芯的成本更加低廉，因其導熱系數較低，可以有效避免漏熱，對于環路熱管系統的啟動更加有利。Al₂O₃多孔陶瓷憑借極佳的力學性能和比表面積，已經在許多領域得到了應用。林銘[30]等以正硅酸乙酯作為原料，包覆鋁粉通過注漿成型成功制備了Al₂O₃多孔陶瓷，并對Al粉包覆率、摻入量等因素對Al₂O₃多孔陶瓷性能的影響進行了實驗研究，實驗結果表明Al₂O₃多孔陶瓷顯氣孔率與Al粉摻入量成正比，但同時對多孔陶瓷的線收縮率和抗壓強度產生消極影響。隨著目前越來越多新型結構的提出，多孔陶瓷的結構也逐漸復雜化，傳統一些成型方法無法滿足現在的結構要求。劉杰[31]等結合新興的3D打印技術和凝膠注模研究出一種多孔陶瓷成型技術，并成功制備具有復雜結構的Al₂O₃多孔陶瓷，實驗研究了酸堿度和分散劑對陶瓷漿料的影響。王尉華[32]用Al₂O₃顆粒和Al₂O₃纖維制備了纖維強化Al₂O₃多孔陶瓷，以改變纖維長度的方式，制備出孔隙率達到58%的多孔陶瓷。吸液芯處于環路熱管蒸發段，所以抗熱震性也是吸液芯性能的重要考慮因素。Al₂O₃陶瓷的抗熱震性并不優越，這限制了它在其他領域的發展。張巍[33]等針對Al₂O₃多孔陶瓷抗熱震性的研究進展進行了評述，其中提到的在基料當中參雜第二相的方法來提高Al₂O₃陶瓷綜合熱學性能從而增強其抗熱震性的方法值得借鑒。關于低導熱系數環路熱管吸液芯材料，徐計元[34]進行了歸納總結，如表1所示。

4? 總結與展望

環路熱管作為一種利用冷卻介質相變進行傳熱的導熱元件，它理想的換熱能力得到許多研究人員的關注并在眾多領域得到廣泛應用。發展至今也有了各種類型的熱管，相應的吸液芯作為熱管的核心部件，對它的研究對于提升熱管性能也是至關重要的。目前對于吸液芯材料的研究主要是從金屬材料出發的，對于陶瓷吸液芯的研究報道并不多見，因此對于陶瓷芯還有很大的研究空間。Al₂O₃多孔陶瓷作為備受關注的多孔材料之一，發展至今表現出許多優異的性能滿足成為合格吸液芯的要求，今后可從以下幾個方面進行研究：

（1）吸液芯的毛細性能是衡量吸液芯好壞的重要考慮因素，Al₂O₃多孔陶瓷可繼續深入研究孔隙結構和尺寸對制得的Al₂O₃多孔陶瓷吸液芯抽吸性能的影響，為Al₂O₃多孔陶瓷吸液芯環路熱管的性能研究打下基礎。

（2）繼續通過實驗研究如何改善Al₂O₃多孔陶瓷的斷裂韌性、抗熱震性等熱-力學性能，從而打破陶瓷吸液芯實際應用的局限性。

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Research Progress and Discussion on Wicks for Loop Heat Pipes

LI Zhi-wei， SUN Jian， WANG Luo-jian， DU Hai-quan

（Jingdezhen Ceramic University， Jingdezhen 333403， Jiangxi， China）

Abstract： The research progress of several mainstream loop heat pipe wicks was reviewed. Based on the current research， the Al₂O₃porous ceramics as loop heat pipes are discussed in terms of the pore structure， porosity， and permeability of the wick. The feasibility of the wick， and prospects for its future research directions.

Keywords： Loop heat pipe; liquid wick; Al₂O₃porous ceramic59E89B05-577A-4913-B486-1A2651C7CA6F