环路热管用吸液芯的研究进展及探讨

李志威　孙健　王罗坚　杜海权

摘 要：对主流的几种环路热管吸液芯的研究进展进行了阐述，在当前研究基础之上，从吸液芯的孔隙结构、孔隙率、渗透率等方面出发讨论了Al₂O₃多孔陶瓷作为环路热管吸液芯的可行性，并对其今后的研究方向进行了展望。

关键词：环路热管;吸液芯;Al₂O₃多孔陶瓷

1 前 言

环路热管（Loop Heat Pipe，LHP）是一种利用工质相变传递热量的高效被动散热装置，在高热流密度电子器件散热和航天器热控及陶瓷窑炉的余热利用等领域有广阔的应用前景，通常由蒸发器、冷凝器、气液管线和补偿腔五个部分组成，并且补偿腔是和蒸发器耦合在一起的[1，2]。吸液芯作为LHP的核心元件，其具有的毛细力为系统的运行提供驱动力， 同时也为工质的相变提供了空间。因此，LHP的性能与吸液芯有着密切的联系，引起了许多专家和学者的关注与研究[3-5]。聚合物芯[6]、金属网芯[7]、金属粉末烧结芯[8-9]及陶瓷芯[10]等多种吸液芯运用于LHP中的研究也是络绎不绝。本文对环路热管吸液芯几种主要类型的研究进展进行了详细的阐述，并对多孔陶瓷作为吸液芯的可行性进行了讨论。

2  吸液芯的研究进展

吸液芯通过自身的孔隙结构为整个环路热管系统提供动力，图1所示为比较多见的几种吸液芯结构示意图。从图中可以看出，洗液芯的结构大致可分为沟槽式吸液芯、网状式吸液芯以及粉末烧结式吸液芯三种。

三种结构各有优劣，沟槽式的结构使得冷却介质在其中的流动阻力不大也增加了吸液芯的渗透率但同时槽式结构削弱了吸液芯的抗重力能力。唐恒等通过表面化学处理结合犁切-挤压的方法制备了一种新型沟槽吸液芯，并比较了是否进行吸液芯表面化学处理对吸液芯性能的影响，实验结果表明经行表面处理对于提升吸液芯的毛细压力是有利的，并且表面化学处理溶液Cu Cl₂的浓度在一定范围内，浸泡时间和溶液浓度对毛细压力是有一定影响的[14]。聂聪等在铜沟槽管内壁采用电化学沉积法制得多孔槽复合吸液芯，并对吸液芯的性能进行了测试，实验结果表明通过这种方法制得的复合吸液芯其性能比单纯的沟槽吸液芯要优异。另外电解液浓度为0.03mol/L时，复合吸液芯的性能达到最佳[15]。对于吸液芯的表面处理，除了采用化学方法外，激光蚀刻法也是目前备受青睐的有效方法之一，相比于传统的沟槽加工方法，激光蚀刻法对于尺寸和精度受限较小。况旭等通过这种方法成功制备出具备主次结构的复合沟槽吸液芯，并构建了其毛细压力分布的数学模型，得到了轴向毛细压力的轴向分布规律，研究结果表明采用激光蚀刻法是制备微热管微沟槽吸液芯的高效手段[16]。赵豪通过数值模拟的方法对装配了复合沟槽洗液芯的均热板传热性能进行了研究，通过改变结构参数来对均热板性能的变化进行模拟，模拟结果表明，铜粉粒径直接影响吸液芯的孔隙率，而沟槽的结构参数也是造成均热板性能变化的重要因素[17]。

金属网状式吸液芯是最为简易一种吸液芯，其制作方法简单便捷，只需要将金属丝网交错布置层层叠加就能烧制得到。但用这种方法制得的吸液芯，因为无法保证丝网结构与热管换热壁面紧密相连，可能导致与壁面间隙过大使得导热热阻变大从而影响热管的整体换热能力。Kempers[18]研究了金属烧结丝网的层数和充液率对热管换热性能的影响，在层数不多的情况下得到了传热热阻和热流量之间的非线性关系，得出充液率和热阻之间是成正比的。对于如手机，平板等小型轻型化的移动产品，既要满足它的散热，又要不影响其外观重量等限制条件，这就对散热装置提出了更高的要求，因此就有了超薄热管，如图2所示。池勇[20]等多重叠层网状吸液芯，这种结构能够抑制不凝结气体的阻碍作用，从而不借助外部手段来控制冷却介质的流动方向。唐恒[21]以铜丝编织的螺旋带状结构作为吸液芯结构，并对吸液芯的表面进行了氧化腐蚀处理，结果表明，表面处理后的吸液芯毛细压力要显著高于其他结构类型的吸液芯，在所有结构类型中，沟槽式吸液芯具有最快的毛细上升速度，但稳定之后高度要比表面氧化处理后的铜螺旋丝网吸液芯低。唐永乐[22]从理论计算、吸液芯表面改性、及丝网超薄热管传热性能测试三方面对热管进行了系统的研究。通过不同的表面改性手段，使得吸液芯的蒸发端和冷凝端分别表现出超亲水和超疏水的特性，对于冷凝端的超疏水的改性，获得了一个最佳的沉积参数，这两个特性使吸液芯蒸发端的沸腾传热得到增强，而冷凝端加快了冷凝速度减薄了液膜厚度。

高孔隙率、高渗透率和高毛细压力是衡量吸液芯质量的三个标准，但想要同时满足三个条件往往是很困难的。金属粉末烧结是一种常用的制备吸液芯的方法，具有工藝简单，成本低廉，孔型容易控制的特点。面对如今越来越严苛的散热要求，传统的单孔径吸液芯因其低孔隙率已无法满足现在的环路热管散热性能要求，因此制备具有双孔和复合结构的吸液芯成为改善这一问题的重要研究方向[5，23-25]。对于制备双孔吸液芯，通常是采用添加造孔剂的方式，这种方式的造孔原理一为造孔剂烧失，另一种为发生化学反应从而形成预留孔。郑晓欢[26]等人以Na₂CO₃作为造孔剂，改变其体积分数，制备了多种规格铜基多孔吸液芯，并对铜粉粒径和造孔剂的掺入比对多孔吸液芯的毛细性能影响进行了研究。结果表明粉末粒径和造孔剂掺入比存在一个最佳值使得吸液芯的性能达到最优。CaCl₂化学性质稳定，价格便宜，易于清洗的特点让其能够成为一种优质的造孔剂。孙健[27]等用铜粉做基体，CaCl₂为造孔剂制备了一种环路热管用双孔吸液芯，研究了吸液芯性能与烧结温度和造孔剂含量的关系，实验结果表明，吸液芯的抽吸性能和渗透率与烧结温度直接相关。刘雅聪[28]等人以铜粉为原料成功制备热管内部多孔铜吸液芯，设计了一套用于测量毛细抽力和渗透率的装置，并计算推导出了相应的值。黄豆[29]等对铜粉烧结均热板内吸液芯的各项性能进行了实验，并通过数值计算的方法对其展开研究，计算出了毛细性能因子，对铜粉粒径与各项参数之间的关系进行了分析，实验结果也验证了数值计算的准确性。59E89B05-577A-4913-B486-1A2651C7CA6F

3  關于Al2O3多孔陶瓷的研究

多孔陶瓷作为多孔材料的一种，其自身表现出的结构特点和性能满足作为环路热管用吸液芯的要求。相比于其他类型的吸液芯，陶瓷吸液芯的成本更加低廉，因其导热系数较低，可以有效避免漏热，对于环路热管系统的启动更加有利。Al₂O₃多孔陶瓷凭借极佳的力学性能和比表面积，已经在许多领域得到了应用。林铭[30]等以正硅酸乙酯作为原料，包覆铝粉通过注浆成型成功制备了Al₂O₃多孔陶瓷，并对Al粉包覆率、掺入量等因素对Al₂O₃多孔陶瓷性能的影响进行了实验研究，实验结果表明Al₂O₃多孔陶瓷显气孔率与Al粉掺入量成正比，但同时对多孔陶瓷的线收缩率和抗压强度产生消极影响。随着目前越来越多新型结构的提出，多孔陶瓷的结构也逐渐复杂化，传统一些成型方法无法满足现在的结构要求。刘杰[31]等结合新兴的3D打印技术和凝胶注模研究出一种多孔陶瓷成型技术，并成功制备具有复杂结构的Al₂O₃多孔陶瓷，实验研究了酸碱度和分散剂对陶瓷浆料的影响。王尉华[32]用Al₂O₃颗粒和Al₂O₃纤维制备了纤维强化Al₂O₃多孔陶瓷，以改变纤维长度的方式，制备出孔隙率达到58%的多孔陶瓷。吸液芯处于环路热管蒸发段，所以抗热震性也是吸液芯性能的重要考虑因素。Al₂O₃陶瓷的抗热震性并不优越，这限制了它在其他领域的发展。张巍[33]等针对Al₂O₃多孔陶瓷抗热震性的研究进展进行了评述，其中提到的在基料当中参杂第二相的方法来提高Al₂O₃陶瓷综合热学性能从而增强其抗热震性的方法值得借鉴。关于低导热系数环路热管吸液芯材料，徐计元[34]进行了归纳总结，如表1所示。

4  总结与展望

环路热管作为一种利用冷却介质相变进行传热的导热元件，它理想的换热能力得到许多研究人员的关注并在众多领域得到广泛应用。发展至今也有了各种类型的热管，相应的吸液芯作为热管的核心部件，对它的研究对于提升热管性能也是至关重要的。目前对于吸液芯材料的研究主要是从金属材料出发的，对于陶瓷吸液芯的研究报道并不多见，因此对于陶瓷芯还有很大的研究空间。Al₂O₃多孔陶瓷作为备受关注的多孔材料之一，发展至今表现出许多优异的性能满足成为合格吸液芯的要求，今后可从以下几个方面进行研究：

（1）吸液芯的毛细性能是衡量吸液芯好坏的重要考虑因素，Al₂O₃多孔陶瓷可继续深入研究孔隙结构和尺寸对制得的Al₂O₃多孔陶瓷吸液芯抽吸性能的影响，为Al₂O₃多孔陶瓷吸液芯环路热管的性能研究打下基础。

（2）继续通过实验研究如何改善Al₂O₃多孔陶瓷的断裂韧性、抗热震性等热-力学性能，从而打破陶瓷吸液芯实际应用的局限性。

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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