聊聊热管/均热板内部的毛细结构 In 指挥学院 @2025-11-20 11:25:21
作为热设计工程师，热管和均热板应该是比较常见的两种传热均温手段。
为什么它们的等效热导率如此高？
诚然，是因为内部的工质（水、乙醇、氟化液等）发生了相变，潜热要远比显热高得多。
另一方面，在应用环境复杂的工况下，冷凝液能及时回流至蒸发端而不至干涸也是非常重要的一点，起到这个重要作用的就是内部的毛细结构。
在整个传热过程中，毛细芯一方面为冷凝液体工质的回流提供动力和通道，另一方面蒸发端毛细芯的多孔结构能够加速蒸发端液体工质的蒸发和沸腾。
毛细芯的毛细性能通常采用毛细力（Ccapillary force）和渗透率（permeability）来进行评价。
一般情况下，当毛细芯孔隙率一定时，孔径越大，毛细芯渗透率越大，液体工质的回流阻力减小，但此时毛细力变小，液体工质回流的驱动力减小；反之，孔径减小，毛细力增大，但渗透率减小，液体工质的回流阻力变大。因此，平衡好毛细力和渗透率这对矛盾变量之间的关系，是提高热管和均热板传热性能的关键。
经过多年的研究，科研人员尝试采用不同的制造方式来制备毛细芯，发展出了一系列不同的毛细芯结构，其中常见的有：沟槽型毛细芯（Groove）、粉末烧结型毛细芯（Powder）、丝网烧结型毛细芯（Mesh）、复合型毛细芯（Composite）以及仿生型毛细芯（Bionic structure）等。
1、沟槽型毛细芯（Groove）
通常是在热管或均热板的内壁通过机械加工（如铣削、车削等）或化学蚀刻等方法形成具有一定形状和尺寸的沟槽。
优势在于沟槽结构液体回流阻力小，工质循环快。且结构简单，易于加工制造，成本相对较低。
但毛细力相对较弱，抗重力能力太差，限制了其在一些高要求场合的应用。
所以，为了提高沟槽型毛细芯均温板的传热性能，通常采用在沟槽上烧结粉末的方法来获得更大的毛细力，也就形成了后面提到的复合型毛细芯。
2、粉末烧结型毛细芯（Powder）
粉末烧结型毛细芯是目前应用最广泛的热管毛细芯材料，它是将金属或陶瓷粉末均匀地铺设在热管或均热板的内壁，然后通过高温烧结工艺使粉末颗粒相互粘结形成具有一定孔隙结构的毛细芯。
这种毛细结构可根据需要调整孔隙大小和分布，以适应不同的工作条件，具有毛细力大，抗重力性能好的特点，但其孔隙率一般较低，渗透率较低，工质回流阻力大。
3、丝网烧结型毛细芯（Mesh）
先将金属丝网裁剪成合适的尺寸和形状，然后将其放置在热管或均热板的内壁，通过烧结工艺使丝网与管壁以及丝网自身的网孔相互粘结固定。
丝网烧结型毛细芯主要通过网丝之间的间隙来提供毛细力，所以丝网烧结型毛细芯的毛细力大小主要由网丝的直径和网丝之间的间距决定。
丝网以目数为指标进行区分，目数是指每平方英寸筛网上的孔眼数目，目数越高，孔眼越多，表示能够通过筛网的粒子的粒径越小。在中国，目数通常以每厘米长度内的目孔数表示，而国际上则用每英寸内的目孔数表示。