冷凝作为一种基础的热力学相变过程，在制冷与空调、水收集、海水淡化、电子设备热管理以及发电等领域均发挥着关键作用。围绕如何提升冷凝传热效率，学界长期以来形成了两条主要技术路线：膜状冷凝（filmwise condensation）与滴状冷凝（dropwise condensation）。在膜状冷凝中，冷凝表面会持续覆盖一层厚度从微米到毫米量级的液膜，该液膜引入了额外的寄生热阻，显著削弱了传热性能。相比之下，滴状冷凝以离散液滴的形式进行，液滴生长至毛细长度尺度后在重力作用下脱离表面，暴露出新的冷凝面积，因而具有更高的传热系数。然而，在工业实践中，大量应用场景依赖低表面张力流体（如介电流体和各类制冷剂），这类流体的强润湿特性使得冷凝几乎不可避免地以膜状模式进行，传热性能受到显著制约。
针对这一瓶颈，来自北卡罗来纳州立大学（NCSU）与Advanced Cooling Technologies, Inc.（ACT）的研究人员提出了一种基于3D打印收敛式吸液芯结构（converging wick structures）的流冷凝器设计。其核心思路在于：将冷凝界面从光滑壁面转移至金属多孔吸液芯内部，利用金属芯体的高有效导热率降低冷凝液膜的热阻，同时通过沿流向逐渐收敛的流道拓扑增强尾部区域的对流效应。
该团队采用选区激光熔融3D打印技术，分别采用高导热铜合金GRCop-42和高耐蚀不锈钢17-4 PH材料，制备了两组几何结构完全一致但材料热导率差异显著的芯流冷凝器样件，并对其热工水力性能进行了系统的实验表征。
收敛式吸液芯冷凝器的结构设计
图1展示了该研究所采用的芯流冷凝器的结构设计与3D打印实物。
冷凝器整体由三部分功能区域构成：（a）工质侧的收敛式金属吸液芯流道、（b）冷却水侧的波纹微通道，以及（c）将两者隔开的薄壁传热区。
图1 （a）芯流冷凝器的整体结构示意图，标注了主要尺寸参数；（b）工质侧收敛式吸液芯结构；（c）水侧波纹微通道设计；（d）SLM 3D打印的GRCop-42与17-4 PH冷凝器实物照片。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
收敛式吸液芯的设计遵循了特定的传热强化逻辑。在冷凝器入口段，蒸汽干度较高，蒸汽流速快，此时流道截面较大以保证足够的流通面积；随着蒸汽沿流向逐渐冷凝，干度下降，流道截面同步收缩，从而在低干度区域维持较高的蒸汽流速和对流强度，避免尾部因蒸汽停滞而导致的传热恶化。水侧波纹微通道的作用则是在冷却液侧同步强化单相对流换热，降低整体热阻。
两款冷凝器的主要材料参数如下：
研究人员选取这两种热导率相差近25倍的材料，目的并非简单比较谁更好，而是在同一结构平台上建立材料热物性对冷凝性能影响的定量基准，为后续材料选型提供实验依据。
实验方法
图2为实验测试系统的示意图。
实验回路主要包括介电流体循环子系统和冷却水循环子系统。介电流体经预热后进入冷凝器测试段，在芯流冷凝器内发生冷凝；冷却水则以相反方向流经水侧波纹通道，带走冷凝潜热。通过调节介电流体的质量流率和过冷度，研究人员得以在不同工况下采集冷凝器的热通量、传热系数、出口蒸汽干度和压降四项核心指标。
图2 冷凝传热性能测试系统示意图。系统包含介电流体回路（供汽/冷凝循环）和冷却水回路（温控循环），通过数据采集系统同步记录温度、压力和流量信号。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
实验的工况参数覆盖范围如下：
- 介电流体质量流率：0.1 ~ 1.1 g/s
- 过冷度（subcooling）：固定于 ~5.5°C
实验结果
冷凝热通量
图3展示了两组冷凝器在不同质量流率下的冷凝热通量。
GRCop-42铜合金在整个测试范围内均显著优于17-4PH不锈钢，在0.6 g/s工况下达到峰值热通量 24 kW/m²（2.4 W/cm²）。17-4PH的热通量随流率增加呈现先升后降的趋势，峰值约为GRCop-42的四分之一。
这一差异的直接原因在于：GRCop-42的高热导率有效降低了芯体内部的温度梯度，维持了较大的冷凝驱动力（壁面与饱和蒸汽之间的温差）；而17-4 PH芯体内部的温度梯度较大，冷凝界面温度升高，可用温差被压缩，传热速率受限。
图3 3D打印GRCop-42与17-4 PH芯流冷凝器的冷凝热通量随质量流率的变化曲线。GRCop-42在0.6 g/s处达到峰值24 kW/m²。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
传热系数
图4为传热系数（HTC）随质量流率的变化关系。
GRCop-42在1.1 g/s下达到最高传热系数 4.2 kW/m²·K，相较17-4 PH同期数值高出约250%。在低至中流量区间（0.1~0.6 g/s），传热系数的差距尤为显著，GRCop-42的优势接近300%。这表明在热流密度敏感的紧凑型电子散热场景中，高导热金属材料的选择具有关键意义。
图4 两组冷凝器的冷凝传热系数随质量流率的变化。GRCop-42的峰值HTC达到4.2 kW/m²·K。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
出口蒸汽干度与冷凝完全性
图5展示了一个往往被热通量数据所掩盖的关键指标——出口蒸汽干度（exit vapor quality）。
GRCop-42在全部测试流率下出口干度均接近零，意味着进入冷凝器的蒸汽被完全冷凝。而17-4 PH的表现则截然不同：当质量流率从0.1 g/s提升至0.7 g/s时，出口干度从0单调攀升至约0.7，表明在较高负荷下仅有约30%的工质完成了相变。
这一结果揭示了材料热导率对冷凝完全性的决定性影响——17-4 PH的低导热导致芯体尾部温度偏高，无法维持有效的冷凝温差，冷凝过程在尚未完成时便已停滞。
图5 两组冷凝器的出口蒸汽干度随质量流率的变化。GRCop-42在所有工况下均实现近乎完全冷凝，17-4 PH在0.7 g/s时出口干度达0.7。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
压降特性
图6给出了两组冷凝器的两相冷凝压降数据。
GRCop-42的高传热性能伴随着显著更高的流动阻力：在0.6 g/s工况下，压降达到17 kPa，约为17-4PH（约8 kPa）的两倍。在1.1 g/s的高流率下，GRCop-42的压降进一步增至约32 kPa，17-4PH则约为15 kPa。
这一结果反映了热性能与液压性能之间的固有权衡——收敛式吸液芯结构在强化传热的同时增加了流动阻力，而高导热金属芯可能因更活跃的相变过程导致更大的汽液两相动量交换损失。
图6 两组冷凝器的两相冷凝压降随质量流率的变化曲线。GRCop-42的压降约为17-4 PH的两倍。
来源：Ghosh et al., ITherm 2025.
表：主要实验参数汇总
研究工作的意义
这项研究的价值在于，它并非停留在3D打印可以做出复杂冷凝器的概念层面，而是在统一的结构平台上，用一组严谨的对比实验量化了材料热导率对冷凝器核心性能指标的影响。
此前，业界对于金属芯冷凝器到底能做到什么程度缺乏定量的材料对标基准，而GRCop-42与17-4 PH之间350 W/m·K与15 W/m·K的两条性能曲线，为后续的工程设计提供了明确的参照。
从增材制造的角度看，该工作进一步展示了SLM 金属3D打印工艺在热管理器件领域的应用潜力。收敛式吸液芯与波纹微通道的一体化结构，传统减材制造难以实现，3D打印则可以在一次成型中完成，使流道拓扑优化真正从传热机理出发而非受限于工艺约束。
从材料选型的角度看，研究结果揭示的性能-压降权衡关系也具有指导意义。GRCop-42适用于追求极致传热密度的场景（如高功率电子模块液冷、紧凑型两相散热系统）；17-4 PH则可在对耐腐蚀性要求严苛、热负荷中等的工况下（如海洋环境、户外通信设备）作为一种务实的替代方案。研究团队也指出，对于中等/适度热性能的应用需求，17-4 PH的耐腐蚀优势可能使其成为更具寿命经济性的选择。
该工作的扩展版本已发表于International Journal of Heat and Mass Transfer（Volume 243, 2026, 126428），研究团队正在进一步探索梯度化吸液芯结构的设计空间。对于从事3D打印冷板、散热器以及两相流热管理器件开发的从业者而言，这条技术路线值得持续关注。
论文引用
Durga Prasad Ghosh, Behzad Ahmadi, Vivek Mano Mohan, Mohammad Reza Shaeri, Sajjad Bigham,Thermohydraulic Characterization of 3D-Printed Metallic Wick Flow Condensers, 2025 24th IEEE Intersociety Conference on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems (ITherm), Dallas, TX, USA, 27-30 May 2025. DOI: 10.1109/ITherm55376.2025.11235706.
扩展版期刊论文
Ghosh et al.,Tailored flow condensation of low surface tension fluids via additively manufactured gradient wick structures, International Journal of Heat and Mass Transfer, Volume 243, 2026, 126428. DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2025.126428
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