In dem Bestreben, die Verdampfungseffizienz in thermischen Systemen zu maximieren, wurde in einer aktuellen Studie im Internationalen Zeitschrift für Wärme- und Stoffübertragung einen Durchbruch bei der Konstruktion von Dochtverdampfern vor: poröse 3D-Metastrukturen, die aus sorgfältig entworfenen Kapillarnetzen bestehen. Durch den Einsatz fortschrittlicher Herstellungsmethoden, einschließlich gesinterter Metallpulver und präzisionsgeformter Elemente, unterstreicht die Studie die entscheidende Rolle von Multiskalengeometrien bei der Verbesserung der Wasserdampferzeugung.
Die untersuchten Verdampferdochte wurden mit auf Einheitszellen basierenden Strukturen gebaut, die Kapillar-"Arterien" über einer porösen Monolayer-Basis integrieren und so einen doppelten Nutzen für den Flüssigkeitstransport und die Wärmeableitung bieten. Diese Arterien erweitern die Verdunstungsoberfläche und bewässern das Substrat kontinuierlich, so dass ein Austrocknen auch unter hohen Wärmestrombedingungen verhindert wird. Diese multiskalige Architektur ist darauf zugeschnitten, die kapillar-viskose Dynamik zu optimieren und die Verdampfungsraten und die Effizienz zu erhöhen.
Dieses Maß an struktureller Kontrolle spiegelt den Kernwert der Projection Micro Stereolithography (PµSL)-Technologie von BMF wider, mit der Auflösungen von bis zu 2 Mikrometern mit engen Toleranzen (±10µm) erreicht werden können. Die Drucker von BMF sind ideal für die Herstellung hochdetaillierter poröser Strukturen, wie z. B. Dochtstrukturen mit eingebetteten Fluidkanälen, Gittergerüste und periodische Metasurface-Geometrien.
In der Studie verwendeten die Forscher gesinterte Kupferpulver, die mit einer Präzision im Mikrometerbereich mit Graphitformen geschichtet wurden, um Arterienmuster zu bilden. Auch wenn hier das Sintern die Methode war, könnten ähnliche Keramik- und Polymerdochtstrukturen mit der hochauflösenden additiven Fertigung von BMF mit weitaus größerer Flexibilität hergestellt werden. Dazu gehört die Möglichkeit, die Porosität fein abzustimmen, die Fließwege der Flüssigkeiten zu optimieren und sogar komplexe 3D-Einheitszellen direkt zu drucken - unter Umgehung der Beschränkungen formgebundener Verfahren.
Das werkstoffoffene System des BMF und die Unterstützung von Hochleistungskeramiken (wie Aluminiumoxid oder Zirkoniumdioxid) würden die Entwicklung von hochtemperatur- und korrosionsbeständigen Verdampferdochten ermöglichen, die in anspruchsvollen Anwendungen über Kupfer hinausgehen.
Die experimentellen Ergebnisse sind überzeugend: Dochtstrukturen mit integrierten Arterien erzielten bis zu 50 % höhere Verdampfungsraten und einen thermischen Wirkungsgrad nahe Eins. Die optimierten Designs ermöglichten eine konsistente Dünnschichtverdampfung, indem sie ein Austrocknen vermieden und eine hohe Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf aufrechterhielten. Diese Leistungssteigerungen machen diese Strukturen vielversprechend für die solarbetriebene Dampferzeugung, Adsorptionskältemaschinen und passive Kühlsysteme.
Mit den Mikro-3D-Druckern von BMF können Forscher und Ingenieure in kürzester Zeit Prototypen erstellen und Dochtdesigns überarbeiten, was die Entwicklungszeit verkürzt und gleichzeitig bisher unerreichbare Mikrostrukturen ermöglicht. Für Anwendungen, die ein präzises Wärmemanagement oder einen präzisen Flüssigkeitstransport erfordern - insbesondere in miniaturisierten oder tragbaren Systemen - eröffnen diese Fortschritte neue Designfreiheiten.
Diese Studie bringt nicht nur die Wissenschaft der kapillargesteuerten Verdampfung voran, sondern weist auch auf das transformative Potenzial des mikropräzisen 3D-Drucks hin. Die Technologie von BMF bietet die Auflösung, Genauigkeit und Materialkompatibilität, die erforderlich sind, um diese thermischen Geräte vom experimentellen Konzept zur skalierbaren Innovation zu bringen. Da die Systeme schrumpfen und die Anforderungen an die Effizienz steigen, könnten mikrogeformte Dochte zu einem Eckpfeiler der nächsten Generation von Wärme- und Energietechnologien werden.
Um das vollständige technische Papier zu lesen, klicken Sie hier. Wenn Sie mehr über die Arbeit des University of Michigan Engineering Heat Transfer Physics Lab erfahren möchten, besuchen Sie die Website des University Lab.
