来源 | Device

链接 | https://doi.org/10.1016/j.device.2025.100783

00

关于热管

热管是一种具有高热传导性能的装置，能够在其两端的温差极小的情况下传递大量热量，热管通常由管壳、吸液芯和端盖组成。管壳一个被抽成真空的容器，其形状可以是圆形管子或其他形状，用于将工作液与外界隔开，并承受工作液的蒸汽压力；吸液芯由毛细多孔材料构成，紧贴于管内壁，其作用是产生毛细压差（抽吸力），将工作液从冷凝段输送回蒸发段；端盖用于封闭热管的两端。

热管核心原理是通过相变和毛细作用进行热量传递。热管内部包含工作液，当热量输入端（称为蒸发段）受热时，工作液吸收热量并迅速蒸发形成气体。随后，气体沿着管内移动到冷却端（称为冷凝段），在此过程中冷凝成液体并释放热量。液态工作液通过毛细作用或重力返回到蒸发段，完成一个完整的循环。

热量吸收与液体汽化：当热管的一端（蒸发段）受热时，吸液芯中的液体吸收热量并迅速蒸发成气态。这个过程中，液体吸收了大量的汽化潜热，使得蒸发段的温度得以保持相对稳定。

蒸汽流动与热量传递：蒸发产生的蒸汽在微小的压差下流向热管的另一端（冷凝段）。蒸汽在流动过程中携带了大量的热量，实现了热量的快速传递。

蒸汽冷凝与热量释放：在冷凝段，蒸汽遇冷凝结成液态，同时释放出潜热。这些热量通过热管的管壁和散热器传递到外部环境中，从而实现了热量的散失。

液体回流与循环：冷凝后的液体在毛细力的作用下（或重力的辅助下），沿吸液芯流回蒸发段。这个过程中，液体不断补充蒸发段的工作液体，确保热管能够持续进行热量的传递。

01

背景介绍

随着电子设备向高性能、轻量化与高集成度持续演进，其热管理需求日益严峻。当前主流移动设备多采用石墨散热片，但其导热性能逐渐无法满足需求，亟需替代技术。相变散热技术（如相变材料PCM、均热板VC、热管HP）虽具备高导热潜力，但PCM存在泄漏风险、二次散热能力差等问题；VC与HP技术虽可通过扁平化设计实现薄型化，却因汽液未分离，在高功率下高速蒸汽携带回流液体产生“携带极限”效应，限制热传输距离与传热极限。环路热管（LHP）由热管发展而来，是指一种回路闭合环型热管，通过毛细压头实现液体回流与汽液分离，克服携带极限，实现热量高效远距离传输与耗散。

02

成果掠影

近日，西安交通大学魏进家、杨小平团队，联合山东大学孙锲、杜慕以及歌尔股份中央研究院研发团队张锋、李法团等人，研发了一款超薄（0.7毫米）且轻量化（3.95克）的微型环路热管（mLHP），为高性能移动电子设备热管理提供了全新解决方案。开发了一种超薄高性能毛细“泵”结构：含多尺度孔结构的阶梯锯齿形主毛细芯和柔性编织结构辅助毛细芯，在实现汽液分离的同时为微型环路热管提供强大驱动力；通过无焊料键合技术将铜基蒸发器与聚合物基汽液管路/冷凝器组装集成，兼顾了高蒸发传热性能和轻量化，实现了最高等效热导率24449 W/(m·K)，超过商用石墨烯散热片15倍以上。通过高温加速老化测试，器件性能稳定维持30天性能不衰减，验证了mLHP的结构可靠性及规模化量产工艺稳定性。研究成果以“A thin and lightweight miniature loop heat pipe for cooling mobile electronic devices”为题发表在《Device》期刊。

论文第一作者为西安交通大学化工学院博士生崔庆杰，通讯作者为杨小平副教授。该工作得到国家自然科学基金项目（52476090、U2141218）的支持。同时，该工作也是产学研结合的先进案例，两校一企共同推进环路热管在电子设备热管理领域的技术突破。

歌尔股份是全球布局的科技创新型企业，主要从事声光电精密零组件及精密结构件、智能整机、高端装备的研发、制造和销售，目前已在多个领域建立了综合竞争力。歌尔股份深耕产业价值链上下游，已与消费电子领域的国际知名客户达成稳定、紧密、长期的战略合作关系。从上游精密元器件、模组，到下游的智能硬件，从模具、注塑、表面处理，到高精度自动线的自主设计与制造，歌尔打造了在价值链高度垂直整合的精密加工与智能制造的平台。

早在今年5月，歌尔股份便获得了一项名为“柔性热管及电子设备”的实用新型专利授权，这项专利的申请号为CN202421366314.9，授权日期为2025年5月6日。这一新专利的核心在于其柔性热管的设计，涉及到散热技术领域。

柔性热管的结构包括管壳和弹性支撑件，管壳由聚合物层和金属层组成，金属层内部形成真空腔，且其形状与聚合物层相匹配。通过这种设计，金属层的气体透过率低，密封性极佳，有效避免了液态工质的泄露，从而延长了热管的使用寿命。歌尔的柔性热管技术为高性能设备的散热问题提供了一个新的解决方案，不仅具备优异的散热性能，还因为其柔性设计，使得在各种复杂的设备布局中都能灵活应用。

03

图文导读

mLHP由蒸发器、主毛细芯、辅助毛细芯、冷凝器、蒸汽管和液体管等组件构成。在这项工作中，团队展示了一种以镍纤维毡为毛细芯、铜镀聚酰亚胺薄膜为冷凝器的薄型轻量化mLHP。团队通过在特定热输入条件下记录不同位置的温度来评估mLHP的热传递效率。在整个实验中，使用精度为0.5 K的热电偶在八个不同位置记录温度，其中七个位置在mLHP的表面，测量的具体位置包括蒸发器的中心、蒸发器的出口和入口以及冷凝器部分。

图1.mLHP 的设计和工作机制示意图。(A) 实验中使用的设备及温度测量点示意图。(B) 蒸发器内部结构图。(C) mLHP的实物图。(D) mLHP的具体制备过程。

毛细芯产生的毛细力是mLHP运行的驱动力，其性能影响mLHP的整体性能。mLHP的毛细芯分为两类：主毛细芯和辅助毛细芯，主毛细芯使用镍纤维毡作为基础材料，辅助毛细芯由编织螺旋铜线构成。与超薄环路热管中其他常用的金属毛细芯相比，镍纤维毡表现出更强的毛细力和更高的制造稳定性及可扩展性。在制造过程中，不使用焊料进行焊接，实现了实验室规模的批量生产。

图2.高性能超薄毛细芯吸液性能。(A) 主毛细芯的实物及SEM图像。(B) 不同毛细芯的液体吸收性能对比。镍纤维毡毛细芯的液体吸收量和速度均高于铜网毛细芯和铜粉烧结毛细芯。

图3.瞬态特性。(A) 在输入功率Qin = 1 W，倾斜角度α = 90°的工作条件下，mLHP的启动过程。整个过程分为三个阶段：阶段I，蒸汽生成；阶段II，工作流体回流至蒸发器；阶段III，循环正式建立。(B) 在热输入功率Qin（1-7 W）和倾斜角度α = 90°下的瞬态特性。在高功率条件下，由于工作流体过热和液体工作流体的延迟返回，会产生超调效应。

(C) 在红外测量下的启动过程（Qin = 4 W，α = 90°）。

此外，团队还研究了输入功率、不同倾斜角度α、重力对mLHP性能的影响，并评估了mLHP高温老化测试下的长期耐用性。研究结果表明，随着输入功率的增加（Qin>3W），mLHP的热性能得到改善，减少了蒸发器入口处的热泄漏。此外，在更大的倾斜角度下，随着输入功率的增加，mLHP的性能也随之提高。mLHP的最大散热功率为7W，等效热导率为1831–24449 W/(mK)，热阻为19.04-1.15K/W。mLHP在90°C的高温下进行了为期30天的长期老化测试，期间未观察到性能下降。

图4.稳态特性。在低功率下，有限的流体循环导致蒸发器入口处显著的热损失。增加Qin会增强流体流动，提高mLHP各部分的温度。

图5.倾斜角度对稳态性能的影响。(A) 倾斜角度对mLHP蒸发器基板温度的影响。在恒定的加热功率下，增加倾斜角度会降低基板温度，这是由于重力辅助液体回流增强。(B) 倾斜角度对热性能的影响。等效热导率（λeff）增加了378.6%，而热阻（RmLHP）降低了79.2%。

图6.长周期运行和冷启动/热启动条件下的mLHP性能。(A) mLHP在高温环境（90°C）下长期运行（30天）的结果。(B) mLHP的热启动和冷启动之间的区别。

04

作者信息

魏进家，西安交通大学教授，国家杰出青年基金获得者，国务院政府特殊津贴专家。长期从事两相流与传热、太阳能光热利用研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金等重点项目10余项。发表高水平期刊论文300余篇，获授权发明专利50余件，获省部级科技奖励一等奖5项、国际奖项1项。

杨小平，西安交通大学副教授、博士生导师，从事高热流密度芯片散热技术研究，研发新型环路热管、大功率均温板、新型微通道散热器等两相散热技术，成果应用于国内多家龙头科技企业及科研单位。主持中国空间站空间科学实验项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划子课题等课题10余项，在国内外权威期刊发表论文60余篇，申报/授权国家发明专利50余项及国际专利5项。

孙锲，山东大学教授、热科学与工程研究中心主任，博士生导师。研究方向为可持续能源系统与电子设备热管理，主持国家及省部级项目10余项，发表论文100余篇，授权发明专利40余项，出版英文专著3部。任国际AMS热控系统负责人、欧洲核子中心科学家，兼任《e-Prime》副主编等职。

杜慕，山东大学副研究员、硕士生导师。研究方向为微尺度传热与先进热管理技术，包括在电子器件冷却、气凝胶超级隔热材料、太阳能、建筑节能、被动式辐射/蒸发制冷等领域的应用，主持国家及省部级项目4项，以第一/通讯作者身份发表SCI论文30余篇，其中中科院一区/Top期刊论文20余篇。

张锋、李法团，歌尔股份中央研究院结构研发技术专家，中央研究院是歌尔股份有限公司内部的重要研发部门，负责推动公司在声光电、VR/MR、微电子等高科技领域的技术创新与研发。