柔性超薄热管&均热板研发的问题、挑战和潜在方案

编辑参考：

Michael J. Gibbons

, Marco Marengo , Tim Persoons,

A review of heat pipe technology for foldable electronic devices,

Applied Thermal Engineering 194 (2021) 117087

移动电子设备的热管理由用户舒适度决定，并因此限制了设备的操作性能。智能手机和平板电脑等移动电子设备趋向于降低厚度和增加功能，从而导致有源组件产生更高的发热密度。可折叠和可穿戴设备的出现，例如三星 Galaxy Fold和华为 Mate X，需要增加电池尺寸和 CPU 性能来驱动更大的柔性显示器。这导致产生的热通量增加，这是产生故障和安全问题的主要原因之一。

可折叠柔性设备冷却方案的现状

由于尺寸限制，主动空气冷却或大型散热器不适合去除移动电子设备产生的热能。因此，皮肤温度以及移动设备性能受到设备外壳的自然对流冷却的限制。 自然对流冷却是一种被动冷却策略，主要取决于移动设备的表面积以及外壳与周围环境条件之间的温差，后者主要取决于用户的舒适度。

这些柔性设备增加的未折叠表面积应带来比非柔性设备更大的冷却潜力，而纵观目前市场上售卖的多款折叠屏手机，大部分未实施跨越铰链机构将主板上的高发热组件的热量传递到设备的另外一部分，这意味着手机表面积的约50%未充分用于散热。

表格：近年多款折叠屏电子设备的散热方案

柔性导热的设想未得到广泛实施

为符合现代可折叠移动设备的散热方案要求，戴尔、微软、AURAS、三星、华为等相继申请了与柔性可折叠设备散热相关的专利。

三星美国专利（FOLDABLE ELECTRONIC DEVICE，US2020204666A1 ，2020）详细说明了“ 热扩散部件 ”由柔性材料构成，并且其至少部分区域可设置在柔性显示器和铰链壳体之间。专利所描述的设备设计在结构上类似于三星 Galaxy Z Fold 2（2020）。在设备铰链处描述的热扩散部件的潜在实施方式之一可以是柔性热管，但其结构和设计并未详细说明。

图：专利详细说明了，热扩散构件210可以使用工作流体的相变来有效地循环热量。由于引入真空密封管的工作流体从高温部分吸热、蒸发、移动到低温部分、冷凝并散发热量，因此热扩散构件210能够快速传递热量。热管可以用作热扩散构件210。（US2020204666A1）

华为获得专利（ US20140116661A1, 2014）的导热垫是由可压缩的多孔网状结构和填充多孔结构的导热柔性有机化合物组成的热传导片状基板，片状基板的多孔网状结构由金属材料或碳材料制成，可以是膨胀石墨片、发泡金属片或石墨烯发泡片。

Kelvin Thermal Technologies的专利（ US20200191495A1, 2020）详细描述了一个灵活的热接地平面（TGP），所描述TGP的蒸发器和冷凝器区域可以包括与纳米棒和/或微芯吸结构耦合的纳米网组成，而柔性外壳材料可以是“ 薄金属层、液晶聚合物、聚酰亚胺或其他聚合物材料 ”。

Kelvin Thermal Technologies专利中描述，现有技术的均热板芯吸结构可由烧结铜或其他金属制成，随着微/纳米混合芯吸结构的发展，FTGP（柔性热接地平面） 的热导率可能至少比当今刚性均热板的热导率高 10 倍，同时重量也减少了一个数量级，FTGP 的热通量也可能高达 1,000 W/cm2，并且厚度显著减少。

图：微/纳米芯吸结构实施例

微软公开了一种用于可折叠电子设备的热管理控制系统，控制系统比较设备不同可折叠部分中两个位置的局部温度，根据温差调整处理器性能。微软获得专利（WO 2019221942A1）的传热装置包括了可以由钛金属构成的蒸汽室和柔性铰链。

以上相关专利中，柔性导热器件的发展方向集中于柔性碳材料、柔性热管以及柔性均热板，当热源和散热器不在同一平面上时，这些柔性导热器件都可以得到应用，比如置于表皮的柔性可弯曲可拉伸电子设备系统，头戴式设备等。

相比于传统的由刚性材料制成刚性超薄热管/均热板，柔性超薄热管的研究尚未成熟，目前还未得知商业化应用的公开报道，而跨越折叠设备铰链的柔性石墨冷却方案已经在华为以及小米的折叠屏手机上获得应用。

超薄柔性热管/热板是折叠屏设备理想的散热技术

移动电子产品的热解决方案应以热阻 < 0.2k/W为目标，更高功率的器件需要更低的热阻。回顾上文折叠屏手机的统计数据，使用Galaxy Z Fold 2 的尺寸和TDP 做基本计算，假设最大尺寸为特征长度，结果得知，如需将整个设备的温差维持在1℃，那设备将等同于一个16mm厚的实心铜模型 (k = 390W/(m K)) ，这个厚度是实际Galaxy Z Fold 2 展开厚度的约2.3倍。因此，为了在整个设备上实现较小的温差，小尺寸（厚度t  <  1 mm)，导热系数 > 6,250 W/(m K)的热管是实现这一目标的理想技术。

图：展开过程中的Galaxy Z Fold 2 效果图

柔性超薄热管研发的问题、挑战和潜在方案

目前，从公开的文献中可以明显看出，超薄柔性热管技术仍然需要很大程度上的深入开发。结合最新技术和文献建议，以下列举对超薄柔性热管领域的未来研究具有潜在影响的因素。

外壳材质

1、聚合物是超薄柔性热管理想的封装材料，但聚合物的热导率通常远远低于金属，可以通过使用热通孔来克服；

2、金属芯结构，如烧结铜粉和金属网，不能与聚合物外壳烧结在一起，增加了它们的热阻 ；

3、基于聚合物的热管会产生漏气问题，以及产生限制长期可靠性的不凝性气体。解决方案包括结合灵活的气体屏障，例如铝箔，铟或铜镀层等；

4、聚合物一般与工作液的润湿性较低，这对于促进冷凝区域中的液滴冷凝可能是有利的。对于蒸发区域，可以通过使用足够亲水的芯吸结构加以克服。

图：Kelvin Thermal Technologies展示的聚合物TGP

多孔芯结构

热管内的毛细芯应该能够提供足够的毛细管力以及蒸汽流动的空间，这是实现所需的传热性能所必需的，所使用的吸液芯应最大限度地提高亲水性和渗透性，一些对策包括：

1、采用表面氧化，化学腐蚀和沉积以在表面形成微/纳米结构形态；

2、使用纳米级灯芯（例如碳纳米管），以最大化吸液芯潜力；

3、使用混合吸液芯结构，例如凹槽和纤维，以及柱/凹槽和网/纤维。多尺度吸液芯可满足够的毛细管力和低蒸汽流动阻力的要求；

4、螺旋编织网由纤维编织组成，具有出色的柔韧性和芯吸潜力，非常适合制造超薄热管；

5、应该选择尽可能小的吸液芯厚度，使得芯中的毛细压力是芯和蒸气芯中总压降的两倍。毛细芯的润湿性越大，它就可以越薄，从而最大限度地增加蒸汽空间。

汽液空间设计

传热性能随着均热板厚度的减小而减小 ，内腔的液体和蒸汽空间需要通过数值和分析模型进行仔细的设计优化。流动沸腾和冷凝在超薄热管密闭空间中的研究，是一个待深入的领域。

1、 随着厚度的减少，蒸气室的热阻被蒸气核心的温度梯度所支配。一个超薄的蒸汽核心会产生一个高压梯度，从而产生一个高饱和温度梯度。流体的热物理特性决定了这种热阻。这样一个沿着蒸汽核心的高温度梯度导致了沿冷凝器表面的温度大幅变化。

2、应考虑智能几何配置，以尽量减少压降（径向通道，叶子/血液毛细管 设计) ，可以通过分析和数值模型（多对象遗传算法或拓扑结构优化）来完成。

蒸发器

蒸发器设计应注重集成高导热结构，将蒸发器和冷凝器部分的刚性高导热材料与通过折叠铰链位置的柔性绝热部分相结合是一个潜在的方向，构建刚性-柔性-刚性的三段式结构。

封装外壳材料和蒸发器区域多孔芯结构之间的强热连接对于最小化热阻至关重要，复合聚合物和铜形成的热通孔设计，降低了穿墙热导率 。对于足够薄的低导热率外壳材料，与整个系统的温度下降相比，通过热管外壳的温度下降可能微不足道。

一些文献指出，在平板热管的密闭几何形状中尽管过热度为8K，但由于巨大的潜热和表面张力，平板热管不会发生核沸腾。Dai等人证明了毛细管蒸发，利用了粘合网层下的微通道，有必要采用复合（双孔）蒸发器设计，以防止发生沸腾的情况下在蒸发器上形成蒸汽热绝缘体。

冷凝器

移动电子设备受到外壳自然对流的限制，为了减轻设备上的热点，必须实现有效的热扩散，这与热管的液汽空间比有关。

1、为了提高冷凝器的均匀性，一些研究建议：(i) 增加冷凝器侧壁和吸液芯中心区域的热传导阻力，以及 (ii) 降低蒸汽核心热阻。实现这两种效果的一种方法是消除部分中央冷凝器区域的吸液芯毛细管力，意味着将通过用一层较低导热率的液体（水）来代替多孔金属芯来局部降低该区域吸液芯的有效热导率。

2、其他研究表明，超疏水冷凝器和超亲水蒸发器的组合可以显著提高蒸汽室的性能。这种超疏水的表面有几个优点。(i) 它可以有效地防止产生可能大大降低冷凝效率的液膜的凝结效率；(ii) 蒸汽可以很容易地在这个表面上凝结成液滴，然后直接滴入吸液芯。这可以缩短回水路线，防止中心吸液芯的干燥。

图：Furukawa开发的 Pera-flex Heatpipe具有一定的二维弯曲能力

由于可折叠和可穿戴电子设备的出现，超薄柔性热管是一个快速发展的领域。超薄柔性热管与宏观刚性、超薄刚性和宏观柔性热管共享部分设计组件和设计原则。这些年，超薄刚性热管/均热板的广泛应用，为超薄柔性热管的未来发展提供了良好的基础。

以上内容探讨了超薄柔性热管的研究问题、挑战以及潜在的发展方向，可以发现这项研究是跨学科的，包括传热实验、流体可视化、分析和数值建模以及材料科学等，因此，需要多学科的协力合作，才能获得成功商业化的超薄柔性热管产品。

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