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ヒートパイプは、2つの固体界面間で熱を伝達するために相転移を利用する熱伝達装置である。[ 1 ]
ヒートパイプの高温側では、熱伝導性の高い固体表面に接触した揮発性液体が、その表面から熱を吸収して蒸気に変化します。蒸気はヒートパイプ内を移動して低温側に到達し、そこで再び液体に凝縮して潜熱を放出します。その後、液体は毛細管現象、遠心力、または重力によって高温側に戻り、このサイクルが繰り返されます。
沸騰と凝縮の熱伝達係数が非常に高いため、ヒートパイプは非常に効率的な熱伝導体です。有効熱伝導率はヒートパイプの長さに応じて変化し、 長いヒートパイプの場合、約100 kW/(m⋅K)であり、 銅の場合、0.4 kW/(m⋅K)である。[ 2 ]
現代のCPUヒートパイプは通常銅製で、作動流体として水を使用しています。[ 3 ]これらはデスクトップ、ノートパソコン、タブレット、ハイエンドスマートフォンなど、多くの民生用電子機器で一般的です。
重力を利用したヒートパイプの一般的な原理は、一般に二相サーモサイフォンに分類され、蒸気機関の時代にまで遡ります。アンジャー・マーチ・パーキンスとその息子ロフタス・パーキンスはパーキンス管を開発し、これは機関車のボイラーやオーブンで広く使用されました。[ 4 ]毛細管を利用したヒートパイプは、1942年にゼネラルモーターズのRSゴーグラーによって初めて提案され、彼はそのアイデアの特許を取得しましたが、[ 5 ]開発は行いませんでした。
ジョージ・グローバーは1963年にロスアラモス国立研究所で毛細管現象を利用したヒートパイプを独自に開発しました。同年取得した彼の特許[ 6 ]は「ヒートパイプ」という用語を初めて使用したものであり、彼はしばしば「ヒートパイプの発明者」と呼ばれています[ 7 ] 。彼はノートに次のように記しています[ 8 ]。
外部ポンプを必要としないこのような閉鎖系は、宇宙用原子炉において、炉心から放射系へ熱を移動させる際に特に有用であると考えられる。重力がないため、必要な力は毛細管現象と、その流路を通って戻ってくる蒸気の抵抗に打ち勝つだけの力で済む。
グローバーの提案はNASAに採用され、NASAは1960年代にヒートパイプの開発を主導し、特に宇宙飛行における信頼性向上への応用に着手した。ヒートパイプは軽量で熱流束が大きく、消費電力もゼロであること、そして無重力環境でも悪影響を受けないことを考えると、これは当然のことだった。
最初の宇宙応用例は、衛星トランスポンダの熱平衡化でした。[ 9 ]衛星が軌道を周回すると、片面は太陽の直接放射にさらされ、反対側は完全に暗く、宇宙空間の極寒にさらされます。これにより、トランスポンダに深刻な温度差が生じ（信頼性と精度が低下します）、この目的のために設計されたヒートパイプは、高い熱流束を管理し、重力の影響の有無にかかわらず完璧な動作を実証しました。この冷却システムは、可変伝導率ヒートパイプを使用して熱流または蒸発器温度を能動的に制御した最初のシステムでした。
NASAは極限条件向けに設計されたヒートパイプをテストし、作動流体として液体ナトリウムを使用するものもあった。他の形態のヒートパイプは通信衛星の冷却に使用されている。 [ 10 ] 1967年と1968年にフェルドマン、イーストマン[ 11 ]、カッツォフによって発表された論文では、空調、エンジン冷却、電子機器冷却など、より広範な用途へのヒートパイプの応用について初めて議論された。これらの論文は、フレキシブル、動脈型、平板型ヒートパイプについて初めて言及したものである。1969年の論文では、タービンブレード冷却への応用を伴う回転式ヒートパイプの概念が紹介され、極低温プロセスへのヒートパイプの応用について初めて議論された。
1980年代に入ると、ソニーは強制対流式ヒートシンクとパッシブフィン式ヒートシンクの両方に代わり、ヒートパイプを自社の電子製品に採用し始めた。当初は受信機やアンプに用いられていたが、すぐに他の高熱流束電子機器にも普及していった。
1990年代後半、高熱流束のマイクロコンピュータCPUの普及に伴い、米国におけるヒートパイプ関連特許出願件数は3倍に増加した。ヒートパイプは、特殊な産業用熱伝達部品から一般消費者向け製品へと進化するにつれ、開発と生産の大部分は米国からアジアへと移っていった。
一般的なヒートパイプは、エンベロープ（密閉されたパイプ）、ウィック、および作動流体から構成されます。エンベロープは、作動流体と適合する材料で作られており、例えば、水ヒートパイプの場合は銅、アンモニアヒートパイプの場合はアルミニウムなどです。通常、真空ポンプでパイプ内の空気を除去し、作動流体を部分的に充填してから密閉します。作動流体の質量は、ヒートパイプが動作温度範囲で蒸気と液体の両方を含むように選択されます。[ 1 ]
ヒートパイプシステムの動作温度は非常に重要です。動作温度を下回ると、液体は冷たすぎて気化できません。動作温度を上回ると、液体はすべて気化し、周囲温度が高すぎて気体が凝縮しません。壁を通して熱伝導は可能ですが、熱伝達速度は大幅に低下します。さらに、一定の熱入力に対して、作動流体の最低温度に達する必要がありますが、もう一方の端では、初期設計からの熱伝達係数のさらなる増加（偏差）は、ヒートパイプの動作を阻害する傾向があります。これは直感に反する可能性があり、ヒートパイプシステムがファンによって補助されている場合、ヒートパイプの動作が大幅に低下する可能性があります。動作温度と最大熱輸送能力（流体を高温領域に戻すために使用される毛細管またはその他の構造によって制限される）は密接に関連しています。[ 12 ]
作動流体は、必要な動作温度に応じて選択され、極低温用途向けの液体ヘリウム(2～4 K )から、極高温向けの水銀(523～923 K)、ナトリウム(873～ 1473 K)、さらにはインジウム(2000～3000 K) まで、さまざまな例があります。室温用途向けのヒートパイプの大部分は、アンモニア(213～373 K)、アルコール(メタノール(283～403 K)、エタノール(273～403 K))、または水(298～573 K) を使用しています。銅/水ヒートパイプは銅製の外皮を持ち、作動流体として水を使用し、通常20 ～150 °C (293～423 K)で動作します。[ 13 ] [ 14 ]水ヒートパイプは、水が部分的に満たされ、水が沸騰して空気を押し出すまで加熱され、熱いうちに密封されることがあります。
ヒートパイプ内には、飽和液体とその蒸気（気相）が含まれている必要があります。飽和液体は蒸発して凝縮器へと移動し、そこで冷却・凝縮されます。
液体はウィックを介して蒸発器に戻り、ウィックは液体に毛細管現象を及ぼします。ウィックの構造には、焼結金属粉末、スクリーン、およびパイプ軸に平行な一連の溝を持つ溝付きウィックなどがあります。凝縮器が重力場内の蒸発器の上に配置されている場合、重力によって液体を戻すことができます。この場合、パイプはサーモサイフォンです。回転ヒートパイプは遠心力を使用して、凝縮器から蒸発器に液体を戻します。[ 1 ]
ヒートパイプには可動部品がなく、通常はメンテナンスも不要ですが、作動流体の劣化によってパイプの壁を通して拡散する非凝縮性ガスや、材料に元々含まれている不純物によって、最終的にパイプの効率が低下する可能性があります。[ 1 ]
ヒートパイプが他の多くの放熱機構よりも優れている点は、熱伝達効率の高さです。 直径1インチ、 長さ2フィートのパイプは、端から端までわずか18 °F（10 °C）の温度降下で、1,800 °F（980 °C）で3.7kW （13,000BTU /h）の熱を伝達できます。 [ 14 ]一部のヒートパイプは、1000kWを超える熱流束を実証しています。 23 kW/cm 2であり、太陽表面の約 4 倍である。[ 15 ]
一見互換性があるように見えるエンベロープ/作動流体の組み合わせでも、実際には互換性がない場合があります。たとえば、アルミニウム製のエンベロープ内の水は、数時間から数日のうちに大量の非凝縮性ガスを発生させます。この問題は主に、水の存在下でのアルミニウムの酸化と腐食によって非凝縮性水素ガスが放出されることに起因します。[ 16 ]
耐久試験では、パイプを長時間運転し、非凝縮性ガスの発生、物質輸送、腐食などの問題がないか監視します。[ 17 ] [ 18 ]
最も一般的に使用されるエンベロープ/芯/液体の組み合わせは次のとおりです。[ 19 ]
その他の組み合わせとしては、100 K以下の温度で窒素、酸素、ネオン、水素、またはヘリウムを作動流体とするステンレス鋼エンベロープ、ヒートパイプが水の温度範囲以下で動作する必要がある電子機器冷却用の銅/メタノール、アンモニアが凍結する可能性がある環境での宇宙船の温度制御用のアルミニウム/エタンヒートパイプ、および1,050 °C (1,320 K; 1,920 °F)を超える用途向けの耐火金属エンベロープ/リチウム流体などがあります。[ 20 ]
ヒートパイプは、特定の冷却条件に合わせて調整する必要があります。パイプの材質、サイズ、冷却材の選択はすべて、最適な温度に影響します。設計温度範囲外では、熱伝導率はパイプの被覆材の熱伝導特性まで低下します。銅の場合、これは設計熱流束の約1/80になります。これは、温度範囲外では作動流体が蒸発せず、温度範囲外では凝縮しないためです。
材料の制約により、直径3mm未満の従来型ヒートパイプを製造できるメーカーは少ない。 [ 21 ]研究者らは、グラフェンを含むヒートパイプが電子機器の冷却性能を向上させることができることを示した。[ 22 ]
標準的な定伝導ヒートパイプ（CCHP）に加えて、他のタイプには次のものがあります。[ 23 ]
薄い平面パイプ（ヒートスプレッダーまたはフラットパイプ）は、管状パイプと同じ主要コンポーネントを備えています。[ 24 ]蒸気室に内部サポート構造または一連の支柱を追加して、最大90 psi (620 kPa)のクランプ圧力に対応します。これにより、圧力が加えられたときにフラットな上面と下面が潰れるのを防ぎます。
蒸気室の主な用途は、比較的小さな蒸発器に高出力と高熱流束を印加する場合の 2 つです。[ 25 ]蒸発器への熱入力により液体が気化し、凝縮器表面に 2 次元で流れます。蒸気が凝縮した後、ウィック内の毛細管力により凝縮液が蒸発器に戻ります。ほとんどの蒸気室は重力の影響を受けず、逆さまにして蒸発器を凝縮器の上に置きます。この用途では、蒸気室は熱流束変換器として機能し、電子チップやレーザーダイオードからの高熱流束を冷却し、自然対流または強制対流で除去できる低熱流束に変換します。特殊な蒸発器ウィックを使用すると、蒸気室は 4 cm 2で 2000 W、または 1 cm 2で700 Wを除去できます。[ 26 ]
ベイパーチャンバーのもう一つの主要な用途は、ノートパソコンの冷却です。ベイパーチャンバーは平らで二次元的なため、従来のパイプに比べてゲーミングノートパソコンにとってより有利です。たとえば、LenovoのLegion 7iのベイパーチャンバー冷却はセールスポイントでした（ただし、搭載されていたのはごく少数のユニットのみでした）。[ 27 ]
1 次元の管状パイプと比較して、2 次元パイプの幅により、薄いデバイスでも熱の流れに適した断面積を確保できます。このようなパイプは、ノートパソコンや表面実装回路基板コアなどの「高さに敏感な」用途で使用されます。厚さ 1.0 mm (クレジットカード よりわずかに厚い) の平らなパイプを製造することが可能です。[ 28 ]
標準的なヒートパイプは定伝導デバイスであり、動作温度はソースとシンクの温度、およびソースからシンクまでの熱抵抗によって設定されます。電力またはコンデンサー温度が低下すると、温度は直線的に低下します。衛星や研究気球の熱制御などの一部のアプリケーションでは、電子機器は低電力または低いシンク温度で過冷却されます。可変伝導ヒートパイプ（VCHP）は、電力とシンク条件が変化するにつれて、冷却される電子機器の温度をパッシブに維持するために使用されます。[ 29 ]
可変伝導ヒートパイプは、リザーバーと非凝縮性ガス（NCG）という2つの要素を追加します。非凝縮性ガスは通常アルゴンですが、サーモサイフォンではヘリウムが使用されます。ヒートパイプが動作していないときは、非凝縮性ガスと作動流体の蒸気が混合されます。パイプが動作しているときは、作動流体の蒸気の流れによって非凝縮性ガスが凝縮器に向かって運ばれます。非凝縮性ガスの大部分はリザーバー内に存在し、残りは凝縮器の一部を塞ぎます。VCHPは、凝縮器の有効長を変化させることで動作します。電力またはヒートシンクの温度が上昇すると、ヒートパイプの蒸気温度と圧力が上昇します。蒸気圧の上昇により、より多くの非凝縮性ガスがリザーバーに押し込まれ、凝縮器の有効長と伝導率が増加します。逆に、電力またはヒートシンクの温度が低下すると、ヒートパイプ内の蒸気温度と圧力が低下し、非凝縮性ガスが膨張して、アクティブコンデンサーの長さとコンダクタンスが減少します。
貯槽に小型ヒーターを追加し、その出力を蒸発器の温度に応じて制御することで、約±1～2 ℃の温度制御が可能になります。ある例では、 出力が72Wから150Wまで変化し、ヒートシンクの温度が+15 ℃から-65℃まで変化した場合でも、蒸発器の温度は± 1.65 ℃の制御範囲 内に維持されました。
VCHPは、より厳密な温度制御が必要な場合に使用できます。[ 30 ]蒸発器の温度は、リザーバーの容量または非凝縮性ガスの量を変化させるために使用されます。VCHPはミリケルビンの温度制御を実証しています。[ 31 ]
従来のヒートパイプは、高温側から低温側へ熱を伝達します。いくつかの設計では、熱ダイオードとして機能し、一方向には熱を伝達し、他方の方向には断熱材として機能します。[ 32 ]
蒸気トラップダイオードは、可変伝導率ヒートパイプと同様の方法で製造され、凝縮器の端にガスリザーバーが設けられています。製造工程では、ヒートパイプに作動流体と制御された量の非凝縮性ガス（NCG）が充填されます。通常運転時、蒸発器から凝縮器への作動流体蒸気の流れによって非凝縮性ガスがリザーバーに押し込まれ、ヒートパイプの通常の動作を妨げません。公称凝縮器が加熱されると、蒸気の流れは公称凝縮器から公称蒸発器へと向かいます。非凝縮性ガスは流れる蒸気とともに引きずられ、公称蒸発器を完全に塞ぎ、ヒートパイプの熱抵抗を大幅に増加させます。一般的に、公称断熱部にはいくらかの熱が伝達されます。その後、熱はヒートパイプの壁を通して蒸発器へと伝導されます。ある例では、蒸気トラップダイオードは 順方向に95W、 逆方向にはわずか4.3Wの電力を流した。[ 33 ]
液体トラップダイオードは、ヒートパイプの蒸発器側にウィック付きリザーバーを備えており、ヒートパイプの残りの部分のウィックとは接続されていない別のウィックを備えています。[ 34 ]通常の動作中、蒸発器とリザーバーが加熱されます。蒸気は凝縮器に流れ、液体はウィック内の毛細管力によって蒸発器に戻ります。液体を戻す方法がないため、リザーバーは最終的に乾きます。公称凝縮器が加熱されると、液体は蒸発器とリザーバーで凝縮します。液体は公称蒸発器から公称凝縮器に戻ることができますが、リザーバーのウィックは接続されていないため、リザーバー内の液体は閉じ込められます。最終的に、すべての液体がリザーバーに閉じ込められ、ヒートパイプの動作が停止します。
ほとんどのヒートパイプは、凝縮器から蒸発器へ液体を戻すために芯を使用しており、これによりヒートパイプはどの向きでも動作可能です。液体は毛細管現象 によって蒸発器へと吸い上げられます。これは、スポンジの端を水たまりに接触させたときにスポンジが水を吸い上げるのと似ています。ただし、最大逆高（凝縮器より上の蒸発器）は比較的小さく、一般的な水ヒートパイプでは約25cm程度です。
しかし、蒸発器が凝縮器より下にある場合、液体は芯を必要とせずに重力によって戻ることができ、両者間の距離ははるかに長くなる可能性があります。このような重力補助ヒートパイプはサーモサイフォンとして知られています。[ 35 ]
サーモサイフォンでは、作動流体である液体が、ヒートパイプ下部の蒸発器に熱を加えることで気化されます。発生した蒸気はヒートパイプ上部の凝縮器まで移動し、そこで凝縮します。その後、液体は重力によってヒートパイプ下部に戻り、このサイクルが繰り返されます。サーモサイフォンはダイオードヒートパイプです。凝縮器側に熱を加えると凝縮液が発生しないため、蒸気を発生させて蒸発器に熱を伝えることができません。
サーモサイフォンの設計には、サーモプローブ、サーモパイル、深層サーモサイフォン、傾斜サーモサイフォン基礎、フラットループサーモサイフォン基礎、ハイブリッドフラットループサーモサイフォン基礎などがあります。[ 36 ]
一般的な地上の水ヒートパイプは長さが 30 cm 未満ですが 、サーモサイフォンは数メートルにも及ぶことがよくあります。トランスアラスカパイプラインの冷却に使用されたサーモサイフォンは、およそ 11 ～ 12 m の長さでした。地熱エネルギーの抽出には、さらに長いサーモサイフォンが提案されています。たとえば、Storch らは、 内径 53 mm、 長さ 92 m のプロパンサーモサイフォンを製作し、約 6 kW の熱を運びました。[ 37 ]大型化できる拡張性により、太陽熱[ 38 ]や HVAC 用途にも適しています。[ 39 ]
ループヒートパイプ（LHP）は受動的な二相伝達装置です。従来のヒートパイプの向流とは対照的に、液体と蒸気が並流になるため、より高い電力をより長い距離にわたって伝送できます。 [ 40 ] [ 41 ]これにより、ループヒートパイプのウィックは蒸発器と補償室にのみ必要となります。マイクロループヒートパイプは、地上および宇宙用途で使用されています。
振動ヒートパイプ (OHP) は、脈動ヒートパイプ (PHP) とも呼ばれ、作動流体が部分的にしか充填されていません。パイプは、自由に動く液体部分と蒸気部分が交互に現れる蛇行状に配置されています。[ 42 ]作動流体内で振動が発生し、パイプは静止したままです。これらは、太陽光発電パネルの冷却、[ 43 ]電子機器の冷却、[ 44 ]熱回収システム、燃料電池システム、[ 45 ] [ 46 ] HVAC システム、[ 47 ] および脱塩[ 48 ]など、多くの用途で研究されています。PHPは相変化材料と組み合わせることができます。[ 44 ] [ 48 ]
ヒートパイプは、相変化を利用して熱エネルギーを伝達します。そのため、両端の温度を周囲温度より低くすることはできず、パイプ内部の温度を均一にすることしかできません。
ヒートパイプの一端が加熱されると、その端にあるパイプ内の作動流体が蒸発し、ヒートパイプ内部の蒸気圧が上昇します。作動流体が吸収する蒸発潜熱によって、パイプの高温端の温度が低下します。
高温側の作動流体上の蒸気圧は低温側よりも高く、この圧力差によって凝縮側への物質移動が急速に起こり、そこで余剰の蒸気が凝縮して潜熱を放出し、低温側を温めます。蒸気中の非凝縮性ガス（例えば汚染物質によるもの）はガスの流れを妨げ、特に蒸気圧が低い低温では効率を低下させます。ガス中の分子の速度は音速にほぼ等しく、非凝縮性ガスが存在しない場合（つまり、気相のみが存在する場合）、これが分子が移動できる速度の上限となります。実際には、蒸気の速度は低温側での凝縮速度によって制限され、分子速度よりもはるかに低くなります。凝縮面が非常に低温の場合、凝縮速度は付着係数、分子速度、およびガス密度の積に近くなります。しかし、表面温度が気体の温度に近い場合、表面の有限温度による蒸発によって、この熱流束はほぼ相殺されます。温度差が数十度を超えると、蒸気圧曲線から判断できるように、表面からの蒸発は通常無視できるほど小さくなります。ほとんどの場合、気体を通して効率的に熱が輸送されるため、気体と凝縮面との間に大きな温度差を維持することは困難です。さらに、この温度差自体が大きな有効熱抵抗に相当します。熱源では気体の密度が高く、最大熱流束も大きくなるため、ボトルネックは熱源側ではそれほど深刻ではありません。
ヒートパイプの興味深い特性の一つは、その有効温度範囲です。水が充填されたヒートパイプは、高温側が沸点（標準大気圧下で100 ℃、212 °F）に達して蒸気が低温側に伝達されたときにのみ機能するわけではありません。しかし、水の沸点はパイプ内の絶対圧力に依存します。真空状態のパイプでは、ヒートパイプ内に液体と蒸気の両方が存在する限り、水は三重点（0.01 ℃、32.02 °F ）から臨界点（374 ℃、705 °F ）まで蒸発します。したがって、ヒートパイプは、作動流体の融点よりわずかに高い高温側温度でも動作できますが、25 ℃（77 °F）以下の温度では最大熱伝達速度は低くなります。同様に、作動流体として水を使用するヒートパイプは、大気圧の沸点（100 °C、212 °F）をはるかに超える温度で動作できます。長期使用の水ヒートパイプの最高温度は270 °C（518 °F）で、短期試験では300 °C（572 °F）まで動作するヒートパイプもあります。 [ 49 ] [ 50 ]
蒸発熱は比熱容量をはるかに上回ります。水を例にとると、1グラムの水を蒸発させるのに必要なエネルギーは、同じ1グラムの水の温度を1 ℃上昇させるのに必要なエネルギーの540倍です。そのエネルギーのほぼすべては、液体が凝縮する際に「低温」側に急速に伝達されます。
宇宙船の温度制御システムは、宇宙船上のすべてのコンポーネントを許容温度範囲内に保つ機能を持つ。しかし、以下の点が複雑化させる。
宇宙船の中には20年間稼働するように設計されているものもあるため、受動的な熱輸送、つまり熱放射によって熱を放出する方式では、数平方メートルにも及ぶ大きな放熱板が必要となる。ヒートパイプやループヒートパイプは、宇宙船で広く用いられている。
最初の写真に示すように、宇宙船のヒートパイプには溝付き芯が使用されています。ヒートパイプはアルミニウムを押し出して作られ、通常は伝熱面積を増やして温度降下を抑えるために一体型のフランジが付いています。宇宙船ではヒートパイプが重力に逆らって作動する必要がないため、溝付き芯が使用されます。これにより、 地上の水ヒートパイプの最大長が約25cmであるのに対し、宇宙船のヒートパイプは数メートルまで伸ばすことができます。宇宙船のヒートパイプの作動流体として最も一般的なのはアンモニアです。ヒートパイプがアンモニアの凝固点以下の温度で作動する必要がある場合は、エタンが使用されます。
図２は、宇宙船の熱制御に用いられる典型的な溝付きアルミニウム/アンモニアVCHP（真空冷却ヒートパイプ）を示しています。ヒートパイプは、図１に示したものと同様のアルミニウム押出成形品です。下部のフランジ部分は蒸発器です。蒸発器の上部では、断熱部を曲げられるようにフランジが機械加工されています。凝縮器は断熱部の上に配置されています。NCG（非圧縮ガス）貯蔵槽はその上方にあります。パイプにガスを充填して密閉した後、バルブを取り外します。貯蔵槽に電気ヒーターを使用すると、蒸発器の温度を目標値から±2 K以内の範囲で制御できます 。
ヒートパイプは、電力需要の増加とそれに伴う発熱量の増加により冷却システムへの要求が高まった1990年代後半にコンピュータシステムで使用され始めました[ 51 ] 。現在では、 CPUやGPUなどのコンポーネントからヒートシンクへ熱を移動させるために、多くの最新のコンピュータシステムで広く使用されています。
ヒートパイプは、真空管式太陽熱集熱器アレイと組み合わせて、太陽熱温水器用途でも広く使用されています。これらの用途では、真空ガラス管内に配置され、太陽に向かって配置された密閉された銅管内の熱伝達流体として蒸留水が一般的に使用されます。接続パイプでは、熱伝達媒体が集熱パイプラインの大部分で蒸気に変換されるため、熱輸送は液体蒸気相で行われます。[ 52 ]
太陽熱温水器の用途において、真空管式集熱器の個々の吸収管は、従来型の「平板型」太陽熱温水器に比べて最大40%効率が高くなります。これは主に、真空管が真空になっているため、対流と伝導による熱損失が抑制されるためです。ただし、真空管式システムの相対的な効率は、平板型集熱器と比較すると低下します。これは、平板型集熱器の方が開口部が大きく、単位面積あたりの太陽エネルギー吸収量が多いためです。つまり、個々の真空管は断熱性に優れている（伝導と対流による損失が少ない）一方で、管が丸みを帯びているため吸収表面積が小さくなり、管の配列では単位面積あたりのエネルギー吸収量が少なくなります。したがって、実際の効率はどちらの設計もほぼ同じです。
真空管式集熱器は、真空状態によって熱損失が抑えられるため、凍結防止剤の使用量を減らすことができます。しかし、長時間氷点下の温度にさらされると、熱伝達流体が凍結する可能性があるため、凍結した流体が真空管を損傷しないよう対策を講じる必要があります。適切に設計された太陽熱温水器は、 特殊な添加剤を使用することで-3℃以上の低温でも凍結防止が可能であり、南極大陸で温水供給に使用されています。
永久凍土の上に建物を建てるのは、構造物からの熱で永久凍土が溶けてしまうため難しい。不安定化のリスクを回避するために、ヒートパイプが使用される場合がある。例えば、トランスアラスカパイプラインシステムでは、石油に残っている残留地熱や、移動する石油の摩擦や乱流によって発生する熱がパイプの支持脚を伝って流れ、支持脚を固定している永久凍土を溶かしてしまう可能性がある。これにより、パイプラインが沈下し、損傷する可能性がある。これを防ぐために、各垂直支持部材には4つのサーモサイフォンが装備されている。[ 53 ]
冬の間は、支柱周辺の地面よりも空気が冷たくなります。サーモサイフォンの底部の液体は地面から吸収した熱で蒸発し、周囲の永久凍土を冷やして温度を下げます。夏の間は、上部でガスが凝縮しないためサーモサイフォンは作動を停止しますが、冬の極寒により凝縮が起こり、液体が流れ落ちます。トランスアラスカパイプラインシステムでは、当初はアンモニアが作動流体として使用されていましたが、詰まりのため二酸化炭素に置き換えられました。[ 54 ]
サーモサイフォンは、盛土や線路が太陽熱を吸収する青海チベット鉄道沿線の永久凍土を凍結状態に保つ役割を果たしている。関連する地層の両側に設置されたヒートパイプは、その熱が周囲の永久凍土に拡散するのを防ぐ。
最初の市販のヒートパイプ製品は、Energy Conversion Systems, Inc. が開発し、1966 年に初めて販売された「Thermal Magic Cooking Pin」でした。[ 55 ]調理パンは作動流体として水を使用しました。外皮はステンレス鋼で、互換性のために内側に銅の層がありました。肉を焼くには、ヒートパイプの一端を肉に突き刺します。もう一方の端はオーブンの中に伸び、肉の中心部に熱を運びます。このピンを使用すると、大きな肉の塊の調理時間を半分に短縮できます。[ 56 ]
この原理はキャンプ用ストーブにも応用されている。ヒートパイプは低温で大量の熱を伝達するため、キャンプなどの状況下で食品を焼いたり、その他の料理を調理したりすることが可能になる。
暖房、換気、空調（HVAC）システムでは、ヒートパイプは空気処理システムの給気流と排気流の中、または工業プロセスの排気ガスの中に配置され、熱を回収します。
この装置は、給気流と排気流の両方に配置された、複数のフィン付きヒートパイプ管の集合体で構成されています。このシステムは排気から熱を回収し、吸気へと伝達します。
効率が最も高くなるのは、給気側を排気側の上に設置し、ユニットを垂直に立てた状態です。これにより、液状冷媒が重力の力によって速やかに蒸発器に戻ることができます。メーカーは、総熱伝達効率が最大75%に達すると主張しています。
宇宙船用原子力発電セルの冷却システムは、極めて過酷な熱環境にさらされる。アルカリ金属ヒートパイプは、熱源から熱電子変換器または熱電変換器に熱を伝達し、発電に利用される。
1990年代初頭から、原子炉炉心と電力変換システムの間で熱を輸送するためのヒートパイプが試みられてきた。[ 57 ] 2012年9月13日、NASAと米国エネルギー省の合同チームが、初のヒートパイプ冷却式マイクロリアクターを実証した。フラットトップ核分裂を用いた実証実験では、小型原子炉からヒートパイプを介して供給されるスターリングエンジンによって24Wの電力が生成された。[ 58 ]
ヴァンケルエンジンでは、燃料混合気の着火が特定の箇所で発生し、熱膨張の不均衡を引き起こして出力が低下し、燃費が悪化し、摩耗が加速します。SAE 論文 2014-01-2160「耐久性、出力、効率を向上させるためのヒートパイプ補助空冷ロータリーヴァンケルエンジン」[59] では、著者らは、一般的な小型チャンバー排気量の空冷無人航空機 エンジンで、エンジン上部の温度が 231 °C から 129 °C に低下し、温度差が 159 °C から 18 °C に低下したと主張しています。
熱交換器は、高温の流れから低温の流れ（空気、水、または油）へ熱を伝達します。ヒートパイプ式熱交換器は、それぞれが熱交換器として機能する複数のヒートパイプで構成されています。これにより、効率、寿命、および安全性が向上します。万が一、1本のパイプが破損しても、漏出する液体の量はごくわずかであり、アルミニウム鋳造などの特定の工業プロセスにおいて非常に重要です。さらに、1本のヒートパイプが破損しても、熱交換器は引き続き動作します。
EUの資金援助を受けたETEKINAプロジェクトは、2017年から2022年の間に、ヒートパイプ式熱交換器を使用してヨーロッパ各地のさまざまな工場から40%以上の廃熱を回収した。[ 60 ]
研究では、さまざまなシステムにおけるヒートパイプの利用について検討している。
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