ヒートパイプ

ヒートパイプは相転移を利用して2つの固体界面間で熱を伝達する熱伝達装置である。^[1]

ヒートパイプの高温界面では、熱伝導性の固体表面と接触している揮発性液体がその表面から熱を吸収して蒸気になります。その後、蒸気はヒートパイプに沿って低温界面まで移動し、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界面に戻り、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果的な熱伝導体です。有効熱伝導率はヒートパイプの長さによって変化し、長いヒートパイプの場合、約100kW/(m⋅K)であるのに対し、銅の場合0.4kW/(m⋅K)。^[2]

現代のCPUヒートパイプは通常銅で作られており、作動流体として水を使用します。^[3]デスクトップ、ラップトップ、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によく使用されています。

重力を利用したヒートパイプの一般原理は、一般的に二相熱サイフォンに分類され、蒸気時代にまで遡り、アンジャー・マーチ・パーキンスとその息子ロフタス・パーキンスと「パーキンス管」は機関車のボイラーや作業用オーブンで広く使用されました。^{[4]毛細管ベースのヒートパイプは、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]それ以上の開発は行われませんでした。

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式ヒートパイプを独自に開発し、その年の彼の特許^[6]で初めて「ヒートパイプ」という用語が使用され、「ヒートパイプの発明者」と呼ばれることが多い^[7] 。彼はノートに次のように記している。^[8]

このような閉鎖系は外部ポンプを必要としないため、宇宙炉で炉心から放射系に熱を移動させるのに特に興味深いかもしれません。重力がない場合、力は毛細管現象とチャネルを通って戻ってくる蒸気の抗力に打ち勝つ程度で十分です。

グローバーの提案は、1960年代にヒートパイプの開発、特に宇宙飛行での応用と信頼性において大きな役割を果たしたNASAによって採用されました。ヒートパイプの軽量、高熱流束、ゼロ電力消費、そして無重力環境での動作による悪影響がないことを考えれば、これは理解できることでした。

宇宙計画におけるヒートパイプの最初の用途は、衛星トランスポンダの熱平衡でした。^[9]衛星が軌道を回ると、片側は太陽の直射日光にさらされ、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、トランスポンダの温度（したがって信頼性と精度）に重大な不一致が生じます。この目的のために設計されたヒートパイプ冷却システムは、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。開発された冷却システムは、熱流または蒸発器温度を積極的に制御するために可変コンダクタンスヒートパイプを使用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ており、その一部は作動流体として液体金属ナトリウムを使用しています。他の形式のヒートパイプは現在、通信衛星の冷却に使用されています。^[10] 1967年と1968年にフェルドマン、イーストマン、^[11]、カッツオフによって発表された論文は、空調、エンジン冷却、電子機器冷却などの幅広い用途へのヒートパイプの応用について初めて議論しました。これらの論文は、フレキシブル、動脈、平板ヒートパイプについて言及した最初の論文でもありました。1969年の出版物では、タービンブレードの冷却への応用を伴う回転ヒートパイプの概念を紹介し、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しました。

1980 年代から、ソニーは強制対流ヒートシンクと受動フィンヒートシンクの両方の代わりに、一部の商用電子製品の冷却方式にヒートパイプを組み込み始めました。当初は受信機とアンプに使用されていましたが、すぐに他の高熱流束電子アプリケーションにも広がりました。

1990 年代後半、マイクロコンピュータの CPU の熱流束がますます高くなり、米国のヒートパイプ特許出願数が 3 倍に増加しました。ヒートパイプが特殊な工業用熱伝達部品から消費者向け商品へと進化するにつれ、開発と生産のほとんどが米国からアジアに移りました。

現代のCPUヒートパイプは通常銅で作られており、作動流体として水を使用します。^[3]デスクトップ、ラップトップ、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によく使用されています。

典型的なヒートパイプは、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、作動流体と互換性のある材料で作られた密閉されたパイプまたはチューブで構成されています。通常、真空ポンプを使用して空のヒートパイプから空気を除去します。ヒートパイプは作動流体で部分的に満たされ、その後密閉されます。作動流体の質量は、動作温度範囲全体でヒートパイプに蒸気と液体の両方が含まれるように選択されます。^[1]

特定のヒートパイプ システムの規定/推奨動作温度は非常に重要です。動作温度より低いと、液体は冷たすぎて気体になりません。動作温度より高いと、すべての液体が気体になり、環境温度が高すぎて気体が凝縮しません。ヒートパイプの壁を通した熱伝導は可能ですが、熱伝達率は大幅に低下します。さらに、所定の熱入力に対して、作動流体の最低温度を達成する必要があります。一方、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、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故障し、熱管理システムの有効性が低下する可能性があるという意味で、直感に反する可能性があります。ヒートパイプの動作温度と最大熱輸送能力は、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（遠心力、重力など）によって制限されるため、避けられないほど密接に関連しています。^[12]

作動流体は、ヒートパイプが動作しなければならない温度に応じて選択され、例としては、極低温用途（2〜4  K）の液体ヘリウムから、極高温用途の水銀（523〜923 K）、ナトリウム（873〜1473 K）、さらにはインジウム（2000〜3000 K）まで多岐にわたります。室温用途のヒートパイプの大部分は、作動流体としてアンモニア（213〜373 K）、アルコール（メタノール（283〜403 K）またはエタノール（273〜403 K））、または水（298〜573 K）を使用します。銅/水ヒートパイプは銅の外皮を持ち、作動流体として水を使用し、通常は20〜150℃の温度範囲で動作します。^{[13] [14]}水ヒートパイプは、部分的に水を満たし、水が沸騰して空気を排除するまで加熱し、熱いうちに密封することによって充填されることがあります。

ヒートパイプが熱を伝達するには、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。飽和液体は気化して凝縮器に移動し、そこで冷却されて飽和液体に戻ります。標準的なヒートパイプでは、凝縮された液体は、作動流体の液相に毛細管作用を及ぼすウィック構造を使用して蒸発器に戻されます。ヒートパイプで使用されるウィック構造には、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がある溝付きウィックがあります。凝縮器が重力場内で蒸発器の上に位置する場合、重力によって液体を戻すことができます。この場合、ヒートパイプはサーモサイフォンです。最後に、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]

ヒートパイプには機械的な可動部品が含まれておらず、通常はメンテナンスを必要としませんが、作動流体の分解によってパイプの壁を通して拡散する非凝縮性ガス、または材料に元々含まれている不純物によって、最終的にはパイプの熱伝達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に比べて優れている点は、熱伝達効率が非常に高いことです。直径1インチ、長さ2フィートのパイプは、端から端までの温度差がわずか18°F (10°C) で、1,800°F (980°C) で3.7kW (12,500 BTU/時) の熱を伝達できます。^[14]一部のヒートパイプは、太陽表面の熱流束の約4倍にあたる23kW/ ^cm2以上の熱流束 を実証しています。^[15]

ヒートパイプには、エンベロープ、ウィック、および作動流体があります。ヒートパイプはメンテナンスなしで長期間動作するように設計されているため、ヒートパイプの壁とウィックは作動流体と互換性がなければなりません。互換性があるように見える材料/作動流体の組み合わせの中には、互換性がないものもあります。たとえば、アルミニウムエンベロープ内の水は、数時間または数日以内に大量の非凝縮性ガスを発生させ、ヒートパイプの正常な動作を妨げます。この問題は主に、アルミニウムが水の存在下で酸化および腐食し、非凝縮性ガスとして蓄積する水素ガスを放出するためです。^[16]

1963年にジョージ・グローバーによってヒートパイプが再発見されて以来、互換性のあるエンベロープ/流体の組み合わせを決定するために、数十年にわたって広範囲にわたる寿命試験が実施されてきました。ヒートパイプ寿命試験では、ヒートパイプを長期間動作させ、非凝縮性ガスの発生、物質の移動、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（およびウィック）/流体の組み合わせは次のとおりです。^[19]

• 電子機器の冷却用に水作動流体を封入した銅製の容器。これは、最も一般的なタイプのヒートパイプです。
• HVACシステムでのエネルギー回収用の冷媒R134a作動流体を備えた銅または鋼のエンベロープ。
• 宇宙船の熱制御用のアンモニア作動流体を備えたアルミニウムエンベロープ。
• 高温ヒートパイプ用のアルカリ金属（セシウム、カリウム、ナトリウム）作動流体を使用した超合金エンベロープ。主に一次温度測定装置の校正に使用されます。

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、ヘリウムの作動流体を使用するステンレス鋼エンベロープ、水温以下で動作する必要がある場合の電子機器冷却用の銅/メタノールヒートパイプ、アンモニアが凍結する環境での宇宙船の熱制御用のアルミニウム/エタンヒートパイプ、高温（1,050 °C（1,920 °F）以上）用途向けの耐火金属エンベロープ/リチウム作動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、冷却剤の選択はすべて、ヒートパイプが動作する最適な温度に影響します。設計熱範囲外で使用すると、ヒートパイプの熱伝導率は実質的に固体金属ケースのみの熱伝導特性まで低下します。銅ケースの場合、これは元の熱流束の約 1/80 です。これは、意図された温度範囲外では作動流体が相変化しないためです。範囲以下では作動流体が蒸発することはなく、範囲以上では凝縮することはありません。

ほとんどのメーカーは、材料の制限により、直径3mm未満の従来のヒートパイプを製造することができません。^[21]グラフェンを含むヒートパイプは、電子機器の冷却性能を向上させることができることが実証されています。^[22]

標準的な定伝導ヒートパイプ（CCHP）に加えて、他の多くのタイプのヒートパイプがあります。[ ^23]

• 熱流変換と表面の等温化に使用される蒸気室（平面ヒートパイプ）
• 可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）は、非凝縮性ガス（NCG）を使用して、電力またはヒートシンクの状態の変化に応じてヒートパイプの有効熱伝導率を変更します。
• 圧力制御ヒートパイプ（PCHP）は、リザーバーの容積またはNCGの質量を変更して、より正確な温度制御を可能にするVCHPです。
• ダイオードヒートパイプは、順方向の熱伝導率が高く、逆方向の熱伝導率が低い。
• サーモサイフォンは、重力や加速力によって液体が蒸発器に戻るヒートパイプです。
• 回転ヒートパイプ。液体は遠心力によって蒸発器に戻されます。

薄い平面ヒートパイプ（ヒートスプレッダーまたはフラットヒートパイプ）は、管状ヒートパイプと同じ主要コンポーネントを備えています。密閉された中空容器、作動流体、および閉ループ毛細管再循環システムです。^[24] さらに、蒸気チャンバーでは、最大90 PSIのクランプ圧力に対応するために、内部サポート構造または一連の支柱が一般的に使用されます。これにより、圧力がかかったときにフラットな上部と下部が崩壊するのを防ぐことができます。

蒸気チャンバーには主に 2 つの用途があります。まず、比較的小型の蒸発器に高出力と高熱流束を適用する場合に使用されます。^[25] 蒸発器への熱入力により液体が気化し、2 次元で凝縮器表面に流れます。蒸気が凝縮器表面で凝縮した後、ウィックの毛細管力により凝縮液が蒸発器に戻ります。ほとんどの蒸気チャンバー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いても動作します。この用途では、蒸気チャンバーは熱流束変換器として機能し、電子チップまたはレーザー 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、蒸気チャンバーは 4 cm ²で 2000 W 、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な用途は、ゲーミングノートPCの冷却です。ベイパーチャンバーはより平坦で2次元的な放熱方法であるため、従来のヒートパイプに比べて、よりスリムなゲーミングノートPCではベイパーチャンバーの恩恵を大いに受けます。例えば、LenovoのLegion 7iのベイパーチャンバー冷却は、この製品の最大のセールスポイントでした（ただし、すべてのモデルにベイパーチャンバーが搭載されていると誤って宣伝されていましたが、実際にはほんの数モデルにしか搭載されていませんでした^[27]）。

第二に、1次元の管状ヒートパイプと比較して、2次元ヒートパイプの幅は、非常に薄いデバイスでも熱流に十分な断面積を可能にします。これらの薄い平面ヒートパイプは、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」アプリケーションに採用されつつあります。1.0 mm（0.76 mmのクレジットカードよりわずかに厚い）の薄い平面ヒート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、ヒートパイプの動作温度は、ソースとシンクの温度、ソースからヒートパイプへの熱抵抗、ヒートパイプからシンクへの熱抵抗によって設定されます。これらのヒートパイプでは、電力またはコンデンサーの温度が低下すると、温度は直線的に低下します。衛星や研究用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シンク温度で過冷却になります。可変伝導ヒートパイプ (VCHP) は、電力とシンクの状態が変化するときに、冷却される電子機器の温度を受動的に維持するために使用されます。^[29]

可変コンダクタンス ヒートパイプには、標準のヒートパイプと比較して 2 つの追加機能があります。1. リザーバー、および 2. 作動流体に加えてヒートパイプに追加される非凝縮性ガス (NCG) です。この非凝縮性ガスは、通常、標準の可変コンダクタンス ヒートパイプの場合はアルゴン、サーモサイフォンの場合はヘリウムです。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ヒートパイプの蒸気空間全体で混合されます。可変コンダクタンス ヒート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ヒートパイプのコンデンサー端に向かって押し流されます。非凝縮性ガスのほとんどはリザーバーにあり、残りはヒートパイプのコンデンサーの一部をブロックします。可変コンダクタンス ヒートパイプは、コンデンサーの有効長を変えることによって機能します。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。蒸気圧が上昇すると、より多くの非凝縮性ガスがリザーバーに押し込まれ、アクティブなコンデンサーの長さとヒートパイプの伝導性が増加します。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、アクティブなコンデンサーの長さとヒートパイプの伝導性が減少します。リザーバーに小型ヒーターを追加し、電力を蒸発器の温度で制御すると、約 ±1 ～ 2 °C の温度制御が可能になります。1 つの例では、電力が 72 ～ 150 W に変化し、ヒートシンクの温度が +15 °C ～ -65 °C に変化しても、蒸発器の温度は ±1.65 °C の制御帯域内に維持されました。

圧力制御ヒートパイプ（PCHP）は、より厳密な温度制御が必要な場合に使用できます。^[30] 圧力制御ヒートパイプでは、蒸発器の温度を使用して、リザーバーの容量またはヒートパイプ内の非凝縮性ガスの量を変更します。圧力制御ヒートパイプは、ミリケルビンの温度制御を示しています。^[31]

従来のヒートパイプは、ヒートパイプの熱い端から冷たい端へ、どちらの方向にも熱を伝達します。いくつかの異なるヒートパイプは、熱ダイオードとして機能し、一方向に熱を伝達し、他の方向には絶縁体として機能します。^[32]

• サーモサイフォンは、熱をサーモサイフォンの底部から上部にのみ伝達し、凝縮液は重力によって戻ります。サーモサイフォンの上部が加熱されると、蒸発できる液体がなくなります。
• 回転ヒートパイプでは、ヒートパイプの形状によって、液体が公称蒸発器から公称凝縮器まで遠心力によってのみ移動できます。この場合も、公称凝縮器が加熱されると液体は利用できなくなります。
• 蒸気トラップダイオードヒートパイプ。
• 液体トラップダイオードヒートパイプ。

蒸気トラップダイオードは、可変コンダクタンス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。製造中、ヒートパイプには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。通常の動作中は、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流され、通常のヒートパイプ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に向かいます。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。一般に、公称断熱セクションにいくらかの熱伝達があります。次に、熱はヒートパイプの壁を通って蒸発器に伝導されます。ある例では、蒸気トラップダイオードは順方向に95Wを伝送しましたが、逆方向にはわずか4.3Wしか伝送しませんでした。^[33]

液体トラップダイオードは、ヒートパイプの蒸発器端にウィック付きリザーバーを備え、ヒートパイプの残りの部分のウィックとは連絡し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は加熱されます。蒸気はコンデンサーに流れ、液体はウィック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燥します。公称コンデンサーが加熱されると、蒸発器とリザーバーで液体が凝縮します。液体は公称蒸発器から公称コンデンサーに戻ることができますが、リザーバーウィックが接続されていないため、リザーバー内の液体はトラップされます。最終的に、すべての液体がリザーバーにトラップされ、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、ウィックを使用して液体を凝縮器から蒸発器に戻すため、ヒートパイプはどの向きでも作動します。液体は毛細管現象によって蒸発器に吸い上げられます。これは、スポンジの端が水たまりに接触するとスポンジが水を吸い上げるのと似ています。ただし、最大逆高さ (蒸発器から凝縮器まで) は比較的小さく、一般的な水ヒートパイプの場合、長さは約 25 cm です。

しかし、蒸発器が凝縮器の下にある場合は、ウィックを必要とせず、重力によって液体を排出することができ、両者の距離をはるかに長くすることができます。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、ヒートパイプの底部にある蒸発器に供給される熱によって、液体の作動流体が蒸発します。蒸気はヒートパイプの上部にある凝縮器に移動し、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の底部に戻り、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。凝縮器の端に熱が加えられると、凝縮液が利用できなくなるため、蒸気を形成して蒸発器に熱を伝達する方法がありません。

一般的な地上水ヒートパイプの長さは 30 cm 未満ですが、サーモサイフォンは数メートルの長さになることがよくあります。アラスカのパイプラインを冷却するため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、およそ 6 kW の熱を運びました。^{[36]大型サイズへの拡張性により、太陽熱[37]}や HVAC アプリケーションにも適しています。 ^[38]

ループヒートパイプ（LHP）は、ヒートパイプに関連する受動的な2相転送デバイスです。ヒートパイプの逆流とは対照的に、並流の液体と蒸気の流れによって、より長い距離にわたってより高い電力を運ぶことができます。^{[39] [40]}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になります。 マイクロループヒートパイプが開発され、地上と宇宙の両方で幅広い用途に効果的に使用されています。

振動ヒートパイプ（OHP）は脈動ヒートパイプ（PHP）とも呼ばれ、液体作動流体が部分的にのみ充填されています。パイプは蛇行パターンに配置され、自由に移動する液体と蒸気のセグメントが交互に配置されます。^[41]作動流体で振動が発生しますが、パイプは静止しています。これらは、太陽光発電パネルの冷却、^[42]電子機器の冷却、^[43]熱回収システム、燃料電池システム、^{[44] [45]} HVACシステム、^[46]および淡水化など、多くの用途で研究されてきました。^{[47] PHPは、}相変化材料と相乗的に組み合わせられることがますます増えています。^{[43] [47]}

ヒートパイプは、作動流体または冷却剤の気化と凝縮によって、相変化を利用して熱エネルギーをある点から別の点に伝達します。ヒートパイプはパイプの両端の温度差に依存しており、両端の温度を周囲温度より下げることはできません (そのため、パイプ内の温度を均一にする傾向があります)。

ヒートパイプの一端が加熱されると、その端のパイプ内の作動流体が気化し、ヒートパイプの空洞内の蒸気圧が上昇します。作動流体によって吸収される蒸発潜熱により、パイプの高温端の温度が下がります。

パイプの高温端の高温液体作動流体にかかる蒸気圧は、パイプの低温端の凝縮作動流体にかかる平衡蒸気圧よりも高く、この圧力差によって凝縮端への急速な物質移動が促進され、そこで過剰蒸気が凝縮して潜熱を放出し、パイプの低温端を温めます。蒸気中の非凝縮ガス（汚染物質などによる）はガスの流れを妨げ、特に蒸気圧が低い低温時にはヒートパイプの有効性が低下します。ガス中の分子の速度はほぼ音速であり、非凝縮ガスがない場合（つまり、ガス相のみが存在する場合）、これがヒートパイプ内を移動できる速度の上限です。実際には、ヒートパイプを通る蒸気の速度は低温端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。^[要出典]注/説明: 凝縮面が非常に冷たい場合、凝縮速度は、付着係数×分子速度×ガス密度に非常に近くなります。ただし、表面がガスの温度に近い場合、表面の有限温度によって引き起こされる蒸発により、この熱流束が大幅にキャンセルされます。温度差が数十度を超える場合、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ます。ほとんどの場合、ガスを通る熱輸送が非常に効率的であるため、ガスと凝縮面の間にこのような大きな温度差を維持することは非常に困難です。さらに、この温度差は、当然、それ自体で大きな有効熱抵抗に相当します。ボトルネックは、ガス密度が高く、最大熱流束が高くなるため、熱源ではそれほど深刻ではないことがよくあります。

凝縮された作動流体は、パイプの高温端に戻ります。垂直方向のヒートパイプの場合、流体は重力によって移動します。ウィックを含むヒートパイプの場合、流体は毛細管現象によって戻ります。

ヒートパイプを作るとき、パイプ内に真空を作る必要はありません。ヒートパイプ内の作動流体を沸騰させて、発生した蒸気がパイプ内の非凝縮ガスを排出し、端を密閉するだけです。

ヒートパイプの興味深い特性は、その効果を発揮する温度範囲です。最初は、水充填ヒートパイプは、高温端が沸点 (通常の大気圧で 100 °C、212 °F) に達し、蒸気が低温端に送られる場合にのみ機能すると思われるかもしれません。ただし、水の沸点はパイプ内の絶対圧力に依存します。真空パイプでは、ヒートパイプに液体と蒸気の両方が含まれている限り、水は三重点(0.01 °C、32 °F) から臨界点(374 °C、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温度の高温端でも動作できますが、25 °C (77 °F) 未満の温度では最大熱伝達率が低くなります。同様に、作動流体として水を使用したヒートパイプは、大気圧の沸点（100℃、212℉）よりも高い温度でも作動します。長期間の水ヒートパイプの最高温度は270℃（518℉）で、短期間のテストではヒートパイプは300℃（572℉）まで動作します。^{[48] [49]}

ヒートパイプの有効性の主な理由は、作動流体の蒸発と凝縮です。蒸発熱は比熱容量を大幅に超えます。水を例にとると、1 グラムの水を蒸発させるために必要なエネルギーは、同じ 1 グラムの水の温度を 1 °C 上げるため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が、流体がそこで凝縮するときに「冷たい」端に急速に伝達され、可動部品のない非常に効果的な熱伝達システムになります。^{[引用が必要]}

宇宙船の熱制御システムには、宇宙船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があります。これは、次の理由により複雑になります。

• 日食など、外部条件が大きく変化する
• 微小重力環境
• 熱放射のみによる宇宙船からの熱除去
• 利用できる電力が限られているため、受動的なソリューションが有利
• 長寿命、メンテナンス不要

宇宙船の中には 20 年間の使用に耐えるように設計されているものもあるため、電力や可動部品を使わない熱輸送が望ましいです。熱放射によって熱を放出するには、大きな放熱板 (数平方メートル) が必要です。ヒートパイプとループヒートパイプは、動作に電力を必要とせず、ほぼ等温で動作し、長距離にわたって熱を輸送できるため、宇宙船で広く使用されています。

溝付きウィックは、このセクションの最初の写真に示すように、宇宙船のヒートパイプで使用されます。ヒートパイプはアルミニウムを押し出して形成され、通常は一体型のフランジがあり、熱伝達面積を増やして温度降下を抑えます。溝付きウィックは、ヒートパイプが宇宙では重力に逆らって動作する必要がないため、地上のヒートパイプに使用されるスクリーンまたは焼結ウィックの代わりに宇宙船で使用されます。これにより、地球上で動作する水ヒートパイプの最大長が約 25 cm であるのに対し、宇宙船のヒートパイプは数メートルの長さになります。アンモニアは、宇宙船のヒートパイプで最も一般的な作動流体です。エタンは、ヒートパイプがアンモニアの凍結温度よりも低い温度で動作する必要がある場合に使用されます。

2 番目の図は、宇宙船の熱制御用の一般的な溝付きアルミニウム/アンモニア可変コンダクタンス ヒート パイプ (VCHP) を示しています。ヒート パイプは、最初の図に示したものと同様のアルミニウム押し出し材です。下部のフランジ部分は蒸発器です。蒸発器の上部では、フランジが機械加工されており、断熱セクションを曲げることができます。断熱セクションの上にはコンデンサーがあります。非凝縮性ガス (NCG) リザーバーは、メイン ヒート パイプの上にあります。バルブは、ヒート パイプを充填して密閉した後で取り外します。リザーバーに電気ヒーターを使用すると、蒸発器の温度を設定値の ±2 K 以内に制御できます。

ヒートパイプは、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。^{[50]電力要件の増加とそれに伴う熱放出の増加により、冷却システムに対する需要が高まりました。現在では、多くの現代のコンピュータシステムで広く使用されており、通常は}CPUやGPUなどのコンポーネントから熱をヒートシンクに移動し、熱エネルギーを環境に放散させるために使用されます。

ヒートパイプは、真空管式ソーラーコレクターアレイと組み合わせて太陽熱 温水器の用途にも広く使用されています。これらの用途では、蒸留水が一般的に熱伝達流体として使用され、銅管は真空ガラス管内に配置され、太陽に向けられています。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。^[51]

太陽熱温水器の用途では、真空管コレクターの個々の吸収管は、従来の「平板」太陽熱温水器と比較して最大 40% 効率が高くなります。これは主に、管内に存在する真空が原因で、対流および伝導による熱損失が遅くなるためです。ただし、真空管システムの相対的な効率は、平板コレクターと比較すると低下します。これは、平板コレクターの方が開口部のサイズが大きく、単位面積あたりの太陽エネルギーをより多く吸収できるためです。つまり、個々の真空管は管内に真空が形成されるため断熱性が高く (伝導損失および対流損失が低い)、完成したソーラー アセンブリー内の管の配列は、真空管コレクターの丸いデザインにより太陽に向けられた吸収体の表面積が小さくなるため、単位面積あたりのエネルギー吸収が少なくなります。したがって、両方のデザインの実際の効率はほぼ同じです。

真空管集熱器は、真空によって熱損失が遅くなるため、凍結防止剤の必要性が減ります。ただし、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、そのような環境向けにシステムを設計する場合は、凍結液が真空管を損傷しないように注意する必要があります。適切に設計された太陽熱温水器は、特別な添加剤を使用することで -3 °C 以上でも凍結から保護でき、南極で水を加熱するために使用されています。^{[引用が必要]}

永久凍土の上に建物を建てるのは、建物の熱で永久凍土が解ける可能性があるため難しい。不安定化のリスクを避けるためにヒートパイプが使用される場合もある。例えば、トランスアラスカパイプラインシステムでは、石油に残っている地中熱と、移動する石油の摩擦と乱流によって発生する熱がパイプの支持脚に伝わり、支持脚が固定されている永久凍土が溶ける可能性がある。そうなるとパイプラインが沈み、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つの垂直ヒートパイプサーモサイフォンが取り付けられている。^[52]

サーモサイフォンの重要な特徴は、受動的であり、動作に外部電力を必要としないことである。冬の間、空気は支柱の周りの地面よりも冷たい。サーモサイフォンの底にある液体は地面から吸収された熱によって気化し、周囲の永久凍土を冷却して温度を下げる。夏には、ヒートパイプの上部にガスが凝縮しないため、サーモサイフォンは動作を停止するが、冬の極端な空気冷却により凝縮が発生し、液体が流れ落ちる。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たが、閉塞のため二酸化炭素に置き換えられた。^[53]

ヒートパイプは、青海チベット鉄道の沿線部分で、盛土と線路が太陽熱を吸収する場所で、永久凍土を凍らせておくためにも使用されています。関連する地層の両側にある垂直のヒートパイプは、その熱が周囲の永久凍土にさらに広がるのを防ぎます。

用途に応じて、いくつかの熱サイフォン設計があります：^[54]サーモプローブ、サーモパイル、深度熱サイフォン、傾斜熱サイフォン基礎、フラットループ熱サイフォン基礎、ハイブリッドフラットループ熱サイフォン基礎。

最初の商用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「サーマル マジック クッキング ピン」でした。 ^[55] クッキング ピンは、作動流体として水を使用します。エンベロープはステンレス鋼で、互換性のために内側に銅層があります。動作中、ヒートパイプの一方の端がローストに突き刺さります。もう一方の端はオーブン内に伸び、ローストの中央に熱を引き込みます。ヒートパイプの有効伝導率が高いため、大きな肉片の調理時間が半分に短縮されます。^[56]

この原理はキャンプ用ストーブにも応用されています。ヒートパイプは低温で大量の熱を伝達し、キャンプのような状況で食品を焼いたり、他の料理を調理したりすることを可能にします。^[要出典]

暖房、換気、空調(HVAC) システムでは、熱エネルギーを回収するために、ヒートパイプが空調システムの給気流と排気流内、または工業プロセスの排気ガス内に配置されます。

この装置は、給気流と排気流の両方に配置された、複数列のフィン付きヒートパイプチューブのバッテリー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、吸気口に伝達します。

装置の特性上、給気側を排気側の上に設置してユニットを垂直に配置すると、液体冷媒が重力の力で蒸発器に素早く戻ることができるため、効率が向上します。一般的に、メーカーは最大 75% の総熱伝達効率を主張しています。^{[引用が必要]}

グローバー氏とその同僚は、極端な熱条件に遭遇する宇宙船の原子力発電セルの冷却システムに取り組んでいました。これらのアルカリ金属ヒートパイプは、熱源から熱電子または熱電変換器に熱を伝達して電気を生成します。

1990年代初頭以来、原子炉の炉心と電力変換システムの間で熱を輸送するためにヒートパイプを使用する多くの原子炉発電システムが提案されてきた。^[57] ヒートパイプを使用して電力を生成する最初の原子炉は、2012年9月13日にフラットトップ核分裂を使用した実証で初めて稼働した。^[58]

ヴァンケルエンジンでは、燃料混合物の点火が常に同じ部分で行われるため、熱膨張の不均衡が生じ、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のWei Wuらによる論文では、「耐久性、出力、効率を向上させるヒートパイプ支援空冷ロータリーヴァンケルエンジン」について説明しており、^{[59]典型的な小容積空冷式}無人航空機エンジンの場合、エンジン最高温度が231℃から129℃に低下し、温度差が159℃から18℃に減少しました。

熱交換器は、熱い流れから冷たい空気、水、または油の流れに熱を伝達します。ヒートパイプ熱交換器には、それぞれが独立した熱交換器として機能する複数のヒートパイプが含まれています。これにより、効率、寿命、安全性が向上します。ヒートパイプが 1 本破損した場合でも、少量の液体しか放出されません。これは、アルミニウム鋳造などの特定の産業プロセスにとって重要です。さらに、ヒートパイプが 1 本破損しても、ヒートパイプ熱交換器は引き続き動作します。

ヒートパイプの適応性が非常に高いため、さまざまなシステムへのヒートパイプの実装が研究されています。

• 寒冷気候地域での冬季の路面の滑り防止のため地熱暖房の効率を向上させる^[60]
• ソーラーパネルをヒートパイプシステムに接続することで、太陽電池の効率が向上します。これにより、過熱したパネルから熱が移動し、最適な温度が維持され、エネルギー生成が最大化されます。さらに、テストされたセットアップでは、回収された熱を利用して、たとえば水を温めます^[61]
• ハイブリッド制御棒ヒートパイプは、緊急時に原子炉を停止し、同時に崩壊熱を逃がして原子炉の高温化を防ぐ^[62]

• ヒートシンク – 熱を伝達する受動的な熱交換器
• ループヒートパイプ - 二相熱伝達装置フォールバックとしてウィキデータの説明を表示するページ
• 熱電冷却 – 電気による熱伝達

ウィキメディア・コモンズには、ヒートパイプに関連するメディアがあります。

• ヒートパイプの最前線 (FHP) – 国際ジャーナル
• 前回の国際ヒートパイプ合同会議および国際ヒートパイプシンポジウム（20IHPC & 14IHPS）、2021年9月7日〜10日
• 国際ヒートパイプ合同会議および国際ヒートパイプシンポジウム（21IHPC & 15IHPS）の次回開催は2023年2月5日～9日です。
• House_N リサーチ (mit.edu)
• ヒートパイプ選択ガイド (pdf)
• ヒートパイプの基礎とデモンストレーション