サーモサイフォン

サーモサイフォン（またはサーモサイフォン）は、自然対流に基づく受動的な熱交換方法を採用した装置であり、機械式ポンプを必要とせずに流体を循環させます。サーモサイフォンは、ヒートポンプ、給湯器、ボイラー、炉などの暖房および冷房アプリケーションで液体と揮発性ガスを循環させるために使用されます。サーモサイフォンは、薪ストーブの煙突や太陽熱煙突で発生するような空気の温度勾配でも発生します。

この循環は、貯蔵タンク内の物質がタンクの底部に取り付けられた加熱された移送チューブを介して一方向に送られ、分配ポイント（元のタンクの上に取り付けられている場合もあります）に送られるオープンループの場合と、元の容器に戻る垂直の閉ループ回路の場合があります。その目的は、従来のポンプのコストと複雑さを回避しながら、液体またはガスの移送を簡素化することです。

液体の自然対流は、液体への熱伝達によってループの片側からもう一方の側まで温度差が生じると始まります。熱膨張現象は、温度差がループ全体の密度にそれに応じた差を生じることを意味します。ループの片側の温かい液体は、もう一方の側の冷たい液体よりも密度が低く、したがって浮力が大きくなります。温かい液体は冷たい液体の上に「浮かび」、冷たい液体は温かい液体の下に「沈みます」。この自然対流現象は、「熱は上昇する」という言い回しで知られています。対流により、加熱された液体がシステム内で上方に移動し、同時に重力によって戻ってきた冷たい液体に置き換えられます。優れたサーモサイフォンは水圧抵抗が非常に小さいため、自然対流によって生成される比較的低い圧力下で液体が容易に流れます。

状況によっては、ループが完全に液体で満たされていないために、液体の流れがさらに減少したり、停止したりすることがあります。この場合、システムは対流しなくなるため、通常の「サーモサイフォン」ではありません。

このシステムでは、蒸気の蒸発と凝縮によって熱が伝達されますが、システムはヒートパイプサーモサイフォンとして適切に分類されます。^{[1] [2]}システムに空気などの他の流体も含まれている場合、熱流束密度は、単一の物質のみを含む実際のヒートパイプよりも低くなります。

サーモサイフォンは、誤って「重力戻りヒートパイプ」と説明されることがあります。^[3]ヒートパイプには通常、毛細管現象によって凝縮液を蒸発器に戻すためのウィックが付いています。重力によって液体が移動するため、サーモサイフォンにはウィックは必要ありません。^[4]ウィックにより、ヒートパイプは無重力時に熱を伝達することができ、宇宙では便利です。サーモサイフォンはヒートパイプよりも「シンプル」です。^[5]

(単相) サーモサイフォンは、熱を「上向き」、つまり加速ベクトルから離れて伝達することしかできません。したがって、サーモサイフォンでは、ヒートパイプよりも方向がはるかに重要です。また、サーモサイフォンはループ内の気泡によって故障する可能性があり、パイプの循環ループが必要になります。

サーモサイフォンの配管が流れに抵抗したり、過度の熱が加えられたりすると、液体が沸騰することがあります。気体は液体よりも浮力が大きいため、対流圧力は大きくなります。これは、リボイラーと呼ばれるよく知られた発明です。一対のプレナに取り付けられたリボイラーのグループは、カランドリアと呼ばれます。状況によっては、たとえば古い（1950 年代以前）車の冷却システムでは、流体の沸騰によりシステムが機能しなくなります。これは、生成された蒸気の量が多すぎるため、水が排除され、循環が停止するためです。

「相変化サーモサイフォン」という用語は誤った名称であり、使用を避ける必要があります。^[要出典]サーモサイフォンで相変化が発生する場合、それはシステムに十分な流体がないか、対流だけですべての熱を伝達するにはシステムが小さすぎることを意味します。パフォーマンスを向上させるには、より多くの流体 (おそらくより大きなサーモサイフォン) が必要になるか、他のすべての流体 (空気を含む) をループからポンプで排出する必要があります。

サーモサイフォンは、水などの液体を加熱するために、一部の液体ベースの太陽熱暖房システムで使用されています。水は太陽エネルギーによって受動的に加熱され、太陽からソーラーコレクターに伝達される熱エネルギーに依存しています。コレクターからの熱は、2つの方法で水に伝達されます。直接的には、水がコレクターを循環し、間接的には、不凍液がコレクターから熱を運び、熱交換器を介してタンク内の水に伝達します。対流により、加熱された液体がソーラーコレクターから移動し、より冷たい液体に置き換えられ、今度は加熱されます。この原理により、水をコレクターの上のタンクに貯蔵する必要があります。^[6]

歴史的に永久凍土条件が優勢であった場所では、永久凍土の融解によって引き起こされる建物、パイプライン、その他の構造物の基礎に対する不利な地質学的力に対抗するために、サーモサイフォンが使用されることがあります。 ^[7]石油大手コノコフィリップスが2006年に発表した研究によると、アラスカのインフラの多くが構築されているアラスカの永久凍土は、記録的な温暖な気温の中で1982年以降劣化していると報告されています。 ^[8]アラスカ大学フェアバンクス校のアラスカ気候研究センターによると、1949年から2018年の間にアラスカの年間平均気温は4.0度上昇し、冬には7.2度上昇しました。^[9]

サーモサイフォンはコンピュータの内部部品の水冷に使用され、 ^[10]最も一般的にはプロセッサが使用されています。任意の適切な液体を使用できますが、サーモサイフォンシステムで使用するのが最も簡単な液体は水です。従来の水冷システムとは異なり、サーモサイフォンシステムはポンプに頼らず、加熱された水（蒸気になる場合もあります）を部品から熱交換器まで上方に移動させる対流を利用しています。そこで水は冷却され、再循環する準備が整います。最も一般的に使用される熱交換器はラジエーターで、ファンが積極的に空気を大きな表面積に吹き付けて蒸気を液体に凝縮します。密度の高い液体は下降するため、システム内を再循環し、このプロセスを繰り返すことになります。ポンプは必要ありません。蒸発と凝縮のサイクルは、温度と重力の差によって駆動されます。

適切な冷却を行わないと、最新のプロセッサ チップは急速に温度が上昇して故障の原因になります。一般的なヒートシンクとファンを取り付けた場合でも、プロセッサの動作温度は最大 70 °C (160 °F) に達することがあります。サーモサイフォンは、はるかに広い温度範囲で熱を効率的に伝達し、従来のヒートシンクとファンよりもプロセッサの温度を 10 ～ 20 °C 低く維持できます。場合によっては、サーモサイフォンが複数の熱源をカバーし、適切なサイズの従来のヒートシンクとファンよりも設計上コンパクトになる可能性もあります。

サーモサイフォンは、蒸気が上昇し、液体がボイラーに流れ落ちるように設置する必要があります。チューブが曲がって液体が溜まらないようにする必要があります。また、ガスを冷却するサーモサイフォンのファンは、作動するために冷たい空気を必要とします。システムは完全に気密でなければなりません。そうでない場合、サーモサイフォンのプロセスは効果を発揮せず、水は短時間でしか蒸発しません。

初期の自動車、モーター車両、エンジン駆動の農業機械や産業機械の中には、シリンダー ブロックとラジエーターの間で冷却水を移動させるためにサーモサイフォン循環を採用したものがありました。この水循環方法は、十分な温度差を与えるためにラジエーターを通過する冷たい空気を十分に循環させることに依存しています。空気の移動は、車両の前進とファンの使用によって実現されました。エンジン出力が増加するにつれて、水の流れを増やす必要があったため、循環を補助するためにエンジン駆動のポンプが追加されました。よりコンパクトなエンジンではより小さなラジエーターが使用され、より複雑な流れのパターンが必要になったため、水循環は完全にポンプに依存するようになり、自然な方向と逆方向に流れることさえありました。サーモサイフォンのみで冷却水を循環させるエンジンは、1 つまたは複数のファンが単独で十分な空気を移動できない限り、前進がないためラジエーターを通過する空気の流れが少なすぎるため、長時間のアイドリングまたは非常に低速で走行しているときに過熱しやすくなります。サーモサイフォン システムは、冷却剤レベルの低下にも非常に敏感で、少量の冷却剤が失われると循環が停止します。ポンプ駆動システムははるかに堅牢であり、通常はより低い冷却剤レベルを処理できます。

多くのエスプレッソ マシンの設計では、安定した温度を維持するためにサーモサイフォンが使用されています。

E -61エスプレッソ マシンには、サーモサイフォン付きのグループ ヘッドがあります。このグループ ヘッドは、今日の多くのエスプレッソ マシンで一般的に使用されています。

一部のレバー式エスプレッソ マシンには、ピストンの周囲にサーモサイフォン用の二重壁を備えたものがあります。最近の例としては、Londinium のマシンが挙げられます。

ウィキメディア・コモンズには、サーモサイフォンに関連するメディアがあります。

• 対流 – 不均一な流体特性と体積力によって発生する流体の流れ
• 地熱ヒートポンプ – 地中から熱を移動させるシステムリダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• ヒートパイプ - 相転移を利用した熱伝達装置と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
• パッシブソーラー – 電気や機械のシステムを使わずに太陽の熱を利用する建築工学リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• リボイラー – 工業用蒸留塔の底部に熱を供給するために通常使用される熱交換器
• サイフォン – チューブを通して液体を流す装置
• 太陽熱暖房 – 熱を集める装置リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• 熱サイフォン – 一部の蒸気ボイラーの火室内の熱交換要素
• 蒸気圧縮冷凍 – 冷凍プロセス
• 水冷 – 部品や産業機器から熱を除去する方法リダイレクト先の簡単な説明を表示するページ
• トーマス・ファウラー（発明家）  – イギリスの発明家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

• コンピューター冷却用サーモサイフォンに関する HP Labs レポート (PDF)