ヒートパイプ

この100mm×100mm×10mmの薄い平面ヒートパイプ（加熱拡散板）は高解像度CFD解析を使って作られ、温度コンターによる流跡を示すアニメーションである。 CFD解析パッケージで予測したものです。

この直径 120 mm の蒸気室（ヒート スプレッダー）ヒート シンク設計熱アニメーションは、高解像度 CFD 解析を用いて作成され、温度コンター付きのヒート シンク表面および CFD 解析パッケージを使用して予測された流体の流れの軌跡を表示します。

リモートヒートシンクとファンを備えた薄型フラットヒートパイプ（ヒートスプレッダー）

ヒートパイプは通常、作動流体と互換性のある材質でできたパイプまたはチューブからなります（水熱管の場合は銅など）。 アンモニアヒートパイプはアルミニウムです。 一般的には、空のヒートパイプから空気を取り除くために真空ポンプが使用されます。 ヒートパイプの一部を作動流体で満たし、密閉する。 作動流体の質量は、動作温度範囲において、ヒートパイプが蒸気と液体の両方を含むように選択される。 動作温度以上では、すべての液体が気体に変わり、環境温度が高すぎるため、気体が凝縮することはありません。 ヒートパイプの壁を通じた熱伝導はまだ可能だが、熱伝導率は大幅に低下する。 さらに、与えられた熱入力に対して、作動流体の最低温度を達成することも必要であり、熱伝達率の初期設計からの追加増加（偏差）は、むしろヒートパイプの働きを阻害する。 この現象は、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、ヒートパイプが破壊され、熱管理システムの効果が減少する可能性があるという意味で、直感に反している。 したがって、動作温度とヒートパイプの最大熱輸送能力（その毛細管構造によって制限される）は、密接に関係しています。

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、極低温用途（2～4K）の液体ヘリウムから水銀（523～923K）、ナトリウム（873～1473K）、さらには極高温用のインジウム（2000～3000K）まで例がある。 常温用途のヒートパイプの大半は、アンモニア（213〜373K）、アルコール（メタノール（283〜403K）、エタノール（273〜403K））、水（298〜573K）を作動流体として使用するものである。 銅/水ヒートパイプは、銅の外装を持ち、作動流体として水を使用し、通常20〜150℃の温度範囲で使用されます。 水ヒートパイプは、水を部分的に充填し、水が沸騰して空気が抜けるまで加熱し、熱いうちに密閉することもある

ヒートパイプが熱を伝えるためには、飽和液体とその蒸気（気相）を含む必要がある。 飽和液体は気化してコンデンサーに移動し、そこで冷却されて飽和液体に戻される。 一般的なヒートパイプでは、凝縮した液体は、作動流体の液相に毛細管現象を起こすウィック構造を使って蒸発器へと戻される。 ヒートパイプに使用されるウィック構造には、焼結金属粉、スクリーン、溝付きウィックなどがあり、パイプ軸と平行に一連の溝が形成されているのが特徴である。 重力場で蒸発器の上に凝縮器がある場合、重力で液体を戻すことができる。 この場合、ヒートパイプはサーモサイフォンになる。 最後に、回転するヒートパイプは遠心力を利用して、凝縮器から蒸発器へ液体を戻すことができます。

ヒートパイプには機械的な可動部がなく、通常メンテナンスは必要ないが、作動流体の分解や材料中の不純物によってパイプの壁を拡散する非凝縮性ガスが、熱伝達におけるパイプの効果を最終的に低下させる可能性がある。 直径1インチ、長さ2フィートのパイプは、端から端まで18°F（10℃）しか下がらず、1,800°F（980℃）で3.7kW（12.500BTU/時）伝達することができます。 そのため、このような場合、「隗より始めよ」ということで、「隗より始めよ」となる。 ヒートパイプは超長期間のノーメンテナンス運転が前提であるため、ヒートパイプの外壁とウィックは作動流体に適合したものでなければならない。 一見、相性が良さそうな材料と作動流体の組み合わせでも、そうでないものもある。

1963年にGeorge Groverによってヒートパイプが再発見されて以来、適合する外壁と流体のペアを決定するために大規模な寿命試験が行われ、中には数十年にわたるものもあります。

最も一般的に使用されている包囲網 (および芯) と流体の組み合わせは以下のとおりです：

• 電子機器冷却用の水作動流体と銅包囲網。
• HVAC システムのエネルギー回収に使用される冷媒 R134a を使用した銅またはスチール製エンベロープ。
• 宇宙船の熱制御用にアンモニアを使用したアルミ製エンベロープ。
• アルカリ金属（セシウム、カリウム、ナトリウム）作動油を用いた高温用ヒート パイプ、主要温度測定装置の校正用に最も一般的な超合金エンベロープ。

その他、100K以下の温度で窒素、酸素、ネオン、水素、またはヘリウム作動流体を使用するステンレス鋼エンベロープ、水域以下で動作しなければならない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（1050℃以上）アプリケーション用の耐熱金属エンベロープ/リチウム作動流体が対になっています。

ヒートパイプの種類編集

標準的な定伝導ヒートパイプ（CCHP）に加えて、以下のような多くの種類のヒートパイプがある。

• ベーパーチャンバー（平面ヒートパイプ）：熱流束の変換や表面の等温化に使用
• 可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）：熱流束の変換や表面の等温化に使用。 8658>
• 圧力制御ヒートパイプ（PCHP）：電力やヒートシンクの状態に応じてヒートパイプの実効熱伝導率を変化させるために非凝縮性ガス（NCG）を使用するもの。 8658>
• Thermosyphon 重力・加速度によって液体が蒸発器へ戻るヒートパイプである。
• 回転式ヒートパイプ：遠心力によって液体を蒸発器に戻す

蒸気室または平面ヒートパイプ編集

薄型平面ヒートパイプ（ヒートスプレッダー）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、閉ループの毛細管循環システムである。 さらに、ベーパーチャンバーには一般的に内部支持構造または一連の支柱が使用され、時には90 PSIまでのクランプ圧力に対応する。 これは、圧力がかかったときに平らな上部と底部が崩壊するのを防ぐのに役立ちます。

ベーパーチャンバーには主に2つの用途があります。 まず、比較的小さな蒸発器に高い出力と熱流束を加える場合に使用されます。 蒸発器への入熱で液体が気化し、凝縮器表面に2次元的に流れる。 蒸気がコンデンサー表面で凝縮した後、ウィック内の毛細管力によって凝縮液が蒸発器に戻される。 なお、ほとんどのベーパーチャンバーは重力の影響を受けず、コンデンサーの上にエバポレーターがある倒立状態でも動作する。 この用途では、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、自然対流や強制対流で除去できる低熱流束に変換し、熱流束変換器として機能する。 特殊なエバポレーター ウィックを使用すると、ベーパー チャンバーは 4 cm2 で 2000 W、1 cm2 で 700 W を除去できます。

ベーパー チャンバーのもう 1 つの主な用途は、ゲーム ノート PC の冷却目的です。 ベーパー チャンバーは、より平らで 2 次元の放熱方法であるため、従来のヒート パイプと比較して、洗練されたゲーミング ノート PC では非常に大きなメリットを得ることができます。 たとえば、Lenovo の Legion 7i のベーパー チャンバー冷却は、最もユニークなセールス ポイントでした (ただし、すべてのモデルにベーパー チャンバーがあるように誤って宣伝されましたが、実際にはいくつかのモデルにしかありませんでした)。 このような薄型の平面ヒートパイプは、ノートパソコンや表面実装基板のコアなど、「高さに敏感な」アプリケーションに採用されている。

可変コンダクタンス ヒートパイプ (VCHP) 編集

標準的なヒートパイプは定伝導デバイスで、ヒートパイプの動作温度は、ソースおよびシンク温度、ソースからヒートパイプまでの熱抵抗、およびヒートパイプからシンクまでの熱抵抗で設定されます。 このようなヒートパイプでは、電源やコンデンサーの温度を下げると、温度は直線的に低下する。 人工衛星や研究用気球の熱制御などの用途では、低出力時や低シンク温度時に電子機器が過冷却されることがあります。 可変コンダクタンス ヒートパイプ (VCHP) は、電力やシンクの状態が変化しても、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。 1.リザーバー、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）、以下の宇宙船のセクションの図を参照。 この非凝縮性ガスは、標準的な可変コンダクタンスヒートパイプではアルゴン、サーモサイフォンではヘリウムが一般的である。 ヒートパイプが作動していないときは、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ています。 可変コンダクタンスヒートパイプが作動しているとき、非凝縮性ガスは作動流体蒸気の流れによってヒートパイプの凝縮器側へ掃き出される。 非凝縮性ガスの大部分はリザーバーに存在し、残りはヒートパイプの凝縮器の一部を塞いでいる。 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化させることで機能する。 電源や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、非凝縮性ガスがより多くリザーバーに押し出され、コンデンサーの有効長が増加し、ヒートパイプのコンダクタンスも上昇します。 逆に、電源やヒートシンクの温度を下げると、ヒートパイプの蒸気温度と圧力が下がり、非凝縮性ガスが膨張して、有効なコンデンサーの長さとヒートパイプのコンダクタンスが減少する。 リザーバーに小型ヒーターを追加し、蒸発器温度で電力を制御することで、おおよそ±1～2℃の温度制御が可能となる。 ある例では、電力を 72 ～ 150 W に変化させ、ヒートシンク温度を +15 ～ -65 ℃に変化させると、蒸発器温度は ±1.65 ℃の制御範囲に維持されました。

より厳しい温度制御が必要な場合は、圧力制御ヒートパイプ (PCHP) を使用することができます。 圧力制御ヒートパイプでは、蒸発器温度を利用してリザーバー容積を変化させるか、ヒートパイプ内の非凝縮性ガスの量を変化させるかする。

ダイオードヒートパイプ

従来のヒートパイプは、ヒートパイプの高温側から低温側へ、どちらかの方向に熱を伝えるものであった。

• サーモサイフォンは、サーモサイフォンの下部から上部へのみ熱を伝え、凝縮水は重力によって戻ってくる。
• 回転式ヒートパイプは、ヒートパイプが遠心力によってのみ名目上の蒸発器から名目上の凝縮器へ液体が移動できるように形成されている。 この場合も、ノミナルコンデンサーが加熱されるときには液体は利用できない。
• ベーパー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、コンデンサの端にガスリザーバーを備え、可変コンダクタンスヒートパイプと同様の方法で作製される。 製作中、ヒートパイプは作動流体と制御された量の非凝縮性ガス(NCG)で充電される。 通常の運転では、蒸発器から凝縮器への作動流体の蒸気の流れによって、非凝縮性ガスがリザーバーに掃き出され、通常のヒートパイプの動作を妨げないようにします。 ノミナルコンデンサーが加熱された場合、蒸気の流れはノミナルコンデンサーからノミナルエバポレーターに向かいます。 非凝縮性ガスは流れる蒸気とともに引きずられ、ノミナルエバポレーターを完全にブロックし、ヒートパイプの熱抵抗率を大幅に増加させます。 一般に、ノミナル断熱部にはいくらかの熱伝達がある。 その後、熱はヒートパイプの壁を通して蒸発器へ伝導される。 ある例では、ベーパートラップダイオードが順方向で95W、逆方向では4.3Wしか伝導しなかった。

液体トラップダイオードは、ヒートパイプの蒸発器端に邪悪なリザーバーを持ち、ヒートパイプの残りの部分のウィックとは連通していない別のウィックを備えています。 通常の動作では、エバポレータとリザーバは加熱されます。 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へ戻る。 液体を戻す方法がないため、リザーバーはやがて乾燥する。 ノミナルコンデンサーが加熱されると、液体はエバポレーターとリザーバーで凝縮する。 ノミナルコンデンサーの液体はノミナルエバポレーターからノミナルコンデンサーに戻ることができますが、リザーバーの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閉じ込められます。

ThermosyphonsEdit

Most heat pipes use a wick to return the liquid from the condenser to the evaporator, allowing the heat pipe to operate in any orientation.ほとんどのヒートパイプは、凝縮器から蒸発器へ液を戻すために芯を使用しています。 毛細管現象によって液体が蒸発器に吸い上げられるのですが、これはスポンジの端が水たまりに置かれたときに水を吸い上げるのと同じようなものです。

しかし、蒸発器が凝縮器の下にある場合、液体は芯を必要とせず、重力によって逆流し、両者の間の距離はもっと長くなります。

サーモサイフォンは、ヒートパイプの底にある蒸発器に供給される熱で液体作動流体を蒸発させるもので、重力利用のヒートパイプはサーモサイフォンと呼ばれる。 蒸気はヒートパイプの上部にある凝縮器まで移動し、そこで凝縮する。 そして、液体は重力によってヒートパイプの底に排出され、このサイクルを繰り返す。

典型的な地上の水ヒートパイプが30cm以下であるのに対し、サーモサイフォンは数mの長さになることが多い。 後述するように、アラスカのパイプラインの冷却に使われた熱サイフォンは、およそ11～12mの長さがあった。 さらに長い熱サイフォンが地熱エネルギーの抽出のために提案されている。 例えば、Storchらは内径53mm、長さ92mのプロパン熱サイフォンを製作し、約6kWの熱を運んだ。

ループヒートパイプ 編集

ループヒートパイプ（LHP）は、熱パイプと関連したパッシブ二相移動装置である。 ヒートパイプの向流とは対照的に、液体と蒸気の同相流を持つことによって、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る。 このため，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である。

揺れ動くヒートパイプ

揺れ動くヒートパイプは、脈動ヒートパイプとしても知られ、液体の作動流体が一部のみ充填されている。 パイプは、自由に動く液体と蒸気のセグメントが交互になる蛇行パターンで配置されている。 振動は作動流体で起こり、パイプは動かないままである

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