ヒートパイプは伝熱装置両方の原則を組み合わせたもの熱伝導率そして相転移2つの固体間で効果的に熱を伝達しますインターフェイス.
ヒートパイプの高温インターフェースで液体熱伝導性の固体表面と接触すると、蒸気その表面から熱を吸収することによって。 次に、蒸気はヒートパイプに沿ってコールドインターフェースに移動し、凝縮して液体に戻り、潜熱。 ザ・液体次に、いずれかを介してホットインターフェイスに戻ります毛細管現象,遠心力、または重力、およびサイクルが繰り返されます。 の熱伝達係数が非常に高いため沸騰そして結露、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異なり、長いヒートパイプの場合は約0.4kW /（m・K）であるのに対し、長いヒートパイプの場合は100kW /（m・K）に近づく可能性があります。銅.
内容
構造、設計および建設[編集]
芯を含むヒートパイプのコンポーネントとメカニズムを示す図
この100mmx 100mm x 10mmの高さの薄いフラットヒートパイプ（ヒートスプレッダ）アニメーションは、高解像度CFD解析を使用して作成され、CFD分析パッケージ
この直径120mmのベイパーチャンバー（ヒートスプレッダー）ヒートシンク設計の熱アニメーションは、高解像度CFD解析を使用して作成され、温度輪郭のヒートシンク表面と流体の流れの軌跡を示しています。CFD分析パッケージ
ラップトップコンピュータのCPUを冷却するためのヒートパイプの断面。 定規の目盛りはミリメートル単位です。
薄い平面キャピラリー（水色）を備えた厚さ500µmのフラットヒートパイプの断面図
リモートヒートシンクとファンを備えた細いフラットヒートパイプ（ヒートスプレッダ）
典型的なヒートパイプは、次のような作動流体と互換性のある材料で作られた密閉パイプまたはチューブで構成されています。銅水ヒートパイプ用、またはアルミニウムアンモニアヒートパイプ用。 通常、真空ポンプ空のヒートパイプから空気を取り除くために使用されます。 ヒートパイプは部分的に作動流体で満たされ、その後密閉されます。 作動流体の質量は、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ます。動作温度範囲。
動作温度未満では、液体が冷たすぎて気化して気体になりません。 動作温度を超えると、すべての液体が気体に変わり、環境温度が高すぎてどの気体も凝縮できません。 高すぎるか低すぎるかにかかわらず、熱伝導ヒートパイプの壁を通して可能ですが、熱伝達率は大幅に低下します。
作動流体は、ヒートパイプが作動しなければならない温度に応じて選択されます。液体ヘリウム極低温用途向け（2–4K）から水星(523–923K),ナトリウム（873–1473K）そしてさらにインジウム（2000–3000K）非常に高温の場合。 室温用途のヒートパイプの大部分はアンモニア(213–373K),アルコール(メタノール（283–403K）またはエタノール（273–403K））または水（298–573K）作動流体として。 銅/水ヒートパイプは銅のエンベロープを持ち、作動流体として水を使用し、通常20〜150°Cの温度範囲で動作します。[1][2]給湯パイプは、部分的に水を満たし、水が沸騰して空気を押しのけるまで加熱し、熱いうちに密閉することで満たされることがあります。
ヒートパイプが熱を伝達するためには、ヒートパイプに含まれている必要があります飽和液体とその蒸気（気相）。 飽和した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、凝縮した液体は、ウィック構造を使用して蒸発器に戻されます。毛細管現象作動流体の液相について。 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、スクリーン、および溝付きウィック。パイプ軸に平行な一連の溝があります。 凝縮器が重力場の蒸発器の上にある場合、重力によって液体が戻る可能性があります。 この場合、ヒートパイプは熱サイフォンです。 最後に、回転するヒートパイプは遠心力を使用して液体を凝縮器から蒸発器に戻します。
ヒートパイプには機械的な可動部品がなく、通常はメンテナンスは必要ありませんが、作動流体の分解または材料に存在する不純物としてパイプGG＃39の壁を通って拡散する非凝縮性ガスは、最終的にパイプを減少させる可能性がありますGG＃39;熱伝達における効果。
他の多くの熱放散メカニズムに対するヒートパイプの利点は、熱伝達の効率が高いことです。 直径1インチ、長さ2フィートのパイプは、1800°F（980°C）で1時間あたり12,500BTU（3.7kWh）を転送でき、端から端までわずか18°F（10°C）の落下があります。[2]いくつかのヒートパイプは、熱流束23kW /cm²以上で、太陽の表面を通る熱流束の約4倍です。[3]
ヒートパイプ材料と作動流体[編集]
ヒートパイプには、エンベロープ、芯、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非常に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芯は作動流体と互換性がある必要があります。 互換性があるように見える一部の材料/作動流体のペアは互換性がありません。 たとえば、アルミニウムエンベロープ内の水は、数時間または数日にわたって大量の非凝縮性ガスを発生させ、ヒートパイプの通常の動作を妨げます。
ヒートパイプが再発見されたのでジョージグローバー1963年に、互換性のあるエンベロープ/流体のペアを決定するために広範な寿命テストが実施され、一部は数十年にわたって実施されました。 ヒートパイプ寿命試験では、ヒートパイプを長期間運転し、非凝縮性ガスの発生、物質の輸送、腐食などの問題を監視します。[4][5]
最も一般的に使用されるエンベロープ（およびウィック）/流体のペアは次のとおりです。[6]
のための水作動流体が付いている銅封筒電子機器の冷却。 これは、これまでで最も一般的なタイプのヒートパイプです。
アンモニア作動流体付きアルミニウムエンベロープ宇宙船の熱制御.
超合金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）作動流体を含むエンベロープ。最も一般的には、一次温度測定デバイスの校正に使用されます。
他のペアには、100K未満の温度の窒素、酸素、ネオン、水素、またはヘリウムの作動流体を含むステンレス鋼のエンベロープ、ヒートパイプが水域より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、宇宙船用のアルミニウム/エタンヒートパイプが含まれますアンモニアが凍結する可能性がある環境での熱制御、および高融点金属高温（1,050°C（1,920°F）以上）用途向けのエンベロープ/リチウム作動流体。[7]
さまざまな種類のヒートパイプ[編集]
標準の一定コンダクタンスヒートパイプ（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。[8]含む：
熱流束変換および表面の等温化に使用されるベイパーチャンバー（平面ヒートパイプ）
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が変化したときにヒートパイプの有効熱伝導率を変更する可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）
より正確な温度制御を提供するために、リザーバーの容量またはNCGの質量を変更できるVCHPである圧力制御ヒートパイプ（PCHP）
順方向の熱伝導率が高く、逆方向の熱伝導率が低いダイオードヒートパイプ
液体が重力/加速力によって蒸発器に戻されるヒートパイプである熱サイフォン、
液体が遠心力によって蒸発器に戻される回転ヒートパイプ
ベイパーチャンバーまたはフラットヒートパイプ[編集]
細い平面ヒートパイプ（ヒートスプレッダ）管状ヒートパイプと同じ主要コンポーネントがあります：a密閉中空容器、作動流体、および閉ループ毛細管再循環システム。[9]さらに、蒸気チャンバーでは一般に一連の支柱が使用され、圧力が大気圧（水蒸気チャンバーの場合は100°C）よりも低い場合に平らな上部と下部が崩壊するのを防ぎます。
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出力と熱流束が適用される場合に使用されます。[10]蒸発器への入熱により液体が蒸発し、液体は2次元で凝縮器の表面に流れます。 蒸気が凝縮器の表面で凝縮した後、芯の毛細管力が凝縮液を蒸発器に戻します。 ほとんどのベイパーチャンバーは重力の影響を受けず、蒸発器が凝縮器の上にある状態で反転しても動作することに注意してください。 このアプリケーションでは、ベイパーチャンバーは熱流束変圧器として機能し、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によって除去できる低熱流束に変換します。 特殊な蒸発器芯を使用すると、ベイパーチャンバーは4cm2を超えると2000 W、または1cm2を超えると700Wを除去できます。[11]
第二に、一次元の管状ヒートパイプと比較して、二次元のヒートパイプの幅は、非常に薄いデバイスでも熱の流れに適切な断面を可能にします。 これらの細い平面ヒートパイプは、ノートブックコンピュータや表面実装回路基板コアなどの「高さに敏感な」アプリケーションへの道を模索しています。 1.0mm（0.76mmよりやや太め）のフラットヒートパイプが可能です。クレジットカード).[12]
可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）[編集]
標準のヒートパイプは一定のコンダクタンスデバイスであり、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、電力または凝縮器の温度が低下するにつれて、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されます。 可変コンダクタンスヒートパイプ（VCHP）は、電力とシンクの状態が変化したときに、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。[13]
VCHP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。リザーバーと2.作動流体に加えてヒートパイプに追加された非凝縮性ガス（NCG）。 下の宇宙船セクションの写真を参照してください。 このNCGは通常、標準VCHPの場合はアルゴン、熱サイフォンの場合はヘリウムです。 ヒートパイプが作動していないときは、NCGと作動流体の蒸気がヒートパイプの蒸気空間全体に混合されます。 VCHPが作動しているとき、NCGは作動流体蒸気の流れによってヒートパイプの凝縮器端に向かって掃引されます。 NCGの大部分はリザーバー内にあり、残りはヒートパイプコンデンサーの一部をブロックします。 VCHP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。 パワーシンク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の温度と圧力が上昇します。 蒸気圧の増加により、より多くのNCGがリザーバーに押し込まれ、アクティブな凝縮器の長さとヒートパイプのコンダクタンスが増加します。 逆に、パワーシンクまたはヒートシンクの温度が下がると、ヒートパイプの蒸気の温度と圧力が下がり、NCGが膨張して、アクティブな凝縮器の長さとヒートパイプのコンダクタンスが減少します。 蒸発器の温度によって電力が制御されるリザーバーに小さなヒーターを追加すると、約±1〜2°Cの熱制御が可能になります。 一例では、電力が72から150 Wまで変化し、ヒートシンク温度が+15°Cから-65°Cまで変化したため、蒸発器温度は±1.65°Cの制御帯域に維持されました。
厳密な温度制御が必要な場合は、圧力制御ヒートパイプ（PCHP）を使用できます。[14]PCHP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NCGの量を変更します。 PCHPは、ミリケルビンの温度制御を示しています。[15]
ダイオードヒートパイプ[編集]
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の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、サーマルダイオード、一方の方向に熱を伝達し、もう一方の方向では断熱材として機能します。[16]
熱サイフォン、熱サイフォンの下部から上部にのみ熱を伝達し、そこで凝縮液が重力によって戻ります。 熱サイフォンの上部が加熱されると、蒸発する液体がなくなります。
回転ヒートパイプ。ヒートパイプは、液体が公称蒸発器から公称凝縮器への遠心力によってのみ移動できるように形作られています。 この場合も、公称コンデンサーが加熱されている場合、液体は利用できません。
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（VCHP）と同様の方法で製造され、コンデンサーの端にガスリザーバーがあります。[17]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。 通常の操作中、蒸発器から凝縮器への作動流体蒸気の流れは、NCGをリザーバーにスイープし、通常のヒートパイプ操作を妨げません。 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なります。 NCGは、流れる蒸気とともに引きずられ、公称蒸発器を完全にブロックし、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へ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。 一例では、蒸気トラップダイオードは、順方向に９５Ｗ、逆方向にわずか４．３Ｗを運んだ。[18]
液体トラップダイオードには、ヒートパイプの蒸発器側にウィックリザーバーがあり、ヒートパイプの残りの部分のウィックと連絡していない別のウィックがあります。[19]通常の操作中、蒸発器とリザーバーは加熱されます。 蒸気は凝縮器に流れ、液体は芯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閉じ込められ、ヒートパイプは動作を停止します。
熱サイフォン[編集]
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し、ヒートパイプが任意の方向で動作できるようにします。 液体はによって蒸発器に吸い戻されます毛細管現象、エッジが水のプールと接触して配置されたときにスポンジが水を吸い上げる方法と同様です。 ただし、最大の逆高さ（凝縮器上の蒸発器）は比較的小さく、一般的な水ヒートパイプの長さは約25cmです。
ただし、蒸発器が凝縮器の下にある場合、液体は芯を必要とせずに重力によって逆流する可能性があり、2つの間の距離ははるかに長くなる可能性があります。 このような重力支援ヒートパイプは、熱サイフォン.[20][21]（参照：パーキンスチューブ、後ジェイコブ・パーキンス.[22]）（とは異なります熱サイフォン、単相で熱を伝達します自然対流ループ内の熱伝達）。
熱サイフォンでは、液体の作動流体は、ヒートパイプの下部にある蒸発器に供給される熱によって気化されます。 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に戻り、このサイクルが繰り返されます。 熱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、利用可能な凝縮液がないため、蒸気を形成して熱を蒸発器に伝達する方法がありません。
典型的な地上の水ヒートパイプは30cm未満の長さですが、熱サイフォンはしばしば数メートルの長さです。 以下で説明するように、アラスカのパイプラインを冷却するために使用される熱サイフォンの長さは約11〜12mでした。 地熱エネルギーの抽出には、さらに長い熱サイフォンが提案されています。 たとえば、Storch etal。 約6kWの熱を運ぶ53mmID、92m長のプロパン熱サイフォンを製造しました。[23]
ループヒートパイプ[編集]
Aループヒートパイプ（LHP）は、ヒートパイプに関連するパッシブ二相間移動装置です。 ヒートパイプ内の向流とは対照的に、液体と蒸気を並流にすることで、長距離にわたってより高い電力を運ぶことができます。[24][25]これにより、ループヒートパイプの芯は蒸発器と補償チャンバーにのみ必要になります。マイクロループヒートパイプ地上と宇宙の両方で幅広いアプリケーションで開発され、成功裏に採用されています。
熱伝達[編集]
Aヒートシンク（アルミ）ヒートパイプ付き（銅）
ヒートパイプは採用蒸発冷却によって熱エネルギーをあるポイントから別のポイントに転送する蒸発そして結露作動流体またはクーラントの。 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低くすることはできません（したがって、ヒートパイプはパイプ内の温度を等しく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蒸発し、ヒートパイプの空洞内の蒸気圧が上昇します。 ザ・潜熱作動流体の気化によって吸収される蒸発の量は、パイプの高温端の温度を下げます。
パイプの高温端での高温液体作動流体上の蒸気圧は、パイプの低温端での凝縮作動流体上の平衡蒸気圧よりも高く、この圧力差により、凝縮端への急速な質量移動が促進されます。過剰な蒸気は凝縮し、潜熱を放出し、パイプの冷たい端を暖めます。 蒸気中の非凝縮ガス（たとえば汚染によって引き起こされる）は、ガスの流れを妨げ、特に蒸気圧が低い低温でヒートパイプの有効性を低下させます。 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、気相のみが存在する場合）、これはヒートパイプ内を移動できる速度の上限です。 。 実際には、ヒートパイプを通過する蒸気の速度は、コールドエンドでの凝縮速度によって制限され、分子速度よりはるかに遅くなります。[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は、この熱流束を大幅にキャンセルします。 温度差が数十度を超える場合、蒸気圧曲線から評価できるように、表面からの蒸発は通常無視できます。 ほとんどの場合、ガスを介した非常に効率的な熱輸送では、ガスと凝縮面の間の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、この温度差はもちろん、それ自体が大きな実効熱抵抗に対応します。 ボトルネックは、熱源でのガス密度が高く、最大熱流束が高いことに対応するため、熱源ではそれほど深刻ではないことがよくあります。
凝縮した作動流体は、パイプの高温端に逆流します。 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する可能性があります。 芯を含むヒートパイプの場合、流体は毛細管現象.
ヒートパイプを作るとき、パイプに真空を作る必要はありません。 結果として生じる蒸気がパイプから非凝縮ガスをパージするまでヒートパイプ内の作動流体を単に沸騰させ、次に端を密封する。
ヒートパイプの興味深い特性は、それらが有効である温度範囲です。 最初は、温水ヒートパイプは、高温端が沸点（100°C、212°F、通常の大気圧）に達し、蒸気が低温端に移動したときにのみ機能することが疑われる場合があります。 ただし、水の沸点はパイプ内の絶対圧力に依存します。 排気されたパイプでは、水はそのパイプから気化します三重点（0.01°C、32°F）から臨界点（374°C; 705°F）、ヒートパイプに液体と蒸気の両方が含まれている限り。 したがって、ヒートパイプは、作動流体の融点よりもわずかに暖かいホットエンド温度で動作できますが、25°C（77°F）未満の温度では最大熱伝達率は低くなります。 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）をはるかに超えて機能します。 長期の水ヒートパイプの最高温度は270°C（518°F）で、短期のテストではヒートパイプは最大300°C（572°F）で動作します。[26]
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。 ザ・蒸発熱特定を大幅に超えています熱容量。 例として水を使用すると、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°C上げるのに必要なエネルギー量の540倍です。 そのエネルギーのほとんどすべてが急速にGGquot;コールドGGquot;に転送されます。 流体がそこで凝縮すると終了し、可動部品のない非常に効果的な熱伝達システムを作成します。[要出典]
開発[編集]
重力を利用したヒートパイプの一般原理、一般的に二相に分類熱サイフォン、蒸気時代にさかのぼり、アンジーマーチパーキンスと彼の息子ロフタス・パーキンスGG quot; Perkins Tube"は、機関車のボイラーや作業用オーブンで広く使用されています。[27]キャピラリーベースのヒートパイプは、RSGauglerによって最初に提案されました。ゼネラルモーターズアイデアの特許を取得した1942年に、[28][29]しかし、それ以上開発しませんでした。
George Groverは、キャピラリーベースのヒートパイプを独自に開発しました。ロスアラモス国立研究所1963年、その年の彼の特許で[30]GGquot;ヒートパイプGGquot;という用語を最初に使用した人物であり、彼はしばしばGGquot;ヒートパイプGGquot;の発明者と呼ばれています。[31]彼はノートに次のように述べています。[32]
外部ポンプを必要としないそのような閉鎖系は、炉心から放射システムに熱を移動させる宇宙原子炉において特に興味深いかもしれない。 重力がない場合、力は、毛細管とそのチャネルを通る戻り蒸気の抗力に打ち勝つようなものでなければなりません。
Grover GG＃39;の提案はNASA、特に宇宙飛行におけるアプリケーションと信頼性に関して、1960年代のヒートパイプ開発で大きな役割を果たしました。 これは、ヒートパイプの軽量、高熱流束、およびゼロ消費電力を考えると理解できました。また、無重力環境での操作によって悪影響を受けることはありませんでした。
宇宙計画におけるヒートパイプの最初の適用は、衛星トランスポンダーの熱平衡でした。[要出典]なので衛星軌道上では、片側が太陽の直射日光にさらされ、反対側が完全に暗く、の深い寒さにさらされています。宇宙空間。 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）に深刻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示しました。 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調整するための可変コンダクタンスヒートパイプの最初の使用でした。
幅広い使用法[編集]
NASAは、過酷な条件向けに設計されたヒートパイプをテストしました。一部のヒートパイプは、作動流体として液体ナトリウム金属を使用しています。 現在、通信衛星の冷却には他の形式のヒートパイプが使用されています。[33]1967年と1968年のフェルドマン、イーストマンによる出版物、[34]Katzoffは最初に、空調、エンジン冷却、電子機器冷却などの幅広い用途でのヒートパイプのアプリケーションについて説明しました。 これらの論文はまた、フレキシブル、動脈、および平板ヒートパイプについて最初に言及したものでもあります。 1969年の出版物は、タービンブレード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関する最初の議論を含んでいました。
1980年代からソニー強制対流とパッシブ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スキームにヒートパイプを組み込み始めました。 当初、それらは受信機と増幅器で使用され、すぐに他の高熱流束電子機器アプリケーションに広がりました。
1990年代後半、ますます高熱流束のマイクロコンピューターCPUが、米国のヒートパイプ特許出願の数を3倍に増やしました。 ヒートパイプが特殊な産業用熱伝達コンポーネントから消費者向け商品に進化するにつれて、ほとんどの開発と生産は米国からアジアに移りました。
最新のCPUヒートパイプは通常、銅作動流体として水を使用します。[35]
アプリケーション[編集]
宇宙船[編集]
宇宙船のヒートパイプは通常、エンベロープとして溝付きアルミニウム押し出し材を使用します
宇宙船の熱制御用の典型的な溝付きアルミニウム-アンモニアVCHP、下部に蒸発器セクション、バルブのすぐ下に非凝縮性ガスリザーバー[36]
ザ・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可能な温度範囲内に保つ機能があります。 これは次のように複雑になります。
一部の宇宙船は20年間持続するように設計されているため、電力や可動部品のない熱輸送が望まれます。 熱放射によって熱を拒絶することは、大きなラジエーターペイン（数平方メートル）が必要であることを意味します。 ヒートパイプとループヒートパイプ宇宙船で広く使用されています。これは、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です。
このセクションの最初の写真に示すように、溝付きの芯は宇宙船のヒートパイプに使用されています。 ヒートパイプはアルミニウムを押し出すことによって形成され、通常、熱伝達面積を増やすために一体型フランジを備えており、これにより温度降下が低くなります。 ヒートパイプは宇宙の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や焼結ウィックの代わりに、溝付きウィックが宇宙船で使用されます。 これにより、宇宙船のヒートパイプの長さを数メートルにすることができます。これに対して、地球上で動作する水ヒートパイプの最大長は約25cmです。 アンモニアは、宇宙船のヒートパイプの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凍結温度より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典型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。 下部フランジ領域は蒸発器です。 エバポレーターの上で、断熱セクションを曲げることができるようにフランジが機械加工されています。 コンデンサーは断熱セクションの上に示されています。 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。 ヒートパイプを充填して密閉した後、バルブを取り外します。 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±2K以内に制御できます。
コンピュータシステム[編集]
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。[37]電力要件の増加とそれに続く熱放出の増加により、冷却システムへの需要が高まったとき。 それらは現在、多くの最新のコンピュータシステムで広く使用されており、通常、熱を次のようなコンポーネントから遠ざけるために使用されます。CPUそしてGPU熱エネルギーが環境に放散される可能性のあるヒートシンクに。
太陽熱[編集]
ヒートパイプも広く使用されています太陽熱真空管ソーラーコレクターアレイと組み合わせた給湯アプリケーション。 これらの用途では、蒸留水は、真空にされたガラス管内に配置され、太陽に向けられた密閉された長さの銅管内の熱伝達流体として一般的に使用されます。 接続パイプでは、熱伝達媒体が収集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発生します。[38]
太陽熱温水加熱アプリケーションでは、真空管コレクターの個々の吸収管は、従来のGGquot;平板GGquot;と比較して最大40％効率的です。 太陽熱温水器。 これは主に、チューブ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ります。 ただし、平板コレクターは開口サイズが大きく、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、平板コレクターと比較した場合、真空管システムの相対効率は低下します。 つまり、個々の真空管は、管内に真空が発生するため、断熱性が向上します（伝導損失と対流損失が低くなります）が、完成したソーラーアセンブリにある一連の管は、吸収体の表面が少ないため、単位面積あたりのエネルギー吸収が少なくなります。真空管コレクターの丸みを帯びたデザインのため、エリアは太陽に向いていました。 したがって、両方の設計の実際の効率はほぼ同じです。
真空管コレクターは、真空が熱損失を遅らせるのに役立つため、不凍液添加剤の必要性を減らします。 ただし、凍結温度に長時間さらされた場合でも、伝熱流体は凍結する可能性があるため、このような環境向けのシステムを設計する場合は、凍結液が真空管に損傷を与え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して-3°C以上まで霜から保護することができ、南極大陸水を加熱する。[要出典]
永久凍土冷却[編集]
アラスカパイプラインヒートパイプ熱サイフォンで冷却された脚を支えて維持する永久凍土フローズン
上に構築永久凍土構造物からの熱が永久凍土層を溶かす可能性があるため、困難です。 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ります。 たとえば、トランスアラスカパイプラインシステム石油に残っている残留地中熱、および移動する石油の摩擦と乱流によって生成される熱は、パイプGG＃39のサポート脚を伝わり、サポートが固定されている永久凍土を溶かす可能性があります。 これにより、パイプラインが沈み、損傷する可能性があります。 これを防ぐために、各垂直支持部材には4本の垂直ヒートパイプが取り付けられています。熱サイフォン.[39]
熱サイフォンの重要な特徴は、受動的であり、動作するために外部電源を必要としないことです。 冬の間、空気はサポートの周りの地面よりも冷たいです。 熱サイフォンの底にある液体アンモニアは、地面から吸収された熱によって気化され、周囲の永久凍土層を冷却して温度を下げます。 夏の間は、ヒートパイプの上部に液体アンモニアがないため、熱サイフォンは動作を停止しますが、冬の間の極端な冷却により、地面は凍ったままになります。
ヒートパイプは、永久凍土層を一部の部分と一緒に凍らせておくためにも使用されます。青海-チベット鉄道堤防と線路が太陽GG＃39の熱を吸収する場所。 関連する地層の両側にある垂直ヒートパイプは、その熱が周囲の永久凍土層にさらに広がるのを防ぎます。
アプリケーションに応じて、いくつかの熱サイフォンの設計があります。[40]サーモプローブ,サーモパイル,深さサーモサイフォン,傾斜サーモサイフォンファンデーション,フラットループ熱サイフォンファンデーション,ハイブリッドフラットループサーモサイフォンファンデーション.
料理[編集]
最初の商用ヒートパイプ製品はGGquot; Thermal Magic Cooking Pin GGquot;でした。 Energy Conversion Systems、Inc。によって開発され、1966年に最初に販売されました。[41]クッキングピンは作動流体として水を使用しました。 エンベロープはステンレス鋼で、互換性のために内側の銅層があります。 運転中、ヒートパイプの一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に伸び、ローストの真ん中に熱を奪います。 ヒートパイプの高い実効伝導率により、大きな肉片の調理時間が半分に短縮されます。[42]
この原則は、キャンプ用ストーブにも適用されています。 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商品を焼いたり、他の料理を調理したりできるようにします。
換気熱回収[編集]
暖房、換気、空調システムでは、HVAC、ヒートパイプは、熱エネルギーを回収するために、エアハンドリングシステムの給気および排気流内、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、給気と排気の両方の流れの中に配置された、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。 ヒートパイプの排気側では、冷媒が蒸発し、排気から熱を奪います。 冷媒蒸気は、デバイスの給気側内のチューブのより冷たい端に向かって移動し、そこで凝縮して熱を放出します。 凝縮した冷媒は、重力と毛細管現象の組み合わせによって芯に戻ります。 したがって、熱は、排気流から管壁を通って冷媒に伝達され、次に冷媒から管壁を通って供給空気流に伝達される。
装置の特性上、ユニットを直立させ、給気側を排気側に取り付けた方が効率が良くなり、重力によって液体冷媒が蒸発器にすばやく逆流します。 一般に、最大75％の総熱伝達効率がメーカーによって主張されています。[要出典]
原子力転換[編集]
Groverと彼の同僚は、原子力セルために宇宙船、極端な熱条件に遭遇した場合。 これらのアルカリ金属ヒートパイプは、熱源から熱を熱電子または熱電変換器電気を生成します。
1990年代初頭以来、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電力システムが提案されてきた。[43]ヒートパイプを使用して発電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デモンストレーションで最初に運転されました。[44]
ワンケルロータリー燃焼エンジン[編集]
混合気の着火は常に同じ部分で行われますワンケルエンジン、出力を低下させ、燃料経済性を損ない、摩耗を加速する熱膨張格差を誘発します。 Wei Wu et al。によるSAEペーパー2014-01-2160は、次のように説明しています。 231°Cから129°Cまでの温度、および温度差は159°Cから18°Cに減少しました。UAVエンジン。
制限[編集]
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、ヒートパイプが機能する最適な温度に影響を与えます。
設計熱範囲外で使用した場合、ヒートパイプGG＃39; s熱伝導率に効果的に削減されます熱伝導その固体金属ケーシングのみの特性-の場合銅ケーシング、元のフラックスの約1/80。 これは、意図した温度範囲より下では、作動流体が相変化しないためです。 その上で、ヒートパイプ内のすべての作動流体が蒸発し、凝縮プロセスが停止します。
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作成できません。
も参照してください[編集]
参考文献[編集]
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