公開された： 2024-07-24 起源： パワード
ヒートパイプ は、熱伝導率と相転移の原理を組み合わせて熱を効率的に管理する受動的熱伝達デバイスです。これらの注目すべきデバイスは、20 世紀半ばの登場以来、さまざまな業界の熱管理に革命をもたらしてきました。
ヒートパイプは、作動流体とウィック構造を含む密閉チューブで構成されています。基本原理には、熱源 (蒸発器) での作動流体の蒸発と熱源 (蒸発器) でのその凝縮が含まれます。 ヒートシンク (凝縮器)、ウィック構造により、毛細管現象により凝縮した流体が蒸発器に戻りやすくなります。
ヒート パイプの概念は、1942 年に RS ゴーグラーによって初めて導入されました。それでも、ロス アラモス国立研究所のジョージ グローバーが最新のヒート パイプ設計を開発して特許を取得し、熱管理における広範な応用への道を切り開いたのは 1960 年代のことでした。
一般的なヒート パイプは、次の 3 つの主要コンポーネントで構成されます。
· 容器： 通常、銅、アルミニウム、またはステンレス鋼で作られた密閉管。
· 作動流体: 使用温度範囲に基づいて選択される液体。
· 芯の構造: 容器の内壁を裏打ちする多孔質材料。
作動流体の選択は、ヒートパイプの動作温度範囲によって異なります。一般的な作動流体には次のものがあります。
· 水(30～200℃)
· メタノール（-40～120℃）
· アンモニア(-60～100℃)
· ナトリウム（600～1200℃）
ヒートパイプ内の熱伝達は次の手順で発生します。
· 蒸発： 熱が蒸発器に吸収され、作動流体が蒸発します。
· 蒸気の流れ: 蒸気はヒートパイプのコアを通ってコンデンサーまで移動します。
· 結露： 蒸気は潜熱を放出し、凝縮器で凝縮して液体に戻ります。
· 液体戻り： 凝縮した液体は、毛細管現象によってウィック構造を通って蒸発器に戻されます。
この連続サイクルにより、ヒート パイプは最小限の温度差で大量の熱を伝達できます。
ヒートパイプには、従来の熱伝達方式よりも優れたいくつかのユニークな特性があります。
· 高い熱伝導率: ヒートパイプは、銅の最大 1000 倍の実効熱伝導率を持つことができます。
· 等温操作: 長さに沿ってほぼ一定の温度を維持するため、温度均一性の用途に最適です。
· 熱流束変換: ヒートパイプは、熱流束を小さな領域から大きな領域に、またはその逆に変換できます。
· 熱ダイオードの影響: 一部のヒート パイプは熱を主に一方向に伝達し、サーマル ダイオードとして機能します。
· 迅速な対応: ヒートパイプは温度変化に素早く反応するため、動的な熱管理に適しています。
· 信頼性と長寿命: ヒートパイプは可動部品がないため信頼性が高く、メンテナンスなしで数十年間動作できます。
· 環境適応性: ヒートパイプは、無重力を含むさまざまな環境で動作するように設計できます。
ヒートパイプはさまざまな基準に基づいて分類できます。
· 極低温ヒートパイプ (-271°C ～ -123°C)
· 低温ヒートパイプ（-123℃～177℃）
· 中温ヒートパイプ（177℃～477℃）
· 高温ヒートパイプ（477℃以上）
· 円筒形ヒートパイプ
· 平板ヒートパイプ
· ベーパーチャンバー
· ループヒートパイプ
· 脈動ヒートパイプ
· 従来のヒートパイプ
· 熱サイフォン
· キャピラリポンプループ
ヒートパイプの性能限界を理解することは、ヒートパイプを効果的に設計し、適用するために非常に重要です。
· 毛細管限界: 芯内の毛管圧力が凝縮水を蒸発器に戻すのに不十分な場合に発生します。
· 沸騰限界: これは、過剰な熱流束により芯内で沸騰が発生し、液体の流れが中断されるときに発生します。
· ソニックリミット: 起動時に蒸気速度が音速に達すると発生し、熱伝達が制限されます。
· 粘度限界: 蒸気圧が粘性力に打ち勝つのに不十分な低温に関連します。
· 同伴限界: 高い蒸気速度により芯から液滴が運ばれ、液体の戻りが減少するときに発生します。
これらの制限により、特定の動作条件下でのヒート パイプの最大熱伝達容量が決まります。
ヒート パイプの設計と製造には、最適なパフォーマンスと信頼性を確保するためにいくつかの重要な手順が含まれます。
容器と芯の構造の材質の選択は非常に重要です。一般的な材料には次のものがあります。
· 容器： 銅、アルミニウム、ステンレス鋼
· 芯： 焼結金属粉末、スクリーンメッシュ、溝構造
ウィックの構造は、凝縮水を蒸発器に戻すために重要です。さまざまな芯のデザインには次のものがあります。
· 焼結粉末: 高い毛管圧力と良好な浸透性を実現します。
· スクリーンメッシュ: 適度な毛細管圧を提供し、製造が容易になります。
· 溝付き芯: 低から中程度の毛細管圧を必要とする用途に適しています。
効率的な動作を確保するには、ヒートパイプに充填される作動流体の量を慎重に計算する必要があります。流体は芯構造を満たし、パイプをあふれさせることなく相変化に十分な液体を提供する必要があります。
· コンテナの製造: 容器は通常、絞り加工または押し出し加工によって作られます。
· 芯の挿入: 芯構造は容器に挿入されます。
· シーリング: 容器の一端は密閉されています。
· 排気と充填: 容器内を真空にして空気を除去し、作動流体で満たします。
· 最終シーリング: 容器のもう一方の端は密閉され、真空気密の環境が作成されます。
ヒートパイプは、その効率的な熱管理機能により、新エネルギー分野で広範囲に応用されています。
· バッテリーの熱管理: ヒートパイプはバッテリー温度を最適に維持し、パフォーマンスと寿命を向上させます。
· モーター冷却: 電動モーターの熱を効率よく放散し、過熱を防ぎ効率を向上させます。
· 太陽光発電インバーター: ヒート パイプは、インバーター内のパワー エレクトロニクスによって生成される熱を管理し、信頼性の高い動作を保証します。
· 風力発電コンバータ: 風力タービンの電力コンバータを冷却し、効率と寿命を向上させます。
· 熱エネルギー貯蔵: ヒートパイプは、熱エネルギー貯蔵システムにおける効率的な熱伝達を促進し、エネルギー密度と放出率を向上させます。
· IGBTの冷却: ヒート パイプは、パワー エレクトロニクスの重要なコンポーネントである絶縁ゲート バイポーラ トランジスタ (IGBT) を冷却するために使用され、安定した動作を保証します。
ヒートパイプ技術の分野は継続的に進化しており、いくつかの新たなトレンドが生まれています。
· マイクロヒートパイプ: コンパクトな電子機器向けに設計されており、小さなフォームファクターで高い熱伝導率を実現します。
· 超薄型ヒートパイプ: これらはスマートフォンやタブレットなどのスリムな電子機器に使用され、かさばらずに効率的な熱管理を実現します。
· ナノ流体: 熱伝導率と熱伝達性能を向上させるナノ粒子を懸濁した流体。
· 有機液体: 従来の作動流体に代わる環境に優しい代替品で、特定の温度範囲に適しています。
· ハイブリッド設計: 異なる芯構造を組み合わせたり、ヒートパイプを他の冷却技術と統合したりして、パフォーマンスを向上させます。
· 効率： 高い熱伝導率と等温動作。
· 多用途性: エレクトロニクスから再生可能エネルギーまで、さまざまな産業に応用可能です。
· 信頼性： 最小限のメンテナンスで長寿命。
· 環境適応性: 宇宙用途を含む極限条件でも動作可能。
· 設計の複雑さ: 最適なパフォーマンスを達成するには、正確な設計と製造が必要です。
· 料金： 従来の冷却方法と比較して初期コストが高くなる可能性があります。
· パフォーマンスの限界: 効果的なアプリケーションには、パフォーマンスの制限を理解し、軽減することが重要です。
ヒートパイプ技術 熱管理ソリューションの革命的な進歩を表し、比類のない効率と多用途性を提供します。ヒートパイプの動作原理、特性、用途を理解することで、産業界はその可能性を活用してパフォーマンスと信頼性を向上させることができます。
熱管理ソリューションのリーダーとして、 ウィンシェアサーマルテクノロジー株式会社 は革新を続け、ヒートパイプ技術の限界を押し広げています。 Winshare Thermal は、研究開発に投資し、学術機関と協力することで、熱管理の将来をリードする態勢を整えています。