ヒートパイプと熱交換器
ヒートパイプとは何ですか？
ヒートパイプは、非常に高く効果的な熱伝導性を備えた熱伝導装置です。ヒートパイプは減圧容器であり、通常は断面が円形で、少量の作動流体で充填されています。完全なパッシブシステムであり、可動部品がなく、熱源から最小限の温度勾配でヒートシンクに熱を伝達するか、表面を等温化します。
ヒートパイプの仕組みとは？
作動流体を蒸発し凝縮させることで動作します。蒸発器に熱が入力されると、流体が気化し、パイプ内に圧力勾配が発生します。これにより、蒸気はパイプに沿って冷却部に流れ、そこで凝縮し、気化潜熱を放棄します。作動流体は、多孔質芯構造の毛細管力または重力によって蒸発器に戻されます。
ヒートパイプの用途には何がありますか？
ヒートパイプは、ヒートシンクのサイズを大きくしたり、シンクを離れた場所に移動したり、等温面が必要な場所に移動したりするために、最小限の温度勾配で熱を伝達する必要がある場所など、さまざまな用途に使用されます。典型的なアプリケーションとしては、コンピュータプロセッサの冷却、等温炉ライナー、航空宇宙熱伝導などがあります。
典型的なヒートパイプの熱伝導率はどのくらいですか？
ヒートパイプは二相熱伝導であるため、固体材料のように固定された熱伝導率は設定されていません。代わりに、有効熱伝導率は長さに応じて向上します。100Wを運ぶ12インチと4インチのヒートパイプを使用した場合、熱勾配はほぼ同じになるため、12インチの方が実効熱伝導率は高くなります。固体材料とは異なり、ヒートパイプの有効熱伝導率は、伝達される電力量と蒸発器とコンデンサのサイズによって変化します。有効熱伝導率は、ヒートパイプの長さにもよりますが、銅の有効熱伝導率の10〜10,000倍（4,000W/メートル·K から4,000,0000W/メートル·K）になります。
ヒートパイプを構築するために使用できる材料には何がありますか？
ヒートパイプの壁やシェル材料は、作動流体との適合性に基づいて選択されます。ヒートパイプの作動流体は、アプリケーションの動作温度範囲に基づいて選択されます。作動流体を選択した後、流体とヒートパイプ壁またはシェル材料との間に腐食または化学反応が発生するのを防ぐために、作動流体との化学的適合性に基づいて、ヒートパイプ壁またはシェル材料が選択されます。ヒートパイプ内の作動流体と壁材の間で化学的相性上の問題が発生すると、化学反応が起こり、非凝縮性ガスが発生することがあります。ヒートパイプ内の非凝縮性ガスによって、動作障害が引き起こされる可能性があります。
ヒートパイプでの熱輸送における主な制限事項は何ですか？
ヒートパイプの熱輸送において考えられる基本的な4つの制限事項は次のとおりです。
毛細管の限界：これは、作動流体をヒートパイプコンデンサから蒸発器に輸送するための芯構造における、最大毛細管ポンプ圧力です。毛細管ポンプ圧力は、ヒートパイプ内の3つの基本的な圧力降下、すなわち蒸気圧降下、液圧降下、重力/体積力降下を克服する必要があります。
沸騰限界：沸騰限界は、半径方向の熱流束が最大値(W/cm2)を超え、作動流体の蒸発速度がヒートパイプのコンデンサセクションからの液体凝縮液の戻り速度を超えた場合に発生します。沸騰限界に達すると、液体作動流体は熱を吸収できなくなり、ヒートパイプが乾燥状態となり、動作しなくなります。
音の限界：ヒートパイプの蒸発器からコンデンサに移動する作動流体の蒸気流量の最大流量。蒸気流量が音速を超えると、流れが詰まり、ヒートパイプは等温で動作しなくなります。
巻き込み限界：蒸発器から蒸気と芯の界面にあるヒートパイプのコンデンサセクションへと流れる蒸気の勢いにより、液滴が取り込まれてコンデンサセクションに運ばれる場合に発生します。巻き込み制限を超えると、作動流体がコンデンサセクションから蒸発器セクションに戻ることができなくなり、その結果、ヒートパイプが作動しなくなります。
ヒートパイプは信頼性に優れていますか？
はい、主に可動部品がないのがその理由です。メンテナンスが不可能な航空宇宙などの用途に最適です。ヒートパイプの故障としては、ヒートパイプ内でのガスの発生が主な原因としてあげられますが、これは適切な清掃と組み立て手順を踏むことで全て回避できます。ボイドは、40年以上のヒートパイプの信頼性と寿命試験データを主張できる世界で唯一のヒートパイプメーカーです。
ヒートパイプは高価ですか？
アルミニウム押し出しや鋳造ヒートシンクなどの従来の（そして効果の低い）熱伝導方法と比較して、ヒートパイプは初期コストが高くなる場合があります。そのため、ヒートパイプは、単純な導電性ヒートシンクで冷却を実行できるアプリケーションには推奨されません。ただし、より要求の厳しいアプリケーションでは、ヒートパイプにかかる総合的なコストは他の代替品と比べても劣りません。初期コストは、システムの信頼性が向上し、冷却動作する電子機器の寿命を延長できることで、部分的に相殺することができます。大量になる場合には、ヒートパイプのコストは大幅に低下し、冷却用途として最も経済的なソリューションとなることが多々あります。
ヒートパイプは重力に逆らって動作することができますか？
はい、これは蒸発器がコンデンサの上に配置されている場合に常に発生します。こういったアプリケーションでは、作動流体を重力に逆らって蒸発器に戻す必要があります。これは、多孔質芯に発生する毛細管圧を通って作動流体を送り出す芯構造を介して発生します。芯構造の細孔半径が細かいほど、ヒートパイプが動作できる重力も高くなります。(ナノスケールの芯が利用可能です。）
すべてのタイプの受動熱伝導が重力に逆らって動作できるわけではありません。熱サイフォンはヒートパイプに類似していますが、芯構造はなく、重力補助でのみ動作します。
ヒートパイプにはどのような液体が使用されていますか？
ヒートパイプの作動流体は、極低温ヒートパイプ用途向けのヘリウムや窒素から、高温放熱用のナトリウムやカリウムなどの液体金属まで多岐にわたります。電子機器の冷却操作に使用されるヒートパイプの流体として一般的なものには、アンモニア、水、アセトン、メタノールがあります。ボイドは、高温(>1,000°C)用途の極低温用途向けに、これらすべての流体を使用してヒートパイプを製造した経験があります。
100°C未満の場合、水ヒートパイプはどのように機能しますか？
大気圧の水は<100°Cで沸騰しますが、ヒートパイプ内では大気圧ではありません。ヒートパイプの内圧は、その流体の流体温度での流体の飽和圧力です。ヒートパイプ内の流体は、凝固点を超える任意の温度で沸騰します。したがって、室温（20°C）では、水ヒートパイプは部分的に真空下にあり、熱が入力された直後にヒートパイプが沸騰します。
ヒートパイプは凍結することがありますか？
はい、水を含めたｈヒートパイプの作動流体は、通常の凝固点を維持します。ヒートパイプは、温度が流体の凍結温度を超えるまで作動しません。ただし、適切に設計されたヒートパイプであれば、作動流体の凍結または解凍によって損傷することはありません。ボイドは、20年以上の実証済み実績のある凍結耐性ヒートパイプの設計、開発、製造に成功しています。
熱交換器アラーム機能には何がありますか？その方法は？
熱管理、速度制御、ファン故障アラームを各熱交換器に組み込むことができます。これらの機能は、ソリッドステート制御ボードを取り付けるか、ファン自体に機能を組み込むことで利用できます。
Boyd HXi®熱交換器シリーズのコアエレメントをどのようにシールしますか?
ボイドはRTVシーラントを使用して、インナーコアカセットとコアフランジアセンブリの両方の周囲に凝集性ガスケットを提供します。各内部コアカセットとコアフランジアセンブリには、NEMA4条件をシミュレートするための真空テスト設計が施されています。
HX®のフィンは環境保護のためコーティングすることはできますか？
はい、一般的なコーティングは、六価クロメートまたはRoHS準拠の透明クロメートのいずれかです。HerresiteやE-Coatなどのコーティングを熱交換器に追加して、装置に環境保護を付加することができます（最小容量が適用されます）。
HX、HXi®®、および HXc® テクノロジーの違いは何ですか？
それぞれの技術には、サイズ、効率、カスタマイズへの適応性、電力機能に応じて、独自のメリットがあります。ボイドがアプリケーションをレビューして、優れたソリューションを推奨できるようにします。
カスタムデザインは構築していますか？
ボイドは、幅広いテクノロジーを活用して、完全に最適化されたカスタムソリューションと標準製品を提供しています。
使用しているアプリケーションで熱交換器がどのように動作するのかを確認できる、コンピュータ生成モデルは提供できますか？
はい、ボイドはSmartCFDなどのCFD(数値流体力学)プログラムを利用して、熱交換器の性能をモデル化することができます。
