A REVIEW OF HEAT PIPE APPLICATION INCLUDING NEW OPPORTUNITIES

この資料は、"Masataka Mochizuki, Thang Nguyen, Koichi Mashiko, Yuji Saito, Tien Nguyen and Vijit Wuttijumnong" の論文："A REVIEW OF HEAT PIPE APPLICATION INCLUDING NEW OPPORTUNITIES" に基づいて序文が書かれました

1. 概要:

• タイトル: A REVIEW OF HEAT PIPE APPLICATION INCLUDING NEW OPPORTUNITIES
• 著者: Masataka Mochizuki, Thang Nguyen, Koichi Mashiko, Yuji Saito, Tien Nguyen and Vijit Wuttijumnong
• 出版年: 2011年3月
• 出版ジャーナル/学会: Frontiers in Heat Pipes
• キーワード: cooling electronics, computer processor, global warming, data center, heat pipe, thermo-siphon, artificial permafrost storage

2. 概要または序文

この論文は、コンピュータエレクトロニクスから再生可能エネルギーまで、ヒートパイプの応用に関する詳細なレビューを提供します。コンピュータエレクトロニクスの分野では、コンピュータプロセッサの性能と消費電力の増大傾向により、放熱の課題が深刻化しています。放熱要求が増加しているにもかかわらず、ナノサイズの回路技術の進歩により、プロセッサのダイサイズは縮小または同サイズに維持されており、熱フラックスが критически 高くなっています。2000年には約10〜15 W/cm²であった熱フラックスは、2010年には100 W/cm²を超えました。この論文の目的は、ヒートパイプを利用して空冷能力を拡張し、その性能を最大化する方法についての洞察を提供することです。

地球温暖化の危機に対処するため、論文では炭素排出量を最小限に抑えるヒートパイプの役割を強調しています。データセンターや農産物の冷却のための自然冷エネルギーの収集と貯蔵、相変化材料（PCM）と夜空放射を利用した集光型太陽光発電セルの冷却、氷山や氷河の融解防止、道路融雪のための太陽熱収集、地熱抽出のための大型ヒートパイプの利用、地球の温度調節のための超大型ヒートパイプの利用など、その応用例を探求しています。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

最新のデスクトップおよびサーバープロセッサにおける放熱量は、一般的に100Wを超え、熱フラックスは100W/cm²を超える可能性があります。パッシブ冷却は、もはや冷却要件を満たすには適切ではありません。液体冷却、熱電冷却、冷凍などの技術は、必要な熱性能を提供でき、高性能コンピュータの冷却に実用化されていますが、システムの統合の複雑さ、信頼性に関するデータ不足、大量生産能力の制約、そして特にコストの高さから、まだ広く使用されていません。空冷は、成熟した技術であり、運用コストと初期コストが最も低いため、コンピュータ冷却において最も広く使用されている冷却技術です。効果的な冷却のためには、熱源と放熱部品間の温度勾配を最小限に抑える必要があり、ヒートパイプと蒸気チャンバーは、熱抵抗が最も低い効果的な熱伝達デバイスとして認識されています。

既存研究の状況:

データセンターでは、電力消費が主要な運用コストであり、データセンターの処理ユニットに供給される電力は最終的に熱として散逸するため、データセンターの電力のかなりの部分がこれらのユニットの冷却に使用されます。コンピューティングインフラストラクチャが消費する電力1ワットごとに、冷却インフラストラクチャを運用するためにはさらに3分の1から2分の1ワットが必要と推定されています。これにより、データセンターは多大な費用と環境負荷を抱えることになります。先行研究では、データセンターの冷却システムの省エネルギー化により、電力消費と炭素排出量を削減することが探求されてきました。既存のアプローチには、ヒートシンク設計の最適化、フィン効率の向上、ファンエアフローの最適化、および熱拡散と伝達を改善するためのヒートパイプまたは蒸気チャンバーの統合が含まれます。

研究の必要性:

この論文では、コンピュータエレクトロニクスにおける増大する放熱要求と、特にデータセンターにおけるエネルギー消費と環境負荷への懸念の高まりに対処するための革新的な熱管理ソリューションの必要性を強調しています。ヒートパイプ技術が、空冷限界の拡張、エネルギー消費の削減、および様々なアプリケーションにおける炭素排出量の最小化に貢献する可能性を強調し、その応用と機会に関する包括的なレビューの必要性を訴えています。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

この論文の主な目的は、コンピュータエレクトロニクスから再生可能エネルギーまで、多様な分野におけるヒートパイプの応用に関する詳細なレビューを提供し、高性能エレクトロニクスにおける空冷の強化や地球温暖化の緩和など、現代の課題に対処するためのヒートパイプ技術の新たな機会を探求することです。

主要な研究課題:

この論文で探求されている主要な研究分野は以下のとおりです。

• コンピュータエレクトロニクスにおけるヒートパイプ応用の進化のレビュー、特に空冷能力の拡張に焦点を当てる。
• コンピュータプロセッサおよび電子デバイスの熱管理におけるヒートパイプおよび蒸気チャンバーの応用の調査。
• ハイブリッドシステム、リモートヒートエクスチェンジャー、蒸気チャンバーを含む、ヒートパイプベースの冷却ソリューションの熱性能と設計上の考慮事項の分析。
• データセンターの冷エネルギー貯蔵、地熱抽出、集光型太陽光発電セルの冷却など、再生可能エネルギーシステムにおけるヒートパイプの新規応用の探求。
• 地球規模の温度調節のための超大型ヒートパイプの可能性の検討。

研究仮説:

この論文はレビュー論文であり、伝統的な実験研究のような研究仮説を明示的に述べていませんが、暗黙の仮説を特定できます。

• ヒートパイプと蒸気チャンバーは、熱拡散と伝達を改善することにより、高性能コンピュータプロセッサの空冷能力を大幅に向上させることができる。
• ヒートパイプベースの冷エネルギー貯蔵システムは、従来のチラーシステムと比較して、電力消費量と炭素排出量を削減し、データセンターにエネルギー効率が高く費用対効果の高い冷却ソリューションを提供できる。
• ヒートパイプ技術は、エネルギー効率と持続可能性を向上させるために、さまざまな再生可能エネルギーアプリケーションに効果的に適用できる。

5. 研究方法

研究デザイン:

この論文では、ヒートパイプの応用に関する既存の文献、実験データ、および概念設計を統合したレビューベースの研究デザインを採用しています。ヒートパイプの進化、原理、およびさまざまな熱管理コンテキストにおける性能特性を体系的に検証します。

データ収集方法:

この論文は主に、以前に発表された研究、実験的研究、および技術文献で報告されたデータと知見に依拠しています。熱性能データ、設計仕様、およびヒートパイプベースの冷却ソリューションの概念図の分析が含まれています。提示された図とデータは、既存の研究および実験的研究から直接引用されています。

分析方法:

分析方法は定性的かつ記述的であり、レビューされた文献から収集された情報の詳細な調査と統合を含みます。論文では、ヒートパイプと蒸気チャンバーの熱原理を分析し、さまざまなアプリケーションにおける性能を評価し、設計上の考慮事項と最適化戦略について議論します。比較分析は、従来の冷却技術に対するヒートパイプソリューションの利点を評価するために使用されます。

研究対象と範囲:

研究範囲は、以下を含むヒートパイプアプリケーションの広範囲を網羅しています。

• コンピュータエレクトロニクス冷却: デスクトップ、ノートブック、サーバープロセッサ、およびグラフィックプロセッシングユニット（GPU）に焦点を当てる。
• 再生可能エネルギーシステム: データセンターおよび農産物のための冷エネルギー貯蔵、地熱抽出、太陽エネルギーアプリケーション（CPV冷却、道路融雪）、および地球規模の温度調節のための潜在的なアプリケーションを網羅する。
• ヒートパイプ技術: さまざまなタイプのヒートパイプ（溝付き、焼結、複合ウィック）、蒸気チャンバー、サーモサイフォン、およびマイクロチャネルヒートパイプを含む。

6. 主な研究成果:

主な研究成果:

• コンピュータエレクトロニクスにおけるヒートパイプの応用: ヒートパイプと蒸気チャンバーは、コンピュータエレクトロニクス向けの効果的な熱ソリューションとして確立されており、空冷がますます高まる放熱要求に対応できるようになっています。ハイブリッドシステム、リモートヒートエクスチェンジャー、蒸気チャンバーなどの設計の進化により、空冷の限界が押し広げられてきました。
• 熱抵抗解析: 論文では、CPU冷却における熱抵抗ネットワークを詳細に説明し、ヒートパイプと蒸気チャンバーが熱抵抗、特に拡散抵抗をどのように低減するかを示しています。図3と図11は、高度なヒートパイプ冷却ソリューションによる熱抵抗の低減傾向を示しています。
• ノートブックおよびデスクトップ冷却の例: ハイブリッドヒートパイプシステム、リモートヒートエクスチェンジャー、および蒸気チャンバーは、ノートブックの熱管理のための効果的なソリューションとして提示されています。デスクトップ冷却ソリューションは、性能を向上させるために、通常の押し出しヒートシンクから蒸気チャンバーベースの設計へと進化しました（図5、6、9、10、11、12）。
• グラフィックプロセッサ冷却: 蒸気チャンバーとヒートパイプを使用した高度な3次元熱管理デバイスは、高性能GPUに優れた冷却を提供することが示されています（図13、14）。
• ピエゾファン統合: ピエゾファンは、低消費電力、低ノイズの空冷代替技術として探求されており、音響特性とコストの面で利点があり、従来のファンと同等の性能を発揮することが示されています（図15、16、17、18、19）。
• 将来の技術: マイクロチャネル蒸気チャンバー（MVC-IHS）と統合ヒートスプレッダー（IHS）の除去は、プロセッサ冷却における熱拡散を改善し、熱抵抗を低減するための将来の方向性として提案されています（図20、21、22、23）。
• 再生可能エネルギーアプリケーション:
  • 冷エネルギー貯蔵: データセンター向けのヒートパイプベースの冷エネルギー貯蔵システムは、冬季に自然冷エネルギーを活用し、チラーシステムのエネルギー効率の高い代替手段として提示されています（図28、29、30、31、32、33）。
  • 地熱抽出: 大型ループヒートパイプは、効率的な地熱抽出のために提案されており、実験結果は有意な熱抽出率を示しています（図45、46）。
  • CPV冷却: ヒートパイプと相変化材料（PCM）は、集光型太陽光発電（CPV）セルの冷却のために探求されており、サーモサイフォンと夜空放射を利用して効率的な熱管理を実現しています（図42、43、44）。
  • 超大型ヒートパイプ: 地球規模の温度調節のための超大型ヒートパイプの概念設計が紹介されていますが、非常に概念的なものであることは認められています（図48、49、50）。

提示されたデータの分析:

• 図3: 熱抵抗（Rja、Rjc、Rca）と放熱の関係を示し、電力が増加するにつれてRcaの重要性が増し、効率的な冷却ソリューションの必要性を示しています。
• 図4: 空冷と液体冷却の冷却能力を比較し、液体冷却の優れた熱伝達能力を強調しています。
• 図14: 高性能GPUを冷却するための蒸気チャンバーおよびヒートパイプソリューションの熱性能を示し、エアフローの増加に伴う熱抵抗の改善を示しています。
• 図17: ピエゾファン、軸流ファン、およびブロワーの熱性能を比較し、ピエゾファンが低ノイズおよび低消費電力で同等の性能を発揮することを示しています。
• 図21: 固体Cu-IHSとMVC-IHSの間の熱拡散抵抗の比較を示し、特にIHSサイズが大きい場合にMVC-IHSが拡散抵抗を低減する上で有利であることを示しています。
• 図24: さまざまな作動流体を使用したヒートパイプの性能比較を示し、水と比較して1-ブタノール1wt%で熱伝達が向上することを示しています。
• 図26: 設計最適化による蒸気チャンバーの性能向上を示し、より高い熱伝達能力を達成しています。
• 図38: ヒートパイプ冷エネルギー貯蔵システムにおける氷の形成に関する実験結果を示し、概念を検証しています。
• 図46: 大型ヒートパイプを使用した地熱抽出の試験結果を示し、有意な熱抽出能力を実証しています。

図の名前リスト:

• Fig. 1 Types of heat pipes
• Fig. 2 Heat pipe application
• Fig. 3 Thermal resistances
• Fig. 4 Thermal performance comparison between air cooling and liquid cooling
• Fig. 5 Hybrid cooling system
• Fig. 6 Remote heat exchanger
• Fig. 7 Examples of various remote heat exchangers designs
• Fig. 8 Examples of various shapes and sizes of vapor chamber
• Fig. 9 Vapor chamber solution
• Fig. 10 Trend of thermal solution in laptop
• Fig. 11 Summary of thermal design trend for cooling desktop PCs
• Fig. 12 Examples of heat pipe heat sink thermal designs for cooling desktop PCs
• Fig. 13 Vapor chamber and heat pipe thermal solution for cooling high performance graphic processors
• Fig. 14 Thermal performance of vapour chamber and heat pipe thermal solution for cooling high performance graphic processors
• Fig. 15 Basic principle of piezo fan
• Fig. 16 Thermal solution consist of heat pipes with spreader plate and piezo fan
• Fig. 17 Thermal performance comparison between piezo fan, axial fan and air blower
• Fig. 18 Raked piezo fan
• Fig. 19 Thermal performance of raked piezo fan
• Fig. 20 Micro-channel vapor chamber
• Fig. 21 Thermal spreading resistance comparison between Cu-IHS and MVC-IHS
• Fig. 22 Skive micro-fin structure
• Fig. 23 Thermal solution without IHS
• Fig. 24 Heat pipe performance comparison of different fluids
• Fig. 25 Vapor chamber improvement ideas
• Fig. 26 Vapor chamber performance improvement
• Fig. 27 Schematic micro-channel two-phase pump loop
• Fig. 28 Power consumption in data centers
• Fig. 29 Typical example of current thermal management system in data centers
• Fig. 30 Concept of cold energy storage for cooling data centers
• Fig. 31 Thermosiphon diode characteristics
• Fig. 32 Ice storage system to support data center failure time
• Fig. 33 Structure comparison between current system (top) and the proposed ice storage system (bottom)
• Fig. 34 Precooler for chiller inlet water
• Fig. 35 Hourly temperature and wind speed for Poughkeepsie, New York, USA, 2008
• Fig. 36 Pre cooler design for 8800 kW data center
• Fig. 37 Pre cooler design for 8800 kW data center
• Fig. 38 Experimental test results of ice formation
• Fig. 39 Concept of ice removal on the surface of the evaporator
• Fig. 40 Permafrost storage system
• Fig. 41 Freezing index
• Fig. 42 CPV Cooling by thermosiphons with fin heat exchangers
• Fig. 43 CPV cooling by use of PCM and night-time sky radiation
• Fig. 44 Sky temperature vs ambient temperature
• Fig. 45 Large scale heat pipe for geothermal extraction heat
• Fig. 46 Test results for geothermal heat extraction by a large-scale heat pipe (diameter 150 mm and 150 m long)
• Fig. 47 Example of energy consumption in Japan
• Fig. 48 Concept of ultra-large scale heat pipe for cooling the earth
• Fig. 49 Design of ultra-large scale heat pipe for cooling the earth
• Fig. 50 Space elevator by NASA

7. 結論:

主な知見の要約:

このレビュー論文は、多様なアプリケーションにおける熱管理におけるヒートパイプ技術の汎用性と有効性を強調しています。コンピュータエレクトロニクスでは、ヒートパイプと蒸気チャンバーは、高性能プロセッサの冷却要求を満たすために不可欠であり、空冷の限界を拡張しています。データセンターの冷エネルギー貯蔵、地熱抽出、CPV冷却などの再生可能エネルギーにおける新しいアプリケーションは、ヒートパイプがエネルギー効率と持続可能性に貢献する可能性を示しています。この論文では、地球規模の温度調節のための超大型ヒートパイプのような概念的なアプリケーションも探求しており、ヒートパイプ技術の幅広い範囲を強調しています。

研究の学術的意義:

このレビューは、ヒートパイプ技術の包括的な概要を提供し、さまざまな分野の研究と応用を統合しています。学術分野への貢献として：

• ヒートパイプアプリケーションの進化と進歩を体系的に分類し、要約する。
• ヒートパイプベースの冷却ソリューションの熱性能と設計上の考慮事項の詳細な分析を提供する。
• 再生可能エネルギーと環境持続可能性におけるヒートパイプの新規および新興アプリケーションを特定し、探求する。
• 熱管理、コンピュータエレクトロニクス、および再生可能エネルギー分野の研究者およびエンジニアにとって貴重なリソースを提供する。

実際的な意義:

この研究の実用的な意義は、さまざまな産業にとって重要です。

• コンピュータエレクトロニクス産業: 高性能プロセッサ向けの効率的なヒートパイプベースの冷却ソリューションの設計と実装に関するガイダンスを提供し、熱的課題を管理しながら継続的な性能のスケーリングを可能にする。
• データセンター産業: ヒートパイプを使用したエネルギー効率の高い冷エネルギー貯蔵システムに関する洞察を提供し、運用コストと環境負荷を削減する。
• 再生可能エネルギー分野: 地熱や太陽光発電などの再生可能エネルギー技術の効率と実現可能性を高めるヒートパイプの可能性を示す。
• 環境工学: 気候変動やエネルギーの持続可能性などの地球規模の課題に対処するためにヒートパイプを活用する革新的な概念を探求する。

研究の限界と今後の研究分野:

レビュー論文として、この研究は既存の研究の範囲と利用可能性によって制限されています。特定の実験の詳細と詳細な定量的分析は、引用された情報源に依存しています。今後の研究分野には以下が含まれます。

• プロセッサの熱管理のためのマイクロチャネル蒸気チャンバー（MVC-IHS）およびIHSなし冷却ソリューションのさらなる実験的調査と最適化。
• 多様な気候およびデータセンター構成におけるヒートパイプベースの冷エネルギー貯蔵システムの詳細な実現可能性調査と性能評価。
• 地熱エネルギー抽出のための大型および超大型ヒートパイプシステムの継続的な開発とテスト、および地球規模の温度調節のような概念的なアプリケーション。
• 特に高熱フラックスおよび再生可能エネルギーアプリケーション向けのヒートパイプ性能を向上させるための新しい作動流体とウィック構造の探求。
• 低消費電力および低ノイズアプリケーション向けのピエゾファン技術とそのヒートパイプ冷却ソリューションとの統合に関するさらなる研究。

8. 参考文献:

• Brill, K.G., 2010 Heat Density Trends in Data Processing, Computer Systems, and Telecommunications Equipment: Perspectives, Implications, and the Current Reality in Many Data Centers, The Uptime Institute, 2005.
• Mashiko, K., Mochizuki, M., Watanabe, Y., Kanai, Y., Eguchi, K., and Shiraishi, M., Proc. of the Fourth Int'l. Heat Pipe Symp., University of Tsukuba, May 16-18, 1994, Japan.
• Mochizuki, M., Nguyen, T., Agata, H., and Kiyooka, F., “Advanced Thermal Solution Using Vapor chamber Technology For Cooling High Performance Desktop CPU In Notebook Computer", The 1st International Symposium on Micro & Nano Technology, 4-7 March 2004, Honolulu, Haiwai, USA.
• Mochizuki, M., Nguyen, Thang., Saito, Y., Wuttijumnong, V., Wu, X., Nguyen Tien, "Revolution in Fan Heat Sink Cooling Technology to Extend and Maximize Air Cooling for High Performance Processor in Laptop/Desktop/Server Application”, ASME Summer Heat Transfer Conference & InterPACK '05, July 17-22, 2005, San Francisco, USA.
• Mochizuki, M., Nguyen, Thang., Saito, Y., Kiyooka, K., Wu, X., Nguyen, Tien., and Wuttijumnong, V., "Advance Cooling Chip by Heat Pipes and Vapor Chamber", 14th International Heat Pipe Conference (14th IHPC), April 22-27, 2007, Florianopolis, Brazil.
• Moore, J., Sharma, R., Shih, R., Chase, J., Patel, C., and Ranganathan, P., "Going beyond CPUs: The potential for temperature-aware data centers,", Proc. of the First Workshop on Temperature-Aware Computer Systems, 2004.
• Nguyen, T., Mochizuki, M., Mashiko, K., and Saito, Y., "Advanced Heat Sink Combined With Heat Pipe For Cooling PC", Proc. of the 4th JSME-KSME Thermal Engineering Conference, October 1-6, 2000, Kobe, Japan.
• Patel, C.D., Sharma, R., Bash, C.E., and Beitelmal, A., "Thermal considerations in cooling large-scale high compute density data centers," Proc. of the 2002 Inter Society Conf. on Thermal Phenomena, IEEE, 2002.
• Saito, Y., Mochizuki, M., Hasegawa, M., Suzuki, T., Amano, K., and Tomojiri, S., Proc. of the Fourth Int'l. Heat Pipe Symp., University of Tsukuba, May 16-18, 1994, Japan.
• Sauciuc, I., Moon, S., Chiu, C., Chrysler, G., Lee, S., Paydar, R., Walker, M., Luke, M., Mochizuki, M., Nguyen, T., and Takenaka, E., "Key Thermal Challenges for Low Form Factor Thermal Solution", Semitherm 2005, March 2005, Dallas, USA.
• Schmidt, R.R., Crus, E.E., and Lyengar, M.K., "Challenges of data center thermal management," IBM J. Res. Dev., 49(4/5) July/Sept, 2005, page 709. doi:10.1147/rd.494.0709
• Schmidt, R., Iyengar, M., Steffes, J., and Lund, V., "Co-generation, grid independent power and cooling for a data center," Proc. of ASME 2009 InterPACK Conf., IPACK 2009, July 19-23, 2009, San Francisco, CA, USA.
• Singh, R., Akbarzadeh, A., Mochizuki, M., Nguyen, T., and Wuttijumnong, V., "Experimental Investigation of the Miniature Loop Heat Pipe with Flat Evaporator", ASME Summer Heat Transfer Conference & InterPACK '05, July 17-22, 2005, San Francisco, USA.

9. 著作権:

• この資料は、"Masataka Mochizuki, Thang Nguyen, Koichi Mashiko, Yuji Saito, Tien Nguyen and Vijit Wuttijumnong" の論文："A REVIEW OF HEAT PIPE APPLICATION INCLUDING NEW OPPORTUNITIES" に基づいています。
• 論文ソース: https://www.researchgate.net/publication/273362114

この資料は上記の論文に基づいて要約されたものであり、商業目的での無断使用は禁止されています。
Copyright © 2025 CASTMAN. All rights reserved.