ヒートパイプのレビュー：その種類と応用

この論文の紹介は、['International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)']によって発行された['A Review of Heat Pipes: its Types and Applications']という論文に基づいて作成されました。

1. 概要:

タイトル: ヒートパイプのレビュー：その種類と応用
著者: Mr. Chetan Sharma, Mr. Sumeet Sharma, Dr. Dasaroju Gangacharyulu
発行年: 2019年3月
発行ジャーナル/学会: International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT)
キーワード: ヒートパイプ; サーモサイフォン; ナノ粒子; 熱抵抗; 熱性能。

2. 概要または序論

ヒートパイプは、優れた熱伝達および熱抽出能力を備えているため、「熱の超伝導体」とも呼ばれ、卓越した熱伝達デバイスとして認識されています。ヒートパイプの性能は、重力と毛細管力によって大きく影響を受け、傾斜角度によってこれら2つの力の合力が変化するため、性能も変化します。本研究では、サーモサイフォンの作動原理と重力の影響について明らかにします。さらに、マイクロヒートパイプ（M.H.P.）、ループヒートパイプ（L.H.P.）、可変コンダクタンスヒートパイプ（V.C.H.P.）など、さまざまな種類のヒートパイプの包括的な概要を提供します。作動流体にナノ粒子を添加して、熱抵抗を低減し、熱性能を向上させる方法についても議論します。

熱管理の進化は、現代の電子機器において非常に重要です。ヒートパイプは、電子機器の放熱問題を解決するための効果的なソリューションを提供します。1936年にJacob Perkinsによって発明され、1945年にRichard Gauglerが最初の毛細管駆動ヒートパイプの特許を取得し、1963年にGeorge Groverによって再発見されたヒートパイプは、最小限の熱損失で熱を処理するのに非常に効率的です。ヒートパイプは、内壁にウィックがライニングされた密閉容器で構成されており、通常、蒸発部、断熱部、凝縮部の3つの部分に分かれています。作動時、蒸発部に熱が加えられると、作動流体が蒸発し、圧力差によって凝縮部に移動し、ここで潜熱を放出します。凝縮液は、ウィックを通って毛細管現象によって蒸発部に戻ります。サーモサイフォンと類似していますが、ヒートパイプは凝縮液の還流を容易にするウィックを使用するという点で独特です。主要な構成要素には、容器材料、作動流体、ウィック材料が含まれます。ヒートパイプは、ダイカストおよび射出成形、宇宙システム（衛星の等温化）、太陽熱温水器、除雪および除氷、電子部品の冷却、内燃機関など、さまざまな分野に応用されています。図1.1は、ヒートパイプの概略図を示しています。

3. 研究背景:

研究トピックの背景:

電子デバイスにおける発熱量の増加により、動作効率を維持し、システム故障を防ぐための効果的な放熱ソリューションが必要です。従来の熱管理方法は、現代の高密度電子機器にはしばしば不十分であり、高度な熱管理技術の必要性を引き起こしています。ヒートパイプは、高い熱伝導率と受動的な動作により、これらの課題を解決するための有望な技術として浮上しています。

既存研究の現状:

ヒートパイプの概念は20世紀半ばに遡り、初期の発明と再発見を含む重要なマイルストーンは、効率的な熱伝達の可能性を強調しました。既存の研究では、さまざまな設計、作動流体、および応用分野を含む、ヒートパイプ技術のさまざまな側面を探求してきました。以前の研究では、傾斜角度や充填率などのさまざまな条件下でのサーモサイフォンとヒートパイプの性能を調査しました[2]。さらに、ナノテクノロジー、特にナノ流体をヒートパイプに統合して熱性能を向上させる研究が、最近の研究の焦点となっています[3, 5, 8, 15, 16]。宇宙技術から電子冷却および再生可能エネルギーシステムに至るまで、多様な分野での応用が活発に探求されています[7, 9, 10]。

研究の必要性:

本レビューは、ヒートパイプ技術に関する現在の理解、特に最近の進歩と設計および応用分野の変化に関する理解を確固たるものにするために不可欠です。熱管理のニーズの継続的な進化と、ヒートパイプの性能向上に関する継続的な研究を考慮すると、包括的なレビューは、専門家や研究者に、この分野に関する最新の概要を提供する上で必要です。本レビューでは、作動原理、さまざまな種類、ナノ流体がヒートパイプの性能に及ぼす影響などを扱い、熱工学の学術的および実際的な応用の両方に関する貴重な洞察を提供します。

4. 研究目的と研究課題:

研究目的:

本レビュー論文の主な目的は、ヒートパイプ技術に関する包括的な概要を提供することです。これには、基本的な作動原理の詳細な説明、利用可能なさまざまな種類のヒートパイプの分類と説明、およびさまざまな産業分野にわたる多様な応用分野の探求が含まれます。特に、ナノ粒子を作動流体に統合して、ヒートパイプの熱性能を向上させる効果を検討することに重点を置いています。

主要な研究課題:

本レビュー論文は、ヒートパイプ技術内の以下の主要な研究領域を扱います。

サーモサイフォンの作動と重力の影響: サーモサイフォンの作動原理と重力が性能に及ぼす影響の分析。
ヒートパイプの種類の分類: マイクロヒートパイプ（M.H.P.）、ループヒートパイプ（L.H.P.）、可変コンダクタンスヒートパイプ（V.C.H.P.）、脈動ヒートパイプ（P.H.P.）など、さまざまな種類のヒートパイプに関する詳細な議論。
ナノ流体による性能向上: ナノ粒子を作動流体に添加することが、熱抵抗および全体的な熱性能に及ぼす影響の調査。
ヒートパイプの応用分野: ダイカスト、射出成形、宇宙応用分野、電子冷却、再生可能エネルギーシステムなど、幅広い応用分野のレビュー。

研究仮説:

本研究はレビュー論文であるため、伝統的な意味での明示的な研究仮説を設定していません。しかし、以下の前提の下で暗黙的に動作します。

ヒートパイプは、固有の設計および作動原理により、非常に効果的な熱伝達デバイスです。
ナノ粒子を作動流体に統合すると、熱抵抗を低減し、熱伝達係数を向上させることで、ヒートパイプの熱性能を大幅に向上させることができます。
さまざまな種類のヒートパイプは、特定の応用分野の要件および動作条件に対処するように設計されており、熱管理ソリューションにおいて多様性を提供します。

5. 研究方法論

研究デザイン:

本研究では、文献レビューデザインを採用しています。既存の学術論文および研究論文の結果を体系的にレビューおよび統合して、ヒートパイプ技術に関する包括的な理解を提供します。

データ収集方法:

本レビューのデータは、熱伝達およびヒートパイプ技術分野で公開されている研究論文の広範な検索とレビューを通じて収集されました。著者らは、関連するデータと研究結果を収集するために、さまざまなジャーナルおよび学会議事録から情報を収集しました。

分析方法:

使用された分析方法は、質的統合です。著者らは、選択された論文の結果を批判的にレビューおよび要約し、種類、作動原理、性能向上技術（例：ナノ流体）、応用分野など、ヒートパイプ技術のさまざまな側面に従って情報を分類しました。分析は、傾向、共通の研究結果、および報告された研究の変化を特定し、現在の知識の状態に関するまとまりのある概要を提示することに焦点を当てています。

研究対象と範囲:

研究対象は、ヒートパイプおよび関連技術（サーモサイフォンおよびヒートパイプ内のナノ流体を含む）です。レビューの範囲は以下を含みます。

ヒートパイプの種類: マイクロヒートパイプ（M.H.P.）、ループヒートパイプ（L.H.P.）、可変コンダクタンスヒートパイプ（V.C.H.P.）、サーモサイフォン、脈動ヒートパイプ（P.H.P.）。
作動流体: 従来の流体およびナノ流体を含む。
性能パラメータ: 熱抵抗、熱伝達係数、熱効率、動作限界。
応用分野: ダイカスト、射出成形、宇宙応用分野、電子冷却、太陽熱温水器、およびその他の関連する産業および技術的用途。

6. 主な研究結果:

主な研究結果:

レビューされた文献は、ヒートパイプ技術に関するいくつかの主要な研究結果を強調しています。

脈動ヒートパイプを使用したフィン効率の向上: Nuntaphanら[1]は、強制対流下での熱交換器でソリッドワイヤフィンを脈動ヒートパイプに置き換えると、熱伝達効率が10％向上し、フィン効率が5％以上向上することを実証しました。
サーモサイフォンの傾斜角度と充填率の影響: Noieら[2]は、二相密閉型サーモサイフォンにおいて、凝縮熱伝達係数と熱伝達率が充填率が高いほど増加することを発見しました。最適性能は傾斜角度によって異なり、最大熱伝達は、22％および30％充填率の場合は30°傾斜、15％充填率の場合は45°で発生しました。
アルミナナノ流体を使用した熱効率の向上: Tengら[3]は、ベース流体と比較して、1％濃度のアルミナナノ流体を使用したヒートパイプの熱効率が16.8％向上したと報告しました。
銅-水ヒートパイプの性能: Idrusら[4]は、70〜80Wの熱入力および30°〜60°の傾斜角度で、直径10mmの銅-水ヒートパイプで優れた熱性能を観察しました。
銀ナノ流体を使用した熱抵抗の低減: Kangら[5]は、ヒートパイプ内の銀ナノ粒子の濃度と粒子サイズを増加させると、熱抵抗が減少することを示しました。銀ナノ流体を使用したヒートパイプ壁温度の上昇は、さまざまな熱負荷下での純粋な水を充填したヒートパイプと比較して、それほど顕著ではありませんでした。
ループヒートパイプの利点: Joseら[7]は、ループヒートパイプの高い効率、コンパクトなサイズ、高い熱流束能力、長距離エネルギー伝達、広い動作環境範囲、および低いエントレインメントの可能性を強調し、熱電発電機や電子冷却などの応用分野に適していると指摘しました。
サーモサイフォンにおける酸化鉄ナノ流体を使用した熱伝達の向上: Huminicら[8]は、サーモサイフォンで酸化鉄ナノ流体を使用すると、DI水と比較して熱伝達率が大幅に向上することを発見しました。2％および5.3％濃度の酸化鉄ナノ粒子は、熱伝達率をそれぞれ19％および22.2％増加させると同時に、熱抵抗も減少させました。
脈動ヒートパイプの特性: Hanら[9]およびHudakornら[11]は、脈動ヒートパイプ（PHP）が、単純な構造、低コスト、優れた熱伝達、および柔軟性を備えていることを強調しました。Hudakornら[11]は、PHPの水平方向は蒸発器のドライアウトにつながる可能性があり、垂直方向はフラッディングを引き起こす可能性があることを発見しました。
サーモサイフォンの動作に対する傾斜角度の影響: Grootenら[12]は、R-134a作動流体を使用するサーモサイフォンが83°の傾斜角度で最適に動作すると判断しました。動作制限熱流束は、飽和温度が上昇し、傾斜角度が減少するにつれて減少します。
オープンループ脈動ヒートパイプにおける水-銅ナノ流体: Riehlら[13]は、純粋な水と比較して、水-銅ナノ流体を使用するオープンループ脈動ヒートパイプで、動作の改善とより高い熱コンダクタンスを観察しました。
ヒートパイプにおけるn-ペンタノール水溶液の性能: Senthilkumarら[14]は、水と比較して、n-ペンタノール水溶液を使用するヒートパイプの性能が優れていることを実証しました。これは、温度に対する表面張力の正の勾配に起因し、高熱負荷の応用分野に適しています。
焼結ウィックヒートパイプにおける酸化アルミニウムナノ流体: Moravejiら[15]は、焼結ウィック銅ヒートパイプで酸化アルミニウムナノ流体を調査し、純粋な水と比較してナノ流体を使用した場合、壁温度と熱抵抗が減少することを示しました。
アルミナナノ流体を使用したスクリーンメッシュヒートパイプの性能: Ghanbarpourら[16]は、5％濃度のアルミナナノ流体が可変熱入力下でスクリーンメッシュヒートパイプの性能を向上させたが、10％濃度は性能の低下につながることを発見しました。

提示されたデータの分析:

レビューされたデータは、ヒートパイプが非常に効果的な熱伝達デバイスであり、ナノ流体を組み込むことで性能をさらに向上させることができることを一貫して示しています。アルミナ、銀、酸化鉄、酸化銅などのナノ粒子は、作動流体に添加されると、一般的に熱抵抗を減少させ、熱伝達特性を向上させます。ただし、ナノ流体の最適濃度と、傾斜角度や充填率などの動作条件は、性能に影響を与える重要な要素です。ループヒートパイプや脈動ヒートパイプなどのさまざまな種類のヒートパイプは、さまざまな応用分野に特定の利点を提供し、熱管理におけるヒートパイプ技術の多様性を強調しています。

図リスト:

図1.1 ヒートパイプの概略図

7. 結論:

主な研究結果の要約:

本レビューでは、ヒートパイプが、その卓越した熱伝導率により、放熱問題に対処するための非常に効果的なデバイスであると結論付けています。ヒートパイプの熱性能は、作動流体へのナノ粒子の添加によって実証的に向上し、これにより熱抵抗が減少し、熱伝達が向上します。ヒートパイプの小型化機能は、体積制約のある応用分野に特に適しており、広く利用されている放熱技術としての地位を確立しています。

研究の学術的意義:

本研究は、最近の研究結果を統合することにより、ヒートパイプ技術に関する統合的かつ最新のレビューを提供します。熱伝達および熱管理に関心のある研究者およびエンジニアに包括的な資料を提供することにより、学術分野に貢献します。本レビューは、ナノ流体強化ヒートパイプの進歩と、さまざまな種類のヒートパイプを強調し、この分野の将来の研究開発のための貴重な参考資料として役立ちます。

実用的な意味合い:

本レビューの実用的な意味合いは、さまざまな産業分野のエンジニアおよび設計者にとって重要です。研究結果は、ダイカスト、射出成形、電子機器冷却、宇宙技術などの応用分野で、改善された熱管理のためにヒートパイプ、特にナノ流体を使用することの利点を強調しています。本レビューは、さまざまな種類の性能特性とナノ流体強化の利点を強調することにより、ヒートパイプ技術の選択と実装に関する情報を提供し、より効率的で信頼性の高い熱管理ソリューションにつながります。

研究の限界と今後の研究分野:

文献レビューとして、本研究は、公開されている研究の範囲と可用性によって制限されます。本レビューは一般的な概要を提供しますが、引用されているすべての研究の特定の詳細を掘り下げていない場合があります。今後の研究は、以下の点に焦点を当てる可能性があります。

ナノ流体の最適化: ヒートパイプの性能と長期安定性を最大化するためのナノ粒子の最適な種類、濃度、および分散方法に関する追加調査。
高度なヒートパイプ設計: 性能を向上させ、応用分野を拡大するための斬新なヒートパイプ設計と構成の探求。
応用分野別研究: 特定の熱管理課題に対する設計を最適化するために、ダイカストや高度な電子機器などの特定の産業分野におけるヒートパイプの応用に関する、より的を絞った研究の実施。
長期性能と信頼性: 産業応用分野での実用的な実現可能性を確保するために、さまざまな動作条件下でのナノ流体強化ヒートパイプの長期性能と信頼性の調査。

8. 参考文献:

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9. 著作権:

この資料は、"Mr. Chetan Sharma, Mr. Sumeet Sharma, Dr. Dasaroju Gangacharyulu"の論文：「A Review of Heat Pipes: its Types and Applications」に基づいています。
論文ソース: https://www.ijert.org/research/a-review-of-heat-pipes-its-types-and-applications-IJERTV8IS030025.pdf

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