ループヒートパイプ

ループヒートパイプ（LHP）の概要

ループヒートパイプ（Loop Heat Pipe, LHP）は、気液の相変化を活用して熱を効率的に輸送するためのデバイスです。従来のヒートパイプと同様に毛細管現象を利用していますが、全体的な構造においては循環する片方向の流れを持つ点が特徴です。

原理と特徴

従来のヒートパイプでは、内部のパイプの片側で液体が蒸発し、その蒸気が反対側に移動して凝縮する仕組みになっています。このため、暖かい媒体と冷たい媒体が直接接触することで、温度差が小さくなり性能が制約されることがあります。それに対してループヒートパイプは、液体が熱源に近い場所で毛細管現象によって移動し、全体として一方向の流れを維持します。このように設計されることで、機械的稼働部分が不要となり、信頼性が向上します。

LHPは、エバポレーターで熱を吸収し、コンデンサで熱を排出するというシンプルな動作を基本としています。エバポレーターとコンデンサは、蒸気管と液管という輸送管によって結合され、閉じたループを形成しています。この時、エバポレーターの上流側に設けられるリザーバー（一般にCCと呼ばれる）が重要な役割を果たします。

毛細管現象のメカニズム

エバポレーター内には、ウィックと呼ばれる多孔質体が存在し、毛細管力によって流体が循環する駆動源となります。このウィックに形成されたグルーブという溝が、生成された蒸気を蒸気管へ導くのです。このプロセスにおいて、毛細管力の影響により蒸気の流れが一方向に統一されます。また、蒸気管は断熱設計が施されており、熱損失を最小限に抑えています。

コンデンサでは、内部流体とヒートシンクとの間で熱交換が行われ、蒸気が凝縮して液体になり、熱が放出されます。凝縮した後は、液体は徐々に冷却され、コンデンサの出口へと流れていきます。この液体は再びリザーバーの中に送られ、ウィックに供給されます。このようにして、エバポレーターでの蒸発とコンデンサでの凝縮が互いに連携し、安定した熱輸送を実現します。

飽和状態の管理

ループヒートパイプの特筆すべき点は、エバポレーターとコンデンサの間で異なる飽和状態が共存することです。このため、エバポレーターでの蒸発温度とコンデンサでの凝縮温度が異なり、より効率的な熱管理を可能としています。このように3つの異なる飽和状態が維持されるメカニズムにより、効率的な熱転送が実現されているのです。

まとめ

ループヒートパイプは、従来のヒートパイプの利点を取り入れつつ、片方向の流れを持つことで、熱効率の向上と信頼性の高い熱輸送を実現しています。これにより、特に宇宙機などの過酷な環境においても、効率的に熱を管理するための重要な技術となっています。

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