サーモサイフォンとは何ですか？

密閉した管に少量の液（水など）を入れ、下の端を加熱、上の端を冷却して使う熱輸送装置です。下で液が蒸発し、蒸気が上で凝縮して熱を放ち、凝縮した液は重力で下へ戻ります。ヒートパイプと違って液を戻すウィック（毛細管構造）がないため、加熱部が冷却部より下にある必要があります。

サーモサイフォンで運べる熱量の限界は？

代表的な限界は、上に向かう蒸気と下に戻る液が管の中でぶつかり、液が戻れなくなるフラッディング（対向流）限界です。計算例では内径10 mmの水の管で40 ℃なら188 W、100 ℃なら521 Wでした。蒸気の密度が温度とともに大きくなるため、使う温度で限界が大きく変わります。管径を2倍にすると約5.7倍になります。

サーモサイフォンはどれくらい熱を伝えますか？

計算例では内径10 mm、全長0.5 mの管で100 Wを約5.7 Kの温度差で運べました。同じ太さと温度差の銅棒では約0.5 Wしか伝わらず、有効な熱伝導率は銅の約200倍です。熱抵抗の大部分は蒸発部と凝縮部の熱伝達にあります。

サーモサイフォンの解析

カテゴリ: 熱流体連成 | 2026-10-01 改稿

CAE visualization for thermosiphon theory - technical simulation diagram

サーモサイフォン解析

理論：蒸発・凝縮・重力で熱を運ぶ

概要

🙋

発熱する機器の熱を、少し離れた放熱器まで運びたいです。銅の棒では足りないと言われました。

🎓

そういうときに使われるのがサーモサイフォンだ。密閉した管に水を少し入れて、下を温め、上を冷やす。下で水が蒸発して、蒸気が上で凝縮するときに熱を放ち、液は重力で下に戻る。蒸発熱を使って熱を運ぶから、銅の棒よりけた違いに多くの熱を小さな温度差で運べる。ただし、液を戻すのは重力だけなので、加熱する側を下に置く必要がある。解析で大事なのは、どこまで熱を運べるか（限界）と、温度差がどれくらいになるか（熱抵抗）の2つだ。

フラッディング限界

$$ Q_{max} = \frac{C^2\,h_{fg}\,A\,\sqrt{g D(\rho_l - \rho_v)}}{\left(\rho_v^{-1/4} + \rho_l^{-1/4}\right)^2}, \qquad C \approx 0.725 $$

上に向かう蒸気の流れが速くなると、管の壁を下に流れる液膜を押し戻し、液が蒸発部に戻れなくなる。これがフラッディング（対向流）限界で、サーモサイフォンの代表的な限界だ。Wallisの形の式で、$A$ は管の断面積、$D$ は内径。蒸気の密度 $\rho_v$ が大きいほど、同じ熱量でも蒸気の速度が遅くなるので、限界は高くなる。

凝縮部の熱伝達

$$ h_c = 0.943\left[\frac{\rho_l(\rho_l - \rho_v)\,g\,h_{fg}\,k_l^3}{\mu_l\,L_c\,\Delta T}\right]^{1/4} $$

凝縮部の内面では、液膜の中の熱伝導が熱抵抗になる。ヌセルトの膜状凝縮の式で熱伝達率を求め、蒸発部の熱伝達率と合わせて全体の温度差を出す。

Coffee Break よもやま話

永久凍土を守る管

サーモサイフォンの大規模な利用例として知られるのが、1970年代に建設されたアラスカ縦断石油パイプラインだ。永久凍土の上に建てた支柱が、温かい石油や夏の熱で地盤を解かして沈まないよう、支柱の中に数万本のサーモサイフォンが入れられた。冬、地上の空気が地中より冷たいときだけ働き、地中の熱を空気へ逃がして凍土を冷やし続ける。夏は上が温かくなるので自動的に止まる。動力も制御もいらない、重力とサーモサイフォンの一方向性を生かした設計だ。

計算例：水のサーモサイフォン

例1：フラッディング限界

内径	40 °C	60 °C	80 °C	100 °C
10 mm	188 W	281 W	393 W	521 W
20 mm	1,066 W	1,592 W	2,225 W	2,945 W

🙋

同じ管なのに、40 ℃と100 ℃で2.8倍も違うんですね。

🎓

水の蒸気の密度は、40 ℃で0.051 kg/m³、100 ℃で0.60 kg/m³と、12倍も違う。蒸気が薄いと、同じ熱を運ぶのに速い流れが要り、液を押し戻しやすいんだ。だから低い温度で使うサーモサイフォンは、同じ太さでも運べる熱が少ない。管径を2倍にすると断面積が4倍、式の $\sqrt{D}$ も効いて約5.7倍になる。使う温度と必要な熱量から管径を決めるのが基本だよ。

例2：熱抵抗と銅棒との比較

内径10 mm、蒸発部0.15 m・断熱部0.2 m・凝縮部0.15 m、60 ℃で100 Wを運ぶ場合を計算した。凝縮部はヌセルトの式、蒸発部の熱伝達率は5,000 W/m²Kと仮定した。

項目	値
凝縮部の熱伝達率	14,929 W/m²K
凝縮部の温度差（熱抵抗）	1.42 K (0.014 K/W)
蒸発部の温度差（熱抵抗）	4.24 K (0.042 K/W)
全体の温度差	5.67 K
有効な熱伝導率	約79,000 W/mK（銅の約200倍）
同じ太さ・温度差の銅棒	0.51 W

熱抵抗の大部分は蒸発部にあり、管の中を蒸気が流れる部分の温度差はごく小さい。そのため、長さを伸ばしても温度差はほとんど増えない。性能を上げたいなら、蒸発部の熱伝達（内面の加工、液量）を改善するのが効く。

設計の進め方

運ぶ熱量、使う温度、蒸発部と凝縮部の位置関係（加熱部が下か）を確かめる。
作動液を選ぶ（常温〜200 ℃なら水、低温ならアンモニアやフロン系など）。
フラッディング限界から管径を決め、余裕を持たせる。
蒸発部・凝縮部の熱伝達から温度差を見積もる。
封入する液量を決める（少なすぎると乾き、多すぎると突沸や性能低下）。

Coffee Break よもやま話

「傾けたら冷えなくなった」

装置の中でサーモサイフォンを水平に近い角度で取り付けたら、試作では冷えていたのに、実機ではほとんど熱を運ばなかった——という例がある。試作は縦置き、実機は筐体の形の都合で傾きが小さくなっていた。サーモサイフォンは重力で液を戻すため、傾きが小さいと液の戻りが遅くなり、蒸発部が乾いてしまう。さらに、加熱部が少しでも上になると、まったく働かない。水平や上向きに熱を運ぶ必要があるなら、ウィックを持つヒートパイプを選ぶ必要がある。

よくある間違い

間違いと対策

間違い	起きること	対策
低い温度で高温と同じ限界を想定	フラッディングで性能低下	使用温度の物性で計算
傾きを考えない	液が戻らず乾く	加熱部を下に
液量を適当に決める	乾き・突沸	液量を変えて試験
不凝縮ガスの混入	凝縮部が働かない	脱気・封止の管理
熱抵抗を管の長さで見積もる	本当の原因を見落とす	蒸発・凝縮部を評価

🙋

関連する内容も知りたいです。

🎓

沸騰曲線のシミュレーターと蒸気表で沸騰と物性を確かめられるよ。関連する解析はヒートパイプの解析、沸騰熱伝達、凝縮、極低温の熱解析も参考になる。