ท่อความร้อนเป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนที่ใช้การเปลี่ยนสถานะเพื่อถ่ายเทความร้อนระหว่างพื้นผิวของแข็งสองพื้นผิว^{[ 1 ]}

ที่บริเวณด้านร้อนของท่อความร้อน ของเหลว ที่ระเหยง่ายซึ่งสัมผัสกับพื้นผิวของแข็งที่นำความร้อนได้ดีจะเปลี่ยนเป็นไอโดยการดูดซับความร้อนจากพื้นผิวนั้น จากนั้นไอจะเคลื่อนที่ไปตามท่อความร้อนไปยังด้านเย็นและควบแน่นกลับเป็นของเหลว ปล่อยความร้อนแฝง ออกมา จาก นั้นของเหลวจะกลับไปยังด้านร้อนโดยอาศัยแรงดึงผิวแรงเหวี่ยงหรือแรงโน้มถ่วง และวงจรก็จะเริ่มต้นใหม่

เนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนสำหรับการเดือดและการควบแน่น สูงมาก ท่อความร้อนจึงเป็นตัวนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงค่าการนำความร้อน ที่มีประสิทธิภาพ จะแปรผันตามความยาวของท่อความร้อนและสามารถเข้าใกล้ค่าสูงสุดได้100 kW/(m⋅K)สำหรับท่อความร้อนยาว เมื่อเปรียบเทียบกับค่าประมาณ0.4 kW/(m⋅K ⁾สำหรับทองแดง [ ^{2 ]}

ท่อระบายความร้อน CPU สมัยใหม่มักทำจากทองแดงและใช้น้ำเป็นของเหลวทำงาน^{[ 3 ]}พบได้ทั่วไปในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภคหลายประเภท เช่น เดสก์ท็อป แล็ปท็อป แท็บเล็ต และสมาร์ทโฟนระดับไฮเอนด์

หลักการทั่วไปของท่อความร้อนที่ใช้แรงโน้มถ่วง ซึ่งโดยทั่วไปจัดอยู่ในประเภท เทอร์โมไซฟอนสองเฟส มี มาตั้งแต่ยุคไอน้ำแองเจียร์ มาร์ช เพอร์กินส์และลูกชายของเขาลอฟตัส เพอร์กินส์ได้สร้างท่อเพอร์กินส์ซึ่งมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในหม้อไอน้ำของหัวรถจักรและเตาอบทำงาน^{[ 4 ]}ท่อความร้อนแบบใช้แรงดึงดูดของเหลวถูกเสนอครั้งแรกโดย อาร์.เอส. เกาเกลอร์ แห่งเจเนอรัล มอเตอร์สในปี พ.ศ. 2485 ซึ่งได้จดสิทธิบัตรแนวคิดนี้^{[ 5 ]}แต่ไม่ได้พัฒนาต่อ

จอร์จ โกรเวอร์ พัฒนาท่อความร้อนแบบใช้เส้นเลือดฝอยขึ้นเองที่ห้องปฏิบัติการแห่งชาติลอสอะลามอสในปี พ.ศ. 2506 สิทธิบัตรของเขาในปีนั้น^{[ 6 ]}เป็นสิทธิบัตรแรกที่ใช้คำว่า "ท่อความร้อน" และเขามักถูกเรียกว่า "ผู้ประดิษฐ์ท่อความร้อน" ^{[ 7 ]}เขาจดบันทึกไว้ในสมุดบันทึกของเขาว่า: ^{[ 8 ]}

ระบบปิดดังกล่าวซึ่งไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มภายนอก อาจมีความน่าสนใจเป็นพิเศษในเครื่องปฏิกรณ์อวกาศสำหรับการถ่ายเทความร้อนจากแกนเครื่องปฏิกรณ์ไปยังระบบแผ่รังสี ในสภาวะที่ไม่มีแรงโน้มถ่วง แรงที่กระทำจะต้องมีเพียงพอที่จะเอาชนะแรงดึงผิวและแรงต้านของไอน้ำที่ไหลกลับผ่านช่องทางต่างๆ เท่านั้น

ข้อเสนอของโกรเวอร์ได้รับการยอมรับจากนาซาซึ่งเป็นผู้นำในการพัฒนาท่อความร้อนในช่วงทศวรรษ 1960 โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการประยุกต์ใช้และความน่าเชื่อถือในการบินอวกาศ ซึ่งเป็นเรื่องที่เข้าใจได้ เนื่องจากท่อความร้อนมีน้ำหนักเบา มีการถ่ายเทความร้อนสูง และไม่ใช้พลังงาน อีกทั้งยังไม่ได้รับผลกระทบจากสภาวะไร้แรงโน้มถ่วง

การประยุกต์ใช้ในอวกาศครั้งแรกคือการปรับสมดุลความร้อนของทรานสปอนเดอร์ดาวเทียม^{[ 9 ]}ขณะที่ดาวเทียมโคจร ด้านหนึ่งจะสัมผัสกับรังสีโดยตรงจากดวงอาทิตย์ ในขณะที่ด้านตรงข้ามจะมืดสนิทและสัมผัสกับความหนาวเย็นจัดของอวกาศภายนอกซึ่งทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิอย่างรุนแรง (และทำให้ความน่าเชื่อถือและความแม่นยำลดลง) ของทรานสปอนเดอร์ ท่อความร้อนที่ออกแบบมาเพื่อจุดประสงค์นี้สามารถจัดการกับฟลักซ์ความร้อนสูงและแสดงให้เห็นถึงการทำงานที่ไร้ที่ติทั้งที่มีและไม่มีอิทธิพลของแรงโน้มถ่วง ระบบระบายความร้อนนี้เป็นระบบแรกที่ใช้ท่อความร้อนแบบปรับค่าการนำความร้อนได้เพื่อควบคุมการไหลของความร้อนหรืออุณหภูมิของเครื่องระเหยอย่างมีประสิทธิภาพ

NASA ได้ทดสอบท่อความร้อนที่ออกแบบมาสำหรับสภาวะสุดขั้ว โดยบางรุ่นใช้โซเดียม เหลว เป็นของเหลวทำงาน ท่อความร้อนรูปแบบอื่นๆ ใช้ในการระบายความร้อนให้กับดาวเทียมสื่อสาร^{[ 10 ]}เอกสารที่ตีพิมพ์ในปี 1967 และ 1968 โดย Feldman, Eastman ^{[ 11 ]}และ Katzoff ได้กล่าวถึงการประยุกต์ใช้ท่อความร้อนในวงกว้างมากขึ้นเป็นครั้งแรก เช่น ในเครื่องปรับอากาศ การระบายความร้อนของเครื่องยนต์ และการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เอกสารเหล่านี้เป็นเอกสารแรกที่กล่าวถึงท่อความร้อนแบบยืดหยุ่น ท่อความร้อนแบบเส้นตรง และท่อความร้อนแบบแผ่นเรียบ เอกสารที่ตีพิมพ์ในปี 1969 ได้นำเสนอแนวคิดของท่อความร้อนแบบหมุนพร้อมกับการประยุกต์ใช้ในการระบายความร้อนใบพัดกังหัน และมีการอภิปรายครั้งแรกเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ท่อความร้อนในกระบวนการแช่แข็ง

ตั้งแต่ทศวรรษ 1980 เป็นต้นมา โซนี่เริ่มนำท่อระบายความร้อนมาใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์เชิงพาณิชย์แทนที่ระบบระบายความร้อนแบบใช้พัดลมและแบบครีบระบายความร้อนทั่วไป ในตอนแรกนั้นใช้ในเครื่องรับสัญญาณและเครื่องขยายเสียง ก่อนที่จะขยายไปยังอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ที่ต้องการความร้อนสูงในเวลาต่อมา

ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ซีพียูไมโครคอมพิวเตอร์ที่มีอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงขึ้นเรื่อยๆ ส่งผลให้จำนวนการยื่นขอจดสิทธิบัตรท่อความร้อนในสหรัฐฯ เพิ่มขึ้นถึงสามเท่า เมื่อท่อความร้อนพัฒนาจากชิ้นส่วนถ่ายเทความร้อนเฉพาะทางอุตสาหกรรมไปสู่สินค้าอุปโภคบริโภค การพัฒนาและการผลิตส่วนใหญ่จึงย้ายจากสหรัฐฯ ไปยังเอเชีย

ท่อความร้อนของ CPU มักทำจากทองแดงและใช้น้ำเป็นของเหลวทำงาน^{[ 3 ]}

ท่อความร้อนทั่วไปประกอบด้วยปลอกหุ้ม (ท่อปิดผนึก) ไส้ตะเกียง และของเหลวทำงาน ปลอกหุ้มทำจากวัสดุที่เข้ากันได้กับของเหลวทำงาน เช่นทองแดงสำหรับท่อความร้อนน้ำ หรืออะลูมิเนียมสำหรับท่อความร้อนแอมโมเนีย โดยทั่วไป ปั๊มสุญญากาศจะดูดอากาศออกจากท่อ ซึ่งบรรจุของเหลวทำงานไว้บางส่วนแล้วปิดผนึก มวลของของเหลวทำงานจะถูกเลือกเพื่อให้ท่อความร้อนมีทั้งไอและของเหลวในช่วงอุณหภูมิการทำงาน^{[ 1 ]}

อุณหภูมิในการทำงานของระบบท่อความร้อนที่กำหนดมีความสำคัญอย่างยิ่ง ต่ำกว่าอุณหภูมิในการทำงาน ของเหลวจะเย็นเกินไปและไม่สามารถระเหยกลายเป็นแก๊สได้ สูงกว่าอุณหภูมิในการทำงาน ของเหลวทั้งหมดจะกลายเป็นแก๊ส และอุณหภูมิแวดล้อมสูงเกินไปสำหรับแก๊สที่จะควบแน่นการนำความร้อนยังคงเป็นไปได้ผ่านผนัง แต่ในอัตราการถ่ายเทความร้อนที่ลดลงอย่างมาก นอกจากนี้ สำหรับปริมาณความร้อนที่ป้อนเข้าไป อุณหภูมิของของเหลวทำงานขั้นต่ำจะต้องถึง ในขณะที่อีกด้านหนึ่ง การเพิ่มขึ้น (การเบี่ยงเบน) เพิ่มเติมใดๆ ในสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนจากการออกแบบเริ่มต้นมีแนวโน้มที่จะยับยั้งการทำงานของท่อความร้อน สิ่งนี้อาจดูขัดแย้งกับสัญชาตญาณ ในแง่ที่ว่าหากระบบท่อความร้อนได้รับความช่วยเหลือจากพัดลม การทำงานของท่อความร้อนอาจลดลงอย่างมาก อุณหภูมิในการทำงานและความสามารถในการถ่ายเทความร้อนสูงสุด—ซึ่งจำกัดโดยโครงสร้างเส้นเลือดฝอยหรือโครงสร้างอื่นๆ ที่ใช้ในการส่งของเหลวกลับไปยังบริเวณร้อน—มีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด^{[ 12 ]}

ของเหลวที่ใช้ในการทำงานจะถูกเลือกตามอุณหภูมิการทำงานที่ต้องการ โดยมีตัวอย่างตั้งแต่ฮีเลียมเหลวสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิต่ำมาก (2–4  K ) ไปจนถึงปรอท (523–923 K) โซเดียม (873–1473 K) และแม้แต่อินเดียม (2000–3000 K) สำหรับอุณหภูมิที่สูงมาก ท่อความร้อนส่วนใหญ่สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิห้องจะใช้แอมโมเนีย (213–373 K) แอลกอฮอล์ ( เมทานอล (283–403 K) เอทานอล (273–403 K)) หรือน้ำ (298–573 K) ท่อความร้อนทองแดง/น้ำมีปลอกทองแดง ใช้น้ำเป็นของเหลวที่ใช้ในการทำงาน และโดยทั่วไปจะทำงานที่อุณหภูมิ 20 ถึง 150 °C (293–423 K) ^{[ 13 ] [ 14 ]}บางครั้งท่อความร้อนน้ำจะถูกเติมน้ำเพียงบางส่วน ให้ความร้อนจนน้ำเดือดและไล่อากาศออก แล้วจึงปิดผนึกขณะที่ยังร้อนอยู่

ท่อความร้อนต้องบรรจุ ของเหลว อิ่มตัวและไอของของเหลวนั้น (ในสถานะแก๊ส) ของเหลวอิ่มตัวจะกลายเป็นไอและเคลื่อนที่ไปยังคอนเดนเซอร์ ซึ่งจะถูกทำให้เย็นลงและควบแน่น

ของเหลวจะไหลกลับไปยังเครื่องระเหยผ่านทางไส้ตะเกียง ซึ่งจะสร้างแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยให้กับของเหลว โครงสร้างของไส้ตะเกียงประกอบด้วยผงโลหะเผา ผนึก ตะแกรง และไส้ตะเกียงแบบมีร่อง ซึ่งมีร่องหลายร่องขนานกับแกนท่อ เมื่อคอนเดนเซอร์อยู่เหนือเครื่องระเหยในสนามแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงสามารถส่งของเหลวกลับได้ ในกรณีนี้ ท่อจะเป็นเทอร์โมไซฟอนท่อความร้อนแบบหมุนใช้แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเพื่อส่งของเหลวจากคอนเดนเซอร์กลับไปยังเครื่องระเหย^{[ 1 ]}

ท่อความร้อนไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้และโดยทั่วไปไม่จำเป็นต้องบำรุงรักษา แม้ว่าก๊าซที่ไม่ควบแน่นซึ่งแพร่กระจายผ่านผนังท่อ อันเป็นผลมาจากการสลายตัวของของเหลวทำงาน หรือสิ่งเจือปนดั้งเดิมที่มีอยู่ในวัสดุ อาจทำให้ประสิทธิภาพของท่อลดลงในที่สุด^{[ 1 ]}

ข้อดีของท่อความร้อนเหนือกลไกการกระจายความร้อนอื่นๆ คือประสิทธิภาพในการถ่ายเทความร้อน ท่อที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 นิ้วและยาว 2 ฟุตสามารถถ่ายเทความร้อนได้ 3.7 กิโลวัตต์ (13,000 บีทียู/ชั่วโมง) ที่อุณหภูมิ 1,800 องศาฟาเรนไฮต์ (980 องศาเซลเซียส) โดยมีอุณหภูมิลดลงเพียง 18 องศาฟาเรนไฮต์ (10 องศาเซลเซียส) จากปลายด้านหนึ่งไปยังอีกด้านหนึ่ง^{[ 14 ]}ท่อความร้อนบางชนิดแสดงให้เห็นถึงฟลักซ์ความร้อนที่มากกว่า23 kW/cm² ^{ประมาณ}สี่เท่าของพื้นผิวดวงอาทิตย์^{[ 15 ]}

บางคู่ของซอง/ของเหลวทำงานที่ดูเหมือนจะเข้ากันได้นั้นกลับไม่เป็นเช่นนั้น ตัวอย่างเช่น น้ำในซองอะลูมิเนียมจะเกิดก๊าซที่ไม่สามารถควบแน่นได้ในปริมาณมากภายในไม่กี่ชั่วโมงหรือหลายวัน ปัญหานี้ส่วนใหญ่เกิดจากการออกซิเดชันและการกัดกร่อนของอะลูมิเนียมเมื่อมีน้ำอยู่ ซึ่งจะปล่อยก๊าซไฮโดรเจนที่ไม่สามารถควบแน่นได้^{[ 16 ]}

ในการทดสอบความทนทาน ท่อจะถูกใช้งานเป็นระยะเวลานานและตรวจสอบปัญหาต่างๆ เช่น การเกิดก๊าซที่ไม่ควบแน่น การขนส่งวัสดุ และการกัดกร่อน^{[ 17 ] [ 18 ]}

การผสมผสานระหว่างซอง/ไส้ตะเกียง/ของเหลวที่ใช้บ่อยที่สุด ได้แก่: ^{[ 19 ]}

• ปลอกทองแดง/ของเหลวหล่อเย็นสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นี่เป็นประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด
• ปลอกหุ้มทองแดงหรือเหล็กบรรจุสารทำความเย็นR134aในระบบปรับอากาศ (HVAC )
• ซองอะลูมิเนียมบรรจุของเหลวแอมโมเนียสำหรับควบคุมอุณหภูมิของยานอวกาศ
• ซองโลหะผสมพิเศษบรรจุของเหลวโลหะอัลคาไล (ซีเซียม โพแทสเซียมโซเดียม)สำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูง โดยส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสอบเทียบอุปกรณ์วัดอุณหภูมิหลัก

การผสมผสานอื่นๆ ได้แก่ ซองสแตนเลสที่มีของเหลวทำงานเป็นไนโตรเจน ออกซิเจน นีออน ไฮโดรเจน หรือฮีเลียม ที่อุณหภูมิต่ำกว่า 100 K ทองแดง/ เมทานอลสำหรับการระบายความร้อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เมื่อท่อความร้อนต้องทำงานต่ำกว่าช่วงอุณหภูมิน้ำ ท่อความร้อนอะลูมิเนียม/ อีเทนสำหรับการควบคุมความร้อนของยานอวกาศในสภาพแวดล้อมที่แอมโมเนียสามารถแข็งตัวได้ และซองโลหะทนไฟ/ของเหลวลิเธียมสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,050 °C (1,320 K; 1,920 °F) ^{[ 20 ]}

ท่อความร้อนต้องได้รับการปรับแต่งให้เหมาะสมกับสภาวะการระบายความร้อนเฉพาะ การเลือกวัสดุ ขนาด และสารหล่อเย็น ล้วนส่งผลต่ออุณหภูมิที่เหมาะสม นอกช่วงอุณหภูมิที่ออกแบบไว้ ค่าการนำความร้อนจะลดลงเหลือเพียง คุณสมบัติ การนำความร้อนของตัวท่อ สำหรับทองแดง ค่าการนำความร้อน จะอยู่ที่ประมาณ 1/80 ของค่าที่ออกแบบไว้ เนื่องจากที่อุณหภูมิต่ำกว่าช่วงที่กำหนด สารทำงานจะไม่ระเหย และที่อุณหภูมิสูงกว่าช่วงที่กำหนด สารทำงานจะไม่ควบแน่น

ผู้ผลิตจำนวนน้อยเท่านั้นที่สามารถผลิตท่อความร้อนแบบดั้งเดิมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่า 3 มม. ได้เนื่องจากข้อจำกัดของวัสดุ^{[ 21 ]}นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าท่อความร้อนที่มีกราฟีนสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพการระบายความร้อนในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้^{[ 22 ]}

นอกจากท่อความร้อนแบบมาตรฐานที่มีค่าการนำความร้อนคงที่ (CCHP) แล้ว ยังมีประเภทอื่นๆ อีก ได้แก่: ^{[ 23 ]}

• ห้องไอระเหย (ท่อความร้อนแบบระนาบ) ซึ่งใช้สำหรับการแปลงการไหลของความร้อนและการรักษาอุณหภูมิพื้นผิวให้คงที่
• ท่อความร้อนแบบปรับค่าการนำความร้อนได้ (VCHPs) ซึ่งใช้ก๊าซที่ไม่ควบแน่น (NCG) ในการเปลี่ยนแปลงค่าการนำความร้อนที่มีประสิทธิภาพของท่อความร้อนตามการเปลี่ยนแปลงของกำลังไฟฟ้าหรือสภาวะของตัวระบายความร้อน
• ท่อความร้อนแบบควบคุมแรงดัน (PCHP) เป็นท่อความร้อนแบบ VCHP ชนิดหนึ่งที่สามารถเปลี่ยนแปลงปริมาตรของถังเก็บหรือมวลของก๊าซธรรมชาติที่ไม่ใช่เหล็ก (NCG) เพื่อเพิ่มความแม่นยำ
• ท่อความร้อนแบบไดโอด ซึ่งมีค่าการนำความร้อนสูงในทิศทางไปข้างหน้า และค่าการนำความร้อนต่ำในทิศทางย้อนกลับ
• เทอร์โมไซฟอน ซึ่งส่งของเหลวกลับไปยังเครื่องระเหยโดยอาศัยแรงโน้มถ่วง/แรงเร่ง และ
• ท่อความร้อนแบบหมุน ซึ่งส่งของเหลวกลับไปยังเครื่องระเหยโดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง

ท่อแบนบาง ( ตัวกระจายความร้อนหรือท่อแบน) มีส่วนประกอบหลักเหมือนกับท่อทรงกระบอก^{[ 24 ]}โดยจะเพิ่มโครงสร้างรองรับภายในหรือเสาหลายต้นเข้าไปในห้องไอเพื่อรองรับแรงดันการหนีบได้ถึง 90 psi (620 kPa) ซึ่งช่วยป้องกันการยุบตัวของส่วนบนและล่างที่แบนเมื่อมีการใช้แรงดัน

การใช้งานหลักสองประการสำหรับห้องไอระเหยคือเมื่อใช้กำลังและฟลักซ์ความร้อนสูงกับเครื่องระเหยที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก^{[ 25 ]}การป้อนความร้อนไปยังเครื่องระเหยจะทำให้ของเหลวกลายเป็นไอ ซึ่งไหลในสองมิติไปยังพื้นผิวคอนเดนเซอร์ หลังจากที่ไอระเหยควบแน่น แรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยในไส้ตะเกียงจะส่งคอนเดนเสทกลับไปยังเครื่องระเหย ห้องไอระเหยส่วนใหญ่ไม่ไวต่อแรงโน้มถ่วง และทำงานได้เมื่อกลับหัว โดยให้เครื่องระเหยอยู่เหนือคอนเดนเซอร์ ในการใช้งานนี้ ห้องไอระเหยทำหน้าที่เป็นตัวแปลงฟลักซ์ความร้อน โดยระบายความร้อนฟลักซ์ความร้อนสูงจากชิปอิเล็กทรอนิกส์หรือไดโอดเลเซอร์ และแปลงเป็นฟลักซ์ความร้อนที่ต่ำกว่าซึ่งสามารถกำจัดออกได้โดยการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือแบบบังคับ ด้วยไส้ตะเกียงเครื่องระเหยแบบพิเศษ ห้องไอระเหยสามารถกำจัดพลังงานได้ 2000 วัตต์ในพื้นที่ 4 ตารางเซนติเมตร^หรือ 700 วัตต์ในพื้นที่ 1 ตาราง^{เซนติเมตร[ 26 ]}

การใช้งานหลักอีกอย่างหนึ่งของห้องไอระเหยคือการระบายความร้อนให้กับแล็ปท็อป เนื่องจากห้องไอระเหยมีลักษณะแบนและเป็นสองมิติมากกว่า แล็ปท็อปสำหรับเล่นเกมจึงได้รับประโยชน์มากกว่าเมื่อเทียบกับท่อแบบดั้งเดิม ตัวอย่างเช่น การระบายความร้อนด้วยห้องไอระเหยในLenovo Legion 7iเป็นจุดขาย (แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่เครื่องเท่านั้นที่ติดตั้งระบบนี้) ^{[ 27 ]}

เมื่อเปรียบเทียบกับท่อทรงกระบอกแบบหนึ่งมิติ ความกว้างของท่อสองมิติช่วยให้อุปกรณ์บางๆ สามารถมีหน้าตัดที่เพียงพอสำหรับการไหลของความร้อน ท่อดังกล่าวปรากฏในแอปพลิเคชันที่ "ไวต่อความสูง" เช่น คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊กและแกนแผงวงจรแบบติดตั้งบนพื้นผิว สามารถผลิตท่อแบนที่บางเพียง 1.0 มม. (หนากว่าบัตรเครดิต เพียงเล็กน้อย ) ^{[ 28 ]}

ท่อความร้อนมาตรฐานเป็นอุปกรณ์ที่มีค่าการนำความร้อนคงที่ โดยอุณหภูมิในการทำงานจะถูกกำหนดโดยอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดและตัวรับความร้อน และความต้านทานความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยังตัวรับความร้อน อุณหภูมิจะลดลงเป็นเส้นตรงเมื่อกำลังไฟฟ้าหรืออุณหภูมิของคอนเดนเซอร์ลดลง สำหรับบางแอปพลิเคชัน เช่น การควบคุมความร้อนของดาวเทียมหรือบอลลูนวิจัย อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเย็นเกินไปที่กำลังไฟฟ้าต่ำ หรือที่อุณหภูมิตัวรับความร้อนต่ำ ท่อความร้อนแบบปรับค่าการนำความร้อนได้ (VCHPs) ถูกใช้เพื่อรักษาอุณหภูมิของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่กำลังระบายความร้อนแบบพาสซีฟเมื่อสภาวะกำลังไฟฟ้าและตัวรับความร้อนเปลี่ยนแปลง^{[ 29 ]}

ท่อความร้อนแบบปรับค่าการนำความร้อนได้ (Variable-conductance heat pipes หรือ VCHP) ประกอบด้วยสองส่วน คือ อ่างเก็บความร้อนและก๊าซที่ไม่ควบแน่น (Non-condensable gas หรือ NCG) โดยทั่วไปก๊าซที่ไม่ควบแน่นคืออาร์กอนแต่ในกรณีของเทอร์โมไซฟอนจะใช้ฮีเลียม เมื่อท่อความร้อนไม่ทำงาน ก๊าซที่ไม่ควบแน่นและไอของสารทำงานจะผสมกัน เมื่อท่อทำงาน ก๊าซที่ไม่ควบแน่นจะถูกพัดไปยังคอนเดนเซอร์โดยการไหลของไอสารทำงาน ก๊าซที่ไม่ควบแน่นส่วนใหญ่จะอยู่ในอ่างเก็บความร้อน ในขณะที่ส่วนที่เหลือจะไปปิดกั้นส่วนหนึ่งของคอนเดนเซอร์ VCHP ทำงานโดยการปรับความยาวส่วนที่ใช้งานได้ของคอนเดนเซอร์ เมื่อกำลังไฟหรืออุณหภูมิของตัวระบายความร้อนเพิ่มขึ้น อุณหภูมิและความดันของไอในท่อความร้อนก็จะเพิ่มขึ้น ความดันไอที่เพิ่มขึ้นจะดันก๊าซที่ไม่ควบแน่นเข้าไปในอ่างเก็บความร้อนมากขึ้น ทำให้ความยาวส่วนที่ใช้งานได้ของคอนเดนเซอร์และค่าการนำความร้อนเพิ่มขึ้น ในทางกลับกัน เมื่อกำลังไฟหรืออุณหภูมิของฮีทซิงค์ลดลง อุณหภูมิและความดันของไอในท่อความร้อนจะลดลง และก๊าซที่ไม่ควบแน่นจะขยายตัว ทำให้ความยาวและค่าการนำความร้อนของคอนเดนเซอร์ลดลง

การเพิ่มฮีตเตอร์ขนาดเล็กเข้าไปในถังเก็บน้ำ โดยควบคุมกำลังไฟตามอุณหภูมิของคอยล์เย็น จะช่วยให้สามารถควบคุมอุณหภูมิได้แม่นยำประมาณ ±1–2 °C ในตัวอย่างหนึ่ง อุณหภูมิของคอยล์เย็นถูกรักษาไว้ให้อยู่ในช่วงควบคุม ±1.65 °C ขณะที่กำลังไฟเปลี่ยนแปลงจาก 72 ถึง 150 วัตต์ และอุณหภูมิของแผ่นระบายความร้อนเปลี่ยนแปลงจาก +15 °C ถึง −65 °C

VCHP สามารถใช้งานได้เมื่อต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำยิ่งขึ้น^{[ 30 ]}อุณหภูมิของเครื่องระเหยจะถูกใช้เพื่อปรับเปลี่ยนปริมาตรของอ่างเก็บน้ำหรือปริมาณของก๊าซที่ไม่ควบแน่น VCHP ได้แสดงให้เห็นถึงการควบคุมอุณหภูมิในระดับมิลลิเคลวิน^{[ 31 ]}

ท่อความร้อนแบบดั้งเดิมจะถ่ายเทความร้อนจากปลายที่ร้อนกว่าไปยังปลายที่เย็นกว่า การออกแบบหลายแบบทำหน้าที่เป็นไดโอดความร้อนโดยถ่ายเทความร้อนในทิศทางเดียว ในขณะที่ทำหน้าที่เป็นฉนวนในอีกทิศทางหนึ่ง: ^{[ 32 ]}

• เทอร์โมไซฟอนถ่ายเทความร้อนจากด้านล่างขึ้นด้านบนเท่านั้น โดยน้ำที่ควบแน่นจะไหลกลับลงมาด้วยแรงโน้มถ่วง เมื่อเทอร์โมไซฟอนได้รับความร้อนที่ด้านบน จะไม่มีของเหลวให้ระเหยอีกต่อไป
• ท่อความร้อนแบบหมุนช่วยให้ของเหลวไหลจากเครื่องระเหยไปยังเครื่องควบแน่นได้โดยอาศัยแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางเท่านั้น จะไม่มีของเหลวไหลออกมาเมื่อเครื่องควบแน่นถูกทำให้ร้อน
• ท่อความร้อนไดโอดดักจับไอระเหย
• ท่อความร้อนไดโอดแบบดักจับของเหลว

ไดโอดดักไอถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกับท่อความร้อนแบบปรับค่าการนำความร้อนได้ โดยมีอ่างเก็บก๊าซอยู่ที่ปลายด้านคอนเดนเซอร์ ในระหว่างการผลิต ท่อความร้อนจะถูกบรรจุด้วยของเหลวทำงานและก๊าซที่ไม่ควบแน่น (NCG) ในปริมาณที่ควบคุมได้ ในระหว่างการทำงานปกติ การไหลของไอของเหลวทำงานจากอีวาพอเรเตอร์ไปยังคอนเดนเซอร์จะพัดพาก๊าซที่ไม่ควบแน่นเข้าไปในอ่างเก็บ ซึ่งจะไม่รบกวนการทำงานปกติของท่อความร้อน เมื่อคอนเดนเซอร์ถูกทำให้ร้อน การไหลของไอจะเป็นจากคอนเดนเซอร์ไปยังอีวาพอเรเตอร์ ก๊าซที่ไม่ควบแน่นจะถูกดึงไปพร้อมกับไอที่ไหล ทำให้ปิดกั้นอีวาพอเรเตอร์อย่างสมบูรณ์ และเพิ่มความต้านทานความร้อนของท่อความร้อนอย่างมาก โดยทั่วไป จะมีการถ่ายเทความร้อนไปยังส่วนที่เป็นฉนวนความร้อนบางส่วน จากนั้นความร้อนจะถูกนำผ่านผนังท่อความร้อนไปยังอีวาพอเรเตอร์ ในตัวอย่างหนึ่ง ไดโอดดักไอสามารถนำความร้อนได้ 95 วัตต์ในทิศทางไปข้างหน้า และเพียง 4.3 วัตต์ในทิศทางย้อนกลับ^{[ 33 ]}

ไดโอดดักจับของเหลวมีอ่างเก็บของเหลวที่ปลายท่อความร้อนด้านระเหย โดยมีไส้ตะเกียงแยกต่างหากที่ไม่เชื่อมต่อกับไส้ตะเกียงในส่วนที่เหลือของท่อความร้อน^{[ 34 ]}ในระหว่างการทำงานปกติ ตัวระเหยและอ่างเก็บของเหลวจะถูกทำให้ร้อน ไอจะไหลไปยังตัวควบแน่น และของเหลวจะกลับไปยังตัวระเหยโดยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยในไส้ตะเกียง ในที่สุดอ่างเก็บของเหลวจะแห้ง เนื่องจากไม่มีวิธีการใดที่จะทำให้ของเหลวไหลกลับ เมื่อตัวควบแน่นปกติถูกทำให้ร้อน ของเหลวจะควบแน่นในตัวระเหยและอ่างเก็บของเหลว ในขณะที่ของเหลวสามารถกลับไปยังตัวควบแน่นปกติจากตัวระเหยปกติได้ แต่ของเหลวในอ่างเก็บของเหลวจะถูกดักจับ เนื่องจากไส้ตะเกียงของอ่างเก็บของเหลวไม่ได้เชื่อมต่อ ในที่สุด ของเหลวทั้งหมดจะถูกดักจับในอ่างเก็บของเหลว และท่อความร้อนจะหยุดทำงาน

ท่อความร้อนส่วนใหญ่ใช้ไส้ตะเกียงเพื่อส่งของเหลวจากคอนเดนเซอร์กลับไปยังอีวาพอเรเตอร์ ทำให้ท่อความร้อนสามารถทำงานได้ในทุกทิศทาง ของเหลวจะถูกดูดกลับไปยังอีวาพอเรเตอร์ด้วยแรงดึงดูดของเส้นเลือดฝอยคล้ายกับวิธีที่ฟองน้ำดูดน้ำเมื่อขอบของมันสัมผัสกับแอ่งน้ำ อย่างไรก็ตาม ระดับความสูงที่ไม่เหมาะสมสูงสุด (อีวาพอเรเตอร์อยู่เหนือคอนเดนเซอร์) นั้นค่อนข้างน้อย โดยอยู่ที่ประมาณ 25 เซนติเมตรสำหรับท่อความร้อนแบบใช้น้ำทั่วไป

อย่างไรก็ตาม หากเครื่องระเหยตั้งอยู่ด้านล่างเครื่องควบแน่น ของเหลวสามารถไหลกลับโดยอาศัยแรงโน้มถ่วงแทนที่จะต้องใช้ไส้ตะเกียง และระยะห่างระหว่างทั้งสองสามารถยาวขึ้นได้มาก ท่อความร้อนที่อาศัยแรงโน้มถ่วงดังกล่าวเรียกว่าเทอร์โมไซฟอน^{[ 35 ]}

ในระบบเทอร์โมไซฟอน สารทำงานที่เป็นของเหลวจะถูกทำให้กลายเป็นไอโดยความร้อนที่ส่งไปยังตัวระเหยที่ด้านล่างของท่อความร้อน ไอจะเดินทางไปยังตัวควบแน่นที่ด้านบนของท่อความร้อน ซึ่งจะควบแน่น จากนั้นของเหลวจะไหลกลับลงไปที่ด้านล่างของท่อความร้อนด้วยแรงโน้มถ่วง และวงจรก็จะเริ่มต้นใหม่ เทอร์โมไซฟอนเป็นท่อความร้อนแบบไดโอด เมื่อให้ความร้อนกับปลายด้านตัวควบแน่น จะไม่มีสารควบแน่นเกิดขึ้น ดังนั้นจึงไม่มีวิธีที่จะสร้างไอและถ่ายเทความร้อนไปยังตัวระเหยได้

การออกแบบเทอร์โมไซฟอนประกอบด้วย^{[ 36 ]}เทอร์โมโพรบ เทอร์โมไพล์ เทอร์โมไซฟอนแบบความลึก ฐานเทอร์โมไซฟอนแบบลาดเอียง ฐานเทอร์โมไซฟอนแบบห่วงแบน และฐานเทอร์โมไซฟอนแบบห่วงแบนไฮบริด

ในขณะที่ท่อความร้อนน้ำบนพื้นดินทั่วไปมีความยาวน้อยกว่า 30 ซม. แต่เทอร์โมไซฟอนมักมีความยาวหลายเมตร เทอร์โมไซฟอนที่ใช้ในการระบายความร้อนท่อส่งน้ำมันทรานส์-อลาสก้ามีความยาวประมาณ 11 ถึง 12 เมตร เทอร์โมไซฟอนที่ยาวกว่านั้นได้รับการเสนอแนะสำหรับการสกัดพลังงานความร้อนใต้พิภพ ตัวอย่างเช่น Storch และคณะได้ประดิษฐ์เทอร์โมไซฟอนโพรเพนขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางภายใน 53 มม. ยาว 92 ม. ซึ่งส่งความร้อนได้ประมาณ 6 กิโลวัตต์^{[ 37 ]}ความสามารถในการปรับขนาดให้มีขนาดใหญ่ยังทำให้มีความเกี่ยวข้องกับการใช้งานด้านพลังงานแสงอาทิตย์ความร้อน^{[ 38 ]}และ HVAC ^{[ 39 ]}

ท่อความร้อนแบบวงจรปิด ( LHP) เป็นอุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนแบบสองเฟสแบบพาสซีฟ สามารถส่งพลังงานได้สูงกว่าในระยะทางที่ไกลกว่า โดยมีการไหลของของเหลวและไอในทิศทางเดียวกัน ซึ่งแตกต่างจากการไหลในทิศทางตรงกันข้ามในท่อความร้อนแบบทั่วไป^{[ 40 ] [ 41 ]}ทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้ไส้ตะเกียงในท่อความร้อนแบบวงจรปิด ยกเว้นในห้องระเหยและห้องชดเชยท่อความร้อนแบบวงจรปิดขนาดเล็กถูกนำไปใช้ในงานภาคพื้นดินและอวกาศ

ท่อความร้อนแบบสั่น (OHP) หรือที่รู้จักกันในชื่อท่อความร้อนแบบสั่นเป็นจังหวะ (PHP) นั้นบรรจุของเหลวทำงานเพียงบางส่วนเท่านั้น ท่อถูกจัดเรียงในรูปแบบคดเคี้ยวซึ่งส่วนของของเหลวและไอที่เคลื่อนที่ได้อย่างอิสระจะสลับกัน^{[ 42 ]}การสั่นเกิดขึ้นในของเหลวทำงาน ในขณะที่ท่อยังคงอยู่นิ่ง ท่อเหล่านี้ได้รับการศึกษาเพื่อการใช้งานหลายอย่าง รวมถึงการระบายความร้อนแผงโซลาร์เซลล์^{[ 43 ]} การระบาย ความร้อนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์^{[ 44 ]}ระบบการกู้คืนความร้อน ระบบเซลล์เชื้อเพลิง^{[ 45 ] [ 46 ]}ระบบ HVAC ^{[ 47 ]}และการแยกเกลือออกจากน้ำ^{[ 48 ]} PHP สามารถรวมเข้ากับวัสดุเปลี่ยนเฟสได้^{[ 44 ] [ 48 ]}

ท่อความร้อนอาศัยการเปลี่ยนแปลงสถานะเพื่อถ่ายเทพลังงานความร้อน จึงไม่สามารถลดอุณหภูมิที่ปลายทั้งสองข้างให้ต่ำกว่าอุณหภูมิแวดล้อมได้ ทำได้เพียงปรับอุณหภูมิภายในท่อให้เท่ากันเท่านั้น

เมื่อปลายด้านหนึ่งของท่อความร้อนได้รับความร้อน สารทำงานภายในท่อที่ปลายด้านนั้นจะระเหยกลายเป็นไอ ทำให้ความดันไอภายในโพรงของท่อความร้อนเพิ่มขึ้นความร้อนแฝงของการระเหยที่สารทำงานดูดซับไว้จะลดอุณหภูมิที่ปลายด้านร้อนของท่อลง

ความดันไอเหนือของเหลวทำงานที่ปลายด้านร้อนจะสูงกว่าที่ปลายด้านเย็น และความแตกต่างของความดันนี้จะผลักดันให้เกิดการถ่ายเทมวลอย่างรวดเร็วไปยังปลายด้านการควบแน่น ซึ่งไอส่วนเกินจะควบแน่น ปล่อยความร้อนแฝงและทำให้ปลายด้านเย็นอุ่นขึ้น ก๊าซที่ไม่ควบแน่น (เช่น เกิดจากสิ่งปนเปื้อน) ในไอจะขัดขวางการไหลของก๊าซและลดประสิทธิภาพ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งความดันไอต่ำ ความเร็วของโมเลกุลในก๊าซโดยประมาณคือความเร็วเสียง และในกรณีที่ไม่มีก๊าซที่ไม่ควบแน่น (เช่น ถ้ามีเพียงเฟสของก๊าซเท่านั้น) นี่คือขีดจำกัดสูงสุดของความเร็วที่โมเลกุลสามารถเคลื่อนที่ได้ ในทางปฏิบัติ ความเร็วของไอถูกจำกัดโดยอัตราการควบแน่นที่ปลายด้านเย็นและต่ำกว่าความเร็วของโมเลกุลมาก อัตราการควบแน่นจะใกล้เคียงกับผลคูณของสัมประสิทธิ์การยึดเกาะ ความเร็วของโมเลกุล และความหนาแน่นของก๊าซ หากพื้นผิวการควบแน่นเย็นมาก อย่างไรก็ตาม หากพื้นผิวมีอุณหภูมิใกล้เคียงกับอุณหภูมิของแก๊ส การระเหยที่เกิดจากอุณหภูมิที่จำกัดของพื้นผิวจะหักล้างความร้อนส่วนใหญ่ไป หากความแตกต่างของอุณหภูมิมากกว่าไม่กี่สิบองศา การระเหยจากพื้นผิวโดยทั่วไปจะน้อยมาก ซึ่งสามารถประเมินได้จากกราฟความดันไอ ในกรณีส่วนใหญ่ ด้วยการถ่ายเทความร้อนผ่านแก๊สอย่างมีประสิทธิภาพ การรักษาความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างแก๊สและพื้นผิวควบแน่นให้มีนัยสำคัญนั้นเป็นเรื่องยาก ยิ่งไปกว่านั้น ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ยังสอดคล้องกับความต้านทานความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยตัวมันเอง ปัญหาคอขวดมักจะรุนแรงน้อยกว่าที่แหล่งความร้อน เนื่องจากความหนาแน่นของแก๊สสูงกว่าที่นั่น ซึ่งสอดคล้องกับอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุดที่สูงกว่า

คุณสมบัติที่น่าสนใจอย่างหนึ่งของท่อความร้อนคือช่วงอุณหภูมิที่ท่อความร้อนทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไม่ใช่ว่าท่อความร้อนที่บรรจุน้ำจะทำงานได้เฉพาะเมื่อปลายด้านร้อนถึงจุดเดือด (100 °C, 212 °F ที่ความดันบรรยากาศปกติ) และไอน้ำถูกถ่ายเทไปยังปลายด้านเย็นเท่านั้น อย่างไรก็ตาม จุดเดือดของน้ำขึ้นอยู่กับความดันสัมบูรณ์ภายในท่อ ในท่อสุญญากาศ น้ำจะกลายเป็นไอจากจุดสามสถานะ (0.01 °C, 32.02 °F) ไปจนถึงจุดวิกฤต (374 °C, 705 °F) ตราบใดที่ท่อความร้อนมีทั้งของเหลวและไออยู่ ดังนั้น ท่อความร้อนจึงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิปลายด้านร้อนต่ำเพียงแค่สูงกว่าจุดหลอมเหลวของของเหลวที่ใช้เป็นสารทำงานเล็กน้อย แม้ว่าอัตราการถ่ายเทความร้อนสูงสุดจะต่ำที่อุณหภูมิต่ำกว่า 25 °C (77 °F) ในทำนองเดียวกัน ท่อความร้อนที่มีน้ำเป็นสารทำงานสามารถทำงานได้ดีกว่าจุดเดือดที่ความดันบรรยากาศ (100 °C, 212 °F) อุณหภูมิสูงสุดสำหรับท่อความร้อนน้ำในระยะยาวคือ 270 °C (518 °F) โดยท่อความร้อนสามารถทำงานได้ถึง 300 °C (572 °F) สำหรับการทดสอบระยะสั้น^{[ 49 ] [ 50 ]}

ความร้อนของการระเหย มีค่ามากกว่า ความจุความร้อนจำเพาะอย่างมากยกตัวอย่างเช่น น้ำ พลังงานที่จำเป็นในการระเหยน้ำ 1 กรัมนั้น มากกว่าพลังงานที่จำเป็นในการเพิ่มอุณหภูมิของน้ำ 1 กรัมนั้น 540 เท่า เกือบทั้งหมดของพลังงานนั้นจะถูกถ่ายโอนไปยังด้าน "เย็น" อย่างรวดเร็วเมื่อของเหลวควบแน่นที่นั่น

ระบบ ควบคุมอุณหภูมิของยานอวกาศมีหน้าที่รักษาอุณหภูมิของชิ้นส่วนทั้งหมดในยานอวกาศให้อยู่ในขอบเขตที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม การทำงานนี้มีความซับซ้อนมากขึ้นเนื่องจากปัจจัยดังต่อไปนี้:

• สภาพแวดล้อมภายนอกที่เปลี่ยนแปลงอย่างมาก เช่นปรากฏการณ์สุริยุปราคา ;
• สภาพแวดล้อมไมโครจี ;
• การระบายความร้อนออกจากยานอวกาศโดยใช้การแผ่รังสีความร้อนเพียงอย่างเดียว
• เนื่องจากมีกำลังไฟฟ้าจำกัด จึงนิยมใช้โซลูชันแบบพาสซีฟ และ
• อายุการใช้งานยาวนาน โดยไม่ต้องบำรุงรักษา

ยานอวกาศบางลำถูกออกแบบมาให้มีอายุการใช้งาน 20 ปี ดังนั้นการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ—การระบายความร้อนด้วยการแผ่รังสีความร้อน—จึงหมายความว่าจำเป็นต้องใช้แผงระบายความร้อนขนาดใหญ่ (หลายตารางเมตร) ท่อส่งความร้อนและท่อส่งความร้อนแบบวงจรปิดถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในยานอวกาศ

ท่อความร้อนในยานอวกาศใช้ไส้ตะเกียงแบบมีร่อง ดังแสดงในภาพแรก ท่อความร้อนเหล่านี้ผลิตโดยการอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียม และโดยทั่วไปจะมีขอบยื่นออกมาเพื่อเพิ่มพื้นที่การถ่ายเทความร้อน ซึ่งจะช่วยลดการลดลงของอุณหภูมิ ไส้ตะเกียงแบบมีร่องถูกใช้ในยานอวกาศเนื่องจากท่อความร้อนไม่จำเป็นต้องทำงานต้านแรงโน้มถ่วง ทำให้ท่อความร้อนในยานอวกาศสามารถยาวได้หลายเมตร ซึ่งแตกต่างจากท่อความร้อนแบบใช้น้ำบนโลกที่มีความยาวสูงสุดประมาณ 25 เซนติเมตร แอมโมเนียเป็นของเหลวทำงานที่ใช้กันทั่วไปในท่อความร้อนของยานอวกาศ อีเทนจะใช้เมื่อท่อความร้อนต้องทำงานที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของแอมโมเนีย

รูปที่สองแสดงให้เห็นถึงระบบ VCHP (Vehicle-Voltage-Heat Pump) แบบมีร่องทั่วไปสำหรับควบคุมอุณหภูมิในยานอวกาศ ท่อความร้อนทำจากอลูมิเนียมอัดขึ้นรูป คล้ายกับที่แสดงในรูปแรก บริเวณขอบด้านล่างคือส่วนระเหย เหนือส่วนระเหย ขอบจะถูกกลึงออกเพื่อให้สามารถ ดัดส่วน ที่เป็นฉนวนได้ ส่วนควบแน่นแสดงอยู่เหนือส่วนที่เป็นฉนวน อ่างเก็บก๊าซ NCG อยู่ด้านบน วาล์วจะถูกถอดออกหลังจากเติมและปิดผนึกท่อแล้ว เมื่อใช้ฮีตเตอร์ไฟฟ้ากับอ่างเก็บก๊าซ อุณหภูมิของส่วนระเหยสามารถควบคุมได้ภายใน ±2 K จากค่าที่ตั้งไว้

ท่อความร้อนเริ่มถูกนำมาใช้ในระบบคอมพิวเตอร์ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ^{[ 51 ]}เมื่อความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นและการปล่อยความร้อนที่เพิ่มขึ้นตามมาส่งผลให้ระบบระบายความร้อนมีความต้องการมากขึ้น ปัจจุบันมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบคอมพิวเตอร์สมัยใหม่หลายระบบ โดยทั่วไปเพื่อเคลื่อนย้ายความร้อนออกจากส่วนประกอบต่างๆ เช่นCPUและGPUไปยังฮีทซิงค์

ท่อความร้อนยังใช้กันอย่างแพร่หลายใน การ ทำความร้อนน้ำด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ร่วมกับแผงรับแสงอาทิตย์แบบท่อสุญญากาศ ในการใช้งานเหล่านี้ โดยทั่วไปจะใช้น้ำกลั่นเป็นของเหลวถ่ายเทความร้อนภายในท่อทองแดงที่ปิดสนิทซึ่งอยู่ภายในท่อแก้วสุญญากาศและหันไปทางดวงอาทิตย์ ในท่อเชื่อมต่อ การถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้นในเฟสของไอน้ำเหลวเนื่องจากตัวกลางถ่ายเทความร้อนถูกเปลี่ยนเป็นไอน้ำในส่วนใหญ่ของท่อส่ง^{[ 52 ]}

ในการใช้งานระบบทำน้ำร้อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์ ท่อดูดซับความร้อนแต่ละท่อของแผงรับแสงอาทิตย์แบบท่อสุญญากาศมีประสิทธิภาพสูงกว่าแผงรับแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบทั่วไปถึง 40% เนื่องจากท่อสุญญากาศช่วยลดการสูญเสียความร้อนจากการพาความร้อนและการนำความร้อน อย่างไรก็ตาม ประสิทธิภาพสัมพัทธ์ของระบบท่อสุญญากาศจะลดลงเมื่อเทียบกับแผงรับแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบ เนื่องจากแผงรับแสงอาทิตย์แบบแผ่นเรียบมีขนาดช่องเปิดที่ใหญ่กว่าและสามารถดูดซับพลังงานแสงอาทิตย์ต่อหน่วยพื้นที่ได้มากกว่า นั่นหมายความว่า แม้ว่าท่อสุญญากาศแต่ละท่อจะมีฉนวนที่ดีกว่า (การสูญเสียจากการนำความร้อนและการพาความร้อนต่ำกว่า) แต่ท่อหลายๆ ท่อจะดูดซับพลังงานต่อหน่วยพื้นที่ได้น้อยกว่า เนื่องจากพื้นที่ผิวดูดซับลดลงเพราะท่อมีลักษณะโค้งมน ดังนั้น ประสิทธิภาพในโลกแห่งความเป็นจริงของทั้งสองแบบจึงใกล้เคียงกัน

แผงรับพลังงานแสงอาทิตย์แบบท่อสุญญากาศช่วยลดความจำเป็นในการใช้สารป้องกันการแข็งตัว เนื่องจากสุญญากาศช่วยชะลอการสูญเสียความร้อน อย่างไรก็ตาม หากสัมผัสกับอุณหภูมิเยือกแข็งเป็นเวลานาน ของเหลวที่ถ่ายเทความร้อนก็อาจแข็งตัวได้ และต้องมีมาตรการป้องกันเพื่อให้แน่ใจว่าน้ำแข็งจะไม่ทำลายท่อสุญญากาศ เครื่องทำน้ำอุ่นพลังงานแสงอาทิตย์ที่ออกแบบอย่างเหมาะสมสามารถป้องกันการแข็งตัวได้ถึงอุณหภูมิต่ำกว่า -3 องศาเซลเซียส โดยใช้สารเติมแต่งพิเศษ และมีการใช้งานในทวีปแอนตาร์กติกาเพื่อทำน้ำร้อน

การก่อสร้างบนชั้นดินเยือกแข็งถาวรนั้นทำได้ยาก เนื่องจากความร้อนจากโครงสร้างอาจทำให้ชั้นดินเยือกแข็งถาวรละลายได้ ในบางกรณีจึงมีการใช้ท่อส่งความร้อนเพื่อหลีกเลี่ยงความเสี่ยงต่อความไม่เสถียร ตัวอย่างเช่น ในระบบท่อส่งน้ำมันทรานส์-อะแลสกาความร้อนจากพื้นดินที่เหลืออยู่ในน้ำมัน รวมถึงความร้อนที่เกิดจากแรงเสียดทานและความปั่นป่วนในน้ำมันที่กำลังเคลื่อนที่ อาจนำความร้อนลงไปตามขาค้ำยันของท่อและทำให้ชั้นดินเยือกแข็งถาวรที่ยึดขาค้ำยันละลายได้ ซึ่งจะทำให้ท่อส่งน้ำมันทรุดตัวลงและอาจเสียหายได้ เพื่อป้องกันสิ่งนี้ สมาชิกค้ำยันแนวตั้งแต่ละตัวจึงติดตั้งเทอร์โมไซฟอนสี่ ตัว ^{[ 53 ]}

ในช่วงฤดูหนาว อากาศจะเย็นกว่าพื้นดินรอบๆ ตัวรองรับ ของเหลวที่อยู่ด้านล่างของเทอร์โมไซฟอนจะระเหยกลายเป็นไอเนื่องจากความร้อนที่ดูดซับจากพื้นดิน ทำให้ดินเยือกแข็งโดยรอบเย็นลงและลดอุณหภูมิลง ในช่วงฤดูร้อน เทอร์โมไซฟอนจะหยุดทำงาน เนื่องจากไม่มีก๊าซควบแน่นที่ด้านบน แต่ความหนาวเย็นจัดในช่วงฤดูหนาวทำให้เกิดการควบแน่นและของเหลวจะไหลลงมา ในระบบท่อส่งทรานส์-อะแลสกาในตอนแรกมีการใช้แอมโมเนียเป็นของเหลวทำงาน แต่ต่อมาได้เปลี่ยนเป็นคาร์บอนไดออกไซด์เนื่องจากการอุดตัน^{[ 54 ]}

ระบบเทอร์โมไซฟอนช่วยรักษาสภาพดินเยือกแข็งถาวรให้คงตัวอยู่ตามแนวทางรถไฟชิงไห่-ทิเบต บางส่วน ซึ่งคันดินและรางรถไฟดูดซับความร้อนจากแสงอาทิตย์ ท่อความร้อนที่อยู่ทั้งสองด้านของชั้นดินที่เกี่ยวข้องช่วยป้องกันไม่ให้ความร้อนนั้นแพร่กระจายไปยังดินเยือกแข็งถาวรโดยรอบ

ผลิตภัณฑ์ท่อความร้อนเชิงพาณิชย์ชิ้นแรกคือ "Thermal Magic Cooking Pin" ซึ่งพัฒนาโดย Energy Conversion Systems, Inc. และวางจำหน่ายครั้งแรกในปี 1966 ^{[ 55 ]}กระทะสำหรับปรุงอาหารใช้น้ำเป็นของเหลวในการทำงาน ตัวเรือนทำจากสแตนเลส โดยมีชั้นทองแดงด้านในเพื่อความเข้ากันได้ ในการย่างเนื้อ ปลายด้านหนึ่งของท่อความร้อนจะถูกเสียบทะลุเนื้อ ปลายอีกด้านหนึ่งยื่นเข้าไปในเตาอบ ซึ่งจะดึงความร้อนไปยังตรงกลางของเนื้อ พินนี้ช่วยลดเวลาในการปรุงอาหารสำหรับเนื้อชิ้นใหญ่ลงครึ่งหนึ่ง^{[ 56 ]}

หลักการนี้ได้ถูกนำไปประยุกต์ใช้กับเตาสำหรับตั้งแคมป์ ท่อส่งความร้อนจะถ่ายเทความร้อนปริมาณมากในอุณหภูมิต่ำ ทำให้สามารถอบอาหารและปรุงอาหารอื่นๆ ได้ในสถานการณ์แบบการตั้งแคมป์

ใน ระบบ ทำความร้อน การระบายอากาศ และการปรับอากาศ (HVAC) ท่อความร้อนจะถูกติดตั้งไว้ในกระแสอากาศขาเข้าและขาออกของระบบปรับอากาศ หรือในก๊าซไอเสียของกระบวนการทางอุตสาหกรรม เพื่อดึงความร้อนกลับมาใช้ใหม่

อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยชุดท่อระบายความร้อนแบบครีบหลายแถวที่ติดตั้งอยู่ภายในทั้งกระแสอากาศขาเข้าและขาออก ระบบจะดึงความร้อนจากไอเสียและถ่ายเทไปยังอากาศขาเข้า

ประสิทธิภาพสูงสุดเกิดขึ้นเมื่อติดตั้งเครื่องในแนวตั้ง โดยให้ด้านรับอากาศอยู่ด้านบนด้านระบายอากาศ ซึ่งจะช่วยให้สารทำความเย็นเหลวไหลกลับไปยังคอยล์เย็นได้อย่างรวดเร็วด้วยแรงโน้มถ่วง ผู้ผลิตอ้างว่าประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนโดยรวมสูงถึง 75%

ระบบระบายความร้อนสำหรับเซลล์พลังงานนิวเคลียร์ในยานอวกาศต้องเผชิญกับสภาวะความร้อนสูงมาก ท่อความร้อนที่ ทำจากโลหะอัลคาไลน์สามารถถ่ายเทความร้อนจากแหล่งกำเนิดไปยัง ตัวแปลงเทอร์ มิออนิกหรือเทอร์โมอิเล็กทริกเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าได้

ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1990 มีการพยายามใช้ท่อความร้อนเพื่อส่งความร้อนระหว่างแกนปฏิกรณ์และระบบแปลงพลังงาน^{[ 57 ]}เมื่อวันที่ 13 กันยายน 2012 ทีมร่วมจากNASAและกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกาได้สาธิตไมโครรีแอคเตอร์ระบายความร้อนด้วยท่อความร้อนเป็นครั้งแรก การทดลองดังกล่าวมีชื่อว่า "การสาธิตโดยใช้การแตกตัวแบบ Flattop" ซึ่งผลิตกระแสไฟฟ้าได้ 24 วัตต์ผ่านเครื่องยนต์สเตอร์ลิงที่ได้รับพลังงานจากปฏิกรณ์ขนาดเล็กผ่านท่อความร้อน^{[ 58 ]}

การจุดระเบิดของส่วนผสมเชื้อเพลิงเกิดขึ้นในส่วนเฉพาะของเครื่องยนต์ Wankelซึ่งทำให้เกิด ความแตกต่างของ การขยาย ตัวทางความร้อน ที่ลดกำลังเอาต์พุต ลดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง และเร่งการสึกหรอ ใน เอกสาร SAE 2014-01-2160 เรื่อง "เครื่องยนต์ Wankel แบบโรตารี่ระบายความร้อนด้วยอากาศที่ใช้ท่อความร้อนช่วยเพื่อความทนทาน กำลัง และประสิทธิภาพที่ดีขึ้น" ^{[ 59 ]} ผู้เขียนอ้างว่าอุณหภูมิสูงสุดของเครื่องยนต์ลดลงจาก 231 °C เหลือ 129 °C และความแตกต่างของอุณหภูมิลดลงจาก 159 °C เหลือ 18 °C สำหรับ เครื่องยนต์ อากาศยานไร้คนขับระบายความร้อนด้วยอากาศแบบห้องเผาไหม้ขนาดเล็กทั่วไป

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทำหน้าที่ถ่ายเทความร้อนจากกระแสความร้อนไปยังกระแสความเย็น เช่น อากาศ น้ำ หรือน้ำมัน เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อความร้อนประกอบด้วยท่อความร้อนหลายท่อ ซึ่งแต่ละท่อทำหน้าที่เป็นเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพ อายุการใช้งาน และความปลอดภัย ในกรณีที่ท่อใดท่อหนึ่งแตก จะมีของเหลวรั่วไหลออกมาเพียงเล็กน้อย ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับกระบวนการทางอุตสาหกรรมบางอย่าง เช่น การหล่ออะลูมิเนียม นอกจากนี้ แม้จะมีท่อความร้อนแตกเพียงท่อเดียว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนก็ยังคงทำงานได้ต่อไป

โครงการ ETEKINA ที่ได้รับทุนจากสหภาพยุโรปใช้เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบท่อความร้อนเพื่อนำความร้อนเหลือทิ้งจากโรงงานอุตสาหกรรมต่างๆ ทั่วยุโรปกลับมาใช้ใหม่ได้มากกว่า 40% ระหว่างปี 2017 ถึง 2022 ^{[ 60 ]}

งานวิจัยนี้สำรวจการใช้งานท่อความร้อนในระบบต่างๆ:

• การปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบทำความร้อนใต้พิภพเพื่อป้องกันถนนลื่นในช่วงฤดูหนาวในเขตภูมิอากาศหนาวเย็น^{[ 61 ]}
• การเพิ่มประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์โดยการเชื่อมต่อแผงโซลาร์เซลล์เข้ากับระบบท่อความร้อน ซึ่งจะส่งความร้อนออกจากแผงที่ร้อนเกินไปเพื่อรักษาอุณหภูมิที่เหมาะสมสำหรับการผลิตพลังงานสูงสุด นอกจากนี้ ระบบที่ทดสอบยังใช้พลังงานที่กู้คืนได้ในการทำความร้อนน้ำ^{[ 62 ]}
• ท่อความร้อนแท่งควบคุมแบบไฮบริดเพื่อปิดเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในกรณีฉุกเฉินและถ่ายเทความร้อนจากการสลายตัวออกไปพร้อมกันเพื่อป้องกันไม่ให้เครื่องปฏิกรณ์ร้อนเกินไป^{[ 63 ]}

• แผ่นระบายความร้อน  – อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาสซีฟที่ถ่ายเทความร้อน
• ท่อความร้อนแบบวงจรปิด  – อุปกรณ์ถ่ายเทความร้อนแบบสองเฟส
• การทำความเย็นด้วยเทอร์โมอิเล็กทริก  – ใช้กระแสไฟฟ้าในการให้ความร้อนหรือความเย็นแก่วัสดุหน้าเว็บที่แสดงคำอธิบายสั้น ๆ ของเป้าหมายการเปลี่ยนเส้นทาง

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับท่อระบายความร้อน

• Frontiers in Heat Pipes (FHP) – วารสารนานาชาติ
• การประชุมนานาชาติว่าด้วยท่อความร้อนและสัมมนาวิชาการนานาชาติว่าด้วยท่อความร้อน (20IHPC & 14IHPS) ครั้งก่อน จัดขึ้นระหว่างวันที่ 7-10 กันยายน 2021
• การประชุมนานาชาติว่าด้วยท่อความร้อนและสัมมนานานาชาติว่าด้วยท่อความร้อน (21IHPC & 15IHPS) ครั้งต่อไป จะจัดขึ้นระหว่างวันที่ 5-9 กุมภาพันธ์ 2023
• House_N Research (mit.edu)
• คู่มือการเลือกท่อความร้อน (ไฟล์ PDF)
• หลักการพื้นฐานและการสาธิตท่อความร้อน