Wanneer zonlicht op de hitte-absorberende plaat in de vacuümbuis valt, kookt en verdampt de werkvloeistof in de warmtepijp. De damp stroomt continu naar de condensor bovenaan, waar hij condenseert tot vloeistof. De gecondenseerde werkvloeistof stroomt vervolgens langs de buiswand terug naar het verdampergedeelte, waardoor de cyclus wordt voltooid. Dit type warmtepijp, dat warmte absorbeert en aan het ene uiteinde verdampt en aan het andere uiteinde condenseert en warmte afgeeft, waardoor warmteoverdracht wordt bereikt door interne faseverandering, wordt gewoonlijk een zwaartekracht-warmtepijp genoemd. Warmtepijpen hebben geen warmte-absorberende kern. De gecondenseerde vloeistof stroomt door de zwaartekracht terug van het condensorgedeelte naar het verdampergedeelte en circuleert automatisch zonder externe voeding. Dit is het warmteverzamelingsproces van een vacuümbuis met warmtepijp. Omdat warmtepijpen afhankelijk zijn van de zwaartekracht om de werkvloeistof te laten circuleren, moet het verdampergedeelte tijdens bedrijf onder het condensorgedeelte worden geplaatst. Als het verdampergedeelte boven het condensorgedeelte wordt geplaatst, belemmert de zwaartekracht de retourstroom van het condensaat. Zonder stroom om het condensaat terug te voeren naar het verdampergedeelte zal de warmtepijp niet functioneren. Daarom worden warmtepijpen ook wel een-weg warmteoverdrachtsdiodes genoemd. Deze eigenschap van warmtepijpen is bij uitstek geschikt voor thermische zonnecollectoren. Ze dragen de geabsorbeerde zonnewarmte over naar een watertank, waardoor het water wordt verwarmd, met onomkeerbare warmteoverdracht. Met andere woorden: ze absorberen overdag warmte, maar geven deze 's nachts weer af. Dit vermindert het warmteverlies aanzienlijk en verbetert de thermische isolatieprestaties van de collector.
Omdat warmtepijpen voornamelijk afhankelijk zijn van de absorptie en afgifte van latente warmte tijdens faseveranderingen van de werkvloeistof en de stoomstroom om warmte over te dragen, en aangezien de meeste werkvloeistoffen een hoge latente verdampingswarmte hebben, kunnen ze aanzienlijke hoeveelheden warmte overbrengen zonder dat een groot verdampingsvolume nodig is. Wanneer de stoom verzadigd is, is het temperatuurverschil tijdens de stroming en faseverandering minimaal. De relatief dunne buiswand resulteert in een zeer kleine oppervlaktetemperatuurgradiënt. Wanneer de warmteflux erg laag is, wordt een sterk isotherm oppervlak bereikt, waardoor de thermische geleidbaarheid verbetert. De installatiehoek van de warmtepijp heeft een zekere invloed op de warmteoverdrachtsprestaties.