液冷システムの選択

このシンプルなステップバイステップガイドでは、利用可能なさまざまなタイプの冷却システムのほか、用途に適した製品を選択する方法を説明します。

用途に合ったシステムを選択する際の考慮事項

最初に検討するのは、正確な熱管理が必要か、周囲(空気)温度より低く冷却する必要があるかどうかです。これらの両方の答えが「いいえ」の場合、必要となるのは、バルク熱を除去する冷却システムです。最も費用効果の高いソリューションは、周囲温度冷却システムです。

上記に加えて、アルミニウムコールドプレートの最大のコストドライバーとなるのは、機械加工時間と追加の加工工程です。コールドプレートメーカーの多くは、機械、電力、消耗品、およびメンテナンスの減価償却費をカバーするため、加工時間に関連するコストを抱えています。このため、コールドプレートの加工時間が長くなればなるほどコストがかかり、加工工程が増えるたびにコストが上昇し続けます。

周囲温度冷却システム

熱管理回路がないため、周囲温度冷却システムは事前に設定された温度を維持しません。周囲の空気により冷却されるため、周囲温度が流体の出口温度の下限になります。

シンプルに見えますが、周囲温度冷却システムの性能が最大限発揮されるように設計されています。冷却システムメーカーは熱交換器の性能を完全に理解しているため、液体の流量と空気の流量を性能に一致させて、システムから最大の冷却能力を引き出すことができます。配管は信頼性の高い設計となっており、コンポーネントはガルバニック腐食の問題を回避するために慎重に選択されています。既製の周囲温度冷却システムは非常に使いやすくできています。液入口/出口のフィッティングを機器に接続し、タンクを満たして電源を入れればよいのです。

しかし、熱管理あるいは室温より低い温度への冷却が必要な場合はどうでしょうか。再循環チラーおよび液体から液体への冷却システムは、どちらも適した代替手段です。

再循環チラー

再循環チラーは、正確な熱管理(0.1°C以内)と周囲温度以下への冷却を行います。静かで、幅広い冷却能力をカバーし、さまざまなオプションと追加機能を使用することができます。再循環チラーはコンパクトで静かで設置が簡単です。

再循環チラーは冷却に冷媒を使用します。空気ではなく水を冷やすことを除けば、これは自宅の冷蔵庫と同じように動作します。プロセス水回路には、蒸発器、タンク、およびポンプが含まれます。水は蒸発器を通るときに冷媒によって冷却されます。蒸発器の反対側では、冷媒が蒸発して水を冷却し、コンプレッサーとコンデンサーを通過して、周囲空気へ排熱します。

熱負荷が高くなると、チラーは周囲環境に廃熱を排出するため、部屋の空調システムが過負荷になる可能性があります。オプションの1つとして、液冷コンデンサーを備えたチラーを使用することができます。この場合、冷媒は空気の代わりに施設の冷水で冷却されるため、チラーが静かになり、室内の温度上昇を回避できます。

高熱負荷の別の代替手段は、液体から液体への冷却システムです。

液体から液体への冷却システム(LCS)

プロセス側の回路は施設の水から完全に隔離されており、温度、施設の水の流量、および存在する可能性のある汚染物質の変動から機器を保護します。施設の水が冷却するため、施設の水温は流体出口温度の下限になります。

液体から液体への冷却システムは、同様の容量の冷媒ベースのチラーのサイズの約1/3とコンパクトであるため、高熱負荷の応用に人気があります。コンプレッサーがなければ、非常に静かでエネルギー効率も高くなります。

再循環チラーか、液体から液体への冷却システムか

低熱負荷の場合、設置が非常に簡単なため、再循環チラーが通常最も簡単なソリューションとなります。高熱負荷では、液体から液体への冷却システムの方がより費用効果が高くなります。ただし、これは施設の冷水が利用できる状況に限ります。それらを施設の水に配管する必要性は、使用できる場所と機器の移動しやすさに影響を与える可能性があります。

熱負荷が高く、施設の水へ排熱する必要がある場合、LCSと水冷コンデンサーを備えた再循環チラーのどちらを選択するかは、設定温度によって異なります。設定温度が施設の最高水温よりも高い場合は、LCS の方が費用対効果が高くなります。ただし、施設の水温程度またはそれ以下で冷却する必要がある場合は、水冷コンデンサーを備えた冷媒ベースのチラーが必要になります。

モジュール式冷却システムの選択

必要なシステムを求める計算式

MCSの性能は、流量に対するQ/ITDとして示されます。Qは熱負荷、ITDは初期温度差もしくはMCS液体入口温度と周囲温度の差です。

正しいMCSシステムを選択するには、まずQ/ITDを決定する必要があります。次に、MCS性能グラフを使用して、計算されたQ/ITD値に水平線を引きます。最後に、ポンプが十分な流量を供給することを確認します。

例：

レーザーは700Wの廃熱を生成します。レーザーを出る水温は35°C未満である必要があります。 周囲室温は20°Cで、 レーザー装置には、少なくとも1gpmの流量が必要です。どのMCSシステムを選択すべきですか?

まず、Q/ITD = 700 W/(35°C-20°C) = 46.7 W/°Cを計算します。

熱性能グラフを使用すると、0.5 gpmを超える流量でMCS20が適切な性能を発揮することがわかります。標準のBBポンプは1.3gpmの流量を供給するため、適切に機能します。代替ポンプを検討している場合は、ポンプ流量計算を使用して、指定された圧力降下で十分な流量が得られることを確認します。

液体から液体への液冷システムの選択

アプリケーションに適した液体から液体への冷却システムを計算する方法

ほとんどの液体から液体への冷却アプリケーションでは、施設の水の温度(TF)、目的のプロセス設定温度(TP)、プロセスを通る流量(P)、およびプロセスの熱負荷Qがわかっています。

必要な容量Q/ITDを決定するには、まずプロセスによる温度変化ΔTを計算する必要があります。これは、熱容量方程式を解くことによって行うことができます。

または、熱リファレンスガイドにある熱容量グラフを使用します。

次に、Q / ITDを計算して、必要な冷却能力を見つけます。Qはプロセス熱負荷です。ITD(初期温度差)は、温水(TP+ ΔT)と冷水(TF)の温度差です。

最後に、液冷システム(LCS)のパフォーマンス曲線を参照して、計算されたQ / ITDを達成するために必要な施設のプロセス流量を決定します。

液から液への冷却システムの計算例

LCSパフォーマンスグラフを参照すると、2gpmを超える施設流量は必要なパフォーマンスを満たすことがわかります。

液体システムの選択についての結論

最終的に、必要な冷却能力、温度安定性、設定温度、および施設の冷却水の利用可能性によって、使用するシステムが決まります。冷却システムの選択についてさらにサポートが必要な場合は、当社のサーマル設計エンジニアに連絡して、特定のアプリケーション要件についてご相談ください。熱負荷や必要な流量などのインプットに基づいて、適切な製品を推奨します。