熱交換器の熱抵抗の計算
Figure 1: shows a typical liquid cooling loop, consisting of a cold plate (CP), pump, and heat exchanger (HX) connected by hoses or tubing. 部品はシステムの一部であるため、用途に適した部品のサイズを把握するために、部品を一緒に選択することが重要です。メーカーは通常、コールドプレートと熱交換器の性能データを個別に提供し、コールドプレートの性能は熱抵抗で、熱交換器の性能は熱容量で示されます。
では、システムに最適な熱交換器とコールドプレートをどのように選択すべきでしょうか？適切なコールドプレートと熱交換器の組み合わせを決定するために必要な方程式は、非常に単純な形式に縮小されるため、思ったよりも簡単です。
この式を得るための最初のステップは、コールドプレートの熱抵抗θCPを計算します。これは、最大必要表面温度TS、MAXと液体出口温度THの差を、コールドプレートの表面全体に均等に分布した熱負荷Qで割ったものと定義されます。
同様に、熱交換器の熱容量CHXは、熱負荷Qを2つの流入液体間の温度差TH-TAIRで割ったものとして定義され、次の式で表されます。
熱容量も熱抵抗の逆数に等しくなります。
ポンプから加わった熱や、コールドプレートと熱交換器を繋げる接続ホースやチューブによる熱損失がないと仮定すると（これらは通常あまり起こらないため）、式(2)、(3)、および(4)を1つの簡単な式に組み合わせることができます。
高温プロセス流体温度THは、式から外されています。これは、液体温度が式から削除されているため、液体の流量と熱容量を計算する必要がないためです。残るのは、コールドプレートの望ましい表面温度と熱交換器を冷却する周囲空気の温度だけです。性能は、コールドプレートと熱交換器の熱抵抗によって完全に特徴付けられます。したがって、システムの個々の部品を分析する必要はありません。代わりに、システム全体の熱抵抗を決定します。流れの影響は、すでに熱抵抗値に含まれているため、結果から除外されないことに注意してください。
お客様は、CP12を12インチ（30.48 cm）のコールドプレート（プレート側）で使用して、12インチx5インチ（30.48 cm x 12.70 cm）の電子機器から1200 ワットの熱を除去したいと考えています。冷却水は1 gpm(3.785 LPM)の水であり、室温は20°Cです。 お客様は、80°Cの最高表面温度を維持しながら、このデバイスによって生成される1200Wの熱を除去する最小の熱交換器を望んでいます。
Step 1:
First we determine system thermal resistance, θSYSTEM:
Step 2:
Any combination of cold plates and heat exchangers that provide a thermal resistance less than or equal to the total system requirement will work. 式は次のとおりです。
Step 3:
Table 1 shows the resistance and flow rates of the CP12 cold plate and two different heat exchanger/fan combinations:
| 流量 (gpm) | θCP (CP12) (°C/W) | θHX (6110 w/Kona fan) (°C/W) | θHX (6210 w/Marin Fan) (°C/W) |
|---|---|---|---|
| 0.5 | 0.013 | 0.049 | 0.019 |
| 1.0 | 0.009 | 0.046 | 0.017 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 1.5 | 0.007 | 0.044 | 0.016 |
| 2.0 | 0.006 | 0.042 | 0.016 |
システム全体を見ると、流量が熱交換器の選択にどのように影響するかなど、部品同士のトレードオフが分かるようになります。低流量では、コールドプレートの熱抵抗が増加します。これには、より多くの熱容量を備えたより大きな熱交換器が必要であるため、熱抵抗は低くなります。より高い流量の場合は、より小さな熱交換器を使用することができます。
液体から空気への熱交換器とコールドプレートは流体回路に組み合わされることが多いため、システムのパフォーマンスを最適化するために、部品を同時に選ぶ方法を理解することが重要です。正確な仕様と簡略化された式を使えば、液冷ループ内の部品の選択は比較的容易にできるようになります。さらに、同じサーマル関連のベンダーが提供する部品を選択することで、同様の方法でテストされ、システムとしてうまく機能する部品を使用できます。
キャビネット冷却の熱計算
キャビネットまたはエンクロージャに必要な熱抵抗の計算方法
熱交換器メーカーは通常、熱負荷と流入する空気と水の流量の関数として熱性能データを提示します。これは、熱交換器を使用して空気で水を冷却する用途に最適で、熱負荷、空気温度、および液体温度を入力するだけで、十分な熱性能を提供するかどうかを判断できます。
キャビネット冷却の用途では、反対の構成で熱交換器を使用します。つまり、冷水が液体回路内を流れ、キャビネットからの暖かい空気が熱交換器フィンを通過するときに冷却されるという仕組みです。キャビネット冷却の用途では、通常、キャビネットに入る空気の温度と、キャビネット内の空気が到達する最高温度を知る必要があります。これらのいずれも、熱交換器の性能曲線から直接読み取ることはできません。
空気の温度変化を計算する通常の方法は、質量流量を計算することです。
これには時間がかかり、エラーが発生しやすくなります。
To avoid these calculations, Boyd developed charts to quickly estimate temperature rise in common heat transfer media at various heat loads.グラフは、空気、水、油、および30/70エチレングリコール水(EGW)用のものがあります。温度変化を計算するには、適切なグラフを選択し、流量と熱負荷を調べて、温度変化を読み取るだけです。 In our technical library under thermal reference you can view a pdf or our temperature change graphs.
製品の性能曲線と組み合わせて使用すると、キャビネットに入る冷気の温度とキャビネット内の空気の最高温度を迅速かつ簡単に計算できます。
キャビネット冷却計算の例
電子キャビネットを冷却するためのOstroファンを備えた6310熱交換器を評価します。熱交換器に入る水は20°Cで、流量は1gpmです。熱負荷Qは2400Wです。
キャビネットに入る冷たい空気の温度(すなわち、熱交換器から出る空気の温度)とキャビネット内の最高温度(すなわち、熱交換器に入る暖かい空気の温度)は何度ですか?
まず、カタログの6310の性能曲線を確認します。1gpmの水流と約250cfmを供給するOstroファンを使用すると、その性能は80W /°Cであることがわかります。
Qが2400W、Q/ITDが80°C/Wであることがわかっているので、初期温度差(ITD)を計算できます。
ITD = 2400W ÷ 80°C/W = 30°C
また、流入水温は20°Cであることもわかっています。 したがって、流入する空気の温度を計算することができます。
流入する空気の温度 = 20°C + 30°C = 50°C
流出する空気の温度を計算するには、パラメータ250CFMと2400Wを使用した「気流」チャートを使用します。
温度の変化は約17°Cであることがわかりました。流出する空気の温度は、50°C-17°C = 33°Cです。
Ostroファンを備えたこの熱交換器は空気を33°Cに冷却し、キャビネット内の空気の最高温度は50°Cに達することがわかっています。
流出する水の温度を計算するには、「水流」チャートを使用します。
1gpmと2400Wでは、温度変化が約9°Cであることが示されています。したがって、流出水温は、20°C + 9°C = 29°Cです。
空気、水、油、EGWのグラフはPDF形式でダウンロードできます。これらのグラフは、熱交換器やコールドプレートのサイズ設定に役立ち、その他のさまざまな温度変化の計算にも役立ちます。
