ヒートシンクフィンとパラレルフローフィン熱交換器設計

コンデンサー用途のヒートシンクフィンの設計原理

フィンはチューブまたはプレートの有効外表面積を増やし、対流熱伝達を促進します。凝縮器 (気体から液体または蒸気から液体) では、必要な熱遮断を達成しながら熱交換器のコストと設置面積を削減するために、通常、蒸気/空気側にフィンが使用されます。主な設計変数は、フィンのタイプ (プレーン、ルーバー、波形、ピアス)、フィンのピッチ (1 メートルあたりのフィン数またはインチあたりのフィン数)、フィンの高さ、フィンの厚さ、および材料の熱伝導率です。

熱性能の基本

全体的な熱伝達関係を使用する Q = U・A・ΔT 。フィンは、見かけの面積 A を増加させ、局所的な対流係数 h を変更することによって機能します。フィン付き表面の場合、有効面積は A_finned = η_f · A_geometric です。ここで、η_f はフィンの効率です。実際の設計では、過度の圧力降下を避けるために、U、η_f、および充填密度を同時に考慮する必要があります。

機械的およびエアフローの制約

フィンのピッチが狭くなると面積が増加しますが、空気側の圧力降下と汚れのリスクが高まります。平行空気流の凝縮器コイル (平行流凝縮器) では、コイル面全体に均一な流れ分布が重要です。不均一な流れは局所的な熱伝達を低下させ、局所的な乾燥斑点や凍結を引き起こす可能性があります。設計では、面積、ファン出力、汚れ許容量のバランスを取る必要があります。

フィン熱交換器を備えたパラレルフロー凝縮器 - 動作とレイアウト

平行流コンデンサーは、冷媒 (または作動流体) を複数の平行なチューブに送り、空気または蒸気がフィン付き面を横切って流れます。逆流設計と比較して、並流コンデンサーは製造が簡単でコンパクトさを実現できますが、冷媒の速度と熱流束を均一に保つためにヘッダーとチューブの配置に注意が必要です。

一般的なコイルのレイアウトとヘッダー

優れたヘッダー設計 (適切なヘッダー直径、入口/出口ノズルの配置、内部バッフル) により、不均一な分布が防止されます。平行流の場合: 各チューブ列の油圧抵抗が同様であることを確認します。オリフィスやリストリクターは必要な場合にのみ使用してください。シングルパスのパラレルヘッダーで過度の速度差が生じる場合は、マルチパスまたはクロスカップルの真空管回路を検討してください。

平行流に関する空気側の考慮事項

空気がフィン付きチューブ パックを横切って流れるデバイスでは、熱伝達と騒音のバランスを保つために、面速度を推奨範囲 (空冷コンデンサーの場合は 1.5 ～ 3.5 m/s) 内に維持してください。湿気の多い気候では、フィンの間隔を広げると粒子や生物学的汚れによる詰まりが軽減されますが、面積は減少します。

フィン形状の選択と性能のトレードオフ

性能目標に合わせてフィンの形状を選択します。単位圧力降下あたりの熱伝達を最大化し、コストと質量を最小化し、必要な工具を使用して製造可能にします。コンデンサーの一般的なフィン形状:

• プレーン (ストレート) フィン — シンプルで低コストで、低速から中程度の気流速度に適しています。
• ルーバー付きフィン - 局所的な乱流が大きいと h が増加します。熱流束が高く、ある程度の圧力降下が許容される場合に使用されます。
• スリットまたは穴の開いたフィン — 適度な圧力ペナルティで乱流を追加します。車載用コンデンサーによく使用されます。
• 波形フィン — 中間の強化と圧力降下。ルーバーよりも掃除が簡単です。

量的なトレードオフ

設計を比較する場合は、比表面積 (m²/m³)、フィン効率 η_f、圧力損失 ΔP を評価します。ファンの電力と騒音の制約が厳しい場合、外部表面積が 20 ～ 50% 大きい (フィン経由) が、ΔP が 2 ～ 3 倍大きい設計でも、依然として望ましくない可能性があります。ベンダーデータからの性能マップ (h 対 Re、圧力損失対 Re) を使用して、フィンの形状を選択します。

実際の設計例と計算例

要件の例: 予想される全体的な U ≈ 150 W・m⁻²・K⁻¹ および平均温度差 ΔT ≈ 10 K を持つ凝縮器内の熱 Q = 10 kW を排除します。必要な外部有効面積 A = Q / (U · ΔT)。これらの代表的な数値を使用すると、次の結果が得られます。

A_required = 10,000 W ÷ (150 W・m⁻²・K⁻¹ × 10 K) = 6.67 m² (有効フィン面積)。選択したフィンの形状が約 4 のフィン強化係数を与える場合 (つまり、幾何学的フィン付き面積は裸チューブ面積の 4 倍であり、平均フィン効率がその係数に含まれます)、必要な裸チューブ/表面積は ≈ 1.67 m² となります。

これらの数字の使い方

裸面積目標から、コイルの寸法とチューブの長さを導き出します: チューブ 1 メートルあたりの裸面積 = π · D_o · 1m (ストリップ フィンを使用する場合はフィン カラー面積の寄与)。必要な裸面積をチューブ メートルあたりの面積で割ってチューブの全長を取得し、コイル面の制約に合わせてチューブを行と列に配置します。汚れや季節のパフォーマンスマージンのために、常に 10 ～ 25% の余分な領域を追加してください。

製造、材料、腐食に関する考慮事項

一般的なフィンの材料は、アルミニウム (軽量、高導電性、経済的) と銅 (高導電性、高コスト) です。腐食性雰囲気にさらされる屋外コンデンサーの場合は、コーティングされたフィン (ポリマー、エポキシ、または親水性コーティング) または腐食性の高い環境用のステンレス鋼フィンを検討してください。製造技術: プレーンおよび波形フィンの連続ロール成形、ルーバーのスタンピング、およびチューブへのろう付けまたは機械的接合。掃除が容易な設計 (粒子の付着が予想される場所では、きついルーバーが少なくなります)。

ベストプラクティス、テスト、メンテナンス

現場で信頼できるコンデンサーの性能を確保するには、次の手順に従ってください。

• プロトタイプテスト: 代表的なコイルセグメントを構築し、本格的な生産に着手する前に、風洞またはテストリグで h と ΔP を測定します。
• 汚れを考慮して、簡単に清掃できるフィン形状を指定し、定期的にコイルを清掃するためのサービスアクセスを提供します。
• 計装ポート: 冷媒分布と空気流の均一性を検証するための温度プローブと圧力タップが含まれます。
• 地域の気候に合わせてフィンのピッチを最適化します。きれいで乾燥した気候ではピッチを狭くします。ほこりや湿気の多い条件では幅が広くなります。

比較表: 一般的なフィンのタイプとその使用時期

概要と実行可能なチェックリスト

• 必要な熱遮断から始めて、Q = U・A・ΔT を使用して必要な有効断面積を計算します。
• ファン/ファン電力バジェットに対して許容可能な圧力降下を維持しながら、目標の強化係数に達するフィンの形状を選択します。
• パラレルフローコンデンサー内で冷媒が均一に分配されるようにヘッダーと回路を設計します。
• 本格的な生産の前に、代表的なコイルセクションのプロトタイプを作成し、性能と汚れの感受性をテストします。
• 最終仕様には汚れマージン (10 ～ 25%) と保守性を含めてください。