ラジエター設計における放熱の重要性

ラジエーター設計における熱放射の役割はしばしば見落とされます。ラジエーターによって失われる熱の割合については多くの言及があります。物理学や工学におけるほとんどの現象と同様、放射線の影響を定数で要約することはできません。

ラジエーターの性能に対する熱放射の影響は、いくつかの要因によって決まります。これらの要因を検討する前に、熱放射について簡単に説明する必要があります。

熱放射は、0K (絶対零度) を超える温度のすべての物質から放出される電磁波です。放射線が表面から放出できる最大熱 (W) は、次の式で求められます。

A:放射面の表面積;

σ=5.67*10 ^-8W/m ²K ⁴、ステファン・ボルツマン定数;

T _s :表面温度(K)。

この表面は、理想的な放射体または黒体と考えられます。同じ温度では、理想的でない放射体の表面は黒体よりも少ないエネルギーを放射します。これらの表面の放射特性は放射率と呼ばれます。放射率は 0 ～ 1 の値で、黒体と比較して表面がどの程度熱を放散するかを表します。一般的なラジエーターの表面処理と材料の値を表 1 に示します。

表 1. 一般的なラジエーターの材料と表面処理の放射率

2 つ以上の表面が関与する場合、各表面は放射エネルギーを吸収および放出します。放射線交換の最も単純な形式の 1 つは、はるかに大きなシェル内の単一の表面上で行われます。表面温度はシェルよりも高く、表面積は A、放射率は ε です。この場合、放射線による正味エネルギー交換率は式 1 から導出されます。図 1 を参照してください。

図 1. 小さな加熱面と大きな筐体内部の間の放射熱伝達

ラジエーターは、相互に、またシェルと放射線を吸収および放出する複数の表面で構成されているため、これらの相互作用を表す方程式は方程式 1 ほど単純ではありません。しかし、方程式 1 で表される一般原則は依然として当てはまります。プレートフィンラジエーターの放射計算と対応する方程式の詳細な説明については、[1] を参照してください。

[1] の計算では複数の方程式を使用する必要があり、計算が面倒になる場合があります。プレートフィンラジエーターの放射熱損失を合理的に見積もるために、式 2 を使用して見かけの放射表面積を計算することができます。見かけの放射表面積は、ラジエーターが同じ外形寸法を持つ固体ブロックであると仮定して計算されます。次に、図 2 に示すブロック表面積が式 3 を使用して計算され、式 2 に使用されます。この計算には、ラジエーターの底部とフィンの先端の間の温度変化は考慮されていません。この温度変化は、強制対流、長いフィン、低導電率材料で作られたラジエーター、または上記の組み合わせで非常に顕著になる可能性があります。さらに、見かけの放射表面積を使用しても、ヒートシンクの表面積は正確に計算されません。したがって、非常に正確な結果が必要な場合は、この方法を使用しないでください。

L ：放熱フィンの長さ.

図 2. ラジエーターの寸法

ラジエーターが熱（電力）を周囲環境に放散するには、放射と対流の 2 つの方法があります。対流熱放散の公式は 4 です。

h:熱対流係数;

T _amb :周囲の気温.

空気中の対流係数 h の値は、自然対流の場合は 2 ～ 10 W/m2K、ファン強制対流の場合は 20 ～ 100 W/m2K の範囲です。強制対流の h 値ははるかに高いため、ラジエーターによって失われる熱の割合は、通常、強制対流よりも対流の方がはるかに大きくなります。このステートメントは通常、ラジエーターの温度が 150°C 未満の場合に当てはまります。式 1 と式 2 から、放射熱は 4 乗されるため、放射によって失われる熱量はヒートシンクの温度と密接に関係していることがわかります。

プレートフィン ラジエーターの性能に対する放射線の影響を比較するために、HeatSinkCalculator を使用して 2 つの例を分析しました。 1つ目は強制対流によって冷却されるラジエーターです。図 2 に示すように、熱源はラジエーターの底部全体を覆っています。空気流は、ヒートシンクとヒートシンクの底部に平行にヒートシンクを通過します。すべての空気はラジエーターのフィンを通って流れ、空気のバイパスはありません。表 2 に、さまざまな電力入力の解析結果を示します。ラジエーターの寸法、ラジエーターの材質、ラジエーターを通過する流量を以下に示します。

表 2. 強制対流ヒートシンクの解析結果

予想通り、ラジエーターの温度が上昇すると、放射によって失われる熱の割合も増加します。より高い温度では、放射によって失われる熱は総熱量の 5% を超えます。一部の重大なケースでは、これは、冷却される要素の定格温度に達するか達しないかの違いを意味する場合があります。

2 番目の例は、ラジエーターのベースとフィンを垂直に配置し、自然対流によって冷却するラジエーターです。図 2 に示すように、熱源はラジエーターの底部全体を覆っています。寸法とラジエーターの材質を次の表に示します。表 3 に、さまざまな電力入力および表面放射率条件での解析結果を示します。

表 3. 自然対流ラジエーターの解析結果

自然対流では、放射によって失われる熱の割合がはるかに高くなります。この例では、放射熱放散の割合は 30% に近づくか、30% を超えています。自然対流によって失われる熱もラジエーターの表面温度と密接に関係しています。これは、ソース温度が低下すると放射線散逸率が増加する理由を説明します。表面放射率が 0.09 に低下すると、ヒートシンク温度への影響は 30°C 近くになります。

上記の例は、ラジエーターの冷却プロセスにおける輻射の重要性を強調しています。強制対流ラジエーター冷却に対する輻射の影響はそれほど大きくありませんが、 製品が仕様を確実に満たすために数度の追加温度が必要な場合には、その影響は依然として自然対流によって冷却されるラジエーターに対する放射線の影響が非常に重要であることは明らかです。ラジエーターの表面を陽極酸化または塗装し、表面放射率の値を高めることで、温度を大幅に下げることができます。 顕著です。