第13回　拡大伝熱面・熱交換器

拡大伝熱面

発熱部品を，広い平板と考えましょう。
ニュートンの冷却法則

から，大きな伝熱量 Q を得るには，熱伝達率 h または　伝熱面の面積 A を大きくすれば良いことがわかります。 熱伝達率は，伝熱面まわりの流速を速くしたり，相変化を利用することで，大きくすることができます。 一方，伝熱面の面積を大きくするためには，拡大伝熱面（extended surface）を用います。

フィン付き伝熱面

伝熱面を拡大する手法としては，伝熱面にフィン（fin）（日本語；ひれ）を取り付ける手法が一般的です。
伝熱面に根元から太さの変化しないフィンを取り付け，根元から先端まで伝熱面と同じ温度であれば，伝熱量は，

とフィンの側面の面積の分増加します。 実際は，フィンの温度は根元から先端に向かって低下してしまうため，フィンの面積増加分まるまる伝熱量が増加するわけではありません。

フィン効率

フィンからの実際の伝熱量と，フィン全体が根元の温度としたときの伝熱量の比をフィン効率（fin efficiency）η と定義します。

すると，実際の伝熱量はフィン効率を用いて，次のように表されます。

接触熱抵抗

発熱部品の表面に放熱フィンを設置する際，フィンと伝熱面をぴったりと接触させることは難しい。 これは，部品やフィンの表面には微細な凹凸があるためで，微視的には完全に接触せず空気層が間にできてしまいます。 空気は熱伝導率が小さいので，隙間に空気層ができると発熱部品からフィンへの伝熱の抵抗になってしまいます。 このような接触面における伝熱抵抗を接触熱抵抗（thermal contact resistance）と呼びます。

接触熱抵抗を低減するためには，面同士の隙間に熱伝導グリスなどを用い空気より熱伝導率の良い物質を充填して接触熱抵抗を低減します。

熱交換器

私たちの生活には，高温と低温の流体間で熱エネルギーのやり取りをする機器がたくさんあります。 例えば，給湯器では，高温の燃焼ガスで水をお湯にし， クーラーとして運転しているエアコンの室内機では，低温の冷媒が室内の空気を冷やし， エンジンのラジエータでは，エンジンを冷却して高温になった冷却液（クーラント）がラジエータで走行風により冷やされています。 このように，高温と低温の流体間で熱エネルギーのやり取りをする機器を熱交換器（heat exchanger）と呼びます。

多くの熱交換器では，高温と低温の流体を直接混合するのではなく， 別々の流路を流れながら壁越しに熱交換を行っています（隔壁式熱交換器（surcece heat exchangers））。 隔壁式熱交換器での伝熱を，高温の流体と低温の流体が壁を隔てて流れている単純なモデルで考えます。

流量と比熱・入口と出口の温度差から，高温側・低温側それぞれの失う・得る熱量が求まります。 この熱量が，隔壁を介して高温側から低温側へ伝わる熱量です。 第5回　熱抵抗・多層平板・熱通過を参考に， 高温流体側の熱伝達・隔壁の熱伝導・低温側の熱伝達を総合した熱通過率を用いると， 高温側と低温側の温度差・隔壁の面積の関係が求まります。

熱交換器を流れる流体の温度は，流れ方向に変化します。 高温流体と低温流体が並行して流れる並流型と， 逆向きに流れる向流型の場合， それぞれの温度分布は図のようになりますが，両流体間の温度差 Δ T₁，Δ T₂ をそれぞれ図のように定義すると， 対数平均温度差（logarithmic-mean temperature difference）で両流体間の平均温度差が求まり， 熱通過率と対数平均温度差から，熱交換量が求まります。