アクティブ冷却

アクティブ冷却は、内部からの適切な熱伝達と循環を確保するために、電子機器や屋内の建物に一般的に実装される熱低減メカニズムです。

アクティブ冷却は、その対極にあるパッシブ冷却とは異なり、動作するために完全にエネルギー消費に依存しています。アクティブ冷却では、熱を放散するためにエネルギーを消費するさまざまな機械システムを使用します。アクティブ冷却は、パッシブな手段では温度を維持できないシステムによく実装されます。アクティブ冷却システムは通常、電気または熱エネルギーを使用して電力を供給されますが、太陽エネルギーや水力エネルギーで電力を供給できるシステムもあります。必要なタスクを実行するには、適切に保守され、持続可能である必要があります。そうしないと、オブジェクトに損傷が発生する可能性があります。商用アクティブ冷却システムのさまざまな用途には、室内エアコン、コンピューターファン、ヒートポンプなどがあります。^{[1] [2] [3]}

多くの建物では高い冷房需要が求められ、世界の 50大都市圏のうち 27 が熱帯気候または高温気候の地域にあります。そのため、エンジニアは建物全体で適切な換気を確保するために熱バランスを確立する必要があります。

熱バランス方程式は次のように与えられます。

${\displaystyle p\cdot c_{p}\cdot V\cdot dT/dt=E_{int}+E_{Conv}+E_{Vent}+E_{AC}}$

ここで、は空気の密度、は定圧における空気の比熱容量、は熱伝達率、は内部熱取得、はエンベロープを介した熱伝達、は室内空気と室外空気間の熱取得/損失、は機械的熱伝達である。^[2]${\displaystyle p}$${\displaystyle c_{p}}$${\displaystyle dT/dt}$${\displaystyle E_{int}}$${\displaystyle E_{Conv}}$${\displaystyle E_{通気口}}$${\displaystyle E_{AC}}$

これを使用して、インフラストラクチャ内でどれだけの冷却が必要かを判断できます。

住宅部門で一般的に使用されているアクティブ冷却システムは 3 つあります。

ファンは、電気モーターによって一定速度で回転する 3 枚から 4 枚のブレードです。回転中に空気の流れが発生し、強制対流熱伝達プロセスによって周囲が冷却されます。比較的低価格であるため、住宅部門では 3 つのアクティブ冷却システムの中で最も頻繁に使用されています。

ヒートポンプは電気を利用して冷たい場所から暖かい場所へ熱を抽出し、冷たい場所の温度を下げ、暖かい場所の温度を上げます。^{[4] [5]}

ヒートポンプには2つのタイプがあります。^[6]

2 つのタイプのうち、より一般的な圧縮ヒートポンプは、冷媒サイクルを使用して動作します。空気中の蒸気冷媒は、温度が上昇するにつれて圧縮され、過熱蒸気を生成します。次に、蒸気は凝縮器を通過して液体に変わり、その過程でさらに熱を放出します。液体冷媒は、膨張弁を通過すると、液体と蒸気の混合物になります。蒸発器を通過すると、蒸気冷媒が形成されて空気中に放出され、冷媒サイクルが繰り返されます。

吸収式ヒートポンプのプロセスは圧縮式ヒートポンプと似ていますが、主な違いはコンプレッサーの代わりに吸収器を使用することです。吸収器は蒸気冷媒を吸収して液体を作り、それが液体ポンプに送られて過熱蒸気になります。吸収式ヒートポンプは電気のみを使用する圧縮式ヒートポンプとは異なり、電気と熱の両方を利用して機能します。^[2]

蒸発冷却器は外気を吸収し、それを水で飽和させたパッドに通して、水の蒸発によって空気の温度を下げます。^[7]

それは次のように分けられます:

この方法では、水分が蒸発し、それが直接空気の流れに流れ込むため、少量の湿気が発生します。周囲の温度を適切に下げるには、通常、かなりの量の水を消費する必要があります。

この方法では、水を蒸発させて第2の空気流にし、それを熱交換器に通すことで、湿度を加えずにメインの空気流の温度を下げます。直接蒸発冷却器と比較すると、動作と温度低下に必要な水の消費量が大幅に少なくなります。^[2]

アクティブ冷却の通常の商業的使用に加えて、研究者はさまざまな技術へのアクティブ冷却の実装を改善する方法も模索しています。

熱電発電機(TEG) は、アクティブ冷却の維持における実行可能性をテストするために最近実験された電源です。これは、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。この電源は、高電力を必要とする技術でよく使用されます。例としては、宇宙探査機、航空機、自動車などがあります。

2019 年の研究では、TEG アクティブ冷却の実現可能性がテストされました。^{[要出典]テストは、TEG で駆動するファンを搭載した小型シングルボードコンピューターである}Raspberry PI3に適用され、市販のパッシブクーラーで駆動する別のコンピューターと比較されました。 研究を通じて、両方の Raspberry PI の電圧、電力、温度が観察され、記録されました。 データによると、ベンチマークテスト全体を通して、TEG 駆動の Raspberry PI3 は、パッシブ冷却の Raspberry PI3 よりも数℃低い温度で安定していました。 TEG によって生成される電力も分析され、ファンが自立機能を持つ可能性を測定しました。 現在、ファンに電力を供給するために TEG のみを使用するのは、ファンの初期起動に十分なエネルギーがないため、完全に自立するには不十分です。 しかし、エネルギー蓄積器を実装すれば可能になります。^[要出典]

TEG の発電量は次のように表されます。

${\displaystyle P_{TEG}\rightarrow {ファン風量 \over ファン電力}\rightarrow \sum R_{熱}\rightarrow \bigtriangleup T_{TEG}\rightarrow P_{TEG}}$

ここで、は TEG によって生成される電力、は熱抵抗、はTEG からの温度です。 ${\displaystyle P_{TEG}}$${\displaystyle R_{熱}}$${\displaystyle T_{TEG}}$

この結果から、熱電発電機の能動冷却は、パッシブクーラーの商用利用に匹敵する温度を効果的に下げ、維持できることが示された。^{[8] [9] [10]}

NIAC（近浸能動冷却）は、ワイヤ＋アーク積層造形（WAAM、金属3Dプリント技術）によって発生する熱蓄積量を減らすために最近研究されている熱管理技術です。NIACは、作業タンク内のWAAMを取り囲む冷却液を使用し、金属が堆積されるときに水位を上げます。液体と直接接触することで、WAAMから熱を素早く取り除くことができ、温度を大幅に下げることができます。^[11]

2020年の実験では、研究者はNIACの使用可能性を発見し、その冷却能力をテストしたいと考えました。実験では、WAAMによって生成される温度を緩和する効果を、自然冷却、受動冷却、および浸漬に近い能動冷却で比較しました。自然冷却では空気を使用し、受動冷却では一定レベルに留まる冷却液を使用し、NIACではWAAMの動作に基づいて上昇する冷却液を使用しました。^[11]

NIACの使用可能性を測定するために、以下のテストが使用されました。^[11]

• 熱分析: 熱分析では、NIAC と他の冷却タイプの間には大きな熱の差があり、NIAC の技術の方がはるかに速い速度で冷却されていました。
• 幾何学的品質: 壁の幾何学的品質に関しては、NIAC は最もスリムで最も高い壁を備えており、アクティブ冷却を使用する場合の WAAM の強力な耐久性を示しています。
• 多孔性評価：多孔性評価では、アクティブ冷却の多孔性レベルが最も低いことが示されました。多孔性レベルが高いと、延性が低下するなど、機械的特性に悪影響を及ぼします。^[12]
• 機械的特性: NIAC は、自然冷却や受動冷却とは対照的に、機械的特性、特に延性を均一化する傾向があります。

彼らはNIACは実行可能であり、パッシブ冷却や自然冷却などの従来の冷却方法に匹敵すると結論付けました。^[11]

通常、アクティブ冷却はさまざまな状況でパッシブ冷却と比較され、どちらがより優れた効率的な冷却方法であるかが判断されます。どちらも多くの状況で実行可能ですが、いくつかの要因に応じて、一方が他方よりも有利になる場合があります。

アクティブ冷却システムは通常、パッシブ冷却システムよりも温度を下げる点で優れています。パッシブ冷却は動作に多くのエネルギーを使用しませんが、代わりに自然冷却を利用します。自然冷却は、長い期間にわたって冷却するのに時間がかかります。ほとんどの人は、短時間で温度を下げる効果があるため、暑い気候や熱帯気候ではパッシブ冷却よりもアクティブ冷却システムの使用を好みます。技術面では、適切な熱条件を維持し、コア動作システムの損傷や過熱のリスクを防ぐのに役立ちます。技術からの熱発生をより適切にバランスさせ、一貫した方法で維持することができます。一部のアクティブ冷却システムには、パッシブ冷却が動作に自然な手段に大きく依存しているのに対し、熱電発電機のアプリケーションで示されているように、自立できる可能性もあります。^{[9] [11]}

パッシブ冷却と比較したアクティブ冷却の問題は、主に金銭的コストとエネルギー消費です。アクティブ冷却はエネルギー消費量が多いため、エネルギー効率もコスト効率も非常に低くなります。住宅環境では、アクティブ冷却は通常、建物全体に十分な冷却を提供するために大量のエネルギーを消費し、金銭的コストが増加します。建物のエンジニアは、エネルギー消費の増加が地球の気候に悪影響を与える要因にもなることを考慮する必要があります。^[2]アクティブ冷却と比較して、パッシブ冷却は平均気温または低温の場所で使用されることが多くなっています。

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