研究背景

研究背景

 電子機器の小型化、軽量化、高密度化により制御盤は小型化し内部発熱温度は上昇している。
 電子機器は高温下では化学反応が急速に促進されるため、故障率を上昇させ、電子部品の寿命を縮めてしまう。

制御盤用ファン

制御盤用の空気熱交換器

アレニウスの法則による電解コンデンサの推定寿命

𝑇 : 最高使用温度 [°C]𝑇 : 使用温度 [°C]
𝐿 : 使用温度での推定寿命 [h]𝐿 : 最高使用温度での寿命 [h] 使用温度が10℃上がった場合寿命は半分になり、10℃下がった場合寿命は2倍になる。

研究背景・目的 制御盤用の空気熱交換器を用いる際、制御盤に対して適切な能力を持っているかが重要である。

 安価である。
 周囲の埃や湿気を吸い込み、故障の原因となってしまうことがある。

 埃や湿気を吸い込まないで、制御盤を密閉させたまま内部で発生した熱を外部へ放出することができる。

実験装置
 本実験は盤用熱関連機器工業会の盤用熱交換器の能力評価試験方法により行った。
Experimental box

Experimental box

外板： 鋼板製,厚さ：1.6mm

制御盤に対して、冷却能力が高い熱交換器を使用した場合
Suctionport 不要な電力が消費されるため、コストが高くなってしまう。

断熱材： ポリスチレンフォーム,
厚さ：40mmHeater unit

Heatexchanger 制御盤内の機器を十分に冷却できないため、故障の原因となる。

研究目的

制御盤用の空気熱交換器の性能評価を行い、熱交換器の能力を調査

Heatexchanger

1700

制御盤に対して、冷却能力が低い熱交換器を使用した場合

FanHeat shield
plate
Heaterunit
700

Heat shield plate

700

Heaterunit

コイルヒーター： AC 200 V , 700 W × 5

Heat shield plate
平板パンチングメタル:
500 mm × 500 mm , 厚さ：1 mm ,穴径：3 mm , ピッチ：5 mm

Voltageregulator

Source ofelectricity

熱交換器1

熱交換器2

Fin : アルミニウム ,498 mm× 384 mm×125 mm ,5.4 mm×37: K型シース熱電対(クラス1) ,: K型シース熱電対(クラス1) ,誤差 : ± 1.5 K

誤差 : ± 1.5 K

Fan (1個あたり) :172 mm×150 mm×50.8mm ,風量: 8.56 𝑚 /𝑚𝑖𝑛

実験方法

Fin : アルミニウム ,498 mm× 190 mm×70 mm ,5.0 mm×19

Fan :175 mm×150 mm×38mm ,風量: 4.8 𝑚 /𝑚𝑖𝑛

実験装置(放熱試験)

熱交換器の稼動あり
熱交換器の稼動なし

1. 熱交換器を稼動せず、ヒータユニットの発熱量を変化させ盤内の温度が定常状態となるまで実験を行う。
2. 実験用箱から外への放熱量P0を求める。
3. 熱交換器を稼動させ、ヒータユニットの発熱量を変化させ盤内の温度が定常状態となるまで実験を行う。
4. ヒーターの発熱量をPとし，発熱量Pから放熱量P0を引いた値を熱交換器の冷却能力とする。

: K型シース熱電対 (クラス1) ,誤差: ± 1.5 K

計算方法

実験結果（放熱試験）

Experimental box

𝑇𝑇

𝑇
2

∆𝑇

𝑇

𝑇

𝑄

𝑃𝑃 /∆𝑇P0h2 =3.78ΔT

P0h1 =3.88ΔT

Thm: 盤内側空気の平均温度 [K]Thi : 盤内側吸気口の平均空気温度 [K]Tho : 盤内側排気口の平均空気温度 [K]ΔT : 盤内側空気の平均温度と外気温度との温度差 [K]To : 外気温度 [K]Q : 定格能力 [W/K] (ΔT =20)、P: ヒータユニットの発熱量 [W]P0 : 熱交換器を稼動させない時の実験用箱からの放熱量 [W] 実験結果から線形近似を求めた結果、P0h1 =3.88ΔT 、P0h2 =3.78ΔT となった。
 熱交換器1の方が放熱量が増加しているが、取り除いた断熱材が影響していると考えられる。

実験結果（熱交換器）

実験結果（熱交換器）

Cooling capacity h2 =14.9ΔT

Cooling capacity per unit
flow rate [W/m3]

Heat exchanger 1
Cooling capacity h1 =56.0ΔT

1.6
1.2y = 0.0545ΔT

0.8y = 0.0517ΔT

0.400 熱交換器1、2の定格能力はQh1 =56.0 W/K 、Qh2 =14.9 W/Kとなった。
 制御盤用の熱交換器は盤内の温度上昇が約10～20Kの制御盤で使用されると能力評価試
験方法に記述されている。
 熱交換器1では約560～1120W発熱する制御盤に、熱交換器2では約149～298W発熱する制御盤に使用することが適切である。

Heat exchanger 22102030
Temperature difference [K]

40
熱交換器

冷却能力
[W]

単位流量あたりの冷却能力[W/m3]

156.0ΔT

0.0545ΔT

214.9ΔT
3.8倍

0.0517ΔT1.1倍

 熱交換器の冷却能力に、流量が大きく影響していると考えられる。

熱交換器の比較研究背景
 鶏舎の環境状態を効果的にコントロールすることは、生産コストを下げる。

冷却能力
[W/K]

価格
[USD]
(JPY)

ファンの数

900×438×129

56.0

478(54,000)

48.56

2

525×236×125

14.9

135(15,300)

24.8

PHE-60C2

950×400×90

49.0

850(96,000)

45.7

PHE-15C2A

750×200×50

13.0221(25,000)

22.7

寸法
[mm]1

熱交換器

ファンの能力[m3/min](PHE-60C-2, PHE-15C-2A: 日東工業株式会社 HP)

 熱交換器1と2は他の熱交換器よりも、高い冷却能力を有している。
 熱交換器の価格が安い。

冷気を熱交換器入気

冷気を直接入気

熱交換器を設置し、冬季の冷気を直接入気しない
効果：①暖房費の削減、②ヒートショック防止、③空気質改善

研究背景・目的
鶏舎用の大型熱交換器

 鶏舎は舎内全体の環境を均等にするため、隙間風が入らないように密閉にする必要がある。
 密閉させた状態のままであると、粉塵や敷量から発生したアンモニアにより、健康問題を起こしてしまう。
 換気をすることで、舎内の空気を排出し、外の新鮮な空気を取り入れることが求められる。

熱交換器
小型熱交換器Heat
exchanger

Fan

Discharge port

屋外
Outdoor side パイプ内を上昇し、鶏舎内に空気を送る。

Fan

Heatexchanger
Poultry house 取り入れた空気を循環させるためのファンが必要となる。

研究目的

屋内

Indoor sideAround the pipe

Poultry house 分散して設置するため、均一に熱交換ができ鶏舎内温度、空気質を均一化できる。
 鶏舎に合わせて台数選定できる。
 基礎工事が不要となり、工事代が安価。

鶏舎に利用する空気熱交換器に対して3次元数値解析を行い、除熱性能の見通しを調査

Pipe
Discharge port

屋内Fan

屋外

 パイプ周りを下降し、鶏舎外に空気を捨てる。

解析モデル

解析モデル

Side view

PHOENICS：汎用三次元熱流体解析コード

Top view：パイプ,14mm×14mm×1200mm
縦9×横21＝合計189本

解析条件・評価方法

 解析領域
X:500mm、Y:200mm、Z:1500mm
 解析格子
X:90、Y:43、Z:202
 境界条件
流路外壁面は自然対流熱伝達と仮定し、室温の空気への放熱条件とした。
 流入条件
空気流路入口に、流入条件を設定し、空気体積流量及び空気温度を設定する。
 乱流モデル
KECHENモデル
 浮力モデルDENSITY DIFFERENCE
 基準温度30[℃] 基準圧力101300[Pa]

解析結果
Amount of removed heat from outdoor to indoor

解析条件

Amount of removed heat from indoor to outdoor
20.0

体積流量 [m3/h]

鶏舎外側の吸込み口

01000

1500

2000

鶏舎内側の吸込み口

301000

1500

2000

評価方法

Aroundthe pipe

Pipe

 解析結果を評価するのにあたり、除熱量を算出した。

Amount of removed heat[kW]

温度 [℃]

15.0

屋内→屋外
10.05.0

屋外→屋内

0.0
500

𝑸𝒄𝒑

𝝆

𝑽 𝑻𝒐𝒖𝒕𝑻𝒊𝒏𝑐
𝜌𝑉𝑇𝑇: 空気比熱 [J/(kg ・K)]
: 空気密度 [kg/m3]: 空気体積流量 [m3/s]: 熱交換器吐出し口温度 [K]: 熱交換器吸込み口温度 [K]

1000

1500

2000

2500

Volume flow rate[m3/h]

 全ての条件で、屋内から屋外に向かう流路内での放熱量は屋外から屋内に向かう流路内での除熱量に比べて増加した。
 熱交換器外周部が外気にさらされており、熱交換器から外気への放熱が原因だと考えられる。

解析結果

解析結果
Amount of removed heat from outdoor to indoor
Pressure of outdoor side suction port

250

Amount of removed heat[kW]20010.0150100
5.0500.0500

1000

1500

2000

Pressure of outdoor side suction port [Pa]15.0

体積流量[m3/h]

屋外から屋内に向かう鶏舎の床面積
流路内での除熱量[m2]
[kW]

1000

6.3

1500

9.42000

12.6必要な除熱量
[kW]

必要台数

28台
約1322

約180

19台
14台

02500

Volume flow rate[m3/h]

 体積流量が2000m3/hのとき屋外から屋内に向かう流路内での除熱量が最大となった。
 屋外側吸込み口の圧力が200Paを越えており、検討しているファンの仕様から考えて適切ではない。
 この条件では、体積流量が1500m3/hの使用が適切だと考えられる。

 鶏舎に利用する熱交換器の導入台数の目標を15～20台としている。
 体積流量が1500m3/hの場合、熱交換器を19台使用することで目標とする除熱量を得ることができる。