選擇循環式冷卻水機與散熱能力影響因素

想妥善選擇循環式冷卻水機，將取決於下列四項因素：

1. 待冷卻裝置所產生的熱負載（Q）
2. 流體離開熱源時可接受的最高溫度（Tout）
3. 可用的流體流量
4. 環境運作條件

範例 1

冷水機需要以 20 °C、2 gpm 的流量，向一支產生 2,000 W 熱量的 X 光管供應冷卻液。電源頻率為 60 Hz。將此點標示在冷水機圖表上，可以看出 RC022 是合適的選擇。查看幫浦曲線後，可以看出 BE 幫浦能提供所需流量。

如果已知熱負載（Q），但不知道流量，則可使用以下方程式計算所需流量。

範例 2

雷射頭會產生 2,000 W（6,824 BTU/Hr）的熱量。流體溫度不得超過 20 °C（68 °F）。若冷卻液為水、電源頻率為 60 Hz、環境溫度為 20 °C，應選擇哪一款循環式冷卻水機？

使用熱效能圖（圖 1），在所需熱負載（2,000 W）處畫一條水平線。如圖所示，RC022 在 13 °C（55 °F）時可符合此需求。此溫度即為 TIN（流體離開循環式冷卻水機時的溫度）。因此，計算方式如下：

接著，確認循環式冷卻水機能否達到所需流量。如系統幫浦圖（圖 2）所示，1.3 gpm 的正排量幫浦（RC022 的標準配備）足以滿足流量需求。

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循環式冷卻水機是一種冷凍式液冷系統，廣泛應用於醫療、軍事、雷射與分析儀器等多種產業。冷水機可讓雷射頭、偵測器面板或其他溫度敏感裝置維持恆定溫度，也可用來移除廢熱，避免關鍵組件過熱。

當 選擇循環式冷卻水機時，應考量多項可能影響散熱能力的因素。這些因素包括環境空氣溫度或設施供水溫度、冷水機設定溫度、製程流體、冷水機維護等。冷水機製造商通常會以供水溫度 20 °C、環溫 20 °C 為基準，提供散熱能力額定值。然而，如果環溫高於或低於 20 °C，會有什麼影響？ 如果供應至製程的冷卻液溫度不是 20 °C，而是 5 °C，又會如何？ 如果使用水以外的冷卻液呢？ 這些變化會如何影響冷水機的散熱能力？

冷水機是一套複雜的系統，但其基本組件包括壓縮機、冷凝器、恆溫膨脹閥（TXV）與蒸發器。從壓縮機開始，來自蒸發器的冷媒會由飽和氣體壓縮成高壓、高溫氣體。此時的高溫氣體會通過冷凝器，將熱量排放至溫度較低的環境空氣（氣冷式冷凝器）或設施供水（水冷式冷凝器），使冷媒冷卻並凝結成飽和液體。接著，冷媒通過 TXV，其壓力與溫度都會大幅下降。此時冷媒溫度已低於製程流體，因此熱量會從製程流體傳遞至冷媒，使冷媒蒸發成低壓氣體。氣體流回壓縮機後，循環再次開始。

冷凝器與蒸發器都是熱交換器，用來將熱量從一種介質傳遞至另一種介質。氣冷式冷凝器通常使用具有鋁鰭片的銅管水對氣熱交換器，將高溫冷媒氣體的熱量排放至環境空氣。另一方面，水冷式冷凝器則使用水對水熱交換器，將高溫冷媒氣體的熱量傳遞至設施供水。蒸發器通常也使用水對水熱交換器，將熱量從製程流體傳遞至冷媒。熱交換器的效能取決於許多因素，包括使用的製程流體、入口流體溫度、流量、結構材料與熱交換器設計。在其他條件都相同的情況下，驅動熱量從一種流體傳遞至另一種流體的主要因素，就是兩種入口流體之間的溫差。

環境空氣溫度或設施供水溫度對冷水機的散熱能力具有重要影響。為了讓冷凝器能將總熱量（製程熱負載加上壓縮產生的熱量）排放至環境空氣或設施供水，高溫冷媒氣體與環境空氣或設施供水之間必須有足夠的溫差。例如，伊頓冷水機的典型冷凝溫度介於 32.2 °C（90 °F）至 43.3 °C（110 °F），並將熱量排放至 20 °C（68 °F）的環境空氣或 24 °C（75 °F）的設施供水（圖 2）。水的熱傳能力遠優於空氣，因此兩種入口流體之間不需要如此大的溫差，水冷式冷凝器便能將相同熱量排放至溫度更高的設施供水。

隨著環境空氣或設施供水溫度升高，冷水機冷凝器將製程熱量從冷媒傳遞至環境空氣或設施供水的能力會下降，導致冷凝壓力升高，進而可能降低系統效能。因此，如果循環式冷卻水機會暴露在高於 20 °C 的環溫中，應進行尺寸計算，以確定所需的散熱能力。同樣地，如果環溫降低，由於初始溫差增大，效能也會提升。

選擇冷水機尺寸時，務必掌握最高環溫或最高設施供水溫度，才能選擇具備足夠散熱能力、符合應用需求的冷水機。如需冷水機尺寸選擇方面的協助，請洽詢應用工程師。

製程流體的影響

循環式冷卻水機所使用的製程流體也會影響效能。冷水機的散熱能力通常以水作為製程流體來計算，因此若使用水以外的製程流體，散熱能力可能會降低。例如，部分循環式冷卻水機設計為可使用聚 α 烯烴（PAO）作為製程流體。PAO 因具有介電特性及/或較寬廣的工作溫度範圍，因此通常用於軍事應用。不過，在其他條件相同的情況下，由於 PAO 的比熱、密度與熱傳導率均低於水，因此使用 PAO 的冷水機，其散熱能力會低於使用水的冷水機。

冷水機操作與維護的影響

另一項影響冷水機效能的因素，是冷凝器與蒸發器的維護。氣冷式冷凝器積塵，或水冷式冷凝器與蒸發器的管路或流道產生污垢，都會導致冷水機效能下降。灰塵或碎屑累積在氣冷式冷凝器的鰭片與風扇葉片上時，會限制氣流，造成冷水機散熱能力下降。如果冷水機會在多塵或髒污的環境中運作，應安排定期維護或清潔，及/或選用散熱能力較大的冷水機。水質不佳所造成的水垢、腐蝕及/或生物滋生，也可能使水冷式冷凝器產生污垢。污垢會在管路內壁形成隔熱層，阻礙冷媒與水之間的熱傳遞，導致冷水機效率下降。使用乾淨且添加腐蝕抑制劑的水，可將產生污垢的風險降至最低。

其他因素

在少數情況下，如果氣冷型循環式冷卻水機安裝於高海拔地區，較低的空氣密度會影響散熱能力。由於質量流量等於體積流量乘以密度，因此當密度下降時，冷凝器風扇必須提供更高的體積流量，才能達到與海平面相同的散熱能力。其中一種做法是選用冷卻能力較大的循環式冷卻水機，以確保符合散熱能力需求。

當供應至製程的冷卻液溫度低於環境露點時，濕度也是影響冷水機效能的另一項因素。在這種情況下，如果冷水機管路、蒸發器與幫浦沒有隔熱，這些表面可能會產生冷凝水，造成散熱能力損失。未經處理的金屬表面也可能因腐蝕而受損。因此，強烈建議採取隔熱措施。