コールドプレート製造技術と主な課題

データセンター,電気自動車,エネルギー貯蔵,高性能コンピューティングなど,さまざまな業界で高出力電子機器の進化が続く中,熱管理はシステムの信頼性と効率性において重要な要素となっています。従来の空冷ソリューションは,今日の高熱流束アプリケーションにはますます不十分になりつつあります。そのため,液体冷却ヒートシンクとしても知られる液体冷却プレートは,最新の冷却プレートシステムの主要コンポーネントとなっています。

本稿では,液体冷却プレート技術について,動作原理,代表的な冷却プレートの種類,製造上の課題,高度な接合プロセスなど,包括的な概要を解説します。エンジニアや意思決定者が冷却プレートを用いた液体冷却ソリューションをより深く理解し,それぞれの用途に最適なアプローチを選択できるよう支援することを目的としています。

1. 液体冷却板とは何ですか？

液体冷却プレート（液体冷却プレートまたは水冷式冷却プレートとも呼ばれる）は,内部チャネルを通して冷却液を循環させることにより,高出力部品から熱を除去する熱伝達装置である。

冷却板冷却の基本的な動作原理は以下のとおりです。

1. 熱は,CPU,GPU,電源モジュール,バッテリーなどの電子部品によって発生します。

2. 熱はデバイスからコールドプレートヒートシンクへ直接接触によって伝導される。

3. 冷却液は内部の流路を流れ,熱を吸収して運び去ります。

4. 加熱された液体は放熱のために外部熱交換器に移送される。

空冷と比較して,水冷プレートには次のような利点があります。

• 熱伝達効率の向上

• より均一な温度分布

• コンパクトなシステム統合

• 高熱流束環境において優れた性能を発揮

コンピューティングアプリケーションでは,同じ原理がCPUウォーターブロック,CPU冷却ブロック,およびウォーターブロック搭載GPUの設計に適用されており,コンパクトなウォーターブロックがプロセッサを直接冷却します。

2. 代表的な液体冷却プレートの種類とその課題

用途によって,液体冷却板の構造は異なります。材料の選定,内部流路の設計,製造方法は,性能,コスト,信頼性に直接影響を与えます。

2.1 管内板式液体冷却板

チューブインプレート設計では,金属管をベースプレートに埋め込んで冷却水路を形成する。

利点:

• シンプルな構造

• 製造コストが低い

• 低～中電力用途に適しています

課題：

• チャネル密度の制限により冷却効率が低下する

• 複数の熱界面が熱抵抗を増加させる

• 銅管とアルミニウム板の組み合わせは,ガルバニック腐食を引き起こす可能性があります。

• 高性能コールドプレート冷却システムには適していません

2.2 ガンドリル加工液冷プレート

ガンドリル加工は,金属板の内部に直線状の溝を形成し,その両端を密閉する。

利点:

• 高い機械的強度

• 滑らかな内部チャネル表面

• 中程度の熱負荷に対して信頼性が高い

課題：

• 直線チャンネルは設計の柔軟性を制限する

• 500mmを超える長さのプレートを高精度で製造することは困難である。

• エンドプラグは漏洩の可能性のある箇所です

• 複雑な熱設計にはあまり適していません

2.3ろう付け液体冷却プレート

ろう付け式液体冷却板は,ベースプレートに流路を機械加工し,カバープレートを真空ろう付けによって永久的に接合することによって製造される。

利点:

• 複雑な内部チャネル設計を可能にする

• 優れた熱性能

• 均一な温度分布

• 高級液体冷却プレートシステムで一般的に使用されています

課題：

• 高価な真空ろう付け炉が必要

• 長い生産サイクル（1バッチあたり6～8時間）

• 表面の清浄度とプロセス制御に対する高い感度

• 製造コストが高く,柔軟性に欠ける

2.4 埋め込み式チューブ冷却板

この設計では,曲げ加工されたチューブがベースプレートに圧入,ろう付け,または接着される。

利点:

• 表面実装型チューブよりも柔軟なチャネルルーティングが可能

• アルミニウム,銅,またはステンレス鋼管に対応

課題：

• 複雑な組み立てプロセス

• 品質の一貫性は,職人の技量に大きく左右される。

• ろう付けバージョンは高価で修理が難しい。

3. 液体冷却板の製造工程比較

液冷プレートの性能と信頼性は,その接合およびシール技術に大きく依存する。異なる製造方法には,それぞれ異なるトレードオフが存在する。

3.1 一般的な接合技術

3.2 液体冷却板の摩擦攪拌溶接

摩擦攪拌接合（FSW）は,材料を溶融させるのではなく,機械的な摩擦によって熱を発生させる固相接合プロセスである。

液体冷却プレート製造における主な利点は以下のとおりです。

• 溶融せず,元の熱伝導率を維持

• 緻密で空隙のない溶接部で,漏洩リスクはほぼゼロ。

• 高い機械的強度,基材に近い

• 溶接サイクルが短く,自動化に最適

• 製造コストはろう付けの2～10分の1

FSWは,OEM向け液冷プレート,ODM向け液冷プレート,および大量生産のカスタムコールドプレートにおいて,ますます採用されるようになっている。

4. アプリケーションシナリオ

液体冷却プレートは,以下のような高性能な熱管理を必要とする用途で広く使用されています。

• データセンターおよびサーバー（CPU冷却ブロック,最適なCPU水冷ブロックソリューション）

• AIアクセラレータとウォーターブロックシステム搭載GPU

• 電気自動車用パワーエレクトロニクス

• バッテリーパックとエネルギー貯蔵システム

• 通信機器と5Gインフラ

• 産業用電源装置およびインバーター

5. 液体冷却プレートを選ぶ際の重要な要素

特注の液体冷却プレートを選定する際には,以下の要素を評価する必要があります。

• 熱負荷と熱流束密度

• 冷却液の種類と作動圧力

• 環境条件

• 信頼性と寿命に関する要件

• コスト目標と生産量

• カスタマイズと統合のニーズ

経験豊富な液体冷却プレートメーカーと協力することで,性能,信頼性,コストの最適なバランスが確保されます。

液体冷却プレートは,現代の冷却プレート式液体冷却システムにおいて重要な構成要素です。チューブインプレートやガンドリル加工といった従来の手法は特定の用途において依然として有効ですが,真空ろう付けや摩擦攪拌接合といった先進的なプロセスが業界を牽引しています。

これらのうち,摩擦攪拌接合された液冷プレートは,以下の点において最適なバランスを提供します。

• 熱性能

• 機械的強度

• 漏れのない信頼性

• コスト効率

高性能冷却に対する需要が高まり続けるにつれ,カスタムコールドプレート,OEM液体コールドプレート,およびODM液体冷却プレートは,次世代の熱管理ソリューションにおいてますます重要な役割を果たすようになるでしょう。