キンカテック工業株式会社
当社はヒートシンク,液体冷却プレート,精密CNC加工を専門としており,当社の製品は通信業界,航空宇宙,自動車,産業制御,パワーエレクトロニクス,医療機器,セキュリティエレクトロニクス,LED照明,マルチメディア消費など幅広い分野で使用されています。
現代技術の急速な発展に伴い,電子機器は性能向上と電力密度の増大を続けています。その結果,熱管理の課題はますます深刻化しています。高性能サーバー,AIシステム,電気自動車,パワーエレクトロニクス,産業機器などでは,従来の空冷方式では不十分な場合が多くなっています。そのため,液冷ソリューションは現代の熱管理システムにおいて不可欠な技術となっています。
空冷と比較して,液冷プレートシステムは液体の高い熱容量と優れた熱伝導性を利用して,熱源からより効率的に熱を除去します。これにより,機器はより安定して動作し,耐用年数を延ばすことができます。さらに, 液体冷却システム 一般的に動作音が静かなため,騒音に敏感な環境に最適です。
すべての中心に コールドプレート冷却システム 液体冷却プレートは,熱源と冷却液をつなぐ架け橋として機能し,その性能がシステム全体の効率と信頼性を直接左右します。したがって,液体冷却プレートの仕組みを理解することが,高度な液体冷却技術を理解するための第一歩となります。
とは 液体冷却プレート？
液体冷却プレートは,電子機器や電源システムから循環冷却液へ熱を伝達するように設計された熱管理部品です。電子機器,電気自動車用バッテリーシステム,産業用電源モジュール,CPU,高性能コンピューティング機器などの冷却プレートに一般的に使用されています。
基本的な構造は通常,以下で構成されます。
熱伝導性のある金属ベース
内部流体経路
冷却液の入口および出口ポート
冷却液が内部流路を流れる際に,装置からの熱が液体に伝達され,熱源から運び去られる。
一般的な材料には以下が含まれます。
熱伝導率を最大化する銅製コールドプレート設計
軽量かつ低コストな用途向けのアルミニウム製冷却プレート
優れた熱伝達能力を持つため,コールドプレート式液冷は,今日利用可能な最も効果的な冷却方法の一つとなっている。
液体冷却プレートの仕組み
多くのエンジニアやユーザーは,「液冷は本当に効果があるのか？」と疑問に思う。
答えはイエスです。高熱密度用途においては,液冷は従来の空冷よりもはるかに効率的です。
完全なコールドプレート冷却システムは,一般的に以下の要素で構成されます。
ポンプ
貯水池
液体冷却プレート
ラジエーター
冷却ファン
チューブ
作業手順は比較的単純です。
ポンプは冷却液をシステム全体に循環させる。
冷却液は液冷式コールドプレートに入り,熱源から熱を吸収する。
加熱された冷却水はラジエーターへと流れる。
ラジエーターはファンの補助を受けて周囲の空気に熱を放出します。
冷却された液体はシステムに戻り,サイクルを繰り返す。
このプロセスにおいて,冷却液は装置から熱エネルギーを継続的に運び去ります。
なぜ冷却プレートを使うのか？
従来の空冷方式と比較して,コールドプレート冷却方式にはいくつかの大きな利点があります。
熱伝達効率の向上
液体は空気よりもはるかに高い熱容量を持つため,水冷プレートは大量の熱を素早く除去することができる。
コンパクトな熱管理
水冷式コールドプレートは,従来のヒートシンクやファンでは不十分な狭い空間において,高い熱負荷に対応することができる。
低騒音
液冷は高速の気流にあまり依存しないため,システムははるかに静かに動作できる。
温度均一性の向上
液体冷却プレートは,ホットスポットを低減し,敏感な部品全体の動作温度を安定させるのに役立ちます。
これらの利点から,バッテリー液冷プレートシステムが電気自動車やエネルギー貯蔵システムで広く使用されている理由が説明できる。
液冷システムにおける冷却液の選定
純水は安価で熱伝導率も高いものの,システム内部で酸化や腐食を引き起こしやすいという欠点がある。
そのため,ほとんどの液冷プレートシステムでは,以下のような特殊配合の冷却液が使用されています。
防錆添加剤
防錆保護
生物学的阻害剤
視覚効果のための蛍光添加剤が使用されることもある。
適切な冷却剤の選定は,システムの信頼性と熱性能の両方を向上させるのに役立ちます。
液体冷却プレートの設計上の考慮事項
液体冷却板の設計性能は,その内部構造と製造方法に大きく依存する。
適切に設計されたカスタム液体冷却プレートは,以下のバランスを取る必要があります。
熱性能
流体抵抗
構造強度
製造コスト
主な設計要素は以下のとおりです。
1. 熱交換効率
冷却液は加熱面にできるだけ効果的に接触する必要がある。熱伝達を向上させるために,マイクロチャネルやフィンアレイなどの高度なチャネル構造が一般的に用いられる。
2. 流体力学
内部流路は,冷却液の流速と圧力損失のバランスを取る必要がある。過剰な流量抵抗はポンプ負荷を増加させ,流量不足は冷却効率を低下させる。
3. 製造工程
製造方法の違いは,コスト,耐久性,性能に影響を与える。
一般的な生産方法には以下が含まれます。
CNC加工
ろう付け
溶接
ダイカスト
摩擦攪拌溶接 (fsw)
4. 材料の選定
銅製コールドプレートは優れた熱伝導性を備えており,高性能システムで広く使用されています。
アルミニウム製の設計は軽量で経済的だが,熱伝導率が低く,ガルバニック腐食を考慮する必要がある。
一般的な液体冷却プレートの種類
1. fsw液体冷却プレート
摩擦攪拌接合技術は,優れた熱性能と機械的強度を備えた,非常に信頼性の高い密閉構造を実現します。これらは,電気自動車用バッテリーや産業用パワーエレクトロニクスに広く使用されています。
2. チューブ式冷却プレート
の チューブ式冷却プレート これは,最も伝統的な水冷プレート設計の一つです。
この方法では,銅管またはアルミニウム管をS字型またはU字型の経路に曲げ,導電性のベースプレートに取り付ける。
利点:
シンプルな製造方法
低コスト
メンテナンスが簡単
広範囲の冷却に適しています
アプリケーション:
産業用インバーター
電源装置
大規模電力システム
しかし,管径が比較的大きく,流路に多くの曲がりがあるため,熱均一性が低く,局所的な高温箇所が発生する可能性がある。
3. 折り畳みフィン式液冷プレート
折り畳みフィン構造は,波型またはジグザグ型の金属フィンを使用して伝熱面積を増やし,冷却液の流れの中に乱流を発生させる。
利点:
バランスの取れた熱性能
適度な製造コスト
中規模生産に適しています
アプリケーション:
通信機器
産業用制御盤
この設計は,冷却効率と流体抵抗の良好なバランスを実現している。
4. ピンフィン式冷却板
ピンフィン式液体冷却板は,円筒形またはピン状のフィンが密に配置された構造をしている。
これらの構造は,乱流と熱伝達効率を大幅に向上させる。
一般的なヒレの形状には以下のようなものがあります。
長方形
円形
楕円形
利点:
優れた熱交換性能
柔軟な構造設計
コンパクトなスペースに適しています
デメリット：
より高い流動抵抗
ゴミの蓄積によりメンテナンスがより困難になる
5. スキブドフィン水冷板
スキブドフィン技術は,単一の金属ブロックから直接フィンを切り出す技術です。
フィンとベースが一体構造になっているため,部品間の熱抵抗が排除される。
利点:
優れた熱伝導性
強固な構造的完全性
大量生産に効率的
デメリット：
フィン形状の柔軟性が限られている
極めてコンパクトな用途にはあまり適していません
コールドプレート冷却技術の包括的な比較
熱性能
最高の冷却性能は一般的に以下の方法で達成されます。
マイクロチャネル冷却プレート
スキブドフィンコールドプレート
これらの設計は,接触面積と熱伝導率を最大化するものです。
ピンフィン構造と折り畳みフィン構造は,特定の用途において優れた性能を発揮します。
チューブ式冷却プレート これらのシステムは熱効率は低いものの,信頼性と保守性に優れています。
コスト効率
最低価格:
チューブ式冷却プレート
中程度のコスト：
折り畳まれたヒレ
上質な松材
スキブドフィン
最高コスト:
ろう付けされた液体冷却プレート また,製造の複雑さと厳しい公差のため,マイクロチャネルシステムも問題となる。
流体抵抗
チューブ式冷却プレート
長い流路と複数の曲がり角によって生じる,中程度の圧力損失。
マイクロチャネル冷却プレート
狭い流路と密な構造のため,非常に高い流体抵抗が生じる。
折り畳まれたヒレ
適度な圧力低下を伴う,制御された乱流を発生させる。
上質な松材
フィンが密集しているため,乱流が大きく,抵抗も大きくなる。
スキブドフィン
比較的スムーズな冷却液の流れと,低い圧力損失。
適切な液体冷却プレートの選択
コールドプレート式液冷設計には万能な解決策はありません。最適な選択は,用途の要件によって異なります。
カスタム液体冷却プレートを選択する際に最も重要な要素は次のとおりです。
必要な冷却性能
予算
設置可能なスペース
保守能力
信頼性に関する期待
例えば：
バッテリー液冷プレートシステムは均一な温度分布を優先する
CPU冷却プレートの用途では,局所的な高熱流束の除去が優先されます。
産業システムでは,耐久性と保守性が優先されることが多い。
適切な液冷式コールドプレートを選択するには,最終的には熱性能,流体抵抗,コスト,および長期的な信頼性のバランスを取る必要がある。