コールドプレートはどのように機能しますか？高性能の液体冷却に深く潜ります

電力電子機器の世界では、電気自動車のIGBTモジュールからCPUの広大なデータセンターまで、熱の管理はもはや二次的な懸念ではありません。これは主要な設計上の課題です。電力密度が増加するにつれて、従来の空冷溶液はしばしば物理的な限界に達します。これは場所です。 、液体冷却, 、特にコールドプレートが優れた熱管理技術として出現する包括的な熱ソリューションの設計と製造のリーダーとして、Winshare Thermalはこの重要なコンポーネントを分類するためにここにあります。

この記事では、コールドプレートの背後にある基本原則、その構造、その設計の重要な要因、そしてそれが最も要求の厳しい熱アプリケーションの頼りになるソリューションになった理由について説明します。

液体のコールドプレートを正確に構成するものは何ですか？

そのコアでは、液体コールドプレートは熱交換器であり、熱エネルギーを熱発生装置からその内部の流体に直接伝達します。液体冷却ループの重要な最初の接触点と考えてください。空冷ヒートシンクは熱を周囲の空気に放散しますが、冷板はその熱を獲得し、水グリコール混合物などのクーラントに効率的に移動します。

次に、この熱を含む液体は、敏感な電子機器から遠隔熱交換器（ラジエーターのような）に汲み上げられ、再循環する前に冷却することができます。このプロセスにより、よりコンパクトで制御された方法ではるかに高い熱負荷を管理することができます。コールドプレート自体は、アルミニウムや銅などの熱伝導材料の細心の注意を払って設計されたブロックで、クーラントと接触する表面積を最大化するように設計された内部チャネルまたはチューブがあります。

コールドプレートはどのようにして熱エネルギーを伝達しますか？

コールドプレートの操作は、熱力学の2つのコア原理、つまり伝導と対流の見事なアプリケーションです。このプロセスは、効率を最大限に活用するために設計されたシームレスで連続サイクルです。

• ステップ1：伝導。 熱の旅は、プロセッサ、IGBT、レーザーダイオード、またはその他の電力コンポーネントなど、ソースから始まります。この熱は、最初にデバイスからコールドプレートの本体に伝導する必要があります。これは、コンポーネントをコールドプレートの表面に直接取り付けることによって達成されます。この接続の品質が最重要であるため、 高性能 2つの表面にティムは顕微鏡的な空気の隙間を埋め、熱抵抗を最小限に抑え、効率的な導電性経路を確保します。 熱界面材料（TIM）が適用されます。

• ステップ2：対流。 熱がコールドプレートの導電性ベースを飽和させると、第2段階が始まります。ポンプは、プレートの複雑な内部チャネルを介して液体クーラントを循環させます。流体がこれらのチャネルを流れると、対流を介して周囲の材料からの熱を吸収します。これらの内部箇所の設計は、単純なチューブであろうと複雑でマイクロチャネルフィンであろうと、乱流を生み出し、熱伝達の表面積を最大化するように設計されており、液体に熱を「洗浄」します。

• ステップ3：輸送。 現在ウォームのクーラントはコールドプレートを出て、チューブを介してラジエーターまたは別の熱交換器に輸送され、そこで周囲の環境に熱負荷を放出し、サイクルを新たに開始する準備ができています。

あなたのニーズに合ったコールドプレート構造はどれですか？

すべてのコールドプレートが平等に作成されるわけではありません。製造方法と内部構造は、特定のアプリケーションのパフォーマンス要件、コスト目標、および機械的制約に基づいて選択されます。 Winshare Thermalでは、広範な製造機能を活用して、すべての課題に最適なソリューションを提供します。

	建設タイプ	説明	利点
チューブ埋め込み	銅またはステンレス鋼のチューブは、アルミニウムまたは銅のベースプレート内のチャネルに押し込まれます。チャネルには導電性エポキシが満たされます。	費用対効果が高く、信頼性が高く、カスタムレイアウトやより大きな表面積に適しています。	産業電源、医療機器、中程度の熱流束を備えた用途。
深くドリル	金属の固体ブロック（通常はアルミニウム）には、複雑な交差するチャネルが直接掘削され、液体流パスが作成されます。	漏れ防止モノリシックデザインは、高い圧力を処理できます。	頑丈な電子機器、軍事および航空宇宙アプリケーション、高信頼性システム。
機械加工チャネル（ろう付けまたはFSW）	ベースプレートは、複雑なチャネルと内部フィンで機械加工されています。次に、ろう付けまたは摩擦攪拌溶接（FSW）を使用して、蓋を上に密閉します。	最も高い熱性能により、複雑なマイクロチャネルとフィン構造が表面積を最大化できるようにします。	高性能コンピューティング（HPC）、データセンターCPU、EVパワーインバーター、高電力レーザー。
ダイキャスト	コールドプレートとその内部チャネルは、高圧ダイキャストプロセスを使用して形成されます。	大量生産、低ユニットコスト、複雑な外部形状に最適です。	自動車電子機器、大量生産された消費者デバイス。

効果的なコールドプレートを設計する際の重要な要因は何ですか？

本当に効果的なコールドプレートを作成することは、熱性能と機械的および油圧的な考慮事項のバランスをとる科学です。当社のエンジニアリングチームは、CFD（Computational Fluid Dynamics）シミュレーションなどの高度なツールを利用して、設計のあらゆる側面を最適化しています。

• 材料の選択： 銅とアルミニウムの選択が主な考慮事項です。銅は優れた熱伝導率（≈400w/m・k）を最大の性能のために提供しますが、アルミニウムは、はるかに低い重量とコストで優れた導電率（≈235w/m・k）を提供します。選択は、多くの場合、熱流束とシステム全体の体重要件に依存します。

• 内部フィンのジオメトリ： コールドプレート内のデザインは、パフォーマンスが獲得または失われる場所です。内部フィンまたはマイクロチャネルを組み込むことにより、対流熱伝達に利用できる表面積を劇的に増加させます。これらのフィンの密度、高さ、および形状は、過度の圧力降下を作成することなく熱性能を最大化するために慎重にシミュレートされます。

• フローパスの設計： 内部チャネルのレイアウトは、クーラントが熱源をどのように流れるかを決定します。適切に設計されたパスは、クーラント速度が維持され、流れが停滞している場合、 'ホットスポット'がないことを保証します。圧力降下が高いと、より強力な、そしてより電力消費するパンプが必要であるため、設計は熱均一性と圧力降下のバランスをとる必要があります。

• 熱界面材料（TIM）： 前述のように、TIMは重要でありながら見過ごされがちなコンポーネントです。最も平坦な表面でさえ微視的な欠陥があります。サーマルグリースであろうとギャップパッドであろうと、高品質のティムは、このギャップを埋め、コンポーネントからコールドプレートまでの壊れないサーマルパスを確保するために不可欠です。

いつ空冷よりもコールドプレートを選ぶべきですか？

多くのアプリケーションでは空気冷却は効果的ですが、コールドプレートを使用した液体冷却への移行が必要で有利な場合、明確な指標があります。

• 高熱流束： 空冷ヒートシンクが効果的に消散するには、面積（w/cm²）あたりの熱が高すぎる場合。

• スペースの制約： コンパクトなコールドプレートは、大規模で非実用的な空冷ヒートシンクとファンアセンブリを必要とする熱負荷を管理できます。

• リモート熱散逸： 密閉されたエンクロージャーや密集したサーバーラックなど、熱を電子機器から遠ざけて他の場所で排出する必要がある場合。

• 音響ノイズリダクション： 動きが遅いラジエーターファンを備えた液体冷却システムは、同等の空冷パフォーマンスに必要な高速ファンよりもかなり静かです。

• 温度の均一性： コールドプレートは、大きな表面または複数のコンポーネントでより安定した均一な温度を提供できます。これは、パフォーマンスと寿命に重要です。

最適な熱性能をどのように確保できますか？

コールドプレートがどのように機能するかを理解することが最初のステップです。次は、アプリケーションの独自の要求に完全に合わせたソリューションを実装することです。効果的な熱管理システムの設計は、流体のダイナミクス、材料科学、および高度な製造を含む多面的な課題です。

Winshare Thermal では 、単なるコンポーネントサプライヤー以上のものです。私たちはあなたのワンストップサーマルソリューションパートナーです。初期のCFDシミュレーションと迅速なプロトタイピングから、コールドプレート、ヒートシンク、ヒートパイプの大量の製造まで、最も複雑な熱課題を解決するための専門知識と統合機能を提供します。チームと提携することで、テクノロジーがより涼しく、より速く、より確実に実行されるようにすることに専念する数十年のエンジニアリングエクスペリエンスにアクセスできます。