摩擦撹拌溶接 (FSW) 液体コールド プレートと従来のろう付けコールド プレートを比較すると、FSW は一般に、溶加材を使用せずにモノリシックのような構造を作成するソリッドステート接合プロセスにより、優れた構造信頼性と接合界面での低い熱抵抗を実現します。 ただし、複雑な内部フィン形状と超高表面積密度が必要なシナリオでは、ろう付けコールド プレートが優位性を維持することがよくあります。 FSW は、電気自動車や高圧用途に最適な漏れ防止の高強度ソリューションを提供しますが、機械加工が困難な複雑な内部流路を必要とする用途では、真空ろう付けが引き続き有力な候補です。最終的に、「より良い」パフォーマンスは、熱ボトルネックが接合部の伝導率 (FSW に有利) にあるのか、熱伝達表面積 (ろう付けに有利) にあるのかによって決まります。
コアテクノロジーの理解: FSW とろう付けの定義
熱性能を正確に評価するには、まずこれらの液体冷却プレートの構造の基本的な違いを理解する必要があります。液体冷却は、ハイパフォーマンス コンピューティング (HPC)、パワー エレクトロニクス、電気自動車 (EV) バッテリー パックの標準となっています。冷媒チャネルをシールするために使用される方法は、プレートの耐久性だけでなく、その熱特性も決定します。
摩擦撹拌溶接 (FSW) はソリッドステート接合プロセスです。非消耗性の回転ツールを使用して溶接箇所で摩擦熱と塑性変形を発生させ、それによって材料が固体状態にあるときに接合部の形成に影響を与えます。母材金属は溶けないため、微細構造は微細化されたままであり、接合部は母材の熱特性を保持します。
従来のろう付け (特に真空ろう付け)では 、隣接する金属よりも融点の低い溶加材を使用して 2 つの金属プレートを接合します。アセンブリは真空炉で加熱され、充填材が溶けて毛細管現象によってジョイントに流れ込みます。これは非常に効果的ですが、熱経路に 3 番目の材料 (フィラー) が導入されます。
製造対決: ソリッドステート vs. 毛細管現象
製造プロセスは、これら 2 つのテクノロジー間の熱差異の主な要因です。 の製造では FSW コールド プレート、通常、チャネルはベース プレートに CNC 機械加工されます。次に、カバー プレートをその上に置き、FSW ツールが継ぎ目を横切ります。このプロセスにより、カバーとベースが鍛造されます。空隙や多孔性がなく、最も重要なことに異物がありません。結果として得られる部品は、単一のアルミニウムまたは銅片として機能します。
逆に、 ろう付けされたコールド プレートに は複雑な組み立てが必要になることがよくあります。エンジニアは、シールする前に、折り畳んだフィン、削ったフィン、または波形シートをキャビティ内に挿入できます。プレートをクランプして加熱します。このプロセスの成功は、フラックス (使用する場合) の品質とろう付け合金の均一な流れに大きく依存します。フィラー金属が酸化物の介在物やボイドを生成すると、熱伝達が妨げられる局所的な「ホットスポット」が生成されます。
詳細: 熱性能と抵抗の解析
どちらが優れた熱性能を発揮するか を分析するときは、接合部の熱抵抗 と 伝熱表面積という 2 つの異なる要素に注目する必要があります。.
接合部の熱伝導率
接合部の導電性に関しては、FSW が明らかに勝者です。 FSW は溶加材を使用しないため、溶接部全体の熱伝導率は母材 (アルミニウム 6061 や銅 1100 など) とほぼ同じです。熱工学では、すべての界面が抵抗障壁になります。 FSW は、ろう付けで見られるフィラー材料の界面を排除することで、総熱抵抗 ($R_{th}$) を低減します。
ろう付け合金は通常、ベースのアルミニウムまたは銅よりも熱伝導率が低くなります。ろう付け層は薄い (多くの場合、ミクロンの厚さ) ものの、高熱流束の用途 (レーザー ダイオードや IGBT など) では、この界面が測定可能な温度上昇に寄与する可能性があります。さらに、ろう付けが不完全であると、絶縁体として機能する空隙が生じる可能性があります。
内部表面積と乱流
FSW は接合部で優れていますが、 ろう付けコールド プレートは 内部形状の可能性で優れていることがよくあります。ろう付けプロセスにより複雑な内部コンポーネントの周囲にシールが形成されるため、メーカーは液体チャネルに高密度の波形フィンを詰めることができます。これらのフィンは冷却剤と接触する表面積を大幅に増加させ、乱流を誘発して境界層を破壊し、熱伝達係数を高めます。
FSW は通常、機械加工または押し出し可能なチャネルに限定されます。摩擦撹拌溶接は複雑な経路をシールすることができますが、緩い高密度フィンを挿入することは、「サンドイッチとベーキング」方法のろう付けに比べてより困難です（不可能ではありません）。したがって、クーラント流量の少なさを補うために大規模な表面積が必要なアプリケーションの場合、内部フィンを備えたろう付けプレートの方が FSW プレートよりも優れた性能を発揮する可能性があります。
| 特長 | FSW コールド プレート | ろう付けコールド プレート |
|---|---|---|
| 接合部の熱伝導率 | 高（卑金属と同じ） | 中程度 (溶加合金によって制限される) |
| 内部フィンの複雑さ | 中程度 (機械加工/押し出しフィーチャー) | ハイ (フォールドフィン、オフセットストリップフィン) |
| 漏洩リスク | 極めて低い（均一結合） | 低～中程度 (接合部の品質による) |
| 平面度・反り | 高安定性（低入熱） | 炉加熱時に反りやすい |
信頼性、圧力制限、漏れ防止
冷却水が漏れてしまっては熱性能も意味を持ちません。 摩擦撹拌接合は液体冷却に対して信頼性がありますか? はい、おそらくろう付けよりも重要です。 FSW は、結晶粒の微細化により、いくつかの面で母材よりも強い冶金的結合を形成します。欠陥がなく、ろう付け接合と比較して大幅に高い破裂圧力に耐えることができます。
ろう付けされた接合部は、特に高い熱サイクル (急速な加熱と冷却) や振動 (自動車用途) のある環境では、時間の経過とともに疲労しやすくなります。フィラーメタルとベースメタルの間の熱膨張係数の不一致により、最終的には微小亀裂が発生する可能性があります。亀裂が広がると、冷却液の漏れが電子機器の致命的な故障を引き起こします。 FSW はこのリスクを排除し、製品の寿命全体にわたって一貫した熱性能を保証します。
設計の柔軟性と内部形状
両者の設計哲学は大きく異なります。 FSW プレートは通常、タブと蓋の「ツーピース」設計です。冷却パスはCNC加工されています。これにより、数値流体力学 (CFD) を使用して設計された最適化された流路が可能になり、圧力損失を最小限に抑えることができます。 FSW プレートの滑らかなチャネルは、ポンプ出力が懸念される高流量用途に最適です。
ろう付けプレートにより「多層」設計が可能になります。複数のプレートを積み重ねて 3D クーラント パスを作成できます。ただし、この複雑さには、複雑なフィン構造がよく使用されるため、圧力損失が大きくなるというコストが伴います。ポンプが高密度ろう付けフィンスタックの圧力降下に打ち勝つことができない場合、流量が減少し、熱性能が急激に低下します。
アプリケーションの適合性: いつどれを選択するか?
次の場合に FSW コールド プレートを選択してください。
信頼性が最も重要なのは、 電気自動車のバッテリー パック、航空宇宙航空電子機器、医療用レーザーなど、漏れが許容されない場合です。
高圧が必要: 高圧で冷却剤を実行するシステムには、FSW の破裂強度が必要です。
大きなフォームファクタが必要: FSW は、真空炉のサイズ制限がなく、非常に大きなプレート (EV シャーシ全体の冷却など) に拡張可能です。
材料の純度が重要: フラックス残留物やフィラーのガス放出が許容できない半導体処理装置。
次の場合には、ろう付けコールド プレートを選択してください。
スペースが非常に限られている: 最小の設置面積で絶対最大の表面積が必要な場合 (軍用レーダー妨害ポッドなど)。
複雑な 3D 形状: クーラントがプレートの複数の層を垂直に移動する必要があるアプリケーション。
低粘度の冷却剤が使用される: 内部フィンの圧力降下が管理可能な場合。
結論
それでは、 FSW 液体コールド プレートと従来のろう付けコールド プレート: どちらが優れていますか? 純粋な材料科学と信頼性の観点から見ると、 FSW は優れた技術です。界面での熱抵抗が低く、破裂圧力が高く、フラックス汚染のリスクがゼロです。これは、自動車および再生可能エネルギー分野の最新の標準です。
ただし、ろう付けは、FSW が容易に複製できない超高密度の内部フィン構造を必要とするアプリケーションにおいてニッチな優位性を維持しています。熱効率、漏れ防止の信頼性、製造の拡張性のバランスを求める最新の高性能アプリケーションのほとんどでは、摩擦撹拌溶接が好ましい熱管理ソリューションです。