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数ブラウズ：11 著者：サイトエディタ 公開された： 2025-04-25 起源：パワード
より速く、小さく、より強力な電子デバイスを対象とした容赦ないドライブは、エスカレートする熱管理の課題を提示します。 AIワークロードを実行している密集したデータセンターから、電気自動車や洗練されたマイクロプロセッサのコンパクトな電源モジュールまで、単位体積あたりの熱が急増しています。主に強制空気や標準的な単相液体冷却に依存している従来の冷却方法は、ますます身体的な限界に達しています。熱負荷が激化するにつれて、最適な動作温度を維持することは、パフォーマンス、信頼性、およびデバイスの寿命に重要になります。これは場所です。 、2相の冷却が 非常に効果的で高度な熱管理戦略として出現し、基本的な物理的原理、つまり位相変化の力を活用することにより極端な熱流束を処理できる
この記事では、2相冷却の包括的な調査を提供します。私たちは、それが何であるか、その操作の背後にある科学、採用されているさまざまなタイプのシステム、その重要な利点と潜在的な課題、単相冷却とどのように比較するか、そしてさまざまな業界で重要な影響を与える場所を掘り下げます。
コアでは、 2相の冷却は、 熱を吸収、輸送、放散するために、液体と蒸気（ガス）相の間の作動液の移行を利用する熱管理技術です。鍵は、 気化の潜在熱を活用することにあります 。これは、一定温度で液体からガスに変化するときに物質が吸収するかなりの量のエネルギー（沸騰）、またはガスから液体に戻る（凝縮）変化すると放出します。
これはとはまったく対照的です。 、単相冷却 （標準の水冷やオイル冷却など）単相法は、 クーラントのある程度効果的ですが、大量の熱を吸収するには大幅な流体流量が必要であり、システム全体の温度勾配をもたらします。潜熱を利用することにより、2相の冷却は、作業液の単位質量あたりの熱エネルギーをかなり多く移動させることができます。多くの場合、位相遷移自体の温度変化が最小限に抑えられます。 賢明な熱容量に依存しています。これは、流体の温度が上昇するにつれて吸収されるエネルギーです。
ほとんどの2相冷却システムは、閉ループの熱力学サイクルで動作します。特定の実装は異なりますが、基本的な手順は次のとおりです。
熱吸収（蒸発）： 液体冷却剤が熱生成成分と熱接触になります。この接触は、 CPUに取り付けられた コールドプレート内のマイクロチャネル内 、ヒートパイプの蒸発器セクション内、または誘電体液に沈んだチップの表面に直接発生する可能性があります。クーラントが熱を吸収すると、その温度が飽和点に上昇します（局所圧力での沸点）。
相変化（沸騰）： 液体が沸騰し始め、蒸気に変換されます。この沸騰プロセスは、成分からかなりの量の潜熱を吸収します。重要なことに、この位相の変化はほぼ一定の温度で発生し、高温成分の表面を等温するのに役立ちます。
蒸気輸送： 現在吸収された熱エネルギーを運ぶ生成された蒸気は、システムのより涼しいセクション（コンデンサー）に向かって熱源から離れて移動します。この動きは、沸騰中に生じた圧力差、芯構造内の毛細血管力（熱パイプ、蒸気チャンバー）、重力（熱型）、または機械的ポンプによって活発に駆動することができます。
熱拒絶（凝縮）： コンデンサーでは、周囲空気にさらされたヒートシンクフィン、二次冷却ループに接続された熱交換器、または浸漬タンク内の冷却コイルなど、蒸気が冷却表面と接触します。潜熱を周囲または二次クーラントに放出します。
相変化（凝縮）： 蒸気が熱を放出すると、液体状態に戻ります。
液体戻り： 凝縮された液体は、蒸発器セクションに戻され、より多くの熱を吸収し、サイクルを完了します。このリターンは、毛細血管作用、重力、またはポンプによって駆動できます。
2相冷却には、パッシブ、アクティブ（ポンプ）、または浸漬システムとして広く分類されるさまざまな技術が含まれます。
これらのシステムは、機械式ポンプなしで動作し、流体循環の自然な物理現象に依存しています。彼らはしばしば、彼らの信頼性と流体の動きのための消費電力ゼロについて評価されています。
ヒートパイプ： これらはおそらく最も一般的な受動的な2フェーズデバイスです。ヒートパイプは、内部の芯構造（たとえば、焼結粉末、溝、メッシュなど）で裏打ちされた密閉容器（通常は銅またはアルミニウムチューブ）であり、真空下の少量の作業液（水、アンモニア、メタノールなど）を含む。一方の端（蒸発器）に加えられた熱は、流体を蒸発させます。蒸気は急速にクーラー端（コンデンサー）に移動し、そこで凝縮して熱を放出します。次に、芯の構造は、凝縮された液体を毛細血管作用を介して蒸発器に戻し、方向（制限内）に関係なく連続動作を可能にします。熱パイプは、非常に高い効果的な熱伝導率を提供します。多くの場合、固体銅の数百倍です。
蒸気チャンバー： 本質的に平らな平面熱パイプ。彼らは、ヒートシンクやその他の手段によってより効果的に消散することができる広い領域に濃縮源（小さなチップのような）から熱を広げることに優れています。それらは、液体の戻りに逆の構造を使用して、ヒートパイプと同じ原理で動作します。
サーモシフォン： ヒートパイプに似ていますが、多くの場合、建設がよりシンプル（複雑な芯がない場合があります）であり、主に重力に依存して凝縮された液体を蒸発器に戻します。その結果、蒸発器は、適切な動作のためにコンデンサーの下に配置する必要があります。それらは、方向が固定されている大規模なアプリケーションでよく使用されます。
これらのシステムは、メカニカルポンプを利用してクーラントを循環させ、より大きな制御と、パッシブシステムが許すよりも長い距離でより高い熱負荷を処理したり、熱を輸送する能力を提供します。
ポンピングされた2相システムは、CPU、GPU、またはIGBTなどの高出力コンポーネントに直接取り付けられた特殊なコールドプレートに、サブクーリングまたは飽和液（多くの場合、冷媒または工学誘電体）を循環します。沸騰は、内のマイクロチャネルまたは構造内で発生します コールドプレート （直接チップまたはDTC冷却と呼ばれることもあります）。ポンプは、一貫した流体送達を保証し、蒸気液体混合物をリモートコンデンサーに除去します。これらのシステムは、非常に高い局所的な熱流束を管理するのに非常に効果的であり、正確な温度制御を可能にします。
このアプローチには、完全に電子コンポーネントまたはサーバー全体が、沸点が低い（多くの場合50°C）がある特殊な誘電体（電気的に非導電性）流体のバスに直接浸漬することが含まれます。
成分が熱を発生させると、流体は熱い表面で直接沸騰し、潜在熱吸収を介して効率的に熱を除去します。生成された蒸気は自然に上昇し、通常、タンクの上部近くにあるコンデンサーコイル（施設の水または空気で冷却されている）に遭遇し、凝縮し、液体バスに滴り落ちます。タンク内のこのパッシブ循環は、 コンデンサーコイルを冷却する外部ループでポンプを使用する場合がありますが、サーバー2ピックは、極端なラックパワーレベル（AI/HPCクラスターなど）を扱う高密度データセンターで牽引力を獲得しています。 全体で流体を移動するポンプの必要性を排除します。
相変化熱伝達のユニークな物理学は、いくつかの説得力のある利点を提供します。
潜熱値は、通常、一般的なクーラントの賢明な熱能力よりも数桁高いです。これは、2相システムが流体の質量あたりの大幅な熱エネルギーを吸収および輸送できることを意味し、コンポーネントの冷却を可能にし、単相システムを圧倒する非常に高熱フラックス（w/cm²で測定）を生成します。
沸騰と凝縮は比較的一定の温度（圧力に依存する）で発生するため、2相システムは、熱源（蒸発器）とヒートシンク（コンデンサー）の両方の表面全体で非常に均一な温度を維持する傾向があります。これにより、敏感なコンポーネントの危険なホットスポットが最小限に抑えられ、全体的なシステム効率が向上します。
特定の熱負荷の場合、ポンピングされた2相システムでは、単相液体システムと比較して、液体流量が大幅に低下することがよくあります。これにより、ポンプが小さなポンプ、配管の直径の減少、ポンプのエネルギー消費量が減少する可能性があります。ヒートパイプのようなパッシブシステムは、ポンプエネルギーコストがゼロの非常に効率的な熱輸送を提供します。
熱パイプと蒸気チャンバーは、制約されたエリアから効率的な熱輸送を可能にし、低プロファイルデザインで効果的な熱拡散を可能にします。高熱伝達係数は、同じ熱負荷の単相溶液と比較して、潜在的に小さい熱交換器を可能にします。
浸漬冷却に電気的に非伝導液を使用すると、多くのポンプ付き2相システムが使用されると、漏れが動力電子機器に直接発生した場合、特定の用途での従来の水冷よりも大きな利点があります。
強力ですが、2相冷却も考慮事項を提示します。
システムの複雑さ： ポンピングされた2相システムは、単相ループよりも設計および動作により複雑になり、蓄積者、セパレータ、正確な制御システムなどのコンポーネントが必要です。浸漬冷却には、特殊なタンク、流体の取り扱い、潜在的に蒸気封じ込め戦略が必要です。
コスト： 特殊なコンポーネント（例えば、密閉された熱パイプ/蒸気チャンバー、冷媒互換ポンプ、高価な誘電流体）は、2相システムをより単純な空気や単相液体冷却溶液よりも最初にコストを抑えることができます。
作業液の選択： 適切な液体を選択することが重要です。要因には、目的の動作温度（沸点を決定）、潜水容量、動作圧力、システム材料との互換性、安全性（可燃性、毒性）、環境への影響（地球温暖化の可能性）、コストが含まれます。
潜在的な流れの不安定性： 特定の条件下では、2相フロー（特にポンピングされたシステム）は、圧力降下振動や流れのモルディストリーションなどの不安定性を示すことができます。
重力依存性： 一部の受動的設計（サーモシフォン、特定のヒートパイプの実装）には、重力に対する方向に依存する性能があります。
電力密度の境界を押し上げるアプリケーションでは、2相の冷却がますます重要になります。
高パフォーマンスコンピューティング（HPC）およびデータセンター： 極端なラック密度を可能にするために、直接チップポンプシステムまたは完全な浸漬冷却を介した冷却電力に飢えたCPU、GPU、およびAIアクセラレータ。
パワーエレクトロニクス： IGBT、MOSFET（特にSICおよびGANデバイス）、パワーコンバーター、および産業用ドライブ、再生可能エネルギー（太陽光、風）、自動車EVS、グリッドインフラストラクチャで使用されるインバーターでの熱の管理。
航空宇宙と防御： 冷却アビオニクス、レーダーシステム、指示されたエネルギー兵器（露）、およびサイズ、重量、パフォーマンスが重要なその他の高出力エレクトロニクス。
電気通信： ベースステーションやその他の要求の厳しいネットワーク機器の高出力RFアンプから熱を放散します。
医療機器： 外科用または診断装置、MRIシステム、およびその他の熱感受性医療電子機器で使用される冷却レーザー。
自動車： EVバッテリーパックの高度な熱管理（拡散/均一性にヒートパイプを使用）、パワーエレクトロニクス（インバーター、DC-DCコンバーター）、および充電システム。
高度な照明： 冷却高輝度LEDとレーザーダイオードは、パフォーマンスと寿命に重要な温度安定性が重要です。
最適な2相冷却アプローチを選択すると、熱負荷の大きさと濃度（フラックス）、必要な動作温度、利用可能なスペースと体重の制約、予算、環境条件、信頼性の要件、パッシブ対アクティブシステムの実現可能性など、さまざまな要因に依存します。熱パイプは、適度な熱負荷、局所的なホットスポットを広げるための蒸気チャンバー、非常に高い、一貫した負荷、最大密度サーバー冷却のための浸漬のためのポンプシステムを動かすのに理想的かもしれません。これらの選択をナビゲートするには、多くの場合、熱管理の専門家とのコラボレーションが必要です。
電子デバイスがより高い出力密度への軌道を継続しているため、2相冷却は特殊な技術から主流の必要性に移行しています。強い熱負荷を効率的に管理し、温度の均一性を維持する基本的な能力により、次世代のプロセッサ、電源モジュール、およびその他の高度なコンポーネントの可能性を解き放つために不可欠です。パッシブヒートパイプから静かに冷却しているラップトップから、データセンター全体を管理する洗練された浸漬タンクまで、位相変化冷却技術は、膨大な産業にわたって継続的なイノベーションへの道を開いています。
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