アプリケーション専用のコールドプレートを作成する際の考慮事項
極端な性能要件は、指定された性能をコールドプレート全体に均一に適用できない場合、または適合するコールドプレートの圧力損失および/またはコストが高すぎる場合に発生します。サーマルマップ、つまり熱負荷の分布には、熱負荷の高い1つまたは複数のエリアが存在する場合があります。圧力損失の要件、コールドプレートの表面温度の均一性を保つ要件、特殊な形状またはインターフェースの要件、またはコスト上の制約から標準のコールドプレート設計が不可能な場合は、カスタムコールドプレートが解決策となります。 Understanding cold plate technologies, thermal specifications, and the steps involved in the design process will help to optimize the custom cold plate design so it provides a great blend of value and performance.コールドプレート技術
性能要件によって、通常、コールドプレート技術とデザインが選ばれ、コールドプレート技術によってコールドプレートのコストが決まります。通常は、コールドプレートにかかるコストは性能の向上とともに増加します。コールドプレート技術には、Press-Lock™チューブ、Hi-Contact ™、拡張チューブ付きまたは無しのガンドリル、チャネリング加工、内部フィン付きろう付けなどが含まれます。これらの技術は、一般的にコールドプレートの効率性とコストを高めるものの順にリストアップされています。Press-Lock™ チューブ型コールドプレート
Press-Lock™チューブ型コールドプレートには、銅またはステンレス鋼の管がチャネル式アルミニウム押出でプレス加工されています（図2を参照）。カスタムチューブ型コールドプレートは、ほぼすべての形状またはサイズで設計することができ、流体管路は最適な熱性能が得られるようにカスタム設計できます。カスタムコーティング、機械加工、穴あけ、タッピングも組み込むことができます。
正規化された性能曲線
Hi-Contact™液体コールドプレートは、プレート内で特許取得済みのプレスチューブ形状を採用することで、効率的な熱伝導を提供します。この技術は、管と冷却面との接触面積を最適化し、液体への熱伝導を最高の状態にします。Hi-Contact™構造により、熱エポキシ樹脂の接合部の厚みが最小限に抑えられ、アルミニウム板から管へとより多くの熱が伝導されます。管は銅、アルミニウム、ステンレス鋼から選ぶことができ、アプリケーションに応じてさまざまな流体管路と直径に合わせてカスタマイズできます。注記
ガンドリル式コールドプレートの製造では、アルミニウムプレートに穴を開け、該当する場合は銅またはステンレス鋼の管を挿入および拡張します。これにより、穴あけやタップが可能な両面コールドプレートが得られます。ガンドリル式コールドプレートのもう1つの利点は、特に平坦度に対する要件がある場合に、チューブ型コールドプレートよりも厳格な公差を課せることです（図3）。
チャネリング加工コールドプレート
チャネリング加工コールドプレートは、マルチチャネル、機械加工されたチャネル、またはその他のチャネルを形成した押し出し材です。押し出し材では直線の溝しか得られませんが、機械加工やその他の新しい金属切削法では、はるかに効率的な形状を得ることができます。チャネリング加工コールドプレートは、任意の長さで製造して、はしご構成で組み立てたり、大面積冷却用のベースプレートに組み込んだりすることができます（図4）。また、保護を強化するために、化成処理または陽極酸化処理することもできます。様々な範囲の必要なインピーダンス、圧力損失、および流量に対して、いくつかのパターンが開発されています（図5）。内部フィン付きろう付けコールドプレート
内部フィン付きろう付けコールドプレートは、内部フィンと冶金学的に結合された2つのプレートで構成されています。さまざまなフィン密度と形状（プレーン、ルーバー、ランセオフセットなど）で真空ろう付けすることができます。CP30コールドプレート内のフィンなどの内部フィンにより、貴重な熱伝導面が得られ、流れに乱流が追加されます。ろう付けコールドプレートは、通常、設計における柔軟性が最も高くなります。(図6を参照。)
液体コールドプレート設計時の熱に関する主な考慮事項
コールドプレート熱仕様
4種類のコールドプレート技術に加えて、以下にリストされている4つの熱要件のシナリオもあります。
- 均一な熱流束、固定流量、1 最大圧力降下、1 最大表面温度 - 熱シナリオ 1では、均一な入力熱流束、固定流量、固定流量で制限される1つの指定された最大圧力降下、および表面温度が均一である必要がない1つの指定された最大表面温度があります。
- 1と同じだが熱流束が不均一 - 熱シナリオ2の仕様はシナリオ1と同じですが、熱負荷は均一ではなく変化します。熱負荷は、コンポーネントの下または特定の領域の下のいくつかの場所に集中します
- 1と同じだが、表面温度の最大値が変化 - 熱シナリオ3もシナリオ1と同じ仕様ですが、熱シナリオ3では、コールドプレート全体 (通常は個々のコンポーネント) で異なる最大表面温度が指定されています。
- 1、2、3と同じだが表面温度の均一性が必要 - 熱シナリオ4では、熱仕様は熱シナリオ1、2、3と同じになりますが、最高表面温度がコールドプレート全体または特定のコンポーネントの下で均一でなければならないという追加の要件があります。たとえば、コールドプレートに2種類のコンポーネントが取り付けられている場合、各コンポーネントタイプで共通コンポーネントの温度に均一性が求められることがありますが、2つのタイプ間で最大表面温度が異なる場合があります。
コールドプレートシナリオ2と3は、カスタムコールドプレート設計に最もよく見られるシナリオです。シナリオ1～4は、複雑さとコストの低い順にリストされています。
カスタムコールドプレートを任意の仕様に合わせて設計する場合、ほとんどの熱専門家は、論理的な手順として、熱マップを定義し、液体回路の概念を生成し、温度上昇と圧力降下を計算し、必要に応じて液体回路の経路を変更します。
液体コールドプレート設計時の熱に関する主な考慮事項
液体回路の概念の生成
次のステップは、液体回路の概念で最初の反復を生成することです。液体回路は、熱流束が最も高いコンポーネントと、液体回路上の各コンポーネントを冷却するために必要な性能を提供するものである必要があります。さらに、指定された流量と許容可能な圧力降下でこれらを行う必要があります。性能と圧力損失の相反する要求を満たすために、液体直列経路の幅を不均一にしたり、個々の部品の下でフィン密度を変えたり、フィンの高さや種類を変えたりする手法が用いられることもあります。フィンの形状と高さは、「フィン効率」、つまり液体に熱がどれだけうまく伝達されるのかを決定します。
高熱流束コンポーネントの形状（大きな丸いフットプリントなど）によって、経路幅全体にわたる自然な均一な流れの分布から、不均一な流れへと変更を強制する必要が生じる場合がありますが、異なる長さのフィンや経路幅にわたって異なるフィン密度を使用することで達成できます。次のコンポーネントの前に、いくつかの液体均等化プール（つまり混合プール）を設計する必要があります。流体分配におけるもう1つの課題は、コンポーネントの取り付けに対応するために流体経路にアイランドが必要なことです。上記の複雑な方法では、必要となるフィンピース数が増え、キャビティ内に複数の深さが生じ、複数のフィン成形装置をセットアップし、EDM切断が必要となることから、コールドプレートのコストが増加する可能性があります。
温度と圧力損失の計算（詳細な設計段階）
液体回路の概念が大まかに決定された後は、各コンポーネント下の最大表面温度を計算し、全圧力損失を計算して、熱マップを検証する必要があります。重要な臨界熱領域はすべて、モデル化する必要があります。要件のいずれかが満たされていない場合は、液体回路を作り直し、計算を再実行する必要があります。
液体回路の経路変更
コールドプレートが異なる最大表面温度を必要とし（熱シナリオ3のような場合）、通常の液体回路では仕様を満たさない場合は、最初に最も冷たい液体を重要な機器に供給するか、液体の一部を直接これらの機器にバイパスするように液体回路を変更する必要があります。
温度均一性
コールドプレートの要件で、熱シナリオ4のように最大表面温度と温度均一性が指定されている場合、設計プロセスはさらに複雑になります。同一のコンポーネントに対して最高表面温度を均一にする最も簡単な方法は、コンポーネントを類似した平行な液体経路にある類似したポイントに配置することです。結果、これらのコンポーネントに十分な流量で共通の温度の液体を供給する回路が得られるはずです。コールドプレート全体により均一な表面温度を提供するために使用される技術としては、他にも向流配置を使用する方法があります（図2）。プレートの表面上または両面にある平行経路の多くでは、それぞれの第2経路が反対方向に流れています。片側負荷または非常に薄型のコールドプレートの場合、この方法で表面温度勾配を大幅に減少できる可能性があります。液体を2層に分けて組織化することで、同様の効果を得ることができる可能性もあります。
複雑さとコストの削減
特定の熱的または機械的要件により、液体回路を非論理的に配置せざるを得ない場合があり、その結果、コールドプレートが複雑になり、コストが高くなることがあります。たとえば、アプリケーションには、液体回路が移動しなければならない取り付け穴の位置が予め決められていたり、固定されたコンポーネントや流体の入口と出口の位置が固定されていることが多く、液体回路のオプションが大幅に制限されることがあります。一般的に、設計の柔軟性が高いほど、コールドプレートの設計が容易になり、より多くのコスト節約を実現できます。プリント回路基板の設計者または電気技師と緊密に連携することで、熱エンジニアはコンポーネントの間隔や位置に関する情報を提供し、電気的要件と熱要件を念頭に置いた設計を実現できます。これにより、コールドプレートの設計が大幅に簡素化され、コストが削減される可能性があります。コールドプレートにかかるコストについての詳細な情報に関しては、アプリケーション注意事項の「コールドプレート製造のコストを増加させる要因」を参照してください。
カスタムコールドプレートソリューションで最も困難な熱的および機械的要件を満たすことができるように、さまざまな設計手法を理解することが重要です。カスタムコールドプレート設計には何千ものバリエーションがあり、熟練したエンジニアリングが重要な鍵となります。 Flexibility with the location of inlets and outlets, proper fluid circuit routing, and the use of fin or channels can help to create a thermal solution that provides great value for the application.熱負荷がますます集中し、冷却に割り当てられるスペースがますます小さくなる中で、アプリケーションに固有の液冷ニーズを満たすため、カスタムコールドプレートの利用はますます増えていくでしょう。Boyd Corporationのサーマル部門「Aavid」は、数十年にわたって、プリント回路基板やその他の電子機器用のカスタムコールドプレートを設計および製造してきた実績があります。高い熱性能要件とコスト制限を満たしている、あるいはそれを上回る製品をご提供してきました。
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