高性能な液冷ループの設計

組み込みシステムはますます複雑化し、処理および分析するセンサーや信号の数も増えています。このようにコンピューティングが増加した結果、電子的な熱負荷が高くなり、より集中することが多くなっています。

高性能なシステム熱対策を可能にする液冷システムの設計方法

過度の熱はシステムの信頼性を損なうため、一部のアプリケーションにおいては、空冷では不十分です。多くのエンジニアは、熱を取り除く方法として液冷に目を向けています。

液冷システムの設計の複雑さは、この一連の技術になじみがなければ、懸念材料となるかもしれません。 Although selecting thermal components for a liquid cooling loop is relatively straightforward, there are other considerations or nuances that can be overlooked.たとえば、材料の互換性、腐食防止、結露制御、液冷ループの位置、標準部品とカスタム部品の使用、継手、フィッティング、コネクタ、メンテナンスとサービスなどが挙げられます。

液冷ループは通常、液体コールドプレート、ポンプ、熱交換器、およびパイプまたはホースで構成されます（図1）。ボードは廃熱を生成し、その廃熱はボードから熱伝導性プレートに伝達され、次にコールドプレートを流れる液体クーラントに伝達されます。通常、流体パスはボード上のホットスポットと一致します。次に、加熱されたクーラントは熱交換器を通ってポンプで送られ、そこで熱がクーラントから周囲空気へ、または液冷式熱交換器の場合は別の液体クーラントへ移動します。冷却されたクーラントは、パイプまたはホースを通ってコールドプレートに戻り、冷却ループを完成させます。通常の動作では、液体クーラントが液冷ループを連続的に流れ、ボードを冷却します。

材料の互換性

液冷ループ内のすべての材料と流体はシステムとして連携する必要があるため、相互に互換性があり、一緒に選択されなければなりません。銅は優れた熱伝導率を持ち、多くの非腐食性流体に適合するため、ほとんどの用途に適しています。アルミニウムは、ポリアルファオレフィン（PAO）、オイル、エチレングリコール、水溶液（EGW）などの流体、および多くの電子機器冷却アプリケーションで使用されている3M製造の電気絶縁性不活性パーフルオロカーボン流体であるフロリナート™と互換性があります。ステンレス鋼は、脱イオン水などの腐食性流体を含むほとんどの流体と互換性があります。いくつかの異なる流体は、さまざまな標準的なコールドプレートおよび熱交換器材料と互換性があります（図2）。

図2:各種流体は、さまざまな標準コールドプレートおよび熱交換器材料と互換性があります

ほとんどの液体クーラントは、腐食を抑制し、ポンプを潤滑するために、少量の添加剤も必要とします。ただし、腐食防止剤は、システム内の他の場所で互換性のない材料によって無効化される可能性があるため、これも評価する必要があることに注意してください。殺生物剤、殺藻剤、およびpH調整も、選択した液体冷却剤に応じて、システムの保守に役立つ場合があります。

防食

腐食は2つの異なる方法で問題を引き起こす可能性があります。材料が腐食して漏れにつながるだけでなく、腐食した材料がシステム内の他の場所に堆積し、流体の通路やフィルターを塞ぐ可能性があります。これにより、圧力降下が発生し、クーラントの流れが減少する場合があります。さらに、堆積が活性の熱伝導面に発生すると、ファウリングによって引き起こされる余分な熱抵抗により温度が上昇することがあります。

ガルバニック腐食とエロージョン腐食は、いずれも液冷ループで最小限に抑える必要があります。ガルバニック腐食は、導電性液体などの電解質の存在下で異種金属が互いに電気的に接触している場合に発生します。ほとんどの水性クーラントはある程度電解されます。ガルバニック腐食を防ぐために、ループはシステム全体で同様の材料（理想的には1種類の金属のみ）で設計するか、非導電性流体を使用する必要があります。また、システム内のすべての材料のガルバニック電位を考慮しなければなりません。これには、主要な熱コンポーネントだけでなく、流体経路内のすべてのコネクタ、フィッティング、バルブ、接合部も含まれます。

エロージョン腐食は、流体と金属表面の相対運動による金属の腐食速度の加速です。これは、パイプの曲がりやエルボ、チューブのくびれ、および流れの方向や速度を変えるその他の構造に最もよく見られます。エロージョン腐食は、銅やアルミニウムなどの軟質合金で最も一般的です。

エロージョン腐食を最小限に抑える方法には、ベンドの角度を大きくすること、パイプの直径を一気にではなく徐々に変化させること、バリ取り、つまり凹凸を滑らかにすることでパイプ内の流路を改善することなどがあります。その他の方法としては、溶存酸素の量を減らすこと、pHを変えること、パイプ材料を別の金属または合金に切り替えることなどが挙げられます。腐食の詳細については、アプリケーションノート「冷却システムのエロージョン腐食」および「ガルバニック腐食の回避」を参照してください。

結露および液冷ループの設計

腐食を最小限に抑えることに加えて、結露を最小限に抑える、または防止することが重要です。周囲温度を下回るクーラントを使用するリスクの1つは、冷たい表面に結露が発生する可能性があることです。この結露は、電子機器に滴り落ちたり、システムの底に溜まったりして腐食を引き起こすことがあります。結露を避けるために、表面を断熱するか、より高い流体温度を用いることにより、表面温度を周囲の露点より高く維持することができます。Boydは、ライン温度を維持し、結露や潜在的な損傷を防ぐため、SOLIMIDE®フォームなどのさまざまな断熱材を提供しています。

適切に設計および維持されている液冷ループでは、漏れが発生する可能性はほとんどありません。ただし、クーラントまたは凝縮液が電子機器の上に滴り落ちたり噴出したりするとショートする可能性があるため、潜在的な漏れの影響を最小限に抑えるために、リザーバーと液体ループは電子機器の下に配置するとよいでしょう。その他のオプションとしては、電気システムの高電圧部分に液体シールドまたはバリアを設置する方法があります。

液冷ループを設計する場合、標準部品またはカスタム部品を使用するオプションもあります。これらは、それぞれに長所と短所があります。標準部品は、交換が必要な場合すぐに入手できます。一方、カスタム部品は、アプリケーションのサイズ、パフォーマンス、およびデバイスの要件に合わせて最適化されています。ただし、リードタイムが長くなり、コストが高くなる可能性があります。

継手、フィッティング、コネクタ

The number of joints in the cold plate or heat exchanger is important. ろう付けする必要のある継手が多いと、漏れのリスクが高くなります。メーカーが高度なろう付けのスキルを持ち、適切なテスト手順を実施し、カスタムコンポーネント内の不要なろう付け点を排除するよう確認することが大切です。

漏れを防ぐには、適切なフィティングを選定し、適切に使用する必要があります。漏れない継手の場合、ビーズチューブフィッティングはクランプで固定されたホースと嵌合します。一般にはホースよりも硬い配管が望ましいですが、システムが衝撃や振動にさらされる環境ではホースを使用することができます。ストレートチューブフィッティングを備えたユニットは、システムに溶接することも、セルフロック式のトルクフリーフィッティングで使用することもできます。滴り落ちのないクイックディスコネクトカプラーを使用する場合、フィッティングを接続または切断するときに、液体がこぼれることがあります。詳細については、アプリケーションノート「クイックディスコネクトカプラの選択」を参照してください。

もう一つのオプションは、自動車技術者協会（SAE）の材料仕様に従って製造されたOリングフィッティングまたは軍事仕様に従って製造されたOリングフィッティングを使用することです。これらのフィッティングは、さまざまな材料とサイズで入手可能で、信頼性の高い漏れないシールを提供します。BoydのOリングポートフォリオと専門知識は、適切な材料、認証、サイズを迅速に選択し、システム内の漏れを防ぐのに役立ちます。

メンテナンスとサービス

メンテナンスとサービスは、エンジニアが液冷ループを設計するときに最後に考慮することかもしれませんが、設計プロセスにこの考慮事項を含めることは、長期的に問題を減らすのに役立ちます。いくつかの異なる内容の質問に対する答えを考える必要があります。

例えば：

• ポンプはその寿命にわたって潤滑を必要としますか？それともクーラントがその機能を果たしますか？
• 液体リザーバーを補充する必要がありますか？
• 現場で交換可能なのはどのコンポーネントですか？
• メンテナンスのスケジュールは？
• 必要なポンプ寿命はどれくらいですか？
• ポンプの交換が必要な場合、どのようにシステムを充電して起動しますか？

その他の質問は、システムを再び機能させるためにユーザーが何をしなければならないかに関するものです。

• これには、電子機器とコールドプレートを取り外す必要がありますか、それとも電子機器のみを取り外す必要があり、新しいものをスナップするだけで簡単に取り外して交換できますか?
• コールドプレートを交換した場合、冷却液と一緒に出荷されますか?
• OEMは、液体で満たされたシステムまたは現場交換可能なユニットを出荷しますか?
• もしそうなら、非常に冷える航空機の貨物倉など、流体の凍結が懸念される可能性があります。

これらの質問は、設計、運用、および保守チームの両方のメンバーが検討する必要があります。影響を受けるすべての個人を決定に参加させることは、将来の円滑な運用を確保するのに役立ちます。

変更された標準またはカスタムの液体冷却ループを設計する際には、材料の互換性、腐食防止、結露制御、液体冷却ループの位置、標準部品とカスタム部品、ジョイント、継手、コネクタ、ホース、およびメンテナンスとサービスの要件をすべて考慮する必要があります。システムに適切に統合されている場合、液体冷却は低リスクで非常に効果的な熱除去を提供できます。今日、何万ものコールドプレートと熱交換器が、最も要求の厳しい高性能アプリケーションのいくつかで液体冷却電子機器です。

リチャードゴールドマンとトレーシーバーバーによって書かれました
オリジナルはRTCマガジンに掲載されました、7月2006日

Visit our Liquid Heat Exchanger Section or Liquid Cooling System Section to learn more about Boyd’s full liquid loop solutions.