FSW液体コールドプレート
摩擦撹拌接合は、機械力を使用して熱可塑性プロセスを制御して固体状態の金属原子の結合形式を再形成することで、従来の溶融接合の限界を打ち破り、液体冷却プレートを製造するプロセスです。
液冷プレート
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FSW液体コールドプレートとは何ですか？
摩擦撹拌接合は、固体物理接合法の一種で、通常、底板と蓋板の二つの部分から構成されます。機械力と摩擦熱の作用により、撹拌ヘッドが接合材料に対して相対的に移動することで、摩擦面およびその周辺部の温度が接合材料の融点に近い温度域まで上昇します。これにより、材料の変形抵抗が減少し、塑性が向上し、界面の酸化膜が破壊されます。鍛造時の圧力下で、底板と蓋板は界面分子の拡散と再結晶化によって接合されます。このプロセス全体は化学変化を起こさないため、信頼性の高い液冷プレート製造方法となっています。
FSW 液体コールドプレートの作り方は？
摩擦撹拌接合による液体冷却プレートの製造において、材料の選択は非常に重要です。一般的に使用される材料にはアルミニウムと銅があります。アルミニウム材料の場合、底板には6061アルミニウム合金が採用されることが多く、カバープレートには通常1050アルミニウム合金が使用されます。製造工程では、まずプレートを切断、洗浄などの前処理を行い、表面の不純物や油汚れを除去します。次に、底板とカバープレートを組み立て、位置決めします。最後に、摩擦撹拌接合装置を使用し、撹拌ヘッドを高速回転させ、材料との摩擦によって発熱させます。その後、材料を塑性状態で溶融させることで溶接を完了し、液体冷却プレートが得られます。
液冷プレートの加工において、流路の設計と加工は非常に重要です。一般的に、液冷プレートの流路の幅は9～20ミリメートル、深さは約10ミリメートルです。カバープレートの厚さは通常4ミリメートルで、底板には凹状の溝を設ける必要があります。この構造設計により、カバープレートを装着した後、摩擦攪拌接合に好ましい条件を作り出すことができます。加工をスムーズに進めるために、流路は直角を避け、ドリルビットがスムーズに通過できるようにR角を付与する必要があります。流路加工が完了したら、材料を再成形し、CNC加工を行ってカバープレートの厚さが3ミリメートル以上になるようにする必要があります。溶接を行う場合、溶接品質を確保するために、溶接深さは通常4ミリメートル以上にする必要があります。
FSW 液体コールドプレートの流路をどのように設計すればよいですか?
局所高密度化マイクロチャネル：
摩擦撹拌接合された液体冷却プレートを設計する際に、2000ワットを超えるインバータやIGBTなどの高出力密度熱源の場合は、液体冷却プレートの流路に局所的な処理を施す必要があります。これは、従来の単位面積の流路では高出力密度熱源の冷却要件を満たすことができないためです。そのため、通常、熱源の底部の流路に暗号化処理を施します。つまり、底部の流路が冷却液と完全に接触し、熱が冷却液に拡散してから運び去られるため、高出力密度熱源が動作中に適切な温度を維持し、機器の安定した動作を保証します。通常、これらの局所的な緻密化マイクロチャネルを製造するために、スカイブフィンプロセスが使用されます。
直列接続:
液体冷却プレートの設計では、流路レイアウトが重要です。2kW未満の熱源には、直列接続設計が適しています。この設計では、冷却液はプレートに入り、均一に配置された流路を通って流れ、排出されます。プレート上に複数の熱源（例えば3つまたは4つ）がある場合、冷却液はそれらを一つずつ通過します。熱を吸収するため、最初の熱源は最後の熱源よりも高温になります。ただし、温度差は約4℃であれば許容されます。このシンプルな直列接続方式は、中出力の熱源によく採用されており、冷却性能と設計のシンプルさのバランスが取れています。
並列接続:
3000Wを超えるインバータやIGBTなどの超高出力電源用の液体冷却プレートを設計する場合、直列ではなく並列流路設計が不可欠です。直列設計では部品間の温度差が大きくなり、性能が低下します。並列設計は均一な冷却を実現しますが、各熱源直下の流量を正確に制御する必要があります。圧力差が小さいほど流れが速くなるため、すべての並列流路で一貫した流量を維持することが、効率的な放熱と安定した機器動作に不可欠です。
Walmate Thermal は顧客向けに FSW コールド プレートをどのように製造しているのでしょうか?
材料
材料選定においては、お客様が要求される電力レベルに応じて、銅1100またはアルミニウム6063のどちらを使用するかを決定します。これにより、お客様のニーズを満たすだけでなく、コスト削減にも貢献できます。
熱処理
材料選定後、熱処理を行います。液体冷却プレートの原材料には内部応力が存在するため、焼鈍処理が必要です。これにより、加工中に内部応力が確実に解放されます。
CNC加工
当社では、高度なCNC工作機械を用いて流路を精密に加工し、底板とカバープレート間の高精度な公差を実現しています。この精密な加工プロセスは、後続の摩擦撹拌接合プロセスの強固な基盤となります。
漏れ試験
空気検査またはヘリウム検査法を用いて、溶接工程中に発生した可能性のある欠陥を徹底的に検査します。製品の品質を確保するため、すべての液体冷却プレートは100%のリーク検査を受けなければなりません。この検査に合格した液体冷却プレートのみが、次の工程である精密CNC加工に進みます。
