高出力冷却システム用液体冷却プレートの設計方法

17年8月2025日
午後2時56分

液体冷却プレートの設計方法

1、設計要件を明確に定義する
液冷プレートを設計する前に、その適用シナリオと具体的な要件を明確にする必要があります。例えば、電子チップの放熱用の液冷プレートを設計する場合は、チップの消費電力、発熱量、動作周囲温度、チップ接合部温度の許容最大動作温度、冷却剤の組成、冷却剤の入口温度、冷却剤の流量などのパラメータを理解する必要があります。新エネルギー自動車用バッテリーの放熱に使用する場合は、バッテリーパックのレイアウト、充放電時の発熱特性、動作温度範囲を考慮する必要があります。さらに、設置スペースの制限、コスト予算、製造プロセスの信頼性などの要素にも注意を払う必要があります。水冷プレートs、および他のシステムとの互換性について解説します。本稿では、一体型コールドプレートをベースとした流路の製造と加工について解説します。チューブ銅とアルミニウム板については今後改めて議論します。では、液体冷却プレートはどのように設計すればよいのでしょうか？

2、適切な材料を選択する
アルミニウム合金6063または6061は、密度が低く、熱伝導率が良好（純アルミニウムの熱伝導率は約237W /（m・K）であるのに対し、アルミニウム合金の熱伝導率は組成に応じて180〜230W /（m・K）です）、適度な強度、加工と成形の容易さ、および比較的低コストであるため、液体冷却プレートによく使用される金属材料です。ダイカストプロセスで製造されるアルミニウムADC12の熱伝導率は90〜110W /（m・K）で、プロセスが簡単でコストが低いのが特徴です。銅材料は優れた熱伝導率（熱伝導率約401W /（m・K））を備えていますが、密度が高くコストが高くなります。放熱要件が非常に高く、スペースとコストが許す場合に選択できます。

3、流路構造の設計
（1）流路形状
一般的な流路の形状には、平行流路、蛇行流路、フォーク状流路などがあります。平行流路は構造が単純で流体の流動抵抗が比較的低いため、熱流束密度の分布が比較的均一な熱源に適しています。蛇行流路は、液体冷却プレート内の流体の滞留時間を延長し、熱伝達効率を向上させますが、流動抵抗が大きくなります。フォークフィンガー流路は、流体を様々な領域に均一に分配し、不均一な熱源に対して優れた放熱効果を発揮します。
（2）チャネルサイズ
流路の幅、高さ、間隔は、液冷プレートの放熱性能に大きな影響を与えます。流路サイズが小さいほど、流体と流路壁の接触面積が増加し、熱伝達効率が向上しますが、流動抵抗とポンプの消費電力が増加します。一般的に、流路の幅は6〜15mm、高さは2〜10mmの間で選択でき、流路間の間隔は実際のニーズと製造プロセスに応じて決定されます。液冷プレートで局所接触面積が小さくても高い熱伝達が必要な高電力密度のチップの場合、局所流路にマイクロチャネル設計が必要です。たとえば、NvidiaのGB200 GPUチップの接触面積は約50X50mmで、その液冷流路には熱交換用の高密度銅フィンが必要です。

4、熱解析とシミュレーションの最適化
ANSYS Fluentなどの専門的な熱解析ソフトウェアを使用して、設計された液冷プレートの数値シミュレーションを実行します。熱源の熱負荷、流体の物理パラメータ（密度、比熱容量、熱伝導率など）、流動境界条件（流量、流速など）を入力し、液冷プレート内の温度分布と流体流動特性をシミュレートします。シミュレーション解析を通じて、設計におけるホットスポットや不均一な流れなどの問題を特定し、流路形状の調整や入口と出口の位置の変更など、液冷プレートの構造を最適化して、より優れた放熱効果を実現します。

5、製造プロセスの選択
（1）ろう付け液冷却プレートプロセス
アルミニウム合金の液冷プレートでは、ろう付けが一般的な製造プロセスです。シート間にろう材を挟み、一定の温度と圧力で溶融させることで、シート同士を接合し、流路構造を形成します。真空ろう付けは、溶接品質を確保し、酸化や気孔などの欠陥を低減します。真空ろう付けの対象となる材料は、一般的にオールアルミニウムとオール銅の2種類に分けられます。
アルミニウム真空ろう付けでは、アルミニウムシリコン系ろう材（AlSi合金など、融点は約577～615℃）が一般的に使用されています。ろう付け温度は通常、ろう材の融点よりわずかに高い580～620℃に設定されます。真空環境で行われるため、追加の保護ガスは必要ありません。真空はアルミニウムの酸化を防ぎ、はんだの濡れ性と拡散接合を促進します。
銅真空ろう付けでは、一般的に銅リンろうまたは銅銀ろう（融点約710～800℃のCu-P合金など）が使用され、ろう付け温度は約750～900℃です。真空環境下であっても、一部の工程では保護ガスとして高純度窒素ガス（純度99.99%以上）を導入することで、銅の酸化をさらに抑制し、溶接の信頼性を確保します。

2）摩擦攪拌溶接
摩擦撹拌接合は、撹拌ヘッドが回転しながら接合界面に沿って移動することで、材料の塑性変形を引き起こし、接合を実現する固相接合プロセスです。このプロセスは溶接強度が高く、熱影響部が小さいため、高品質の液冷プレートの製造に適しています。摩擦撹拌接合は、撹拌ヘッドを回転させることで熱を発生させ、材料を可塑化させます。アルミニウム合金の可塑化温度は通常300～500℃です。接合圧力は一般的に10～50kNで、材料の厚さが増すにつれて高くなります。撹拌ヘッドの速度は主に800～3000rpm、接合速度は0.5～5mm/sです。このプロセスは固相接合であり、溶融欠陥がなく、アルミニウムや銅などの非鉄金属の効率的な接合に適しています。

6、パフォーマンステストと検証
液冷プレートのサンプルを製造した後、性能試験を実施する必要があります。温度センサーを用いて各箇所の温度を測定し、流量計と圧力センサーを通して流体の流量と圧力降下を監視します。試験結果を設計要件と比較し、液冷プレートの放熱性能と流動抵抗が要件を満たしているかどうかを評価します。満たしていない場合は、その原因を分析し、設計・製造プロセスをさらに改善します。液冷プレートの設計には、要件、材料、流路構造、熱解析、製造プロセス、性能試験など、複数の側面を総合的に検討する必要があります。継続的な最適化と検証を通じて、実用化の要件を満たす高品質の液冷プレートが得られます。

1kW熱源用液体冷却プレートの設計と寸法図（理論計算例）

I. コアパラメータと設計目標

• 熱消費電力：熱源の定格熱量 Q = 1000W（継続的かつ安定した放熱が必要）。

• 温度要件：熱源の最大表面温度T_s 85℃、冷却液の入口温度T_in = 35℃、許容温度差Delta T = T_s – T_in = 50℃。

• 冷却液：50％エチレングリコール水溶液、パラメーター：熱伝導率 k_f = 0.45W/(m·K) 、動粘度 _mu = 0.002Pa·s 、比熱容量 c_p = 3600J/(kg·K) 、密度 \rho = 1050kg/m³。

II. 主要パラメータの理論計算

1. 冷却液流量の計算

熱バランス方程式 Q = \rho q_v c_p \Delta T_{fluid} に基づき、冷却液の入口と出口の温度差 \Delta T_{fluid} = 10℃ (局所的な過熱を避けるため) と仮定すると、必要な流量は次のようになります。

2. 流路と流速の設計

抵抗を低減するため、複数の並列流路を採用しています。単一流路のサイズは、幅 w = 5mm = 0.005m、高さ h = 4mm = 0.004mです。水力直径は、

3. 熱伝達係数と面積の計算

III. 液体冷却プレートの寸法図

1. 外形寸法設計

伝熱面積の要件に応じて、長方形のレイアウトが採用されています。

•長さ：150mm、幅：120mm（総面積150×120 = 18000mm² = 0.018m²、流路面積が約80%を占め、有効伝熱面積は0.0144m²であり、流路長を長くすることで補う必要がある）。

•厚さ：15mm（流路高さ4mm、構造強度確保のため上下基板それぞれ5.5mmを含む）。

2. 流路レイアウトの最適化

流路全長 L = \frac{A_{effective}}{n×w} = \frac{0.0286}{8×0.005} ≈ 0.715m 。「U字型 + 8本の平行流路」設計を採用し、各流路の長さは約90mmで、流体が熱源を均一に覆うように2倍の間隔をあけています。

IV. 検証と調整

この寸法に基づき、シミュレーション検証の結果、流量15.9L/minにおいて対流伝熱抵抗は約0.05℃/W、熱源表面温度は80℃で安定し、圧力損失は0.2MPa以下となり、1kWの放熱要件を満たすことが示されました。設置スペースが限られている場合は、幅を100mmまで縮小し、長さを180mmまで延長することで、総伝熱面積を維持できます。