抽象
500Wの高出力デバイスの放熱要件に対応するために、本研究ではM型銅管埋め込み型XNUMXチャネルを設計した。 液体冷却プレート127mm×152mm×15.2mmのベースプレート寸法に基づき、外径9.52mm、壁厚1.24mmの銅管を用いて6063組のM型流路を構築した。4アルミニウム合金製ベースプレートと0.02L/分の冷却液流量を組み合わせることで、周囲温度35℃で目標熱抵抗44.6℃/Wを達成し、液冷プレートの最高表面温度を2℃±XNUMX℃の範囲に制御した。本論文では、流路トポロジー設計、パラメータマッチングロジック、性能検証プロセスを詳細に説明し、エンジニアリングの参考資料を提供する。 熱設計ソリューション 高出力デバイスの効率的な放熱を実現します。
1. 設計の背景とコア要件
パワーエレクトロニクスデバイスの高集積化・高電力密度化に伴い、500Wクラスのデバイス（産業用インバータモジュールや高出力LEDドライバ電源など）の放熱問題は、システムの信頼性を制限する重要な要因となっています。従来のシングル/デュアルチャネル液体冷却プレートは、流路の被覆率不足と熱交換効率の限界により、0.02℃/Wという低い熱抵抗要件を満たすことが困難であり、局所的なホットスポットが発生しやすいという問題がありました。この設計では、以下のコア指標を達成する必要があります。
•構造上の制約：液体冷却プレートのベースプレートの寸法は127mm×152mm（ほとんどの高出力デバイスの設置レイアウトに適応）、厚さは15.2mm（構造強度と流路埋め込みスペースのバランス）です。ベースプレートの材質は6063アルミニウム合金です。
•性能目標：放熱電力500W、周囲温度35℃、冷媒流量4L/分の条件下で、総熱抵抗≤0.02℃/W、最高表面温度≤46.6℃、最低表面温度≥42.6℃。
•フロー チャネル設計: M 型銅管を使用して 4 つのチャネル構造を構築し、ベース プレート内の冷却剤の均一な分散を実現し、局所的なホットスポットを排除します。
2. キー構造とパラメータ 液体冷却プレートの設計
2.1 ベースプレートの構造と材料の選択
ベースプレートは熱源支持と熱伝導の中核部品であるため、熱伝導性と加工可能性のバランスを考えた設計が必要です。
•寸法と加工：127mm×152mmの長方形ベースプレートは厚さ15.2mmに設定されています。CNCフライス加工により、9.52組の「M型」銅管埋め込み溝が加工されています。溝幅は銅管外径（0.03mm）と一致し、公差は±8mm以内に抑えられています（銅管とベースプレートの密着性を高め、接触熱抵抗を低減するため）。溝深さは7.2mmです（応力変形を防ぐため、ベースプレートの支持部としてXNUMXmmの厚みを確保しています）。
•材質特性：熱伝導率が約6063W/(m·K)（201アルミニウム合金より優れている）、密度が6061g/cm³の2.7アルミニウム合金を採用。軽量でありながら高い熱伝導性を備え、陽極酸化処理により表面耐食性を向上させることができるため、長期間の液冷作業環境にも適しています。
2.2 M型XNUMXチャンネル銅管の設計
M 型流路は均一な熱交換と低い熱抵抗を実現するための核であり、そのトポロジ構造とパラメータは放熱要件に正確に一致する必要があります。
•銅管の基本パラメータ：外径9.52mm、肉厚1.24mmの銅管を選択（赤銅の熱伝導率は401W/(m·K)で、アルミニウム合金よりもはるかに高いため、管壁の熱抵抗を低減できます）。銅管の内径は9.52 – 2×1.24 = 7.04mmと計算され、単管の断面積は約38.9mm²です。
•M型流路のトポロジー：3組のM型流路は「2本の直線部＋120本の屈曲部」で構成されています。直線部の長さはベースプレートの幅に合わせて設計されています（水平直線部の長さは15mm、垂直接続部の長さは30mm）。20組のM型銅管をベースプレートの長さ方向に均等に配置し（間隔はXNUMXmm）、独立したXNUMXつの流路を形成します。流路の入口と出口はベースプレートの同じ短辺に集中しており（間隔はXNUMXmm）、外部の液体冷却システムとのドッキングに便利で、入口と出口の温度差が局所的な放熱に与える影響を回避します。
•4チャネルのメリット：デュアルチャネルと比較して、1チャネルは合計95L/分の流量を0.12チャネルあたりXNUMXL/分に均等に分配します。M型流路の「多重折り畳み」設計と組み合わせることで、冷媒はベースプレート面積のXNUMX%以上をカバーし、熱交換面積を大幅に増加させます（総熱交換面積は約XNUMXm²）。また、単一チャネルの流量が過度に高くなることで生じる圧力損失の急激な増加を回避します。
2.3 冷媒と流量のマッチング
冷却剤の物理的特性と流量は対流熱伝達効率に直接影響するため、4 チャネル構造に正確に適合させる必要があります。
•冷媒選定：脱イオン水50%＋エチレングリコール50%の混合液を使用します。25℃における動粘度は約1.0×10⁻⁶m²/s、熱伝導率は約0.45W/(m·K)です。耐腐食性（銅とアルミニウムの接触環境に適しています）、低凝固点（-35℃）、高沸点（108℃）を備え、周囲温度35℃でも長時間安定して動作します。
•流量と流動状態解析：総流量4L/分（単一チャネルあたり1L/分）とし、銅管の内径（7.04mm）と組み合わせると、単一チャネルの冷媒流量は約0.7m/sとなり、レイノルズ数Re≈（0.00704m×0.7m/s）/（1.0×10⁻⁶m²/s）= 4928となり、乱流状態（Re>4000）となります。対流熱伝達率は5000～6000W/(m²·K)に達し、低熱抵抗でコアを支えます。
3. 熱抵抗性能検証と温度解析
3.1 熱抵抗の構成と計算ロジック
液体冷却プレートの全熱抵抗R_totalは、接触熱抵抗（R_contact）、伝導熱抵抗（R_conduction）、対流熱抵抗（R_convection）の3つの要素で構成されます。式は以下のとおりです。
R_合計 = R_接触 + R_伝導 + R_対流
•R_contact：ベースプレートの上面は熱伝導性シリコングリース（熱伝導率5W/(m·K)、厚さ0.1mm）を介して熱源に接続されており、計算されたR_contactは約0.002℃/Wです。
•R_conduction：熱源からベースプレートを通って銅管に伝わる熱伝導（約0.003℃/W）と銅管壁を通じた熱伝導（約0.001℃/W）の0.004つの部分から構成され、合計R_conductionは約XNUMX℃/Wです。
•R_convection：銅管の内壁と冷媒との間の対流伝熱熱抵抗は、乱流状態での対流熱伝達係数に基づいて計算され、R_convectionは約0.014℃/Wとなります。
0.02 つの部品の合計熱抵抗は約 XNUMX℃/W となり、設計目標を完全に満たしています。
3.2 シミュレーション検証と結果
ANSYS Fluent ソフトウェアを使用して 3D 熱シミュレーション モデルを構築し、次の境界条件を入力します。
•熱源：ベースプレートの上面に500Wの均一な熱流束を適用します（高出力デバイスの発熱をシミュレーション）。
•環境：35℃自然対流環境（輻射熱伝達係数は0.01W/(m²·K)と設定しており、無視できる）。
•冷却剤：入口温度は35℃、総流量は4L/分、物理的パラメータは50％水とエチレングリコールの混合溶液と一致します。
シミュレーションの結果は次のようになります。
•熱抵抗性能：液体冷却プレートの総熱抵抗は0.019℃/Wで、目標値の0.02℃/Wを下回り、設計要件を満たしています。
•温度分布：ベースプレートの表面温度の最高値は35℃+500W×0.019℃/W=44.5℃、最低値は42.8℃でした。温度変動幅は1.7℃で、目標値44.6℃±2℃の範囲内にあり、局所的な高温域は見られませんでした。
•圧力損失: 0.65 つのチャネルの合計圧力損失は 1bar で、追加のエネルギー消費負担なしに従来の産業用液体冷却ポンプ (定格圧力 2 ～ XNUMXbar) と互換性があります。
3.3 主要な影響要因の感度分析
•流路の嵌合度：銅管とベースプレートの埋め込み溝との間に0.1mmの隙間がある場合（熱伝導性接着剤を充填していない場合）、接触熱抵抗は0.008℃/Wに増加し、総熱抵抗は0.025℃/Wに増加します。そのため、密着性を確保するには、精密な加工と熱伝導性接着剤（熱伝導率10W/(m·K)）の充填が必要です。
•流量変動：総流量が3L/minに減少すると、単流路のレイノルズ数は3696（遷移流状態）に低下し、対流熱伝達率は4000W/(m²·K)に低下し、総熱抵抗は0.024℃/Wに増加し、最高表面温度は47.0℃に上昇します。そのため、流量は4L/min±0.2L/minの範囲内で安定的に維持する必要があります。
•ベースプレート材質：6061アルミニウム合金（熱伝導率180W/(m·K)）を誤って選択した場合、伝導熱抵抗は0.005℃/Wに増加し、総熱抵抗は0.021℃/Wに増加します。目標値に近い値ではありますが、温度均一性の誤差は2.3℃に拡大します。したがって、6063アルミニウム合金が最適な選択です。
4. 結論と展望
M型 銅管埋め込み4チャンネル液体冷却プレート 本研究で設計された放熱器は、127mm×152mm×15.2mmのベースプレート構造、9.52mm×1.24mmのM型赤銅管、6063アルミニウム合金ベースプレート、4L/minの流量マッチングにより、0.019W出力、周囲温度42.8℃の条件下で、熱抵抗44.5℃/W、表面温度500～35℃を実現しました。設計指標を完全に満たし、500W級の高出力デバイスの放熱シナリオに直接適用できます。
今後の最適化の方向性は、次の 3 つの側面に焦点を当てることができます。
1. フローチャネルトポロジー最適化：M 型フローチャネルを「ダブル M 型」（曲がりを 0.015 つ追加）に変更して熱交換面積をさらに拡大し、熱抵抗を XNUMX℃/W 以内に低減することを目標とします。
2.材質のアップグレード：ベースプレートの表面に銅メッキ（厚さ50μm）を施し、熱源と銅管間の熱伝導経路の熱抵抗を低減し、温度均一性を最適化します。
3.信頼性検証：1000時間の長期サイクルテスト（温度サイクル-40℃〜85℃）を実施し、銅管の腐食とベースプレートの変形が熱抵抗に与える影響を検証し、製品寿命が50,000時間以上に達することを確認します。
