コールドプレートの設計・製作

コールドプレート（水冷ヒートシンク）とは？

高い温度環境下で使用される電子部品などのハイエンドアプリケーションには、動作に支障をきたさない効率的な冷却システムが必要です。コールドプレート（別名：水冷ヒートシンク）は最も効率的な冷却方法として、ディスプレイ製造に使う蒸着装置の真空チャンバー内などで使用され、数百度に及ぶ高い温度環境から電子部品を保護し、装置に高いレベルの性能と信頼性をもたらします。

真空チャンバー内で熱を帯びた水冷ジャケット構造のコールドプレートは内部を循環する冷却液と、管または通路（溝）を介して接触し、その結果コールドプレート全体が冷却され、過剰な熱を放散することによって熱負荷を低減させます。

協友製作所のコールドプレート

協友製作所のコールドプレートは、材質がアルミ、ステンレス、銅製の水冷ジャケット構造です。

水冷ジャケットにおけるプレート本体と水冷蓋の接合方法は、ステンレスの場合はTig溶接、銅およびアルミの場合は摩擦攪拌接合（FSW)に特化、加えて、高度な歪み取り技術によって、熱源との接地面は、最適な平面度を実現し冷却効率向上に貢献しています。

施工範囲

材質	アルミ、ステンレス、銅
接合方法	Tig溶接、真空ロウ付け、電子ビーム溶接（EBW）、摩擦攪拌接合（FSW）
製作可能な最大サイズ	円形：φ800mm 長方形：幅1,000mm、長さ2,000mm
構造	溝加工して蓋を上から接合するジャケット構造が主
形状	様々な外形、複雑な水路形状に対応
仕様	製造部品は「すべて顧客仕様のカスタムメイド」

製作実績

コールドプレートのFSW接合（アルミ製）

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弊社では製品・加工に関する技術的なご相談から、見積もりの相談まで幅広く対応しています。

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FSW(摩擦攪拌接合)による水冷コールドプレート

メリット1：冷却性能が均一化される

表面仕上げ工程後の蓋の厚みを均一にするため、図のように専用のプレス機で基材と蓋の反りや歪みを矯正します。その後、仕上げ工程を行います。この工程を経ることで、均一な蓋の厚みが実現されます。蓋の厚みが均一であれば、溝（冷却路）から蓋の上面（接触面）までの距離も一定となり、ばらつきのない冷却性能を持つ。

プレス機で修正せずに接触面から仕上げ加工を行うと、図のように場所によって完成時の蓋の厚みが変わってきます。溝（冷却路）に対して蓋の厚い部分と薄い部分があると、厚みの違いから温度差が生じ、その結果、冷却性能にばらつきが生じます。

メリット2：高い接合信頼性

FSWによる接合は，蓋を母材に隙間なく密着させることができる。
電子ビームにより材料を融点温度以上に加熱する溶融溶接では、スラグや気泡による接合部の信頼性が懸念されます。また、ろう付けでは、ろう材不足による接合不良が懸念される。一方、固相接合であるFSWは、溶融せずに固体のまま加熱・軟化し、加圧して接合する。そのため、スラグや気泡がほとんどなく、接合不良が発生することはほとんどありません。そのため、母材と蓋の接合部において高い信頼性を実現しています。

メリット3：多品種少量生産(HMLV)

生産ラインの製造装置で使用される部品は、量産品とは異なり、装置専用のカスタマイズ品も必要となる。FSWは専用の加工装置を活用して使用するため、多品種少量生産に対応できます。
当社の加工装置は、切断と接合（FSW）を同じ機械で行うことができる特製のハイブリッドマシンです。加工から接合まで一貫した生産体制をとっており、高品質を保証する製品づくりが可能です。

メリット4：高い材料強度

FSWは高い材料強度を維持できる。ロウ付けの場合、ロウ付け時に全体が高温になり、母材が軟化してしまう。自重で曲げれば曲げるほど、材料の強度が弱くなるケースもあります。一方、FSWは固相接合であり、材料全体を加熱する必要がないため、母材が軟化することがない。また、接合部は母材と同等かそれ以上の材料強度を持つ。このように、FSWは母材の材料強度を低下させない接合方法である。

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コールドプレートの設計時に考慮すべきこと

1 材料

アルミニウム

アルミニウムは、コストや重量の面で優れています。例えば、銅と比較すると、コストは約3分の1です。また、重さも約3分の1です。一方、銅の熱伝導率398W - m-1 - k-1に比べ、アルミの熱伝導率は236W - m-1 - k-1と約半分です。冷却効率は銅に劣りますが、低コストで軽量なコールドプレートが必要な場合は、アルミが適しています。

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銅

銅の熱伝導率は398W - m-1 - k-1で、アルミニウムやステンレスに比べ高い熱伝導率です。例えば、ステンレス鋼（SUS304）の約20倍（16.7W - m-1 - k-1）、アルミニウムの約2倍（236W - m-1 - k-1）である。したがって、放熱性能を重視するのであれば、銅の使用が適しています。

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ステンレス鋼

ステンレスは耐食性に優れています。銅やアルミの素材に比べ、イオン交換装置が不要で、クーラント（冷却水）管理が容易です。そのため、冷却水のメンテナンス性を重視する場合は、ステンレスの使用が適しています。

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温度均一性

コールドプレートはただ冷やせばいいというものではありません。場所によって、ばらつきのない均一な冷却機能が求められます。冷却のばらつきの原因は、冷却部の溝の蓋の厚さです。蓋の厚みが場所によって異なると、使っているうちに温度にばらつきが生じ、コールドプレートの機能が低下してしまいます。冷却性を均一にするためには、蓋の厚みを一定にする工夫と、それを実現する優れた加工技術が必要です。

流体（冷却材）

一般的に水冷式コールドプレートは、素材によって使用できる冷却水（クーラント）が決まっています。なぜなら、適切な冷却水を選択しないと、材料と冷却水との間で電気化学反応が起こり、材料が腐食してしまうからです。例えば、アルミニウムであれば、水中に含まれる塩化物イオンや銅イオンでも腐食が起こる可能性があります。そのため、イオン交換ユニットで管理された純水と防錆剤入りの不凍液を使用することが適しています。

液状コールドプレートの製造工程における接合方法について

チューブインプレート型

基材に冷却管を埋め込むコールドプレートです。パイプを基材の流路に挿入する際に圧力をかけ、基材の流路に挿入する。流路に合わせてパイプを加工する必要があるため、複雑な流路を作ることが難しい。また、流路の屈曲部分にパイプが追従できず、パイプと基材の間に隙間ができてしまい、局所的に冷却性能が低下する可能性があります。

ろう付け

ろう付けとは、接合したい部品の間にある「ろう材」と呼ばれる接着剤を熱で溶かし、冷却して固定する方法です。溶接とは異なり、母材を溶かすことはありません。ろう材にはいくつかの種類があり、銀を主成分とするものが「銀ろう」です。
ろう付けは大気中と真空中の両方で可能で、特に真空中のろう付けは気密性の高い接合が可能で、コールドプレートでの実用例が多くある。一方、ろう材の加熱や母材自体の熱処理も発生するため、熱影響による母材の強度低下が懸念される。

FSW(摩擦攪拌接合)

FSWとは、英語でFriction Stir Weldingの略です。摩擦攪拌接合は、先端に突起のある円筒形のツールを回転させながら、強い力で押し付ける部品材を接合する方法です。接合部品材料の接合点にツールの突起を当て、回転する摩擦熱で主材料を軟化させると同時に、ツールの回転で周囲を塑性変形させ、部品を一体化させる。雰囲気全般で使用することができます。接合部の熱影響を最小限に抑えることができ、騒音や粉塵の発生を抑えることができる。

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水冷プレートの種類

1. チューブインプレート型水冷プレート

チューブインプレート式水冷プレートとは、熱伝導性の高いアルミニウム、銅、ステンレスなどのベースプレートにチューブを埋め込んだコールドプレートの設計の一種です。冷却水はこのチューブの中を流れ、ベースプレートから熱を吸収し、循環させながら放熱します。この方式は比較的シンプルで費用対効果も高いため、さまざまなアプリケーションで採用されています。

チューブインプレート型コールドプレートの利点は、製造が容易であるため、コストを低く抑えることができることです。また、アプリケーションの熱管理要件に応じて、さまざまなチューブの材質、形状、構成に対応できるようカスタマイズすることができます。しかし、チューブインプレート型コールドプレートは、マイクロチャネルやジェットインピンジメントを使用したものなど、より高度な設計と比較して、同レベルの熱性能を提供できない場合があります。

2. 摩擦攪拌接合型水冷コールドプレート

摩擦攪拌接合型コールドプレートは、熱伝導性の高い2枚の板を摩擦攪拌接合（FSW）で接合し、冷却水の流路を形成するコールドプレート設計の一種です。摩擦攪拌接合は固体接合であり、高品質で漏れのない接合部が得られるため、水冷コールドプレートの製造に最適な方法です。

摩擦攪拌接合によるコールドプレートは、優れた熱性能、プレート間の強固で信頼性の高い接合、複雑な流路形状への対応など、いくつかの利点を備えています。この設計は、高性能電子機器の冷却、自動車用バッテリーの冷却、航空宇宙用熱管理システムなど、幅広い用途に適しています。

水冷コールドプレートの形状

コールドプレートはその形状によって分類され、冷却性能と特定の用途への適合性に大きな影響を与えることができます。ここでは、一般的なコールドプレートの形状と、そのメリット・デメリット、代表的な使用例を紹介します。

水冷コールドプレートの形状

コールドプレートはその形状によって分類され、冷却性能と特定の用途への適合性に大きな影響を与えることができます。ここでは、一般的なコールドプレートの形状と、そのメリット・デメリット、代表的な使用例を紹介します。

1. 平板型コールドプレート

フラットな水冷コールドプレートは、最も一般的で汎用性の高いタイプのコールドプレート設計です。平らで熱伝導性の高いベースプレートに、冷却液の流路やチューブを組み込んで構成されています。熱源と直接接触し、効率的な熱伝達と表面全体の均一な冷却を実現するために、平板コールドプレートを使用します。

平板型コールドプレートの利点は、シンプルで製造が容易であること、幅広い用途に対応できることです。また、熱性能を最適化し、特定の要件を満たすために、さまざまな材料、流路設計、表面仕上げでカスタマイズすることが可能です。しかし、平板コールドプレートは、不規則な形状の部品や、スペースの制約からよりコンパクトなソリューションが求められるアプリケーションでは、最も効率的な冷却を提供できない場合があります。

フラットな液体コールドプレートは、電子機器冷却、自動車バッテリー冷却、産業機器冷却などの用途で一般的に使用されています。

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