アディティブ・マニュファクチャリングでベイパー・チャンバーの熱性能を向上させる方法
インターネットへの欲求と依存度が高まり続ける中、2025年までに私たちは18秒ごとにデータセンターとやりとりするようになると予測されている[1]。このため、エレクトロニクス産業は活況を呈し、需要に追いつくためにデータセンターの数は急速に増加している。データセンターのサーバーとともに現代の電子機器に電力を供給するには、膨大な量のエネルギーが必要であり、最新の数字によれば、データセンターは現在、世界中で発生する総エネルギーの約3%を消費している[2]。
エレクトロニクスの熱管理
しかし、このエネルギー消費の大部分は冷却によるもので、一部のデータセンターでは、エネルギーの40%を冷却・換気システムの電力に費やしている[3]。損傷を避け、性能を維持し、信頼性と寿命を向上させるためには、このような無駄な熱を電子機器から効果的に放散させる必要がある。
電子機器メーカーやデータセンターは、必要な冷却量を減らし、エネルギー消費量を削減するため、電子部品をより効率的に冷却する新しい方法を模索している。これにより、エネルギーコストだけでなく、二酸化炭素排出量も最小限に抑えることができる。
二相伝熱
電子機器を冷却するための典型的なアプローチは、循環する冷却水を介して熱源から熱を伝導する金属製ヒートシンクを使用することである。しかし、より効率的な熱伝導方法は相変化技術である。これは基本的に、作動流体が蒸発する際に熱エネルギーを吸収し、凝縮する際にこのエネルギーを放散するものである。
相変化冷却技術は、はるかに速い速度でエネルギーを伝達する非常に効果的な方法です」と、コンフラックス・テクノロジーのサーマル・エンジニア、ジェイソン・ヴェラルド博士は説明する。作動流体の潜熱が高いということは、相変化に大量の熱エネルギーを必要とするということであり、蒸発する前に熱源から大量の熱を吸収する能力があります」。
電子機器における効率的な熱管理は、部品が小型化し続け、よりコンパクトで厳しい環境になるにつれて、ますます重要になってきています。相変化技術のもうひとつの利点は、完全にパッシブであることです。液体を送り込む必要がある従来の冷却システムとは異なり、基本的にそれ自体で動作します。しかし、ベーパーチャンバーによって性能が向上すれば、このエネルギー投入を最小限に抑えることができるでしょう
ベーパーチャンバーとは何ですか？
相変化熱伝達装置のひとつにベーパーチャンバーがある。この二相閉ループシステムは、作動流体と多孔質ウィッキング構造で満たされた密閉されたエンクロージャーで構成されている。作動流体は熱源から発生する熱エネルギーを吸収し、蒸発して蒸気になる。この密度の低い蒸気は、チャンバー内の温度の低いエリアまで上昇し、凝縮して液体に戻り、相変化する際に熱エネルギーを放出する。
その後、液体は毛細管現象によって多孔質ウィック構造内を流れ、熱源に戻ってプロセスを繰り返す。この蒸発と凝縮の絶え間ないサイクルにより、ベーパーチャンバーは広い表面積で効果的に熱を放散することができる。
ベーパーチャンバー対ヒートパイプ
ベーパーチャンバーは、同じような相変化原理に基づくヒートパイプとよく比較されます」とヴェラルド氏は言う。ヒートパイプは、パイプに沿ってA地点からB地点に熱を移動させることに重点を置いているのに対し、ベーパーチャンバーは、集中した地点から熱を表面全体に広げるように設計されています。ベーパーチャンバーが得意とするのは熱の拡散であり、高性能エレクトロニクスの集中した環境における熱管理に理想的なのです」。
伝統的なベーパーチャンバーの製造
ベーパーチャンバーは外から見ると平らなプレートのように見えるが、その内部は基本的に中空の長方形の容器である。この容器は作動流体の移動を容易にする多孔質ウィック構造で裏打ちされ、この内部が空の蒸気領域である。
通常、容器は機械加工された金属板をつなぎ合わせて作られる。ウィックは、粉末の層を堆積させて別々に製造され、それを圧縮して加熱することで、剛性はあるが多孔性の構造を作り出す。この芯は金属シートの表面に接着され、金属接合プロセスによってアセンブリの2つの半分が接合される。
このような伝統的な製造技術の課題は、単に工程が多いということだけでなく、各工程が微妙に異なる温度や環境を必要とすることです」とヴェラルド氏は言う。構造体が接合され、漏れがないようにしっかりと密閉されるようにするためには、工程の順番を本当に考えなければなりません。
ベーパーチャンバーの革新：積層造形の可能性
製造工程を合理化するため、コンフラックス・テクノロジー社は、アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）を利用して、容器、芯、チャンバーを1つのモノリシック構造として、1つの印刷工程で印刷する実験を行っている。これにより、製造工程の数が削減されるだけでなく、層ごとに構造を構築する固有の忠実性により、積層造形は、排熱性能を維持または向上させながら、ユニークな形状を作成することができます。
3Dプリンターによる蒸気室に関する研究はほとんどないため、魅力的な研究開発プロジェクトですが、大きな可能性を秘めていると信じています」とヴェラルド氏は強調する。主な利点のひとつは、従来の方法では製造や効果的な密封が非常に困難であった、非常に詳細で複雑な設計を可能にすることです。これによって、これまでは不可能だった、本当に厳しい環境でベーパーチャンバーを使用する機会が開かれるのです」。
ベーパーチャンバーの性能を引き出す
コンフラックスの最初のベーパーチャンバー設計は、アルミニウム容器とウィックを備えた円形で、作動流体としてアセトンを使用するものだった。いくつかの初期テストの後、ウィックの水力性能とベーパーチャンバーの熱性能の両方が有望であることを示した：
- 付加的に製造されたウィックは、従来から製造されているウィック構造と同様の透過性と空隙率を有していた。
- 付加製造されたベーパーチャンバーの熱抵抗は、固体の金属製サーマルスプレッダーに比べて約10%減少することがわかった。
- ベーパーチャンバーは、ソリッドスプレッダーに比べ、表面の温度分布がより均一であった。
- 二相ベーパー・チャンバー・ソリューションへの切り替えで約50%の軽量化
ウィック構造を開発するのが、圧倒的に難しい挑戦でした」とヴェラルド氏は説明する。アディティブ・マニュファクチャリングが発明されて以来、困難だったのは、気孔率ゼロの固体構造を印刷することでした。しかし、ウィック構造は多孔質である必要があるため、私たちは完全に発想を逆転させなければなりませんでした」。
ウィック内の何千もの微細な孔は、毛細管現象を利用して作動流体を通過させます。これにより、凝縮した作動流体を熱源に循環させるのに必要な圧力差が生じます。これらの細孔の特性がウィックの性能を決定し、したがってベーパーチャンバーやその他の二相熱伝達装置における適性を決定します。
一般的に、最も効果的なウィック構造は粉末を焼結したものです」とヴェラルド氏は説明する。これは粉末を金型に入れて圧縮し、オーブンで融合させるもので、選択的レーザー焼結と似た原理です。私たちは、これまでにない付加製造技術を使って焼結ウィックを製造できるかどうかを確かめたかったので、オーブンの代わりにレーザーを使い、プリント中に粉末を部分的に溶融させました。私たちは、このレーザーの挙動を正確に制御して芯の特性を微調整し、より高い熱性能を達成することができます。また、容器の固い壁と芯の多孔質の壁を切り替えて印刷することもできます」とヴェラルド氏は続ける。
全体として、われわれの研究は、積層造形がベーパーチャンバーに必要な製造工程数を削減できるだけでなく、従来の設計よりも高い熱性能を持つベーパーチャンバーを製造できることを示した。まだまだ研究は必要ですが、私たちの研究開発の成功を受けて、積層造形ベーパーチャンバーの特許をいくつか申請しています」。積層造形ベーパーチャンバーがエレクトロニクス冷却業界にもたらす潜在的なメリットは、非常にエキサイティングなものです」。
参考文献
[1] データセンターの消費電力 [オンライン].ダンフォス
[2] 2023. 何がハイパースケールをハイパースケールにするのか？ [オンライン]。AFLハイパースケール
[3] 2022. データ センター冷却コスト [オンライン]。データスパン
