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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
最も人気のあるウォーターブロックは、基本的に純銅のマイクロチャネルタイプです。銅製の底板は直接スカイビング加工され、フィンは底板と一体化して熱抵抗を減らします。底板とカバープレートはろう付けまたは拡散接合されており、シールの信頼性を確保しています。
パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
1- スカイビングプロセスを使用してウォーターブロックを製造する利点
l 統合設計：スカイビングプロセスは、床とフィンを統合できるため、接触熱抵抗を減らし、熱伝導率を向上させるのに役立ちます。さらに、底板とフィンを統合した設計により、構造強度も向上します。
l 高精度加工：スカイビングプロセスでは非常に細かい歯構造を生成でき、歯の高さ、歯の厚さ、歯のピッチを正確に制御できるため、ヒートシンクフィンの密度が高くなり、放熱面積が大きくなり、放熱効率が向上します。同時に、形状、サイズなど、さまざまな顧客の個別のニーズにもよりよく対応できます。
l 生産効率が高く、スカイビングプロセスは大量生産できます。従来のCNCと比較して、スカイビングプロセスでは複数のギアピースを同時に処理できるため、生産効率が大幅に向上します。
図1: 異なる加工技術を用いたウォーターブロックベース a-スカイビング b-CNC c-冷間鍛造
2-スカイビングウォーターブロックのコスト構造
l 設計開発コスト: スカイビングウォーターブロックの設計の複雑さは比較的高く、特に高い放熱性能が求められる場合は、複雑なプロセス設計と最適化が必要になります。
l 材料コスト: スカイビングプロセスで使用される材料は主にアルミニウムと銅合金です。ラジエーター製造では、アルミニウム板と銅合金を組み合わせた設計がより一般的で、コストパフォーマンスが高いため、アルミニウムと銅の品質がコストに直接影響します。
l 加工コスト:
スカイビング工程コスト：スカイビング工程には、3軸CNC工作機械などの高精度CNC加工設備が必要です。このような設備の使用には高い投資コストが必要であり、オペレーターの技術要件も高く、生産コストが増加します。
溶接工程コスト：ウォーターブロックの製造工程では、溶接工程も重要なコスト要因です。真空ろう付けと拡散溶接は、一般的に使用される2つの溶接方法です。ろう付けは複数のジョイントを同時に溶接でき、生産効率が高く、ろう付け材料が必要で、プロセス条件に対する要件が高く、品質管理が困難です。拡散溶接設備は1回限りの投資が大きく、拡散溶接はフィラーを必要としませんが、ワークピースの表面処理に対する要件が高くなります。
表面処理コスト：一般的な表面処理方法には、陽極酸化、メッキなどがあります。アルミニウム合金ウォーターブロックの場合、陽極酸化により表面硬度、耐摩耗性、耐腐食性が向上し、製品の美観が向上します。銅製ウォーターブロックにはニッケルメッキなどのメッキが施され、銅の酸化や腐食を防ぎ、製品の寿命と信頼性を高めます。
l その他の費用: 検査およびテスト、梱包および輸送など。
3-コスト最適化の提案
l 材料使用の最適化
適切な材料を選択します：たとえば、銅は熱伝導率が高く、単位密度が高く、単価も高いです。アルミニウムは軽量で単価が低く、熱伝導率がやや悪いです。
材料使用: 材料の厚さとマージンを正確に計算することで、材料を効率的に使用し、材料の無駄を減らします。
図2: 材料消費量計算の概略図
l 生産プロセスの最適化
金型の簡素化: 金型の複雑さとコストを削減するために、シンプルな金型を設計します。
スクラップ率の削減: 正確なプロセス制御と品質検査によりスクラップ率を削減します。
ワンステップ成形: プロセスルートを最適化し、複数の処理ステップを削減し、生産効率を向上させます。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
ウォーターブロックは液体冷却システムの重要なコンポーネントであるため、その設計では、熱交換性能、構造強度、耐腐食性、耐漏洩性、コスト管理など、さまざまな要素を考慮する必要があります。ウォーターブロックは通常、複雑な熱交換スロット構造（つまり、流路）で設計されており、その内部の流路設計の品質がシステム全体の熱交換効率を直接決定します。
パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
1-さまざまなシナリオにおけるウォーターブロックの設計要件
l 高性能コンピューティング:
高性能コンピューティングデバイス（高性能CPU、GPUなど）は動作中に大量の熱を発生するため、ウォーターブロックには効率的な放熱機能が必要です。高熱流束密度の放熱要件を満たすために、ウォーターブロックは通常、高密度マイクロチャネル設計を採用して熱交換面積を増やし、放熱効率を向上させます。さらに、一部の設計ではウォーターブロックをCPUに直接統合し、シリコングリースを塗布する手順を排除することで、組み立てプロセスを簡素化するだけでなく、放熱性能をさらに向上させます。信頼性の面では、ウォーターブロックは漏れを防ぎ、長期にわたる安定した動作を確保するために、優れた密閉性能を備えている必要があります。
l グラフィックカードの冷却:
グラフィック カードは発熱量が多い部分なので、ウォーター ブロックはグラフィック カード上の発熱部品すべてを効果的に冷却できるよう、全面カバー設計にする必要があります。同時に、グラフィック カードの冷却には高流量の冷却剤が必要なので、ウォーター ブロックの内部構造は高流量に対応して熱を素早く除去する必要があります。
l データセンター:
データセンターでは、データセンターの安定した動作と効率的な放熱を確保するために、ウォーターブロックの構造設計は、効率的な放熱、低騒音、高信頼性、高電力密度への適応性、インテリジェントな管理、環境適応性など、複数の要件を満たす必要があります。
2-ウォーターブロック構造の進化の傾向
ウォーターブロックの構造設計の進化の傾向は、技術革新と性能向上の二重の追求を反映しており、主に以下の側面に反映されています。
l 放熱性能の向上：
接触面積を増やす：一部のウォーターブロック設計では、発熱体との接触面積を増やすことで放熱性能を向上させています。たとえば、大面積の銅ベース設計では、良好な接触と熱伝導を実現できます。
内部構造の最適化：内部の水路を最適化します。1つのアイデアは、通常のフィンからステアリングフィンに変更し、長いストリップフローチャネルを提示し、フロー境界層の分離を促進し、境界層の厚さを減らし、熱交換効率を向上させるなど、流体の流れを最適化することです。もう1つのアイデアは、従来の粗い水路からマイクロチャネル設計に変更するなど、熱容量領域を増やすことです。これにより、冷却剤とベースプレートの接触面積が大幅に増加し、放熱効率が向上します。一部の設計では、冷却剤をガイドプレートを介してマイクロチャネルベースプレートに噴霧して、局所的な流速と乱流を増加させ、熱吸収効率を大幅に向上させます。
l 統合されたインテリジェントなデザイン:
統合設計：統合設計では、ウォーターポンプ、ヒートシンクフィン、熱伝導ベースなどのコンポーネントを統合して、接続ポイントの数を減らし、システムの安定性と放熱効率を向上させます。
多機能統合：放熱性能に加えて、最新のウォーターブロックには温度表示と監視機能もあります。
モジュラー設計：モジュラーバックル構造により、整理の利便性と自由度が向上します。
図1: フィンの厚さが異なるウォーターブロックベース
l 高性能な素材と仕上げ:
純銅ベースなどの高性能材料の使用とニッケルメッキなどの表面処理技術の組み合わせにより、熱伝導性と耐腐食性が向上します。
3-加工技術と課題
l 材料特性は処理に影響します:
材料の硬度と靭性の問題: 銅、アルミニウム、およびそれらの合金などの異なる材料で作られたラジエーターは、硬度と靭性が異なり、加工ツールとプロセスに対する要件も異なります。硬度が高い材料は摩耗が早く、ツールの交換頻度も高くなります。靭性が高い材料は、切削中に変形やバリが発生しやすくなります。
銅アルミニウム複合材料の加工は複雑です。銅アルミニウム複合材料のシャベル歯ヒートシンクは、まず連続鋳造半溶融状態プレス技術を使用して複合材料にしてから、シャベル歯加工を行う必要があります。このプロセスはより複雑で、設備とプロセスに高い精度が求められます。
l 高い寸法精度要件
歯の高さと厚さの一貫性を確保するのが難しい：一部の高密度歯ヒートシンクでは、ヒートシンクの性能と均一性を確保するために、各歯の高さと厚さに高い一貫性が求められます。歯の高さと歯の厚さの差が大きすぎると、熱伝達が不均一になり、放熱効果に影響します。加工中は、高精度の設備と自動制御システムを使用して、各歯の仕様が一貫していることを確認する必要があります。
歯間隔の制御が難しい：ヒートシンクの歯が密集しすぎると、その密度と間隔によって加工プロセスが複雑になり、歯の均一性を維持するために加工設備の速度と精度を高める必要があります。たとえば、歯間隔が小さすぎると、切削中に工具が干渉しやすくなり、加工精度と表面品質に影響します。
l 厳しい表面品質要件
バリの問題: 加工中にバリが発生しやすく、ラジエーターの美観に影響を与えるだけでなく、空気の流れを妨げ、放熱効果を低下させる可能性があります。バリの発生は、材料の切断精度が低いこと、加工ツールの摩耗などによって引き起こされる可能性があり、バリの解決には対応するバリ取りプロセスを採用する必要があります。
表面粗さ: ラジエーターの表面粗さは、放熱性能とその後の表面処理効果に影響を与えます。表面粗さが大きすぎると、空気の流れに対する抵抗が増加し、放熱効率が低下します。粗さを減らすには追加の表面処理が必要であり、加工コストと時間が増加します。
l 高度な処理設備とプロセス要件
設備の精度と安定性：ギアショベルには高精度のギアショベルマシンが必要であり、設備の精度は歯の寸法精度と表面品質に直接影響します。同時に、長期加工中の寸法の一貫性を確保するために、設備は良好な安定性を備えている必要があります。
工具の選択と摩耗：適切な工具は加工品質にとって重要です。工具の材質、形状パラメータなどは、材料特性に応じて選択する必要があります。加工プロセス中に工具が摩耗すると、切削力が増加し、寸法精度が低下し、表面粗さが増加するため、工具を適時に調整または交換する必要があります。
送り速度と切削深さ：送り速度と切削深さの不合理な設定は、加工不良につながりやすくなります。送り速度が速すぎて切削深さが大きすぎると、工具に過負荷がかかり、工具のひっかかり、工具の跳ね返り、工具の落下などが発生し、加工精度と表面品質に影響します。
図2: スカイビングプロセス
l 高度なカスタマイズ要件
さまざまなアプリケーション シナリオでは、ラジエーターのサイズ、形状、歯の高さ、歯の厚さ、歯の間隔などのパラメーターに対する要件が異なり、特定のニーズに応じてカスタマイズする必要があります。これにより、加工メーカーは、多様なカスタマイズ ニーズを満たすために、柔軟なプロセス調整機能と豊富な経験を備えている必要があります。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート1：ウォーターブロックの構造と動作原理
世界の人工知能コンピューティング能力の急速な成長とチップの熱設計消費電力（TDP）の継続的な増加により、データセンターの冷却需要は前例のない課題に直面しています。同時に、世界中でますます厳しくなる省エネおよび炭素削減政策は、冷却技術の革新をさらに促進しました。このような状況において、従来の空冷ソリューションは、効率的な放熱と省エネという2つの要件を満たすことが徐々に困難になってきました。液体冷却技術は、その優れた放熱性能と大幅な省エネの利点により急速に台頭し、データセンター冷却ソリューションの主流の選択肢になりつつあります。データ処理とストレージの中核機器であるサーバーのパフォーマンスと安定性は、システム全体の動作効率に直接関係しています。マザーボード、CPU、メモリ、ハードディスク、グラフィックカードなどのサーバーのコアコンポーネントは、継続的な高負荷動作下で大量の熱を発生します。熱を適時に効果的に放散できない場合、サーバーのパフォーマンスと寿命に深刻な影響を及ぼします。このため、高度な液体冷却システムがサーバー冷却ソリューションに導入され、CPU やグラフィック カードなどの主要な熱源に直接取り付けられ、放熱効率が大幅に向上しました。
パート1：水冷ブロックの構造と動作原理
液体冷却システムのコアコンポーネントの 1 つはウォーターブロックです。ウォーターブロックは通常、熱伝導率の高い銅またはアルミニウム材料で作られ、精密な水路とヒートシンク構造で設計されています。これらのウォーターブロックは、CPU や GPU などの熱源の表面にぴったりフィットし、内部を循環する冷却水を通じて熱をすばやく吸収して伝達します。その後、熱はヒートシンクに運ばれ、水冷システムを通じて循環し、最終的に周囲の空気中に放散されます。
図1: 主流チップメーカーのチップ熱消費電力の傾向
1- 一般的なウォーターブロックの種類と特徴
l マイクロチャネルウォーターブロック
特徴：マイクロチャネルウォーターブロックは、精密なマイクロ水チャネル設計を採用しています。水チャネル構造は細かく複雑で、冷却剤と発熱部品との接触面積を大幅に増やすことができ、放熱効率が大幅に向上します。マイクロ水チャネル設計は、冷却剤の流れ中に強い乱流効果を生み出し、対流熱伝達係数をさらに高め、効率的な熱伝達を実現します。
適用シナリオ：特に、非常に高い放熱要件を持つ高性能コンピューティング、オーバークロック、データセンターなど、発熱量の多いCPUやGPUに適しています。
l 大流量ウォーターブロック
特徴: 大流量ウォーターブロックの内部構造は比較的シンプルで、通常は銅板またはエッチング溝設計を使用しており、製造コストが低くなっています。その主な利点は、高速水流を利用して熱を素早く除去し、大流量水冷システムでの使用に適していることです。構造はシンプルですが、効率的な放熱能力により、非常にコスト効率の高い選択肢となっています。
適用シナリオ: 中高級DIYコンピュータシステムや中小規模のサーバークラスターなど、放熱効率に一定の要件があるが予算が限られているシナリオに適しています。
l ジェット式水冷ヘッド
特徴：ジェット式水冷ブロックは、ガイドプレートを介して狭いノズルからマイクロチャネル底板に冷却剤を高速で噴射し、強力な乱流効果を形成して放熱効率を大幅に向上させます。この設計により、冷却剤とベースとの接触面積が増加するだけでなく、高速流によって熱交換性能がさらに最適化されます。
適用シナリオ：高性能CPUおよびGPUに適しており、特にオーバークロックコンピューティング、人工知能トレーニング、グラフィックスレンダリングなど、高放熱要件と高流量シナリオに適しています。
2-ウォーターブロックの一般的な構造
ウォーターブロックは、内部に水路を備えた金属ブロックで、通常は銅またはアルミニウムで作られています。CPU、グラフィックカード、その他の熱発生デバイスと接触することはありません。その構造設計は、放熱性能の品質を直接決定します。一般的なウォーターブロックは、通常、次の主要部品で構成されています。
l ベースは通常、銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られており、表面は発熱部品との密着性を確保するために細かく加工されており、ベースには複雑な流路設計が施されており、冷却剤とベースの接触面積が増加します。
l カバー プレートは、ベースと一緒になってフロー チャネル シーリング キャビティを形成し、ウォーター ブロック内のフロー チャネル、シール、およびその他のコンポーネントをほこり、不純物、外部の物理的損傷から保護します。
l 水の入口と出口は、冷却剤が水冷ヘッドに出入りするためのインターフェースです。これらは通常、冷却剤がスムーズに出入りできるように、水冷ヘッドの側面または上部に設計されています。位置設計では、流体の流路を考慮して、流動抵抗を減らし、冷却剤の流量を増やす必要があります。
l クリップは、水冷ヘッドを CPU やその他の発熱部品にしっかりと固定し、しっかりとした基礎を確保して効率的な熱伝導を実現するために使用されます。
図2: ウォーターブロックの典型的な構造
3- 放熱性能の総合的な最適化
l 流路設計の最適化
流路の接触面積を増やす：より狭く、より高密度の流路を設計することで、冷却剤とベースとの接触面積を大幅に増やすことができ、対流熱伝達係数を向上させることができます。たとえば、マイクロチャネル設計には微細な水路構造があります。マイクロチャネル水ブロックの設計パラメータ（チャネル幅、高さ、間隔など）は、その放熱効率に決定的な影響を及ぼします。チャネル幅が狭くなると、狭いチャネル内の冷却剤の流れの乱流効果が強化されるため、熱伝達係数が大幅に増加し、熱交換効率が向上します。チャネルの高さが高いほど、冷却剤の流路スペースが広がり、熱伝達性能が向上します。チャネル間隔が狭いほど、冷却剤と熱源との接触面積が増え、放熱効率が向上します。
また、流路レイアウトを最適化し、流路の曲がりを減らすことで最適化することもできます。合理的な流路レイアウトにより、冷却剤が発熱部品の表面を均一に覆い、局所的な温度差を減らすことができます。流路の曲がりにより、ヘッド損失と内部流動抵抗が増加し、冷却効率が低下します。設計では曲がりの数を最小限に抑える必要があります。避けられない場合は、圧力降下を減らして流動性能を最適化するために、曲がりを滑らかな遷移として設計する必要があります。
l 高熱伝導性材料: ウォーターブロックのベースは通常、純銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られています。これらの材料は、熱源から冷却剤に熱を効率的に伝達し、全体的な放熱性能を向上させます。
l ベース基板の厚さ、フィン、スポイラー構造などの構造パラメータの最適化。基板の厚さが増加すると最高温度が上昇するため、設計では放熱効果と構造強度の最適なバランスを見つける必要があります。フィンの高さ、厚さ、間隔を増やすことで放熱性能を向上させることができますが、同時に流動抵抗も増加します。放熱性能を最大限に高めるには、最適なフィン設計の組み合わせを見つけてください。スポイラー柱の形状は、乱流効果を効果的に高め、熱交換効率を向上させることができます。
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摩擦撹拌接合のよくある問題点と改善方法
本文从生产实际出发，总结了搅拌摩擦焊焊接过程中常见的问题、产生原因及改善方法，供大家参考。
この記事では、実際の生産に基づいて、攪拌摩擦接合プロセスにおける一般的な問題、原因、改善方法をまとめ、参考として提供します。
1-表面欠陥
（１）表面溝
l 問題の説明: 表面溝はプラウイング欠陥とも呼ばれ、通常は溶接部の上面に現れ、溶接部の前進端に向かう傾向があり、溝の形をしています。
l 原因: 溶接部の周囲の熱可塑性金属の流れが不十分で、溶接部のプラスチック金属が攪拌針の移動中に残る瞬間的な空洞を完全に満たすことができません。
l 改善方法：ショルダー径を大きくし、圧力を上げて、溶接速度を下げます。
図1: 溝
（2）エッジバリ
l 問題の説明: 溶接部の外側の端にフラッシュバリが発生し、形状が波状になっています。
l 原因：回転速度と溶接速度の不一致、下向きの圧力が大きすぎる。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、圧力の量を減らします。
図2: エッジバリ
（3）表面剥離
l 問題の説明: 表面の剥離またはねじれが、皮膚またはねじ山の形で溶接の表面に現れます。
l 原因: 金属の摩擦によって発生した大量の熱が溶接部の表面金属に蓄積され、表面の局所的な金属が溶融状態になります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、回転速度を下げ、溶接速度を上げます。
図3: 表面剥離
（４）バックウェルドノジュール
l 問題の説明: 溶接の裏側に溶接ビードが形成されます。
l 原因: 溶接時の撹拌ヘッドの深さと圧力の不適切な制御。
l 改善方法：ミキシングヘッドの深さと圧力の設定を最適化します。
2-内部欠陥
（１）不完全な浸透
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 撹拌針の長さが足りないため、溶接部の底部の材料が十分に撹拌されません。
l 改善方法：溶接厚さの材料が十分に撹拌されるように、適切な撹拌針の長さを選択します。
図4: 不完全な貫通
（２）穴
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 溶接プロセス中に、摩擦熱入力が不十分なため、十分な材料が可塑化状態に達しず、材料の流れが不十分になり、溶接領域が完全に閉じられなくなります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、撹拌針の設計を改善し、溶接速度と回転速度を制御します。
図5: 穴
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エネルギー貯蔵分野における液浸液体冷却技術の探究、応用、製品化
最近、編集者は多くの企業が液浸液冷却エネルギー貯蔵に注目し、計画していることに気付きました。しばらく沈黙していた液浸液冷却技術は再び注目を集め、再び人気が出ているようです。多くの同業者もこの発展に注目していると思います。
1- 液浸液冷却技術の特徴
エネルギー貯蔵セルは300Ah以上に向かっており、エネルギー貯蔵システムは5MWh以上に向かっています。セルが大きくなるほど発熱量が多くなり、放熱が難しくなり、温度の一貫性を確保することが難しくなります。また、エネルギー貯蔵システムは多数の積層セルで構成されており、動作条件が複雑で変化しやすいため、発熱の不均一や温度分布の不均一が発生しやすくなります。放熱と温度均一性の問題が適切に解決されないと、バッテリーの充放電性能、容量、寿命が低下し、システム全体の性能に影響を及ぼします。さらに、安全性は常にリチウム電池のエネルギー貯蔵にかかっている「ダモクレスの剣」であり、安全性を向上させる最も一般的な方法は、本質的安全性、能動的安全性、受動的安全性の3つの側面に向かうことです。
浸漬液冷却は、バッテリーセルを絶縁性、無毒、放熱性の液体に浸すことです。冷却剤は、より高い熱伝導率と比熱容量を持っています。この直接接触方式は、非常に高い熱伝達効率を提供すると同時に、温度均一性も向上させます。また、冷却剤は温度制御媒体であることに加えて、エネルギー貯蔵システムの消火液としても使用でき、温度制御と防火を兼ね備えており、これも浸漬液冷却技術の重要な特徴です。より高い放熱性能とより強力な安全性が求められる業界では、浸漬液冷却が間違いなくより多くの利点を持つことになります。
図1: 浸漬型液冷式エネルギー貯蔵バッテリーパックボックス
2- 浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムソリューション
液冷技術の1分野として、浸漬液冷技術はエネルギー貯蔵業界で初めて使用されたわけではありません。最初は高性能コンピューティングの分野で使用され、その後、データセンター、人工知能、暗号通貨などに徐々に拡大しました。
浸漬液冷エネルギー貯蔵システムの設計の本来の意図は、従来の空冷と間接液冷の冷却効率とバッテリー温度差制御の欠点を解決することです。南方電力網梅州宝湖プロジェクトの正式な稼働は、最先端技術である浸漬液冷が新しいエネルギー貯蔵工学の分野でうまく応用されたことを示しています。
l 冷却方式と冷媒循環方式
冷却方式は単相と相変化に分かれています。単相浸漬液冷却が使用され、主に鉱油、シリコーン油、天然エステルなどが含まれます。他の方式では、主にハイドロフルオロエーテルに代表される二相浸漬液冷却が使用され、相変化潜熱を利用して放熱し、放熱効率を向上させます。不完全な統計によると、「単相浸漬液冷却」方式は、現在リリースされている浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムの中で最も一般的です。
冷却剤の循環モードの違いにより、単相浸漬液冷却には、自然対流、ポンプ駆動、浸漬結合コールドプレート液冷却の3つの技術ルートがあります。自然対流は、加熱後の液体の体積膨張と密度低下の特性を利用して、高温の冷却剤の浮上と冷却後の沈降を実現し、循環放熱を完了します。ポンプ駆動システムの核心は、液体冷却ユニットが冷却剤を駆動して液体冷却パイプラインとバッテリー浸漬ボックスの間で循環させ、循環放熱プロセス全体を完了することです。浸漬結合プレート液体冷却方式では、バッテリーを誘電液に浸し、誘電液と接触する冷却プレートを使用して熱を取り除き、誘電液を冷却するための複雑な二次回路の使用を回避します。
l 製品形態と統合ソリューション
浸漬液冷式エネルギー貯蔵システムの統合ソリューションの反復は、全体から部分、そして細部へと進むプロセスです。各ステップは、前の段階に基づいて最適化および改善され、より高いパフォーマンスと安全性を実現します。
キャビンレベルからパックレベルまで、システム統合テクノロジーはシーンのカスタマイズの特徴を示しています。エネルギー貯蔵シナリオの多様化により、エネルギー貯蔵システムに対する需要が異なります。単一の製品では市場の需要を満たすことはできません。モジュール設計により、プロジェクトの規模と電力需要に応じてエネルギー貯蔵製品を最適化および拡張でき、さまざまなアプリケーションシナリオとニーズに応じてエネルギー貯蔵ソリューションを迅速に調整および展開できます。
3-工業化プロセスにおける課題と実装シナリオ
浸漬型液体冷却エネルギー貯蔵システムは、商業化プロセスにおいて、経済的実現可能性、技術的な複雑さ、市場での受け入れ、業界チェーンの成熟度など、多くの課題に直面します。
l 技術的な複雑さ: コールドプレート液体冷却システムと比較すると、浸漬液体冷却システムは設計と実装がより複雑です。
l 産業チェーンの成熟度: 液浸液体冷却技術の産業チェーンはまだ十分に成熟しておらず、より幅広い分野への応用が制限されています。産業チェーンの成熟度は、技術の推進と商業化に直接影響します。
l 経済的課題: エネルギー貯蔵業界はまだ商業開発の初期段階にあり、収益性の欠如により、高コストの技術ルートが市場に受け入れられることは困難です。多くの企業が一時的な注文に対して低価格で競争しているため、浸漬液冷却の浸透が制限されています。
現在、エネルギー貯蔵産業の主な市場は依然として空冷とコールドプレート液体冷却が主流であり、浸漬液体冷却はまだ市場に完全に受け入れられていません。浸漬液体冷却技術の市場浸透率と受け入れ度は高くありませんが、次のような特殊なシナリオでは大きな可能性を示さない可能性があります。
l 危険化学品業界: 危険化学品会社は、エネルギー貯蔵設備に対して極めて厳格な安全管理を実施しています。これは、製造・保管する化学物質のほとんどが、可燃性、爆発性、毒性、腐食性が非常に高いためです。事故が発生すると、会社自体に重大な損失をもたらすだけでなく、環境汚染や周辺地域への被害を引き起こす可能性もあります。
l 基地局とデータセンター: 基地局とデータセンターは、熱暴走に対する許容度が低いです。データセンターのエネルギー貯蔵システムは、システムの安全性を確保するために、安定した性能を持ち、熱暴走を起こしにくいバッテリーを備えている必要があります。電力品質に対する要件は高く、エネルギー貯蔵システムは迅速な応答能力を備えている必要があります。グリッド障害や停電などの緊急事態が発生した場合、エネルギー貯蔵システムは、電力の継続性と安定性を確保するために、直接放電モードに切り替えることができなければなりません。
l 急速充電ステーション: 高速充電と放電を行うと、バッテリーは短時間で大量の熱を発生します。これにより、バッテリーの温度が高くなりすぎて不均一になり、バッテリーの性能、寿命、安全性に脅威を与えます。つまり、高速充電と放電のシナリオでは、バッテリーの熱管理が特に重要になります。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 | 最終章：バッテリーパックの気密性検出方法と一般的な組み合わせソリューション
バッテリーパックの気密性は、電気自動車やエネルギー貯蔵システムにおいて重要な指標です。バッテリーパックの気密性テストは、主にバッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタ、冷却アセンブリなどに対して行われ、バッテリーパックの内部が外部環境からのほこりや湿気などの不純物によって汚染または侵入されないこと、冷却アセンブリが漏れないことを確認します。これにより、バッテリーパックが正常な性能と寿命を維持し、短絡や爆発などの安全事故を引き起こさないことが保証されます。
1-バッテリーパックの保護レベルと気密性試験標準の策定
国際保護等級（IEC60529）、異物保護等級またはIPコードとも呼ばれます。IP（侵入保護）保護等級システムは、国際電気標準会議（IEC）によって制定された規格で、異物の侵入や水の侵入に対する電気機器ハウジングの保護等級を分類します。バッテリーパックケースの気密性は通常、IP67またはIP68に達する必要があります。つまり、バッテリーパックケースは、ほこりの侵入から完全に保護され（防塵レベル6）、一定時間、一定の圧力で水に浸しても有害なレベルまで水が浸入しない（防水レベル7）必要があります。より厳しい要件は、バッテリーパックを1mの深さの水に60分間浸しても水が浸入しないことです（防水レベル8）。IP保護等級は通常、2桁で構成されます。図1に示すように、数字が大きいほど保護レベルが高くなります。
図1: IP保護レベルの説明
バッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するには、バッテリーパックを水中に沈める必要があります。この方法は時間がかかり、パワーバッテリーパックを破壊し、一定の安全上のリスクがあります。パワーバッテリーのオフラインテストとしては適していません。そのため、業界では気密テストを使用してバッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するのが一般的な方法になっています。気密テスト規格の策定では、圧力降下値と漏水率の関係、および開口部と漏水の関係を考慮する必要があります。気密テスト規格の策定には、理論的な極限から実験検証までの一連の手順が含まれており、IP レベルから気密テスト規格への変換を実現します。たとえば、IP68 を例に挙げます：
図2: 気密試験基準策定の手順
2- 気密性試験方法の選択と試験の難しさの分析
バッテリーパックの設計と製造品質は、バッテリーボックスカバーの靭性と強度、バッテリーパックシェルの密閉、インターフェースとコネクタ、防爆ベント、電気コネクタ自体の密閉など、気密性に影響を与える重要な要素です。さらに、熱膨張と収縮の問題、材料の老化、振動と衝撃など、使用中に気密性に影響を与えるいくつかの問題があります。バッテリーパックシェルの生産と製造では、溶接点の不均一、溶接の弱さやひび割れ、エアギャップ、ジョイント接続の密閉不良など、溶接点や接合品質などの問題によって引き起こされる気密性の低下にさらに注意を払います。
バッテリーパックの気密性テストは、主に上部シェル、下部シェル、および組み立て部品の気密性テストに分かれています。上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があります。バッテリーパックの気密性テスト方法を選択するときは、通常、バッテリーパックの特性、テスト精度要件、生産効率、およびコストが総合的に考慮されます。
エンジニアリングにおけるバッテリーパックのシェルテストは、一般的にプロセス気密性テストと出荷気密性テストに分けられます。さらに、上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があり、テスト標準に対してより厳しい要件が提示されています。気密性が要件を満たしていることを保証するために、実際の操作で次の困難を克服する必要があります。
l 製品構造の安定性：プラグ溶接、蛇口溶接、梁溶接、フレーム底板溶接、フレーム前後カバープレート溶接などの溶接品質。溶接漏れの問題は、主にアーク開始点とアーク終了点に集中しており、溶け落ちによる欠陥、溶接変形応力による割れ、例えば底板キャビティ側壁溶接、底板キャビティ材料の層化、溶接変形応力に耐えられないことなどです。
l 気密固定具の適応性と安定性: 固定具の設計は、テスト対象のコンポーネントの形状と寸法に厳密に一致している必要があります。これにより、テスト プロセス中にコンポーネントを固定具にしっかりと固定でき、位置のずれや振動によるテスト エラーが削減されます。ただし、実際には、バッテリー パックのサイズと形状は大きく異なるため、複数の異なるテスト固定具の設計と製造が必要になり、コストと操作の複雑さが増します。汎用的な固定具を設計すると、設計プロセスがさらに複雑になります。
l 気密性テスト結果の再現性: 空気圧、温度、テストワークピース/固定具の乾燥度などの要因が気密性テスト結果に影響します。
l 貫通しない微細な亀裂が多数存在するワークピースの場合、検出装置の精度や検出パラメータなどの影響により、漏洩源を発見できず、検出漏れが発生する可能性があります。
図3: 気密性試験ツール
3-エンジニアリングで一般的に使用されるバッテリーパックの気密性検出ソリューションの組み合わせ
バッテリーパックのシェル工程の気密性試験には、一般的に気密性試験と浸水試験が含まれます。気密性試験では、バッテリーボックスの上部カバーを密閉し、コネクタポートのみを空気入口として残します。バッテリーパックの気密性は、空気圧を制御し、空気漏れがあるかどうかを観察することで判断します。浸水試験は、バッテリーボックス全体を完全に水に浸し、ボックス内に水があるかどうかを確認して気密性を判断するものです。
ヘリウム漏れ検出は、ヘリウムをトレーサーガスとして使用し、漏れ箇所のヘリウム濃度を検出することで漏れを検出する技術です。漏れがある可能性のあるテスト対象デバイスの内部または外部にヘリウムが侵入すると、漏れがある場合は、ヘリウムは漏れを通じてすぐにシステム内に侵入または流出し、質量分析計によって検出されます。ヘリウム漏れ検出方法は、特に小さな漏れを検出する場合に高い検出効率を備えています。
図4: 漏れ検出方法の比較
実際の生産では、通常、複数の検出方法を組み合わせて検出効率と精度を向上させます。たとえば、ヘリウム漏れ検出方法は高精度で小さな漏れの検出に適しており、差圧法は高精度で応答が速いという特徴があります。また、従来の水検出方法は検出精度が低いですが、直感的で低コストであり、漏れを見つけるのに便利な方法です。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 丨中間記事: エネルギー貯蔵液体冷却パックボックスの液密設計
エネルギー貯蔵液体冷却パックの液密性の潜在的な故障には、漏れ、腐食と堆積、結露水、その他の故障モードなど、複数の側面が関係します。
1- 流体の相互接続と構成
エネルギー貯蔵液体冷却システムでは、流体相互接続がさまざまなコンポーネント間で冷却剤を移動させる役割を果たします。効果的な流体相互接続により、冷却剤がシステム内で効率的に循環し、バッテリーの充電および放電プロセス中に発生する余分な熱が除去されます。
密閉性の高いシステムは、冷却剤の漏れを効果的に防ぐことができます。漏れがあると、冷却剤が失われ、頻繁に補充が必要になるだけでなく、システムの放熱性能と安定性にも影響します。エネルギー貯蔵では、冷却剤の漏れによりバッテリーの短絡が発生し、安全上の問題が発生する可能性があります。
2-流体相互接続システムの液密設計
流体相互接続システムの液密設計は、システムが密閉を維持し、さまざまな動作条件下で流体の漏れを防ぐための重要なリンクです。
図1: エネルギー貯蔵液体冷却システムの典型的な展開
（１）システム内の漏洩の可能性のある源とリスクポイントを分析する。
l 液体冷却アセンブリの自己シール特性。たとえば、液体冷却チャネル システムとパック ボックスの統合設計では、コンポーネントは溶接によって接続されます。溶接品質の欠陥、溶接不良、気孔、亀裂などはすべて、液体の浸透の問題につながる可能性があります。
l 構造設計が不合理です。例えば、液体冷却ボックスの位置決め穴やネジ穴が流路に近すぎるため、溶接不良の部分が液体の浸出経路になりやすくなります。
l 接続部品: 液体冷却システムのパイプ接続、バルブ、ジョイントは、漏れが発生しやすい箇所です。接続構造が適切に設計されていなかったり、製造プロセスが洗練されていない場合、ジョイント内部に小さな欠陥が生じ、そこから冷却剤が漏れることもあります。
l 不適切な取り付け、材料の老朽化や損傷などにより生じた漏れ。
（２）シール構造設計：
l 液冷式パックは、乾湿分離型冷却板冷却方式を採用しています。通常の作業条件下では、バッテリーセルは冷却剤と接触しないため、バッテリーセルの正常な動作を確保できます。エネルギー貯蔵液体冷却器の1つの解決策は、押し出し加工で形成し、冷却板に直接流路を統合し、機械加工で冷却循環経路を開くことです。このプロセスでは、適切な溶接プロセスを選択することが、密閉を確保するための重要なステップです。詳細については、「エネルギー貯蔵用下部ボックスの溶接プロセスの設計」を参照してください。
l 液体冷却パイプラインは、主に液体冷却源と機器の間、機器間、機器とパイプラインの間の移行的なソフト（ハード）パイプ接続に使用されます。主な接続方法は次のとおりです。
クイック接続: エネルギー貯蔵液体冷却システムの接続方法の 1 つは、VDA または CQC クイック接続を使用することです。
ねじ接続：接続構造の両端はパイプでスライド接続され、内部のねじリングとねじスリーブ間のねじ接続により、接続の堅牢性が向上します。
制限管とナットの接続：パイプの一端に接続管を締め付け、接続管の両側に制限管を固定して取り付けます。制限管の内側にはゴムワッシャーと凸リングが固定されており、接続管の頭の表面には制限リング溝が開けられています。ナットは制限管の上部に回転可能に接続され、ねじを介して制限管に回転可能に接続されています。
シールリング接続：シールリングは強力な接着剤でねじスリーブの内壁に接着され、シールリングの内壁はパイプの外面に可動に接続され、使用中の漏れを防止します。
（３）PACK液冷プレート、キャビンインターフェース、キャビンパイプライン等は、共通の冷却剤、共通の温度、流量条件下での長期腐食防止設計となっており、腐食のない長期運転を保証します。運転条件による液密性への影響：
l 温度。高温の影響：温度が上昇すると、液体の粘度は一般的に低下し、液体のシール性能が低下し、液密性に影響を及ぼします。たとえば、特定のシール材は高温で変形または劣化し、漏れを引き起こす可能性があります。低温の影響：低温環境では、液体が粘性になり、流れにくくなる可能性がありますが、シール材の性能が向上し、液密性がある程度向上する可能性もあります。
l 圧力。高圧環境：高圧下では、液体の密度と粘度が増加し、液体の密封性能が向上する可能性があります。ただし、過度の圧力はシール材を損傷し、漏れを引き起こす可能性もあります。低圧環境：低圧下では、液体の密封性能が比較的弱くなる可能性があり、特にシール材自体に欠陥があったり、老朽化している場合は、漏れが発生する可能性が高くなります。
l 流量。高流量: 液体が高速で流れると、シール面に大きな衝撃力が生じ、シール材の摩耗や変形を引き起こし、液密性に影響を及ぼします。低流量: 低流量では、液体のシール性能は比較的良好ですが、軽微な材料欠陥などの潜在的なシールの問題が隠れてしまうこともあります。
3-腐食と堆積の問題
l ブロックによる機密性への影響:
冷却剤、堆積物、またはボイラーの成長により、内部の詰まり、冷却剤の流れの悪化、冷却効率の低下が発生する可能性があります。
汚れとスケール: 長期間の使用後、冷却剤内のミネラルがパイプの内壁に堆積することがあります。これを「スケール」と呼びます。汚れは、固体粒子の沈殿、結晶化、腐食、微生物の活動によっても形成されることがあります。これらの汚れはパイプやコールドプレートを詰まらせ、流れの抵抗を増やし、熱伝達効率を低下させます。
泡の問題：液体冷却システムで泡が発生することがあります。泡は冷却プレートの表面に付着し、熱伝達効果が低下し、システム動作時の抵抗が増加し、ポンプなどにキャビテーション腐食を引き起こし、機器を損傷する可能性があります。
l 渦電流が気密性に与える影響：
流体がパイプや隙間を流れるとき、速度の変化によって渦が形成されることがあります。特に、流体が狭い部分や障害物を通過するときに、渦が形成されやすくなります。流体の粘度と密度も渦の発生に影響します。粘度の高い流体は渦を形成しやすく、密度の高い流体は渦の形成を弱める可能性があります。
漏れ経路: 渦電流は接触面に渦を形成し、隙間や不規則な表面に小さな漏れ経路を形成し、ガスや液体の漏れを引き起こす可能性があります。
表面の摩耗: 渦流は、特に高速流の状態で接触面の摩耗を引き起こす可能性があります。摩耗した表面では新たな漏れ経路が形成される可能性が高くなるため、この摩耗により気密性がさらに低下する可能性があります。
熱の影響: 渦電流により熱が発生し、接触面の材料が変形したり熱膨張したりして、特に温度変化が大きいシステムでは気密性に影響を及ぼします。
4-結露水の問題
特定の条件下では、液体冷却ラインに結露が発生し、機器が損傷したり、効率が低下したりする可能性があります。 断熱不良：パイプの断熱材が損傷したり老朽化したりすると、熱が失われ、冷却効果に影響します。特に低温環境では、断熱不良によりパイプ表面に霜や氷が形成される可能性があります。 凍結割れ：寒冷環境では、適切な凍結防止対策を講じないと、パイプ内の冷却剤が凍結してパイプが破裂する可能性があります。
ソリューション
l 密閉対策: 外部の湿った空気がバッテリー コンパートメント内に入らないように、液体冷却パイプラインの入口と出口が完全に遮断されていることを確認します。
l 除湿装置：除湿エアコンを設置するか、除湿機能を使用してバッテリー室内の湿度を適切な範囲に維持します。
l 温度制御: 空調または換気システムを設置することで、エネルギー貯蔵キャビネットが設置されている環境の温度と湿度を制御できます。たとえば、温度を 20 ～ 25 ℃ に保ち、相対湿度を 40% ～ 60% に制御できます。
l 隔離対策: 空のバッテリー ラックを単純に隔離して、バッテリー クラスターを含むコンパートメントに湿気が入るのを防ぎます。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
1
応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷却負荷
冷媒は電池の冷板が吸収した熱を蒸発器を通して放出し、ポンプの運行で発生した電力を冷板の吸収装置で発生した熱に送ります。
液冷技術の特性
液冷技術は液体をばいしつとして熱交換を行うことで、空気に比べて、液体はより大きな熱を運ぶことができて、低い流れ抵抗、速い放熱速度、高い放熱効率を提供することができます.液冷システムは風道を設計する必要がなく、ファンなどの机械部品の使用を減らし、故障率が低く、騒音が少なく、環境にも友好的で、敷地面積が節約できます。将来はMW級以上の大型エネルギー貯蔵所に適しています。
エネルギー貯蔵システム（BESS）
電池貯蔵システムは、エネルギー貯蔵媒体として電池を使うエネルギー貯蔵システムです。従来の化石燃料とは異なり、太陽光や風力などの再生可能エネルギーを貯蔵し、エネルギー需給のバランスを取る必要があれば放出することができます。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
冷媒クーラー
ユニットの運転の間、蒸発器(板式の熱交換器)を通して冷媒が蒸発してその中の冷媒循環システムから熱を吸収して、その中の冷媒の凝縮は熱をこれらの周りの空気環境の中に放出します。凝縮された冷媒が膨張弁を通って蒸発器に戻るサイクルテストが繰り返されます。
液冷システムはなぜますます流行しているのか
•バッテリパックの温度が低い:同じ入り口の温度と風速の限界と流速では、液冷よりも温度を下げることができますが、バッテリパックの最高温度は、風冷よりも3-5℃低くなります。
•動作エネルギー消費量が低い:同じ電池の平均温度に達して、風冷に必要な動作エネルギー消費量は液冷の約3-4倍です。
•電池の熱暴走リスクが低い:液冷スキームは、強制的に冷却ばいしつの大流量に依存することができます。電池パック放熱と電池モジュール間の熱の再分配を実現するために、急速に熱暴走を抑制し続けて悪化し、暴走リスクを低減する。
•投入コストが減ります：液冷システムは電池が快適な温度で働作しやすいため、風冷システムに比べて電池寿命を20%以上延ばすことができ、総合的な寿命サイクルで見ると液冷投入はより少ないです。
技術とビジネスのトレンド
ソースネット側のエネルギー貯蔵発電所及びオフネットのエネルギー貯蔵システムに対する大容量、ハイパワー、高エネルギー密度のエネルギー貯蔵システムの需要が絶えず成長するにつれて、液冷電池のエネルギー貯蔵システムは業界の主流案になりました。また、顧客のROIとキャッシュバックへの関心は、高充電・放電率バッテリー貯蔵システム(BESS)の発展トレンドにさらに加速しています。
大容量、高出力密度、高充放電率でシステムの熱暴走リスクが高まり、エネルギー貯蔵熱管理へのニーズが高まっているため、エネルギー貯蔵熱管理の熱交換効率のさらなる向上が求められています。
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応用シーン
工況：0.5-1C
組み立て配置：ボトル液冷
典型応用：36s,48s,52s,104s
持ち前：クーリング効果が高い
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：熱流密度が高い状況です
取り付け配置：片面取り付け
典型応用：顧客定制
持ち前：放熱効果が高い
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
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放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
最も人気のあるウォーターブロックは、基本的に純銅のマイクロチャネルタイプです。銅製の底板は直接スカイビング加工され、フィンは底板と一体化して熱抵抗を減らします。底板とカバープレートはろう付けまたは拡散接合されており、シールの信頼性を確保しています。
パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
1- スカイビングプロセスを使用してウォーターブロックを製造する利点
l 統合設計：スカイビングプロセスは、床とフィンを統合できるため、接触熱抵抗を減らし、熱伝導率を向上させるのに役立ちます。さらに、底板とフィンを統合した設計により、構造強度も向上します。
l 高精度加工：スカイビングプロセスでは非常に細かい歯構造を生成でき、歯の高さ、歯の厚さ、歯のピッチを正確に制御できるため、ヒートシンクフィンの密度が高くなり、放熱面積が大きくなり、放熱効率が向上します。同時に、形状、サイズなど、さまざまな顧客の個別のニーズにもよりよく対応できます。
l 生産効率が高く、スカイビングプロセスは大量生産できます。従来のCNCと比較して、スカイビングプロセスでは複数のギアピースを同時に処理できるため、生産効率が大幅に向上します。
図1: 異なる加工技術を用いたウォーターブロックベース a-スカイビング b-CNC c-冷間鍛造
2-スカイビングウォーターブロックのコスト構造
l 設計開発コスト: スカイビングウォーターブロックの設計の複雑さは比較的高く、特に高い放熱性能が求められる場合は、複雑なプロセス設計と最適化が必要になります。
l 材料コスト: スカイビングプロセスで使用される材料は主にアルミニウムと銅合金です。ラジエーター製造では、アルミニウム板と銅合金を組み合わせた設計がより一般的で、コストパフォーマンスが高いため、アルミニウムと銅の品質がコストに直接影響します。
l 加工コスト:
スカイビング工程コスト：スカイビング工程には、3軸CNC工作機械などの高精度CNC加工設備が必要です。このような設備の使用には高い投資コストが必要であり、オペレーターの技術要件も高く、生産コストが増加します。
溶接工程コスト：ウォーターブロックの製造工程では、溶接工程も重要なコスト要因です。真空ろう付けと拡散溶接は、一般的に使用される2つの溶接方法です。ろう付けは複数のジョイントを同時に溶接でき、生産効率が高く、ろう付け材料が必要で、プロセス条件に対する要件が高く、品質管理が困難です。拡散溶接設備は1回限りの投資が大きく、拡散溶接はフィラーを必要としませんが、ワークピースの表面処理に対する要件が高くなります。
表面処理コスト：一般的な表面処理方法には、陽極酸化、メッキなどがあります。アルミニウム合金ウォーターブロックの場合、陽極酸化により表面硬度、耐摩耗性、耐腐食性が向上し、製品の美観が向上します。銅製ウォーターブロックにはニッケルメッキなどのメッキが施され、銅の酸化や腐食を防ぎ、製品の寿命と信頼性を高めます。
l その他の費用: 検査およびテスト、梱包および輸送など。
3-コスト最適化の提案
l 材料使用の最適化
適切な材料を選択します：たとえば、銅は熱伝導率が高く、単位密度が高く、単価も高いです。アルミニウムは軽量で単価が低く、熱伝導率がやや悪いです。
材料使用: 材料の厚さとマージンを正確に計算することで、材料を効率的に使用し、材料の無駄を減らします。
図2: 材料消費量計算の概略図
l 生産プロセスの最適化
金型の簡素化: 金型の複雑さとコストを削減するために、シンプルな金型を設計します。
スクラップ率の削減: 正確なプロセス制御と品質検査によりスクラップ率を削減します。
ワンステップ成形: プロセスルートを最適化し、複数の処理ステップを削減し、生産効率を向上させます。
ご参考になるために、定期に熱設計及び軽量化に関する技術と情報を更新させていただきます。当社にご関心をお持ちいただき、ありがとうございます。
高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
ウォーターブロックは液体冷却システムの重要なコンポーネントであるため、その設計では、熱交換性能、構造強度、耐腐食性、耐漏洩性、コスト管理など、さまざまな要素を考慮する必要があります。ウォーターブロックは通常、複雑な熱交換スロット構造（つまり、流路）で設計されており、その内部の流路設計の品質がシステム全体の熱交換効率を直接決定します。
パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
1-さまざまなシナリオにおけるウォーターブロックの設計要件
l 高性能コンピューティング:
高性能コンピューティングデバイス（高性能CPU、GPUなど）は動作中に大量の熱を発生するため、ウォーターブロックには効率的な放熱機能が必要です。高熱流束密度の放熱要件を満たすために、ウォーターブロックは通常、高密度マイクロチャネル設計を採用して熱交換面積を増やし、放熱効率を向上させます。さらに、一部の設計ではウォーターブロックをCPUに直接統合し、シリコングリースを塗布する手順を排除することで、組み立てプロセスを簡素化するだけでなく、放熱性能をさらに向上させます。信頼性の面では、ウォーターブロックは漏れを防ぎ、長期にわたる安定した動作を確保するために、優れた密閉性能を備えている必要があります。
l グラフィックカードの冷却:
グラフィック カードは発熱量が多い部分なので、ウォーター ブロックはグラフィック カード上の発熱部品すべてを効果的に冷却できるよう、全面カバー設計にする必要があります。同時に、グラフィック カードの冷却には高流量の冷却剤が必要なので、ウォーター ブロックの内部構造は高流量に対応して熱を素早く除去する必要があります。
l データセンター:
データセンターでは、データセンターの安定した動作と効率的な放熱を確保するために、ウォーターブロックの構造設計は、効率的な放熱、低騒音、高信頼性、高電力密度への適応性、インテリジェントな管理、環境適応性など、複数の要件を満たす必要があります。
2-ウォーターブロック構造の進化の傾向
ウォーターブロックの構造設計の進化の傾向は、技術革新と性能向上の二重の追求を反映しており、主に以下の側面に反映されています。
l 放熱性能の向上：
接触面積を増やす：一部のウォーターブロック設計では、発熱体との接触面積を増やすことで放熱性能を向上させています。たとえば、大面積の銅ベース設計では、良好な接触と熱伝導を実現できます。
内部構造の最適化：内部の水路を最適化します。1つのアイデアは、通常のフィンからステアリングフィンに変更し、長いストリップフローチャネルを提示し、フロー境界層の分離を促進し、境界層の厚さを減らし、熱交換効率を向上させるなど、流体の流れを最適化することです。もう1つのアイデアは、従来の粗い水路からマイクロチャネル設計に変更するなど、熱容量領域を増やすことです。これにより、冷却剤とベースプレートの接触面積が大幅に増加し、放熱効率が向上します。一部の設計では、冷却剤をガイドプレートを介してマイクロチャネルベースプレートに噴霧して、局所的な流速と乱流を増加させ、熱吸収効率を大幅に向上させます。
l 統合されたインテリジェントなデザイン:
統合設計：統合設計では、ウォーターポンプ、ヒートシンクフィン、熱伝導ベースなどのコンポーネントを統合して、接続ポイントの数を減らし、システムの安定性と放熱効率を向上させます。
多機能統合：放熱性能に加えて、最新のウォーターブロックには温度表示と監視機能もあります。
モジュラー設計：モジュラーバックル構造により、整理の利便性と自由度が向上します。
図1: フィンの厚さが異なるウォーターブロックベース
l 高性能な素材と仕上げ:
純銅ベースなどの高性能材料の使用とニッケルメッキなどの表面処理技術の組み合わせにより、熱伝導性と耐腐食性が向上します。
3-加工技術と課題
l 材料特性は処理に影響します:
材料の硬度と靭性の問題: 銅、アルミニウム、およびそれらの合金などの異なる材料で作られたラジエーターは、硬度と靭性が異なり、加工ツールとプロセスに対する要件も異なります。硬度が高い材料は摩耗が早く、ツールの交換頻度も高くなります。靭性が高い材料は、切削中に変形やバリが発生しやすくなります。
銅アルミニウム複合材料の加工は複雑です。銅アルミニウム複合材料のシャベル歯ヒートシンクは、まず連続鋳造半溶融状態プレス技術を使用して複合材料にしてから、シャベル歯加工を行う必要があります。このプロセスはより複雑で、設備とプロセスに高い精度が求められます。
l 高い寸法精度要件
歯の高さと厚さの一貫性を確保するのが難しい：一部の高密度歯ヒートシンクでは、ヒートシンクの性能と均一性を確保するために、各歯の高さと厚さに高い一貫性が求められます。歯の高さと歯の厚さの差が大きすぎると、熱伝達が不均一になり、放熱効果に影響します。加工中は、高精度の設備と自動制御システムを使用して、各歯の仕様が一貫していることを確認する必要があります。
歯間隔の制御が難しい：ヒートシンクの歯が密集しすぎると、その密度と間隔によって加工プロセスが複雑になり、歯の均一性を維持するために加工設備の速度と精度を高める必要があります。たとえば、歯間隔が小さすぎると、切削中に工具が干渉しやすくなり、加工精度と表面品質に影響します。
l 厳しい表面品質要件
バリの問題: 加工中にバリが発生しやすく、ラジエーターの美観に影響を与えるだけでなく、空気の流れを妨げ、放熱効果を低下させる可能性があります。バリの発生は、材料の切断精度が低いこと、加工ツールの摩耗などによって引き起こされる可能性があり、バリの解決には対応するバリ取りプロセスを採用する必要があります。
表面粗さ: ラジエーターの表面粗さは、放熱性能とその後の表面処理効果に影響を与えます。表面粗さが大きすぎると、空気の流れに対する抵抗が増加し、放熱効率が低下します。粗さを減らすには追加の表面処理が必要であり、加工コストと時間が増加します。
l 高度な処理設備とプロセス要件
設備の精度と安定性：ギアショベルには高精度のギアショベルマシンが必要であり、設備の精度は歯の寸法精度と表面品質に直接影響します。同時に、長期加工中の寸法の一貫性を確保するために、設備は良好な安定性を備えている必要があります。
工具の選択と摩耗：適切な工具は加工品質にとって重要です。工具の材質、形状パラメータなどは、材料特性に応じて選択する必要があります。加工プロセス中に工具が摩耗すると、切削力が増加し、寸法精度が低下し、表面粗さが増加するため、工具を適時に調整または交換する必要があります。
送り速度と切削深さ：送り速度と切削深さの不合理な設定は、加工不良につながりやすくなります。送り速度が速すぎて切削深さが大きすぎると、工具に過負荷がかかり、工具のひっかかり、工具の跳ね返り、工具の落下などが発生し、加工精度と表面品質に影響します。
図2: スカイビングプロセス
l 高度なカスタマイズ要件
さまざまなアプリケーション シナリオでは、ラジエーターのサイズ、形状、歯の高さ、歯の厚さ、歯の間隔などのパラメーターに対する要件が異なり、特定のニーズに応じてカスタマイズする必要があります。これにより、加工メーカーは、多様なカスタマイズ ニーズを満たすために、柔軟なプロセス調整機能と豊富な経験を備えている必要があります。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート1：ウォーターブロックの構造と動作原理
世界の人工知能コンピューティング能力の急速な成長とチップの熱設計消費電力（TDP）の継続的な増加により、データセンターの冷却需要は前例のない課題に直面しています。同時に、世界中でますます厳しくなる省エネおよび炭素削減政策は、冷却技術の革新をさらに促進しました。このような状況において、従来の空冷ソリューションは、効率的な放熱と省エネという2つの要件を満たすことが徐々に困難になってきました。液体冷却技術は、その優れた放熱性能と大幅な省エネの利点により急速に台頭し、データセンター冷却ソリューションの主流の選択肢になりつつあります。データ処理とストレージの中核機器であるサーバーのパフォーマンスと安定性は、システム全体の動作効率に直接関係しています。マザーボード、CPU、メモリ、ハードディスク、グラフィックカードなどのサーバーのコアコンポーネントは、継続的な高負荷動作下で大量の熱を発生します。熱を適時に効果的に放散できない場合、サーバーのパフォーマンスと寿命に深刻な影響を及ぼします。このため、高度な液体冷却システムがサーバー冷却ソリューションに導入され、CPU やグラフィック カードなどの主要な熱源に直接取り付けられ、放熱効率が大幅に向上しました。
パート1：水冷ブロックの構造と動作原理
液体冷却システムのコアコンポーネントの 1 つはウォーターブロックです。ウォーターブロックは通常、熱伝導率の高い銅またはアルミニウム材料で作られ、精密な水路とヒートシンク構造で設計されています。これらのウォーターブロックは、CPU や GPU などの熱源の表面にぴったりフィットし、内部を循環する冷却水を通じて熱をすばやく吸収して伝達します。その後、熱はヒートシンクに運ばれ、水冷システムを通じて循環し、最終的に周囲の空気中に放散されます。
図1: 主流チップメーカーのチップ熱消費電力の傾向
1- 一般的なウォーターブロックの種類と特徴
l マイクロチャネルウォーターブロック
特徴：マイクロチャネルウォーターブロックは、精密なマイクロ水チャネル設計を採用しています。水チャネル構造は細かく複雑で、冷却剤と発熱部品との接触面積を大幅に増やすことができ、放熱効率が大幅に向上します。マイクロ水チャネル設計は、冷却剤の流れ中に強い乱流効果を生み出し、対流熱伝達係数をさらに高め、効率的な熱伝達を実現します。
適用シナリオ：特に、非常に高い放熱要件を持つ高性能コンピューティング、オーバークロック、データセンターなど、発熱量の多いCPUやGPUに適しています。
l 大流量ウォーターブロック
特徴: 大流量ウォーターブロックの内部構造は比較的シンプルで、通常は銅板またはエッチング溝設計を使用しており、製造コストが低くなっています。その主な利点は、高速水流を利用して熱を素早く除去し、大流量水冷システムでの使用に適していることです。構造はシンプルですが、効率的な放熱能力により、非常にコスト効率の高い選択肢となっています。
適用シナリオ: 中高級DIYコンピュータシステムや中小規模のサーバークラスターなど、放熱効率に一定の要件があるが予算が限られているシナリオに適しています。
l ジェット式水冷ヘッド
特徴：ジェット式水冷ブロックは、ガイドプレートを介して狭いノズルからマイクロチャネル底板に冷却剤を高速で噴射し、強力な乱流効果を形成して放熱効率を大幅に向上させます。この設計により、冷却剤とベースとの接触面積が増加するだけでなく、高速流によって熱交換性能がさらに最適化されます。
適用シナリオ：高性能CPUおよびGPUに適しており、特にオーバークロックコンピューティング、人工知能トレーニング、グラフィックスレンダリングなど、高放熱要件と高流量シナリオに適しています。
2-ウォーターブロックの一般的な構造
ウォーターブロックは、内部に水路を備えた金属ブロックで、通常は銅またはアルミニウムで作られています。CPU、グラフィックカード、その他の熱発生デバイスと接触することはありません。その構造設計は、放熱性能の品質を直接決定します。一般的なウォーターブロックは、通常、次の主要部品で構成されています。
l ベースは通常、銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られており、表面は発熱部品との密着性を確保するために細かく加工されており、ベースには複雑な流路設計が施されており、冷却剤とベースの接触面積が増加します。
l カバー プレートは、ベースと一緒になってフロー チャネル シーリング キャビティを形成し、ウォーター ブロック内のフロー チャネル、シール、およびその他のコンポーネントをほこり、不純物、外部の物理的損傷から保護します。
l 水の入口と出口は、冷却剤が水冷ヘッドに出入りするためのインターフェースです。これらは通常、冷却剤がスムーズに出入りできるように、水冷ヘッドの側面または上部に設計されています。位置設計では、流体の流路を考慮して、流動抵抗を減らし、冷却剤の流量を増やす必要があります。
l クリップは、水冷ヘッドを CPU やその他の発熱部品にしっかりと固定し、しっかりとした基礎を確保して効率的な熱伝導を実現するために使用されます。
図2: ウォーターブロックの典型的な構造
3- 放熱性能の総合的な最適化
l 流路設計の最適化
流路の接触面積を増やす：より狭く、より高密度の流路を設計することで、冷却剤とベースとの接触面積を大幅に増やすことができ、対流熱伝達係数を向上させることができます。たとえば、マイクロチャネル設計には微細な水路構造があります。マイクロチャネル水ブロックの設計パラメータ（チャネル幅、高さ、間隔など）は、その放熱効率に決定的な影響を及ぼします。チャネル幅が狭くなると、狭いチャネル内の冷却剤の流れの乱流効果が強化されるため、熱伝達係数が大幅に増加し、熱交換効率が向上します。チャネルの高さが高いほど、冷却剤の流路スペースが広がり、熱伝達性能が向上します。チャネル間隔が狭いほど、冷却剤と熱源との接触面積が増え、放熱効率が向上します。
また、流路レイアウトを最適化し、流路の曲がりを減らすことで最適化することもできます。合理的な流路レイアウトにより、冷却剤が発熱部品の表面を均一に覆い、局所的な温度差を減らすことができます。流路の曲がりにより、ヘッド損失と内部流動抵抗が増加し、冷却効率が低下します。設計では曲がりの数を最小限に抑える必要があります。避けられない場合は、圧力降下を減らして流動性能を最適化するために、曲がりを滑らかな遷移として設計する必要があります。
l 高熱伝導性材料: ウォーターブロックのベースは通常、純銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られています。これらの材料は、熱源から冷却剤に熱を効率的に伝達し、全体的な放熱性能を向上させます。
l ベース基板の厚さ、フィン、スポイラー構造などの構造パラメータの最適化。基板の厚さが増加すると最高温度が上昇するため、設計では放熱効果と構造強度の最適なバランスを見つける必要があります。フィンの高さ、厚さ、間隔を増やすことで放熱性能を向上させることができますが、同時に流動抵抗も増加します。放熱性能を最大限に高めるには、最適なフィン設計の組み合わせを見つけてください。スポイラー柱の形状は、乱流効果を効果的に高め、熱交換効率を向上させることができます。
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摩擦撹拌接合のよくある問題点と改善方法
本文从生产实际出发，总结了搅拌摩擦焊焊接过程中常见的问题、产生原因及改善方法，供大家参考。
この記事では、実際の生産に基づいて、攪拌摩擦接合プロセスにおける一般的な問題、原因、改善方法をまとめ、参考として提供します。
1-表面欠陥
（１）表面溝
l 問題の説明: 表面溝はプラウイング欠陥とも呼ばれ、通常は溶接部の上面に現れ、溶接部の前進端に向かう傾向があり、溝の形をしています。
l 原因: 溶接部の周囲の熱可塑性金属の流れが不十分で、溶接部のプラスチック金属が攪拌針の移動中に残る瞬間的な空洞を完全に満たすことができません。
l 改善方法：ショルダー径を大きくし、圧力を上げて、溶接速度を下げます。
図1: 溝
（2）エッジバリ
l 問題の説明: 溶接部の外側の端にフラッシュバリが発生し、形状が波状になっています。
l 原因：回転速度と溶接速度の不一致、下向きの圧力が大きすぎる。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、圧力の量を減らします。
図2: エッジバリ
（3）表面剥離
l 問題の説明: 表面の剥離またはねじれが、皮膚またはねじ山の形で溶接の表面に現れます。
l 原因: 金属の摩擦によって発生した大量の熱が溶接部の表面金属に蓄積され、表面の局所的な金属が溶融状態になります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、回転速度を下げ、溶接速度を上げます。
図3: 表面剥離
（４）バックウェルドノジュール
l 問題の説明: 溶接の裏側に溶接ビードが形成されます。
l 原因: 溶接時の撹拌ヘッドの深さと圧力の不適切な制御。
l 改善方法：ミキシングヘッドの深さと圧力の設定を最適化します。
2-内部欠陥
（１）不完全な浸透
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 撹拌針の長さが足りないため、溶接部の底部の材料が十分に撹拌されません。
l 改善方法：溶接厚さの材料が十分に撹拌されるように、適切な撹拌針の長さを選択します。
図4: 不完全な貫通
（２）穴
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 溶接プロセス中に、摩擦熱入力が不十分なため、十分な材料が可塑化状態に達しず、材料の流れが不十分になり、溶接領域が完全に閉じられなくなります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、撹拌針の設計を改善し、溶接速度と回転速度を制御します。
図5: 穴
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エネルギー貯蔵分野における液浸液体冷却技術の探究、応用、製品化
最近、編集者は多くの企業が液浸液冷却エネルギー貯蔵に注目し、計画していることに気付きました。しばらく沈黙していた液浸液冷却技術は再び注目を集め、再び人気が出ているようです。多くの同業者もこの発展に注目していると思います。
1- 液浸液冷却技術の特徴
エネルギー貯蔵セルは300Ah以上に向かっており、エネルギー貯蔵システムは5MWh以上に向かっています。セルが大きくなるほど発熱量が多くなり、放熱が難しくなり、温度の一貫性を確保することが難しくなります。また、エネルギー貯蔵システムは多数の積層セルで構成されており、動作条件が複雑で変化しやすいため、発熱の不均一や温度分布の不均一が発生しやすくなります。放熱と温度均一性の問題が適切に解決されないと、バッテリーの充放電性能、容量、寿命が低下し、システム全体の性能に影響を及ぼします。さらに、安全性は常にリチウム電池のエネルギー貯蔵にかかっている「ダモクレスの剣」であり、安全性を向上させる最も一般的な方法は、本質的安全性、能動的安全性、受動的安全性の3つの側面に向かうことです。
浸漬液冷却は、バッテリーセルを絶縁性、無毒、放熱性の液体に浸すことです。冷却剤は、より高い熱伝導率と比熱容量を持っています。この直接接触方式は、非常に高い熱伝達効率を提供すると同時に、温度均一性も向上させます。また、冷却剤は温度制御媒体であることに加えて、エネルギー貯蔵システムの消火液としても使用でき、温度制御と防火を兼ね備えており、これも浸漬液冷却技術の重要な特徴です。より高い放熱性能とより強力な安全性が求められる業界では、浸漬液冷却が間違いなくより多くの利点を持つことになります。
図1: 浸漬型液冷式エネルギー貯蔵バッテリーパックボックス
2- 浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムソリューション
液冷技術の1分野として、浸漬液冷技術はエネルギー貯蔵業界で初めて使用されたわけではありません。最初は高性能コンピューティングの分野で使用され、その後、データセンター、人工知能、暗号通貨などに徐々に拡大しました。
浸漬液冷エネルギー貯蔵システムの設計の本来の意図は、従来の空冷と間接液冷の冷却効率とバッテリー温度差制御の欠点を解決することです。南方電力網梅州宝湖プロジェクトの正式な稼働は、最先端技術である浸漬液冷が新しいエネルギー貯蔵工学の分野でうまく応用されたことを示しています。
l 冷却方式と冷媒循環方式
冷却方式は単相と相変化に分かれています。単相浸漬液冷却が使用され、主に鉱油、シリコーン油、天然エステルなどが含まれます。他の方式では、主にハイドロフルオロエーテルに代表される二相浸漬液冷却が使用され、相変化潜熱を利用して放熱し、放熱効率を向上させます。不完全な統計によると、「単相浸漬液冷却」方式は、現在リリースされている浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムの中で最も一般的です。
冷却剤の循環モードの違いにより、単相浸漬液冷却には、自然対流、ポンプ駆動、浸漬結合コールドプレート液冷却の3つの技術ルートがあります。自然対流は、加熱後の液体の体積膨張と密度低下の特性を利用して、高温の冷却剤の浮上と冷却後の沈降を実現し、循環放熱を完了します。ポンプ駆動システムの核心は、液体冷却ユニットが冷却剤を駆動して液体冷却パイプラインとバッテリー浸漬ボックスの間で循環させ、循環放熱プロセス全体を完了することです。浸漬結合プレート液体冷却方式では、バッテリーを誘電液に浸し、誘電液と接触する冷却プレートを使用して熱を取り除き、誘電液を冷却するための複雑な二次回路の使用を回避します。
l 製品形態と統合ソリューション
浸漬液冷式エネルギー貯蔵システムの統合ソリューションの反復は、全体から部分、そして細部へと進むプロセスです。各ステップは、前の段階に基づいて最適化および改善され、より高いパフォーマンスと安全性を実現します。
キャビンレベルからパックレベルまで、システム統合テクノロジーはシーンのカスタマイズの特徴を示しています。エネルギー貯蔵シナリオの多様化により、エネルギー貯蔵システムに対する需要が異なります。単一の製品では市場の需要を満たすことはできません。モジュール設計により、プロジェクトの規模と電力需要に応じてエネルギー貯蔵製品を最適化および拡張でき、さまざまなアプリケーションシナリオとニーズに応じてエネルギー貯蔵ソリューションを迅速に調整および展開できます。
3-工業化プロセスにおける課題と実装シナリオ
浸漬型液体冷却エネルギー貯蔵システムは、商業化プロセスにおいて、経済的実現可能性、技術的な複雑さ、市場での受け入れ、業界チェーンの成熟度など、多くの課題に直面します。
l 技術的な複雑さ: コールドプレート液体冷却システムと比較すると、浸漬液体冷却システムは設計と実装がより複雑です。
l 産業チェーンの成熟度: 液浸液体冷却技術の産業チェーンはまだ十分に成熟しておらず、より幅広い分野への応用が制限されています。産業チェーンの成熟度は、技術の推進と商業化に直接影響します。
l 経済的課題: エネルギー貯蔵業界はまだ商業開発の初期段階にあり、収益性の欠如により、高コストの技術ルートが市場に受け入れられることは困難です。多くの企業が一時的な注文に対して低価格で競争しているため、浸漬液冷却の浸透が制限されています。
現在、エネルギー貯蔵産業の主な市場は依然として空冷とコールドプレート液体冷却が主流であり、浸漬液体冷却はまだ市場に完全に受け入れられていません。浸漬液体冷却技術の市場浸透率と受け入れ度は高くありませんが、次のような特殊なシナリオでは大きな可能性を示さない可能性があります。
l 危険化学品業界: 危険化学品会社は、エネルギー貯蔵設備に対して極めて厳格な安全管理を実施しています。これは、製造・保管する化学物質のほとんどが、可燃性、爆発性、毒性、腐食性が非常に高いためです。事故が発生すると、会社自体に重大な損失をもたらすだけでなく、環境汚染や周辺地域への被害を引き起こす可能性もあります。
l 基地局とデータセンター: 基地局とデータセンターは、熱暴走に対する許容度が低いです。データセンターのエネルギー貯蔵システムは、システムの安全性を確保するために、安定した性能を持ち、熱暴走を起こしにくいバッテリーを備えている必要があります。電力品質に対する要件は高く、エネルギー貯蔵システムは迅速な応答能力を備えている必要があります。グリッド障害や停電などの緊急事態が発生した場合、エネルギー貯蔵システムは、電力の継続性と安定性を確保するために、直接放電モードに切り替えることができなければなりません。
l 急速充電ステーション: 高速充電と放電を行うと、バッテリーは短時間で大量の熱を発生します。これにより、バッテリーの温度が高くなりすぎて不均一になり、バッテリーの性能、寿命、安全性に脅威を与えます。つまり、高速充電と放電のシナリオでは、バッテリーの熱管理が特に重要になります。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 | 最終章：バッテリーパックの気密性検出方法と一般的な組み合わせソリューション
バッテリーパックの気密性は、電気自動車やエネルギー貯蔵システムにおいて重要な指標です。バッテリーパックの気密性テストは、主にバッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタ、冷却アセンブリなどに対して行われ、バッテリーパックの内部が外部環境からのほこりや湿気などの不純物によって汚染または侵入されないこと、冷却アセンブリが漏れないことを確認します。これにより、バッテリーパックが正常な性能と寿命を維持し、短絡や爆発などの安全事故を引き起こさないことが保証されます。
1-バッテリーパックの保護レベルと気密性試験標準の策定
国際保護等級（IEC60529）、異物保護等級またはIPコードとも呼ばれます。IP（侵入保護）保護等級システムは、国際電気標準会議（IEC）によって制定された規格で、異物の侵入や水の侵入に対する電気機器ハウジングの保護等級を分類します。バッテリーパックケースの気密性は通常、IP67またはIP68に達する必要があります。つまり、バッテリーパックケースは、ほこりの侵入から完全に保護され（防塵レベル6）、一定時間、一定の圧力で水に浸しても有害なレベルまで水が浸入しない（防水レベル7）必要があります。より厳しい要件は、バッテリーパックを1mの深さの水に60分間浸しても水が浸入しないことです（防水レベル8）。IP保護等級は通常、2桁で構成されます。図1に示すように、数字が大きいほど保護レベルが高くなります。
図1: IP保護レベルの説明
バッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するには、バッテリーパックを水中に沈める必要があります。この方法は時間がかかり、パワーバッテリーパックを破壊し、一定の安全上のリスクがあります。パワーバッテリーのオフラインテストとしては適していません。そのため、業界では気密テストを使用してバッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するのが一般的な方法になっています。気密テスト規格の策定では、圧力降下値と漏水率の関係、および開口部と漏水の関係を考慮する必要があります。気密テスト規格の策定には、理論的な極限から実験検証までの一連の手順が含まれており、IP レベルから気密テスト規格への変換を実現します。たとえば、IP68 を例に挙げます：
図2: 気密試験基準策定の手順
2- 気密性試験方法の選択と試験の難しさの分析
バッテリーパックの設計と製造品質は、バッテリーボックスカバーの靭性と強度、バッテリーパックシェルの密閉、インターフェースとコネクタ、防爆ベント、電気コネクタ自体の密閉など、気密性に影響を与える重要な要素です。さらに、熱膨張と収縮の問題、材料の老化、振動と衝撃など、使用中に気密性に影響を与えるいくつかの問題があります。バッテリーパックシェルの生産と製造では、溶接点の不均一、溶接の弱さやひび割れ、エアギャップ、ジョイント接続の密閉不良など、溶接点や接合品質などの問題によって引き起こされる気密性の低下にさらに注意を払います。
バッテリーパックの気密性テストは、主に上部シェル、下部シェル、および組み立て部品の気密性テストに分かれています。上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があります。バッテリーパックの気密性テスト方法を選択するときは、通常、バッテリーパックの特性、テスト精度要件、生産効率、およびコストが総合的に考慮されます。
エンジニアリングにおけるバッテリーパックのシェルテストは、一般的にプロセス気密性テストと出荷気密性テストに分けられます。さらに、上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があり、テスト標準に対してより厳しい要件が提示されています。気密性が要件を満たしていることを保証するために、実際の操作で次の困難を克服する必要があります。
l 製品構造の安定性：プラグ溶接、蛇口溶接、梁溶接、フレーム底板溶接、フレーム前後カバープレート溶接などの溶接品質。溶接漏れの問題は、主にアーク開始点とアーク終了点に集中しており、溶け落ちによる欠陥、溶接変形応力による割れ、例えば底板キャビティ側壁溶接、底板キャビティ材料の層化、溶接変形応力に耐えられないことなどです。
l 気密固定具の適応性と安定性: 固定具の設計は、テスト対象のコンポーネントの形状と寸法に厳密に一致している必要があります。これにより、テスト プロセス中にコンポーネントを固定具にしっかりと固定でき、位置のずれや振動によるテスト エラーが削減されます。ただし、実際には、バッテリー パックのサイズと形状は大きく異なるため、複数の異なるテスト固定具の設計と製造が必要になり、コストと操作の複雑さが増します。汎用的な固定具を設計すると、設計プロセスがさらに複雑になります。
l 気密性テスト結果の再現性: 空気圧、温度、テストワークピース/固定具の乾燥度などの要因が気密性テスト結果に影響します。
l 貫通しない微細な亀裂が多数存在するワークピースの場合、検出装置の精度や検出パラメータなどの影響により、漏洩源を発見できず、検出漏れが発生する可能性があります。
図3: 気密性試験ツール
3-エンジニアリングで一般的に使用されるバッテリーパックの気密性検出ソリューションの組み合わせ
バッテリーパックのシェル工程の気密性試験には、一般的に気密性試験と浸水試験が含まれます。気密性試験では、バッテリーボックスの上部カバーを密閉し、コネクタポートのみを空気入口として残します。バッテリーパックの気密性は、空気圧を制御し、空気漏れがあるかどうかを観察することで判断します。浸水試験は、バッテリーボックス全体を完全に水に浸し、ボックス内に水があるかどうかを確認して気密性を判断するものです。
ヘリウム漏れ検出は、ヘリウムをトレーサーガスとして使用し、漏れ箇所のヘリウム濃度を検出することで漏れを検出する技術です。漏れがある可能性のあるテスト対象デバイスの内部または外部にヘリウムが侵入すると、漏れがある場合は、ヘリウムは漏れを通じてすぐにシステム内に侵入または流出し、質量分析計によって検出されます。ヘリウム漏れ検出方法は、特に小さな漏れを検出する場合に高い検出効率を備えています。
図4: 漏れ検出方法の比較
実際の生産では、通常、複数の検出方法を組み合わせて検出効率と精度を向上させます。たとえば、ヘリウム漏れ検出方法は高精度で小さな漏れの検出に適しており、差圧法は高精度で応答が速いという特徴があります。また、従来の水検出方法は検出精度が低いですが、直感的で低コストであり、漏れを見つけるのに便利な方法です。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 丨中間記事: エネルギー貯蔵液体冷却パックボックスの液密設計
エネルギー貯蔵液体冷却パックの液密性の潜在的な故障には、漏れ、腐食と堆積、結露水、その他の故障モードなど、複数の側面が関係します。
1- 流体の相互接続と構成
エネルギー貯蔵液体冷却システムでは、流体相互接続がさまざまなコンポーネント間で冷却剤を移動させる役割を果たします。効果的な流体相互接続により、冷却剤がシステム内で効率的に循環し、バッテリーの充電および放電プロセス中に発生する余分な熱が除去されます。
密閉性の高いシステムは、冷却剤の漏れを効果的に防ぐことができます。漏れがあると、冷却剤が失われ、頻繁に補充が必要になるだけでなく、システムの放熱性能と安定性にも影響します。エネルギー貯蔵では、冷却剤の漏れによりバッテリーの短絡が発生し、安全上の問題が発生する可能性があります。
2-流体相互接続システムの液密設計
流体相互接続システムの液密設計は、システムが密閉を維持し、さまざまな動作条件下で流体の漏れを防ぐための重要なリンクです。
図1: エネルギー貯蔵液体冷却システムの典型的な展開
（１）システム内の漏洩の可能性のある源とリスクポイントを分析する。
l 液体冷却アセンブリの自己シール特性。たとえば、液体冷却チャネル システムとパック ボックスの統合設計では、コンポーネントは溶接によって接続されます。溶接品質の欠陥、溶接不良、気孔、亀裂などはすべて、液体の浸透の問題につながる可能性があります。
l 構造設計が不合理です。例えば、液体冷却ボックスの位置決め穴やネジ穴が流路に近すぎるため、溶接不良の部分が液体の浸出経路になりやすくなります。
l 接続部品: 液体冷却システムのパイプ接続、バルブ、ジョイントは、漏れが発生しやすい箇所です。接続構造が適切に設計されていなかったり、製造プロセスが洗練されていない場合、ジョイント内部に小さな欠陥が生じ、そこから冷却剤が漏れることもあります。
l 不適切な取り付け、材料の老朽化や損傷などにより生じた漏れ。
（２）シール構造設計：
l 液冷式パックは、乾湿分離型冷却板冷却方式を採用しています。通常の作業条件下では、バッテリーセルは冷却剤と接触しないため、バッテリーセルの正常な動作を確保できます。エネルギー貯蔵液体冷却器の1つの解決策は、押し出し加工で形成し、冷却板に直接流路を統合し、機械加工で冷却循環経路を開くことです。このプロセスでは、適切な溶接プロセスを選択することが、密閉を確保するための重要なステップです。詳細については、「エネルギー貯蔵用下部ボックスの溶接プロセスの設計」を参照してください。
l 液体冷却パイプラインは、主に液体冷却源と機器の間、機器間、機器とパイプラインの間の移行的なソフト（ハード）パイプ接続に使用されます。主な接続方法は次のとおりです。
クイック接続: エネルギー貯蔵液体冷却システムの接続方法の 1 つは、VDA または CQC クイック接続を使用することです。
ねじ接続：接続構造の両端はパイプでスライド接続され、内部のねじリングとねじスリーブ間のねじ接続により、接続の堅牢性が向上します。
制限管とナットの接続：パイプの一端に接続管を締め付け、接続管の両側に制限管を固定して取り付けます。制限管の内側にはゴムワッシャーと凸リングが固定されており、接続管の頭の表面には制限リング溝が開けられています。ナットは制限管の上部に回転可能に接続され、ねじを介して制限管に回転可能に接続されています。
シールリング接続：シールリングは強力な接着剤でねじスリーブの内壁に接着され、シールリングの内壁はパイプの外面に可動に接続され、使用中の漏れを防止します。
（３）PACK液冷プレート、キャビンインターフェース、キャビンパイプライン等は、共通の冷却剤、共通の温度、流量条件下での長期腐食防止設計となっており、腐食のない長期運転を保証します。運転条件による液密性への影響：
l 温度。高温の影響：温度が上昇すると、液体の粘度は一般的に低下し、液体のシール性能が低下し、液密性に影響を及ぼします。たとえば、特定のシール材は高温で変形または劣化し、漏れを引き起こす可能性があります。低温の影響：低温環境では、液体が粘性になり、流れにくくなる可能性がありますが、シール材の性能が向上し、液密性がある程度向上する可能性もあります。
l 圧力。高圧環境：高圧下では、液体の密度と粘度が増加し、液体の密封性能が向上する可能性があります。ただし、過度の圧力はシール材を損傷し、漏れを引き起こす可能性もあります。低圧環境：低圧下では、液体の密封性能が比較的弱くなる可能性があり、特にシール材自体に欠陥があったり、老朽化している場合は、漏れが発生する可能性が高くなります。
l 流量。高流量: 液体が高速で流れると、シール面に大きな衝撃力が生じ、シール材の摩耗や変形を引き起こし、液密性に影響を及ぼします。低流量: 低流量では、液体のシール性能は比較的良好ですが、軽微な材料欠陥などの潜在的なシールの問題が隠れてしまうこともあります。
3-腐食と堆積の問題
l ブロックによる機密性への影響:
冷却剤、堆積物、またはボイラーの成長により、内部の詰まり、冷却剤の流れの悪化、冷却効率の低下が発生する可能性があります。
汚れとスケール: 長期間の使用後、冷却剤内のミネラルがパイプの内壁に堆積することがあります。これを「スケール」と呼びます。汚れは、固体粒子の沈殿、結晶化、腐食、微生物の活動によっても形成されることがあります。これらの汚れはパイプやコールドプレートを詰まらせ、流れの抵抗を増やし、熱伝達効率を低下させます。
泡の問題：液体冷却システムで泡が発生することがあります。泡は冷却プレートの表面に付着し、熱伝達効果が低下し、システム動作時の抵抗が増加し、ポンプなどにキャビテーション腐食を引き起こし、機器を損傷する可能性があります。
l 渦電流が気密性に与える影響：
流体がパイプや隙間を流れるとき、速度の変化によって渦が形成されることがあります。特に、流体が狭い部分や障害物を通過するときに、渦が形成されやすくなります。流体の粘度と密度も渦の発生に影響します。粘度の高い流体は渦を形成しやすく、密度の高い流体は渦の形成を弱める可能性があります。
漏れ経路: 渦電流は接触面に渦を形成し、隙間や不規則な表面に小さな漏れ経路を形成し、ガスや液体の漏れを引き起こす可能性があります。
表面の摩耗: 渦流は、特に高速流の状態で接触面の摩耗を引き起こす可能性があります。摩耗した表面では新たな漏れ経路が形成される可能性が高くなるため、この摩耗により気密性がさらに低下する可能性があります。
熱の影響: 渦電流により熱が発生し、接触面の材料が変形したり熱膨張したりして、特に温度変化が大きいシステムでは気密性に影響を及ぼします。
4-結露水の問題
特定の条件下では、液体冷却ラインに結露が発生し、機器が損傷したり、効率が低下したりする可能性があります。 断熱不良：パイプの断熱材が損傷したり老朽化したりすると、熱が失われ、冷却効果に影響します。特に低温環境では、断熱不良によりパイプ表面に霜や氷が形成される可能性があります。 凍結割れ：寒冷環境では、適切な凍結防止対策を講じないと、パイプ内の冷却剤が凍結してパイプが破裂する可能性があります。
ソリューション
l 密閉対策: 外部の湿った空気がバッテリー コンパートメント内に入らないように、液体冷却パイプラインの入口と出口が完全に遮断されていることを確認します。
l 除湿装置：除湿エアコンを設置するか、除湿機能を使用してバッテリー室内の湿度を適切な範囲に維持します。
l 温度制御: 空調または換気システムを設置することで、エネルギー貯蔵キャビネットが設置されている環境の温度と湿度を制御できます。たとえば、温度を 20 ～ 25 ℃ に保ち、相対湿度を 40% ～ 60% に制御できます。
l 隔離対策: 空のバッテリー ラックを単純に隔離して、バッテリー クラスターを含むコンパートメントに湿気が入るのを防ぎます。
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1
応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
1
流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
1
応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
バッテリー液体冷却
液体冷却システムでは、冷板をバッテリーの底部に直接置いて、またはバッテリーの隙間に差し込みます。
押出アルミ合金製バッテリートレイ
アルミ合金バッテリーケースは、主にアルミ合金型枠とアルミ合金型基板で構成され、系列６の押出型材を用いて溶接されています。溶接強度と密封性を保証するために、常に低応力変形の小さい攪拌摩擦溶接を選択しています。アルミ合金型材に適用できる標準部品はワイヤナット、抜けカシメナット、カシメナットがあります。
新エネルギー車(EV)
新エネルギー車とは非通常車両の燃料を動力源として使う車です（或いは従来の車両用燃料と新しい車両用動力装置を使います）車両の動力制御やお運転面において先進技術を統合し、新しい技術や仕組みで先進的な原理を形成している車です。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
技術とビジネストレンド
クリーンエネルギーの使用：
気候、環境、資源、エネルギーは国民の生活に深く関わっています。これらの問題に対処することが人類社会のサステナビリティを決定します。エネルギー不足と環境汚染のストレスの下で、エネルギー貯蔵バッテリー自動車と燃料バッテリーの二つのロードマップが新エネルギー自動車産業の発展の主な方向となっています。
自動車の軽量化：
エネルギー消費量の75%は車両の重量と関係があることを考えると、軽量化は新エネルギー車の省エネ、節減、行程向上の重要な技術手段であり、軽量化設計は自動車のエネルギー消費を低減するための重要な駆動要素の一つです。軽量化の新しい材料の使う、構造の最適化、プロセスの改善が自動車の軽量化のクリティカルパスです。
熱管理：
エネルギー電動自動車について、急速充電と航続距離の向上には熱管理が重要な技術となります。
水素燃料電池自動車にとって、水と熱管理は燃料電池パワートレイン研究開発の重要なコア技術であり、自動車パワートレインの性能、安全、寿命に決定的な影響を与えます。
チップ冷却
通常は外気を熱沈として使い,チップの操作で発生した熱を,異なるばいしつやインタフェースでラジエータに伝え,放熱します。
マルチユニットパワートレインケース
高度な集積によって電気駆働システムの低減と減量を実現しました。国内外の主流車企業の電気駆働システムには、三合一、四合一、六合一、七合一、八合一など、様々な集積形式があります。
新エネルギー車のパワートレイン分野について、Walmateは電気制御、モーター、自動車制御装置、減速ボックス、充電などの製品を一体化した新エネルギー車のドライブトレイン構成部品を開発・製造しました。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
電子制御ラジエーター
IGBTは、自動車の電気駆動の効率、電力密度、信頼性に主導的な役割を果たす、新エネルギー自動車の駆動モーターのコアデバイスです。新エネルギー自働車用電気制御システムの主な発熱机器はインバータで、バッテリーの直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程で、インバータの中のIBGTは大量の熱を発生して、その働作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
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放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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新エネルギー自動車用バッテリーケースの設計開発の探索です
現在の新エネルギー車開発の3大重点——安全性、軽量化、信頼性は、すべてバッテリーパックと密接に関連しています。また、バッテリーケースはバッテリーシステムの搭載要素であり、バッテリーパックひいては車全体の沖突、エネルギー消費量などに大きな影響を与えます。
新エネルギー自動車用バッテリーパックです
1-バッテリーパックの安全性です
新エネルギー車の三電システムの中で最も核心的な部品として、電池パックは直接に新エネルギー車の主要な性能指標に影響して、その安全性はよく車全体の信頼性を決定します。新エネルギー車のバッテリーパックは衝突時に大きな安全上の危険があります。衝突変形は内部バッテリーモジュールに短絡、遮断路、常発熱、爆発などの現象を引き起こします。バッテリーパック筐体の抗衝突性能は直接バッテリーモジュールの安全性に影響します。
バッテリーパックの安全性設計の鍵は、衝突中のバッテリーパックの損傷を低減することです。そのため、車両全体の衝突伝力経路を最適化し、バッテリーパック筐体の防護効果を高めることが設計の鍵です。現在のシミュレーション技術は広く使われています
バッテリーパケットシミュレーションモデルでは、沖突、押出し、沖撃、落下などの環境条件の失効形態を予測し、システムはバッテリーパケットケースの構造、部品のサイズを最適化し、バッテリーパックの安全性を高めるための多目標最適化を行います。
２-バッテリーパックの軽量化
高強度鋼、超高強度鋼、アルミニウム合金、複合材料の応用は、新エネルギー車の軽量化を実現するために必要です。バッテリーパック上の筐体は保護と支持用がないため、ただ密封防塵の役割を果たして、上の筐体は主に鋼板、アルミニウム合金、復合材料を使用します。バッテリーパックの下の筐体はバッテリーシステムで主に全体のバッテリーの品質を担って、外部の沖撃を防いで、バッテリーのモジュールの役割を保護します。電池パック筐体の主流制造プロセスはあります:押し出しアルミ型材+溶接成型、プレスアルミ板+溶接成型、ダイカストアルミ+鋳造成型する。現在、押出アルミ型材+溶接成型は、国内企業の一般的な下筐体製造案であり、それよりプレスアルミ制筐体、制造難度が低く、圧鋳アルミ制筐体より、成型サイズが大きいです。
バッテリトレイ（バッテリパック下ケース）
新エネルギー車は、バッテリーパックとシャーシが高い重複領域にあるため、シャーシとバッテリーパック構造の統合最適化が、軽量化に重要です。
CTP技術では、一般的なバッテリーパックはコアから組み立ててモジュールになり、さらにモジュールをバッテリーパックの中に取り付けて中間モジュールの段階を省略して、コアを直接バッテリーパックの上に集積して、バッテリーパックは車全体の構造部材の一部として車体の床下に集積します。CTP技術は、バッテリーパックの空間利用率とエネルギー密度、バッテリーパック全体の剛性の向上に効果的です。
CTC技術は、CTP技術の進化版で、コアをフロアフレーム内に直接集積し、バッテリーケースをフロア下板とし、シートを直接バッテリーカバーに接続することで、空間利用率63%を実現しています。
CTB技術は、CTCの改良版で、梁の構造と座席の支持部分を残して、一部の基板は電池の被覆で代替されて、空間利用率が66%まで向上して、しかも車体の構造は比較的完備して、安全性がより高くなります。
バッテリーパック搭載モードです
3-バッテリーパックの信頼性です
バッテリーパックの筐体は、軍の兵役から疲労失効までの全プロセス:サイクル負荷の下で、筐体の表面に微細な亀裂が発生し始め、局所の微細な疲労亀裂が徐々に拡張され、最終的には部品の瞬間的な破断失効が発生します。特に、電池パック筐体の接続部は高疲労障害領域となっています。バッテリーケースの実験シミュレーションを行い、バッテリーパックの信頼性設計を向上させる一般的な方法となります。
業界の要求によると、バッテリーパック筐体のシール性はIP6K7等級、さらにいくつかの企業はIP6K9K等級を達成する必要があります。バッテリーパック筐体の密封長さが長いため、一般的に数メートル、密封設計構造が少ないので、そのシール性に注意が必要です。
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攪拌摩擦溶接技術の電池トレイ製造への応用です
１-撹拌摩擦溶接（FSW）の基本的な原理です。
高速回転ミキサーヘッドをワークに挿入後、溶接方向に移働します。ミックスヘッドとワークの接触部は摩擦により熱を発生し、攪拌針の働きによって周囲の金属の塑性を柔らかくし、攪拌針の後ろの空洞を埋める金属層を柔らかくします。
現在,撹拌摩擦溶接は主にアルミ,銅,マグネシウム,チタニウムなどの媒体や異材料の接続に使われています。
2-攪拌摩擦溶接（FSW）プロセス
溶接始める時：溶接部分の溶接エリアに高速回転するピボットと針状突起のあるミキサーを入れます。ピボットは塑性状態での材料のオーバーフローを防ぐために同時に使用できます。
溶接作業中：撹拌ヘッドと溶接材料の間の摩擦抵抗は摩擦熱を発生し、材料を柔らかくして塑性変形を引き起こし、塑性変形エネルギーを放出します。撹拌ヘッドが溶接する界面に沿って前方に移働する時、熱可塑性材料は撹拌ヘッドの前部から後部に転移して、撹拌ヘッドの軸肩の鍛造作用の下で、ワーク間の固相接続を実現します。
溶接完了する時：撹拌ヘッドが回転して部品を出します。
撹拌摩擦溶接
３-技術の特徴です
変形小さい：材料は溶解する必要はありません、低入力熱、変形最小；
適応性が強い：環境の温湿度の影響を受けないで、適応性が強いです；
優れた性能です：溶接エリアは緻密な「鍛造構造」を形成し、気泡や収縮欠陥がありません；
環境と安全です：溶接プロセスはアーク、煙、飛散物などを発生しません、安全、グリーン、環境にやさしいです。
攪拌摩擦溶接継手の強度試験です
一般的な溶接方式と比較して、攪拌摩擦溶接には以下の優れた利点があります：
固体の溶接技術に属して、溶接の過程の中で溶接材料は溶けません；
溶接位置の制限、継手溶接の様々な形を実現することができます；
溶接効率が高くて、0.4-100mmの厚さ範囲内で片道溶接成形を実現できます；
溶接部位の残存応力が低く、変形が小さく、高精度な溶接を実現できます；
ジョイントの強度が高くて、疲労の性能が良くて、沖撃の靱性が良いです；
溶接コストが低くて、溶接プロセスの消耗がなくて、溶接線の充填と保護ガスが必要ありません；
溶接操作が簡単で、自働化溶接を実現しやすいです。
4-攪拌摩擦溶接技術の電池トレイ製造への応用です
アルミ合金は、低密度、高強度、熱安定性、耐腐食性と熱伝導性、無磁性、簡単な成形、リサイクル価値などの利点を持っており、電池パック軽量化設計の理想的な材料です。
現在、アルミ合金製の電池トレイやプラスチック製のカバーは、軽量化効果が高く、多くの自働車メーカーに採用されています。電池トレイはアルミニウム押出型+摩擦攪拌溶接+MIG溶接の方式を採用して、総合的な応用コストが低くて、性能要求を満たして、水冷電池循環の水通路を一体化することができます。
典型的な電池トレイは主にアルミ合金形材フレームとアルミ合金形材基板で構成され、それらは6シリーズ押出形材を使用して一緒に溶接されています。以下の図に示します。
アルミ合金の電池トレイ
断面の構造と材料：
フレームと基板はアルミニウム合金押出型材で作られ、材料は通常6061-T6(屈伏強度240 MPa、引張強度260 MPa)、6005A-T6(屈伏強度215 MPa、引張性能255 MPa)と6063-T6(屈伏性能170 MPa、引張耐性215 MPa)です。断面の復雑さ、コスト、金型の消耗などによって、どの特定のブランドを選ぶかを考えます。
技術的な難易度です：
フレームと基板は電池モジュールの担体であり、強度が要求されます。したがって、強度を確保するために空洞を有する二層断面が一般的に選択されます。基板の厚さは10mm前後,壁の厚さは2mmが一般的です。単層のアルミ板はあまり使われません。
フレームの典型的な断面は復数の空洞で構成され、6061-T6材料で作られ、最も薄い壁の厚さは2mmです。
基板の典型的な断面は、主に電池モジュールを取り付けるための上部突起を含む複数の空洞で構成されています。断面寸法が大きく、厚さは2mm、材料の一般的な選択600a -T6です。
型材の断面
解決策です:
基板と基板、および基板とフレームは、主に攪拌摩擦溶接によって接続されます。溶接強度は基材の約80%までできます。
基板型材は攪拌摩擦溶接継手を採用し、基板間は両面ドッキング継手を採用して溶接します。両面溶接の強度が高く変形が小さいです。
フレームと基板の間に両面攪拌摩擦溶接継手を形成します。撹拌ヘッドに十分なスペースを確保するために、フレームと基板の連結部の延長長は十分に長くして、フレームと撹拌ヘッドの間の干渉を避け、フレームの型材のサイズの増加と押し出し難度を避けるべきです。しかし、両面溶接は強度が高く変形が少ないのが長所です。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
最も人気のあるウォーターブロックは、基本的に純銅のマイクロチャネルタイプです。銅製の底板は直接スカイビング加工され、フィンは底板と一体化して熱抵抗を減らします。底板とカバープレートはろう付けまたは拡散接合されており、シールの信頼性を確保しています。
パート3：スカイビング加工によるウォーターブロックの主なコスト構造
1- スカイビングプロセスを使用してウォーターブロックを製造する利点
l 統合設計：スカイビングプロセスは、床とフィンを統合できるため、接触熱抵抗を減らし、熱伝導率を向上させるのに役立ちます。さらに、底板とフィンを統合した設計により、構造強度も向上します。
l 高精度加工：スカイビングプロセスでは非常に細かい歯構造を生成でき、歯の高さ、歯の厚さ、歯のピッチを正確に制御できるため、ヒートシンクフィンの密度が高くなり、放熱面積が大きくなり、放熱効率が向上します。同時に、形状、サイズなど、さまざまな顧客の個別のニーズにもよりよく対応できます。
l 生産効率が高く、スカイビングプロセスは大量生産できます。従来のCNCと比較して、スカイビングプロセスでは複数のギアピースを同時に処理できるため、生産効率が大幅に向上します。
図1: 異なる加工技術を用いたウォーターブロックベース a-スカイビング b-CNC c-冷間鍛造
2-スカイビングウォーターブロックのコスト構造
l 設計開発コスト: スカイビングウォーターブロックの設計の複雑さは比較的高く、特に高い放熱性能が求められる場合は、複雑なプロセス設計と最適化が必要になります。
l 材料コスト: スカイビングプロセスで使用される材料は主にアルミニウムと銅合金です。ラジエーター製造では、アルミニウム板と銅合金を組み合わせた設計がより一般的で、コストパフォーマンスが高いため、アルミニウムと銅の品質がコストに直接影響します。
l 加工コスト:
スカイビング工程コスト：スカイビング工程には、3軸CNC工作機械などの高精度CNC加工設備が必要です。このような設備の使用には高い投資コストが必要であり、オペレーターの技術要件も高く、生産コストが増加します。
溶接工程コスト：ウォーターブロックの製造工程では、溶接工程も重要なコスト要因です。真空ろう付けと拡散溶接は、一般的に使用される2つの溶接方法です。ろう付けは複数のジョイントを同時に溶接でき、生産効率が高く、ろう付け材料が必要で、プロセス条件に対する要件が高く、品質管理が困難です。拡散溶接設備は1回限りの投資が大きく、拡散溶接はフィラーを必要としませんが、ワークピースの表面処理に対する要件が高くなります。
表面処理コスト：一般的な表面処理方法には、陽極酸化、メッキなどがあります。アルミニウム合金ウォーターブロックの場合、陽極酸化により表面硬度、耐摩耗性、耐腐食性が向上し、製品の美観が向上します。銅製ウォーターブロックにはニッケルメッキなどのメッキが施され、銅の酸化や腐食を防ぎ、製品の寿命と信頼性を高めます。
l その他の費用: 検査およびテスト、梱包および輸送など。
3-コスト最適化の提案
l 材料使用の最適化
適切な材料を選択します：たとえば、銅は熱伝導率が高く、単位密度が高く、単価も高いです。アルミニウムは軽量で単価が低く、熱伝導率がやや悪いです。
材料使用: 材料の厚さとマージンを正確に計算することで、材料を効率的に使用し、材料の無駄を減らします。
図2: 材料消費量計算の概略図
l 生産プロセスの最適化
金型の簡素化: 金型の複雑さとコストを削減するために、シンプルな金型を設計します。
スクラップ率の削減: 正確なプロセス制御と品質検査によりスクラップ率を削減します。
ワンステップ成形: プロセスルートを最適化し、複数の処理ステップを削減し、生産効率を向上させます。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
ウォーターブロックは液体冷却システムの重要なコンポーネントであるため、その設計では、熱交換性能、構造強度、耐腐食性、耐漏洩性、コスト管理など、さまざまな要素を考慮する必要があります。ウォーターブロックは通常、複雑な熱交換スロット構造（つまり、流路）で設計されており、その内部の流路設計の品質がシステム全体の熱交換効率を直接決定します。
パート2：ウォーターブロックの設計、加工技術、課題
1-さまざまなシナリオにおけるウォーターブロックの設計要件
l 高性能コンピューティング:
高性能コンピューティングデバイス（高性能CPU、GPUなど）は動作中に大量の熱を発生するため、ウォーターブロックには効率的な放熱機能が必要です。高熱流束密度の放熱要件を満たすために、ウォーターブロックは通常、高密度マイクロチャネル設計を採用して熱交換面積を増やし、放熱効率を向上させます。さらに、一部の設計ではウォーターブロックをCPUに直接統合し、シリコングリースを塗布する手順を排除することで、組み立てプロセスを簡素化するだけでなく、放熱性能をさらに向上させます。信頼性の面では、ウォーターブロックは漏れを防ぎ、長期にわたる安定した動作を確保するために、優れた密閉性能を備えている必要があります。
l グラフィックカードの冷却:
グラフィック カードは発熱量が多い部分なので、ウォーター ブロックはグラフィック カード上の発熱部品すべてを効果的に冷却できるよう、全面カバー設計にする必要があります。同時に、グラフィック カードの冷却には高流量の冷却剤が必要なので、ウォーター ブロックの内部構造は高流量に対応して熱を素早く除去する必要があります。
l データセンター:
データセンターでは、データセンターの安定した動作と効率的な放熱を確保するために、ウォーターブロックの構造設計は、効率的な放熱、低騒音、高信頼性、高電力密度への適応性、インテリジェントな管理、環境適応性など、複数の要件を満たす必要があります。
2-ウォーターブロック構造の進化の傾向
ウォーターブロックの構造設計の進化の傾向は、技術革新と性能向上の二重の追求を反映しており、主に以下の側面に反映されています。
l 放熱性能の向上：
接触面積を増やす：一部のウォーターブロック設計では、発熱体との接触面積を増やすことで放熱性能を向上させています。たとえば、大面積の銅ベース設計では、良好な接触と熱伝導を実現できます。
内部構造の最適化：内部の水路を最適化します。1つのアイデアは、通常のフィンからステアリングフィンに変更し、長いストリップフローチャネルを提示し、フロー境界層の分離を促進し、境界層の厚さを減らし、熱交換効率を向上させるなど、流体の流れを最適化することです。もう1つのアイデアは、従来の粗い水路からマイクロチャネル設計に変更するなど、熱容量領域を増やすことです。これにより、冷却剤とベースプレートの接触面積が大幅に増加し、放熱効率が向上します。一部の設計では、冷却剤をガイドプレートを介してマイクロチャネルベースプレートに噴霧して、局所的な流速と乱流を増加させ、熱吸収効率を大幅に向上させます。
l 統合されたインテリジェントなデザイン:
統合設計：統合設計では、ウォーターポンプ、ヒートシンクフィン、熱伝導ベースなどのコンポーネントを統合して、接続ポイントの数を減らし、システムの安定性と放熱効率を向上させます。
多機能統合：放熱性能に加えて、最新のウォーターブロックには温度表示と監視機能もあります。
モジュラー設計：モジュラーバックル構造により、整理の利便性と自由度が向上します。
図1: フィンの厚さが異なるウォーターブロックベース
l 高性能な素材と仕上げ:
純銅ベースなどの高性能材料の使用とニッケルメッキなどの表面処理技術の組み合わせにより、熱伝導性と耐腐食性が向上します。
3-加工技術と課題
l 材料特性は処理に影響します:
材料の硬度と靭性の問題: 銅、アルミニウム、およびそれらの合金などの異なる材料で作られたラジエーターは、硬度と靭性が異なり、加工ツールとプロセスに対する要件も異なります。硬度が高い材料は摩耗が早く、ツールの交換頻度も高くなります。靭性が高い材料は、切削中に変形やバリが発生しやすくなります。
銅アルミニウム複合材料の加工は複雑です。銅アルミニウム複合材料のシャベル歯ヒートシンクは、まず連続鋳造半溶融状態プレス技術を使用して複合材料にしてから、シャベル歯加工を行う必要があります。このプロセスはより複雑で、設備とプロセスに高い精度が求められます。
l 高い寸法精度要件
歯の高さと厚さの一貫性を確保するのが難しい：一部の高密度歯ヒートシンクでは、ヒートシンクの性能と均一性を確保するために、各歯の高さと厚さに高い一貫性が求められます。歯の高さと歯の厚さの差が大きすぎると、熱伝達が不均一になり、放熱効果に影響します。加工中は、高精度の設備と自動制御システムを使用して、各歯の仕様が一貫していることを確認する必要があります。
歯間隔の制御が難しい：ヒートシンクの歯が密集しすぎると、その密度と間隔によって加工プロセスが複雑になり、歯の均一性を維持するために加工設備の速度と精度を高める必要があります。たとえば、歯間隔が小さすぎると、切削中に工具が干渉しやすくなり、加工精度と表面品質に影響します。
l 厳しい表面品質要件
バリの問題: 加工中にバリが発生しやすく、ラジエーターの美観に影響を与えるだけでなく、空気の流れを妨げ、放熱効果を低下させる可能性があります。バリの発生は、材料の切断精度が低いこと、加工ツールの摩耗などによって引き起こされる可能性があり、バリの解決には対応するバリ取りプロセスを採用する必要があります。
表面粗さ: ラジエーターの表面粗さは、放熱性能とその後の表面処理効果に影響を与えます。表面粗さが大きすぎると、空気の流れに対する抵抗が増加し、放熱効率が低下します。粗さを減らすには追加の表面処理が必要であり、加工コストと時間が増加します。
l 高度な処理設備とプロセス要件
設備の精度と安定性：ギアショベルには高精度のギアショベルマシンが必要であり、設備の精度は歯の寸法精度と表面品質に直接影響します。同時に、長期加工中の寸法の一貫性を確保するために、設備は良好な安定性を備えている必要があります。
工具の選択と摩耗：適切な工具は加工品質にとって重要です。工具の材質、形状パラメータなどは、材料特性に応じて選択する必要があります。加工プロセス中に工具が摩耗すると、切削力が増加し、寸法精度が低下し、表面粗さが増加するため、工具を適時に調整または交換する必要があります。
送り速度と切削深さ：送り速度と切削深さの不合理な設定は、加工不良につながりやすくなります。送り速度が速すぎて切削深さが大きすぎると、工具に過負荷がかかり、工具のひっかかり、工具の跳ね返り、工具の落下などが発生し、加工精度と表面品質に影響します。
図2: スカイビングプロセス
l 高度なカスタマイズ要件
さまざまなアプリケーション シナリオでは、ラジエーターのサイズ、形状、歯の高さ、歯の厚さ、歯の間隔などのパラメーターに対する要件が異なり、特定のニーズに応じてカスタマイズする必要があります。これにより、加工メーカーは、多様なカスタマイズ ニーズを満たすために、柔軟なプロセス調整機能と豊富な経験を備えている必要があります。
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高性能サーバー液体冷却ソリューションの分析丨パート1：ウォーターブロックの構造と動作原理
世界の人工知能コンピューティング能力の急速な成長とチップの熱設計消費電力（TDP）の継続的な増加により、データセンターの冷却需要は前例のない課題に直面しています。同時に、世界中でますます厳しくなる省エネおよび炭素削減政策は、冷却技術の革新をさらに促進しました。このような状況において、従来の空冷ソリューションは、効率的な放熱と省エネという2つの要件を満たすことが徐々に困難になってきました。液体冷却技術は、その優れた放熱性能と大幅な省エネの利点により急速に台頭し、データセンター冷却ソリューションの主流の選択肢になりつつあります。データ処理とストレージの中核機器であるサーバーのパフォーマンスと安定性は、システム全体の動作効率に直接関係しています。マザーボード、CPU、メモリ、ハードディスク、グラフィックカードなどのサーバーのコアコンポーネントは、継続的な高負荷動作下で大量の熱を発生します。熱を適時に効果的に放散できない場合、サーバーのパフォーマンスと寿命に深刻な影響を及ぼします。このため、高度な液体冷却システムがサーバー冷却ソリューションに導入され、CPU やグラフィック カードなどの主要な熱源に直接取り付けられ、放熱効率が大幅に向上しました。
パート1：水冷ブロックの構造と動作原理
液体冷却システムのコアコンポーネントの 1 つはウォーターブロックです。ウォーターブロックは通常、熱伝導率の高い銅またはアルミニウム材料で作られ、精密な水路とヒートシンク構造で設計されています。これらのウォーターブロックは、CPU や GPU などの熱源の表面にぴったりフィットし、内部を循環する冷却水を通じて熱をすばやく吸収して伝達します。その後、熱はヒートシンクに運ばれ、水冷システムを通じて循環し、最終的に周囲の空気中に放散されます。
図1: 主流チップメーカーのチップ熱消費電力の傾向
1- 一般的なウォーターブロックの種類と特徴
l マイクロチャネルウォーターブロック
特徴：マイクロチャネルウォーターブロックは、精密なマイクロ水チャネル設計を採用しています。水チャネル構造は細かく複雑で、冷却剤と発熱部品との接触面積を大幅に増やすことができ、放熱効率が大幅に向上します。マイクロ水チャネル設計は、冷却剤の流れ中に強い乱流効果を生み出し、対流熱伝達係数をさらに高め、効率的な熱伝達を実現します。
適用シナリオ：特に、非常に高い放熱要件を持つ高性能コンピューティング、オーバークロック、データセンターなど、発熱量の多いCPUやGPUに適しています。
l 大流量ウォーターブロック
特徴: 大流量ウォーターブロックの内部構造は比較的シンプルで、通常は銅板またはエッチング溝設計を使用しており、製造コストが低くなっています。その主な利点は、高速水流を利用して熱を素早く除去し、大流量水冷システムでの使用に適していることです。構造はシンプルですが、効率的な放熱能力により、非常にコスト効率の高い選択肢となっています。
適用シナリオ: 中高級DIYコンピュータシステムや中小規模のサーバークラスターなど、放熱効率に一定の要件があるが予算が限られているシナリオに適しています。
l ジェット式水冷ヘッド
特徴：ジェット式水冷ブロックは、ガイドプレートを介して狭いノズルからマイクロチャネル底板に冷却剤を高速で噴射し、強力な乱流効果を形成して放熱効率を大幅に向上させます。この設計により、冷却剤とベースとの接触面積が増加するだけでなく、高速流によって熱交換性能がさらに最適化されます。
適用シナリオ：高性能CPUおよびGPUに適しており、特にオーバークロックコンピューティング、人工知能トレーニング、グラフィックスレンダリングなど、高放熱要件と高流量シナリオに適しています。
2-ウォーターブロックの一般的な構造
ウォーターブロックは、内部に水路を備えた金属ブロックで、通常は銅またはアルミニウムで作られています。CPU、グラフィックカード、その他の熱発生デバイスと接触することはありません。その構造設計は、放熱性能の品質を直接決定します。一般的なウォーターブロックは、通常、次の主要部品で構成されています。
l ベースは通常、銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られており、表面は発熱部品との密着性を確保するために細かく加工されており、ベースには複雑な流路設計が施されており、冷却剤とベースの接触面積が増加します。
l カバー プレートは、ベースと一緒になってフロー チャネル シーリング キャビティを形成し、ウォーター ブロック内のフロー チャネル、シール、およびその他のコンポーネントをほこり、不純物、外部の物理的損傷から保護します。
l 水の入口と出口は、冷却剤が水冷ヘッドに出入りするためのインターフェースです。これらは通常、冷却剤がスムーズに出入りできるように、水冷ヘッドの側面または上部に設計されています。位置設計では、流体の流路を考慮して、流動抵抗を減らし、冷却剤の流量を増やす必要があります。
l クリップは、水冷ヘッドを CPU やその他の発熱部品にしっかりと固定し、しっかりとした基礎を確保して効率的な熱伝導を実現するために使用されます。
図2: ウォーターブロックの典型的な構造
3- 放熱性能の総合的な最適化
l 流路設計の最適化
流路の接触面積を増やす：より狭く、より高密度の流路を設計することで、冷却剤とベースとの接触面積を大幅に増やすことができ、対流熱伝達係数を向上させることができます。たとえば、マイクロチャネル設計には微細な水路構造があります。マイクロチャネル水ブロックの設計パラメータ（チャネル幅、高さ、間隔など）は、その放熱効率に決定的な影響を及ぼします。チャネル幅が狭くなると、狭いチャネル内の冷却剤の流れの乱流効果が強化されるため、熱伝達係数が大幅に増加し、熱交換効率が向上します。チャネルの高さが高いほど、冷却剤の流路スペースが広がり、熱伝達性能が向上します。チャネル間隔が狭いほど、冷却剤と熱源との接触面積が増え、放熱効率が向上します。
また、流路レイアウトを最適化し、流路の曲がりを減らすことで最適化することもできます。合理的な流路レイアウトにより、冷却剤が発熱部品の表面を均一に覆い、局所的な温度差を減らすことができます。流路の曲がりにより、ヘッド損失と内部流動抵抗が増加し、冷却効率が低下します。設計では曲がりの数を最小限に抑える必要があります。避けられない場合は、圧力降下を減らして流動性能を最適化するために、曲がりを滑らかな遷移として設計する必要があります。
l 高熱伝導性材料: ウォーターブロックのベースは通常、純銅やアルミニウム合金などの高熱伝導性材料で作られています。これらの材料は、熱源から冷却剤に熱を効率的に伝達し、全体的な放熱性能を向上させます。
l ベース基板の厚さ、フィン、スポイラー構造などの構造パラメータの最適化。基板の厚さが増加すると最高温度が上昇するため、設計では放熱効果と構造強度の最適なバランスを見つける必要があります。フィンの高さ、厚さ、間隔を増やすことで放熱性能を向上させることができますが、同時に流動抵抗も増加します。放熱性能を最大限に高めるには、最適なフィン設計の組み合わせを見つけてください。スポイラー柱の形状は、乱流効果を効果的に高め、熱交換効率を向上させることができます。
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摩擦撹拌接合のよくある問題点と改善方法
本文从生产实际出发，总结了搅拌摩擦焊焊接过程中常见的问题、产生原因及改善方法，供大家参考。
この記事では、実際の生産に基づいて、攪拌摩擦接合プロセスにおける一般的な問題、原因、改善方法をまとめ、参考として提供します。
1-表面欠陥
（１）表面溝
l 問題の説明: 表面溝はプラウイング欠陥とも呼ばれ、通常は溶接部の上面に現れ、溶接部の前進端に向かう傾向があり、溝の形をしています。
l 原因: 溶接部の周囲の熱可塑性金属の流れが不十分で、溶接部のプラスチック金属が攪拌針の移動中に残る瞬間的な空洞を完全に満たすことができません。
l 改善方法：ショルダー径を大きくし、圧力を上げて、溶接速度を下げます。
図1: 溝
（2）エッジバリ
l 問題の説明: 溶接部の外側の端にフラッシュバリが発生し、形状が波状になっています。
l 原因：回転速度と溶接速度の不一致、下向きの圧力が大きすぎる。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、圧力の量を減らします。
図2: エッジバリ
（3）表面剥離
l 問題の説明: 表面の剥離またはねじれが、皮膚またはねじ山の形で溶接の表面に現れます。
l 原因: 金属の摩擦によって発生した大量の熱が溶接部の表面金属に蓄積され、表面の局所的な金属が溶融状態になります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、回転速度を下げ、溶接速度を上げます。
図3: 表面剥離
（４）バックウェルドノジュール
l 問題の説明: 溶接の裏側に溶接ビードが形成されます。
l 原因: 溶接時の撹拌ヘッドの深さと圧力の不適切な制御。
l 改善方法：ミキシングヘッドの深さと圧力の設定を最適化します。
2-内部欠陥
（１）不完全な浸透
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 撹拌針の長さが足りないため、溶接部の底部の材料が十分に撹拌されません。
l 改善方法：溶接厚さの材料が十分に撹拌されるように、適切な撹拌針の長さを選択します。
図4: 不完全な貫通
（２）穴
l 問題の説明: 溶接底部が接続されていないか、完全に接続されていない場合に、「亀裂のような」欠陥が発生します。
l 原因: 溶接プロセス中に、摩擦熱入力が不十分なため、十分な材料が可塑化状態に達しず、材料の流れが不十分になり、溶接領域が完全に閉じられなくなります。
l 改善方法：溶接パラメータを最適化し、撹拌針の設計を改善し、溶接速度と回転速度を制御します。
図5: 穴
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エネルギー貯蔵分野における液浸液体冷却技術の探究、応用、製品化
最近、編集者は多くの企業が液浸液冷却エネルギー貯蔵に注目し、計画していることに気付きました。しばらく沈黙していた液浸液冷却技術は再び注目を集め、再び人気が出ているようです。多くの同業者もこの発展に注目していると思います。
1- 液浸液冷却技術の特徴
エネルギー貯蔵セルは300Ah以上に向かっており、エネルギー貯蔵システムは5MWh以上に向かっています。セルが大きくなるほど発熱量が多くなり、放熱が難しくなり、温度の一貫性を確保することが難しくなります。また、エネルギー貯蔵システムは多数の積層セルで構成されており、動作条件が複雑で変化しやすいため、発熱の不均一や温度分布の不均一が発生しやすくなります。放熱と温度均一性の問題が適切に解決されないと、バッテリーの充放電性能、容量、寿命が低下し、システム全体の性能に影響を及ぼします。さらに、安全性は常にリチウム電池のエネルギー貯蔵にかかっている「ダモクレスの剣」であり、安全性を向上させる最も一般的な方法は、本質的安全性、能動的安全性、受動的安全性の3つの側面に向かうことです。
浸漬液冷却は、バッテリーセルを絶縁性、無毒、放熱性の液体に浸すことです。冷却剤は、より高い熱伝導率と比熱容量を持っています。この直接接触方式は、非常に高い熱伝達効率を提供すると同時に、温度均一性も向上させます。また、冷却剤は温度制御媒体であることに加えて、エネルギー貯蔵システムの消火液としても使用でき、温度制御と防火を兼ね備えており、これも浸漬液冷却技術の重要な特徴です。より高い放熱性能とより強力な安全性が求められる業界では、浸漬液冷却が間違いなくより多くの利点を持つことになります。
図1: 浸漬型液冷式エネルギー貯蔵バッテリーパックボックス
2- 浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムソリューション
液冷技術の1分野として、浸漬液冷技術はエネルギー貯蔵業界で初めて使用されたわけではありません。最初は高性能コンピューティングの分野で使用され、その後、データセンター、人工知能、暗号通貨などに徐々に拡大しました。
浸漬液冷エネルギー貯蔵システムの設計の本来の意図は、従来の空冷と間接液冷の冷却効率とバッテリー温度差制御の欠点を解決することです。南方電力網梅州宝湖プロジェクトの正式な稼働は、最先端技術である浸漬液冷が新しいエネルギー貯蔵工学の分野でうまく応用されたことを示しています。
l 冷却方式と冷媒循環方式
冷却方式は単相と相変化に分かれています。単相浸漬液冷却が使用され、主に鉱油、シリコーン油、天然エステルなどが含まれます。他の方式では、主にハイドロフルオロエーテルに代表される二相浸漬液冷却が使用され、相変化潜熱を利用して放熱し、放熱効率を向上させます。不完全な統計によると、「単相浸漬液冷却」方式は、現在リリースされている浸漬液冷却エネルギー貯蔵システムの中で最も一般的です。
冷却剤の循環モードの違いにより、単相浸漬液冷却には、自然対流、ポンプ駆動、浸漬結合コールドプレート液冷却の3つの技術ルートがあります。自然対流は、加熱後の液体の体積膨張と密度低下の特性を利用して、高温の冷却剤の浮上と冷却後の沈降を実現し、循環放熱を完了します。ポンプ駆動システムの核心は、液体冷却ユニットが冷却剤を駆動して液体冷却パイプラインとバッテリー浸漬ボックスの間で循環させ、循環放熱プロセス全体を完了することです。浸漬結合プレート液体冷却方式では、バッテリーを誘電液に浸し、誘電液と接触する冷却プレートを使用して熱を取り除き、誘電液を冷却するための複雑な二次回路の使用を回避します。
l 製品形態と統合ソリューション
浸漬液冷式エネルギー貯蔵システムの統合ソリューションの反復は、全体から部分、そして細部へと進むプロセスです。各ステップは、前の段階に基づいて最適化および改善され、より高いパフォーマンスと安全性を実現します。
キャビンレベルからパックレベルまで、システム統合テクノロジーはシーンのカスタマイズの特徴を示しています。エネルギー貯蔵シナリオの多様化により、エネルギー貯蔵システムに対する需要が異なります。単一の製品では市場の需要を満たすことはできません。モジュール設計により、プロジェクトの規模と電力需要に応じてエネルギー貯蔵製品を最適化および拡張でき、さまざまなアプリケーションシナリオとニーズに応じてエネルギー貯蔵ソリューションを迅速に調整および展開できます。
3-工業化プロセスにおける課題と実装シナリオ
浸漬型液体冷却エネルギー貯蔵システムは、商業化プロセスにおいて、経済的実現可能性、技術的な複雑さ、市場での受け入れ、業界チェーンの成熟度など、多くの課題に直面します。
l 技術的な複雑さ: コールドプレート液体冷却システムと比較すると、浸漬液体冷却システムは設計と実装がより複雑です。
l 産業チェーンの成熟度: 液浸液体冷却技術の産業チェーンはまだ十分に成熟しておらず、より幅広い分野への応用が制限されています。産業チェーンの成熟度は、技術の推進と商業化に直接影響します。
l 経済的課題: エネルギー貯蔵業界はまだ商業開発の初期段階にあり、収益性の欠如により、高コストの技術ルートが市場に受け入れられることは困難です。多くの企業が一時的な注文に対して低価格で競争しているため、浸漬液冷却の浸透が制限されています。
現在、エネルギー貯蔵産業の主な市場は依然として空冷とコールドプレート液体冷却が主流であり、浸漬液体冷却はまだ市場に完全に受け入れられていません。浸漬液体冷却技術の市場浸透率と受け入れ度は高くありませんが、次のような特殊なシナリオでは大きな可能性を示さない可能性があります。
l 危険化学品業界: 危険化学品会社は、エネルギー貯蔵設備に対して極めて厳格な安全管理を実施しています。これは、製造・保管する化学物質のほとんどが、可燃性、爆発性、毒性、腐食性が非常に高いためです。事故が発生すると、会社自体に重大な損失をもたらすだけでなく、環境汚染や周辺地域への被害を引き起こす可能性もあります。
l 基地局とデータセンター: 基地局とデータセンターは、熱暴走に対する許容度が低いです。データセンターのエネルギー貯蔵システムは、システムの安全性を確保するために、安定した性能を持ち、熱暴走を起こしにくいバッテリーを備えている必要があります。電力品質に対する要件は高く、エネルギー貯蔵システムは迅速な応答能力を備えている必要があります。グリッド障害や停電などの緊急事態が発生した場合、エネルギー貯蔵システムは、電力の継続性と安定性を確保するために、直接放電モードに切り替えることができなければなりません。
l 急速充電ステーション: 高速充電と放電を行うと、バッテリーは短時間で大量の熱を発生します。これにより、バッテリーの温度が高くなりすぎて不均一になり、バッテリーの性能、寿命、安全性に脅威を与えます。つまり、高速充電と放電のシナリオでは、バッテリーの熱管理が特に重要になります。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 | 最終章：バッテリーパックの気密性検出方法と一般的な組み合わせソリューション
バッテリーパックの気密性は、電気自動車やエネルギー貯蔵システムにおいて重要な指標です。バッテリーパックの気密性テストは、主にバッテリーパックのシェル、インターフェース、コネクタ、冷却アセンブリなどに対して行われ、バッテリーパックの内部が外部環境からのほこりや湿気などの不純物によって汚染または侵入されないこと、冷却アセンブリが漏れないことを確認します。これにより、バッテリーパックが正常な性能と寿命を維持し、短絡や爆発などの安全事故を引き起こさないことが保証されます。
1-バッテリーパックの保護レベルと気密性試験標準の策定
国際保護等級（IEC60529）、異物保護等級またはIPコードとも呼ばれます。IP（侵入保護）保護等級システムは、国際電気標準会議（IEC）によって制定された規格で、異物の侵入や水の侵入に対する電気機器ハウジングの保護等級を分類します。バッテリーパックケースの気密性は通常、IP67またはIP68に達する必要があります。つまり、バッテリーパックケースは、ほこりの侵入から完全に保護され（防塵レベル6）、一定時間、一定の圧力で水に浸しても有害なレベルまで水が浸入しない（防水レベル7）必要があります。より厳しい要件は、バッテリーパックを1mの深さの水に60分間浸しても水が浸入しないことです（防水レベル8）。IP保護等級は通常、2桁で構成されます。図1に示すように、数字が大きいほど保護レベルが高くなります。
図1: IP保護レベルの説明
バッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するには、バッテリーパックを水中に沈める必要があります。この方法は時間がかかり、パワーバッテリーパックを破壊し、一定の安全上のリスクがあります。パワーバッテリーのオフラインテストとしては適していません。そのため、業界では気密テストを使用してバッテリーパックが IP67 および IP68 の要件を満たしていることを確認するのが一般的な方法になっています。気密テスト規格の策定では、圧力降下値と漏水率の関係、および開口部と漏水の関係を考慮する必要があります。気密テスト規格の策定には、理論的な極限から実験検証までの一連の手順が含まれており、IP レベルから気密テスト規格への変換を実現します。たとえば、IP68 を例に挙げます：
図2: 気密試験基準策定の手順
2- 気密性試験方法の選択と試験の難しさの分析
バッテリーパックの設計と製造品質は、バッテリーボックスカバーの靭性と強度、バッテリーパックシェルの密閉、インターフェースとコネクタ、防爆ベント、電気コネクタ自体の密閉など、気密性に影響を与える重要な要素です。さらに、熱膨張と収縮の問題、材料の老化、振動と衝撃など、使用中に気密性に影響を与えるいくつかの問題があります。バッテリーパックシェルの生産と製造では、溶接点の不均一、溶接の弱さやひび割れ、エアギャップ、ジョイント接続の密閉不良など、溶接点や接合品質などの問題によって引き起こされる気密性の低下にさらに注意を払います。
バッテリーパックの気密性テストは、主に上部シェル、下部シェル、および組み立て部品の気密性テストに分かれています。上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があります。バッテリーパックの気密性テスト方法を選択するときは、通常、バッテリーパックの特性、テスト精度要件、生産効率、およびコストが総合的に考慮されます。
エンジニアリングにおけるバッテリーパックのシェルテストは、一般的にプロセス気密性テストと出荷気密性テストに分けられます。さらに、上部シェルと下部シェルの気密性テストは、組み立て後の気密漏れ要件を満たす必要があり、テスト標準に対してより厳しい要件が提示されています。気密性が要件を満たしていることを保証するために、実際の操作で次の困難を克服する必要があります。
l 製品構造の安定性：プラグ溶接、蛇口溶接、梁溶接、フレーム底板溶接、フレーム前後カバープレート溶接などの溶接品質。溶接漏れの問題は、主にアーク開始点とアーク終了点に集中しており、溶け落ちによる欠陥、溶接変形応力による割れ、例えば底板キャビティ側壁溶接、底板キャビティ材料の層化、溶接変形応力に耐えられないことなどです。
l 気密固定具の適応性と安定性: 固定具の設計は、テスト対象のコンポーネントの形状と寸法に厳密に一致している必要があります。これにより、テスト プロセス中にコンポーネントを固定具にしっかりと固定でき、位置のずれや振動によるテスト エラーが削減されます。ただし、実際には、バッテリー パックのサイズと形状は大きく異なるため、複数の異なるテスト固定具の設計と製造が必要になり、コストと操作の複雑さが増します。汎用的な固定具を設計すると、設計プロセスがさらに複雑になります。
l 気密性テスト結果の再現性: 空気圧、温度、テストワークピース/固定具の乾燥度などの要因が気密性テスト結果に影響します。
l 貫通しない微細な亀裂が多数存在するワークピースの場合、検出装置の精度や検出パラメータなどの影響により、漏洩源を発見できず、検出漏れが発生する可能性があります。
図3: 気密性試験ツール
3-エンジニアリングで一般的に使用されるバッテリーパックの気密性検出ソリューションの組み合わせ
バッテリーパックのシェル工程の気密性試験には、一般的に気密性試験と浸水試験が含まれます。気密性試験では、バッテリーボックスの上部カバーを密閉し、コネクタポートのみを空気入口として残します。バッテリーパックの気密性は、空気圧を制御し、空気漏れがあるかどうかを観察することで判断します。浸水試験は、バッテリーボックス全体を完全に水に浸し、ボックス内に水があるかどうかを確認して気密性を判断するものです。
ヘリウム漏れ検出は、ヘリウムをトレーサーガスとして使用し、漏れ箇所のヘリウム濃度を検出することで漏れを検出する技術です。漏れがある可能性のあるテスト対象デバイスの内部または外部にヘリウムが侵入すると、漏れがある場合は、ヘリウムは漏れを通じてすぐにシステム内に侵入または流出し、質量分析計によって検出されます。ヘリウム漏れ検出方法は、特に小さな漏れを検出する場合に高い検出効率を備えています。
図4: 漏れ検出方法の比較
実際の生産では、通常、複数の検出方法を組み合わせて検出効率と精度を向上させます。たとえば、ヘリウム漏れ検出方法は高精度で小さな漏れの検出に適しており、差圧法は高精度で応答が速いという特徴があります。また、従来の水検出方法は検出精度が低いですが、直感的で低コストであり、漏れを見つけるのに便利な方法です。
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エネルギー貯蔵パックの完全密閉設計 丨中間記事: エネルギー貯蔵液体冷却パックボックスの液密設計
エネルギー貯蔵液体冷却パックの液密性の潜在的な故障には、漏れ、腐食と堆積、結露水、その他の故障モードなど、複数の側面が関係します。
1- 流体の相互接続と構成
エネルギー貯蔵液体冷却システムでは、流体相互接続がさまざまなコンポーネント間で冷却剤を移動させる役割を果たします。効果的な流体相互接続により、冷却剤がシステム内で効率的に循環し、バッテリーの充電および放電プロセス中に発生する余分な熱が除去されます。
密閉性の高いシステムは、冷却剤の漏れを効果的に防ぐことができます。漏れがあると、冷却剤が失われ、頻繁に補充が必要になるだけでなく、システムの放熱性能と安定性にも影響します。エネルギー貯蔵では、冷却剤の漏れによりバッテリーの短絡が発生し、安全上の問題が発生する可能性があります。
2-流体相互接続システムの液密設計
流体相互接続システムの液密設計は、システムが密閉を維持し、さまざまな動作条件下で流体の漏れを防ぐための重要なリンクです。
図1: エネルギー貯蔵液体冷却システムの典型的な展開
（１）システム内の漏洩の可能性のある源とリスクポイントを分析する。
l 液体冷却アセンブリの自己シール特性。たとえば、液体冷却チャネル システムとパック ボックスの統合設計では、コンポーネントは溶接によって接続されます。溶接品質の欠陥、溶接不良、気孔、亀裂などはすべて、液体の浸透の問題につながる可能性があります。
l 構造設計が不合理です。例えば、液体冷却ボックスの位置決め穴やネジ穴が流路に近すぎるため、溶接不良の部分が液体の浸出経路になりやすくなります。
l 接続部品: 液体冷却システムのパイプ接続、バルブ、ジョイントは、漏れが発生しやすい箇所です。接続構造が適切に設計されていなかったり、製造プロセスが洗練されていない場合、ジョイント内部に小さな欠陥が生じ、そこから冷却剤が漏れることもあります。
l 不適切な取り付け、材料の老朽化や損傷などにより生じた漏れ。
（２）シール構造設計：
l 液冷式パックは、乾湿分離型冷却板冷却方式を採用しています。通常の作業条件下では、バッテリーセルは冷却剤と接触しないため、バッテリーセルの正常な動作を確保できます。エネルギー貯蔵液体冷却器の1つの解決策は、押し出し加工で形成し、冷却板に直接流路を統合し、機械加工で冷却循環経路を開くことです。このプロセスでは、適切な溶接プロセスを選択することが、密閉を確保するための重要なステップです。詳細については、「エネルギー貯蔵用下部ボックスの溶接プロセスの設計」を参照してください。
l 液体冷却パイプラインは、主に液体冷却源と機器の間、機器間、機器とパイプラインの間の移行的なソフト（ハード）パイプ接続に使用されます。主な接続方法は次のとおりです。
クイック接続: エネルギー貯蔵液体冷却システムの接続方法の 1 つは、VDA または CQC クイック接続を使用することです。
ねじ接続：接続構造の両端はパイプでスライド接続され、内部のねじリングとねじスリーブ間のねじ接続により、接続の堅牢性が向上します。
制限管とナットの接続：パイプの一端に接続管を締め付け、接続管の両側に制限管を固定して取り付けます。制限管の内側にはゴムワッシャーと凸リングが固定されており、接続管の頭の表面には制限リング溝が開けられています。ナットは制限管の上部に回転可能に接続され、ねじを介して制限管に回転可能に接続されています。
シールリング接続：シールリングは強力な接着剤でねじスリーブの内壁に接着され、シールリングの内壁はパイプの外面に可動に接続され、使用中の漏れを防止します。
（３）PACK液冷プレート、キャビンインターフェース、キャビンパイプライン等は、共通の冷却剤、共通の温度、流量条件下での長期腐食防止設計となっており、腐食のない長期運転を保証します。運転条件による液密性への影響：
l 温度。高温の影響：温度が上昇すると、液体の粘度は一般的に低下し、液体のシール性能が低下し、液密性に影響を及ぼします。たとえば、特定のシール材は高温で変形または劣化し、漏れを引き起こす可能性があります。低温の影響：低温環境では、液体が粘性になり、流れにくくなる可能性がありますが、シール材の性能が向上し、液密性がある程度向上する可能性もあります。
l 圧力。高圧環境：高圧下では、液体の密度と粘度が増加し、液体の密封性能が向上する可能性があります。ただし、過度の圧力はシール材を損傷し、漏れを引き起こす可能性もあります。低圧環境：低圧下では、液体の密封性能が比較的弱くなる可能性があり、特にシール材自体に欠陥があったり、老朽化している場合は、漏れが発生する可能性が高くなります。
l 流量。高流量: 液体が高速で流れると、シール面に大きな衝撃力が生じ、シール材の摩耗や変形を引き起こし、液密性に影響を及ぼします。低流量: 低流量では、液体のシール性能は比較的良好ですが、軽微な材料欠陥などの潜在的なシールの問題が隠れてしまうこともあります。
3-腐食と堆積の問題
l ブロックによる機密性への影響:
冷却剤、堆積物、またはボイラーの成長により、内部の詰まり、冷却剤の流れの悪化、冷却効率の低下が発生する可能性があります。
汚れとスケール: 長期間の使用後、冷却剤内のミネラルがパイプの内壁に堆積することがあります。これを「スケール」と呼びます。汚れは、固体粒子の沈殿、結晶化、腐食、微生物の活動によっても形成されることがあります。これらの汚れはパイプやコールドプレートを詰まらせ、流れの抵抗を増やし、熱伝達効率を低下させます。
泡の問題：液体冷却システムで泡が発生することがあります。泡は冷却プレートの表面に付着し、熱伝達効果が低下し、システム動作時の抵抗が増加し、ポンプなどにキャビテーション腐食を引き起こし、機器を損傷する可能性があります。
l 渦電流が気密性に与える影響：
流体がパイプや隙間を流れるとき、速度の変化によって渦が形成されることがあります。特に、流体が狭い部分や障害物を通過するときに、渦が形成されやすくなります。流体の粘度と密度も渦の発生に影響します。粘度の高い流体は渦を形成しやすく、密度の高い流体は渦の形成を弱める可能性があります。
漏れ経路: 渦電流は接触面に渦を形成し、隙間や不規則な表面に小さな漏れ経路を形成し、ガスや液体の漏れを引き起こす可能性があります。
表面の摩耗: 渦流は、特に高速流の状態で接触面の摩耗を引き起こす可能性があります。摩耗した表面では新たな漏れ経路が形成される可能性が高くなるため、この摩耗により気密性がさらに低下する可能性があります。
熱の影響: 渦電流により熱が発生し、接触面の材料が変形したり熱膨張したりして、特に温度変化が大きいシステムでは気密性に影響を及ぼします。
4-結露水の問題
特定の条件下では、液体冷却ラインに結露が発生し、機器が損傷したり、効率が低下したりする可能性があります。 断熱不良：パイプの断熱材が損傷したり老朽化したりすると、熱が失われ、冷却効果に影響します。特に低温環境では、断熱不良によりパイプ表面に霜や氷が形成される可能性があります。 凍結割れ：寒冷環境では、適切な凍結防止対策を講じないと、パイプ内の冷却剤が凍結してパイプが破裂する可能性があります。
ソリューション
l 密閉対策: 外部の湿った空気がバッテリー コンパートメント内に入らないように、液体冷却パイプラインの入口と出口が完全に遮断されていることを確認します。
l 除湿装置：除湿エアコンを設置するか、除湿機能を使用してバッテリー室内の湿度を適切な範囲に維持します。
l 温度制御: 空調または換気システムを設置することで、エネルギー貯蔵キャビネットが設置されている環境の温度と湿度を制御できます。たとえば、温度を 20 ～ 25 ℃ に保ち、相対湿度を 40% ～ 60% に制御できます。
l 隔離対策: 空のバッテリー ラックを単純に隔離して、バッテリー クラスターを含むコンパートメントに湿気が入るのを防ぎます。
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流体シミュレーション
ラジエーターと冷板の放熱性能をシミュレーションソフトで解析します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
熱量交換
クーラントはポンプ駆動で配管を通って循環します。冷却材がサーバー内部の熱交換器を流れると、高温コンポーネント(CPU、GPUなど)と熱交換を行い、熱を奪います。
Lori Customer Cases
Lori is a heat sink manufacturer of design and manufacturing high power heat sink, we have provided innovative thermal solutions for many high power industry device such as Aerospace industry,Medical, Communication server, Consumer Electronics etc. Our solutions include high power heat pipe thermal mould, liquid cooling system, staked fin heat sink solution etc.
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液体冷却技術の特性
液冷方案の基本的な原理：液冷とは、液体を冷却剤とし、液体の流れを利用してデータセンターのIT設備の内部部材で発生した熱を設備の外に伝え、IT機器の発熱部を冷却して安全に運用する技術です。
液冷の利点：液冷は高いエネルギー効率、高い熱密度を備え、熱を効率よく放熱し、標高、地域、気温などの環境に影響されません。
Walmateの液冷板式の液冷ソリューション
冷板な液冷は、液冷板(通常は銅やアルミなどの熱伝導性のある金属で構成された密閉空洞)を通じて発熱デバイスの熱を循環管に閉じ込められた冷却液に間接的に伝え、冷却液によって熱を持ち去る放熱形態です。冷板な液冷案の中で技術的成熟度が最も高く、大電力消費設備の配置、エネルギー効率の向上、冷房運行費用の低減、TCO (Total Cost of Ownership)の効果的な応用案です。
AI及びスパコン分野における放熱ニーズの特性
高電力消費、高密度はデータセンターの未来で、液冷はAIサーバーの放熱のメインストリーム案になります。
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DFMの最適化提案
潜在的な生産過程でのミスや欠陥を減らし、製品が設計要求の品質基準を満たすことを保証します。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
なぜ液冷サーバーが人気なのでしょうか?
●大型モデルやAIGCの普及で、各地域のAI計算センターや計算力センターの建設が急増しました。
●「カーボンピークとカーボンニュートラル」政策が進むにつれて、データセンターのPUEに対する国の要求が高くなっています。コアITインフラであるサーバーは、放熱、「炭素エネルギーのダブルテスト」など、複数のストレスに耐えなければなりません。
● チップの熱出力は空気冷却の限界に達しています，液冷却技術はサーバーの中で応用して第1選択の方法の1つになりました。
技術とビジネスのトレンド
ビックモデルなどのAIGC製品群の商用化により、AIサーバーの需要は急速に高まるであることです。大量の高電力CPUやGPUチップがAIサーバー全体の電力消費を増大させます。CPUは、コアの数が増えるにつれてプロセッサの性能が向上し、プロセッサの出力が増加していきます。高性能クラウドコンピューティングのような特別なシナリオでは、プロセッサはオーバークロックを使用して演算性能を向上させ、電力消費量をさらに向上させます。GPUについては,最新のものでは最大700Wの消費電力を実現しており,従来の空冷システムの放熱能力を超えています。
未来のAIクラスタの計算力密度は普遍的に20-50kW/キャビネットに達することが期待され、自然風冷技術は一般的に8-10kWだけをサポートして、冷熱風道隔離マイクロモジュールプラス水冷エアコンレベル冷凍キャビネットの出力が15kWを超えた後に大幅にコストパフォーマンスが落ちて、液冷放熱方案の能力と経済性の優位性が徐々に明らかになりました。
放熱
ラジエーターを通して冷却剤が熱を放出して低温に保つことで、サーバーの連続で安定稼働を実現しています。
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製品のテスト
カスタムテストプログラムを提供し、お客様のご要望にお応えします。
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応用シーン
工況：高熱流密度の状況
典型な応用：顧客定制
取り付け：片側面組立
特性：放熱効果が高い
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応用シーン
プロセス：アルミ型材接合溶接
取り付け：底部液冷
典型な応用：顧客定制
特性：軽量で冷却効果が高い
水素燃料バッテリー車の冷却システムの記述
要旨：水素燃料バッテリーは、プロトン交換膜燃料電池(PEMFC)とも呼ばれ、その高効率、ゼロエミッション、ゼロ汚染の利点から、電気自動車の充電ステーション、自動車、その他の発電施設で広く使用されています。水素燃料バッテリー車は運転中に従来の燃料バッテリー車の3 ~ 5倍の熱を排出します。本稿では、現在の水素燃料バッテリーの放熱に関する技術について簡単に紹介します。
1‐水素燃料電池の仕組みです
水素燃料バッテリーは運転中に大量の熱を放出し、電気化学反応熱が約55%、不可逆電気化学反応熱が約35%、ジュール熱が約10%、凝縮熱と各種の熱損失が約5%を占めます。水素燃料バッテリーは電気エネルギーと同じ熱量を生み出します早く散逸しないと、バッテリー内部の温度が著しく上昇し、寿命に影響が出ます。
2-水素燃料バッテリーから放熱する
水素燃料バッテリー車は、燃料自動車に比べて発熱量が高く、システムが複雑です。また、水素燃料バッテリーは動作温度の制約のため、外部との温度差が小さく、放熱システムからの放熱がより困難になります。水素燃料バッテリーの動作温度は流体流動抵抗、触媒活性、炉効率、安定性に大きな影響を与えるため、効率的な放熱システムが求められます。
液冷技術は現在、水素燃料バッテリーの自動車への応用の主流技術です。システムの電圧降下を低減することでポンプの電力消費を低減し、水素燃料バッテリーにおける余分な熱を最小限の電力消費で抑え、循環作動流体流路の分布を最適化することで内部温度差を低減し、バッテリー温度分布の均一性を高めることを目指しています。
水素燃料バッテリーで発生する熱の90%は熱伝導と対流によって放熱系によって取り除かれ、10%は放熱によって外部環境に分散されます。従来の放熱には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
3-PEMFCシステムの熱伝導
3.1バッテリーヒープ放熱
PEMFC内部で熱が発生すると、PEMFC内部のさまざまな部品や外部環境の間を熱が伝わります。燃料バッテリーヒープ内部の熱伝達は、主に各部品の熱抵抗と異なる部品間の接触熱抵抗に依存します。ガス拡散層は主要な発熱部品(膜電極)と主要な放熱部品(双極板)をつなぐ「架け橋」であるため、その熱抵抗と他の部品との接触熱抵抗の大きさがPEMFC内部の伝熱性能に大きな影響を与えます。さらに、異なる部品間の接触熱抵抗は燃料電池ヒープ内部の熱伝達に大きな影響を与えます。
3.2 クーラント熱伝導
燃料バッテリーの冷却には、空気冷却、液体冷却、相転移冷却などがあります。
冷却材の熱伝達に影響を与える要因には、PEMFCヒープ端、冷却材自体、放熱器端などがあります。冷却材はPEMFC炉端部のバイノーラルプレートと直接接触しているため、冷却材流路構造が伝熱に大きな影響を与えます。また、冷却剤の性質も熱伝達プロセスに影響を与えます。使用可能なスペースの不足を考慮し,より熱容量の大きい冷却材を選ぶことで放熱器を小型化し,PEMFCの熱管理性能を向上させることができます。そのため、新しい高効率冷却剤の需要がますます高まっている。
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放熱器加工と熱設計の挑戦
電子機器の小型化がますます進む一方で,より多機能・高性能化のニーズがパッケージレベルの外形寸法の縮小に拍車をかけ,電力密度が急速に高まっている。
チップ実装プロセスとTDPです
装置の小型化はコスト削減の観点から来ており、放熱ソリューションは直接製品の重量、体積、コストを増加させ、何の機能効果もありませんが、製品の信頼性を提供します。部品の温度を一定の範囲内に抑えることは、ある設計の許容範囲を決める通行基準であり、効率的な放熱は、電子製品の安定的な運転と長期的な信頼性にとって重要です。
一方で、装置が小型化した結果、設計マージンが少なくなり、過剰な設計への耐性が低下しています。一方、小型化の全体的な傾向はますます乱雑で復雑な幾何学モデルを生み、製品中の机械成分と電子成分の緊密な集積を深め、その結果、流働空間が大幅に圧縮され、対流放熱の範囲を制限し、熱設計の中心物質である放熱器の構造がより復雑になった。
放熱器は電子設備の熱設計で最もよく使われる放熱強化部品で、その強化原理は熱交換面積を増やすことで、設計時一般に発熱源の熱流密度、発熱部材温度要求、製品内部空間寸法、放熱器の取り付け及び外観設計などの要求を考慮しなければなりません。
放熱器の性能の表現は材質、幾何学寸法、底の平面度、熱抵抗、表面処理、取り付け締付方式と作業環境の温湿度などの多くの要素の影響を受けます。
1-放熱器の材質
放熱器の主の材料は：アルミニウム、アルミ合金、銅、鉄など。アルミニウムは自然界の中で最も豊富な金属元素を貯蔵して、しかも質量が軽くて、抗腐食性が強くて、熱伝導率が高くて、非常に放熱器の原材料として適します。アルミニウムの中でいくつかの金属を加えてアルミニウム合金を形成して、大幅に材料の硬度を高めることができます。グラファイトは、金属材料としての導電性や熱伝導性、有機プラスチックのような可塑性を持ち、電子や通信、照明などへの応用が進んでいます。
2-放熱器製造のプロセス
放熱器の加工プロセスは主にCNC、アルミ押出し、二番取り、などがあります
アルミ押出し：アルミ押出し型の放熱器はアルミ錠を460℃ぐらいまで加熱して、高圧の下で半固体アルミニウムを流れさせて溝のある押出しの金型、放熱器の初期形状を押し出して、その後更に切断と加工を行います。アルミ押出しのプロセスは正確に放熱器の平面度などの寸法要求を保証できないので、通常は後からさらに再加工の必要が有ります。
二番取り：二番取りは、長いストリップの金属板(通常はアルミニウム合金や銅合金)を、二番取り加工機を使用して特定の角度で材料を切断してスライスし、補正を行い、繰り返し切削して、配列されている翼の構造を形成します。
歯を挿し：歯を挿して放熱器の加工は歯片をラジエータ基板の中に挿入するので、ゴム溶接、ロウ付けやプレスなどの方式を利用して歯片と下地を接続します;歯を挿して放熱器の歯片と基底結合は非常に重要で、もし処理を誤ると、一定の接触熱抵抗を形成して、放熱性能に影響を与えることがあります。
３-放熱器の表面処理
アルミニウム合金は空気中で酸化しやすいです(アルミナ膜を形成)が、このような自然酸化層は緻密ではなく、腐食に強い、汚染しやすい;美しさ、耐腐食性と放熱性能の向上などの要件に基づいて、金属放熱器は表面処理を行う必要があります、一般的な表面処理プロセス:陽極酸化、ブラスト、化学ニッケルめっきやラッカーなど。
陽極酸化：陽極酸化の原理は実質的に水電解で、アルミニウムやアルミニウム合金を陽極にして誘電体溶液の中で、電解作用を利用してその表面にアルミナ薄膜を形成させるプロセスはアルミニウムやアルミニウム合金の陽極酸化処理と呼ばれます;陽極酸化を行った後の放熱器の表面は率を放出して高めて、熱放射の放熱能力が少し増強します;陽極酸化はアルミ/ジュラルミンの色を維持・変化させることができ、ラジエータに多いのは黒の陽極酸化です。
ブラスト：ブラストは圧縮空気を使用して、高速の砂の流れの沖撃作用を利用して放熱器の表面をきれいにすることです。表面への沖撃と切削作用により、放熱器表面の錆皮など一切の汚物をきれいにするだけでなく、製品表面に均一な金属光沢を出すことができます。
化学ニッケルをめっきする：化学ニッケルめっきは、ニッケル合金を水溶液から物体の表面に沈殿させるプロセスです。その特徴は表面の硬度が高くて、摩耗に強い性能、めっき層の均一な美しいことと腐食に強い能力などです;銅とアルミは直接溶接できないため,化学ニッケルをめっきしてからはんだ付けなどで溶接します。
ラッカー：ラッカーは高温(280℃~400℃)を通じてラジエータの表面に特フッ素の高性能の特殊な塗料を添加して、放熱器の表面は粘性がなくて、耐熱性、耐湿性、耐摩耗、耐腐食性などの特徴があります;伝統的な塗装工芸に比べて、美観上と熱伝導性の上でラッカーはすべて優位を占めて、しかし熱管ラジエータは高温のために容易に膨張して変形して、だからラッカーを焼く時特別に低温ラッカーの形式を採用する必要があります。
処理しなければならない電力がますます高まるにつれて、放熱器はヒートパイプ、フィンなどのデバイスと組み合わせて性能のより高い放熱モジュールを構成し始めて、しかも放熱効率のより高い水冷放熱器が現れます。
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新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用と放熱技術です
要旨:新エネルギー自働車の電気制御システムの主な発熱装置はインバータで、その役割は電池の直流をモータを駆働する交流に逆変換します。この過程でインバータ内のIBGTが大量の熱を発生させますこれらの設備の放熱問題を解決するために、本記事はインバータの働作原理と先進の液冷放熱技術を紹介します。
1-新エネルギー車の電気制御システムへのIGBTの応用
電気制御システムは、新エネルギー車のバッテリーと駆動モータをつなぐ電気エネルギー変換ユニットとして、モータの駆動・制御の中核を担っています。インバータは高圧のバッテリーと電机の働力を接続して相互に変換する装置で、直流の電気エネルギー(バッテリー、蓄電器)を定周波数定圧または調周波数調圧の交流(普通は220V、50Hzの正弦波)に変換する役割を担います。
電気制御システムの構成図
インバータの中でIGBTパワーモジュールはこの過程でとても重要な役割を果たして、エネルギー変換の過程でIBGTは大量の熱を発生して、IGBTの温度が150℃を超える時、IGBTは作用を発揮できないので、風冷または水冷の放熱装置を使用します。IGBTの動作の熱安定性は電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵になります。
インバータ仕事の原理
電気制御システムのほかに、IGBTは新エネルギー車の中の車上空調制御システム、充電杭システムも広く応用があります。
電気自働車や充電ポールなどのコア部品として使われています。IGBTモジュールは電気自働車のコストの約10%、充電杭のコストの約20%を占めており、その動作の熱安定性が電気駆働システムの性能の高さを評価する鍵となっています。
２-IGBT液冷放熱技術
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貯蔵バッテリーパックの冷却性能のシミュレーションと液冷板流路の最適化です
1-前書
エネルギー貯蔵システムは、電力網のバランス、新エネルギーの利用効率などの面で重要な役割を果たしており、世界のエネルギー発展と変革を主導する力となっています。電気化学エネルギー貯蔵技術が成熟して、建設期間が短くて、電力とエネルギーは応用の需要に応じて柔軟に配置することができて、充放電の応答速度が速くて、多くの場合に応用することができます。
エネルギー貯蔵システムは充放電の過程で、熱の発生に伴います。放熱が悪いとバッテリー温度が上がりすぎたり、バッテリー温度差が大きくなったり、軽い場合は電池寿命が低下したり、ひどい場合は熱暴走などの安全問題が発生します。
本論文はある実際のプロジェクトを手本にして、バッテリーパックの実際のサイズに基づいて熱流体シミュレーションモデルを構築して、全体の放熱システムの圧力、速度及び温度の分布状況を詳しく分析して、システムの熱負荷状況を得て、バッテリーパック液冷板流路設計のために構造最適化の提案を提供します。
2-プロジェクトの概要
2-1環境の情報
2-2熱源デバイス仕様情報
2-3 熱伝導のシリカゲル
3-放熱モデル
熱を逃がす液冷方式のバッテリーパックで、72個の280AHコアと液冷プレートで構成されています。液冷板は長さ1570mm、幅960mm、高さ42mmで、内部には24本の流路が設けられています。バッテリーパックの放熱モデルは次の通りです。
放熱システムモデル
4-水入れ8L／minでのシミュレーション結果です
コアの温度分布は18.38-28.77℃で、最も温度の高いコアの温度分布は21.46-26.37℃、最も温度の低いコアの温度分布は18.76-26.37℃です。図(a)のようになります。
液冷板の温度分布は18.00 ~ 21.99℃ 写真(b)を御参照お願います。
流れ抵抗は約17KPa、液冷板の圧力断面図(c)、液冷板のスピード断面図(d):
5-结论
このスキームでは、全体の温度は18.38-28.77℃の間で、最高と最も低温のコア温度差2.4℃、液冷板全体の温度は18.00-21.99℃の間で、温度性を最適化する必要がありますが、多くの高温地域が現れます。
液冷板の圧力とスピードの断面図を照らし合わせてみると、液冷板の高温域は主に圧力と速度の低い領域に分布しています。コアの配置位置と合わせて、液冷板の幅の余裕が大きいことが分かります。液冷板の最も外側の2本の流路を封じ込むか、液冷板の幅を小さくてて放熱効果を高めます。
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パワーバッテリーの放熱概要
自動車やバッテリーが急速に発展する可能性があります。
その中心部品であるパワーバッテリーは化学電源で、温度に敏感で、適切な温度環境で動作する必要があります。パワーバッテリーの充放電では、内部のインピーダンスが原因で大量の熱が発生します。また、バッテリーパックは比較的密閉された環境にあります。熱を蓄積しやすく、温度を上げやすく、熱暴走を起こすこともあります。そのため、効率的で安全な動力バッテリーの冷却システムが重要になります。
現在、バッテリーの冷却方案は3種類があって、それぞれ風の冷却、液体の冷却と直接冷媒の冷却です。
構造が比較的簡単でコストも安いため、バッテリー容量が小さく放熱圧力が低いシーンに適しています。
実際に使用するには、液体媒体は伝熱系数が高く、熱容量が大きく、冷却速度が速いため、バッテリー温度の均一性を高める効果があります。液体冷却法が主流です。
冷媒の直接冷却技術はさらにバッテリーに対する冷却効果を高めることができますが、バッテリーの蒸発器の均一な温度設計は技術的な難点です。セル間の温度差が5℃(冷却条件+加熱条件)を超えないことが一般的な要件です。現在、冷媒の直接冷却はまだ業界内の主流の設計ソリューションになっていません。
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