液体冷却プレートの製造における 2 つの最大のコスト要因は、熱伝導率要件と年間需要です。これらは通常、熱エンジニアや製造エンジニアによってほとんどまたはまったく制御されません。ただし、粗さ、平坦度、硬度、表面形態、設置特性、および液体接続仕様が液体冷却プレートのコストにどのように影響するかを理解することで、コストを削減できます。

ほとんどのウォーターコールドプレートはアルミニウムで作られていますが、新しい技術の中には銅を使用するものもあります。銅の方が熱伝導率は優れていますが、アルミニウムの方が安価で軽く、使いやすいため、より頻繁に使用されています。銅の加工は非常に難しく、費用もかかります。

現在最も人気のある 2 つのアルミニウムコールドプレート技術は、埋め込みチューブと真空ろう付けです。

埋め込みチューブコールドプレートは、通常、銅またはステンレス鋼のチューブをアルミニウムプロファイルの溝に押し込んだものです。コスト面で優れた利点があり、中電力密度および低電力密度のデバイスに優れた冷却ソリューションを提供します。

真空ろう付けコールドプレートとは、内部チャネルとフィン構造を持つ2つの部品を加工し、真空チャンバー内で慎重に密封して加熱することで作られた金属プレートを指します。対応するプロセス条件下で、毛細管現象により、融点の低いフィラー金属がコールドプレートの接合部に溶け込み、内部チャネルとフィン構造を持つ2つのプレートが接続されて内部流路が形成されます。

上記の要因の次に、アルミニウム製コールドプレートのコストを左右する最大の要因は、処理時間と追加の処理手順です。コールドプレート製造業者は通常、機械、電源、消耗品、メンテナンスの減価償却費など、処理時間に関連するコストを負担します。したがって、コールドプレートが製造装置内に長く置かれるほど、コストは高くなります。処理手順が増えるごとに、コストは上昇し続けます。

（１）押出成形品およびダイカスト
処理時間を最小限に抑えてコストを削減するには、押し出しと鋳造をできるだけ多く使用するのが最善です。押し出しは、金型に金属を押し込んで、固定断面のオブジェクトを作成することによって生成されます。新しい押し出しに使用される金型は比較的安価で、押し出しのサイズは約 9 インチ (22.86 センチメートル) の幅に制限されています。押し出しの壁の厚さは比較的一定である必要があり、チャネルまたはフィーチャは直線である必要があります。メーカーは、押し出しと機械加工を組み合わせてコストを削減することもできます。

特定のフィーチャを押し出してから、より複雑なフィーチャを処理できます。シートを設計するときに押し出し特性を考慮すると、押し出しコストを削減できます。

もう 1 つのオプションは、鋳造と機械加工を組み合わせてコールドプレートを製造することです。たとえば、鋳造が十分に滑らかでない場合、コールドプレートに必要な平坦度の仕様を達成するには 2 回目の操作が必要になります。

通常、押し出しまたは鋳造の最小購入数量は非常に高いため、これらのプロセスの使用を正当化するには、それらを正しく適用する必要があります。押し出しと鋳造の両方で、かなりのコストを節約できます。

（２）表面粗さ

表面の粗さ（滑らかさ）はコストを大幅に増加させる可能性がありますが、性能にはほとんど影響しません。一部の人々の見解に反して、粗さはコールドプレートの熱性能に比較的小さな影響しか与えません。

ほとんどのアプリケーションでは、液体コールドプレートとコンポーネント間の表面接触は 10% 未満、またはエアギャップは 90% を超えます。表面を滑らかにすると、エアギャップの割合はわずかに減少するだけです。一般的な機械加工されたコールドプレートの表面仕上げは 32-64 μ in (81-163 μ cm) で、ほとんどのアプリケーションではこれで十分です。標準的なマシニングセンターを使用すると、粗さを 16 μ in (41 μ cm) まで減らすことができますが、これには、潜在的なチャタリングや、加工ヘッドの速度と送り速度の低下を抑えるために、より堅牢な固定具が必要です。速度と送り速度を下げると、マシニングセンターの時間が長くなり、コストが増加します。

ほとんどのアプリケーションでは、隙間を最小限に抑えるために、コンポーネントまたは回路基板と液体冷却プレートの間に熱伝導性材料 (TIM) を使用します。TIM は、比較的高い熱抵抗によって、表面を滑らかにすることで伝導性が向上しても、その効果は大きく損なわれるため、できるだけ薄くする必要があります。コンポーネントまたはプレートを冷却プレートに固定する力を高めると、粗さの増加を相殺できますが、プレートまたはコンポーネントにかかるストレスが増加する可能性があります。冷却プレートとコンポーネントまたは回路基板が加熱されると、固定ストレスによって熱膨張係数の不一致の影響も増大する可能性があります。

（３）表面の滑らかさ
表面粗さと比較して、表面の滑らかさはコールドプレートの熱性能に大きな影響を与えます。コールドプレートが滑らかでない場合、接触面積が大幅に減少します。標準的な平坦度の仕様は、1 インチあたり {{0}}.001 インチ (1 センチメートルあたり {0.003 センチメートル) です。したがって、測定点から 1 インチの範囲内で、コールドプレートの最低点は最高点より 0.001 インチ (0.003 センチメートル) 低くなることはありません。平坦度が 1 インチあたり 0.001 インチ (1 センチメートルあたり 0.003 センチメートル) よりも優れている必要がある場合、コスト効率の高い方法の 1 つは、ボード全体の厳密な平坦度ではなく、局所的な平坦度を指定することです。

（４）硬度

鋳造、押し出し、または真空ろう付けされたコールドプレートは、処理後は非常に柔らかく、通常は T{{0}} の硬度しかありません。柔らかいアルミニウムは処理と取り扱いが難しいため、コールドプレートは硬化する必要があります。硬度を T0 から T4 に上げるには、コールドプレートに熱処理を施す必要があります。熱処理プロセスでは、コールドプレートを 1000 度 F (538 度 C) に加熱し、コールドプレートの厚さ 1 インチあたり約 1 時間その温度に保った後、急速に冷却して熱衝撃を与えます。コールドプレートを冷却する 1 つの方法は、コールドプレートを炉から直接取り出して水浴に置くことです。コールドプレートを T4 から T6 にするには、コールドプレートに人工時効処理を施す必要があります。これは、コールドプレートを 300 度 F-400 度 F (149 度 C-204 度 C) に 8-16 時間置くことで実現されます。 T6 は、軍事および航空宇宙用途の一般的な要件である、高い引張強度を備えた非常に硬いコールドプレートを提供します。ただし、ほとんどの用途では、T4 ではすでに十分に困難であり、T6 を指定すると不必要なコストが増加するだけです。

（５）設置箇所
コールドプレートの製造におけるもう 1 つのコスト増加要因は、穴の増加です。穴が 1 つ増えると、コールドプレートのコストが最大 3 ドル増加する可能性があります。穴あけコストが増加する主な理由の 1 つは、流体経路に穴を開けることができないことです。したがって、管状のコールドプレートの場合、穴を収容するためにパイプを曲げる必要があり、曲げるたびにコストが増加します。真空ろう付けコールドプレートの場合、流体経路に島を作成する必要があり、これは内部フィンに放電加工 (EDM) を実行することも意味します。これにより、処理時間が大幅に増加し、コストが増加します。

穴の位置と間隔に対する厳しい許容差も、コストを押し上げる可能性があります。妥当な許容差の仕様は、± {{0}}.005 インチ (± 0.013 センチメートル) です。平坦度と同様に、局所的な許容差を可能な限り指定すると、コストが削減されます。穴同士が比較的離れている大きなコールドプレートの場合、許容差を維持するのが難しくなります。理由の 1 つは、ヘッドの移動距離が長くなるにつれて、工作機械の許容差が大きくなることです。もう 1 つの理由は、加工工場で最大 18 度 F (10 度 C) の温度勾配が発生する可能性があり、これによりコールドプレートが最大 0.005 インチ (± 0.013 センチメートル) 膨張または収縮する可能性があるためです。貫通穴は、1 回のツール操作で作成するため、より厳しい許容差を指定するのが最も簡単です。一方、ねじ穴は、作成に 2 つのツールが必要なため、許容差が発生する可能性が低くなります。スパイラルオイルは、タッピング穴が必要なプロセスであり、スパイラルオイル自体に許容誤差があるため、許容誤差が最も困難です。すべての許容誤差が積み重なって、製造がより困難で高価になります。小さなタッピング穴を避けることで、コストを削減することもできます。穴のサイズが 4-40 以下の場合、タップがドリル中に破損する可能性があるため、タッピングが困難になります。この問題を可能な限り最小限に抑えるには、マシンの動作速度を大幅に遅くする必要があります。コールドボードの厳しい許容誤差要件に対処する 1 つの方法は、コンポーネントまたは回路基板の取り付け穴のサイズを大きくすることです。

（６）液体接続
液体接続の場合、通常、ストレートスレッド O リングメスポートが最も効果的です。溶接システムに加えて、最低コストで最高のシールも提供します。パイプライン接続 (NPT ジョイントなど) は、コールドプレートなどのコンポーネントに必要な精度を提供できません。真空ろう付けコールドプレートでは、継手を接続するために他の操作 (溶接など) が必要になるため、バーブやビードフィッティングなどの外ねじ継手の使用は避けてください。さらに、コールドプレート以外のアクセサリは輸送中に保護する必要があり、梱包コストが増加する可能性があります。クイックディスコネクトは、ペアあたりのコストが最大 75 ドルに達する可能性があるため、必要な場合にのみ使用してください。頻繁に交換する必要があるコールドボードまたは電子機器は、すばやく取り外す必要があります。すでに冷却剤が充填されているコールドプレートの場合も、クイックディスコネクトが必要です。液体接続の場合、考慮すべきもう 1 つの要素はポート許容誤差です。通常、入ってくるパイプラインにはある程度の柔軟性があります。妥当な許容範囲は、± 0.030 インチ (0.076 センチメートル) から ± 0.060 インチ (0.152 センチメートル) の間です。

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