Quantum Sea

OCP APAC 2026 | 二相DLCで変わる、流量配分と圧力損失の設計

白いひと続きの形が二つの通り道へ分かれ、片側がふくらむ様子で、二相冷却における流れの配分の変化を表した概念画像。

たとえば、液体で冷やすチップの発熱が増え、冷却液を沸騰させて熱を運ぶ方式を検討するとします。液体が蒸気へ変わるときには、多くの熱を受け取れます。ただ、その変化は冷やしやすさだけでなく、配管の中の流れ方にも関わります。

OCP APAC 2026の公開資料「Technical Challenges and Key Considerations in Transitioning from Single-Phase to Two-Phase DLC」は、単相から二相へ移る直接液冷（DLC）の設計課題を扱っています。注目したいのは、熱を受け取る量だけでなく、液体と蒸気が混ざった流れをどう配り、圧力をどう管理するかです。［1］

液体の温度上昇に加えて、蒸発するときの熱を使う

チップの熱を受け取る板状の部品が、コールドプレートです。単相の直接液冷では、内部を流れる冷却液を液体のまま使い、温度の上昇によって熱を運びます。二相では液体の一部を沸騰させ、液体から蒸気へ変わるときに吸収する蒸発潜熱も利用します。［1］

資料は、二相冷却によって熱の受け渡しや温度の均一さを改善できる可能性、必要な流量やポンプ動力を抑えられる可能性を挙げています。ただし、これは方式の利点としての説明です。特定の装置で、同じ条件の単相冷却より何割優れていたというシステム全体の実証ではありません。［1］

熱が大きい経路に、自然と多く流れるとは限らない

二相の流れでは、液体と蒸気の割合も変わります。資料の乾き度は、気液混合物の質量のうち、蒸気が占める割合を表す値です。流れながら熱を受け取ると、この割合が変わり、圧力損失にも影響します。圧力損失は、流れに伴って入口から出口へ圧力が下がることです。［1］

複数のコールドプレートを直列につないだ構成例では、下流へ進むにつれて蒸気の割合が増え、各プレートの圧力損失や冷却の状態がそろわなくなる課題を示しています。上流と下流を同じ液体の条件として扱うだけでは、十分ではありません。［1］

並列に分ければ解決するとも限りません。資料の800 Wと300 Wの熱負荷を並べた例では、熱負荷の大きい側に少ない流量、小さい側に多い流量を示す矢印があります。高い熱負荷で蒸気の割合が増え、流れにくくなると、必要な側へ十分な液体が届かなくなる場合があるのです。この図は流量の偏りを説明する構成例であり、すべての並列回路で同じ配分になるという測定結果ではありません。［1］

さらに、気泡が逆向きに動いたり、流れが周期的に揺れたりする流動不安定も課題になります。資料は過去の研究とAVCの実験例を示し、入口の流れを絞る部材、広げた出口流路、液体を分配するマニホールドの設計などを対策の候補に挙げています。必要な総流量とともに、各流路へどのように配るかを設計する必要があります。［1］

低い圧力の冷媒でも、設備の条件が緩くなるとは限らない

冷媒を選ぶと、装置が受ける圧力だけでなく、圧力が下がったときの温度条件も変わります。ここで関わるのが飽和温度です。液体と蒸気が共存できる温度で、圧力に応じて変わります。資料は、この関係が建物側の冷却水の温度条件にまで影響すると説明しています。［1］

資料の仮定したシステムでは、飽和温度50℃から圧力が100 kPa下がった場合を比べています。低圧側の冷媒R1233zdの例では飽和温度が37℃へ、中圧側のR1234yfの例では46℃へ下がります。これは圧力と温度の関係を示す比較図で、装置の実測性能を比べた値ではありません。［1］

同じ圧力低下でも、温度への影響は同じではありません。資料は、低圧側では機械的に受ける圧力を抑えられる一方、圧力損失による温度変化に敏感になり、設備水の温度条件が厳しくなると整理しています。中圧側では、その影響を抑えやすい反面、より高い圧力に耐える機械設計が必要になります。どちらが使いやすいかは、冷媒だけでなく冷却回路と設備側の条件を合わせて考える部分です。［1］

冷媒どうしの比較と、単相・二相の比較を分ける

資料には、同じコールドプレートと同じ一次側の条件を使い、R134aとR1233zd(E)を比較した実験もあります。ここで比べているのは、二相冷却に使う冷媒の違いです。先ほどの仮定したシステム図とは冷媒の組み合わせも異なり、単相と二相の優劣を直接示す実験ではありません。［1］

冷媒の選択では、潜熱や密度に加え、接触するホース、継手、コールドプレート、ポンプの材料との適合性も個別に確かめる必要があります。安全面や環境面の条件も含め、熱の物性値一つで決められるものではありません。［1］

発表の最後に残されているのは、同じ設備水条件で単相と二相を比べること、流動不安定を評価する解析手法、システム全体での実験検証です。二相冷却の可能性を活かすには、沸騰によって熱を受け取れることに加え、必要な流れを安定して届けられることまで確かめていく。その道筋を示した資料といえます。［1］

実験例を紹介しているAVCの事業全体については、cyclewaveの企業解説にまとめています。

AVCの企業解説を読む

参考資料

コメント

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 ※ が付いている欄は必須項目です

投稿をさらに読み込む