二相式 vs. 単相式浸漬冷却：メカニズム、効率、応用の比較

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二相式 vs. 単相式浸漬冷却：メカニズム、効率、応用の比較

二相式システムは低沸点絶縁流体を使用し、核沸騰と相変化の潜熱を通じて、数千 W/m²·K にも達する局所熱伝達係数を瞬時に生み出し、大量の熱を除去します。一方、単相式システムは強制対流による放熱に依存し、その冷却性能は表面積を拡大するフィン設計と、安定した熱伝導経路を確保するための高性能な熱伝導材料が鍵となります。

二相 - 浸漬冷却システム

二相式システムは、主に核沸騰の原理を利用して熱を除去するため、その熱伝達効率は非常に高いです。研究によれば、このような状況下では、フィンが多すぎると逆に気泡の生成と離脱を妨げ、効率を低下させる可能性があります。そのため、多くの二相式設計では、沸騰と気泡の排出を最適化するために、裸の平面または微細構造処理を施した平面が使用されます。

単相 - 浸漬冷却システム

このシステムは液体の単相のみを利用し、大規模な閉鎖型水冷システムのように、強制対流によって熱を放散します。そのため、放熱面積を拡大し、流路を最適化するためのフィンが重要な設計要素となります。この種のシステムでは、信頼性の高い熱伝導を確保するために、ヒートシンクとチップの両方に適合する熱伝導材料の使用が推奨されます。

特性項目	二相浸漬式	単相浸漬式
伝熱性能	局所対流熱伝達係数は数千 W/m²·K に達し、相変化により非常に高い熱流束と温度安定性を実現します。	対流係数は数十 W/m²·K 程度で、表面積拡大のためのフィンと、界面熱抵抗を下げる最適化された熱インターフェース材料が必要です。
エネルギー効率（PUE）	エネルギー効率を最大化します。	空冷より大幅に優れ、性能とコストのバランスを取れます。
機構	低沸点の絶縁流体がホットスポットで核沸騰し、潜熱を搬送した蒸気が凝縮して液体に戻ります。相変化伝熱に依存します。	高沸点の絶縁流体が熱源に直接接触し、相変化なしで熱交換器を通じて放熱します。自然対流または強制対流に依存します。
システムの複雑さ	高い：密閉槽、沸騰・凝縮管理、気液分離装置が必要で、設計・建設のCAPEXが高めです。	低い：開放式または簡易循環系で、相変化管理が不要。設置と保守が簡単です。
流体コストと環境	流体はフッ素系化合物が多く、コストが高く GWP/PFAS リスクを伴い、規制順守の負担が大きいです。	流体配合はカスタマイズ可能で、長寿命と防食を重視し、環境リスクは相対的に低いです。
適用シーン	極端な熱密度やスペース制約のある高性能計算環境で、沸騰管理とシール能力を備えた設備。	大規模クラウドやエンタープライズ展開、エッジ計算など、高可用性と低保守を要するシーン。
メンテナンス要件	厳格：流体の揮発防止、定期的な漏れ検査、コンデンサー清掃が必要。	低め：流体寿命が長く相変化による劣化がなく、保守は従来の液冷に近いです。