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構造計画研究所 SBD営業部
SBD営業部
熱解析編
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目次
熱解析編
熱流体解析の
熱流体解析の基礎知識
電子機器の
電子機器の強制空冷
メッシュの活用
メッシュの活用
電子機器の
電子機器の自然対流
注意点・
注意点・Q&A
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目次
熱流体力学の基礎
流体の
流体の基本性質
流体
重さと密度
圧力
速度と流量
圧縮性
粘性
粘性係数と動粘度
層流と乱流
レイノルズ数
実在流体と理想流体
熱の冷却
熱の強制空冷
熱の基本性質
熱の移動
熱伝導と熱伝達
接触熱抵抗
対流
自然対流熱伝達
強制対流熱伝達
ふく射
形態係数
熱対策の基本
熱流体におけるパラメータ1
熱流体におけるパラメータ2
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強制空冷と自然空冷
代表的な冷却装置
ファン
風量と圧力特性
ヒートシンク
その他の冷却装置
熱回路網法による熱の計算
強制空冷の特徴
流路設計
ファンによる冷却
強制空冷における筐体の温度上昇
熱の自然空冷
自然空冷の特徴
部品の温度上昇
PCBユニットの温度上昇
ユニットレベルと筐体
自然空冷における筐体の温度上昇
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熱の移動
熱の移動現象は大きく以下の3つに分けられます。
1. 熱伝導
ふく射
2. 対流
対流
3. ふく射(放射)
ファン
発熱部品
熱伝導
例:電子機器の熱の経路
注意
現実は、これら3つの現象が同時に起こっているため、問題を分りにくくしています。
解析する際はどの現象に的を絞るか着眼点を決めましょう。
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熱伝導
1つの物体(固体の内部や静止している流体)の内部に温度差があるとき、熱がそ
の物体内部を高温側から低温側へ移動します。このような伝熱形式を熱伝導
熱伝導といい
熱伝導
ます。
熱伝導率とは熱
熱の伝わり易
わり易さを示す値で、材料固有の値です。単位長さあたり1Kの
温度差があるとき、断面積1m2当たり毎秒流れる熱量を表します。
[W/(mK
W/(mK)
mK)]→[W/(m2K/m)]
K/m)]
1m
熱伝導率は、気体<液体<固体の順に大きくなります。
熱を伝えにくいものの代表が空気
熱を伝えやすいものの代表が金属
1m
1m 熱流量(W)
温度差1K
熱伝導による伝熱量
W=
λA
I
⋅ (T1 − T2 )
W : 伝熱量(W )、λ : 熱伝導率(W / mK )、A : 断面積( m 2 )、
I : 長さ( m)、T1 , T2 : 高温面、低温面の温度
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T1 T2 http://www.kke.co.jp
自然対流熱伝達率
層流に対する自然対流熱伝達率は次の簡易式で求めることができます。
 ∆T 
h = 2.51× C ⋅ 

L


0.25
h : 熱伝達率 (W / m 2 K )、C : 流体の比熱 ( J / Kg ⋅ K )、
∆T : 温度差、 L : 代表長さ ( m )
層流に対する自然対流熱伝達率は次の簡易式で求めることができます。
h = 1.3 ⋅ ∆T 1/ 3 (鉛直に置いた場合)
h = 1.5 ⋅ ∆T 1/ 5 (熱い面を上にして水平に置いた場合)
熱い面と周囲空気との温度差が十分に大きい場合、乱流が発生します。
板の置き方・熱い面の向きで流れの方向が変わります。
熱い面
空気流
空気流
熱い面
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強制対流熱伝達率
流れの方向に対して平行に置いた等温板の熱伝達は次の式で表すことがで
きます。
hx = 0
hm = 2l
hx
hl
x
l
1
2
1
3
hx = 0.332 ⋅ Rex ⋅ Pr (局所熱伝達率)
1
2
1
3
λ
hm = 0.664 ⋅ Rex ⋅ Pr ⋅ (平均熱伝達率)
l
Pr =
ν
λ
γC
h:熱伝達率( W / m 2 K)、 C:流体の比熱( J / Kg ⋅ K)
Re:レイノルズ数、 ν:温度粘性係数( m 2 / s)
λ:熱伝導率( W / m 2 K)、 γ:比重量( kg / m 3)
C:比熱( J / Kg ⋅ K)、Pr:プラントル数
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ファン
ファンは大別すると、軸流
軸流ファン
軸流ファン・遠心
ファン 遠心ファン
遠心ファン・横流
ファン 横流ファン
横流ファンの3種類があります。
ファン
軸流ファン:翼の揚力を利用するファンです。空気は軸方向に流れます。
遠心ファン:遠心力を利用するファンです。空気は羽の半径方向に流れます。
横流ファン:側面から吸い込んだ風を吸い込みと直交する方向に吐き出します。
軸流ファン
遠心ファン
横流ファン
(図はシロッコファン)
各ファンの種類
ファンの種類は
種類は、流れの方向
れの方向だけでなく
方向だけでなく出力特性
だけでなく出力特性にも
出力特性にも特徴
にも特徴があります
特徴があります。
があります。
軸流ファン:大風量が得られます。
遠心ファン:高風圧が得られます。
横流ファン:幅の広い風が得られます。
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ユニットの設計
向き
暖められた空気は膨張して、浮力効果で垂直に上がっていきます。
自然対流を
自然対流を妨げないような配置
げないような配置が重要です。
配置
スムーズに流れます
空気がよどみます
間隔
狭めると、相互影響により温度が高くなります。
広くすることが重要ですが限界値があります。
bopt
 l 
= 6.85 × 

∆
T


0.25
bopt:最適配列間隔( mm)、 l:発熱体の高さ( mm)
∆T:最大許容温度上昇値
l
bopt
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熱流体解析の
熱流体解析の手順
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モデルの準備
解析に
解析に必要な
必要な領域の
領域の抽出
複雑なモデルや規模の大きいモデルは計算に
必要なメッシュ数が多くなり、計算時間がか
かります。着目する領域に絞って、計算を行
いましょう。
流体解析は空間が計算対象となりますので、
必然的に領域が大きくなります。
流体空間のモデル
流体空間のモデル化
のモデル化
解析ソフトによっては、流体空間をモデル化
する必要があります。
※COSMOS FloWorksは流体領域を自動認識
するので流体空間のモデル化は必要ありませ
ん。
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熱流体解析に必要な条件
熱解析に
熱解析に必要な
必要な条件
流体の
流体の物性
液体の場合:密度、粘度、密度、比熱、熱伝導率
気体の場合:分子質量、粘度、比熱、比熱比、熱伝導率
固体の
固体の物性
密度、比熱、熱伝導率 ※定常解析では密度、比熱は必要ありません。
流量、
流量、ファン
速度、質量流量、体積流量をモデルの流入開口部もしくは流出開口部に定義します。
ファンを使用している場合はファンのP-Q特性を定義します。
圧力
全圧、静圧をモデルの開口部に定義します。内部流れ解析を行う場合、必ず1箇所は圧力
条件を定義する必要があります。
発熱条件
発熱量、温度で発熱部品の熱を定義します。
ふく射
ふく射
放射率を各部品に定義します。
接触熱抵抗
個体の接触面に定義します。
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メッシュの活用
メッシュの活用
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目次
メッシュの活用
FloEFDのメッシュ
FloEFDのメッシュ
メッシュの種類
カットセル
薄板セル
ベースメッシュ
メッシュリファイン
自動メッシュ
マニュアルメッシュ
ベースメッシュの設定
メッシュリファインの設定
小さな個体フィーチャーのリファイン
曲率リファイン
許容リファイン
セルリファイン
狭流路リファイン
リファインレベルを使用する際のポイント
ローカル初期メッシュ
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メッシュ分割
メッシュ分割のポイント
分割のポイント
現象の変化が激しいところ
流路のメッシュ分割
開口部のメッシュ分割
メッシュ精度の判断
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カットセル
各セルでの固体
セルでの固体と
固体と流体の
流体の境界の
境界の位置は
位置は、セルのエッジ上
セルのエッジ上で認識され
認識され、
され、その
間を平面で
平面で繋いだ部分
いだ部分が
部分が、計算上の
計算上の界面位置となります
界面位置となります。
となります。
計算上の
境界位置
エッジ上で、固体-流体
の境界位置を認識
計算上の
境界位置
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発熱部品のメッシュ分割
計算に使用する部品の体積はメッシュ分割された要素の体積を使用します。実際の
体積とメッシュ要素の体積が大きく異なると、精度に影響を与えます。特に発熱部
品の温度の計算には体積が重要になります。
発熱体
(10mm×10mm×10mm)
発熱量: 1W
材料:シリコン
チップを4分割
(体積は実形状の半分)
チップ平均温度:98.3℃
チップを576分割
(体積は実形状の99.8%)
チップ平均温度:46.0℃
注意!!
メッシュの体積が実際の形状に対して小さいと温度が高くなります。反対に大きいと
温度が低くなります。
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