熱設計と数値シミュレーション

■主旨

 高度な熱流体シミュレーションが設計に浸透し、機器の流れや温度分布を手に取るように把握できるようになりました。「CAE」が極めて有用な設計ツールであることは疑う余地もありません。 しかし、精度よく温度を予測できればよい熱設計ができるわけではありません。よい設計とは  「その方法が最良であること」を説明できる必要があります。たくさんの選択肢から決定した 「この組み合わせ」がベストであり、余裕度やコストからも最良であることを、定量的に人に伝えられなければならないのです。「とりあえず設計してみて、後でシミュレーションで確認し、 問題がなければよしとする」という考えだと、設計の道筋に論理性がありません。継承もできないので、失敗を繰り返します。

  見通しよく設計するには、設計変数と温度との因果関係が数式を用いて定量化されている必要 があります。しかし、電子機器で起こる熱移動は複雑で、伝熱工学で提供される基礎式だけでは表現できません。そこで、伝統的な伝熱工学手法をコンピュータと組み合わせて実用的なツールにしたのが「熱回路網法」です。 熱回路網法は、「放熱経路の構造化」と「熱抵抗の定量化」のスキルが必要なため、初めての 方にはなじみにくい部分もあります。しかし、熱流体解析では学ぶことのできないこの2つの  スキルを身につけることにより、熱設計技術が飛躍的に向上します。熱設計人材を育てるには  まさにうってつけの手法と言えます。 

 本書では、Excelを使った熱回路網法と回路シミュレータを使った熱回路網法の2つについて  解説しています。Excelを使い慣れた方は前者、回路シミュレータに慣れている方は後者がおす  すめです。コストをかけずに実践可能とするため、Excelについてはプログラムのソースコード  を掲載しました。また、回路シミュレータも無償体験版を使用してできる事例を用意しました。

 

■本書の特徴

  @定常・非定常の熱回路網法のプログラムリスト(Excel VBA)を掲載しました

  Aオーム社ホームページよりExcelソフトのダウンロードができます

  B非線形・非定常熱回路網法の豊富なモデルサンプルを掲載しました

    機器/基板/部品のモデル例はもとより、物体の加熱/断熱、ペルチェ素子、熱電発電など

  C流体抵抗網法による機器内の流れと温度の計算例を掲載しました

  D回路シミュレータ(SIMetrix無料イントロ版)を使った熱回路計算事例を豊富に揃えまし

  E半導体の熱暴走シミュレーションなどの解析ノウハウを解説しました

 

■A5判並製256頁 ■定価(本体2700円+税) ■国峯尚樹 中村篤 共著 ■オーム社 発行

 

 

目次

 第1部 熱設計を始めよう 1
   第1章 重要度が増す「熱マネジメント」
    1.1 熱対策から熱解析、そして熱設計
    1.2 「熱設計」がなかなか定着しない理由
     1.2.1 伝熱現象が複雑なため手計算での温度予測が困難
     1.2.2 熱設計にはトータル設計のアプローチが必要
     1.2.3 「熱」をマネジメントする人材が育ちにくい
    1.3 熱設計をサボるとどうなるか?
     1.3.1 熱暴走する
     1.3.2 熱疲労や劣化が進む
     1.3.3 低温やけどする.
   第2章 熱設計の基礎となる伝熱知識
    2.1 熱のオームの法則
    2.2 熱設計は熱抵抗に始まり熱抵抗に終わる
    2.3 熱伝導――温度を均一化するには熱伝導を使う
    2.4 対流――空気の流れを作って面の平均温度を下げる
    2.5 熱放射――表面状態を変えるだけで温度を下げる
    2.6 物質による熱輸送――最も頼りになる「空気のベルトコンベア」
   第3章 電子機器に必要な伝熱の応用知識.
    3.1 等価熱伝導率
    3.2 広がり熱抵抗
    3.3 接触熱抵抗
    3.4 フィン効率
    3.5 熱容量と熱時定数
 
 第2部 Excel を使って温度を計算しよう 37
   第4章 温度を予測するための3 つのアプローチ
       4.1 伝熱の基礎式を合成して「電子機器用熱計算式」を導く
    4.2 熱回路網法で解く
    4.3 数値解析ソフトを使う
   第5章 Excel を活用した伝熱計算の方法
    5.1 電子機器筐体の内部温度を求める
    5.2 循環参照を許可して計算する
    5.3 ゴールシークを使う
   第6章 Excel を使った応用計算例
    6.1 セラミックヒータの温度上昇(計算と実測の比較)
    6.2 ジュール発熱による配線やバスバーの温度上昇
    6.3 自然空冷筐体の内部温度計算
   第7章 Excel を使った流れの計算
    7.1 圧力損失
    7.2 摩擦による圧損係数
    7.3 流路変化による局所圧損係数
    7.4 通風抵抗
    7.5 流れと温度の統合計算例

 第3部 熱回路網法で実務計算にチャレンジしよう
   第8章 Excel VBA を使った熱回路網法プログラム例
    8.1 Excel VBA を使って連立方程式を解く
    8.2 VBA による熱回路網法プログラム
    8.3 追加すると便利な機能
   第9章 熱回路網法で定常熱解析を行う
    9.1 アルミプレート上の発熱体の温度を求める
    9.2 熱伝達率の非線形性を考慮した計算を行う
    9.3 局所熱伝達率を用いて計算を行う
    9.4 熱回路網によるパラメータの評価(サーマルビアの本数を決める)
   第10章 熱回路網法で過渡解析を行う
    10.1 VBA による非定常熱計算プログラム
    10.2 放熱プレートの温度上昇カーブを求める
    10.3 Excel 関数を使ったさまざまな条件設定(時間・温度制御)
   第11章 電子機器筐体のモデル化基板と部品のモデル化
    11.1 部品を2 節点でモデル化する
    11.2 基板を等価熱伝導率でモデル化する
    11.3 部品を基板に実装する
    11.4 8 節点で密閉筺体をモデル化する
    11.5 通風口やファンをモデル化する
   第12章 熱回路網法を使ったさまざまな解析事例
    12.1 物体の加熱(熱風加熱)
    12.2 配管の断熱材
    12.3 ペルチェモジュールによる冷却(TEC)
    12.4 ペルチェモジュールによる発電量の計算(TEG)
   第13章 流体抵抗網法
    13.1 流体抵抗網のモデル作成方法
    13.2 電子機器内の風量分布の計算
    13.3 電子機器内の空気温度分布の計算
    13.4 風量調整による温度の均一化

 第4部 回路シミュレータを使った半導体パッケージの熱解析
   第14章 回路シミュレータを使ってみよう
    14.1 ソフト(体験版)のダウンロードとインストール
    14.2 回路シミュレータに熱回路網を描いてみよう
    14.3 回路、部品モデルの性質を覚えておこう
   第15章 半導体チップとパッケージ
    15.1 パッケージの内部構造と放熱経路
    15.2 半導体パッケージの熱特性の測定方法
    15.3 チップ温度の推定(チップ温度は思いのほかケース温度に近い)
    15.4 熱流体解析を使ってθca, θba を精度よく求める方法
   第16章 温度が上昇する過程を追ってみよう
    16.1 トランジェント解析の実行
    16.2 温度上昇カーブから熱抵抗と熱容量を算出する
    16.3 ラダー回路の多段化による上昇曲線の精度向上
   第17章 先端デバイスの放熱設計.
    17.1 温度上昇に伴って増加する発熱量
    17.2 温度検出と発熱コントロール
    17.3 放熱性を確保して熱暴走を防ごう

 

 

 

 

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