JPH047675A - 熱解析ｃａｅシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は計算機を用いた熱解析ＣＡＥシステム、特に差
分法やノード法を用いた電子機器等の装置の熱解析を行
なう熱解析ＣＡＥシステムに関するものである。

〔従来技術〕

コンピュータを利用した設計解析計算（所謂ＣＡＥ）が
普及し、設計対象物の変動に対する各方面から検証が行
なわれるようになってきた。

構造解析による強度、振動などの特性分析は特に利用が
進展しており、多方面で活用されている。

一方熱解析は、固体内の熱拡散を扱う熱伝導解析と流体
の移動を含めて扱う熱流体解析とがあり、前者は解析法
が容易であるためよく利用されるが、後者は大規模な計
算処理が必要とされるため、まだ一部で単純な形状の対
象物に適用されるに過ぎない。

ところで電子機器の高密度、高速化の進展は目覚ましく
、素子の低消費電力化が装置のノ」１型化に追いつかな
い状況にあり、装置単位体積あたりの消費電力は高まる
一方である。このためこれまで勘と経験で行なわれた熱
設計が限界となり設計次点で計算機を用いた熱解析、シ
ミュレーションの利用が検討されるようになってきた。

電子機器は一般に空気方式のものが多く熱解析を行なう
ためには、前述の熱流体解析を扱う必要がある。熱流体
解析を行なうための手法としては、差分法や有限要素法
があるが、これらの手法では解析対象領域を差分格子や
有限要素といった小領域に分割する必要があり、複雑な
電子機器の内部空間をモデル化するとなると極めて多く
の労働力を必要する。また、流体の挙動を細かく分析す
る必要があるため分割を細分化しなければならず演算に
要する時間も膨大となるため実用的な設計には殆ど利用
されていない。

電子機器の熱解析においては、ノード法（節点法）と呼
ばれる手法が一般的に多く使用きれている。ノード法で
は、電子機器内部を比較的ラフに分割し、分割された領
域の中央にノードと呼ばれる代表点を設け、各領域間の
エネルギーバランスをノードに関する連立方程式として
解く。

ノード法の利点としては、固体から流体（空気）への熱
の流れを熱伝達率という特性値を用いてラフに表現でき
る点である。熱伝達率は、伝熱工学の分野で数多くの解
析式、実験式が求められており、これらを利用すること
で流体の挙動を厳密に計算することがなく、熱の移動量
を推定することができる。このため比較的小規模な計算
処理で精度のよい結果が得られる。

ノード法では各ノード間を熱抵抗で結合した熱等価回路
や通風抵抗で結合した通風等価回路で装置を表現するた
め実体としての装置イメージとはかけ離れたモデルとな
る。このため、有限要素法のように、ＣＡＤデータを用
いて、解析用モデルを作成することが難しい。また、熱
抵抗や通風抵抗の値を決める際に実験式等を参照し、最
適な式を用いて値を求める必要があるため、高度な伝熱
理論に関する知識が要求きれる。

従来のノード法を使用した熱解析の作業手順フローを第
６図に示し、またモデル化の説明図を第７図（ａ）〜（
ｄ）に示す。

第６図において、従来手法では、先ず対象とするモデル
を簡略化してエリアに分割する作業を行なう（ステップ
１０１）。例えば、第７図（ａ）に示すように内部形状
をブロックで表現する。同図において、筐体１２０はフ
ァン１２２及び通風孔１２３を備え、内部ユニット１２
１を内蔵している。本来電子機器は３次元的形状をとる
が、ここでは説明を簡略化するため２次元の例を示す。

前記ステップ１０１のエリア分割では、第７図（ｂ）に
示すように全体を四角形や三角形（３次元では六面体な
ど）に分割し、分割した領域の重心点にノード１３０を
配置する作業である。

次に流体部分の領域１３１のノード間（流体ノード）を
第７図（ｃ）に示すように通風抵抗１４０で接続し、通
風抵抗値を求める（ステップ１０２）。通風抵抗１４０
は、抵抗両端のノードの代表する領域の通風断面積やノ
ード間距離、断面積変化などから算出するがその際、多
くの算出式を参照する必要がある（ステップ１０３）。

次に第７図（ｃ）のファン部１４１の風量、圧力等の境
界条件を与え（ステップ１０４）、非線形連立方程式を
解く（圧力算出）（ステップ１０５）。その結果ノード
の圧力とノード間の風量が算出される（ステップ１０６
）。ノード間の風量からノード間の等価熱伝導率が算出
されるため、この値を抵抗値とすることで既に作成した
第７図（ｃ）の通風等価回路をそのまま流体部分の熱等
価回路に置換することができる。

この熱等価回路は第７図（ｄ）に示すように、筐体等の
固体内部の熱伝導抵抗１５０及び固体から流体への熱伝
達抵抗１５１．１５２の抵抗値を算出し加えることによ
り最終的に機器全体の熱等価回路が作成される。この作
業では熱抵抗値の算出（ステップ１０７）のため、構成
材料の物性値の参照（ステップ１０８）や、熱伝達係数
の算出（ステップ１０９）のため、算出式の参照（ステ
ップ１１０）等多く調査が必要となる。

熱等価回路網作成後は発熱量等の温度境界条件を与え（
ステップ１１１）、連立方程式を解くことによって温度
を求めることができる（ステップ１１２）。

第７図の解析作業例では、方程式の係数行列の組立てや
連立方程式の解を求める部分にのみ計算機を使用できる
が、その他の作業については手作業主体となる。ノード
法は熱の問題を電気回路と全く同じ扱いで解くた、め上
記計算機使用部分では、電子回路シミュレーション用の
汎用解析ソフトを使う場合も多い。

また、解析対象とする電子機器の形状を限定し、例えば
プリント配線板を平行配置した装置のみを扱うようにし
、バラメリック入力等により、全体の作業を自動化した
ものもあるが、汎用性がないためいろいろな電子機器に
適用することは困難である。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の通り、従来熱解析法では何れ方法においても電子
機器内部の熱解析を簡単に行なう方法ではなく、最も汎
用性の高いノード法でも下記のような問題がある。

（１）人手作業が多く、多大な解析工数を必要とする。

（２）熱抵抗値の算出など高度な専門知識を必要とする
。

（３）自然対流の計算が困難である。

（４）ファン特性を考慮した計算が困難である。

従って、実用的な電子機器の熱解析を行なうことは事実
上不可能に近いのが現状である。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記従来手
法の問題点である解析計算に人手を必要とすることや専
門知識を必要とすることを除去し、更に自然対流や強制
対流の定常問題、非定常問題、ファン特性を考慮した汎
用電子機器の熱解析を容易に実施できる汎用性の高い熱
解析ＣＡＥシステムを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するため本発明は熱解析ＣＡＥシステム
を下記のように構成した。

３次元的に入力された装置形状データを小エリアに分割
するエリア分割処理部と、実験等により熱解析に必要な
各種データを格納したデータベースと、エリア分割処理
部で分割された小エリアのノードデータとデータベース
のデータより解析モデルとしての通風回路網を生成する
通風回路生成部と熱回路網を生成する熱回路生成部と、
この通風回路生成部及び通風回路生成部で生成された解
析モデルである通風回路網及び熱回路網を演算処理し温
度や圧力等の演算結果を出力する演算処理部を設けたこ
とを特徴とする。

〔作用〕

本発明は熱解析ＣＡＥシステムを上記の如く構成したの
で、利用者が３次元の装置形状データを入力するだけで
、エリア分割処理部が自動的小エリア分割し、通風回路
生成部及び通風回路生成部は分割された小エリアのノー
ドデータとデータベースからのデータとから解析モデル
としての通風回路網及び熱回路網を生成し、演算処理部
はこれら通風回路網及び熱回路網を演算処理し、温度や
圧力を算出する。従って、本発明の熱解析ＣＡＥシステ
ムを用いれば、利用者が３次元の装置形状データを入力
するだけで汎用的電子機器の熱解析を容易に実施できる
ことになる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明の熱解析ＣＡＥシステムの構成を示すブ
ロック図である。本然解析ＣＡＥシステムは電子機器内
部の熱解析を汎用的に行なうもので、図示するように、
入力装置２、表示装置１．３次元形状データ処理部３、
形状データ記憶部４、エリア分割処理部６、ノード座標
データ記憶部７、通風回路生成部８、通風圧損データ記
憶部９、熱回路生成部１０、熱伝達係数データ記憶部１
１、材料物性データ記憶部１２、ネットワークデータ記
憶部１３、通風回路演算処理付せ１５と熱回路演算処理
部１６を具備する演算処理部１４、圧力風量データ記憶
部１７、温度データ記憶部１８、結果表示処理部１９及
びファン特性データ記憶部２０を具備する。

入力装置２はデータの入力や処理コマンドの入力などに
使う、表示装置１はエコーや処理結果の表示を行なう。

３次元形状データ処理部３の処理により、装置の形状を
直線や円１円弧などの図形形状データとして取り込み、
形状データ記憶部４に記憶したり、内容の更新を行なっ
たりする。

ここで形状データ記憶部４に記憶される形状データは、
第２図に示すように３次元空間上の座標を示すデータか
ら構成されており、他の一般的な３次元的ＣＡＤシステ
ム５から形状データを取り込むことがでる。形状データ
は第２図に示すように点２００により構成される直線２
０１、直線群によって構成される面２０２、面に属性を
付与してファン２０３、通風孔２０４、面によって構成
されるブロック２０５などの種別を保有し、またそれぞ
れの構成要素には発熱量、熱伝達率レベル、通風面積開
口率など各種別により特有の特性が与えられている。形
状データ記憶部４の形状データはエリア分割処理部６に
とり込まれ、電子機器全体が自動的に小エリアに分割さ
れると共に、小エリア重心点座標が計算されノードが生
成される。次に通風回路生成部８がノード座標データ記
憶部７のノード座標データから流体部分の通風抵抗を通
風圧損データ記憶部９の通風圧損データを基に計算する
。また、熱回路生成部１０は同様に固体部分の熱伝導抵
抗と固体と流体間の熱伝達抵抗を熱伝達係数データ記憶
部１１の熱伝導係数データ及び材料物性データ記憶部１
２の材料物性データをもとに計算する。これらの計算結
果はネットワークデータとしてネットワークデータ記憶
部１３に出力する。

演算処理部１４はネットワークデータ記憶部１３からネ
ットワークデータを取り込み、先ず通風回路演算処理部
１５で圧力と風量を計算し、次に熱回路演算処理部１６
で温度計算を行なう。

結果表示処理部１９は形状データ記憶部４の形状データ
、ノード座標データ記憶部７のノード座標データ、圧力
風量データ記憶部１７の圧力風量データ、温度データ記
憶部１８の温度データを取り込み計算結果をグラフィッ
ク処理して表示装置１に表示する。上記処理の流れを第
５図に示す。

以上が本然解析ＣＡＥシステムの構成の概要であるが、
次に各ブロックの処理内容について説明する。

先ず、エリア分割処理部６を第３図を例に説明する。こ
のエリア分割処理部６は３次元で行なうが、ここでは説
明をわかり易くするため２次元で説明する。エリア分割
処理部６は形状データ記憶部４から形状データを取り込
んだ後、筐体を構成する点３０を抽出する。次に筐体外
形を構成する直線３０１をＮ個に分割する分割線３０２
をピッチＰで発生する。ピッチＰは指定により任意の値
もとることができるが自動的に決定できる。自動的に決
定する場合はピッチＰの値は、内部ブロックを構成する
点３０３の間隔を求め最小間隔と最大間隔の中間値付近
に設定する。第３図（ａ）はこの処理を終了した状態を
示している。

次に、内部ブロックの外形と一致しない外側近傍に存在
する分割線で分割ピッチＰの１／２の値よりも内部ブロ
ック外形線に近いものを抽出し、内部ブロック外形線ま
で移動する。この処理を終了した状態を第３図（ｂ）に
示す。

次に、分割された小エリアの重心点の座標を算出し、第
３図（ｃ）に示すようにノード３０７゜３０８．３０９
を生成する。また、内部ブロック表面、筐体表面にもノ
ードが生成される。ノード座標データはノード座標デー
タ記憶部７に記憶される。通風回路生成部８はノード座
標データ記憶部７からのノード座標データを取り込み、
流体ノード（内部ブロックに含まれないノード）第３図
（ｃ）ではノード３０８を抽出する。

次に、小エリア同志が面で接している流体ノード間を通
風抵抗で接続すると共に、通風抵抗の値を計算する。通
風抵抗の値は接続されているノード間の距離、接してい
る面の面積などから摩擦損失抵抗を、また隣合う２つの
小エリアの断面積の変化などから、通風圧損データ記憶
部９の通風圧損データを参照して局所圧損抵抗を決定す
る０通風圧損データ記憶部９には断面変化率を圧損係数
のテーブルや通風孔開口率と圧損係数のテープルなどあ
らかじめ実験等により導出された数値が記憶されている
。また、３次元形状データ処理部３でファンデータ（第
２図のファン２３）が入力されていると、これを含む小
エリアには種別に応じたファンデータ番号がファン特性
データ記憶部２０から参照きれて付与される。このよう
にして生成きれた流体ノード間を結合する通風抵抗の値
は係数行列の形式でネットワークデータとしてネットワ
ークデータ記憶部１３に記憶される。

次に、熱回路生成部１０に処理が移り、通風回路生成部
８と同様に固体ノード（内部ブロック及び筐体に含まれ
るノード、即ち第３図（Ｃ）のノード３９）を抽出する
。

次に、小エリア同志が面又は線で接している固体ノード
間を熱伝導抵抗で接続すると共に、抵抗値を算出する。

抵抗値は流体ノードと同様に接続ノード間の距離、接し
ている面積及び固体の熱伝導率から材料物性データ記憶
部１２の材料物性データを参照して算出きれる。

また、内部ブロック表面や筐体表面に生成きれた固体ノ
ードと流体ノードとを熱伝導抵抗で結合する。抵抗値は
風速等の関数となるためここでは計算しない。

次に、演算処理部１４の動作に移る。演算処理部１４は
通風回路演算処理部１５及び熱回路演算処理部１６から
構成され、先ず通風回路演算処理部１５が係数行列形式
の通風抵抗データをネットワークデータ記憶部１３から
読み込み非線形連立方程式解法演算を行なう。この結果
、流体ノード圧力と流体ノード間の風量が出力きれ記憶
される。

次に、この結果データを受けて熱回路演算処理部１６が
流体ノード間の風量をもとに等側熱伝導率を計算する。

また、風量から風速を計算し、風速に応じた熱伝導抵抗
（固定ノードと流体ノード間）を計算し、熱伝導係数行
列を完成する。その後、連立方程式解法演算を行ない全
てのノードの温度を出力する。自然対流などのノードの
圧力がノードの温度に依存して決定するような場合には
、通風回路演算処理部１５と熱回路演算処理部１６とが
交互に反復処理を行ない結果が収束するまで処理を繰り
返す。このようにして得られた圧力、風量データ及び温
度データは、それぞれ圧力風量データ記憶部１７及び温
度データ記憶部１８に記憶され、形状データ、ノード座
標データ、ネットワークデータなどと共に結果表示処理
部１９に取り込まれ、温度分布、風量分布などを視覚的
に表示するように以下の処理を行なう。

第４図は結果表示処理部１９の処理により表示装置１に
表示された例を示す図である。　先ず、結果表示処理部
１９は形状データ記憶部４から形状データを取り込み、
装置の形状を表示装置１に表示する。オペレータは対話
的処理により、表示したいデータ（温度、圧力、風量等
）とその表示方式（等温線図、ベクトル図等）及び表示
したい断面４０１や領域を入力装置２を用いて指示する
。例えば第２図に示す装置の特定断面４０１の温度分布
を等温線図で表示指示した場合、結果表示処理部１９は
ノード座標データ記憶部７のノード座標データと温度デ
ータ記憶部１８の温度データからノード間温度を補間処
理することにより、装置形状上に等混線を描く処理を行
ない、表示装置１に第４図に示すように表示する。この
際、画面奥行方向の図形データ座標を計算し、隠れ線消
去処理を行なうと視覚的に見易い表示となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、利用者が３次元の
装置形状を入力するだけで、エリア分割処理部が自動的
小エリア分割し、通風回路生成部及び通風回路生成部は
分割された小エリアのノードデータとデータベースから
のデータとから解析モデルとしての通風回路網及び熱回
路網を生成し、演算処理部はこれら通風回路網及び熱回
路網を演算処理し、温度や圧力を算出するので下記のよ
うな優れた効果を期待できる熱解析ＣＡＥシステムが得
られる。

（１）装置形状入力以外に従来のような工数が全く必要
としない。

（２）伝熱に関する高度な専門知識を必要としない。

（３）自然対流、強制対流、定常非定常など広範囲な現
象に対応できる。

（４〉ファン等の特性を考慮した解析が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の熱解析ＣＡＥシステムの構成を示すブ
ロック図、第２図は装置の形状データの説明図、第３図
（ａ）〜（ｃ）はエリア分割処理部の処理説明図、第４
図は結果表示処理部で処理した表示例を示す図、第５図
は本発明の熱解析ＣＡＥシステムの処理の流れを示す図
、第６図は従来のノード法を使用した熱解析の作業手順
フローを示す図、第７図（ａ）〜（ｄ）はこのノード法
によりモデル化の説明図である。 図中、１・・・・表示装置、２・・・・入力装置、３・
・・・３次元形状データ処理部、４・・・・形状データ
記憶部、５・・・・外部３次元ＣＡＤシステム、６・・
・・エリア分割処理部、７・・・・ノード座標データ記
憶部、８・・・・通風回路生成部、９・・・・通風圧損
データ記憶部、１０・・・・熱回路生成部、１１・・・
・熱伝達係数データ記憶部、１２・・・・材料物性デー
タ記憶部、１３・・・・ネットワークデータ記憶部、１
４・・・・演算処理部、１５・・・・通風回路演算処理
付せ、１６・・・・熱回路演算処理部、１７・・・・圧
力風量データ記憶部、１８・・・・温度データ記憶部、
１９・・・・結果表示処理部、２０・・・・ファン特性
データ記憶部。 特許出願人　沖寛気工業株式会社 代理人　弁理士　熊　谷　隆（外１名）（ｉｔ 形伏テ゛−’１ｎｆｉＢＪ■ 第２図 第３ 図 （１−１−）　／　−ド’、ｔｒＪＪ　シｌ！　＄Ｊｈ
　ＩＴ　’ｉ　）　Ｆｌ　＋４’１第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 数値計算法を用いて装置の熱解析をこなうＣＡＥシステ
   ムにおいて、 ３次元的に入力された装置形状データを小エリアに分割
   するエリア分割処理部と、 熱解析に必要な各種データを格納したデータベースと、 前記エリア分割処理部で分割された小エリアのノードデ
   ータと前記データベースのデータより、解析モデルとし
   て通風回路網を生成する通風回路生成部と熱回路網を生
   成する熱回路生成部と、前記通風回路生成部及び前記通
   風回路生成部で生成された通風回路網及び熱回路網を演
   算処理し、温度や圧力等の演算結果を出力する演算処理
   部を設けたことを特徴とする熱解析ＣＡＥシステム。