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三次元熱流体解析ソフトウェア 解析事例集-放熱編

事例紹介

Analysis Case Studies

株式会社ソフトウェアクレイドルは、国産三次元熱流体解析ソフトウェアの開発・販売、教育・サポートまで一貫したサービスを提供しています。

•自転車用LEDヘッドライトの温度予測シミュレーション
•ハイブリッド/電気自動車 部品の冷却
•HEATLANE(R)ヒートレーン解析事例
•水冷プレート
•LED素子の放熱経路
•LED電球の熱流体解析
•照明器具の放熱設計と最適化アプローチ
•照明機器向け放熱解析事例
•リフロー工程の基板温度予測とチップ立ちシミュレーション
•基板のレイアウト変更による温度低減予測と実測比較

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このカタログについて

ドキュメント名 三次元熱流体解析ソフトウェア 解析事例集-放熱編
ドキュメント種別 事例紹介
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このカタログの内容

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•自転車用LEDヘッドライトの温度予測シミュレーション •ハイブリッド/電気自動車 部品の冷却 •HEATLANE®ヒートレーン解析事例 •水冷プレート •LED素子の放熱経路 •LED電球の熱流体解析 •照明器具の放熱設計と最適化アプローチ •照明機器向け放熱解析事例 •リフロー工程の基板温度予測とチップ立ちシミュレーション •基板のレイアウト変更による温度低減予測と実測比較 Analysis Case Studies 解析事例集-放熱編
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自転車用LEDヘッドライトの温度予測シミュレーション 株式会社キャットアイ 様 事例紹介 『熱設計PAC®』を用いて自転車用ヘッドライトの温度を予測 自転車用LEDヘッドライト 照射範囲の広いハイパワーライトには、その要求を満たす必要が シミュレーションによる確認 あり、複数のパワー LEDパッケージが用いられている。そのため、 いかに放熱性能を高めるかが重要となる。CFDを行うことで上昇 IC温度 LED基板 上面 温度の予測や熱経路の特定といった設計にフィードバックする情 報を得ることができる。 底面 流速ベクトル、温度分布 側面 60 50 実測 解析 40 30 20 自転車LEDヘッドライト(HL-EL930RC) 10 0 上面 側面 底面 LED基板 IC温度 項目 各部品の上昇温度 解析結果 実際の温度を精度よく予測! 設計変更による違いを予測できる 流線 10km/hで走行 HeatPathView HL-09003-05_LED HL-09003-05_LED_AF1 H27N-SPACER_AF3 HL-09003-03_HOUNETSU_FIN_AF0 その他46個 HL-09003-01_BODY_FRONT_AF0 HL-09003-02_BODY_BACK_AF0 大気への対流による放熱寄与 筐体のどの部分が放熱に寄与しているかがわかる! 風の流れを線で表現 熱設計へのフィードバックが可能 comment CFDを使用することで、実測を行う前にPC上で放熱確認、上昇温度を予測することが出来るようになった。 また、実際に試作を行わなくても複数の形状と材料を使用した場合での温度予測を出来るため時間と試作コストを節約するこ とが出来る。熱を考慮した設計を行う上では十分に活用できるツールである。 2 | ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 上昇温度(℃)
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ハイブリッド/電気自動車 部品の冷却 機能紹介 ※イメージ バッテリー冷却モジュール バッテリーパック バッテリー冷却モジュールのダクト内、圧力分布 バッテリーセルの表面温度と内部流れ 圧力 -50 10 IGBT水冷モジュール 流入 流出 素子温度を小さくする放熱フィンと素子レイアウト設計の検討例 ピンフィン 流路に沿ったプレートフィン HEV/EVの主な構成ユニットであるPCU、その中でも三相交 (素子レイアウトを変更) 流電源を出力するインバータの主スイッチとして、主要な役 割を担うIGBTは最も重要な部品の1つに挙げられます。 IGBTは車格により様々な電力に対応する必要があり、冷却 性能の検討はIGBTモジュール設計において重要な検討項目 の1つになります。シミュレーションを用いることで、放熱フィ ンの形状や素子のレイアウトによる放熱効果、温度分布の違 いなど、複数のパターンを見える化し、比較する事で、直感的 流路に垂直なプレートフィン 流路に沿ったプレートフィン に寄与度やより最適な設計を把握することができます。 温度 [℃] 65.00 150.00 ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 | 3
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ヒ ー ト レ ー ン HEATLANE® 解析事例 水谷電機工業株式会社 様 事例紹介 限られた空間で最高のパフォーマンスを実現! 特許・商標登録済み AL-EX ヒートレーンプレート 低設置面積 放熱 小型・軽量化 低騒音化 冷却風 大容量熱輸送 受熱板 フィン 熱輸送方向 「広げて冷やす」 フィン ヒートレーンプレート 熱をすばやく拡散し、放熱面積を拡大。 発熱密度の高い素子の冷却に極めて有効です。 背の低いフィンを多段積みし、ヒートレーンプ 発熱体 発熱板 レートにて熱を輸送することで 有効な放熱面 発熱体 積を確保し、高い熱特性が得られます。 従来のヒートシンク ヒートレーン式ヒートシンク 検討例 共通形状:巾200×長さ130×全高70 、 ベース厚さ8.2 名称 フィン形状[㎜] 熱抵抗[℃/W] 重量[g] 条件 熱源140×130、500[W]、前面風速2[m/s] ヒートレーン式 厚さ0.5×長さ110×高さ28 ヒートシンク 56枚×2段 0.064 1130 厚さ 長さ 高さ 従来のヒートシンク 0.5× 130L× 61.866枚 0.088 1300 CFDによる解析事例 従来のヒートシンク ヒートレーン式ヒートシンク 熱源付近に熱が集中。 ヒートレーンプレートによって フィン効率が小さく、有効放熱面 フィン全体へ熱輸送 積が小さい 高フィン効率、高ベース熱拡が りにより高性能化を実現! 熱抵抗[℃/W] 実測値 0.065 解析値 0.064 実測値と解析値がほぼ一致! comment 多種多様なユーザニーズに精度よく対応するためには熱解析精度の向上が必須となります。熱設計PAC®、STREAM®は、設計者 の思想を限りなく実測ベースに再現出来る数少ないソフトと認識しております。今後とも、クレイドルのソフトを活用して多くの 熱解析シーンと向き合っていきたいと思います。 4 | ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】
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水冷プレート 水谷電機工業株式会社 様 事例紹介 『STREAM®』を用いた水冷プレートの熱解析例 熱流体解析を用いた最適な流路設計 民生用、産業用問わず、さまざまな電子機器での放熱 は製品品質上、重要な課題になっています。 空冷では達成できない大容量の放熱が必要な場合に は、水冷プレートがよく利用されています。 熱流体解析を用いることで、受注生産などの個別対 応の案件でも水冷プレートの最適な水路設計をス ピーディーに行うことができ、可視化した解析結果を 用いて、性能などをよりわかりやすくしたうえでの提 案も可能となります。 【主な材質】 ・アルミニウム ・銅 水冷プレート: 断面 水冷プレート: 解析モデル 熱解析例 プレートサイズ 巾100×長さ550×厚さ18 材質 C1020 熱源サイズ 45×90、5pcs 熱負荷 1 [kW] 流量 10 [L/min] 熱抵抗の実測値 0.0092 [℃/W] 熱抵抗の解析値 0.0095 [℃/W] 水冷プレート: 解析結果 comment ユーザ側の思想を解析に反映させやすく、理論値と解析値、さらに実測値の整合もしやすいため、 ものづくり 後のブラッシュアップを最小回数でおこなうことができ、ヴァーチャルな ものづくり ツールとして製品開発に 役立っております。 ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 | 5
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LED素子の放熱経路 機能紹介 『SCRYU/Tetra®』を用いたLED素子の温度試験測定値との結果比較 ■LE 解D素析対子象のモ放デル熱解析 素子表面温度と中心断面温度 Lens PCB Body LED Lead LED素子表面温度 LED素子中心断面温度 100 104 108 111 115 LED素子の放熱は主に素子の設置されるPCBやその背面に設置されるヒートシンクなどを利用して行われます。 熱がPCB側から逃げていく様子が良く再現されています。 素子周辺の流れ分布(ベクトル図) 素子周辺の流体温度分布(コンター図) 実測値と解析値の比較(温度) :センサー位置 120 センサー 1 100 レンズ表面 センサ-3 80 PCB上端 60 実測 解析 40 20 センサー 2 0 1 2 3 PCB下端 計測点 comment PCBを通しての放熱をはじめ、LED素子自身の発熱による周辺空気の自然対流から引き起こされる放熱効果も考慮した解析を 実施しました。実測値とほぼ同等(約2.2℃差)の結果を得ており、現象の傾向を捉えるには充分な結果となりました。 シミュレーションを用いる事で、LED素子の寿命を左右する放熱設計での定量的な知見を得ることが可能になります。 6 | ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 温度(℃)
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LED電球の熱流体解析 機能紹介 『SCRYU/Tetra®』を用いて電球カバーの透過率による熱的な影響を確認 解析モデル概要 透過率の影響 天井 光源から発生した光はグローブの透過率にしたがって透過光と LED電球(拡大図) 反射光に分かれます。反射光の一部はグローブ内で熱として吸 収される為、各部品温度に影響を与えます。 ヒートシンク 光源 LED 反射光 基板 開放空間 グローブ 透過光 流れの可視化表現 透過率による表面温度分布の違い 流線図 透過率:1.0 透過率:0.8 20 温度[℃] 80 ベクトル図 流線表示 流れの軌跡を3次元的に 描画します。フィンの隙 間に空気が通っているか 等の確認に有効な表現に なります。 ベクトル表示 流れの速さを青から赤の 色分布や、矢印の大きさ で表現し、流れの方向を 20 温度[℃] 35 矢印で表現します。 検査面での断面描画で良 グローブの表面温度に約3度の差が生じている く使用される表現になり ます。 comment LED電球は、省エネ、小型化を実現し、電球本来の明るさを維持することはもちろん、空間を演出する光の色温度や広がりなど の調光制御、電球そのもののデザイン性など、多様なニーズがあげられる様になっています。高い製品力を持つ高品質な製品 設計を実現する為に、解析による現象把握を設計者が容易にできることは、シミュレーションの大きなメリットとなります。 ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 | 7
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照明器具の放熱設計と最適化アプローチ オプション機能紹介 最適化オプションツールを用い、ヒートシンクの最適形状を確認 最適化の目的 最適化の手法 設計変数 ■実験計画法(サンプリング手法) フィンの枚数 ヒートシンク形状を変更して 中心複合計画法⇒43回 24~ 48枚 1. LED温度を規定まで下げる 円筒部厚み LED上昇温度 [⊿T ℃]:最小化 ■近似モデルを用いた多目的最適化 2~ 5[mm] (⊿T: 40℃以下) 適用手法⇒RBF 2. 軽量化する 多目的最適化手法⇒NSEA+ フィン高さ ヒートシンク体積(重量):最小化 80~ 120[mm] (0.0005m3以下) ■使用アプリケーション 外半径 オリジナル形状 65~ 75[mm]STREAM 内半径 ヒートシンク Optimus® for Cradle 25~ 35[mm] 設計変数を変更しサンプリングをする。 パレート解から導き出された最適解 LED 40 軽さ優先 39 パレート解 サンプリング結果の分析 38 最適解 体積 2.40×10-4 [m3]37 36 上昇温度 39.1 [℃] 相関係数(温度) 35 フィン枚数 28 [枚] 34 ヒートシンク高さ 82.5 [mm] 33 円筒部厚み 円筒部厚み 2.4 [mm]32 外半径 2.00E-04 3.00E-04 4.00E-04 外半径 72.8 [mm] 内半径 25.0 [mm] 内半径 体積V[m 3] フィン高さ フィン枚数 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 40 バランス 39 パレート解 相関係数(体積) 38 最適解 体積 3.11×10-4 [m3] 37 円筒部厚み 36 上昇温度 35.4 [℃] 35 フィン枚数 30 [枚] 外半径 34 ヒートシンク高さ 104.9 [mm] 33 内半径 円筒部厚み 2.9 [mm]32 フィン高さ 2.00E-04 3.00E-04 4.00E-04 外半径 74.4 [mm] 内半径 26 [mm] フィン枚数 体積V[m 3] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 • 温度に対してはフィン枚数、フィン高さ、外半 40 放熱性能優先 径の相関が強く、これらを大きくすることで温 39 パレート解 38 最適解 度も低減する方向に向かうことがわかる。 体積 4.12×10 -4 [m3] 37 36 上昇温度 33.3 [℃] • 体積に対しては、フィン枚数、フィン高さ、外半 35 フィン枚数 38 [枚] 34 ヒートシンク高さ 115.6 [mm] 径の相関が強い。 33 円筒部厚み 3.5 [mm] 32 2.00E-04 3.00E-04 4.00E-04 外半径 74.7 [mm] 内半径 25.1 [mm] 体積V[m3] comment 最適化プロセスは多くの設計変数を目的の1点へ絞り込むために非常に有効である。 また、提示された設計変数では、物理的に目的を満足できないことがわかるなど、設計プロセス初期においても重要な役割を 果たす場合も多い。一方で、最適化のためのサンプリングは、多くの解析ケースを実行する必要が有り、やみくもに設計変数を 多くしないことと、高速に計算できる解析ソフトを選ぶことも重要である。 8 | ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 上昇温度[℃] 上昇温度[℃] 上昇温度[℃]
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照明機器向け放熱解析事例 事例紹介 LED電球 - LED Bulb 半導体 デバイス - Semiconductor Devices LEDデバイス - LED Devices 配線パターンの考慮 - Heat Dissipation Analysis considering Gerber Data comment 高集積のLSIやLEDなど、発熱量の大きく小型化が進む電子部品の熱をいかに効率よく放熱するかが、大きな課題となってい ます。省エネ、長寿命など高品質な製品開発において放熱設計は必要不可欠であり、シミュレーションで可視化することで、新 たなアイデアを具体的に評価し、多くの検討を容易にします。 ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 | 9
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リフロー工程の基板温度予測とチップ立ちシミュレーション 『熱設計PAC®』と『SCRYU/Tetra®』を活用し、基板のリフロー工程を解析 リフロー工程の基板温度解析(熱設計PAC®) 解析モデル リフロー炉内の熱風、放射による加熱を再現した非定常熱流体解析を行う。 熱風・放射による加熱 配線パターンや部品の配置、材質を変更した解析が可能。 リフロー炉 解析結果 320 270 220 配線パターンA 170 120 配線パターンA 70 配線パターンB 20 0 50 100 150 200 250 300 350 加熱時間[秒] 配線パターンB 200秒後の基板温度分布 チップ抵抗器温度の時系列変化 配線パターンや部品配置による基板温度の変化が確認できる。 チップ立ちの解析(SCRYU/Tetra®) 解析モデル 解析結果 はんだ はんだ 基板 ランド 0402サイズ チップ抵抗器 溶融はんだの挙動をVOF法を利用して解析する。チップ抵抗器は、 comment 溶融はんだから受ける力によって並進及び回転する。溶融時間の ズレやチップ抵抗器の位置ズレを条件として与える。 溶融はんだがチップ抵抗器に与える力からチップ抵抗器が 立つ(マンハッタン現象)様子が確認できる。溶融時間やはん だ量、チップ抵抗器の位置を変更することが可能。 10 | ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 部品温度[℃]
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基板のレイアウト変更による温度低減予測と実測比較 『PICLS®』を活用し、基板の熱解析を行いチップ抵抗器の温度を予測 プリント基板の熱解析 解析対象 モデル1 モデル2 モデル3 モデル4 比較対象の チップ抵抗器 R45 オリジナル 半分を裏面に配置 銅箔を増やす+ビア 内層にベタを追加 モデル化 実物 PICLS® 絶縁層 : チップ抵抗器周囲の配線の割合 42[mm2] を使って一様の熱物性を与える。 14÷42≒0.33 配線 : 残銅率33% 14[mm2] モデル作成時間 : 5分 計算時間 : 数秒 解析結果 モデル1 モデル2 モデル3 モデル4 実測 PICLS® 60 comment 55 50 R45の温度グラフを見ると、実測もPICLSの結果もモ 45 デル1⇒2⇒3⇒4と温度が下がっており、モデル間の 40 温度差の大まかな傾向を掴んでいる。 35 部品配置やサーマルビアなど基板レイアウトの比較 30 検討を短時間で行うことが可能。 25 20 モデル1 モデル2 モデル3 モデル4 実測 53.2 52.9 49.3 44.2 PICLS 53.5 53.4 46.9 42.9 ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 | 11 温度[℃]
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新製品 のご紹介 基板設計者が手軽に使えるシミュレーションツール 198,000円/年 設計者が手軽に基板の熱解析を行うことができるツールです。2次元操作で 簡単&高速に答えを出せるため、シミュレーションに不慣れな設計者でもす ぐに利用することが可能です。また作成した基板データは、STREAMや熱設計 PACへ出力することができるため、基板設計から機構設計へ解析データを シームレスに渡すことができます。 PICLS® Liteは無料でお試しいただけます。 ダウンロードはWebサイトから。 http://www.cradle.co.jp/picls/ PICLS® の特徴 3D表示で 熱流体解析ツール • 簡単操作(2次元操作、プリポスト一体GUI) 確認 STREAMへ出力 • 低価格 • リアルタイム計算 PICLS® を使った熱対策 解析結果レポート • 既製品の熱的トラブルシューティング 任意形状の基板作成、 の出力 基板の切り抜き • 部品のレイアウトの熱干渉チェック • 配線パターン(残銅率)による放熱効果 • サーマルビアの位置、数量検討 • ヒートシンク能力の検討 • 基板サイズの検討 • 層数、銅箔厚の検討 • 自然空冷、強制空冷 レイヤーごとに • 輻射熱の考慮 表示を確認 • 放熱部品の検討(フィン枚数、サイズ) • 筐体接続による放熱性能評価 • 基板設置方法の検討 PICLS® と PICLS® Lite の違い・ライセンス方式 PICLS( 有償ライセンス): フローティング ※1ヶ月間トライアル使用可 PICLS Lite( ライセンスフリー) PICLSの全ての機能の使用が可能 PICLSの機能制限版 1台のマシンでPICLSを使用 複数のマシンでPICLSを使用 ”ライセンスフリー”でPICLSを使用 無料体験セミナーのご案内 東京・大阪にて毎月開催! 詳細日程はホームページで ソフトウェアクレイドルでは、「熱設計PAC®」「scFLOW®」の利用方 ご確認ください。 法につきまして、毎月1回体験セミナー(無償)を開催しています。 無料体験セミナーは、現在ソフトウェアを検討中の方から、流体解 析とはどのようなものかを体験したい方まで、 幅広く受講してい ただくことができます。 【大阪本社】 〒530-0001 大阪市北区梅田3-4-5 毎日インテシオ Tel: 06-6343-5641 Fax: 06-6343-5580 Email: info@cradle.co.jp