JP2007122506A - 熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】現実の状況により近い熱流体解析を適切に支援することのできる熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法の提供を目的とする。
【解決手段】製品の熱流体解析に用いるモデルをコンピュータに生成させる熱流体解析モデル生成プログラムであって、製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することにより上記課題を解決する。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法に関し、特に製品の熱流体解析に用いるモデルを生成する熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法に関する。

従来、ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）システムの一種として熱流体解析を行うシステム（以下「熱流体解析システム」という。）が存在する。熱流体解析システムによれば、製品の設計段階において、熱の挙動を効率的に予測することができ、その予測に基づいて、熱の挙動を考慮した製品設計を行うことができる。

ところで、部材間の接触面においては、接触熱抵抗が発生する。ここで、接触熱抵抗とは、部材の表面に存在する微小な粗さやうねりの存在により、部材間の接触面積が、見かけの接触面積に対して微小なものとなり、その結果その部分での熱の流れが妨げられてしまう現象をいい、現実の製品における熱の挙動に大きな影響を与える要素となる。
特開２００３−２５６４９２号公報

しかしながら、従来の熱流体解析システムにおいては、接触熱抵抗について適切に考慮されているものは少なく、例えば、部材の熱伝導率そのものを変更することによって、接触熱抵抗を擬似的にモデル化するにとどまっていた。したがって、高い解析精度が得られないという問題があった。

また、実際の製品では、高発熱部材により生ずる発熱を拡散するために、高伝導グリースを高発熱部材に塗布しアルミ材を経由して大気中に熱を拡散したりしているが、かかる事情を適切にモデル化したシステムは少ない。

なお、特許文献１には、二つの部材が接触する部分の仮想的な遷移領域において、熱伝導率、消費電力を計算することにより解析を行う装置が提案されている。しかし、遷移領域をどのように設定すればよいのかについて、具体的な方法は開示されていない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであって、現実の状況により近い熱流体解析を適切に支援することのできる熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法の提供を目的とする。

そこで上記課題を解決するため、本発明は、製品の熱流体解析に用いるモデルをコンピュータに生成させる熱流体解析モデル生成プログラムであって、製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することを特徴とする。

このような熱流体解析モデル生成プログラムでは、現実の状況により近い熱流体解析を適切に支援することができる。

また、上記課題を解決するため、本発明は、上記熱流体解析モデル生成プログラムを実行する熱流体解析モデル生成装置、又は前記熱流体解析モデル生成装置における熱流体解析モデル生成方法としてもよい。

本発明によれば、現実の状況により近い熱流体解析を適切に支援することのできる熱流体解析モデル生成プログラム、熱流体解析モデル生成装置及び熱流体解析モデル生成方法を提供することができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の実施の形態における熱流体解析モデル生成装置のハードウェア構成例を示す図である。

図１の熱流体解析モデル生成装置１０は、それぞれバスBで相互に接続されているドライブ装置１００と、補助記憶装置１０２と、メモリ装置１０３と、演算処理装置１０４と、表示装置１０５と、入力装置１０６と等を有するように構成される。

熱流体解析モデル生成装置１０での処理を実現する熱流体解析モデル生成プログラムは、CD―ROM等の記録媒体１０１によって提供される。熱流体解析モデル生成プログラムを記録した記録媒体１０１がドライブ装置１００にセットされると、熱流体解析モデル生成プログラムが記録媒体１０１からドライブ装置１００を介して補助記憶装置１０２にインストールされる。補助記憶装置１０２は、インストールされた熱流体解析モデル生成プログラムを格納すると共に、熱流体解析モデル生成プログラムの処理に必要な各種のデータを格納する。

メモリ装置１０３は、熱流体解析モデル生成プログラムの起動指示があった場合に、補助記憶装置１０２から熱流体解析モデル生成プログラムを読み出して格納する。演算処理装置１０４は、メモリ装置１０３に格納された熱流体解析モデル生成プログラムに従って熱流体解析モデル生成装置１０に係る機能を実行する。表示装置１０５は熱流体解析モデル生成プログラムによるＧＵＩ（Graphical User Interface）等を表示する。入力装置１０６はキーボード及びマウス等で構成され、様々な操作指示を入力するために用いられる。

図２は、本発明の実施の形態における熱流体解析モデル生成装置の機能構成例を示す図である。

図２において、熱流体解析モデル生成装置１０は、部材モデル生成部１１、接触面検出部１２、接触熱抵抗モデル生成部１３、接触熱抵抗算出部１４、設計情報テーブル１５、材料マスタテーブル１６、及び接触熱抵抗モデルテーブル１７等を有する。

部材モデル生成部１１は、製品の各構成部材の６面体モデル（構成部材モデル）を自動生成する。生成された６面体モデルは、例えば、表示装置１０５の画面上に表示される。

図３は、部材モデル生成部によって生成された各構成部材モデルの表示例を示す図である。

図３では、プリント基板２００を製品の例とした場合が示されている。図３においてプリント基板２００は、基盤２０１と、ＩＣ等の実装部品２０２及び２０３と、ヒートシンク２０４と、４つの連結部材２０５と、各連結部材２０５を基盤２０１に留めるためのネジ２０６と等の構成部材より構成されている。

部材モデル生成部１１による構成部材モデルの生成は、設計情報テーブル１５に基づいて行われる。設計情報テーブル１５は、製品の設計情報が登録されたテーブルであり、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）システム等によって予め作成される。

図４は、設計情報テーブルの構成例を示す図である。図４に示されるように、設計情報テーブル１５には、構成部材ごとに、部材ＩＤ，材料、及び面情報等が登録されている。部材ＩＤは、各構成部材を一意に識別するための情報である。材料は、構成部材の材料である。面情報は、構成部材を構成する面ごとに登録され、当該面の位置情報（例えば、各頂点の座標情報）、サイズ情報（例えば、面積）、及び表面情報等を含む。ここで、表面情報は、表面粗さ（μｍ）、接触圧力（Pa）、及びシリコングリースが塗布されているか等を含む情報である。

接触面検出部１２は、構成部材モデルに基づいて、構成部材同士が接触する面（接触面）を検出する。接触熱抵抗モデル生成部１３は、検出された各接触面に対して、接触熱抵抗を表現するための仮想的なモデル（例えば、６面体モデル）として接触熱抵抗モデルを生成する。

図５は、接触熱抵抗モデルの表示例を示す図である。図５に示されるように、各構成部材の接触面に接触熱抵抗モデル２１０が配置されている。

接触熱抵抗算出部１４は、接触熱抵抗モデルごとに、当該接触面における接触熱抵抗及び熱伝導率を算出し、当該接触面を特定するための情報（接触面特定情報）と共に算出結果を接触熱抵抗モデルテーブル１７に登録する。

図６は、接触熱抵抗モデルテーブルの構成例を示す図である。図６に示されるように、接触熱抵抗モデルテーブル１７は、接触熱抵抗モデルごとに、モデルＩＤ、接触面特定情報、接触熱抵抗、及び熱伝導率等の値が登録されるように構成されている。モデルＩＤは、接触熱抵抗モデルを一意に識別するための情報である。接触面特定情報は、熱流体解析の際に、接触熱抵抗モデルの位置等を特定するための情報であり、例えば、接触面に係る構成部材の部材ＩＤや、当該構成部材において接触面に係る面の識別情報等でよい。

ところで、接触熱抵抗算出部１４による接触熱抵抗の算出は、接触面における接触部材の材料、接触圧力、仕上げ面（表面粗さ）等または、締め付けトルク（ねじ、ボルトにて固定した場合）、シリコングリースを接触部に塗布しているか否か等の接触条件に基づいて算出され得るが、その算出方法は所定のものに限定されない。周知の方程式に基づいて算出してもよいし、過去に蓄積されたデータに基づいて算出してもよい。本実施の形態では、接触熱抵抗推定式として周知である橘の式を用いた例を説明する。

図７は、橘の式を示す図である。図７の橘の式３００において、各パラメータの意味は以下の通りである。
Ｋ：接触熱コンダクタンス（Ｗ／ｍ²℃）
δ_１：接触面を構成する一方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ_２：接触面を構成する他方の部材の表面粗さ（μｍ）
δ_０：接触相当長さ（＝２３μｍ）
λ_１：接触面を構成する一方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）
λ_２：接触面を構成する他方の部材の熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）
Ｐ：接触圧力（ＭＰａ）
Ｈ：接触面を構成する部材のうち軟らかい方の硬度（Ｈｂ）
λ_ｆ：流体熱伝導率（Ｗ／ｍ℃）。接触部分（接触面）の隙間にできる空気の熱伝導率を想定している。接触部分にグリースが塗布されている場合は、接触部分の隙間に空気は存在しなくなる。したがって、グリースが塗布されている場合はグリースの熱伝導率が、グリースが塗布されていない場合は空気の熱伝導率が当てはめられる。

橘の式によって算出される接触熱コンダクタンス（Ｋ）に基づいて、接触熱抵抗モデルの接触熱抵抗（Ｒｃ）は、以下の式によって算出される。

Ｒｃ＝１／（Ｋ×Ａ）
ここで、Ａは、接触面積である。

また、接触熱抵抗（Ｒｃ）に基づいて、接触熱抵抗モデルの熱伝導率λは以下の式によって算出される。

λ＝ｔ／（Ｒｃ×Ａ）
ここで、ｔは、接触部の厚さであり、経験値より１／１００００〜１／１０００（ｍｍ）とする。

なお、上記の算出方法において、δ_１、δ_２、λ_１、λ_２、Ｐ、Ｈ、λ_ｆ、及びＡの値が入力情報として特定される必要があるが、δ_１、δ_２、及びＰについては、設計情報テーブル１５に構成部材を構成する面ごとに登録されている表面情報（表面粗さ（μｍ）、接触圧力（Pa））より得られる。

また、λ_１、λ_２、及びＨについては、材料マスタテーブル１６より得られる。

図８は、材料マスタテーブルの構成例を示す図である。図８に示されるように、材料マスタテーブル１６は、材料ごとに熱伝導率及び硬度が登録されたテーブルである。したがって、接触面を構成する構成部材の材料に基づいて、材料マスタテーブル１６を検索することにより、当該構成部材のλ_１又はλ_２、及びＨを得ることができる。

更に、λ_ｆについては、設計情報テーブル１５に登録されている表面情報においてシリコングリースが塗布されているかを調べ、その結果に応じて材料マスタテーブル１６に登録されている空気又はグリースの熱伝導率を当てはめればよい。また、Ａについては、接触熱抵抗モデルを生成する際に算出しておけばよい。

以下、図２の熱流体解析モデル生成装置１０の処理手順についてフローチャートを用いて説明する。図９は、接触熱抵抗モデルの生成処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１において、部材モデル生成部１１は、設計情報テーブル１５に基づいて対象製品を構成する構成部品の全てについて構成部材モデルを生成する（Ｓ１０１）。これによって、表示装置１０５には、図３において説明したような構成部材モデルが表示される。

続いて、接触面検出部１２による接触面の検出処理が実行される。まず、変数Ｉについて、１〜（Ｓ−１）までのループ処理に入る（ＬＯＯＰ１）。ここで「Ｓ」は、構成部材モデルの総数を示す。変数Ｉは、接触面を構成する一方の構成部材モデルを走査するためのカウンタの役割を担う。なお、Ｉ番目の構成部材モデルを以下「構成部材モデル（Ｉ）」と表記する。

続いて、ＬＯＯＰ１の中で、変数Ｊについて（Ｉ＋１）〜Ｓまでのループ処理に入る（ＬＯＯＰ２）。変数Ｊは、接触面を構成する他方の構成部材モデルを走査するためのカウンタの役割を担う。なお、Ｊ番目の構成部材モデルを以下「構成部材モデル（Ｊ）」と表記する。

続いて、ＬＯＯＰ２の中で、変数Ｋについて１〜構成部材（Ｉ）の面の総数までのループ処理に入る（ＬＯＯＰ３）。変数Ｋは、構成部材（Ｉ）を構成する面を走査するためのカウンタの役割を担う。なお、Ｋ番目の面を以下「面（Ｋ）」と表記する。

続いて、接触面検出部１２は、構成部材モデル（Ｉ）の面（Ｋ）の位置情報、サイズ情報、及び表面情報等を面情報Ａとして保持する（Ｓ１０２）。

続いて、変数Ｌについて１〜構成部材モデル（Ｊ）の面の総数までのループ処理に入る（ＬＯＯＰ４）。変数Ｌは、構成部材（Ｊ）を構成する面を走査するためのカウンタの役割を担う。なお、Ｌ番目の面を以下「面（Ｌ）」と表記する。

続いて、接触面検出部１２は、構成部材モデル（Ｊ）の面（Ｌ）の位置情報、サイズ情報、及び表面情報等を面情報Ｂとして保持する（Ｓ１０３）。続いて、接触面検出部１２は、面情報Ａと面情報Ｂとに基づいて、構成部材（Ｉ）の面（Ｋ）と構成部材（Ｊ）の面（Ｌ）とが接触するか否かを調べる（Ｓ１０４）。

二つの面が接触すると判定された場合（Ｓ１０５でＹＥＳ）、接触熱抵抗モデル生成部１３は、構成部材（Ｉ）の面（Ｋ）と構成部材（Ｊ）の面（Ｌ）との接触部分に対して接触熱抵抗モデルを生成する（Ｓ１０６）。更に、接触熱抵抗算出部１４は、接触熱抵抗モデルに対する接触熱抵抗及び熱伝導率を算出し、その算出結果等を接触熱抵抗モデルテーブル１７に登録する（Ｓ１０７）。なお、接触熱抵抗及び熱伝導率の算出方法は、上述したとおりである。

すなわち、図９では、ＬＯＯＰ１、ＬＯＯＰ２、ＬＯＯＰ３、及びＬＯＯＰ４のループ処理が実行されることにより、全ての構成部材の全ての面について総当り的に他の構成部材の面との接触の有無が判定され、接触面が検出された場合にＳ１０６及びＳ１０７が実行される。

上述したように、本発明の実施の形態における熱流体解析モデル生成装置１０によれば、各構成部材の接触部分において接触熱抵抗モデルを生成し、当該接触熱抵抗モデルに対する接触熱抵抗及び熱伝導率を自動的に算出することができる。したがって、接触熱抵抗や熱伝導率を考慮した熱流体解析モデルの作成作業を効率化することができ、熱流体解析時には、接触熱抵抗モデルテーブル１７に登録された情報を利用することで、より現実に近い精度による熱流体解析の実行が期待できる。

なお、本実施の形態では、接触熱抵抗モデルに対して接触熱抵抗及び熱伝導率の双方を算出する例を説明したが、いずれか一方を算出するようにしてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

以上の説明に関し、更に以下の項を開示する。
（付記１） 製品の熱流体解析に用いるモデルをコンピュータに生成させる熱流体解析モデル生成プログラムであって、
製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、
検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、
前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成プログラム。
（付記２） 前記パラメータ算出手順は、前記接触部分に係る所定の接触条件に基づいて、当該接触部分に係る接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする付記１記載の熱流体解析モデル生成プログラム。
（付記３） 前記所定の接触条件は、前記構成部材の表面粗さ、接触圧力、シリコングリースの塗布の有無、前記構成部材の熱伝導率、前記構成部材の硬度、及び前記接触部分の面積の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする付記２記載の熱流体解析モデル生成プログラム。
（付記４）付記１乃至３いずれか一項記載の熱流体解析モデル生成プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
（付記５） 製品の熱流体解析に用いるモデルを生成する熱流体解析モデル生成装置であって、
製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手段と、
検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手段と、
前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手段とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成装置。
（付記６） 前記パラメータ算出手段は、前記接触部分に係る所定の接触条件に基づいて、当該接触部分に係る接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする付記５記載の熱流体解析モデル生成装置。
（付記７） 前記所定の接触条件は、前記構成部材の表面粗さ、接触圧力、シリコングリースの塗布の有無、前記構成部材の熱伝導率、前記構成部材の硬度、及び前記接触部分の面積の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする付記６記載の熱流体解析モデル生成装置。
（付記８） 製品の熱流体解析に用いるモデルを生成する熱流体解析モデル生成装置における熱流体解析モデル生成方法であって、
製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、
検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、
前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成方法。
（付記９） 前記パラメータ算出手順は、前記接触部分に係る所定の接触条件に基づいて、当該接触部分に係る接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする付記８記載の熱流体解析モデル生成方法。
（付記１０） 前記所定の接触条件は、前記構成部材の表面粗さ、接触圧力、シリコングリースの塗布の有無、前記構成部材の熱伝導率、前記構成部材の硬度、及び前記接触部分の面積の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする付記９記載の熱流体解析モデル生成方法。

本発明の実施の形態における熱流体解析モデル生成装置のハードウェア構成例を示す図である。 本発明の実施の形態における熱流体解析モデル生成装置の機能構成例を示す図である。 部材モデル生成部によって生成された各構成部材モデルの表示例を示す図である。 設計情報テーブルの構成例を示す図である。 接触熱抵抗モデルの表示例を示す図である。 接触熱抵抗モデルテーブルの構成例を示す図である。 橘の式を示す図である。 材料マスタテーブルの構成例を示す図である。 接触熱抵抗モデルの生成処理の処理手順を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 熱流体解析モデル生成装置
１１ 部材モデル生成部
１２ 接触面検出部
１３ 接触熱抵抗モデル生成部
１４ 接触熱抵抗算出部
１５ 設計情報テーブル
１６ 材料マスタテーブル
１７ 接触熱抵抗モデルテーブル
１００ ドライブ装置
１０１ 記録媒体
１０２ 補助記憶装置
１０３ メモリ装置
１０４ 演算処理装置
１０５ 表示装置
１０６ 入力装置
２００ プリント基板
２０１ 基盤
２０２、２０３ 実装部品
２０４ ヒートシンク
２０５ 連結部材
２０６ ネジ
２１０ 接触熱抵抗モデル
Ｂ バス

Claims (5)

1. 製品の熱流体解析に用いるモデルをコンピュータに生成させる熱流体解析モデル生成プログラムであって、
   製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、
   検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、
   前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成プログラム。
2. 前記パラメータ算出手順は、前記接触部分に係る所定の接触条件に基づいて、当該接触部分に係る接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出することを特徴とする請求項１記載の熱流体解析モデル生成プログラム。
3. 前記所定の接触条件は、前記構成部材の表面粗さ、接触圧力、シリコングリースの塗布の有無、前記構成部材の熱伝導率、前記構成部材の硬度、及び前記接触部分の面積の少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項２記載の熱流体解析モデル生成プログラム。
4. 製品の熱流体解析に用いるモデルを生成する熱流体解析モデル生成装置であって、
   製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手段と、
   検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手段と、
   前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手段とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成装置。
5. 製品の熱流体解析に用いるモデルを生成する熱流体解析モデル生成装置における熱流体解析モデル生成方法であって、
   製品の設計情報に基づいて、当該製品の構成部材同士の接触部分を検出する接触部検出手順と、
   検出された前記接触部分に接触熱抵抗モデルを生成する接触熱抵抗モデル生成手順と、
   前記接触熱抵抗モデルにおける接触熱抵抗及び熱伝導率の少なくともいずれか一方を算出し、前記算出結果を保存するパラメータ算出手順とを有することを特徴とする熱流体解析モデル生成方法。

Images