JP2596847B2 - 熱解析ｃａｅシステム - Google Patents

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小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されている。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される。

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121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、パ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願発明は、数値計算法を用
いて装置の熱解析をおこなう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、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を用
い、少なくとも通風抵抗を演算して通風回路網を生成す
る通風回路生成部及び少なくとも熱伝達抵抗を演算して
熱回路網を生成する熱回路生成部と、通風回路生成部及
び前記熱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、少なくとも温度や圧力の演算結果を出
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。本熱解析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11、材
料物性データ記憶部12、ネットワークデータ記憶部13、
通風回路演算処理部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，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20
1、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12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。

以上が本熱解析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300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30
3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。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ブルなど
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から参照されて付与される。このよう
にして生成さ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される。

また、内部ブロック表面や筐体表面に生成された固体
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され記憶される。

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価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、装置形状上に等温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
的に小エリア分割し、通風回路生成部及び熱回路生成部
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
ような優れた効果が得られるものである。

（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、14……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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−314833（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−74580（ＪＰ，Ａ) 日経エレクトロニクス317号（1983. ５．23）227−246頁 志田茂他「ＩＣパ ッケージャ実装ボードの設計を容易にす るシミュレータ」

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】数値計算法を用いて装置の熱解析をおこな
   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解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を用い、少なくとも通
   風抵抗を演算して通風回路網を生成する通風回路生成部
   及び少なくとも熱伝達抵抗を演算して熱回路網を生成す
   る熱回路生成部と、 前記通風回路生成部及び前記熱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、少なくとも温度
   や圧力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。