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実践／熱シミュレーションと設計法
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設計技術シリーズ

実践／熱シミュレーションと設計法

監修： 石塚　勝氏（富山県立大学 学長）
定価： 3,960円（本体3,600円＋税）
判型： A5
ページ数： 209 ページ
ISBN： 978-4-904774-24-3
発売日： 2015/6/28
管理No： 32

【著者紹介】

石塚　勝（いしづか　まさる） 監修／第1章～第10章
1975年東京大学工学部舶用機械工学科卒業、1981年同大学大学院工学系研究科機械工学専攻博士課程終了。1981年（株）東芝入社、研究開発センターで電子機器の冷却技術の開発業務に従事。その間、本社営業企画部にも2年間在籍。2000年富山県立大学工学部助教授、2003年同大学工学部教授、2011年同大学工学部長を経て、2013年同大学学長。専門は、電子機器の冷却技術、機器の熱設計、自然対流。ASME（fellow）、IEEE,日本機械学会（fellow）、エレクトロニクス実装学会、可視化情報学会、日本伝熱学会各会員。NPO法人PCTFE-Japan理事長。
小泉　雄大（こいずみ　かつひろ） 第11章～第15章
1995年コーセル株式会社入社。スイッチング電源装置の開発業務に従事。2010年富山県立大学大学院工学研究科機械システム工学専攻博士後期課程修了。博士 （工学）。専門は、 電子機器の熱設計、パワーエレクトロニクス機器開発。日本機械学会、日本伝熱学会各会員。
畠山　友行（はたけやま　ともゆき） 第16章～第21章
富山県立大学工学部機械システム工学科。専門は、電子機器の冷却を中心とした熱流体工学。日本機械学会、日本伝熱学会、エレクトロニクス実装学会、IEEE各会員。

【目次】

第１章　熱設計と熱抵抗

  1. １．熱設計の必要性
  2. ２．熱抵抗
    1. ２－１　熱抵抗の定義
    2. ２－２　熱抵抗の種類
    3. ２－３　接触熱抵抗
  3. ３．空冷技術
    1. ３－１　強制空冷方式の有効性と限界
    2. ３－２　熱抵抗の低減
    3. ３－３　空冷装置の構成

第２章　熱設計と熱シミュレーション

  1. １．熱シミュレーションの種類
  2. ２．関数電卓による温度予測
  3. ３．熱回路網法による温度予測
  4. ４．微分方程式の解法による温度予測
  5. ５．市販されているCFDソフト

第３章　サブノートパソコンの熱伝導解析例

  1. １．まえがき
  2. ２．モデル化の考え
  3. ３．モデル化の解法
    1. ３－１　伝熱モードの限定
    2. ３－２　解析の階層化
  4. ４．狭い領域の解析
    1. ４－１　ディスクドライブ・バッテリーパック
    2. ４－２　キーボード
    3. ４－３　配線基板
  5. ５．筐体全体の解析
  6. ６．結果
  7. ７．まとめ

第４章　電球型蛍光ランプの熱シミュレーション

  1. １．まえがき
  2. ２．熱回路網法
    1. ２－１　熱抵抗
      1. ２－１－１　熱伝導による熱抵抗
      2. ２－１－２　対流熱伝達による熱抵抗
      3. ２－１－３　熱放射による熱抵抗
    2. ２－２　熱容量C
    3. ２－３　熱回路網法の定式化
  3. ３．電球型蛍光ランプの熱設計
    1. ３－１　電球型蛍光ランプの伝熱モデル
    2. ３－２　熱回路網法
    3. ３－３　方程式系
    4. ３－４　熱抵抗の定式化
      1. ３－４－１　自然対流伝熱要素 （R12、 R23、 R26、 R28）
      2. ３－４－２　垂直方向熱伝導要素 （R10、 R11、 R13、 R14、 R18、 R19）
      3. ３－４－３　半径方向熱伝導要素 （R15、 R16、 R17）
      4. ３－４－４　放射伝熱要素 （R30、 R31、 R33、 R34）
      5. ３－４－５　熱抵抗を直接与える要素 （R1、 R25、 R27、 R29）
      6. ３－４－６　熱抵抗を直接与える要素 （R6、 R7、 R8）
    5. ３－５　解法
    6. ３－６　計算値と実測値の比較
  4. ４．熱シミュレーションの応用
    1. ４－１　空気断熱層の効果
    2. ４－２　電源ケース外径
  5. ５．まとめ

第５章　X線管の非定常解析

  1. １．X線管の熱解析 （非定常解析例）
  2. ２．X線管の構造
  3. ３．解析モデル
  4. ４．解法
    1. ４－１　方程式
    2. ４－２　熱抵抗
      1. ４－２－１　伝導熱抵抗Rc
      2. ４－２－２　放射熱抵抗Rr
      3. ４－２－３　熱容量C
      4. ４－２－４　近似解法
  5. ５．数値計算結果
    1. ５－１　計算値と実験値の比較
    2. ５－２　温度履歴の計算
      1. ５－２－１　ターゲット入力量の影響
      2. ５－２－２　ターゲット温度一定条件の計算
      3. ５－２－３　履歴計算
  6. ６．計算の流れ
  7. ７．熱入力時間、入力熱量と入力回数の関係
  8. ８．まとめ

第６章　相変化つきのパッケージの熱解析

  1. １．まえがき
  2. ２．実験
    1. ２－１　実験サンプルの作成とその構造
    2. ２－２　実験方法
    3. ２－３　実験結果
  3. ３．熱回路網解析
    1. ３－１　熱回路網法モデル
    2. ３－２　熱回路網方程式
    3. ３－３　計算手順
    4. ３－４　計算結果と熱実験結果の比較および考察
  4. ４．まとめ

第７章　流体要素法による熱設計例

  1. １．まえがき
  2. ２．流体要素法
    1. ２－１　節点場
    2. ２－２　具体的な解法
    3. ２－３　電子機器内の流れ場と最適設計
  3. ３．ラップトップ型パソコンの熱設計への応用例
    1. ３－１　パソコン内の流れ
    2. ３－２　シミュレーション例
  4. ４．複写機の熱設計への応用例
    1. ４－１　複写機の熱設計の要点
    2. ４－２　構造と原理
    3. ４－３　解法
    4. ４－４　可視化技術
    5. ４－５　解析モデル
    6. ４－６　解析結果

第８章　薄型筐体内の熱流体に対するCFDツールの評価

  1. １．まえがき
  2. ２．実験
    1. ２－１　実験装置
    2. ２－２　実験手順
  3. ３．数値シミュレーション
  4. ４．結果と考察
  5. ５．結論

第９章　傾いた筐体内部温度の熱シミュレーション

  1. １．はじめに
  2. ２．実験装置および実験方法
    1. ２－１　実験による温度測定
    2. ２－２　数値シミュレーションによる可視化
    3. ２－３　PIVによる流れの可視化
  3. ３．実験結果および考察
    1. ３－１　筐体傾きによる冷却効果
    2. ３－２　PIVによる可視化結果

第10章　カード型基板の熱解析における、
　　　　 CFD解析と熱回路網法による結果の比較

  1. １．はじめに
  2. ２．実験装置および方法
  3. ３．解析条件
  4. ４．熱回路網法
    1. ４－１　熱回路網モデル
    2. ４－２　熱回路網法の定式化
  5. ５．実験結果および考察
    1. ５－１　低風速の場合
    2. ５－２　風速が2m/s以上の場合
    3. ５－３　計算時間
  6. ６．あとがき

第11章　熱流体シミュレーションを用いた
　　　　 電子機器の熱解析のための電子部品のモデル化
　　　　 ～その1：電子機器熱解析の現状と課題～

  1. １．はじめに
  2. ２．電子機器熱解析の現状と課題
  3. ３．電子部品のモデル化の課題
    1. ３－１　チョークコイル
    2. ３－２　アルミ電解コンデンサ
    3. ３－３　多孔板
    4. ３－４　ファン
  4. ４．まとめ

第12章　熱流体シミュレーションを用いた
　　　　 電子機器の熱解析のための電子部品のモデル化
　　　　 ～その2：チョークコイルのモデル化～

  1. １．はじめに
  2. ２．チョークコイルの表面温度分布
  3. ３．シミュレーションモデル
  4. ４．シミュレーション結果
  5. ５．まとめ

第13章　熱流体シミュレーションを用いた
　　　　 電子機器の熱解析のための電子部品のモデル化
　　　　 ～その3：アルミ電解コンデンサのモデル化～

  1. １．はじめに
  2. ２．アルミ電解コンデンサの構造
  3. ３．シミュレーション結果の比較用実測データ
  4. ４．シミュレーションモデル
  5. ５．シミュレーション結果と実測データ比較
  6. ６．まとめ

第14章　熱流体シミュレーションを用いた
　　　　 電子機器の熱解析のための電子部品のモデル化
　　　　 ～その4：多孔板のモデル化～

  1. １．はじめに
  2. ２．多孔板流体抵抗に関する既存データについて
  3. ３．多孔板流体抵抗係数の実測方法
  4. ４．多孔板実験サンプル
  5. ５．多孔板流体抵抗測定結果
  6. ６．まとめ

第15章　熱流体シミュレーションを用いた
　　　　 電子機器の熱解析のための電子部品のモデル化
　　　　 ～その5：軸流ファンのモデル化～

  1. １．はじめに
  2. ２．軸流ファンの簡易モデル化
  3. ３．MRFファンモデル
  4. ４．まとめ

第16章　サーマルビアの放熱性能１

  1. １．はじめに
  2. ２．実験装置
  3. ３．実験結果
  4. ４．まとめ

第17章　サーマルビアの放熱性能２

  1. １．はじめに
  2. ２．実験による熱抵抗低減効果の検証
  3. ３．熱回路網法の基礎
  4. ４．熱回路モデル
  5. ５．結果および考察
  6. ６．等価熱抵抗を用いた熱回路網法の検証
  7. ７．まとめ

第18章　TSVの熱抵抗低減効果

  1. １．はじめに
  2. ２．対象とする3D-IC
  3. ３．熱回路網モデル
  4. ４．結果
  5. ５．まとめ

第19章　PCMを用いた冷却モジュール１

  1. １．はじめに
  2. ２．実験装置
  3. ３．実験条件
  4. ４．実験結果
  5. ５．まとめ

第20章　PCMを用いた冷却モジュール２

  1. １．はじめに
  2. ２．実験の概要
  3. ３．熱回路網法
  4. ４．PCM融解のモデル化
  5. ５．結果
  6. ６．まとめ

第21章　PCMを用いた冷却モジュール３

  1. １．はじめに
  2. ２．実験および熱回路網法の概要
  3. ３．CFD解析
  4. ４．解析モデル
  5. ５．結果
  6. ６．まとめ

【参考文献】

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  • T. Hatakeyama, M. Ishizuka, S. Nakagawa : "Estimation of Maximum Temperature in 3D-Integrated Package by Thermal Network Method" , Proc. of EPTC2010, pp. 68-71, 2010
  • 日本機械学会：「伝熱工学資料　改訂第5版」、丸善、2009.
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  • T.Hatakeyama, M.Ishizuka, S.Takakuwa, S.Nakagawa and K.Takagi : "Experimental and Thermal Network Study on the Performance of a Pins Studded Phase Change Material in Electronic Device Cooling", Journal of Thermal Science Technology, Vol.6, No.1 (2011), pp.164-177.
  • T. Hatakeyama, M. Ishizuka, S. Takakuwa, S. Nakagawa and K. Takagi : "Experimental and Thermal Network Study on the Performance of a Pins Studded Phase Change Material in Electronic Device Cooling", Journal of Thermal Science Technology, Vol. 6, No. 1, 2011, pp.164-177.
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  • T. Hatakeyama and M. Ishizuka , "Thermal Analysis for Package Cooling Technology Using Phase-Change Material by Using Thermal Network Analysis and CFD Analysis With Enthalpy Porosity Method", Heat Transfer Engineering , vol.35, pp.1227-1234, 2014
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