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電子機器筐体の空冷

Fluid and Thermal Modeling for Electronic Design

SINDA/FLUINT は, 過去 20 年に亘り航空宇宙産業において熱設計用途に広く使用されています. また, FLUINT コードのコンポーネントは, 対流環境にある機材, 液の冷却機, 及び, 二相冷却ループ等の地上向け機材にも対応可となっています. このような装置に対応しているという点が FLUINT の特徴といえます.

電子機器筐体の空冷

Problem Description

下図のようなアルミニウム製の電子機器筐体(を想定した部品)の空冷問題を御紹介します. 筐体部位は, 30cm x 30cm の水平板に 3 枚の 30cm x 10cm の板を垂直につい立てたかたちをしています. 3 枚の垂直板には, それぞれに熱源(25W)を与えます. 垂直板の間に下図のように 2 手に分岐する流路を定義し, 0.1 kg/sec の空気が流入するとします. 流路からアルミニウム壁への熱伝達(相関式を使用して熱伝達係数を算出), 及び, 平板から環境への熱伝達(0.0001 W/cm^2-K)を考慮します.


熱回路流路網 作成手順

1. 他のツール作成したサーフェスメッシュ(Nastran 等)を読み込み(ThermalDesktop でも作成可), このメッシュにアルミニウム物性を設定する. 各々の垂直板に熱源(赤色の部品)を設置する. 2. 垂直板の間の 2 つの開いた箇所に流路を作成し, 流入を設定する(空気: 0.1 kg/sec). 摩擦係数は(既定の設定では) FLUINT が搭載しているムーディー線図への当てはめ曲線式を使用して自動計算する.
3. 流路-アルミニウム壁 間に熱伝達を定義する(操作手順: 流路内のタンクとアルミニウム壁を選択した後, '熱伝達定義' ボタンを押す). 熱伝達係数は, ユーザー指定の定数値, または, FLUINT に搭載している相関式から算出することができる. ここでは後者を適用しているので, 単相の流路内の流体要素(Lump)から熱要素(Node)への熱伝達係数は, (既定の設定では)次ように決まるヌセルト数を用いて自動計算する(カスタマイズ可).
  • 層流: Nu = 3.66
  • 乱流: Dittus-Boelter の相関式より算出
  • 遷移域: Hausen の相関式より算出
4. 水平板から環境への熱伝達を定義する(操作手順: 水平板と環境を代表する Node を選択した後, '伝熱定義' ボタンを押す). 熱伝達係数を相関式を使用して算出することも可能であるが, ここでは, 定数(0.0001 W/cm^2-K)を使用する.

計算結果例

下図の結果を見ると, 各々の垂直板上の熱源周辺が熱源からの熱によって加熱され, 温度が高くなっているのがわかります(下図 a 参照). また, 加熱された垂直板から流路へ熱伝達よって熱が伝わり(下図 b 参照), 流体温度が流れの方向に沿って上昇しています(下図 c 参照).



上の結果について, 壁の温度, 流路の流量, 熱伝達による伝熱量, 及び, 流体温度の各々のカラーマップ(レジェンド付)を以下に掲載します(画像をクリックすると大きなカラーマップ図を見ることができます).

アルミニウム壁の温度[K] 流路の流量[kg/sec]
熱伝達による伝熱量[W] 流体温度[K]

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