(57)【要約】【課題】電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との最適な組み合わせを容易に得られ、電子部品の効率的な配置を行うことができる電子装置設計方法を提供すること。【解決手段】電子基板と電子基板上に配置されている電子部品とを有する電子装置を冷却流により冷却するときの熱設計を支援するための電子装置設計方法であって、少なくとも電子基板の寸法、配置位置、発熱量、熱伝導率と、冷却流に関する種類、初期温度、初期圧力の境界条件とを入力するモデル化工程と、電子部品が発生する熱に基づく熱流体数値演算の結果を所定式に当てはめる熱流体数値演算工程と、熱流体数値演算工程の演算結果の所定式に基づいて、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との組み合わせを判定すること、及び電子装置の構成の適否を判定することの少なくともいずれか一方を行う判定工程とを有することを特徴とする。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子基板と前記電子基板上に配置されている電子部品とを有する電子装置を冷却流により冷却するときの熱設計を支援するための電子装置設計方法であって、
少なくとも前記電子基板の寸法、配置位置、発熱量、熱伝導率と、前記冷却流に関する種類、初期温度、初期圧力の境界条件とを入力するモデル化工程と、
前記電子部品が発生する熱に基づく熱流体数値演算の結果を次式（１）に当てはめる熱流体数値演算工程と、
ΔＴ＝ａ×Ｒｅb×λratioc  ・・・（１）
ここで、
Ｒｅ＝Ｕ×Ｌ／ν
λratio＝λboard／λflow
ΔＴは前記電子部品の温度上昇値、
Ｒｅは前記電子基板の周りのレイノルズ数、
Ｕは前記冷却流の速度、
Ｌは前記電子基板の前記冷却流が流れる方向に沿った長さ、
νは前記冷却流の動粘性係数、
λboardは前記電子基板の熱伝導率、
λflowは前記冷却流の熱伝導率、
λratioはλboardをλflowで除した比、
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ係数をそれぞれ示す、
前記熱流体数値演算工程の演算結果で得られた式（１）に基づいて、前記電子部品の温度上昇値ΔＴから前記電子基板の熱伝導率と前記冷却流の速度との組み合わせを判定すること、及び前記電子装置の構成の適否を判定することの少なくともいずれか一方を行う判定工程とを有することを特徴とする電子装置設計方法。
【請求項２】
前記冷却流は、前記電子基板の第１面側と第２面側とを流れることを特徴とする請求項１に記載の電子装置設計方法。
【請求項３】
前記判定工程の結果に基づいて、前記電子装置の熱設計特性を変更してさらに前記熱流体数値演算工程を繰り返す繰り返し工程を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電子装置設計方法。
【請求項４】
前記電子装置の前記熱設計特性は、少なくとも前記電子基板の熱伝導率と前記冷却流の速度とであり、
前記判定工程では、前記電子基板上の前記電子部品の温度を許容温度以下にするための前記電子基板の熱伝導率と前記冷却流の速度との組み合わせを選択することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電子装置設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子装置の設計方法、特に電子装置の放熱設計を行う電子装置設計方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、電子装置では、例えば電子基板上に複数の電子部品が配置されている。電力消費の大きい電子部品は発熱量が大きい。このため、電子基板の放熱設計を行うとき、電子基板上の電力消費の大きい電子部品による発熱を抑えるためヒートシンクを取り付けることなどの検討を行う。このようなヒートシンクのフィン間隔値の最適化は、例えば、特許文献１に開示されている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−６８９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ヒートシンクを配置するためには、例えばヒートシンクのための十分な配置スペースが必要であるという機械的な構造の制約を受けてしまう。このため、ヒートシンクのような付加的な構成では、適用の柔軟性が低くなってしまう。特に、近年の電子機器、電子装置は、さらなる小型化が進んでいる。このため、ヒートシンク等を取り付ける空間が制約される場合が多数出てきている。
【０００５】
そこで、ヒートシンクを用いることが困難な場合、電子基板の銅箔パターンの厚さを増すこと、または特殊なメタルコア基板等の熱伝導率の大きな基板を使用すること等により電子基板自体を放熱板として利用することが考えられる。電子基板自体を放熱板として利用するときは、電子基板の周りに冷却流を流すことでさらに放熱効率を向上できる。
【０００６】
ここで、電子基板上の複数の電子部品の温度上昇値をそれぞれの電子部品の性能維持のための許容温度以下に抑えることが重要である。複数の電子部品の温度上昇値を許容温度以下に抑えるためには、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との多数の組み合わせが存在する。
【０００７】
例えば、冷却流の速度を大きくすると放熱効率の向上と共に、ファンの消費電力や冷却流によって生じる騒音も大きくなってしまう。また、熱伝導率の高い部材は、放熱効率が向上するが、価格も高くなってしまう。このように、電子基板の材質、製造コスト、ファンの消費電力、騒音、構成等の多面的な観点から最適な熱設計を行うことは困難である。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との最適な組み合わせを容易に得られ、電子部品の効率的な配置を行うことができる電子装置設計方法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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明によれば、電子基板と電子基板上に配置されている電子部品とを有する電子装置を冷却流により冷却するときの熱設計を支援するための電子装置設計方法であって、少なくとも電子基板の寸法、配置位置、発熱量、熱伝導率と、冷却流に関する種類、初期温度、初期圧力、速度の境界条件とを入力するモデル化工程と、電子部品が発生する熱に基づく熱流体数値演算の結果を次式（１）に当てはめる熱流体数値演算工程と、熱流体数値演算工程の演算結果で得られた式（１）に基づいて、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との組み合わせを判定すること、及び電子装置の構成の適否を判定することの少なくともいずれか一方を行う判定工程とを有することを特徴とする電子装置設計方法を提供できる。
【００１０】
ΔＴ＝ａ×Ｒｅb×λratioc  ・・・（１）
ここで、
Ｒｅ＝Ｕ×Ｌ／ν
λratio＝λboard／λflow
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ係数、
ΔＴは電子部品の温度上昇値、
Ｒｅは電子基板の周りのレイノルズ数、
Ｕは冷却流の速度、
Ｌは電子基板の冷却流が流れる方向に沿った長さ、
νは冷却流の動粘性係数、
λboardは電子基板の熱伝導率、
λflowは冷却流の熱伝導率、
λratioはλboardをλflowで除した比をそれぞれ示す。
【００１１】
また、本発明の好ましい態様によれば、冷却流は、電子基板の第１面側と第２面側とを流れることが望ましい。
【００１２】
また、本発明の好ましい態様によれば、判定工程の結果に基づいて、電子装置の熱設計特性を変更してさらに熱流体数値演算工程を繰り返す繰り返し工程を有することが望ましい。
【００１３】
また、本発明の好ましい態様によれば、電子装置の熱設計特性は、少なくとも電子基板の熱伝導率と冷却流の速度とであり、判定工程では、電子基板上の電子部品の温度を許容温度以下にするための電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との組み合わせを選択することが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る電子装置設計方法では、本発明の電子装置は、電子基板と電子基板上に配置されている電子部品とを有している。そして、電子装置は、冷却流により冷却されている。モデル化工程では、少なくとも電子基板の寸法、配置位置、発熱量、熱伝導率と、冷却流に関する種類、初期温度、初期圧力の境界条件を入力する。熱流体数値演算工程では、電子部品が発生する熱に基づく熱流体数値演算の結果を上式（１）に当てはめる。熱流体数値演算工程では、モデル化工程で入力された条件において、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との２つのパラメータを変化させて、多数の熱流体数値演算を行う。そして、多数の熱流体数値演算の結果を式（１）でフィッティングする。そして、判定工程では、式（１）に基づいて、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との組み合わせを判定すること、及び電子装置の構成の適否を判定することの少なくともいずれか一方を行う。これにより、電子基板の材質、製造コスト、ファンの消費電力、騒音、構成等の多面的な観点から最適な熱設計を行うことができる。この結果、電子基板の熱伝導率と冷却流の速度との最適な組み合わせを容易に得られ、電子部品の効率的な配置を行うことができる電子装置設計方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る電子装置設計方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例により、この発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００１６】
図１−１は、電子装置１００の斜視構成を示す。電子装置１００は、平面形状の電子基板１０１を有する。電子基板１０１の表面上には、複数の電子部品１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ、１０２ｅ、１０２ｆ、１０２ｇ（以下、適宜「１０２ａ等」という。）が配置されている。そして、電子部品１０２ａ等が異なる種類であるときは、それぞれの許容温度も異なってくる。このため、電子装置１００を使用したとき、発熱している各電子部品１０２ａ等をそれぞれの性能維持のために許容温度以下の状態に維持することが重要となる。
【００１７】
図１−２は、電子装置１００の断面構成を示す。電子装置１００は、筐体１０３内に筐体１０３内壁の上下面からそれぞれ隔離して収納されている。そして、冷却流供給部１０４は、矢印Ａ方向の筐体１０３内に冷却流を供給する。なお、矢印Ａ方向に冷却流を供給するための冷却供給部１０４は、筐体１０３の後方開口側に配置し、筐体１０３の前側開口側から冷却流を吸引する構成にしても良い。図２−１は、筐体１０３内に収納されている電子基板１０１の斜視構成を示す。電子基板１０１の第１面、例えば表面と筐体１０３との間、及び第２面、例えば裏面と筐体１０３との間には、それぞれ冷却流が流れるような空間が設けられている。これにより、冷却流は、電子基板１０１の第１面側と第２面側とを流れることができる。この結果、冷却流は効率良く電子基板１０１および各電子部品１０２ａ等を冷却できる。
【００１８】
図３は、電子装置設計方法の手順を示すフローチャートである。ステップＳ３０１において、電子装置１００をモデル化するための数値データを入力する。入力する数値データは、例えば、以下の項目である。
（１）電子基板１０１の寸法（形状を含む）、熱伝導率
（２）電子部品１０２ａ等の寸法（形状を含む）、配置位置
（３）電子部品１０２ａ等の発熱量、熱伝導率
（４）冷却流の種類、熱伝導率、初期圧力、初期温度、速度（流速）
（５）筐体１０３の寸法（形状を含む）、筐体１０３内での電子基板１０１の配置位置
なお、市販の熱設計用シミュレータソフト、例えばＩｃｅｐａｋ（フルーエント社製）を用いて、冷却流の種類を入力すると、自動的に冷却流の粘性、密度、比熱等、解析に必要な流体物性が設定される。また、図３は、項目の一部を示している。
【００１９】
ステップＳ３０２において、さらに、電子基板１０１の熱伝導率と、冷却流の速度とをパラメータとして、具体的には熱伝導率は１、１０、１００、５００（Ｗ／（ｍ・Ｋ））、冷却流の速度は、０．１、０．５、１．０，２．０（ｍ／Ｓ）として入力する。ステップＳ３０１とＳ３０２とは、モデル化工程に対応する。また、モデル化工程の後に、ステップＳ３０３において、図２−２で示すように、電子装置１０１を収納した筐体１０３内を演算に必要な直交格子（メッシュ）１０５で分割する。ステップＳ３０４において、入力された数値データに基づいて、熱流体数値解析を行う。この解析演算には、公知の市販されている熱設計用シミュレータソフトを用いることができる。この熱流体数値解析により筐体１０３内における電子部品１０１及び電子部品１０２ａ等の各温度の変化状態が求められる。
【００２０】
ステップＳ３０５において、電子部品１０２ａ等の中で着目する電子部品、例えば電子部品１０２ｇの温度上昇値ΔＴ、基板の熱伝導率λboard、冷却流の速度Ｕを抽出する。そして、演算された多数の演算結果を次式（１）に当てはめる。
【００２１】
ΔＴ＝ａ×Ｒｅb×λratioc  ・・・（１）
ここで、
Ｒｅ＝Ｕ×Ｌ／ν
λratio＝λboard／λflow
ａ、ｂ、ｃはそれぞれ係数、
ΔＴは電子部品の温度上昇値、
Ｒｅは電子基板の周りのレイノルズ数、
Ｕは冷却流の速度、
Ｌは電子基板の冷却流が流れる方向に沿った長さ、
νは冷却流の動粘性係数、
λboardは電子基板の熱伝導率、
λflowは冷却流の熱伝導率、
λratioはλboardをλflowで除した比をそれぞれ示す。ここで、レイノルズ数Ｒｅは、冷却流の速度と電子基板１０１の寸法等から決められる。また、係数ａ、ｂ、ｃは数値演算結果を式（１）に当てはめる際の係数であり、電子部品１０２ａ等の発熱量、電子基板１０１の大きさ、電子基板１０１上の部品配置位置などによりさまざまな値をとりうる。
【００２２】
ステップＳ３０６において、着目する電子部品１０２ｇの温度上昇値ΔＴ、基板の熱伝導率λboard、冷却流の速度Ｕの関係式（１）式を得て、設計対象に適した組み合わせを決定する。ステップＳ３０７において、得られた関係式（１）式と、電子部品１０２ｇの性能を維持するための許容温度上昇値、例えば３０(Ｋ）と比較し、許容温度上昇値以下か判定する。演算で得られた結果の範囲内では、所望の温度上昇値を達成できないとき、即ち判断結果が偽（Ｎｏ）のとき、ステップＳ３０２へ戻る。そして、熱設計特性、例えば電子基板１０１の熱伝導率、冷却流の速度を他の値に変更して、熱流体数値解析を再度行う。
【００２３】
また、ステップＳ３０７の判断結果が偽のときは、ステップＳ３０１へ戻り、熱設計特性の他の例、例えば電子基板１０１上における電子部品１０２ａ等の配置位置を変更して、再度熱流体数値解析を再度行っても良い。そして、ステップＳ３０７の判断結果が真（Ｙｅｓ）のとき、手順を終了する。
【００２４】
図４−１は、熱流体数値解析により得られる電子装置１００の電子部品１０２ａ、１０２ｇの中心断面の温度分布を示す。異なる斜線を付して示す温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４は、それぞれ異なる温度となっている。例えば、冷却流が流れ込む流入口ＥＮＴ側の温度は、流出口ＥＸＴ側の温度よりも小さい。即ち、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４の関係にある。
【００２５】
また、図４−２は、冷却流の速度ベクトルを矢印で示す。電子基板１０１上の電子部品１０２ａの近傍でベクトルの方向が変化することがわかる。なお、冷却流の流れの温度分布を表示することもできる。
【００２６】
図５は、上式（１）に基づいて、電子部品１０２ａの温度上昇値ΔＴと、電子基板の周りのレイノルズ数Ｒｅと、λratioとの関係を示す。フィッティングされた式は、式（２）で表される。
ΔＴ＝７１３．７・Ｒｅ-0.3786λratio-0.0925  ・・・（２）
図６は、図５のλratio軸を正面に見たときを示す。また、図７は、図５のＲｅ軸を正面に見たときを示す。図５、６、７に基づいて、所望の電子部品１０２ａの温度上昇値ΔＴを得るために必要な、熱伝導率λratioと、レイノルズ数Ｒｅとの組み合わせを得ることができる。
【００２７】
例えば、所定の電子部品１０２等の温度上昇値ΔＴを所定温度以内に抑えたいときを考える。温度上昇値ΔＴを３０（Ｋ）以下に抑えたい場合、式（２）の左辺に３０を代入し、変形すると、そのレイノルズ数Ｒｅと、熱伝導率λｒａｔｉｏとの関係式（３）が得られる。
λratio-0.0925＝３０／（７１３．７・Ｒｅ-0.3786）  ・・・（３）
式（３）の関係を図８に示す。このとき、図８において斜線を付して示す領域におけるレイノルズ数と熱伝導率との組み合わせを選択すれば良い。例えば、冷却流供給部１０４が高速で冷却流を筐体１０３内へ供給すると、ファン消費電力や冷却流によって生ずる騒音が大きくなる。このため、低消費電力や静かな電子装置１００が望まれるときは、小さなレイノルズ数Ｒｅを選択する。
【００２８】
また、電子基板１０１の熱伝導率が小さいときは、大きなレイノルズ数Ｒｅを選択する。電子基板１０１がメタルコア基板の時は熱伝導率が大きい。メタルコア基板は、例えば、厚さ１〜２ｍｍ程度の銅やアルミニウム等熱伝導率の大きな基板上に薄膜の絶縁層を形成する。そして、絶縁層上に銅箔パターンを形成する。メタルコア基板では、熱伝導率を大きくできる。ただし、パターンの積層数が１〜２層とあまり大きくできない。また、メタルコア基板は高価格である。
【００２９】
これに対して、ガラス布基材エポキシ樹脂積層板や紙基材フェノール樹脂積層板は、基板材質自体は熱伝導率は大きくない。しかしながら、銅箔パターンの形状、厚さや積層数により実効的な基板の熱伝導率を大きくできる。このように、電子基板の種類によっても、様々なパラメータが存在している。電子基板の熱伝導率λboardと冷却流の速度Ｕを決定するにあたっては、図８に示すグラフ中で、斜線部領域の中でも曲線付近を選択すれば効率は良い（図８中のＡの範囲）。換言すると、斜線部領域の中で曲線から離れれば離れるほど冷却しすぎることとなり冷却の効率は悪くなる（図８中のＢの範囲）。このため、本実施例によれば、式（１）に基づいて、機器構成上やコストの制約下での、最適な組み合わせを得ることができる。
【００３０】
本実施例では、電子基板１０１の熱伝導率とレイノルズ数に限られず、例えば電子基板１０１上における電子部品１０２ａ等の配置位置を変更して再演算を行うこともできる。これにより、熱設計の点からさらに最適化された電子装置１００を得ることができる。本実施例ではレイノルズ数Ｒｅは、Ｒｅ＝Ｕ×Ｌ／νから求めたが、他に公知である式を用いても同様の設計方法となり得る。また、演算は直交格子以外の公知である格子で分割したものを用いても同様の設計方法となり得る。
【００３１】
機器の特性やコストを考慮することで、電子装置１００の開発期間や試験費用など、開発コストを削減できる。また、冷却流による強制空冷のみでなく、自然空冷に関しても同様に適用できる。このように、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形例をとることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように、本発明に係る電子装置設計方法は、熱設計に着目した製造時に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１−１】電子装置の斜視構成を示す図である。
【図１−２】電子装置の断面構成を示す図である。
【図２−１】筐体に収納されている電子装置の斜視構成を示す図である。
【図２−２】メッシュを示す図である。
【図３】実施例１に係る電子装置設計方法の手順を示すフローチャートである。
【図４−１】演算で得られた温度分布を示す図である。
【図４−２】メッシュを示す図である。
【図５】温度上昇値（許容温度）と熱伝導率とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図６】温度上昇値と熱伝導率との関係を示す図である。
【図７】温度上昇値とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図８】熱伝導率とレイノルズ数との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
１００  電子装置
１０１  電子基板
１０２ａ〜１０２ｇ  電子部品
１０３  筐体
１０４  冷却流供給部
１０５  メッシュ
ＥＮＴ  流入口
ＥＸＴ  流出口
【図１−１】
2006227880.tif 000003
【図１−２】
2006227880.tif 000004
【図２−１】
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【図２−２】
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【図３】
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【図４−１】
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【図４−２】
2006227880.tif 000009
【図５】
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【図６】
2006227880.tif 000011
【図７】
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【図８】
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