(57)【要約】【課題】本発明は、通風孔を含む電子機器の熱流体解析では、開口率のみで圧力損失係数を決定するため、通風孔部分の解析精度が低いという課題があった。【解決手段】本発明は、通風孔を有する解析対象の熱流体解析を行う熱流体解析装置であって、前記解析対象の構造情報を読み込む構造情報入力部と、前記解析対象の通風孔部分を抽出する通風孔部分抽出部と、前記抽出された通風孔部分に強制対流を与える解析を実行し、圧力損失係数を算出するプレ解析部と、前記通風孔部分をパネル要素に変換し、前記パネル要素に前記圧力損失係数を設定する圧力損失係数設定部と、熱流体解析を行う解析処理部と、を有する。【選択図】図３
2007199892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通風孔を有する解析対象の熱流体解析を行う熱流体解析装置であって、
前記解析対象の構造情報を読み込む構造情報入力部と、
前記解析対象の通風孔部分を抽出する通風孔部分抽出部と、
前記抽出された通風孔部分に強制対流を与える解析を実行し、圧力損失係数を算出するプレ解析部と、
前記通風孔部分をパネル要素に変換し、前記パネル要素に前記圧力損失係数を設定する圧力損失係数設定部と、
熱流体解析を行う解析処理部と、
を有する熱流体解析装置。
【請求項２】
前記通風孔部分抽出部は、前記解析対象の有する孔を自動で通風孔として抽出する請求項１に記載の熱流体解析装置。
【請求項３】
前記通風孔部分抽出部は、所定数以上の前記孔がそれぞれ所定距離以内に集合している箇所を通風孔部分として抽出する請求項２に記載の熱流体解析装置。
【請求項４】
前記プレ解析部は、孔を有するダクトと、前記孔の内部に設置された前記通風孔部分とを有するダクトモデルを作成し、前記ダクトの片側の端面を圧力規定し、強制対流の条件を付け、ダクトモデルを要素分割し、解析を実施し、前記通風孔部分の圧力損失係数を算出する請求項１に記載の熱流体解析装置。
【請求項５】
前記プレ解析部は、孔を有するダクトと、前記孔の内部に設置された前記通風孔部分とを有するダクトモデルを作成し、前記ダクトの片側の端面にファンモデルを作成し、前記ファンモデルにはP-Q特性を入力し、ダクトモデルを要素分割し、解析を実施し、前記通風孔部分の圧力損失係数を算出する請求項１に記載の熱流体解析装置。
【請求項６】
通風孔を有する解析対象の熱流体解析を行う熱流体解析方法であって、
前記解析対象の構造情報を読み込む構造情報入力ステップと、
前記解析対象の通風孔部分を抽出する通風孔部分抽出ステップと、
前記抽出された通風孔部分に強制対流を与える解析を実行し、圧力損失係数を算出するプレ解析ステップと、
前記通風孔部分をパネル要素に変換し、前記パネル要素に前記圧力損失係数を設定する圧力損失係数設定ステップと、
熱流体解析を行う解析処理ステップと、
を有する熱流体解析方法。
【請求項７】
前記通風孔部分抽出ステップは、前記解析対象の有する孔を自動で通風孔として抽出する請求項１に記載の熱流体解析方法。
【請求項８】
前記通風孔部分抽出ステップは、所定数以上の前記孔がそれぞれ所定距離以内に集合している箇所を通風孔部分として抽出する請求項７に記載の熱流体解析方法。
【請求項９】
前記プレ解析ステップは、孔を有するダクトと、前記孔の内部に設置された前記通風孔部分とを有するダクトモデルを作成し、前記ダクトの片側の端面を圧力規定し、強制対流の条件を付け、ダクトモデルを要素分割し、解析を実施し、前記通風孔部分の圧力損失係数を算出する請求項６に記載の熱流体解析方法。
【請求項１０】
前記プレ解析ステップは、孔を有するダクトと、前記孔の内部に設置された前記通風孔部分とを有するダクトモデルを作成し、前記ダクトの片側の端面にファンモデルを作成し、前記ファンモデルにはP-Q特性を入力し、ダクトモデルを要素分割し、解析を実施し、前記通風孔部分の圧力損失係数を算出する請求項６に記載の熱流体解析装置。
【請求項１１】
請求項６から１０のいずれかの熱流体解析方法をコンピュータで実現するための熱流体解析プログラム。
【請求項１２】
請求項１１の熱流体解析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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通風孔を含んだ電子機器の熱流体解析装置、熱流体解析方法、熱流体解析プログラムおよび記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱する電子部品を実装する電子機器には、その発熱部品そのものやその周辺に配置される部品を熱から保護するために電子機器の筐体内の特定の箇所を指定された温度以下に保つ必要がある。そのため、電子機器の筐体に孔を開けて空気の流れを円滑にしたり、ファンを設置して筐体内の熱を筐体外に逃がしたり、伝熱シートを貼り付けて熱を拡散させたりして、熱対策を行っている。近年では、商品開発期間の短縮が進み、上記の熱対策を効率よく行うために、熱流体解析が取り入れられている。
【０００３】
以下、通風孔を含んだ電子機器の従来の熱流体解析方法を説明する。通風孔を含む電子機器の熱流体解析を行う場合に、通風孔部分を忠実にモデル化し、要素分割すると、要素数が莫大な数になり、計算時間がかかる。そのため、従来の熱流体解析方法においては、通風孔部分をパネル要素に置換え、パネル要素に通風孔部分と同等の通風機能を持たすことを試みている。
【０００４】
図７は、従来の熱流体解析方法を説明するフローチャートである。
【０００５】
最初に、三次元ＣＡＤ装置を用いる。解析対象の三次元ＣＡＤデータから手動で電子機器の通風孔部分を抽出する（S701）。次に、抽出した通風孔部分のみを削除する（S702）。そして、削除した部分に新たにパネル要素を作成し、解析対象の構造情報を作成する（S703）。
【０００６】
次に、熱流体解析装置を用いる。まず、三次元CAD装置で作成した構造情報が入力される（S704）。次に、解析領域の端面の境界条件（S705）、各部品および空間等の材料物性（S706）、発熱部品の消費電力等の発熱条件（S707）、P-Q特性やファンの内径等のファン特性（S708）をそれぞれ設定する。また、パネル要素には、通風孔の開口率（S709）を設定し、解析モデルを作成する。そして、解析モデルを要素分割し（S710）、解析処理を行う（S711）。
【０００７】
境界条件設定（S705）、材料物性設定（S706）、発熱条件設定（S707）、ファン特性設定（S708）、通風孔開口率設定（S709）は、設定の順序が入れ替わることもある。また、ファンが設置されていない場合には、ファン特性設定（S708）が省かれることもある。
【０００８】
上述のように、パネル要素は通風孔の開口率を設定することにより、通風孔部分と同等の通風機能を担保しようとしている。すなわち、解析処理（S711）においては、経験式である数式１に基づき、設定された通風孔の開口率から、圧力損失係数を算出する。続いて、数式２に基づき、圧力損失を計算する。
【０００９】
【数１】
2007199892.tif 000003
【００１０】
【数２】
2007199892.tif 000004
【００１１】
従来の熱解析方法においては、以上のようにして、解析時間の短縮を図っている。
【００１２】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば非特許文献１が知られている。
【非特許文献１】「熱流体解析ユーザーズガイド基礎編」、株式会社ソフトウェアクレイドル、２００２年１０月、Ｐ．５−１１，５−１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
従来の熱流体解析方法では、圧力損失係数Cfは開口率βのみで決定している（数式１）。しかしながら、通風孔が円形断面の場合、圧力損失係数CfRは、理論式（数式３）で表される。この式を展開すると、数式４で表されるように圧力損失係数CfRは通風孔直径ｄに比例することが分かる。図８（ａ）に開口率ｘ％、孔径d1、厚さl1の通風孔板A95を、（ｂ）に開口率ｘ％、孔径d2、厚さl2の通風孔板B96を示す。例えば、このような場合、通風孔板Ａの圧力損失係数CfRd1と通風孔板Ｂの圧力損失係数CfRd2は、数式５に示すように、同じ開口率ｘ％にもかかわらず、異なる。つまり、従来の熱流体解析方法では、実際の現象とは違う現象を計算していることとなり、計算の精度が悪い。
【００１４】
【数３】
2007199892.tif 000005
【００１５】
【数４】
2007199892.tif 000006
【００１６】
【数５】
2007199892.tif 000007
【００１７】
本発明は、上記問題点を鑑みて、通風孔を含んだ電子機器において、本来の現象と同じ現象を再現し計算することができる熱流体解析装置、熱流体解析方法、熱流体解析プログラムおよび記録媒体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】
【００１８】
上記目的のうち一つは、以下の熱流体解析装置によって実現される。
【００１９】
通風孔を有する解析対象の熱流体解析を行う熱流体解析装置であって、
前記解析対象の構造情報を読み込む構造情報入力部と、
前記解析対象の通風孔部分を抽出する通風孔部分抽出部と、
前記抽出された通風孔部分に強制対流を与える解析を実行し、圧力損失係数を算出するプレ解析部と、
前記通風孔部分をパネル要素に変換し、前記パネル要素に前記圧力損失係数を設定する圧力損失係数設定部と、
熱流体解析を行う解析処理部と、
を有する熱流体解析装置。
【００２０】
また、上記目的のうち一つは、以下の熱流体解析方法によって実現される。
【００２１】
通風孔を有する解析対象の熱流体解析を行う熱流体解析方法であって、
前記解析対象の構造情報を読み込む構造情報入力ステップと、
前記解析対象の通風孔部分を抽出する通風孔部分抽出ステップと、
前記抽出された通風孔部分に強制対流を与える解析を実行し、圧力損失係数を算出するプレ解析ステップと、
前記通風孔部分をパネル要素に変換し、前記パネル要素に前記圧力損失係数を設定する圧力損失係数設定ステップと、
熱流体解析を行う解析処理ステップと、
を有する熱流体解析方法。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、通風孔を含んだ電子機器において、本来の現象と同じ現象を再現し計算することができる熱流体解析装置、熱流体解析方法、熱流体解析プログラムおよび記録媒体を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。実施の形態として、熱流体解析に用いる熱流体解析装置、熱流体解析方法、熱流体解析プログラムおよび記録媒体について説明する。
【００２４】
図１は、本実施の形態における熱流体解析装置の概略構成を示すブロック図である。この熱流体解析装置は、キーボード、マウス等の入力部101と、ディスプレイ、プリンタ等の出力部103と、入力部101と出力部103の間でデータの入出力を行うI/O（Input/Output）デバイス102と、FD（Floppy（登録商標）  Disc）、CD-ROM（Compact Disc）等の記録媒体104と、記録媒体104に対するデータの読み書きを行う外部記憶ドライバ105と、熱流体解析装置全体の制御を行うためのCPU（Central Processing Unit）106と、各種プログラムおよびデータが格納されるROM（Read  Only  Memory）107と、インターネット等の外部通信ネットワーク111との間の通信接続を行う通信デバイス109と、処理対象のデータを一時的に格納するためのRAM（Random  Access  Memory）110と、ハードディスク108とを含む。
【００２５】
本実施の形態の熱流体解析プログラム（以下、解析プログラムと称す。）は、記録媒体104によって熱流体解析装置に供給される。記録媒体104に記録された解析プログラムは、CPU106によって外部記憶ドライバ105を介して一旦ハードディスク108に格納される。CPU106は、ハードディスク108から適宜解析プログラムをRAM110にロードして実行することによって、以下に詳述する機能を有する熱流体解析装置を実現し、以下に詳述する熱流体解析を実行する。なお、解析プログラムは他のコンピュータより通信ネットワーク111を経由して供給されてもよい。
【００２６】
図２は、本実施の形態における熱流体解析装置の機能的な構成を示すブロック図である。熱流体解析装置は、装置全体の制御を行うための制御部201と、構造情報入力部202と、プレ解析部203と、パネル要素設定部204と、境界条件設定部205と、材料物性設定部206と、発熱条件設定部207と、ファン特性設定部208と、要素分割部209と、解析処理部210とを含む。
【００２７】
図３は、本実施の形態における熱流体解析装置の処理手順のフローチャートである。本実施の形態の熱流体解析装置は、以下の処理を行う。
【００２８】
（１）オペレータからの指示により、構造情報入力部202に解析対象である電子機器の構造情報が入力される（S301）。解析対象である電子機器は、複数の部品からなる。構造情報は、熱流体解析装置において解析対象の構造を認識し得るデータであり、一般には三次元ＣＡＤ装置の三次元モデルデータが利用される。三次元モデルデータは、形状データとして頂点、稜線、面等の情報や、これらがどの部品に属するかといった情報を有している。
【００２９】
（２）オペレータからの指示により、電子機器の通風孔部分51を抽出する（S302）。本実施の形態では、熱流体解析装置は出力部１０３としてのモニターに、図４に示すような解析対象モデルを表示させる。解析対象モデルは構造情報に基づいて表示される。オペレータは、モニター上にて通風孔部分５１を視認し、入力部１０１を用いて通風孔部分５１を選択する。
【００３０】
（３）プレ解析部203では、抽出した通風孔部分を中心にダクトモデルを作成し、プレ解析を行う（S303）。以下、プレ解析の詳細なステップについて説明する。
【００３１】
まず、抽出した通風孔部分５１がダクト43の孔４４の内部に設けられたダクトモデルを作成する（S312）。図５にダクトモデルの概略構成図を示す。ダクト４３は、通風孔部分５１を通風孔部分５１の面に直交する方向に平行移動して出来る軌跡と略同一の形状をしている。ダクト４３の孔４４は通風孔部分５１の面に直交する方向に貫通している。ダクトの長さは任意である。次にダクトモデルの片側の端面42を任意の圧力で規定し、強制対流の条件を付け、ダクトモデルを要素分割し、解析を行う（S313）。その後、通風孔５１の上流側と下流側の圧力差（圧力損失：Δｐ）から数式２を用いて圧力損失係数Ｃｆを算出する（Ｓ３１４）。
【００３２】
（４）パネル要素設定部204は、図６に示すように、構造情報の通風孔部分をパネル要素61に変換し、構造情報を更新する（S304）。パネル要素とは、体積を持たない面積だけの要素のことである。
【００３３】
（５）パネル要素設定部204は、プレ解析ステップ（S303）で算出した通風孔部分の圧力損失係数Ｃｆをパネル要素に設定する（S305）。
【００３４】
（６）オペレータの指示により、境界条件設定部205は境界条件を設定する（S306）。境界条件としては、重力の方向、解析空間と外部における圧力、流入流出、熱伝達等を設定する。
【００３５】
（７）オペレータの指示により、材料物性設定部206は、材料物性を設定する（S307）。材料物性としては、熱流体解析に必要な熱物性値として、熱伝導率、比熱、比重、放射率等を部品毎に設定する。
【００３６】
（８）オペレータの指示により、発熱条件設定部207は、発熱条件を設定する（S308）。発熱条件としては、発熱量、もしくは単位体積あたりの発熱密度を部品モデル毎に設定する。
【００３７】
（９）オペレータの指示により、ファン特性設定部208は、ファン特性を設定する（S309）。解析対象の電子機器にファンが設置されていない場合にはこのステップは不要である。ファン特性としては、ファンのP-Q特性、ファンの内径、外径を設定する。
【００３８】
以上のステップを経て、構造情報、圧力損失係数、境界条件、材料物性、発熱条件等からなる解析モデルが作成される。
【００３９】
（１０）オペレータの指示により、要素分割部209は、解析モデルの要素分割をする（S310）。要素分割とは、解析モデルを複数の立方体形状の領域や直方体形状の領域に分割することである。また、分割される要素の形状は四面体や六面体の場合や、それらが混合して存在することもある。要素分割後の解析モデルを解析メッシュモデルとする。
【００４０】
（１１）解析処理部210は、解析メッシュモデルを用いて熱流体解析を行う（S311）。
【００４１】
なお、境界条件設定S306、材料物性設定S307、発熱条件設定S308、ファン特性設定S309の順序は入れ替わってもよい。また、ファンが設置されていない場合には、ファン特性設定S309は省略することができる。
【００４２】
また、通風孔部分抽出部は、構造情報の有する孔を自動で通風孔として抽出するものとすることも可能である。さらに、通風孔部分抽出部は、所定数以上の前記孔がそれぞれ所定距離以内に集合している箇所を通風孔部分として抽出することも可能である。
【００４３】
以上、本実施の形態によれば、ダクトモデルを用いたプレ解析を行うことにより、通風孔部分の形状によらず、精度良く圧力損失係数を求めることができ、圧力損失係数を設定したパネル要素を用いることで要素数が少なく解析時間および解析精度の高い熱流体解析を行うことが可能となる。
【００４４】
なお、今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記に説明した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明による熱流体解析装置、熱流体解析方法、熱流体解析プログラムおよび記録媒体は、電子機器の放熱設計等に関して有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施の形態における熱流体解析装置の概略構成を示すブロック図
【図２】本実施の形態における熱流体解析装置の機能的な構成を示すブロック図
【図３】本実施の形態における熱流体解析装置の処理手順のフローチャート
【図４】解析対象モデルの表示例を示す図
【図５】ダクトモデルの概略構成図
【図６】通風孔部分をパネル要素に変更した後の解析対象モデルの概略図
【図７】従来の解析装置の処理手順を示すフローチャート
【図８】円形の通風孔モデルの一例を示す図
【符号の説明】
【００４７】
４２  端面
４３  ダクト
５１  通風孔部分
５２  筺体
６１  パネル要素
９５  通風孔板A
９６  通風孔板B
１０１  入力部
１０２  I/Oデバイス
１０３  出力部
１０４  記録媒体
１０５  外部記憶ドライバ
１０６  CPU
１０７  ROM
１０８  ハードディスク
１０９  通信デバイス
１１０  RAM
１１１  通信ネットワーク
２０１  制御部
２０２  構造情報入力部
２０３  プレ解析部
２０４  パネル要素設定部
２０５  境界条件設定部
２０６  材料物性設定部
２０７  発熱条件設定部
２０８  ファン特性設定部
２０９  要素分割部
２１０  解析処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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