自転車用LEDヘッドライトの温度予測シミュレーション
ハイブリッド／電気自動車

部品の冷却

HEATLANE®ヒートレーン解析事例
水冷プレート

LED素子の放熱経路
LED電球の熱流体解析
照明器具の放熱設計と最適化アプローチ
照明機器向け放熱解析事例
リフロー工程の基板温度予測とチップ立ちシミュレーション
基板のレイアウト変更による温度低減予測と実測比較

Analysis Case Studies

解析事例集−放熱編自転車用LEDヘッドライトの温度予測シミュレーション
株式会社キャットアイ 様

事例紹介『熱設計PAC®』を用いて自転車用ヘッドライトの温度を予測
自転車用LEDヘッドライト
照射範囲の広いハイパワーライトには、その要求を満たす必要があり、複数のパワー LEDパッケージが用いられている。そのため、いかに放熱性能を高めるかが重要となる。CFDを行うことで上昇温度の予測や熱経路の特定といった設計にフィードバックする情報を得ることができる。

シミュレーションによる確認
IC温度 LED基板

底面

上面

流速ベクトル、温度分布

側面

60
実測

50

上昇温度（℃）

解析

自転車LEDヘッドライト（HL-EL930RC）

403020100
上面

側面

底面

LED基板

IC温度

項目

各部品の上昇温度

解析結果
実際の温度を精度よく予測！
！
設計変更による違いを予測できる流線

10km/hで走行

HeatPathView
HL-09003-05_LED

HL-09003-03_HOUNETSU_FIN_AF0

HL-09003-05_LED_AF1
H27N-SPACER_AF3
その他46個

HL-09003-01_BODY_FRONT_AF0

HL-09003-02_BODY_BACK_AF0

大気への対流による放熱寄与

筐体のどの部分が放熱に寄与しているかがわかる！
！
風の流れを線で表現

熱設計へのフィードバックが可能

comment
CFDを使用することで、実測を行う前にPC上で放熱確認、上昇温度を予測することが出来るようになった。
また、実際に試作を行わなくても複数の形状と材料を使用した場合での温度予測を出来るため時間と試作コストを節約することが出来る。
熱を考慮した設計を行う上では十分に活用できるツールである。
2 ｜ ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】

ハイブリッド／電気自動車 部品の冷却機能紹介※イメージ

バッテリー冷却モジュール

バッテリーパック

バッテリー冷却モジュールのダクト内、圧力分布

バッテリーセルの表面温度と内部流れ

圧力-5010IGBT 水冷モジュール
流入流出

HEV/EVの主な構成ユニットであるPCU、その中でも三相交素子温度を小さくする放熱フィンと素子レイアウト設計の検討例

ピンフィン

流路に沿ったプレートフィン（素子レイアウトを変更）

流路に垂直なプレートフィン

流路に沿ったプレートフィン

流電源を出力するインバータの主スイッチとして、主要な役割を担うIGBTは最も重要な部品の1つに挙げられます。

IGBTは車格により様々な電力に対応する必要があり、冷却性能の検討はIGBTモジュール設計において重要な検討項目の1つになります。
シミュレーションを用いることで、放熱フィンの形状や素子のレイアウトによる放熱効果、温度分布の違いなど、複数のパターンを見える化し、比較する事で、直感的に寄与度やより最適な設計を把握することができます。

温度 [℃]

65.00

150.00

ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 ｜3

ヒートレーンHEATLANE 解析事例
水谷電機工業株式会社 様

事例紹介
特許・商標登録済み

限られた空間で最高のパフォーマンスを実現！
AL-EX

ヒートレーンプレート

放熱

低設置面積

小型・軽量化

冷却風

低騒 音 化

受熱板

大容量熱輸送フィン

熱輸送方向
フィン

｢広げて冷やす｣ヒートレーンプレート

熱をすばやく拡散し、放熱面積を拡大。
発熱密度の高い素子の冷却に極めて有効です。
背の低いフィンを多段積みし、ヒートレーンプレートにて熱を輸送することで 有効な放熱面積を確保し、高い熱特性が得られます。

発熱体

発熱体

従来のヒートシンク

発熱板

ヒートレーン式ヒートシンク

検討例
共通形状：巾200×長さ130×全高70 、ベース厚さ8.2
条件 熱源140×130、500[W]、前面風速2[m/s]名称

フィン形状[㎜]ヒートレーン式
ヒートシンク

厚さ0.5×長さ110×高さ28
56枚×2段

従来のヒートシンク

厚さ0.5×長さ130L×高さ61.8

66枚

熱抵抗[℃/W]

重量[g]

0.064

1130

0.088

1300

CFDによる解析事例
従来のヒートシンク
熱源付近に熱が集中。
フィン効率が小さく、有効放熱面積が小さい

ヒートレーン式ヒートシンク
ヒートレーンプレートによってフィン全体へ熱輸送
高フィン効率、高ベース熱拡がりにより高性能化を実現！
熱抵抗[℃/W]
実測値
解析値

0.065
0.064

実測値と解析値がほぼ一致!

comment
多種多様なユーザニーズに精度よく対応するためには熱解析精度の向上が必須となります。
熱設計PAC®、STREAM®は、設計者の思想を限りなく実測ベースに再現出来る数少ないソフトと認識しております。
今後とも、クレイドルのソフトを活用して多くの熱解析シーンと向き合っていきたいと思います。

4 ｜ ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】

水冷プレート
水谷電機工業株式会社 様

事例紹介『STREAM 』
を用いた水冷プレートの熱解析例
熱流体解析を用いた最適な流路設計
民生用、産業用問わず、さまざまな電子機器での放熱は製品品質上、重要な課題になっています。
空冷では達成できない大容量の放熱が必要な場合には、水冷プレートがよく利用されています。
熱流体解析を用いることで、受注生産などの個別対応の案件でも水冷プレートの最適な水路設計をスピーディーに行うことができ、可視化した解析結果を用いて、性能などをよりわかりやすくしたうえでの提案も可能となります。

【主な材質】
・アルミニウム・銅水冷プレート: 断面

水冷プレート: 解析モデル

熱解析例
プレートサイズ材質
熱源サイズ

巾100×長さ550×厚さ18C1020
45×90、5pcs

熱負荷

1 [kW]

流量

10 [L/min]

熱抵抗の実測値

0.0092 [℃/W]

熱抵抗の解析値

0.0095 [℃/W]
水冷プレート: 解析結果

comment
ユーザ側の思想を解析に反映させやすく、理論値と解析値、さらに実測値の整合もしやすいため、ものづくり後のブラッシュアップを最小回数でおこなうことができ、ヴァーチャルな ものづくり ツールとして製品開発に役立っております。

ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 ｜5

LED素子の放熱経路
機能紹介『SCRYU/Tetra®』を用いたLED素子の温度試験測定値との結果比較
LED素子の放熱解析■
解析対象モデル

素子表面温度と中心断面温度

Lens
PCB

Body
LED
Lead

LED素子表面温度
100104108111

LED素子中心断面温度115

LED素子の放熱は主に素子の設置されるPCBやその背面に設置されるヒートシンクなどを利用して行われます。
熱がPCB側から逃げていく様子が良く再現されています。
素子周辺の流れ分布（ベクトル図）素子周辺の流体温度分布（コンター図）実測値と解析値の比較（温度）：センサー位置120

センサー 1
レンズ表面温度（℃）

センサ−3100

ＰＣＢ上端

8060

実測
解析

4020

センサー 2
ＰＣＢ下端

0１２
計測点

３comment
PCBを通しての放熱をはじめ、LED素子自身の発熱による周辺空気の自然対流から引き起こされる放熱効果も考慮した解析を実施しました。
実測値とほぼ同等（約2.2℃差）の結果を得ており、現象の傾向を捉えるには充分な結果となりました。
シミュレーションを用いる事で、LED素子の寿命を左右する放熱設計での定量的な知見を得ることが可能になります。
6 ｜ ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】

LED電球の熱流体解析
機能紹介『SCRYU/Tetra®』を用いて電球カバーの透過率による熱的な影響を確認
解析モデル概要

透過率の影響天井

光源から発生した光はグローブの透過率にしたがって透過光と反射光に分かれます。反射光の一部はグローブ内で熱として吸収される為、各部品温度に影響を与えます。

LED電球（拡大図）
ヒートシンク

光源
LED

反射光

基板
開放空間

透過光

グローブ

流れの可視化表現

透過率による表面温度分布の違い

流線図

ベクトル図

透過率：1.0

透過率：0.8

20

温度[℃]

80

20

温度[℃]

35

流線表示
流れの軌跡を3次元的に描画します。フィンの隙間に空気が通っているか等の確認に有効な表現になります。

ベクトル表示流れの速さを青から赤の色分布や、矢印の大きさで表現し、流れの方向を矢印で表現します。
検査面での断面描画で良く使用される表現になります。

グローブの表面温度に約3度の差が生じているcomment
LED電球は、省エネ、小型化を実現し、電球本来の明るさを維持することはもちろん、空間を演出する光の色温度や広がりなどの調光制御、電球そのもののデザイン性など、多様なニーズがあげられる様になっています。高い製品力を持つ高品質な製品設計を実現する為に、解析による現象把握を設計者が容易にできることは、シミュレーションの大きなメリットとなります。
ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 ｜7

照明器具の放熱設計と最適化アプローチ
オプション機能紹介

最適化オプションツールを用い、ヒートシンクの最適形状を確認
最適化の目的

最適化の手法

設計変数■実験計画法（サンプリング手法）
中心複合計画法⇒43回

ヒートシンク形状を変更して1. LED温度を規定まで下げる
LED上昇温度 [⊿T ℃]：最小化（⊿T：40℃以下）■近似モデルを用いた多目的最適化
適用手法⇒RBF
多目的最適化手法⇒NSEA+

2. 軽量化する24 〜 48枚
円筒部厚み

2 〜 5[mm]フィン高さ

80 〜 120[mm]

ヒートシンク体積(重量)：最小化（0.0005m3以下）■使用アプリケーション

オリジナル形状

フィンの枚数STREAM
Optimus® for Cradle

ヒートシンク外半径65 〜 75[mm]内半径25 〜 35[mm]設計変数を変更しサンプリングをする。

パレート解から導き出された最適解

LED
上昇温度[℃]

サンプリング結果の分析
相関係数
（温度）
円筒部厚み

2.00E-04

外半径

軽さ優先
軽403938373635343332

パレート解
最適解

3.00E-04

4.00E-04

体積V[m3]

内半径

体積
上昇温度
フィン枚数
ヒートシンク高さ
円筒部厚み
外半径
内半径

2.40×10-4 [m3]39.1 [℃]
28 [枚]
82.5 [mm]2.4 [mm]72.8 [mm]25.0 [mm]

フィン高さ
フィン枚数

00.20.40.60.8

1

上昇温度[℃]

相関係数（体積）
円筒部厚み
外半径
内半径

2.00E-04

フィン高さ

パレート解
最適解

3.00E-044.00E-04

体積V[m3]

フィン枚数

0バランスバ4039383736353433320.20.40.60.8

体積
上昇温度
フィン枚数
ヒートシンク高さ
円筒部厚み
外半径
内半径

3.11×10-4 [m3]35.4 [℃]
30 [枚]
104.9 [mm]2.9 [mm]
74.4 [mm]
26 [mm]1径の相関が強く、これらを大きくすることで温度も低減する方向に向かうことがわかる。

• 体積に対しては、フィン枚数、フィン高さ、外半径の相関が強い。

上昇温度[℃]• 温度に対してはフィン枚数、フィン高さ、外半放熱性能優先
放403938373635343332

2.00E-04

パレート解
最適解

3.00E-04

4.00E-04

体積V[m3]

体積
上昇温度
フィン枚数
ヒートシンク高さ
円筒部厚み
外半径
内半径4.12×10-4 [m3]33.3 [℃]
38 [枚]
115.6 [mm]3.5 [mm]
74.7 [mm]25.1 [mm]comment
最適化プロセスは多くの設計変数を目的の1点へ絞り込むために非常に有効である。
また、提示された設計変数では、物理的に目的を満足できないことがわかるなど、設計プロセス初期においても重要な役割を果たす場合も多い。
一方で、最適化のためのサンプリングは、多くの解析ケースを実行する必要が有り、やみくもに設計変数を多くしないことと、高速に計算できる解析ソフトを選ぶことも重要である。

8 ｜ ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】

照明機器向け放熱解析事例
事例紹介

LED 電球 - LED Bulb

半導体 デバイス - Semiconductor Devices

LED デバイス - LED Devices

配線パターンの考慮 - Heat Dissipation Analysis considering Gerber Data

comment
高集積のLSIやLEDなど、発熱量の大きく小型化が進む電子部品の熱をいかに効率よく放熱するかが、大きな課題となっています。省エネ、長寿命など高品質な製品開発において放熱設計は必要不可欠であり、シミュレーションで可視化することで、新たなアイデアを具体的に評価し、多くの検討を容易にします。

ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 ｜9

リフロー工程の基板温度予測とチップ立ちシミュレーション『熱設計PAC®』と『SCRYU/Tetra®』を活用し、基板のリフロー工程を解析
リフロー工程の基板温度解析（熱設計PAC®）
解析モデル
リフロー炉内の熱風、放射による加熱を再現した非定常熱流体解析を行う。
配線パターンや部品の配置、材質を変更した解析が可能。

熱風・放射による加熱

リフロー炉
解析結果

320

部品温度[℃]

270

配線パターンA

220
170120配線パターンA
配線パターンB

70
20

050

100

150

200

250

300

350

加熱時間[秒]

配線パターンB

200秒後の基板温度分布

チップ抵抗器温度の時系列変化
配線パターンや部品配置による基板温度の変化が確認できる。

チップ立ちの解析(SCRYU/Tetra®)
解析モデル

解析結果

はんだはんだ基板

ランド0402サイズ チップ抵抗器
溶融はんだの挙動をVOF法を利用して解析する。
チップ抵抗器は、溶融はんだから受ける力によって並進及び回転する。
溶融時間のズレやチップ抵抗器の位置ズレを条件として与える。

10 ｜ ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】

comment
溶融はんだがチップ抵抗器に与える力からチップ抵抗器が立つ(マンハッタン現象)様子が確認できる。溶融時間やはんだ量、チップ抵抗器の位置を変更することが可能。

基板のレイアウト変更による温度低減予測と実測比較『PICLS®』を活用し、基板の熱解析を行いチップ抵抗器の温度を予測
プリント基板の熱解析
解析対象
モデル1

モデル2

モデル3モデル4

オリジナル

半分を裏面に配置

銅箔を増やす+ビア

内層にベタを追加

比較対象のチップ抵抗器

R45モデル化

PICLS®

実物

チップ抵抗器周囲の配線の割合を使って一様の熱物性を与える。

絶縁層 :42[mm2]14÷42≒0.33
残銅率33％

配線 :14[mm2]
モデル作成時間 : 5分
計算時間 : 数秒

解析結果

モデル1モデル2モデル3モデル4

実測

PICLS®

60comment

温度[℃]

5550

R45の温度グラフを見ると、実測もPICLSの結果もモ
デル1⇒2⇒3⇒4と温度が下がっており、モデル間の温度差の大まかな傾向を掴んでいる。

454035部品配置やサーマルビアなど基板レイアウトの比較検討を短時間で行うことが可能。

302520実測

PICLS

モデル1モデル2

モデル3モデル4

53.2
53.5

52.9
53.4

49.3
46.9

44.2
42.9

ソフトウェアクレイドル事例集【放熱編】 ｜11