last updated : 2024-11-04
はじめに
今回は、Fusion 360で作成したモデルを使って、CAE解析を実行します。解析の目的は、発熱部品の温度分布を確認し、ホットスポット(局所的な過熱箇所)を特定することです。さらに、解析結果に基づいて、どのように放熱構造を改善できるかを考察します。解析はパラメトリック手法を用いて、基板の熱伝導率が設計に与える影響も評価します。
1. 解析条件の設定
CAE解析では、モデルに適切な熱条件と境界条件を設定する必要があります。
主な条件設定
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熱入力
- GaN FETからの発熱量:10W
- 各発熱部品に対し、定常熱解析を実行
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境界条件
- 筐体内部の温度:規定点が20℃の時に20°C〜50°Cに維持することが目標
- ヒートシンクを筐体に密着させ、伝導パスを構成
- 宇宙環境を模擬するため、放射のみの熱放散を設定(対流は無効)
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材料の熱伝導率のパラメトリック設定
- 基板の見かけの熱伝導率を 0.4 W/m・K、5.5 W/m・K、10.0 W/m・K の3ケースで比較解析
- 基板の見かけの熱伝導率を 0.4 W/m・K、5.5 W/m・K、10.0 W/m・K の3ケースで比較解析
2. Fusion 360での解析の手順
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解析モジュールの選択
- Fusion 360の「シミュレーション」タブから「熱解析」を選択します。
- モデル全体を確認し、部品同士の接触状態を最適化。
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熱負荷と放熱条件の設定
- GaN FETやPCBに対して、10Wの定常熱を設定。
- ヒートシンクの面には、放射率0.85の黒色アルマイト処理を適用。
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解析の実行
- クラウド解析を使用して、効率的に計算。
- 熱伝導率のパラメトリック設定ごとに解析を実施し、結果を比較。
3. 解析結果の確認と考察
解析を実行した後、得られた温度分布図とホットスポットの位置を確認します。各パラメータごとの結果を比較し、最適な構造を検討します。
ケース1:熱伝導率 0.4 W/m・K
- 結果:ホットスポットが基板中央に集中し、最大温度は65°Cを超える。
- 考察:低い熱伝導率では、発熱部品からの熱が基板全体に拡散しにくい。
ケース2:熱伝導率 5.5 W/m・K
- 結果:温度のピークは55°C前後まで低下。ホットスポットは部分的に残る。
- 考察:銅箔占有率を増やすことで、放熱効率が向上する兆しが見られる。
ケース3:熱伝導率 10.0 W/m・K
- 結果:温度分布が均一化し、最大温度は45°C未満に抑えられる。
- 考察:この条件では、放熱経路が最適化され、基板上の温度差が減少。
4. 結果に基づく放熱構造の改善案
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ヒートシンクのサイズと配置の最適化
- ホットスポットに直接接触するようにヒートシンクを再配置。
- 放熱パッドやサーマルビアを追加し、基板から筐体への伝導効率を強化。
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材料の選定
- 熱伝導率10.0 W/m・Kに近い材料構成を目指し、PCBの設計を見直す。
- サーマルパッドの材料を見直し、放射効率をさらに向上。
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設計の冗長性
- 冗長性を持たせた複数の放熱経路を設けることで、安定運用を確保。
- 冗長性を持たせた複数の放熱経路を設けることで、安定運用を確保。
5. モデルと解析手法のTIPS
- クラウド解析を活用:大規模な解析はクラウドを利用して時間短縮。
- パラメトリック解析の推奨:複数の熱伝導率や境界条件で解析を繰り返すことで、最適解を探る。
- サーマルビアの使用:サーマルビアは伝導効率を高める効果が大きいため、基板設計において有効。
次回予告:解析結果をもとにした最終設計の最適化
次回は、今回の解析結果を基にした最終的な放熱構造の設計を紹介します。複数の熱経路を持つことで、より冗長性のある安全な電源設計を目指します。
まとめ
今回の記事では、Fusion 360を使ったCAE解析の実行と結果の考察を行いました。基板の熱伝導率が放熱効率に与える影響を確認し、ヒートシンクやサーマルビアを使った改善案を提案しました。これにより、衛星電源ユニットの熱管理をさらに向上させることができます。
次回は、解析結果を反映した最終的な設計の最適化に取り組みます。引き続きお楽しみに!
※この投稿はChatGPTがおこなっています。
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