設計者向けCAE/解析

製品開発における課題

Alcatel 1678 Metro Core Connect (MCC)は、新型の高速光ネットワーク交換機で、1ユニットで640Gbpsの通信容量を持っています。
この交換機は、交換容量の大きさと、非常に小さな筐体に数多くのインタフェースが高密度に配置されているのが特徴です。消費電力が1ユニットにつき最大 2000Wとプラグインカード1枚につき最大140Wあり、熱問題が設計上の主要な課題でした。高速光トランシーバおよびカスタムチップの制限された許容温度が、設計をより困難にしました。

解決策と効果

開発チームは、設計の初期段階から放熱の問題に取り組む必要があることを認識していました。彼らは空気の流れを評価して環境条件を定義するためにFlothermを利用してユニットレベルの解析を実施しました。
FlothermおよびFlopackを利用して関連するすべてのカスタムチップおよび光トランシーバの詳細な熱解析モデルと簡略化した熱解析モデルを構築しました。これらのモデルのいくつかは部品メーカーから提供されているものを利用しました。
この解析結果を利用して部品配置の最適化、温度が高くなる部品周りの流速の最大化、高温になる部分の効果的なヒートシンクの設計を実施しました。チームは全ての熱問題を、設計変更が容易で費用のかからないように、設計の初期段階で解決しました。

お客様の評価

「我々はあらゆる新製品の設計の初期段階で十分に熱解析を実施することが重要であると信じています。我々は長い間、Flothermを熱解析ツールとして利用して、成果を上げています。FlothermとFlopackの組み合わせによって短期間で複数の設計案を検証し、製品レベルとPCBレベルの両面で最適な設計を見つけ出すことができます。」
＜ Alcatel社 機構設計担当 Pavel Valenta氏 ＞

製品開発における課題

Eaton社のPower Qualityグループは単相および三相の無停電電源装置（UPS）の設計および製造を担当しています。これらの製品の設計においては、構想設計段階で熱設計を行うことが重要です。なぜなら、熱問題が製品のパッケージングならびに部品やサブアッセンブリの設計に多大な影響を与えるからです。従来の熱設計は過去の経験に頼っていたり、あるいは時間のかかる工学的計算に依存していました。このような開発手法では一般的に、製品のリリースまでに試作と実験が複数回繰り返され、しばしば開発サイクルの長期化と経費の増大をもたらしていました。

解決策と効果

Flothermによって製品の開発工程が大きく改良されました。代表的な例が、Eaton 9390 三相二重変換UPSです。この製品では40kVAから160kVAの範囲に対応したモジュラープラットフォームの設計が要求されました。Flotherm を、構想設計から初期のパッケージング設計までの設計検討で利用したことで、その後の大きなパッケージングの変更なしに、1回目の試作で熱設計基準をクリアすることに成功しました。それによって、市場に対して適切なタイミングで製品を投入することができ、同時に開発経費を大幅に削減することができました。

お客様の評価

「私はFlothermをバージョン2.1から利用していて、その後の成長と改良を体験してきました。Flothermの豊富な機能と直感的なインタフェースに大変満足しています。それ以上に、Flomerics社の優秀なサポートスタッフによる、問題解決の能力、対応、および幅広い知識のおかげで、私の期待は常に大きくなっています。熱設計ツールとしてFlothermを利用することは私の楽しみのひとつです。」
＜ Eaton Electrical社 新製品開発部門 熱設計担当主任技術者 工学博士 Winston Zeng氏 ＞

製品開発における課題

Hewlett-Packard社はブレードサーバーのリーディングカンパニーです。現在のブレードサーバーにおける出力の高密度化は、特にCPUのような高出力部品の熱設計において、深刻な問題をもたらしています。状況をより悪化させることとして、一部のアーキテクチャではCPUが気流の後方に配置され、そのために前方の他のプロセッサによって暖められた空気が後方のCPUに流れ込みます。この場合、後方のCPUを冷却することはとても難しくなります。

解決策と効果

新型ブレードサーバーの開発において、コンセプトモデル検証から試作まで、といった設計プロセスのあらゆる段階で、Flothermが利用されました。 Flothermによる熱流体解析によって、2つのヒートシンクを連結する斜めの整流板周りの流れを可視化するとともに、ヒートシンクの設計および最適化を行いました。斜めの整流板の解析ではFlothermの"スローピングブロック"スマートフィーチャを利用しました。また、ヒートシンクの設計および最適化では、Flothermのパラメトリック最適化機能を利用しました。Flothermを利用した解析によって設計期間と開発コストが大幅に節約できました。さらには、ヒートシンクの軽量化においても、Flothermが役に立ちました。

お客様の評価

「私たちはFlothermを熱流体解析ツールとして利用しています。その理由はFlothermの機能が適切に構造化されていること、他の熱流体解析ツールに比べて使い易いこと、そしてFlomerics社が最適な技術サポートを提供してくれるからです。サポートチームは知識が豊富で、常に適切に対応してくれます。」
＜Hewlett-Packard 社 熱解析担当 Shailesh Joshi 氏 ＞

製品開発における課題

近年、航空電子機器の出力および発熱量は急速に増大しています。それに伴って、適切な冷却システムを設計することが、製品の信頼性を向上するために不可欠な条件となっています。製品の重量を最小化すること並びに筐体の内部空間を最小化することが、我々にとって設計の主要な目標になっていますが、多くの場合、熱の問題が設計上の大きなボトルネックとなります。我々はなるべく冷却ファンを使わないようにしています。なぜなら、製品の不具合を引き起こす要因が一つでも少ない方が良いからです。そのためにも、熱の問題を設計初期段階からの主要な課題として検討しています。

解決策と効果

Tecnobit社の技術者は、多大な費用をかけて試作品を製造する前に、Flothermを利用して定常解析や時間依存の熱流体解析を行い、製品の温度を予測します。開発にかかる時間と経費が大幅に削減できることが大きな利点です。また、熱の問題で実現不可能な試作品を製造する無駄な時間を節約できることも利点です。FlothermはTecnobit社において熱設計の標準ツールとなっています。その機能と使いやすさによって、熱設計技術者の間で主要な地位を確立しました。ここに示す事例では、Tecnobit社は最大寸法が約10cmの限られた空間に設置可能な、航空電子機器用の専用筐体を設計しました。筐体が完全に密閉されているために、設計の課題は、内部の熱伝導と、ふく射および自然対流による外側表面からの放熱を最大化することでした。当初の設計では明らかに熱の問題を解決できていませんでした。そこで、内部の構造を改良し、発熱部品から筐体パネルへの熱伝導による伝熱量を大きくしました。同時に、周囲への自然対流とふく射による放熱量を増大するために、外側表面への特殊なフィンの設置、表面のサンドブラスト仕上げ、静電塗装といった改良を行いました。これらの改良による効果は試作品を製造することなく評価しました。Flothermによる解析によって短期間での最適な熱設計が可能となり、部品のジャンクション温度を初期の設計に比べて40℃低下させることができました。

お客様の評価

「飛行機の内部で起こりうる厳しい環境条件下における、周囲と電子部品との間の様々な伝熱経路や伝熱メカニズムを理解し最適化するために、 Flothermが必要不可欠なツールとなっています。我々が元々持っていた3次元CADデータをFloMCADを利用して簡略化し、解析用のモデルを短時間で作成しました。Flothermの持つ、電子部品を表現する機能は大きな利点です。部品のデータ表から簡略化した熱設計用データを使用することもできますし、必要に応じて問題となる部品の詳細な3次元データに置き換えることもできます。」
＜ Tecnobit 社 機構設計担当 Jorge Gimenez Romo 氏 ＞