伝熱の基礎とExcelによる熱計算演習講座

電子機器冷却や車載機器の温度制御、製造設備の加熱冷却など、最近ではきめ細かな温度管理を必要とする機器が増えています。このような機器の「熱設計」には温度予測が不可欠ですが「熱計算」は基礎式が非線形になる上、伝導、対流、放射という3つの伝熱形態が同時に起こるため複雑です。 　実用的な設計計算を手計算で行なうことは難しく、ついつい高価な数値熱流体解析ソフト (CFD) に頼りがちです。熱設計や熱対策を合理的に行なうには、設計者自身が基本的な伝熱メカニズムを理解し、伝熱基礎式を用いて伝熱現象をモデル化し、論理的な分析ができることが重要です。Excelなどの表計算ツールを用いることで単純な基礎式を組み合わせて、実務的な熱計算を行なうことができるようになります。 　本セミナーでは伝熱現象とこれを表現する基礎式を理解し、これらを組み合わせて実用的な問題を解けるようにします。熱回路網法を用いて複雑な熱モデルの組立てと分析方法についても学び、さらにPythonを使った計算の高速化についても解説します。演習に用いたソフトはセミナー後も各自の熱設計に使用できます。

1. 熱設計の基礎知識
   1. 機器の温度が制限される要因
   2. 熱設計・熱計算の目的
2. 伝熱の基礎
   1. 熱とは何か? 温度とどう違うか?
   2. 熱移動の基礎式
   3. 熱伝導のメカニズムと基礎式
   4. 対流のメカニズム
   5. 平板自然対流・強制対流熱伝達の計算
   6. 放射のメカニズムと基礎式
   7. 放射係数と形態係数
   8. 物質移動による熱輸送の式
   9. 手計算演習
      • 多層基板の計算、自然対流平板の温度予測
3. 温度予測手法とその原理・精度
   1. 基礎式を組み合わせて解く方法
   2. 通風筐体の内部温度の計算
   3. ヒートシンクの計算
   4. モータの吹付ファンによる冷却
   5. 熱回路網法の原理と基本ルール
   6. Excel演習:
      • 多層基板の計算
      • 自然対流・放射平板の温度予測
      • 市販ヒートシンクの性能推定
4. 熱回路網法による定常計算
   1. 放熱プレートの温度分布計算
   2. 熱回路モデルの作り方
   3. 節点の種類と熱抵抗の接続法
   4. Excel演習
      • アルミプレートの温度分布
      • 筐体内部温度と通風口面積
5. 電子機器・基板のモデル化方法
   1. 基板・コイルの等価熱伝導率計算
   2. 接触熱抵抗のメカニズムと計算法
   3. 基板の熱解析 (サーマルビアの効果と有効本数)
   4. 密閉筐体・通風機器の熱回路モデル
   5. 自然空冷・強制空冷筐体の内部温度
   6. Excel演習: 通風口面積と筐体内部空気温度
6. 熱回路網法による非定常計算事例
   1. プレートの温度上昇時間
   2. センサによる温度制御
   3. ヒータのよる温風加熱制御
7. Pythonと連携したマトリクス演算の高速化
   1. Google ColabによるPythonの利用
   2. Excelデータの読み込みと計算法
   3. 疎行列ソルバーで数万メッシュも1秒以下で解ける
• 質疑応答