設計の試行錯誤を変えた、新たな熱流体解析ソフトウェア

ホーム > 熱設計トレーニング > 【基礎編】2.2 強制対流熱伝達(2)角柱

基礎編2. 対流2.2 強制対流熱伝達(2)角柱

このトレーニングで学ぶこと

電子機器の中には、プリント基板上に抵抗体・コンデンサ・コイル・CPUなどの素子に比べて、大きな部品が実装されることがあります(下図)。
 このような大きな部品には風が衝突して流れる現象がみられ、その際に空気による強制対流熱伝達で冷却されることがわかっています。

 このように部品に風が衝突して流れる場合、
  @物体の表面の位置により、どのように冷却効果が異なるのでしょうか?
  A物体の大きさにより、どのように冷却効果が異なるのでしょうか?
  B物体の背後にある部品の冷却効果は、どのような影響を受けるのでしょうか?
 考えてみましょう。

問題1初級
温度20℃、風速2m/sの流れの中に、1辺の長さが20mmの正方形角柱が下図のように配置されています。この角柱の各面(a)・(b)・(c)・(d)は単位面積あたり同じ発熱密度2,500W/m2で一様に発熱しています。
 (a)・(b)・(c)・(d)のうち、最も温度が低くなる面はどこでしょうか?
※角柱内部は熱移動しない(断熱)条件とします。

各表面の単位面積当たりの発熱量は
どれも同じだよ!

解答を見る
答1
答えは (a)です。

FlowDesignerで検証

FlowDesignerで角柱各面の温度を計算した結果を下図に示します。
 風が衝突する風上側正面の温度が低いことがわかります。
 ちなみに、角柱周囲で空気温度が層状に高くなっている層を温度境界層と言います。対流熱伝達では温度境界層の厚さが小さいほど熱が伝わりやすく、固体壁の温度は低くなります。
 今回のように、流れが面に衝突する部分で境界層厚さが最も小さくなります。

閉じる
問題2初級
温度20℃、風速2m/sの流れの中に、1辺の長さがそれぞれ異なる立方体の銅製(熱伝導率k=400W/m・K)の角柱(a)・(b)・(c)が下図のように配置されています。この角柱は単位体積あたり同じ発熱密度2,000,000W/m3で一様に発熱しています。
 (a)・(b)・(c)の角柱のうち、最も温度が高いものはどれでしょうか?

解答を見る
答2
答えは (c)です。

FlowDesignerで検証

Q1と同様に温度境界層に注目してみると、角柱の後方になるほど温度境界層が大きくなっていることがわかります。
 一般的には物体の体積が大きいほど全体の平均的な境界層厚さが大きくなり、物体表面から空気への熱伝達率が小さくなります。

閉じる
問題3初級
温度20℃、風速2m/sの流れの中に、プリント基板上で20mm角の発熱素子@〜Dが下図のように配置されており、単位面積あたり同じ発熱密度5,000W/m2で一様に発熱しています。
 また、プリント基板の風上側には高さ15mmの遮蔽板が設置されているため、風はプリント基板に直接当たることなく風下側へ流れることになります。
 @〜Dのうち、最も温度が低くなる発熱素子はどれでしょうか?

解答を見る
答3
答えはBです。

FlowDesignerで検証

遮蔽板に当たった風は一旦はね上がります(これをはく離と言います)が、途中からプリント基板に向かって流れ落ちて基板上に衝突する様子がみられます。この衝突する場所のことを再付着点と言います。
 再付着点付近にある発熱素子は温度境界層の厚さが小さくなり熱伝達率が大きくなるため、温度が低くなります。

閉じる

ページのトップへ

  • FlowDesignerフォーラム&新製品発表会 2017年11月30日(木)開催!詳しくはこちら
  • 建築業 意匠設計 FlowDesigner体感セミナー 設計データをそのまま活かせる! BIMと連係した流体解析ソフト。全国で開催!詳しくはこちら
  • 製造業 電気・機械 FlowDesigner熱設計セミナー 試作実験の回数を最小化できる!逆解析で改善ポイントを可視化!全国で開催!詳しくはこちら

製品・サービスのお問い合わせ

製品・サービスのお問い合わせ

FlowDesigner や受託サービスなど気軽にお問い合わせください。

製品・サービスのお問い合わせ

 

パンフレットダウンロード

よくある質問

製品別によくある質問と答え(FAQ)をまとめました。

解析動画集

FlowDesignerによる解析例を動画でご覧ください。

お客様の声

FlowDesignerを使用したお客様からの感想です。