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例題３２ 過渡発熱を一定温度範囲で制御する解析
本例題について
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基板上に発熱体が2つ配置されており、その熱が基板の周囲全体から自然対流により
空気中に放熱している状態を過渡解析した例を示します。
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発熱体であるメインチップは、サブチップが一定温度範囲内になるように制御されます。（サーモスタット制御）
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モデルは、例題１９ 発熱に時間依存性があるモデル（過渡解析）と同じモデルを使用します。
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温度分布や熱流束ベクトルを解析結果として見ることができます。
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表に記載されていない条件はデフォルトの条件を使用します。
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Femtetのバージョンや環境により結果が多少ことなります。
解析モデルダウンロード
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プロジェクトファイルをダウンロード（右クリックし、名前を付けてリンク先を保存してください。）
解析空間
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項目 |
条件 |
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解析空間 |
3次元 |
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モデル単位 |
mm |
解析条件
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項目 |
条件 |
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熱伝導解析[Watt] |
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解析の種類 |
過渡解析 |
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解析オプション |
なし |
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5[mm] |
過渡解析タブにて以下のように設定しています。ステップ数は20で時間ステップは60秒
としていますので初期温度25度から1200秒間における温度分布の変化を解析すること
ができます。
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タブ設定 |
設定項目 |
条件 |
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過渡解析 |
表 |
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初期温度 |
25 [deg] |
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モニタリング |
温度 |
ボディ属性/SUBCHIP/最大値を追加 |
モデル図
例題７、例題１４と同じモデルを用いています。材料定数、境界条件も同じです。
モデル図
ボディ属性および材料の設定
ビアホール（ＨＯＬＥ）周辺では熱流束が大きく変化することが予想されますのでメッシュサイズを
個別設定しています。
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ボディ No./ボディタイプ |
ボディ属性名 |
材料名 |
メッシュサイズ |
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0/Solid |
SUB |
006_ガラスエポキシ※１ |
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1/Solid |
GND |
008_銅Cu※１ |
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2/Solid |
MAINCHIP |
001_アルミナ※２ |
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3/Solid |
SUBSHIP |
001_アルミナ※２ |
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4/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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5/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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6/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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7/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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8/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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9/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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10/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
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11/Solid |
HOLE |
008_銅Cu※１ |
0.5 |
※１ 材料データベースを利用
※２ 材料データベースを利用しますが、材料データベースに比熱は入っていませんので、比熱として800[J/kg/deg]を入力します。
MAINCHIPおよびSUBCHIPでの発熱量を以下のように設定しています。
MAINCHIPの発熱量に温度制御設定を適用します。解析条件＞モニタリングタブから追加したモニタリング情報を使って、モニター対象温度を指定します。
また、制御温度からそのモニター点での温度範囲を指定します。
下記の設定により、SUBCHIP最大値が31℃～32℃の範囲になるようにMAINCHIPの発熱をON/OFFする制御（サーモスタット制御）の設定ができます。
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ボディ属性名 |
タブ |
設定 |
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MAINCHIP |
発熱量 |
0.2[W]
モニター温度で制御するにチェック モニター対象温度：ボディ属性/SUBCHIP/最大値 制御温度：上限32℃、下限31℃ |
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SUBCHIP |
発熱量 |
0[W] |
境界条件
外部境界条件（モデルの周囲）に自然対流（係数自動計算）を設定しています。
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境界条件名/トポロジ |
タブ |
境界条件の種類 |
条件 |
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外部境界条件 |
熱 |
熱伝達・対流 |
自然対流（係数自動計算） 室温： 25[deg] |
※自然対流の係数は自動的に算出されます。詳細は「熱タブ」を参照してください。
解析結果
SUBCHIPの最大温度を横軸時間でプロットしたグラフを示します。
グラフを見ると、温度が概ね31-32℃の範囲で制御されていることがわかります。
上限温度32℃を超えるとMAINCHIPの発熱がOff（=0W）になるためSUBCHIPの温度が下がり、下限温度31℃を下回るとMAINCHIPの発熱が再びOｎ(=0.2W)になるためSUBCHPの温度が上がっています。
このとき、下限温度側で発熱切り替えしてすぐSUBCHIPの温度に反映されていないのは、MAINCHIPとSUBCHIPに距離があり、発熱の影響がすぐに伝わらないからだと考えられます。
実際に切り替わりの発生する540sと600sの温度と発熱密度を示します。
温度540s
温度600s
発熱密度540s
発熱密度600s
最高温度を見ると、発熱On/Off前後で下がっており、発熱Offにした影響がでていることがわかります。
また、発熱密度を見ても、発熱On/Offが反映されていることがわかります。