热设计连载4--从索尼的经历看热设计策略

摄像机“HDR-UX1”索尼在开发AVCHD方式的数字摄像机时也采用了热设计的手法(图4)。直到5年前,该公司一直依赖试制品的热对策部件,采用反复试制、反复调整部件的方法开发产品。索尼正是出于对这些痛苦经历的反省,才得以导入热设计。该公司首次采用AVCHD方式的摄像机“HDR-UX1”在增加新功能的基础上,“实现了比其他公司更小的尺寸”(索尼数字图像业务本部个人视频业务部设计2部1组组长内田顺)。

  不过,摄像机比其他产品的封装密度都要高,利用事后的热对策越来越难以解决散热问题。因此,在更换摄像机记录介质等需要大幅改变设计的时候,事后采取热对策使得开发周期延长,为了避免延期上市,开发人员只好拼命加班,开发人员非常辛苦。
  也有从部件供应商方面致力于热设计的。美国英特尔不仅向客户提供CPU发热信息,还事先调查和开发了与CPU相配的冷却机构,并提供信息(图5)。1999年设立的“筑波移动实验室”的目的也在于支援无法单独进行热设计的笔记本电脑厂商。

热设计是实现小型化的主要因素
图4:热设计是实现小型化的主要因素,最近几年,索尼一直致力于热设计。2006年9月上市的摄像机“HDR-UX1”外形尺寸减至76mm×89mm×165mm,同时采用了编码处理量多以H.264方式编码视频的AVCHD规格。一般,采用H.264方式的产品其编码LSI的发热量会增大,因此难以实现小型化。而该公司指出实现小型化的主要原因是采用热设计。在几年前依赖于热对策时,记录介质发生改变时,最终容易造成发热问题。(照提供片:索尼)
部件厂商提供信息,以用于热设计
图5:部件厂商提供信息,以用于热设计,英特尔为实现热设计,不仅提供CPU的温度信息,还提供冷却方法等。1999年设立“筑波移动实验室”,开始对笔记本电脑等的设计提供支援。目的之一是热设计相关支援。除热流体分析外,还进行实机的温度测量等。(照片提供:英特尔)

“控制热量”的意识增强
很多产品厂商开始热设计的理由主要有两个。一个是“控制热量”的意识在近3年来迅速增强。热设计是将热量从发热部传到散热部,更有效地进行散热的方法。在已经看到散热极限的状态下,只是通过散发热量来单纯降低温度的方法已经无法实现散热,这迫使产品厂商考虑。

  而控制热量中不可或缺的是,通过热设计模拟掌握整个产品的温度分布和空气的流动状态(图6、图7)。通过确认热量聚集在哪里、热量是否均匀分布、气流如何带走热量等问题,最大限度地发挥散热性能。调查温度分布等的方法还有实测法,不过存在的问题是温度的测量点有限,不能直接观察气流。
整个产品的温度分布和空气的流动状态
图6:确认整体的温度分布电装在大幅改变混合动力车功率模块的冷却结构时,采用以前的单面冷却和新引进的双面冷却,模拟了功率模块的温度分布。证实,通过采用双面冷却,能够充分降低功率模块的热电阻。(图片提供:电装)
隐藏的“气流”
图7:可以看到隐藏的“气流” 富士通天在开发“AVN076”等所有1DIN车载导航仪时,都模拟验证了车载导航仪内部的气流。气流原本隐藏在机体和光盘装置中,即使想实测也看不到。过去,制作透明机体的模型进行观察,但问题是难以忠实再现实物。(图片提供:富士通天)

  产品厂商开始热设计的另一个原因是产品开发周期变短。热设计时,主要根据设计数据进行热流体力学模拟,所需时间短,并且能够多次反复进行。即使规模比较大的模拟,也能够在数日~数周内完成。一周内可以尝试多种设计,从中以找出最佳方案。通过进行数次~10次左右的模拟,大都可以确定设计方案。而按照以往热对策的做法,就需要反复试制,无法在较短的开发周期内完成产品开发。

支撑以上两个理由的是热流体模拟精度的提高。过去“热流体模拟的精度很差,结果是为了模拟而模拟”(索尼产品制造技术中心技术开发室统括部长铃木诚)。而经历了这个时期后,各产品厂商都大幅提高了模拟的精度。

  模拟精度得以提高的因素有以下几个。首先是个人电脑等的性能提高,能够在数小时内进行数百万网格的大量计算。另一个主要因素是产品厂商通过积累模拟的经验,提高了精度注6)。

注6)热流体模拟中,利用网格分割模拟对象,将网格上的值用于计算。“2000年前后曾用数十万网格进行计算,而现在增加了一个数量级,达到100万网格”(NEC个人产品部门的大久博充)。原则上说网格数增加,精度就会提高,但计算量也随之增加,模拟会耗费更多时间。另外,计算结果(精度)也因网格切割方法而异。因此,要想在不增加计算量的前提下提高精度,需要有网格的切割经验。

  比如,对于难以模拟的部分,可以采用简易或对试制品进行部分实测,将实测结果反映到模拟中去。另外,通过比较以往的模拟结果和试制品的实测数据,开发出了高精度的建模方法和网格分割方法等。

  虽然各厂商未公布详细结果,但这种做法似乎大幅提高了模拟的精度。过去一般认为,通过模拟得到的产品各部分温度的绝对值不能直接使用,而现在已经有厂商将模拟和实测的误差控制在了1~2℃(图8)。(未完待续)
汽车用LED前照灯试制品温度模拟
图8:提高精度,使其“能够使用” 市光工业对汽车用LED前照灯试制品进行了温度模拟。环境温度为27.7℃。图为各LED中最热部分的温度。比较模拟温度和采用试制品的实测温度以确认误差,发现只有误差2℃左右。(图片提供:市光工业)

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评论

星期四, 09/09/2010 - 14:47 — test3c

有启发.

jiangxu

星期五, 07/09/2010 - 07:25 — xujian2000