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工程边缘

Fujifilm Frontloads相机设计与Flotherm®配合使用

作者:Kazuya Mayumi,光学器件和电子视频产品开发中心,富士电影控股公司

富士

oUR部门致力于开发高性能、高质量的摄像机,保护摄影文化,发展成像技术。我所属的团队开发了这种相机和镜头的基本技术,并通过运行模拟来支持业务。我从一开始就参与热设计,用模拟工具预测温度。”X-100”富士胶片的X系列数码相机。现在,模拟技术对于当今的产品开发至关重要。

摄像机内产生的热量必须通过多种原因进行管理,例如,在互补金属氧化物半导体(CMOS)电路中,温度升高会通过噪声降低图像质量。还必须限制底盘的温度,以避免用户低温烧伤的风险。出于成本原因,如果在后期设计或原型设计中发现问题,相机内的金属板部件就不能用更好地散热的替代品来替代。

出于这些原因,在原型制作之前必须非常小心。富士胶片从开发之初就承担了以下工作:

  • 给出结构的最优解,作为几种不同设计变化的热模拟结果,,
  • 在不使用任何关联的情况下预测最高温度,和
  • 通过定义哪些部分来完成研究,包括它们的大小和数量,散热结构需要。

该过程如图1所示:该过程始于在Mentor图形公司的Flotherm电子热分析软件中构建的简单分析模型。该过程使用从CAD模型简化而来的几何图形–Fujifilm认为该过程的确切细节是专有的。金宝博滚球专家

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图1。富士胶片相机设计过程
马祖美

“我们用牙线来装填我们的热设计。Flotherm使我们能够尽早探索设计方案,设计最佳的散热方案,与芯片的最终测试结果相比,具有很好的精确度,组件,触摸外壳上的温度。”Kazuya Mayumi光学器件和电子视频产品开发中心,富士电影控股公司

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图2。初始的,中间和最终前载冷却解决方案(预CAD)

通过更新这个分析模型,变更的影响可以立即反馈到设计过程中,开发过程中的前加载模拟。

作为一个例子,富士胶片需要提高热性能,首次将铜热沉和热凝胶引入产品中。在初步设计中,如图2a所示,伴随着牙线的结果,铜散热片只是一个储热装置,因为没有热流通道把热量排出。修改后的设计如图2b所示,将铜散热器连接到机箱上,确保热量可以传输到空气中。然而,温度仍然过高。最终设计迭代,如图2c所示,增大铜板的尺寸,以更好地分散热量,并增加了额外的连接,以改善底盘的热传输。

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使用这种方法,富士胶片能够在设计过程的早期得到非常精确的温度预测。并利用Flotherm对设计的改进结果对CAD模型进行更新。一旦本阶段可用的物理CAD几何结构如图3所示,用于产生热量的CMOS芯片,则在开发过程结束时检查该分析模型的预测精度。封装芯片的组件,以及摄像机外壳上的热点,由于这个热源,并将原型测量结果与Flotherm模型进行了比较。在所有这些包装级别上都显示出良好的一致性。

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图3。不同包装水平下,发泡模型与试验结果一致。

直接在Flotherm中使用CAD数据得出的结果与图3所示的结果非常相似,对于基于简化几何的模型进行分析。CAD几何图形的导入也可以很快地用于设计中。但是,这种方法不受欢迎的原因很简单,即在流程开始时无法获得CAD几何图形。所以这种方法会延迟计算流体力学工作到设计后期,当商业利益的使用计算流体力学更少。然而,必须解决冷却液的要求,并在一开始就调查不同的方案。

对设计工作至关重要的是预测准确温度值的能力,不仅仅是趋势或相对差异。这是因为组件的工作温度受到热限制,以及外壳的最大允许接触温度。

因此,CAE工程师有责任调查仿真结果和测试数据之间的任何差异。这种差异的一个来源可能是用于热源的功率值。对于电气工程师来说,在设计过程中提供保守的功率值是很常见的,即他们高估了20%的实际功率,以确保冷却液足够。然而,这使得无法将模拟结果与测试结果相匹配,因此,富士胶片现在确保电力设计团队与热力设计团队共享的电力估算尽可能准确。

更广泛地说,富士电影认为CAE工程师的理想角色是留在背景中。然而,他们应该积极主动,努力减少设计师的工作量,从而加快设计速度。CAE工程师应将设计优化和改进设计的结果提交给设计师,而不仅仅是报告他们被要求模拟的设计迭代的结果。只有通过这种方式优化设计过程,才能完善产品的设计。

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