Electronics & Semiconductors Simcenter
CP&R 분야를 위한 Simcenter 시뮬레이션 및 테스트 자료
MARUMO ELECTRIC
Lighting manufacturer uses Simcenter STAR-CCM+ to enhance spotlight design and eliminate rework
조명 제조업체는 Simcenter STAR-CCM +를 사용하여 스포트라이트 디자인을 개선하고 재 작업을 제거합니다.
Implementing CFD means reworking has been eliminated. We repeated producing actual devices and testing them before we adopted Simcenter STAR-CCM+. Simcenter STAR-CCM+ has made efficient development possible.
무대 조명 전문 제조업체 마루 모 전기 (주) (마루 모 전기)는 무대 및 TV 스튜디오 프로덕션 조명 장비 제조업체로서 조명기구 및 조광 시스템을 개발, 제조 및 설치합니다. 이 회사는 일본에서 큰 시장 점유율을 차지하고 있으며 가부키자 극장과 도쿄의 새로운 국립 극장을 포함한 주요 극장 및 강당과 호텔, 학교 및 기타 시설의 무대 조명을 처리했습니다.
마루 모 전기는 1919 년 도쿄에서 설립되어 2019 년 100 주년을 맞이합니다. 원래는 고압 배전반, 계통 저항기, 탐조등 등을 제조하기 위해 설립되었지만 1923 년 간토 대지진이 발생했을 때 전체적으로 엄청난 피해를 입혔습니다. 이 지역은 무대 조명 전문 업체가되면서 회사의 전환점이되었습니다. 일본의 전통 예능 중 하나 인 가부키 공연을 전담하는 가부키자 극장은 1921 년 합선으로 인한 화재로 소실 된 후 재건 중이며 지진으로 다시 손상되었습니다.
가부키자 극장이 재건 될 당시 국내에서 제조 된 무대 조명용 디밍 장치는 아직 존재하지 않았고, 유사한 제품은 지멘스와 제너럴 일렉트릭 (GE)이 해외에서만 제조했습니다. 그러나 일본 산 아이템에 대한 수요가 많았고 마루 모 전기의 창업자 마루 모 토미 지로가 조명 디자인부터 시스템 개발까지 모든 것을 맡았다. 마루 모 일렉트릭은 일본에서 생산 된 무대 조명을 제조하는 선구자가되었고 회사의 제품 모델명은 일반적으로 사용되는 산업 품목의 대명사가되었습니다.
무대 조명이란?
조명은 무대에서 나무, 파도, 구름 및 달을 통해 필터링되는 햇빛과 같은 이미지를 투사하는 데 사용됩니다. 또는 공간이 제한된 무대에서 빛나는 조명은 3 차원 공간 묘사를 불러 일으킬뿐만 아니라 시간 변화와 같은 안무 효과에도 사용됩니다. 또한 청중이 공연자를 보는 방식에도 영향을 미칩니다. 무대 조명 장비는 크게 세 가지 유형으로 나뉩니다.
스포트라이트 : 특정 영역 강조
● 투광 조명 : 무대 전체를 균일하게 비춥니다.
● 특수 효과 장치 : 장비를 사용하여 바람, 파도 및 불꽃과 같은 이미지를 생성합니다.
● 이러한 유형의 조명 중 약 1,000 개가 극장의 무대 위에 매달려 있습니다.
무대의 날개에있는 다양한 스탠드에 스포트라이트를 비추는 평면 조명이 무대에 설치되며 조광기를 통해 이러한 조명에 전기가 공급됩니다. 디머 콘솔로 모든 것이 한곳에서 제어됩니다.
스포트라이트에는 단일 렌즈와 이미징 광학 시스템의 두 가지 유형이 있습니다. 단일 렌즈 광학 시스템은 단일 광원과 단일 렌즈로 구성되며 이미징 광학 시스템은 광원에서 방출되는 빔을 전면 렌즈에 투사합니다. 이 프로젝트의 목적은 단일 렌즈 광학 시스템 스포트라이트를 설계하고 개발하는 것이 었습니다.
Why simulations were needed
무대 조명에서는 불규칙성이 허용되지 않으므로 형광등이나 방전 램프와 같은 광원을 사용할 수 없습니다. 이것이 할로겐 전구가 광원으로 사용되는 이유입니다. 백열등과 같은 일반 조명에 비해이 할로겐 전구는 500 ~ 10,000 와트의 전력을 가지며 많은 양의 열을 발생시킵니다. 할로겐 전구는 현재 무대와 스튜디오의 90 %에서 사용됩니다.
그러나 최근 COB (Chip on Board) LED로 알려진 기술이 발전함에 따라 LED (Light-Emitting Diode)를 사용하는 조명기구의 수도 증가하고 있으며, LED로 완전히 전환 한 스튜디오의 수도 증가하고 있습니다. 고밀도로 장착 된이 COB LED는 또한 높은 발광 효율을 가지며 열을 잘 분산시킵니다. LED의 발광 효율은 120 루멘 / 와트 (Lm / W), 할로겐 전구의 20Lm / W 효율의 약 6 배, 약 160 와트에서 약 1,000 와트 할로겐 전구의 광도를 얻을 수 있습니다. 그러나 COB 조명은 고밀도의 LED가 장착되어 있고 LED는 열에 특성상 민감하기 때문에 열유속이 큰 문제가 있습니다. LED에서 발생하는 열은 성능을 저하시키고 수명을 단축 시키며 때로는 고장을 초래합니다.
또한 무대 조명은 극장 및 스튜디오 조명을위한 것이기 때문에 조명이 의도하지 않은 방향으로 스며 나와서는 안됩니다. 따라서 설계에는이를 설명하는 통풍구와 냉각 채널이있는 하우징이 포함되어야합니다.
또한 조명은 무대 위에 매달리기 때문에 가벼워 야합니다. 핀은 방열 목적으로 여유를 제공하는 데 필요한 것보다 크게 설계되었습니다. 그러나 무게를 두 배로 늘리면 매달릴 수있는 조명의 수가 절반으로 줄어들 기 때문에 조명이 충분하지 않을 수 있습니다.
이는 냉각을위한 정교한 열 설계와 더 가벼운 무게가 필요함을 의미합니다. 마루 모 일렉트릭은 LED를 이용한 스포트라이트에 대한 유체-고체 결합 분석을 사용하는 모델 기반 개발 계획을 고안하는 데 어려움을 겪었습니다.
Why use simulation
최근 LED 혁신으로 인해 시장 수요에 대응하기 위해 다양한 유형의 조명이 개발되었습니다. LED를 광원으로 사용하려면 세 가지 종류의 디자인이 필요합니다. 광학 및 방열 디자인과 매력적인 조명을 만들기위한 조광 회로 디자인입니다. 시뮬레이션을 채택하는 것은 이러한 작업을 동시에 수행하는 데 필수적이었습니다.
Simcenter ™ 포트폴리오의 일부인 Siemens Digital Industries Software의 Simcenter STAR-CCM + ™ 소프트웨어를 도입하기 전에 광학 설계 용 소프트웨어와 열 설계 및 전기장 및 열 전달 분석을위한 유한 요소 방법 (FEM) 구조 분석을 결합한 패키지를 사용했습니다. . 이 열 전달 분석 도구 덕분에 열 방출에 필요한 것보다 더 큰 핀을 부착하기 위해 더 적은 설계가 필요했습니다. 그러나 유체 분석 기능이 없기 때문에 유체와 고체 사이의 열 전달을 분석 할 수 없었습니다.
또한 조명기구에서 빛이 새지 않아야합니다. 따라서 하우징 통풍구는 미로처럼 설계되었습니다. 핵심은 차폐와 냉각 사이의 균형을 찾는 것입니다. 유체 흐름은 열 전달 분석만으로는 분석 할 수 없으며 내부 온도가 크게 상승 할 때까지 문제가 없다고 판단 된 조명 설계에서 문제가 발생했습니다. 이것은 고급 유체 분석 도구를 도입하려는 생각의 원동력이되었습니다.
Marumo Electric은 Simcenter STAR-CCM +를 선택한 이유는 일본어와 호환되는 GUI (그래픽 사용자 인터페이스)가 있고 사용자 친화적이며 분석 결과를 쉽게 시각화 할 수 있기 때문입니다.
Simulation methods and results
Marumo Electric은 CAD (Computer-Aided Design) 용 Parasolid® 소프트웨어를 사용하여 해석 모델의 지오메트리를 생성합니다. 모델은 방열판 구성 요소 (열면, 핀 및 히트 파이프를 보여주는 그림 6)와 광원 구성 요소 (기판, LED 칩 및 인광체를 보여주는 그림 7)로 구성됩니다. 수많은 LED 칩이 장치에 행으로 배열되어 있지만 (그림 7 참조), LED 칩은 분석 모델을위한 메시 생성에 소요되는 메시 수와 노동 시간을 줄이기 위해 단순화되었습니다.
또한 Marumo Electric은 Design Manager 추가 도구 (이전의 Optimate +)를 사용하여 방열판의 히트 파이프가 부착 될 위치의 설계를 탐색했습니다.
Marumo Electric은 대기 영역의 단단한 부분 주위에 구체를 만들었습니다. 그림 8은 방열판과 광원을 결합한 솔리드 부품의 메시를 보여줍니다. 그들은 메쉬 유형에 다면체 메쉬를 사용하고 경계 레이어에서 좋은 정확성을 보장 할 수 있도록 벽 표면에 레이어 메쉬를 만들었습니다. 마루 모 일렉트릭은 또한 솔리드 부품 사이의 열 전달을 분석하기 위해 메쉬를 만들었습니다. 그들은 주로 솔리드 부품에 다면체 메쉬를 사용하고 핀 구성 요소의 메쉬 수를 줄이기 위해 레이어드 메쉬를 생성하기 위해 얇은 메쉬를 사용했습니다.
공기를 유체로 지정하여 Marumo Electric은 밀도에 대해 이상 기체 상태 방정식을 사용했습니다. 그들은 방열판과 기판의 고체 특성에 알루미늄을, LED 칩에 질화 갈륨 (GaN)을, 형광체에 "YAG"라고하는 이트륨, 알루미늄 및 가넷 합금을 사용했습니다. 경계 조건은 해석을 위해 전체 3D 모델을 사용하여 유체 주변의 압력 출구 경계로 정의되었으며, 정상 상태 분석을 사용하여 난류 모델에 실현 가능한 K-ε 모델이 사용되었습니다.
결과적으로 LED 부품 중앙의 고체 온도는 98.8ºC, 방열판 핀 밑면의 가장자리는 74.8ºC, 가열 표면의 가장자리는 86.5ºC입니다. 이를 통해 Marumo Electric은 열 확산 요구 사항이 충족되고 있는지 확인할 수있었습니다. 중력의 방향은 그림 9의 이미지 하단을 향하므로 온도는 핀 하단으로 갈수록 낮아집니다. 그림 10은 온도 분포를 보여주는 핀의 단면을 보여줍니다. 각 핀의 온도 구배도 작으며 결과는 이질적입니다. 그림 11은 자연 대류의 유동장을 보여 주며, 핀 사이의 유동도 매끄 럽기 때문에 핀 피치에 문제가 없음을 확인할 수있었습니다.
정확성을 검증하기위한 실험도이 프로젝트를 위해 수행되었습니다. 그림 12는 테스트 장치를 보여줍니다. 프로젝트를 시작할 때 온도에 대한 분석 값이 측정 된 값보다 높아지는 문제가있었습니다. 마루 모 전기는 그리스가 장치에 미치는 영향과 부품의 전력 및 광도의 차이로 인해 고체 간 열 저항 값의 차이로 인해 고체 간의 열 저항을 확인할 수있었습니다.
이제 Marumo Electric은 보정을 사용하여 측정 값과 거의 동일한 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
설계, 테스트, 재 설계 및 테스트의주기를 포함하는 조명 개발을위한 정상적인 1 년 기간 동안 Marumo Electric은 두 장치의 테스트를 완료했을 것입니다. 그런 이유로 그들은 큰 지느러미를 디자인하면서 디자인의 무게를 희생했습니다. 그러나 Simcenter STAR-CCM +를 배포함으로써 Marumo Electric에서 제품을 설계하는 방식이 크게 바뀌어 개발 시간과 제작 된 테스트 장치 수가 35 % 단축되었습니다. Marumo 장비 개발 부서의 전산 유체 역학 (CFD) 엔지니어 인 Ryosuke Wakabayashi는“CFD를 구현하면 재 작업이 제거되었습니다. Simcenter STAR-CCM +를 채택하기 전에 실제 장치를 생산하고 테스트를 반복했습니다. Simcenter STAR-CCM +는 효율적인 개발을 가능하게했습니다.”
또한 마루 모 일렉트릭은 냉각 성능을 정확하게 예측할 수 있으며, 이는 조명의 방열 장치 무게를 50 % 줄이는 데에도 유용했습니다.
"지금까지 설계 단계에서 우리는 열 확산에 대한 여지를 남겨두기 위해 대형 핀을 설계했습니다."라고 개발 부서의 선임 관리자 인 Hisashi Asakawa가 말합니다. "Simcenter STAR-CCM +는 냉각 성능 시뮬레이션을 가능하게하여 최적의 설계를 가능하게했으며 결과적으로 조명을 더 밝게 만드는데도 유용했습니다."
Marumo Electric은 CAD (Computer-Aided Design) 용 Parasolid® 소프트웨어를 사용하여 해석 모델의 지오메트리를 생성합니다. 모델은 방열판 구성 요소 (열면, 핀 및 히트 파이프를 보여주는 그림 6)와 광원 구성 요소 (기판, LED 칩 및 인광체를 보여주는 그림 7)로 구성됩니다. 수많은 LED 칩이 장치에 행으로 배열되어 있지만 (그림 7 참조), LED 칩은 분석 모델을위한 메시 생성에 소요되는 메시 수와 노동 시간을 줄이기 위해 단순화되었습니다.
또한 Marumo Electric은 Design Manager 추가 도구 (이전의 Optimate +)를 사용하여 방열판의 히트 파이프가 부착 될 위치의 설계를 탐색했습니다.
Marumo Electric은 대기 영역의 단단한 부분 주위에 구체를 만들었습니다. 그림 8은 방열판과 광원을 결합한 솔리드 부품의 메시를 보여줍니다. 그들은 메쉬 유형에 다면체 메쉬를 사용하고 경계 레이어에서 좋은 정확성을 보장 할 수 있도록 벽 표면에 레이어 메쉬를 만들었습니다. 마루 모 일렉트릭은 또한 솔리드 부품 사이의 열 전달을 분석하기 위해 메쉬를 만들었습니다. 그들은 주로 솔리드 부품에 다면체 메쉬를 사용하고 핀 구성 요소의 메쉬 수를 줄이기 위해 레이어드 메쉬를 생성하기 위해 얇은 메쉬를 사용했습니다.
공기를 유체로 지정하여 Marumo Electric은 밀도에 대해 이상 기체 상태 방정식을 사용했습니다. 그들은 방열판과 기판의 고체 특성에 알루미늄을, LED 칩에 질화 갈륨 (GaN)을, 형광체에 "YAG"라고하는 이트륨, 알루미늄 및 가넷 합금을 사용했습니다. 경계 조건은 해석을 위해 전체 3D 모델을 사용하여 유체 주변의 압력 출구 경계로 정의되었으며, 정상 상태 분석을 사용하여 난류 모델에 실현 가능한 K-ε 모델이 사용되었습니다.
결과적으로 LED 부품 중앙의 고체 온도는 98.8ºC, 방열판 핀 밑면의 가장자리는 74.8ºC, 가열 표면의 가장자리는 86.5ºC입니다. 이를 통해 Marumo Electric은 열 확산 요구 사항이 충족되고 있는지 확인할 수있었습니다. 중력의 방향은 그림 9의 이미지 하단을 향하므로 온도는 핀 하단으로 갈수록 낮아집니다. 그림 10은 온도 분포를 보여주는 핀의 단면을 보여줍니다. 각 핀의 온도 구배도 작으며 결과는 이질적입니다. 그림 11은 자연 대류의 유동장을 보여 주며, 핀 사이의 유동도 매끄 럽기 때문에 핀 피치에 문제가 없음을 확인할 수있었습니다.
정확성을 검증하기위한 실험도이 프로젝트를 위해 수행되었습니다. 그림 12는 테스트 장치를 보여줍니다. 프로젝트를 시작할 때 온도에 대한 분석 값이 측정 된 값보다 높아지는 문제가있었습니다. 마루 모 전기는 그리스가 장치에 미치는 영향과 부품의 전력 및 광도의 차이로 인해 고체 간 열 저항 값의 차이로 인해 고체 간의 열 저항을 확인할 수있었습니다.
이제 Marumo Electric은 보정을 사용하여 측정 값과 거의 동일한 정확한 결과를 얻을 수 있습니다.
설계, 테스트, 재 설계 및 테스트의주기를 포함하는 조명 개발을위한 정상적인 1 년 기간 동안 Marumo Electric은 두 장치의 테스트를 완료했을 것입니다. 그런 이유로 그들은 큰 지느러미를 디자인하면서 디자인의 무게를 희생했습니다. 그러나 Simcenter STAR-CCM +를 배포함으로써 Marumo Electric에서 제품을 설계하는 방식이 크게 바뀌어 개발 시간과 제작 된 테스트 장치 수가 35 % 단축되었습니다. Marumo 장비 개발 부서의 전산 유체 역학 (CFD) 엔지니어 인 Ryosuke Wakabayashi는“CFD를 구현하면 재 작업이 제거되었습니다. Simcenter STAR-CCM +를 채택하기 전에 실제 장치를 생산하고 테스트를 반복했습니다. Simcenter STAR-CCM +는 효율적인 개발을 가능하게했습니다.”
또한 마루 모 일렉트릭은 냉각 성능을 정확하게 예측할 수 있으며, 이는 조명의 방열 장치 무게를 50 % 줄이는 데에도 유용했습니다.
"지금까지 설계 단계에서 우리는 열 확산에 대한 여지를 남겨두기 위해 대형 핀을 설계했습니다."라고 개발 부서의 선임 관리자 인 Hisashi Asakawa가 말합니다. "Simcenter STAR-CCM +는 냉각 성능 시뮬레이션을 가능하게하여 최적의 설계를 가능하게했으며 결과적으로 조명을 더 밝게 만드는데도 유용했습니다."
Breaking new ground
Marumo Electric은 이제 팬을 통한 강제 대류 냉각과 관련된 더 복잡한 시뮬레이션을 수행 할 수있게되었으며 Simcenter STAR-CCM +의 사용은 제품 개발 프로세스에 점점 더 많은 영향을 미치고 있습니다. "Simcenter STAR-CCM +를 설치함으로써 우리는 할 수 없었던 일을 할 수있었습니다."라고 Asakawa는 말합니다. "이것이 가장 중요합니다."
Siemens Digital Industries Software는 Marumo Electric에 Simcenter 포트폴리오와 Simcenter STAR-CCM +를 계속 공급하여 디지털 트윈을 사용하는 제품 설계에서 예측 엔지니어링 분석을 촉진하고 일본 무대 조명 장비의 발전에 기여할 것입니다.
Marumo Electric은 이제 팬을 통한 강제 대류 냉각과 관련된 더 복잡한 시뮬레이션을 수행 할 수있게되었으며 Simcenter STAR-CCM +의 사용은 제품 개발 프로세스에 점점 더 많은 영향을 미치고 있습니다. "Simcenter STAR-CCM +를 설치함으로써 우리는 할 수 없었던 일을 할 수있었습니다."라고 Asakawa는 말합니다. "이것이 가장 중요합니다."
Siemens Digital Industries Software는 Marumo Electric에 Simcenter 포트폴리오와 Simcenter STAR-CCM +를 계속 공급하여 디지털 트윈을 사용하는 제품 설계에서 예측 엔지니어링 분석을 촉진하고 일본 무대 조명 장비의 발전에 기여할 것입니다.
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