JP2001105829A - 車両の熱管理システムの設計方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンピューター支援の設計技術やエンジニア
リング技術を用いた車両用熱管理システムの設計手法を
提供して、熱的性能を最適化し乗員の温度快適性を最大
化する。 【解決手段】 本発明による方法は、車両のパラメトリ
ック・ソリッド・モデルを決定する工程と、上記車両の
パラメトリック・ソリッド・モデルに基づいて、該車両
の外部放熱量を決定する工程と、を有する。その方法は
さらに、車両の内部熱管理システムのパラメトリック・
ソリッド・モデルを決定する工程と、上記内部熱管理シ
ステムのパラメトリック・ソリッド・モデルと上記車両
の外部放熱量とに基づいて、該車両内部の内部放熱量を
決定する工程と、を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、概略的にはコンピ
ューター支援車両設計に関し、より具体的には、車両の
熱管理システムを設計する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両、特に自動車の設計は、仮想空間で
新型車両を開発するためコンピューター支援設計技術が
頻繁に活用される状況にまで進歩してきた。コンピュー
ター支援設計は、車両のシステムの設計や機能面での能
力を最大化するために、車両内部に組み込まれる種々の
システムを最適化するにあたり、特に有利である。車両
システムの一例として、パワートレインの冷却と空調制
御を行う熱管理システムがある。パワートレイン冷却シ
ステムは、車両のエンジン・ルーム内の温度を維持す
る。空調制御システムは、暖房、冷房及び換気を行うこ
とにより車両の客室温度を快適なレベルに維持する。

【０００３】熱管理システムの様な、車両システムの設
計業務における観点の一つは、そのシステムが、特定の
環境に対して空間的な互換性があることを保証すること
である。設計業務の別の観点は、要求される性能及び耐
久性要件を含む所定の機能要件についてのその設計の適
合性を保証することである。従来、設計案がその様な所
定の要因に合致するかどうかを判断するため、種々の方
法が用いられてきた。例えば、設計案は、製図の繰返し
を多く必要とする二次元解析が行われる場合がある。そ
の設計についてより良い検討を行うために、三次元モデ
ルが作られることもある。三次元モデルはさらに、性能
や耐久性要件に適合するかどうかを判断するための試験
に供される場合もある。この様な方法は、時間を浪費し
高価である。

【０００４】知識ベースの設計手法が車両システムの設
計に活用されていることは、よく知られている。知識ベ
ースの設計手法は、その設計の使用環境ベースの手法を
用いる設計者に対して助言を与える。有利なことに、知
識ベースの設計技術は知識を最大限活用しながら、新た
な車両システムを最小期間で開発できる。知識ベースの
設計技術の一例が、名称が”Method For Optimizing Th
e Design Of A ProductUsing Knowledge Based Enginee
ring Techniques”である米国特許第5,799,293号に開示
されており、ここでは参照によりその開示事項が本明細
書に組み込まれている。

【０００５】車両システムを設計するのに、コンピュー
ター支援技術を用いることがよく知られている。コンピ
ューター支援設計技術の一例が、名称が”Method and S
ystemFor Vehicle Design Using Occupant Reach Zone
s”である1997年12月4日の米国特許出願08/984,806号に
開示されており、ここでは参照によりその開示事項が本
明細書に組み込まれる。別の例が、名称が”Method For
Designing A HVAC AirHandling Assembly For A Clima
te Control System”である1999年7月19日の米国特許出
願08/356,576号に開示されており、ここでは参照により
その開示事項が本明細書に組み込まれる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述の設計技術は充分
に機能するものの、車両用熱管理システムの設計に伴う
特定の機能性及び快適性要件を考慮していない。それ
で、この分野においては、熱的性能を最適化し乗員の熱
的快適性要件を最大化するコンピューター支援の設計そ
してエンジニアリング技術を用いた車両用熱管理システ
ムの設計手法を提供する必要性がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】それで、本発明は、車両
用の熱管理システムを設計するための方法である。その
方法は、車両のパラメトリック・ソリッド・モデルを決
定する工程と、上記車両のパラメトリック・ソリッド・
モデルに基づいて、該車両の外部放熱量を決定する工程
と、を有する。その方法はさらに、車両の内部熱管理シ
ステムのパラメトリック・ソリッド・モデルを決定する
工程と、上記内部熱管理システムのパラメトリック・ソ
リッド・モデルと上記車両の外部放熱量とに基づいて、
上記車両内部の内部放熱量を決定する工程と、を有す
る。

【０００８】

【発明の効果】本発明の利点は、設計期間とそれに付随
するコストを大幅に低減する、改良された車両用熱管理
システムの設計方法を提供できることである。本発明の
別の利点は、車両外部と車両内部両方の車両熱管理要件
を考慮した、車両用熱管理システムの設計方法を提供で
きることである。本発明のまた別の利点は、設計工程の
早い段階での乗員の熱的快適性の解析を可能にする、車
両用熱管理システムの設計方法を提供できることであ
る。さらに別の本発明の利点は、コンピューター支援エ
ンジニアリング解析（computer-aided engineering ana
lysis、略してCAE）と迅速な試作を支援する、車両用熱
管理システムの設計方法を提供できることである。又更
なる本発明の利点は、車両開発期間を一層考慮し、客観
的情報に基づく設計事項の意思決定を強化した、車両用
熱管理システムの設計方法を提供できることである。ま
た別の本発明の利点は、車両開発期間への考慮を満たし
つつシステム設計における柔軟性を高めた、車両用熱管
理システムの設計方法を提供できることである。また更
に別の本発明の利点は、所定の要件を考慮しつつパラメ
ーターによる自動設計技術を用いた、車両用熱管理シス
テムの設計方法を提供できることである。

【０００９】本発明の他の特徴や利点は、添付の図面を
組み合わせて以下の詳細な説明を読んだ後に、即座に明
確となり、同様により充分に理解されるであろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】車両の設計、特に車両の熱管理シ
ステムの設計が、一般的なパラメーターによる設計過程
を持つ本発明に従い、実現される。有利な点としては、
この過程が、車両の設計における柔軟性と、従来の設計
手法の使用に必要な時間の数分の一の時間での設計のエ
ンジニアリング解析を、可能にすることである。莫大な
時間とコストの節約のため、ソリッド・モデリング、パ
ラメトリック・デザイン、自動検討、及び標準部品ライ
ブラリとも称される非パラメトリック構成部品ライブラ
リなどを含む、種々のコンピューター・ベースのツール
が組み込まれる。

【００１１】図面、特に図１を参照すると、本発明によ
る車両の熱管理システムの設計方法に使用されるツール
100が、図示されている。ツール100は、電子記憶装置
（不図示）に記憶された構成部品ライブラリ112を含
む。構成部品ライブラリ112は、車両の熱管理システム
に使用される種々の形式の構成部品の電子的表現を提供
するデータベースであり、後で詳述する。構成部品ライ
ブラリ112はまた、種々の形式の熱管理システム構成に
関する情報も電子的形態で有しており、後で詳述する。
システムの熱管理能力を評価するために、これらの構成
部品の検討を行なうことが出来る。

【００１２】ツール100には、電子的記憶装置に記憶さ
れた車両ライブラリ114も格納される。車両ライブラリ1
14は、車両モデル又はその部分の電子的表現データであ
る。例えば、車両ライブラリ114は、車両の客室部分に
関する情報を含み得る。車両ライブラリ114と構成部品
ライブラリ112は、共通の電子的記憶装置に格納され得
ることが、理解されるはずである。

【００１３】ツール100はまた、本発明の設計方法にて
使用され得る、概略的に図示符号116にて示される種々
の設計ツールを有しても良く、これは後で詳述する。こ
れらの設計ツール116には、ソリッド・モデリング技術
とパラメトリック・デザイン技術が含まれる場合もあ
る。ソリッド・モデリングは、例えば、電子的に格納さ
れた車両モデル・データを車両ライブラリ114から、標
準構成部品データを構成部品ライブラリ112から取得
し、そして部品対部品解析、あるいは完全組立体解析の
ための複合形状モデルを形成するものである。幾つかの
モデリング用プログラムは商業的に入手可能であり、当
業者に広く知られている

【００１４】パラメトリック・デザイン技術は、熱管理
システムのような車両システムを設計するため、コンピ
ューター・システム122（これについては後述する）の
内部で車両の形状モデルを電子的に組立てる際に、使用
される。特定の寸法つまりパラメーターが変更される
と、コンピューター124は新しい車両や部品の幾何学的
形状を再設定するよう命令される。概略的に図示符号11
4にて示されるパラメトリック熱管理システム情報は、
所定の設計パラメーターに従って設計過程を制御あるい
は制限する。

【００１５】ツール100には、種々のコンピューター支
援エンジニアリング（computer-aidedengineering略し
てCAE）解析方法120も含まれる。エンジニアリング解析
技術の一例は、数値流体力学（computational fluid dy
namics略してCFD）であり、これは後で詳述する。エン
ジニアリング解析技術の別の例は、太陽熱負荷予測モデ
ル（solar load prediction model）であり、これは後
で詳述する。さらに別の例は、空調シミュレーション・
モデルであり、後で詳述する。またさらに別の例は、客
観対主観快適性評価モデル（objective to subjective
comfort model）であり、後で詳述する。

【００１６】ツール100はさらに、この方法を実行する
ための本技術分野において既知のコンピューター・シス
テム122を含む。コンピューター・システム122は、プロ
セッサーとメモリー124aを含み、それらは例えばビデオ
端末124bの様なディスプレイ上に、熱管理システムのよ
うなシステムの表示及びアニメーションを提供すること
が出来る。設計に関するパラメーターの選択や制御は、
キーボードやマウスの様なユーザー対話型入力装置124c
を介して、ユーザー126により行われ得る。ユーザー126
は、必要な際にパラメーターの組と命令の組をコンピュ
ーター124aに入力する。パラメーターの組と命令の組は
製品固有のものである場合があり、その場合製品に固有
でない他のデータや命令は、すでにコンピューター124a
に格納されている。

【００１７】入力方法の一例は、パラメーターと最新値
についてのオン・ライン説明を含む、全ての最新パラメ
ーターを示すメニュー選択式入力ウインドウ（pop-up w
indow）である。例えば、二次元モード内では表からパ
ラメーター値が選択され得るが、それは車両設計者が図
面として展開可能な断面図として組立体を見るのを好む
からである。

【００１８】ユーザー126からのパラメーター及び命令
の組と、関連する車両システムに関する何らかの情報、
またライブラリ112と114からの情報が、コンピューター
・システム122に入力されると、コンピューター・シス
テム122は以降に詳細に述べる方法を用いて、要件に合
致しているか否かを判断する。

【００１９】有利なことに、熱管理システムの設計方法
118を実行するコンピューターは、上述の全てを組み合
わせて、車両の熱管理システムに使用される熱管理シス
テム128を効率的に、柔軟に、そして素早く設計する。
さらに、熱管理システムの設計128がその方法の出力結
果であり、その熱管理システム設計128は更なる解析や
検討に使用され得る。

【００２０】図２、３及び５を参照すると、車両12上の
熱管理システム10が図示されている。熱管理システム10
には、外部熱管理システム14と、空調制御システムとも
称される内部熱管理システム16と、が含まれる。内部熱
管理システム16は概略的には、車両12の客室20の暖房、
換気及び空調を行うのが一般的である。外部熱管理シス
テム14は、車両12のエンジン・ルーム18のためのパワー
トレイン冷却用に装備されており、これについては後で
詳述する。この例においては、暖房、冷房及び換気機能
の熱管理が一つのシステムに統合されていることが、理
解されるはずである。有利なことに、内部熱管理システ
ム16が、客室20の快適な内部温度と、車両のウインドシ
ールド及び他のウィンドウを介した良好な視界を与え
る。車両12の内部温度は客室温度、外気温、外気流及び
熱放射などの要因に影響され得ることが、理解されるは
ずである。

【００２１】熱管理システム10は、車両12のフロント・
グリル24後方に配置されたファン22を含む。ファン22
は、エンジン80や変速機（不図示）などのパワートレイ
ン装置を冷却するために、車両12の外部からエンジン・
ルーム18内に空気26を吸入する。熱管理システム10に
は、パワートレインを冷却するために、フロント・グリ
ル24の後方に配置されたラジエーター（不図示）も含ま
れる。

【００２２】熱管理システム10はさらに、フロント・グ
リル24の後方に配置されたコンデンサー28を含む。コン
デンサー28は、ファン22により吸入される外気26のよう
な外気と、気体状の冷媒29との間での熱力学的反応を促
進させ、それにより冷媒29から外気26への熱移動を通じ
て冷媒29が気体から液体に変化する。加熱された空気は
外部の空気中に、好ましくは定圧にて放出され、その時
点で液化している冷媒29は、後述するように、コンデン
サー28から内部熱管理システム16中に流入する。

【００２３】内部熱管理システム16はまた、気流制御シ
ステムも含み、それは本技術分野においては暖房換気空
調（heating, ventilation and air conditioning、略
してHVAC）組立体30と称される。HVAC組立体30は気流を
加熱あるいは冷却そして調整された空気の流れを車両12
の客室の内部に分配することにより、空気の流れを調整
する。この例において、HVAC組立体30は、ダッシュ・パ
ネル19の乗員空間20側の、部分的に図示符号21にて示さ
れるインストルメント・パネルの下方に配置されている
ことが、理解されるべきである。また、この例において
は、HVAC組立体30は、HVAC組立体30の個々の構成部品を
組込むための好ましい構成を持つケース32を有し、それ
は後で詳述する。

【００２４】HVAC組立体30は、吸気ダクト34を含む。吸
気ダクト34は略長方形の部材で、調和されるべき空気を
受入れるための中空の内部室35を含む。吸気ダクト34
は、調和されるべき空気を内部室35内へ流入させる吸入
開口を有する。吸気ダクト34は、車両12外部からの外気
を受入れたり、あるいは車両12の客室20内部からの内気
を循環させたりする。

【００２５】この例では、車両12のウィンドシールド部
近傍に位置した通気口を通過するような外気を受入れる
ための外気吸入口36と、乗員空間20からの循環空気を受
入れるための内気吸入口37とを、有する。開口36及び37
は、空気の流入を機能的に制御するドア（不図示）によ
り覆われるのが好ましい。内部室35は、内部室35中に10
0パーセントの外気が吸入され循環空気が吸入されない
様な位置と、内部チャンバー35中に100パーセントの内
気が吸入され外気が吸入されない様な別の位置との、両
方をとり得る。さらに、外気と循環空気との混合気が室
35内に吸入され得るように、通気口とドアが部分的に開
放する場合もある。

【００２６】吸気ダクト34の大きさと、ケース32に対す
る相対的な配置は、HVAC組立体の構成の一部であること
が理解されるべきである。吸気ダクト34には、吸気ダク
ト34の内部室35から空気が流出するための出口38も、含
まれる。

【００２７】HVAC組立体30はまた、吸気ダクト34内の排
出口38に機能的に接続されたブロア組立体40も含む。ブ
ロア組立体40は、吸気ダクト34を通じて外気を吸入し、
HVAC組立体30の他の部分を通じてその外気を送出する。
その態様については後述する。ブロア組立体40は、本技
術分野において既知のようにホイール44とモーター46を
持つスクロール組立体42を含む。モーター46が、ブロア
組立体40のための遠心ブロア機能の一部にあるのが好ま
しい。

【００２８】HVAC組立体30はさらに、空調される空気流
を受入れる、ブロア組立体40と機能的に接続された蒸発
器コア48を有する。選択された空調モードに応じて、調
整されるべき空気流が外気であったり、あるいは乗員空
間20からの循環空気であったりする。この例において、
蒸発器コア48を通過する前に空気を濾過するために、ブ
ロア組立体40と蒸発器コア48との間にフィルター50が設
けられていることが理解されるべきである。蒸発器コア
48は、本技術分野において既知のように、調和されるべ
き空気から冷媒に熱力学的に熱を移動させることによ
り、調整されるべき空気を冷却及び除湿する。ここで、
調整された空気は蒸発器コア48から導出され、後に述べ
る態様で分配される。

【００２９】HVAC組立体30はまた、空気の温度を調整す
るために、蒸発器コア48から導出される調和された空気
流の方向を変えるブレンド・ドア52を含む。ブレンド・
ドア52はアクチュエーター54により駆動され得ること
が、理解されるべきである。アクチュエーター54は電気
的に動作されたり、機械的に動作されたり、あるいは負
圧により動作されたりする場合がある。ブレンド・ドア
52は、空気の流れを、後で詳述するヒーター・コア56内
に、あるいはヒーター・コア56をバイパスする様に、あ
るいは部分的にヒーター・コア56を通過する様に、方向
付ける。

【００３０】HVAC組立体30は、加熱されるべき空気流と
冷媒液を受入れるヒーター・コア56を含み、この例にお
いて、冷媒液はこの分野で知られる様にエンジン冷媒で
ある。ヒーター・コア56は、冷媒液からの熱の熱力学的
移動により、空気を加熱する。

【００３１】HVAC組立体30はまた、エアミックス・ドア
も有しており、そのドアを通って、蒸発器コアから、又
はヒーター・コアから、あるいはそれら両方の組合わせ
からの調和された空気がHVAC組立体30から導出される。
この例においては、第１のエアミックス・ドア60が、こ
こで調整された空気の流れを、インストルメント・パネ
ル21内のパネル・ダクト63を通して客室20内に機能的に
導く。第２のエアミックス・ドア61は、調整された空気
の流れを、インストルメント・パネル21内の車両フロア
近傍に配置されたフロア・ダクト64を通して導く。第１
のエアミックス・ドア60は、プレナム58及びデフロスタ
・ダクト65を通して空気を導き得ることも、理解される
べきである。

【００３２】この例において熱管理システム10は、本技
術分野にて既知のように、閉ループ・システム用の蒸気
圧縮冷凍サイクルの典型である。作動流体は、例えばフ
ロンのような冷媒29である。冷媒29は、蒸発器48から気
体として導出され、流路72を通ってエンジン・ルーム18
内に配置されたコンプレッサー74まで移送される。コン
プレッサー74は、本技術分野において既知のように、冷
媒29の圧力を増加させる様に冷媒29を所定量だけ機能的
に圧縮する。冷媒29は、コンプレッサー74から放出さ
れ、別の流路76を介してコンデンサー28に戻る。コンプ
レッサー74から放出される際の冷媒29の圧力は、上部圧
力（head pressure）と呼ばれる。蒸発器コア48が、熱
管理システム10が管理し得るより大きい熱を調整される
べき空気から奪っている場合、蒸発器コア48から導出す
る冷媒29の圧力が増加する。冷媒29は、昇圧された状態
でコンプレッサー74に流入する。放出圧力が上昇してい
る場合、熱管理システム10を通過する冷媒29の圧力が高
められ、蒸発器コア48は調整されるべき空気からの熱の
除去を、効率的に行えない。その結果、冷却空気の温度
は、乗員にとっての快適レベルの維持に必要な温度より
高くなってしまうことになろう。

【００３３】熱管理システム10はまた、コンプレッサー
74と機能的に接続されたクラッチ78を含む。クラッチ78
は、本技術分野で周知のようにコンプレッサー74の作動
をオンとオフに切り替える。コンプレッサー74はまた、
エンジン80とも機能的に接続されている。この例におい
ては、エンジン80は、燃料（不図示）と空気の混合気に
よって運転され得る内燃機関であることが、理解される
べきである。燃料と空気は、エンジン80に流入する燃料
と空気の量を計測するスロットル・ボデーのような燃料
調整機構（不図示）を通して、エンジン80に流入する。

【００３４】熱管理システム10はさらに、エンジン制御
器のようなエンジン制御機構84を有し、それはエンジン
80と接続されている。エンジン制御機構84は、コンプレ
ッサー74及びエンジン80の前方に配置された冷却ファン
72にも接続されていることが、理解されるべきである。

【００３５】熱管理システム10はまた、燃料調整機構と
機能的に接続された空気バイパス・アクチュエーター
（不図示）を含む場合がある。空気バイパス・アクチュ
エーターは、エンジン制御機構84からの信号に対応し
て、燃料調整機構に補助空気流を導入する。エンジン回
転速度の変動を補償する様に補助空気を増加あるいは減
少させて、エンジン80の回転数が調整される。例えば、
エンジン80のアイドリング時に、コンプレッサー74の締
結や解放によってエンジン回転速度の変動が誘発される
可能性がある。

【００３６】好ましくは、熱管理システム10は他の構成
部品を有しており、それらには空気流を機能的に移送あ
るいは調整するものとして本技術分野において一般的か
つ既知であるバルブ（不図示）及びスイッチ（不図示）
が含まれる。

【００３７】図４を参照すると、本発明による、コンピ
ューター支援の設計及びエンジニアリング技術を用いた
外部熱管理システム14を設計する方法の、フローチャー
トが図示されている。その方法は、外部熱管理システム
14の設計について、主要な性能要件としてのパワートレ
イン冷却性能を与えるものである。有利なことに、エン
ジンの冷却とコンデンサーの空気流のための動力要求を
最少化するために、その方法が車両12のフロント・エン
ド周りの空気流を最適化する。外部熱管理システム14は
また、車両ボデー構造17の耐熱性を決定するための、車
両12の車体部分における対流熱伝達係数を確立する。こ
の方法はまた、システムの性能を予測するため、コンデ
ンサーを通過する空気流の温度と量を決定することも理
解されるべきである。

【００３８】ユーザー126からの要求があると、本手順
はブロック200において開始される。本手順は処理ブロ
ック210に進み、例えばパラメトリック・モデリング、
及び構成部品ライブラリ112や車両ライブラリ114などの
データベース、といった設計ツール116を使用しなが
ら、車体構造17の外部のパラメトリック・モデルを決定
する。有利なことに、車両ライブラリ114は、ある特定
の車両12の外部のパラメトリック・ソリッド・モデルを
含み得る。この例において、パラメトリック・モデル
は、図５に示されるようなフロント・グリル24とラジエ
ーター開口を含む、車両12の外表面の形状を規定する。

【００３９】さらに車両ライブラリ114は、内部空間の
大きさ、車体のスタイルなどといった、種々の車両及び
車両システムの特性を規定するパラメーターを含み得
る。構成部品ライブラリ112は、構成部品の特性を規定
するパラメーターとともに特定の構成部品のパラメトリ
ック・ソリッド・モデルを含み得る。ユーザー126は外
部熱管理システム14の設計に関するパラメーターを選択
することが出来る。関連する車両システムには例えば、
コンデンサー28、ファン22、ラジエーター及びエンジン
80を含まれ得る。本手順は処理ブロック220に進む。

【００４０】処理ブロック220において、本手順は、パ
ワートレインにおける冷却性能要件を決定するため、コ
ンピューター支援エンジニアリング方法120を使用しな
がら車両12の熱負荷を予測する。エンジン80と変速機を
含むパワートレインは、本技術分野にて既知のように、
特定の速度でエネルギーを熱として放出しラジエーター
などの冷却機構（不図示）により冷却される。本手順は
処理ブロック230に進む。

【００４１】処理ブロック230において、更なるコンピ
ューター支援エンジニアリング方法120が、パワートレ
インの放熱率を決定するのに用いられる。例えば本技術
分野にて既知のように、放熱率を決定するため、数値流
体力学（CFD）解析を使用することが出来る。

【００４２】この例においては、CFD解析はレイノルズ
平均ナビエ・ストークス（Reynolds-Averaged Navier-S
tokes略してRANS）方程式であり、本技術分野にて既知
のものである。RANS方程式は、時間軸に対して放物線状
で空間軸に対して楕円状の非線形偏微分方程式の系であ
る。RANS方程式を用いるために、車両の外部の物理的領
域が複数の四面体セルに細分される。常微分方程式の系
は、各セル体積に亘り内部求積点において積分すること
により得られる。CFD解析は、熱的に組み合わされた非
圧縮性のRANS方程式を解くため、完全連立有限要素解法
を利用する。そして、その方程式は時分割副反復法によ
り時間で積分される。有利なことに、この分野で知られ
る別のコンピューター支援エンジニアリング方法120で
あるSpallart-Allmaras乱流モデルを組み込むことによ
り、乱流効果がシミュレートされる。

【００４３】本手順は処理ブロック240に進み、熱シス
テム負荷と放熱率を関連付けることにより、外部熱管理
システム14のパワートレイン動作温度を予測する。本手
順はブロック250に進み、終了する。

【００４４】図６を参照すると、本発明によるコンピュ
ーター支援の設計およびエンジニアリング技術を用いた
内部熱管理システム16の設計方法のフローチャートが、
図示されている。その方法は、主要な性能要件として乗
員の温度快適性を持つ内部熱管理システム16の設計を与
えるものである。有利なことに、本方法は乗員の温度快
適性を最大にしつつ内部熱管理システム16の性能を最適
化する。さらにその方法は、最適な熱管理システムの設
計と開発に要する時間を短縮する。車両内部への、排気
システムや触媒コンバーターからのような追加の熱流束
を予測するために、本方法は外部熱システムの設計方法
から予測されたパワートレイン動作温度も活用した。

【００４５】ユーザー126からの要求があると、本手順
はブロック300において開始される。本手順は処理ブロ
ック310に進み、例えばパラメトリック・モデリングの
様な設計ツール116、及び構成部品ライブラリ112や車両
ライブラリ114などのデータベースを使用して、特定の
車両12についての内部熱管理システム16のパラメトリッ
ク・モデルを決定する。有利なことに、車両ライブラリ
114は、ある特定の車両12の車体構造17のパラメトリッ
ク・ソリッド・モデルを含む場合がある。また車両ライ
ブラリ114が、内部空間の大きさ、車体のスタイルなど
といった、種々の車両及び車両システムの特性を規定す
るパラメーターを含む場合がある。構成部品ライブラリ
112は、構成部品の特性を規定するパラメーターととも
に特定の構成部品のパラメトリック・ソリッド・モデル
を含む場合がある。ユーザー126は内部熱管理システム1
6の設計に関するパラメーターを選択することが出来
る。関連する車両システムには例えば、乗員空間20、イ
ンストルメント・パネル21及びダッシュ・パネル19が含
まれ得る。本手順は処理ブロック320に進む。

【００４６】処理ブロック320において、本手順は、太
陽熱負荷予測モデルのようなコンピューター支援エンジ
ニアリング方法を使用しながら、車両12における太陽熱
源（不図示）からの熱負荷を予測する。太陽熱負荷予測
モデルは、車両12のガラスと板状金属部分を通過して伝
達される太陽熱エネルギーの量を決定する。有利なこと
に、各内部構成部品の太陽熱流束は、太陽熱負荷から決
定され得る。太陽熱流束とは、内部構成部品の特定の表
面領域に亘る太陽熱負荷である。本手順は処理ブロック
330に進む。

【００４７】処理ブロック330において本手順は、ダク
ト63から吹出されるときの空気の温度を予測する。例え
ば、空調シミュレーション・モデルのような別のコンピ
ューター支援エンジニアリング方法120が、熱管理シス
テム10が空調モードにあるときの客室20に吹出る空気の
温度を予測する。空調シミュレーション・モデルは、内
気吸入口37に流入する循環空気の温度と、ダクト63から
乗員空間20中に吹出される空気の温度とを関連づける伝
達関数を設定する。伝達関数は、外部熱管理システム設
計の方法により予測されたパワートレイン動作温度に依
存することが、理解されるはずである。代替案として、
伝達関数は風洞設備（不図示）にて実際に車両試験を行
うことにより決定することも出来る。さらに、伝達関数
は吸入空気温度及び湿度と、吹出空気温度及び湿度との
関係から決定することも出来、その場合その関係は多項
式曲線として表される。

【００４８】またさらに、暖房シミュレーション・モデ
ルのようなコンピューター支援エンジニアリング方法12
0が、熱管理システム10が暖房モードにあるときの客室2
0に吹出す空気の温度を予測する。暖房シミュレーショ
ン・モデルは、ある期間の吹出し空気の温度を計算する
ことにより、空気温度を決定する。

【００４９】本手順は処理ブロック340に進み、車両12
の客室20内の過渡的熱環境を決定するため、さらに別の
コンピューター支援エンジニアリング方法120が使用さ
れ、それは、どの程度素早く乗員空間20が所定の温度ま
で冷却されるかを予測する。例えば、本技術分野におい
て既知のように、過渡的熱環境を決定するために数値流
体力学（CFD）解析が使用され得る。有利なことに、CFD
解析は、車両12における乗員（不図示）を取囲む速度場
と温度場を決定する。例えば、乗員空間20は、CFD法に
より解析されるべき流体要素と固体要素とを含んでい
る。流体要素の一例は空気である一方、金属が固体要素
の一例である。

【００５０】この例において、使用されるCFD解析は、
上述したようにレイノルズ平均ナビエ・ストークス（RA
NS）方程式である。RANS方程式を用いるために、乗員空
間20の物理的領域が複数の４面体セルに細分される。常
微分方程式の系は、各セル体積に亘り内部求積点におい
て積分することにより得られる。流体及び固体の変数は
セルの頂点において定義され、流束はセルの面において
計算される。

【００５１】CFD解析は 上述のように、熱的に組み合わ
された非圧縮性のRANS方程式を解くため、完全連立有限
要素解法を活用する。そして、その方程式は時分割副反
復法を介して時間で積分される。有利なことに、別のコ
ンピューター支援エンジニアリング方法120としてSpall
art-Allmaras乱流モデルを組み込むことにより、乱流効
果がシミュレートされる。本手順は処理ブロック350に
進む。

【００５２】ブロック350において、本手順は、過渡的
熱環境を乗員快適性評価モデルのようなコンピューター
支援エンジニアリング方法120と関連付ける。この例に
おいては、乗員快適性評価モデルが、風洞内あるいは実
走行において行われる実車試験から得られる。その様な
試験により、熱管理システム10が空調モードかあるいは
暖房モードにあるときの、乗員空間20が快適な温度に達
するまでの時間が予測される。温度予測の精度を向上す
るため、そのモデルには車両12内部の固体部分熱量の共
役熱移動解析が含まれる場合があることが、理解される
べきである。本手順はブロック360に進み、終了する。
このようなコンピューター支援エンジニアリング方法12
0による、内部熱管理システム16における相互作用は、
出力や表示によって設計者126に知らされる。例えば、
ビデオ・スクリーン124b上にアニメーションを３次元で
カラー表示すれば、効率的に検討結果を伝えることが出
来る。また、HVAC組立体30などの車両システムや車両そ
のものなどの間の寸法的距離のような情報を含む印刷出
力によって、さらに検討結果を伝えられる。

【００５３】図７を参照すると、予測乗員空間温度と、
車両12の風洞試験から得られた実温度データとを比較し
たグラフの例400が、図示されている。温度は図示符号4
02にて表すX軸により示されるような期間に亘って評価
され、また温度は図示符号404にて表すY軸により示され
るように摂氏の単位で測定されていることが、理解され
るはずである。この例において、図示符号406で示され
るように、熱管理システム10が暖房モードにあるとき
に、車両12のフロアの高さで温度が測定されている。図
示符号408は、内部熱管理システム16を設計する方法か
ら予測された、算出フロア高温度である。

【００５４】図８を参照すると、車両12の客室20に関す
る、熱的快適性レベルに達するまでの予測時間のグラフ
の一例420が、熱的中立快適性レベルとの比較として図
示されている。この例において、本技術領域において既
知のように、温度が風洞内での暖房性能試験において測
定されている。暖房性能試験は、図示符号422にて表すX
軸により示される時間経過に対して行われる。熱的快適
性は、図示符号424にて表されるY軸により示されるよう
に、１が低温で９が高温、及び５が熱的な中立つまり所
望の温度を表す１から９までの尺度を用いて相対的に測
定されている。前席についての予測熱的快適性は図示符
号426にて示されており、図示符号428にて示される後席
についての予測温度快適性及び図示符号430にて示され
る熱的中立レベルと比較され得る。

【００５５】図９を参照すると、車両12の客室20につい
ての熱的快適性レベルに達するまでの予測時間のグラフ
の一例450が、熱的快適性中立レベルとの比較として図
示されている。この例において、本技術領域において既
知のように、温度が風洞内での空調性能試験において測
定されている。空調性能試験は、図示符号452にて表さ
れるX軸により示されるように、ある期間に亘り行われ
る。温度快適性は、図示符号454にて表されるY軸により
示されるように、１が低温で９が高温、及び５が熱的な
中立を表す１から９までの尺度を用いて相対的に測定さ
れている。前席に対する予測熱的快適性は図示符号456
にて示されており、図示符号458にて示される後席に対
する予測熱的快適性及び図示符号460にて示される熱的
中立レベルと比較することが出来る。

【００５６】図10を参照すると、本発明による、外部熱
管理システム14の設計方法及び内部熱管理システム16の
設計方法を実行するための代表的なシステム600が、図
示されている。システム600はユーザー・インターフェ
イスと接続された演算ユニット602を含み、そのインタ
ーフェイスにはディスプレイ端末604、キーボード606、
マウス608など指示装置、などのものが含まれ得る。演
算ユニットは、中央処理ユニット602、メモリー、及
び、本発明による外部熱管理システム14と内部熱管理シ
ステム16の設計方法を実行する記憶命令を有するのが好
ましい。記憶命令は、メモリーや、磁気的あるいは光学
的媒体、消去可能プログラム可能読取専用記憶装置（EP
ROM）、電子消去可能プログラム可能読出専用メモリー
（EEPROM）などのいずれかの不揮発性記憶媒体に記憶さ
れていれば良い。代わりに、命令が、リムーバル・ディ
スクの様で時にフロッピー（登録商標）・ディスクと呼
ばれる取外し自在の磁気的媒体610、光学的媒体612など
のものから、読み出されるようにしても良い。好ましい
実施形態においては、システム600は、図１乃至９に図
示され説明された機能を実行するための汎用コンピュー
ター・プログラムを有する。言うまでもなく、本発明に
よれば、ハードウェアとソフトウェアの種々の組合せを
含む専用装置を用いてシステム600を具現化することも
出来よう。好ましい実施形態は、ローカル・サーバー、
イントラネット及びインターネットにアクセスするため
のネットワーク接続とともに、演算ユニット602に接続
されたプリンター614を含む場合もある。本発明による
システム600を改良するため、ソリッド・モデリング・
ソフトウェア、パラメトリック・デザイン・ソフトウェ
ア、輪郭描写ソフトウェア、アニメーション・ソフトウ
ェア、などのものが用いられるのが好ましい。

【００５７】以上、本発明を図示した態様にて説明し
た。ここで使用した技術用語は説明のための使用が意図
されており、限定のためではないことが、理解されるべ
きである。

【００５８】上記の記載を考慮すると、本発明の多くの
改良案や変形例を想到することが可能である。それで、
特許請求の範囲の範疇で、本発明は具体的に述べた例以
外のものも実施することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による、車両用熱管理システムの設計方
法に用いられる場合があるシステムの、ブロック図であ
る。

【図２】本発明による、車両用熱管理システムのブロッ
ク図である。

【図３】図２に熱管理システムのための、HVAC組立体の
分解図である。

【図４】本発明による車両用熱管理システムにおける、
外部熱管理システムの設計方法のフローチャートであ
る。

【図５】本発明による、車両のパラメトリック・モデル
を示す図である。

【図６】本発明による車両用熱管理システムにおける、
内部熱管理システムの設計方法のフローチャートであ
る。

【図７】車両の客室温度の予測値と計測値とを示すグラ
フである。

【図８】暖房性能試験における、車内の熱的快適性を予
測したグラフである。

【図９】空調性能試験における、車内の熱的快適性を予
測したグラフである。

【図１０】本発明による、車両用熱管理システムの設計
をするシステムの図である。

【符号の説明】

10 熱管理システム 12 車両 16 内部熱管理システム 20 客室

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 車両のパラメトリック・ソリッド・モデ
   ルを決定する工程と、 上記車両のパラメトリック・ソリッド・モデルから上記
   車両の外部放熱量を決定する工程と、 車両の内部熱管理システムのパラメトリック・ソリッド
   ・モデルを決定する工程と、 上記内部熱管理システムのパラメトリック・ソリッド・
   モデルと上記車両の外部放熱量から、該車両内部の内部
   放熱量を決定する工程と、 を有する車両の熱管理システムの設計方法。
2. 【請求項２】 上記車両の外部放熱量を決定する工程
   は、 上記パラメトリック・ソリッド・モデルに基づいて、車
   両の外部熱負荷を決定する工程と、 該外部熱負荷に基づいて、外部放熱率を決定する工程
   と、 該外部放熱率に基づいて、外部放熱量を決定する工程
   と、 を有する請求項１に記載の方法。
3. 【請求項３】 上記車両の内部放熱量を決定する工程
   は、 上記車両のパラメトリック・ソリッド・モデルのガラス
   部分を通過する太陽熱負荷を予測する工程と、 客室に吹出される調整された空気と、該客室から導出さ
   れる循環空気との関係を決定する工程と、 上記太陽熱負荷と、該調整された空気と該循環空気との
   関係から、上記客室における過渡的熱環境を決定する工
   程と、 該過渡的熱環境を用いて人間の快適性レベルを決定する
   工程と、 を有する請求項１に記載の方法。
4. 【請求項４】 算出された上記人体の快適性レベルを、
   実際の人間の快適性レベルと比較する工程を有する、請
   求項３に記載の車両の熱管理システムの設計方法。
5. 【請求項５】 車両のパラメトリック・ソリッド・モデ
   ルを選択する工程と、 該パラメトリック・ソリッド・モデルに基づいて、車両
   の外部熱負荷を決定する工程と、 該外部熱負荷に基づいて、外部放熱率を決定する工程
   と、 該外部放熱率に基づいて、外部放熱量を決定する工程
   と、 を有する車両の熱管理システムの設計方法。