JP2003240322A - 空気流挙動予測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気流挙動予測を容易かつ短時間で行う方法
を得る。また、この方法を用いることで、３次元ＣＡＥ
を用いた空気流挙動予測の時間を短縮する。 【解決手段】 パソコン用のＣＡＥソフトを提供する。
このＣＡＥソフトは、装置の温度コントロール特性を、
特徴的な２次元配置図で計算、予測する（図４）。この
ＣＡＥソフトは、簡便な操作性があり、短時間に計算で
きる。パソコン用ＣＡＥソフトと第２ステップの３次元
ＣＡＥソフトの計算結果とは定性的によい一致を示す。
パソコン用ＣＡＥによる簡便な方法により良好な特性を
持つと思われる候補を選択する。この絞り込んだ候補を
３次元ＣＡＥソフトにかけて、高精度の空気流の挙動予
測を行う。３次元ＣＡＥソフトによる計算回数を低減す
ることにより、空気流挙動予測に要する全体の時間を短
縮することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内部に空気流を通
す装置における空気流の挙動を予測する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両用エアコンユニットでは、操作者が
操作器のレバーを好みの温度を示す目盛りに合わせるこ
とにより温度コントロールが行われる。このレバーの動
きによりエアコンユニット内の空気流経路に設けたドア
が回転駆動され、エバポレータにより冷却した空気と、
ヒータコアにより加熱した空気との混合比が変わり、エ
アコン出口の吹出し温度が変わる。

【０００３】車両用エアコンユニットを設計する際に
は、上記の操作者の操作量とエアコン温度の変化量との
関係を表す温度コントロール特性が重要な要素となる。
従来、車両用エアコンユニットを設計する際には、試
作、試験を行うことで温度コントロール特性を測定し、
良好な結果が得られなかった場合は、試作品手直し、試
験という手順を繰り返していた。このような方法で温度
コントロール特性を改良するのでは、短期開発が要求さ
れた場合、上記の試作、試験といった各手順を速くして
も、要求に応えるには限界があった。

【０００４】これに対し、近年、大型コンピュータによ
る３次元ＣＡＥ(Computer Aided Engineering)を用いる
ことによって、熱流体の挙動を数値解析できるようにな
った。この３次元ＣＡＥを用いてエアコンユニット内部
の熱流体の挙動を予測することにより、温度コントロー
ル特性が予測でき、エアコンユニット設計を容易にする
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
３次元ＣＡＥによる数値解析の計算時間は、例えば、数
時間から数１０時間というように非常に長い。また、エ
アコンユニットのモデル作成にも時間がかかる。車両用
エアコンユニットの設計には、モデル作成、数値解析、
モデル手直し、数値解析の繰り返しが必要になる。した
がって、３次元ＣＡＥを使用しても、これらの合計時間
は依然として大きく、設計に使用するには実用的な時間
ではない。

【０００６】また、３次元ＣＡＥによる数値解析を行う
場合、形状モデル作成及び計算条件設定などの方法を設
計者自身が短期間に習得するのは困難であり、訓練され
た専任者が必要である。上記のように、車両用エアコン
ユニットの基本的な配置から過去の蓄積ノウハウを活か
して、温度コントロール特性の改良方向を早期に設計者
が見出すことのできる手法が、従来はなかった。

【０００７】上記の問題点は、車両用エアコンユニット
の温度コントロール特性の改良をするとき発生するだけ
ではない。例えば、通常の熱交換を行うエアコンユニッ
ト又は、エアコンユニットの吹出しダクトなどにおいて
も、ユニット内部の圧損の発生による空気流の挙動を予
測する簡便な手法はなかった。

【０００８】本発明は、空気流挙動予測を容易かつ短時
間で行う方法を得ることを目的とするものである。ま
た、本発明は、上記空気流挙動予測方法を用いることに
よって、３次元ＣＡＥを用いた空気流挙動予測の計算時
間を短縮することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたものである。本発明は、第１ステ
ップとして、設計者でも使用できるパーソナルコンピュ
ータ用のＣＡＥソフトを提供する。このＣＡＥソフト
は、装置の温度コントロール特性を、特徴的な２次元配
置図で計算予測する。このＣＡＥソフトは、設計者が自
ら使える程度に簡便な操作性があり、大型コンピュータ
用３次元ＣＡＥソフトと比較して、極めて短時間に計算
できる。

【００１０】上記パソコン用ＣＡＥソフトの計算結果
を、第２ステップとしての３次元ＣＡＥソフトに引き継
ぐことができる。上記パソコン用ＣＡＥソフトと第２ス
テップの３次元ＣＡＥソフトの計算結果とは定性的に良
い一致を示す。したがって、第１ステップの簡便な方法
を繰り返し行い、良好な特性を持つと思われる候補を選
択する。この絞り込んだ候補を３次元ＣＡＥソフトにか
けて、高精度の空気流の挙動予測を行う。このようにす
ることで、３次元ＣＡＥソフトによる１回の計算時間が
長くても、その計算回数を低減することができるので、
空気流挙動予測に要する全体の時間を短縮することがで
きる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の空気流挙動予測方法を、
車両用エアコンユニットの設計に適用した例について、
図を用いて説明する。最初に、車両用エアコンユニット
（以下、単に「ユニット」という。）における温度コン
トロール特性について説明をする。

【００１２】図１はユニットの側面断面を示し、図２は
温度調整操作部の外観を示し、図３は温度コントロール
特性を示す。図１において、外部から導入され、シロッ
コファン１により送風された空気は、エバポレータ２に
より冷却され、ユニット３へ流入する。ユニット３内
は、入り口４から直接出口５へ進む第１の経路６と、ヒ
ータコア７を通る第２の経路８が形成される。したがっ
て、第２の経路８を通過する空気は高温となる。

【００１３】外部からの操作により回転駆動されるドア
９が設けられる。ドア９は、入り口４から流入した空気
流を第１の経路６と第２の経路８とに分配する。ドア９
の回転角度θを変化させることにより、第１の経路６と
第２の経路８を通る空気流の比率が変わり、これにより
出口５から吐き出される空気温度が調整される。ドア９
の回転角度θが０のとき、第２の経路８が塞がれるの
で、冷却空気はすべて第１の経路６を通って出口５から
吐き出される。したがって、エアコンの温度は最低とな
る。

【００１４】角度θが最大のとき、第１の経路６が塞が
れるので、冷却空気はすべて第２の経路８においてヒー
タコア７により加熱されることになる。したがって、エ
アコンの温度は最高となる。エアコンの温度調整は、図
２に示すように、車内に設けられたエアコン調整用の操
作部１０のレバー１１を高温から低温までの好みの目盛
り１２に合わせることにより行われる。レバー１１の位
置を変えるとドアの回転角度θが変化し、エアコン温度
が最低値から最大値まで変化する。

【００１５】図３は、ユニット３の温度コントロール特
性を示すグラフである。グラフの横軸はドア９の回転角
度θ（レバー１１の目盛り位置）を表し、縦軸は出口５
での吐き出し温度を表す。特性Ａ〜Ｄは温度コントロー
ル特性を示す。特性Ａは、理想的な特性であり、ドア角
度θ（レバー１１の目盛り位置）の変化と温度の変化が
一致している。

【００１６】特性Ｂ、Ｃは、悪い特性を示す。この場合
は、レバー１１を動かしても温度変化が少ない領域が多
く、全閉又は全開位置に近づくと急激に温度が変化す
る。このような特性では、操作者が希望する温度に調整
することは困難である。特性Ｄは、特性Ａに近く、製品
に採用可能な特性である。

【００１７】上記のような温度コントロール特性は、ユ
ニット３内の空気流の挙動を予測することにより、予測
することができる。以下に、空気流挙動予測方法を組み
入れたユニットの設計方法を説明する。図４〜図６は、
ユニット（車両用エアコンユニット）の設計手順を示
す。図４〜図６は、全体で１つの手順を示す。図４は、
２次元データを使用して表計算ソフト（例、ＥＸＣＥ
Ｌ）により温度コントロール特性の予測を短時間で行う
手順を示し、図５は、３次元ＣＡＥにより温度コントロ
ール特性予測を高精度で行う手順を示し、図６は、試作
を含む詳細設計の手順を示す。

【００１８】ユニット３の設計は、車両のモデルチェン
ジなどに応じて行われる。図４において、最初に車両の
仕様が決まると、それに伴うユニット計画図が得られる
（Ｓ１）。デザインレビューでこの計画図に基づいて配
置図のラフスケッチが作成され、ＢＭＰデータ（ビッド
マップデータ）に変換される（Ｓ２）。

【００１９】図７にラフスケッチの例を示す。ラフスケ
ッチは、ユニット３の側面断面形状を２次元で表したも
のである。このラフスケッチが読み取られ、ＢＭＰデー
タに変換される。このとき、ユニット形状の各部の物性
として、入り口４、出口５、熱流体経路１３、ヒータコ
ア７が指定される。なお、ドア９は、物性としては固体
と同様に取り扱われる。このラフスケッチは、ドア９の
角度θを変えて複数枚作成される。

【００２０】ＢＭＰデータをパーソナルコンピュータに
内蔵した表計算ソフトに取り込む（Ｓ３）。この取り込
みのための具体的手順については後述するが、独自のプ
ログラムを使用することにより、設計者が実施すること
ができる。この取り込みにより、デジタルデータの各ピ
クセルの位置と色の情報が表計算ソフトの各セルに当て
はめられる。表計算ソフトの各セルに熱流体の基本式が
埋め込まれる。

【００２１】また、表計算ソフトに取り込まれたデータ
は、画像としてディスプレイに表示される。図８は、表
計算ソフトに取り込まれたデータの画像を示す。この画
像では、入り口４、出口５、熱流体経路１３、ヒータコ
ア７がそれぞれ異なった色で表示される。例えば、入り
口４が青、出口５が黄色、経路１３が緑、ヒートコア７
が赤で指定される。なお、図では、異なる色を異なるハ
ッチングで表している。

【００２２】表計算ソフトにより、各セルに埋め込まれ
た熱流体の基本式を用いた計算が実行される（Ｓ４）。
この計算方法は公知のものであるので、ここでの詳細な
説明は省略する。計算結果が表示される（Ｓ５）。図９
〜図１１に、計算結果の例を示す。図９は、速度ベクト
ルを表示している。ここでは、ユニット３内の各部にお
ける空気流について、流れの方向が矢印の向きで、流速
の大きさが矢印の長さで表示されている。

【００２３】図１０は、速度スカラーを表示している。
ここでは、ユニット３内の各部における空気流につい
て、流速の大きさが色により区別して表示される。例え
ば、赤が高速、青が低速、そのほかの色が中間速を表
す。図では、異なる色を異なるハッチングで示してい
る。図１１は、温度分布を表示している。ここでは、ユ
ニット３内の各空間の温度が異なる色で表示される。図
では、異なる温度を異なるハッチングで示している。

【００２４】計算結果に基づいて、評価が行われる（Ｓ
６）。ここでは、温度コントロール特性として、ドア９
の角度θと出口５における熱流体の温度の関係を調べ
る。この結果、温度コントロール特性として図３の特性
Ａ又はＤに近い特性が得られていればＯＫとし、そうで
なければＮＧとする。また、圧損の発生状況なども調べ
られる。

【００２５】ステップＳ６でＯＫであれば候補の１つと
する。ＮＧであれば候補から外し、修正案を作成する
（Ｓ７）。この修正案を用いて、再度ステップＳ１〜６
の手順を繰り返す。ステップＳ１〜３のいずれの手順に
戻るかは、ステップＳ６の評価の際に決められる。以上
の図４の手順によれば、ステップＳ１〜６までの手順
は、１回当たり５〜１５分で完了することができる。

【００２６】図４に示す手順を繰り返すことにより、必
要数の候補を取得する。図４の手順による計算結果は、
３次元ＣＡＥによるものよりも精度は落ちるが、定性的
には一致する。つまり、図４の手順で良好な結果が得ら
れなかった場合は、３次元ＣＡＥによっても良好な結果
は得られない。したがって、図４の手順により候補数を
絞ることで、３次元ＣＡＥで詳細計算を行う回数を低減
し、温度コントロール特性予測のための全体の計算時間
を短縮することができる。

【００２７】図４の手順で得られた複数の候補は、図５
の大型コンピュータによる３次元ＣＡＥによる温度コン
トロール特性改良の処理に渡される（Ｓ２１）。以下の
手順は、大型コンピュータを用いて従来行われていた公
知のものであるので、詳細な説明は省略する。各候補の
ラフスケッチのＢＭＰデータが、３次元形状認識データ
（例、ＩＧＥＳ）に変換された後に、ＣＡＤソフト用の
データに変換される（Ｓ２２）。

【００２８】製図用ＣＡＤソフト（例、ＵＧ／ＣＡＴＩ
Ａ）を用いて、空気モデリングが作成される（Ｓ２
３）。３次元ＣＡＥにおけるメッシュ、ＢＣ（境界条
件）の設定（例、ＰＡＴＲＡＮ／ＩＣＥＭ）が行われる
（Ｓ２４）。熱流体の基本式を用いた計算ソフトによ
り、熱流体の挙動の計算（例、ＳＴＡＲ−ＣＤ）がされ
る（Ｓ２５）。結果がグラフィック表示（例、Ｆｉｅｌ
ｄｖｉｅｗ）される（Ｓ２６）。

【００２９】結果が評価される（Ｓ２７）。ここでは、
図４のステップＳ６と同様に、各候補について、ドア９
の角度θと出口５における熱流体の温度の関係などを調
べる。評価の結果、良好な特性が得られなければＮＧと
し、修正案を作成する（Ｓ２８）。この修正案を用い
て、ステップＳ２３以下の手順が繰り返えされる。良好
な温度コントロール特性が得られれば、ステップＳ２７
でＯＫとなり、最終案として出力される（Ｓ２９）。

【００３０】この最終案は、３次元ＣＡＥにより温度コ
ントロール特性が高精度で評価されている。また、３次
元ＣＡＥによる計算は非常に時間がかかるが、本例では
絞られた数の候補に対してのみ計算を行っているので、
計算回数が低減されていて、全体の温度コントロール特
性評価時間は短縮されている。

【００３１】最終案が、図６の詳細設計に使用される
（Ｓ４１）。製図用ＣＡＤソフト（例、ＵＧ／ＣＡＴＩ
Ａ）により、最終案から詳細モデル図面が作成される
（Ｓ４２）。高速造形装置（例、高速ＦＤＭ）を用い
て、試作モデルが作成される（Ｓ４３）。

【００３２】作成したモデルを改造（手作業）して（Ｓ
４４）、実験を行う（Ｓ４５）。この結果、ＮＧであれ
ば、モデルの修正案を作成し（Ｓ４６）、モデルを改造
した（Ｓ４４）上で、再度実験を行う（Ｓ４５）。実験
の結果ＯＫとなれば、必要に応じて詳細モデル図面を修
正して（例、ＵＧ／ＣＡＴＩＡ）（Ｓ４７）、最終図面
の出図をする（Ｓ４８）。

【００３３】以上、図４〜図６を用いてユニットの設計
手順を説明したが、次に、図４のステップＳ３の、ラフ
スケッチから得たＢＭＰデータを表計算ソフトへ取り込
む方法について詳細を説明する。図１２は、ＢＭＰデー
タを表計算ソフトへ取り込む手順を示す。ステップＳ６
１で、ＢＭＰファイルをテキスト化する。この手順は、
以下のように行われる。

【００３４】（１）ＢＭＰファイルを読み取る。 （２）ユニット３の全高寸法を入力する。この全高寸法
を入力することにより、ＢＭＰデータの縮尺を求めるこ
とができる。 （３）ＢＭＰデータの各ピクセルについて、その位置
（座標）ごとに、ユニット３の各部の熱流体に対する物
性を表す色が指定される。例えば、入り口４が青、出口
５が黄色、経路１３が緑、ヒートコア７が赤で指定され
る。 （４）以上のようにしてピクセルごとに指定された位置
及び色が、全高と共にテキストファイルへ書き出され
る。

【００３５】ステップＳ６２で、テキストファイルが表
計算用のデータに変換される。 （１）テキストファイルの読み込みが行われる。ここで
は、テキストデータ中の最大最小要素の位置からピクセ
ルの高さを取り出して、入力されている全高寸法から、
ピクセル１つあたりの実高さを計算する。そして、表計
算ソフト上で取り扱いやすい大きさとするため、ユニッ
ト３のＢＭＰデータの縦横サイズを展開する予定の表計
算ソフトの縦横のセル個数に縮小フィットさせた位置を
計算する。これを各ピクセルの位置決め補助データとす
る。

【００３６】（２）テキストデータを表計算ソフト上へ
数値データとして展開する。このとき、表計算データが
オーバーフローしないような工夫を行う。つまり、縮小
フィットさせた場合のセル位置の補助データを参照し、
各ピクセルに対する同一色の連続データなどを排除す
る。

【００３７】以上の（１）（２）の処理により、各ピク
セルは、展開される表計算のセル位置、物性などをあら
わす色データ、同一色の連続性データ、実データ変換時
のＸＹでなどを保持する。これにより、ラフスケッチの
読み込みから得られたデータが、表計算ソフト上のデー
タに展開される。

【００３８】ステップＳ６３で、表計算データをグラフ
ィック化する。 （１）表計算ソフト上に数値データとして展開された、
各ピクセルデータに付随する位置及び連続性データか
ら、描画位置を割り出す。これにより、ディスプレイ上
に適切な位置と大きさで表示されることとなる。 （２）表示計算ソフトの各セルに、色データを展開す
る。これにより、図８に示した色分けされた画像がディ
スプレイ上に表示される。

【００３９】以上、本発明を車両用エアコンユニットの
設計に用いた例について説明をしてきたが、本発明の空
気流挙動予測方法は、車両用エアコンユニット以外のそ
のほかの装置の空気流挙動予測にも有効である。例え
ば、加熱空気と冷却空気の混合を行わず、通常の熱交換
のみを行うエアコンユニット又は、エアコンユニットの
吹出しダクトなどにおいても有効である。これらのユニ
ットでは、空気流の圧損の発生状況を予測して、効率の
よいユニットの設計に役立てることができる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、２次元データにより空
気流の挙動予測を容易に行う方法が得られる。また、２
次元データによる空気流挙動予測方法を用いることで、
従来長時間を要していた３次元ＣＡＥを用いた、空気流
挙動解析の計算時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用する車両用エアコンユニットの側
面断面図である。

【図２】図１のユニットの温度調整を行う操作部の外観
を示す図である。

【図３】図１のユニットの温度コントロール特性を示す
図である。

【図４】本発明を適用した車両用エアコンユニットの設
計手順を示すフローチャート（その１）である。

【図５】本発明を適用した車両用エアコンユニットの設
計手順を示すフローチャート（その２）である。

【図６】本発明を適用した車両用エアコンユニットの設
計手順を示すフローチャート（その３）である。

【図７】図４の処理で作成されるラフスケッチを示す図
である。

【図８】図４の処理で作成される表計算ソフトに取り込
まれたデータを表示した図である。

【図９】図４の手順で計算された結果（その１）を示す
図である。

【図１０】図４の手順で計算された結果（その２）を示
す図である。

【図１１】図４の手順で計算された結果（その３）を示
す図である。

【図１２】図４の表計算ソフトへの取り込み手順を示す
フローチャートである。

【符号の説明】

１…シロッコファン ２…エバポレータ ３…エアコンユニット ４…入り口 ５…出口 ６…第１の経路 ７…ヒータコア ８…第２の経路 ９…ドア １０…操作部 １１…レバー １２…目盛り １３…熱流体経路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 片岡 拓也 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 北田 基博 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 平山 俊作 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3L061 BE04 BF07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内部に空気流を通す装置の２次元形状を
   示す２次元データを作成するステップと、 前記２次元データを表計算ソフトに読み込ませるステッ
   プと、 前記表計算ソフトにより、流体の基本式を用いて空気流
   の挙動を計算し、予測結果として出力するステップと、 を具備することを特徴とする空気流挙動予測方法。
2. 【請求項２】 内部に空気流を通す装置の２次元形状を
   示す２次元データを作成するステップと、 前記２次元データを表計算ソフトに読み込ませるステッ
   プと、 前記表計算ソフトにより、流体の基本式を用いて空気流
   の挙動を計算し、計算結果を出力するステップと、 前記計算結果に基づいて、複数の２次元形状の候補を選
   択するステップと、 前記２次元形状の各候補について、３次元ＣＡＥを用い
   て、空気流の挙動の計算を行い、予測結果として出力す
   るステップと、 を具備することを特徴とする空気流挙動予測方法。
3. 【請求項３】 前記装置は、空気流の熱交換を行う装置
   である請求項１又は２に記載の空気流挙動予測方法。
4. 【請求項４】 前記装置は、エアコンである請求項１又
   は２に記載の空気流挙動予測方法。
5. 【請求項５】 内部に空気流を通す装置の２次元形状を
   パーソナルコンピュータで扱う２次元データに変換する
   ステップと、 前記２次元データの構成ピクセルを順次取り出し、テキ
   ストデータ化するステップと、 前記テキストデータを、表計算ソフトの各セルに数値デ
   ータとして展開するステップと、 を具備することを特徴とする、空気流挙動予測方法にお
   ける表示計算ソフトへの読み込み方法。