JP2004308971A - 熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法及びそのシミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体 - Google Patents
熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法及びそのシミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】新しい部品が追加された場合等の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーション方法を提供する。
【解決手段】冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成する。
【選択図】 図１
【解決手段】冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒と空気との熱交換によって冷凍効果を求める装置の熱交換量をシミュレートするためのシミュレーションプログラムに関し、そのプログラムをオブジェクト指向言語によって構成する場合のクラスの定義方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷媒と空気との熱交換によって冷凍効果を求める装置として、例えば、冷凍サイクルや冷凍サイクルの一部分としての熱交換器などが挙げられるが、これらの装置を設計するにあたり、シミュレーションプログラムを用いてその装置の熱交換量を予め予測することは従来より行われてきた。このような装置の熱交換量の予測を高精度で行うことが可能となれば、設計した装置の性能を予測することができ、また、必要とする性能に合わせて装置を設計することが可能となる。冷媒回路のシミュレーション方法として、例えば、特許文献１があり、熱交換器のシミュレーション方法として、例えば、特許文献２がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−２５７３１９号公報
【特許文献２】
特開平０７−２８１７２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載された冷媒回路のシミュレーション方法は、冷媒回路を構成する圧縮機、蒸発器、凝縮器、熱交換器などの接続関係を行列で表し、これらの構成要素のパラメータは型名ごとに予め登録しておくことで、ユーザーは型名を指定するだけでシミュレーションを行うことができるが、この特許文献１記載の冷媒回路のシミュレーション方法では、それぞれの構成要素を接続する管の一部を異なる部品に組み替えるといった変更に対応することができないものであった。また、熱交換器などの仕様を変更することを可能にしているが、これはパラメータの数値の変更を認めているのみで、新たなパラメータを採用することを認めているものではなく、これを行うにはメインプログラムにおいて新たな関数を定義して書き込む以外に方法が無かった。
特許文献２に記載された熱交換器のシミュレーション方法は、熱交換器を複数に分割してその分割した各部それぞれで伝熱量を求めて、その合計を熱交換器の伝熱量とするものであるが、分割の方法については特に記載しておらず、新しい部品を採用する場合の拡張性についても記載されていない。
【０００５】
従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレータにおいては、プログラム実行時にユーザーが指定できるパラメータは各部品の大まかなサイズ、例えば、熱交換器の面積や幅などの巨視的な値だけで、冷媒の流れる経路（以下、パスと呼ぶ）のレイアウトや形状の異なる管が部分的に使われているかなどの内部構造に関するものはプログラムに予め組み込まれていた。実際に熱交換器の設計を行う際には、部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが行われることがあり、詳細構造がプログラム中で固定されている従来のシミュレータは、設計支援ツールとして使用するには不便なものであった。
【０００６】
また、従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレーションプログラムにおいては、空気と冷媒間の熱授受の現象を表現するため全体を１つのプロセスとして扱い、１つの関数内で計算を行うことで求めていた。一般的には熱交換器を構成するフィンや管などの形状特性（管の溝の有無やフィンのタイプ）によって熱伝達や摩擦等の物理現象を表現する式が異なるため、形状とその組合せが変わるごとにシミュレーションプログラムを作成しなおす必要がある。この方法だと新しい形状の管やフィンなどのモデルを導入するたびにフラグや関数の追加などコアプログラム全体を修正しなければならず、シミュレーション対象となる熱交換器の構成要素の差し替えに柔軟に対応できない。同様に、熱伝達係数の新しい表現モデルを導入する場合に対しても柔軟に対応することができない。
【０００７】
さらに、従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレーションプログラムでは、ある物理量を計算する関数の引数として、その関数内で使われる変数リストを羅列している。この方法では、部品の型毎に対応する関数インターフェイスをコーディング段階で予め知り、使われる可能性のある全ての型に対応する関数インターフェイスをメインプログラムに記述しておかなければならない。そのため新しい部品が追加された場合の拡張性に乏しい。既存の計算モデル修正に伴う引数リストの更新という面でも同様である。さらに、従来のプログラムでは該当する式を選択するためのフラグを使用して条件分岐するアルゴリズムがとられているが、実際の熱交換器では冷媒の入口から出口までが全て同一種の管で結ばれているとは限らず、直管、継ぎ手、曲がり、分岐、合流などの組合せからなるため、フラグを使うアルゴリズムではプログラムが複雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーション方法を提供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、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法である。
【００１０】
このような構成とすることで、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションプログラムを提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーション方法は、シミュレーションプログラムを用いて実行し、このプログラムのコードを記述するためにオブジェクト指向言語を用い、シミュレータが独立な要素オブジェクトの組合せとなるように部品クラスと動作流体クラスを表現する。このクラスの定義方法として図１に示すフローチャートがあり、本発明はこのクラス定義の方法を１つの特徴とするものである。
【００１２】
ここで、図１のフローチャートについて説明する。先ず、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションを行うためのプログラムを作成する場合には、その装置において起こる現象を観察し抽出する（Ｆ０１）。これと同時に、その現象に関与する物質、物体を抽出し（Ｆ０２）、その現象の起こる場所を抽出する（Ｆ０３）。ここで抽出した物質、物体を動作流体クラスとして定義し（Ｆ０４）、その現象の起こる場所を部品クラスとして定義する（Ｆ０５）。上記のようにして定義したクラスについて、そのクラスが設計時又はモデル計算時において扱う最小単位となっているかを判断する必要がある（Ｆ０６）。ここでの最小単位というのは、各構成部品で起こる現象を表現するモデルが互いに影響しない独立したものであることをいい、プログラムコードの書換えが他に影響することのない範囲まで分解した単位のことである。定義したクラスが最小単位となっていない場合には、さらに細かい部品クラスに分解するため（Ｆ０７）、スタートに戻って再びクラス定義を行い、定義したクラスが最小単位となっている場合には（Ｆ０８）に進む。
【００１３】
最小単位と判断された部品クラスについて、設計上置き換え可能な類似部品があり、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断する（Ｆ０８）。
ここで、設計上置き換え可能な類似部品がない、又は、設計上置き換え可能な類似部品があるが計算上それらを区別する必要がないと判断された場合には、（Ｆ１１）へ進む。設計上置き換え可能な類似部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要があると判断された場合には、それらの類似部品間の共通の特徴をまとめて抽象クラスを宣言する（Ｆ０９）。この抽象クラスの下に必要な部品の種類だけサブクラスを定義して（Ｆ１０）、このサブクラスについても、再度、設計上置き換え可能な類似部品があり、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断し（Ｆ０８）、該当する場合は（Ｆ０９）→（Ｆ１０）→（Ｆ０８）のループを繰り返し、該当しない場合には、（Ｆ１１）に進む。このようにして確定したクラスに対して、その部分の材質や関与する動作流体に合わせて実際に起こる現象モデルの実装関数を書き込む（Ｆ１１）。
【００１４】
このような図１のフローチャートを用いて、動作流体クラス、部品クラスを定義し、このクラス定義に基づいてオブジェクト指向言語でシミュレーションプログラムを作成することにより、拡張性に富んだシミュレータを構成することができる。より具体的な例として、このフローチャートを用いて冷凍サイクルのシミュレーションプログラムを作成する場合について説明する。
【００１５】
実施例１；
冷凍サイクルとは、圧縮機、管、熱交換器、断熱材などで構成された冷凍効果を得る装置であり、これらの部品全体としての空気と冷媒の熱交換量をシミュレートするためのプログラムを本発明のシミュレーション方法を適用して作成する場合について図２を用いて説明する。先ず、冷凍サイクル（Ａ０１）は、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）を集約して構成する。この冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）と相互作用する動作流体クラスとして、空気クラス（Ａ０３）と冷媒クラス（Ａ０４）を定義する。また、構成部品を断熱材で覆う場合も考慮して、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）は、断熱材クラス（Ａ０５）を集約して構成する。これらは、図１のフローチャートの（Ｆ０１）〜（Ｆ０５）までの流れで定義されるクラスである。
【００１６】
ここで、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）が設計時又はモデル計算時において扱う最小単位となっているかを判断すると（Ｆ０６）、冷凍サイクル構成部品には、圧縮機、管、熱交換器があり、これらを１つのまとまりとして扱うのはシミュレータの精度が低くなってしまうと判断する場合には、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）の継承クラスとして、圧縮機クラス（Ａ０６）、管クラス（Ａ０７）、熱交換器クラス（Ａ０８）を定義する。
【００１７】
上記圧縮機クラス（Ａ０６）、管クラス（Ａ０７）、熱交換器クラス（Ａ０８）の３つのクラスについて、それぞれ図１のフローチャート（Ｆ０８）において設計上置き換え可能な類似部品があるか否か、あるとすれば、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断する必要がある。例えば、圧縮機クラス（Ａ０６）とだけ定義してシミュレーションを行うと、圧縮機の種類の違いなどが反映されないため、圧縮機の種類の違いを反映させるには、図１のフローチャート（Ｆ０９）で圧縮機クラス（Ａ０６）を抽象クラスとして宣言し、（Ｆ１０）において圧縮機クラス（Ａ０６）の性質を継承したサブクラスを圧縮機の種類ごとに定義すればよい。圧縮機の種類としては、レシプロ式、スクロール式、ロータリー式などがあり、これらをレシプロ式クラス（Ａ０９）、スクロール式クラス（Ａ１０）、ロータリー式クラス（Ａ１１）として定義することにより、圧縮機の種類を選択してシミュレーションを行うことができる。同様に、管クラス（Ａ０７）とだけ定義してシミュレーションを行うと、管の種類の違いが反映されないため、管の種類の違いを反映させるには、図１のフローチャート（Ｆ０９）で管クラス（Ａ０７）を抽象クラスとして宣言し、（Ｆ１０）において管クラス（Ａ０７）の性質を継承したサブクラスを管の種類ごとに定義すればよい。管の種類としては、直管、曲がり管などがあり、これらを直管クラス（Ａ１２）、曲がり管クラス（Ａ１３）として定義することにより、管の種類が部分的に異なる場合でも、その部分ごとにそれぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことにより、シミュレーションの精度が向上する。
【００１８】
このようにして定義されたクラスごとに、そのクラスにおいて起こる現象モデルを実装する（Ｆ１１）。例えば、圧縮機クラス（Ａ０６）には、出口冷媒状態を計算する関数と、流体を圧縮する場合の放熱量を計算する関数が実装される。
他のクラスにおいても、それぞれのクラスにおいて生じる現象に基づいた関数が実装されることになる。
【００１９】
このように、冷凍サイクルをその構成部品のまとまりと考え、それぞれの部品ごとにクラスを定義して部品内の熱交換量をシミュレートし、個々の部品の熱交換量を積算することによって冷凍サイクル全体の熱交換量をシミュレートすることができる。また、本発明ではオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成しているため、あるクラスの下にそのクラスの性質を継承した部品クラスを新たに定義することが簡単に行え、それによって、より細かい設定でシミュレーションを行える。つまり、ユーザーのニーズに合わせてそのシミュレーションの精度を設定できるため、非常に拡張性の高いシミュレーションプログラムであるといえる。
【００２０】
上記実施例では、冷凍サイクル全体のシミュレーションプログラムの構成方法について説明したが、その構成要素の一つである熱交換器部分については、詳しい内容は反映されない状態になっていた。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、熱交換器部分についてより詳細な設定を行って、熱交換器部分における熱交換量を正確にシミュレートできるようにプログラムを構成してもよい。そこで、以下、図１のフローチャートに基づいて部品クラスを定義して熱交換器のシミュレーションプログラムを構成する場合について説明する。
【００２１】
実施例２；
図３を用いて熱交換器のシミュレーションプログラムの構成方法について説明する。前記実施例１においては、冷凍サイクルを構成する部品ごとに分割して熱交換量を考えたが、熱交換器の場合には、熱交換器をセルと呼ばれる細かい部分に分割し、各セルの熱交換量を計算し、最終的に全てのセルの熱交換量を積算することにより、熱交換器全体の熱交換量を求める。分割するセルのサイズは、その中で起こる動作流体の状態変化を一種類の式だけで表現しても問題ない程度の小ささに設定する。
このセルに分割する方法をクラス定義に反映するため、図３に示すように、熱交換器（Ａ０８）は、セルクラス（Ｂ０１）を集約して構成する。また、熱交換器（Ａ０８）には、セルの幾何学的配置情報、パス数、全体の管とフィンの幾何学的配置情報などが書き込まれている。
【００２２】
熱交換器は管とフィンを組み合わせた構造をしているものであり、これはセルという細かい単位に分割したとしても同様であるため、図３に示すように、セルクラス（Ｂ０１）は、管クラス（Ａ０７）とフィンクラス（Ｂ０２）を集約して構成する。細かく分割したセルという単位における管は、空気との相互作用は無視して冷媒との相互作用のみを考慮に入れればよく、同様に、細かく分割したセルという単位におけるフィンは、冷媒との相互作用は無視して空気との相互作用のみを考慮に入れればよくなる。よって、管クラス（Ａ０７）は、冷媒クラス（Ａ０４）との相互作用を考慮し、フィンクラス（Ｂ０２）は、空気クラス（Ａ０３）との相互作用を考慮する。
また、管クラス（Ａ０７）においては、熱伝達係数の計算時には熱流束の影響を考慮する場合があるため、熱流束クラス（Ｂ０３）を定義して、管クラス（Ａ０７）と熱流束クラス（Ｂ０３）の相互作用を考慮に入れる。
ここで、管クラス（Ａ０７）は、図２に示す冷凍サイクルのシミュレーションをプログラム中における管クラスと同一符号を付しているが、これは、冷凍サイクルのシミュレーションをプログラム中において管クラスを一度定義してしまえば、熱交換器のシミュレーションプログラム中において同一の管クラスを呼び出して使用することが可能であることを示している。図２と図３で同一符号を付してある他のクラスについても、管クラスと同様である。
【００２３】
管クラス（Ａ０７）は、図２に示す冷凍サイクルの場合と同様に、管クラス（Ａ０７）とだけ定義してシミュレーションを行うと、管の種類の違いが反映されないため、管クラス（Ａ０７）を抽象クラスとして宣言し、この管クラス（Ａ０７）の性質を継承したサブクラスとしての直管クラス（Ａ１２）、曲がり管クラス（Ａ１３）を定義することにより、管の種類が部分的に異なる場合でも、その部分ごとにそれぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことができる。また、直管の中にも平滑管と溝付管があり、計算上それらを区別する必要がある場合には、さらに直管クラス（Ａ１２）を抽象クラスとして宣言し、この直管クラス（Ａ１２）の性質を継承したサブクラスとしての平滑管クラス（Ｂ０６）、溝付管クラス（Ｂ０７）を定義することにより、シミュレーション結果に直管の種類の違いを反映させることができる。
【００２４】
フィンクラス（Ｂ０２）は、フィンクラス（Ｂ０２）とだけ定義してシミュレーションを行うと、フィンの種類の違いが反映されないため、フィンクラス（Ｂ０２）を抽象クラスとして宣言し、このフィンクラス（Ｂ０２）の性質を継承したサブクラスとしてのプレートフィンクラス（Ｂ０４）、ルーバーフィンクラス（Ｂ０５）を定義することにより、フィンの種類が部分的に異なる場合でも、それぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことができる。
【００２５】
このようにして定義されたクラスごとに、そのクラスにおいて起こる現象モデルを実装する。例えば、プレートフィンクラス（Ｂ０４）には、表面と空気の熱伝達係数を計算する関数と、表面と空気の摩擦係数を計算する関数と、フィン内の熱伝導を計算する関数とが実装される。他のクラスにおいても、それぞれのクラスにおいて生じる現象に基づいた関数が実装されることになる。
【００２６】
このように、熱交換器を細かく分割したセルのまとまりと考え、それぞれのセルは管とフィンの組み合わせからなるものとして、各セルで管は冷媒とフィンは空気との相互作用を考慮して熱交換量を計算し、個々のセルの熱交換量を積算することによって熱交換器全体の熱交換量をシミュレートすることができる。また、本発明ではオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成しているため、あるクラスの下にそのクラスの性質を継承した部品クラスを新たに定義することが簡単に行え、それによって、より細かい設定でシミュレーションを行える。つまり、ユーザーのニーズに合わせてそのシミュレーションの精度又は演算式等を自由に設定できるため、非常に拡張性の高いシミュレーションプログラムであるといえる。
【００２７】
その具体例として、冷媒が平滑管内を流れるときの摩擦係数計算式は、
であるのに対して、冷媒がらせん溝付管内を流れるときの摩擦係数計算式は、
となり、管の種類によって摩擦係数計算式が異なるのが分かる。従来のプログラムの構成方法では、メインプログラム内にこれらの関数に異なる名前を付けなければならなかったが、本発明のようにオブジェクト指向言語を用いてプログラムを構成すると、クラスごとに同じｆという関数名で摩擦係数計算式を定義しておき、メインプログラム側では、「ｆの計算」という指示を出すだけでそれぞれのセルで選択されたクラスの関数ｆを計算することが可能になるため、計算式の変更等にも柔軟に対応できる。
また、同じらせん溝付管でも、以下の式のように、
摩擦係数計算式の定義が異なる場合があるが、このような場合であっても、オブジェクト指向言語を用いてプログラムを構成しているので、式（３）を演算するための新たなクラスを定義するだけで対応することができる。このように、クラスという概念を用いることにより、メインプログラムを書き換えることなく変更等が行えるため、非常に拡張性の高いプログラムを構成することができる。
なお、上記（１）〜（３）式の出典は以下の通りである。
（１）平滑管の式の出典
Ｐｒａｎｄｔｌ−Ｋａｒｍａｎ ｆｏｒｍｕｌａ、日本機械学会編、機械工学便覧 Ａ５ｐ．７５
（２）らせん溝付管のＣａｒｎａｖｏｓの式の出典
Ｃａｒｎａｖｏｓ，Ｔ．Ｃ．，Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｆｉｎｎｅｄ ｔｕｂｅｓ ｉｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ，Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｅｎｇｅｎｅｅｒｉｎｇ，１（４），ｐｐ３２−３７，１９８０（３）らせん溝付管の日本機械学会基準の式の出典
ＪＳＭＥ Ｓ０１１，熱交換器の熱的設計法，ｐ３５，１９９６
【００２８】
前記実施例２において説明した熱交換器のシミュレーションプログラムでは、熱交換器を細かく分割したセルのまとまりと考え、それぞれのセルは管とフィンの組み合わせからなるものとして、各セルで動作流体との相互作用を考慮して熱交換量を計算し、個々のセルの熱交換量を積算することによって熱交換器全体の熱交換量をシミュレートするようにした。この本発明においてセルを管とフィンからなるものと考えてシミュレートすることによって、管では冷媒及び熱流束との関係のみから熱交換量を計算することができ、フィンでは空気との関係のみから熱交換量を計算することができるため、再利用性の高いプログラムの作成が可能になった。また、管とフィンのそれぞれで親の性質を継承した子クラスを定義していくことにより、より細かい部品の違いなどもメインプログラムを書き換えることなく設定することができる。
【００２９】
前記実施例２においては、セルごとにフィンや管の特性を設定できるようなプログラム構成となっているため、実機の構成を忠実に再現できるため、設計ツールとしての利便性の高いシミュレーションプログラムとなっている。
また、熱交換器モデルをフィンや管といった実部品概念の組合せで表現し、熱伝達や摩擦などの現象をそれぞれの現象が起こるフィールド（部品）内で閉じるように記述することにより、空気側、冷媒側の熱伝達現象の表現方法が変わったとしても互いに影響の出ないプログラム構成にすることができる。
【００３０】
フィンや管を抽象的な部品クラスとし、これらの派生としてルーバーフィン、プレートフィン、平滑管、溝付管などのクラスを定義し、さらにこれらの派生クラスでのシミュレーション時に必要なパラメータセットをまとめて冷媒状態、空気状態、熱流束状態などのクラスと定義することで、熱交換器モデル内で必要とする空気側熱伝達率、冷媒側熱伝達率計算のための関数インターフェイスを共通化できる。関数インターフェイスが共通化されていれば、熱交換器クラスでそれを構成する管の内面形状が違っても同一のコード記述で必要な関数を呼び出すことができる。従来方式のようにフラグを用意する必要もない。新種の部品を投入する場合でも部品クラスを新規定義する他は引数に使われるクラスを拡張するだけでよく、熱交換器のシミュレーション関数には影響しない。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に装置の設計を行うように部分的に部品使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションプログラムを提供することができる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める冷凍サイクルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として、圧縮機クラス、管クラス、熱交換器クラスを定義し、それぞれのクラス内で互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に冷凍サイクルの設計を行うように部分的に管等の部品を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める冷凍サイクルのシミュレーション方法を提供することができる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、前記熱交換器クラスは、複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、冷凍サイクルの一部である熱交換器について、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ熱交換器のシミュレーションプログラムが構成でき、結果として冷凍サイクルのシミュレーション精度の向上につながる。
【００３４】
請求項４記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める熱交換器は複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ熱交換器のシミュレーションプログラムが構成できる。
【００３５】
請求項５記載の発明によれば、コンピュータに請求項１乃至４の何れか１つに記載の機能を実現させるためのシミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体としたので、冷凍サイクル、熱交換器などを開発するための設計支援ツールとして、このシミュレーションプログラムを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明においてクラス定義から現象モデルの実装までの流れを示したフローチャート図である。
【図２】本発明による冷凍サイクルシミュレータの構成クラス図である。
【図３】本発明による熱交換器シミュレータの構成クラス図である。
【符号の説明】
Ａ０１…冷凍サイクル、Ａ０２…冷凍サイクル構成部品クラス、Ａ０３…空気クラス、Ａ０４…冷媒クラス、Ａ０５…断熱材クラス、Ａ０６…圧縮機クラス、Ａ０７…管クラス、Ａ０８…熱交換器クラス、Ａ０９…レシプロ式クラス、Ａ１０…スクロール式クラス、Ａ１１…ロータリー式、Ａ１２…直管、Ａ１３…曲がり管、Ｂ０１…セルクラス、Ｂ０２…フィンクラス、Ｂ０３…熱流束クラス、Ｂ０４…プレートフィンクラス、Ｂ０５…ルーバーフィンクラス、Ｂ０６…平滑管、Ｂ０７…溝付管。
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒と空気との熱交換によって冷凍効果を求める装置の熱交換量をシミュレートするためのシミュレーションプログラムに関し、そのプログラムをオブジェクト指向言語によって構成する場合のクラスの定義方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷媒と空気との熱交換によって冷凍効果を求める装置として、例えば、冷凍サイクルや冷凍サイクルの一部分としての熱交換器などが挙げられるが、これらの装置を設計するにあたり、シミュレーションプログラムを用いてその装置の熱交換量を予め予測することは従来より行われてきた。このような装置の熱交換量の予測を高精度で行うことが可能となれば、設計した装置の性能を予測することができ、また、必要とする性能に合わせて装置を設計することが可能となる。冷媒回路のシミュレーション方法として、例えば、特許文献１があり、熱交換器のシミュレーション方法として、例えば、特許文献２がある。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０９−２５７３１９号公報
【特許文献２】
特開平０７−２８１７２７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１に記載された冷媒回路のシミュレーション方法は、冷媒回路を構成する圧縮機、蒸発器、凝縮器、熱交換器などの接続関係を行列で表し、これらの構成要素のパラメータは型名ごとに予め登録しておくことで、ユーザーは型名を指定するだけでシミュレーションを行うことができるが、この特許文献１記載の冷媒回路のシミュレーション方法では、それぞれの構成要素を接続する管の一部を異なる部品に組み替えるといった変更に対応することができないものであった。また、熱交換器などの仕様を変更することを可能にしているが、これはパラメータの数値の変更を認めているのみで、新たなパラメータを採用することを認めているものではなく、これを行うにはメインプログラムにおいて新たな関数を定義して書き込む以外に方法が無かった。
特許文献２に記載された熱交換器のシミュレーション方法は、熱交換器を複数に分割してその分割した各部それぞれで伝熱量を求めて、その合計を熱交換器の伝熱量とするものであるが、分割の方法については特に記載しておらず、新しい部品を採用する場合の拡張性についても記載されていない。
【０００５】
従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレータにおいては、プログラム実行時にユーザーが指定できるパラメータは各部品の大まかなサイズ、例えば、熱交換器の面積や幅などの巨視的な値だけで、冷媒の流れる経路（以下、パスと呼ぶ）のレイアウトや形状の異なる管が部分的に使われているかなどの内部構造に関するものはプログラムに予め組み込まれていた。実際に熱交換器の設計を行う際には、部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが行われることがあり、詳細構造がプログラム中で固定されている従来のシミュレータは、設計支援ツールとして使用するには不便なものであった。
【０００６】
また、従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレーションプログラムにおいては、空気と冷媒間の熱授受の現象を表現するため全体を１つのプロセスとして扱い、１つの関数内で計算を行うことで求めていた。一般的には熱交換器を構成するフィンや管などの形状特性（管の溝の有無やフィンのタイプ）によって熱伝達や摩擦等の物理現象を表現する式が異なるため、形状とその組合せが変わるごとにシミュレーションプログラムを作成しなおす必要がある。この方法だと新しい形状の管やフィンなどのモデルを導入するたびにフラグや関数の追加などコアプログラム全体を修正しなければならず、シミュレーション対象となる熱交換器の構成要素の差し替えに柔軟に対応できない。同様に、熱伝達係数の新しい表現モデルを導入する場合に対しても柔軟に対応することができない。
【０００７】
さらに、従来の冷凍サイクルや熱交換器のシミュレーションプログラムでは、ある物理量を計算する関数の引数として、その関数内で使われる変数リストを羅列している。この方法では、部品の型毎に対応する関数インターフェイスをコーディング段階で予め知り、使われる可能性のある全ての型に対応する関数インターフェイスをメインプログラムに記述しておかなければならない。そのため新しい部品が追加された場合の拡張性に乏しい。既存の計算モデル修正に伴う引数リストの更新という面でも同様である。さらに、従来のプログラムでは該当する式を選択するためのフラグを使用して条件分岐するアルゴリズムがとられているが、実際の熱交換器では冷媒の入口から出口までが全て同一種の管で結ばれているとは限らず、直管、継ぎ手、曲がり、分岐、合流などの組合せからなるため、フラグを使うアルゴリズムではプログラムが複雑になるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーション方法を提供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、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法である。
【００１０】
このような構成とすることで、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションプログラムを提供することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
本発明の冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーション方法は、シミュレーションプログラムを用いて実行し、このプログラムのコードを記述するためにオブジェクト指向言語を用い、シミュレータが独立な要素オブジェクトの組合せとなるように部品クラスと動作流体クラスを表現する。このクラスの定義方法として図１に示すフローチャートがあり、本発明はこのクラス定義の方法を１つの特徴とするものである。
【００１２】
ここで、図１のフローチャートについて説明する。先ず、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションを行うためのプログラムを作成する場合には、その装置において起こる現象を観察し抽出する（Ｆ０１）。これと同時に、その現象に関与する物質、物体を抽出し（Ｆ０２）、その現象の起こる場所を抽出する（Ｆ０３）。ここで抽出した物質、物体を動作流体クラスとして定義し（Ｆ０４）、その現象の起こる場所を部品クラスとして定義する（Ｆ０５）。上記のようにして定義したクラスについて、そのクラスが設計時又はモデル計算時において扱う最小単位となっているかを判断する必要がある（Ｆ０６）。ここでの最小単位というのは、各構成部品で起こる現象を表現するモデルが互いに影響しない独立したものであることをいい、プログラムコードの書換えが他に影響することのない範囲まで分解した単位のことである。定義したクラスが最小単位となっていない場合には、さらに細かい部品クラスに分解するため（Ｆ０７）、スタートに戻って再びクラス定義を行い、定義したクラスが最小単位となっている場合には（Ｆ０８）に進む。
【００１３】
最小単位と判断された部品クラスについて、設計上置き換え可能な類似部品があり、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断する（Ｆ０８）。
ここで、設計上置き換え可能な類似部品がない、又は、設計上置き換え可能な類似部品があるが計算上それらを区別する必要がないと判断された場合には、（Ｆ１１）へ進む。設計上置き換え可能な類似部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要があると判断された場合には、それらの類似部品間の共通の特徴をまとめて抽象クラスを宣言する（Ｆ０９）。この抽象クラスの下に必要な部品の種類だけサブクラスを定義して（Ｆ１０）、このサブクラスについても、再度、設計上置き換え可能な類似部品があり、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断し（Ｆ０８）、該当する場合は（Ｆ０９）→（Ｆ１０）→（Ｆ０８）のループを繰り返し、該当しない場合には、（Ｆ１１）に進む。このようにして確定したクラスに対して、その部分の材質や関与する動作流体に合わせて実際に起こる現象モデルの実装関数を書き込む（Ｆ１１）。
【００１４】
このような図１のフローチャートを用いて、動作流体クラス、部品クラスを定義し、このクラス定義に基づいてオブジェクト指向言語でシミュレーションプログラムを作成することにより、拡張性に富んだシミュレータを構成することができる。より具体的な例として、このフローチャートを用いて冷凍サイクルのシミュレーションプログラムを作成する場合について説明する。
【００１５】
実施例１；
冷凍サイクルとは、圧縮機、管、熱交換器、断熱材などで構成された冷凍効果を得る装置であり、これらの部品全体としての空気と冷媒の熱交換量をシミュレートするためのプログラムを本発明のシミュレーション方法を適用して作成する場合について図２を用いて説明する。先ず、冷凍サイクル（Ａ０１）は、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）を集約して構成する。この冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）と相互作用する動作流体クラスとして、空気クラス（Ａ０３）と冷媒クラス（Ａ０４）を定義する。また、構成部品を断熱材で覆う場合も考慮して、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）は、断熱材クラス（Ａ０５）を集約して構成する。これらは、図１のフローチャートの（Ｆ０１）〜（Ｆ０５）までの流れで定義されるクラスである。
【００１６】
ここで、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）が設計時又はモデル計算時において扱う最小単位となっているかを判断すると（Ｆ０６）、冷凍サイクル構成部品には、圧縮機、管、熱交換器があり、これらを１つのまとまりとして扱うのはシミュレータの精度が低くなってしまうと判断する場合には、冷凍サイクル構成部品クラス（Ａ０２）の継承クラスとして、圧縮機クラス（Ａ０６）、管クラス（Ａ０７）、熱交換器クラス（Ａ０８）を定義する。
【００１７】
上記圧縮機クラス（Ａ０６）、管クラス（Ａ０７）、熱交換器クラス（Ａ０８）の３つのクラスについて、それぞれ図１のフローチャート（Ｆ０８）において設計上置き換え可能な類似部品があるか否か、あるとすれば、計算上それらを区別する必要があるか否かについて判断する必要がある。例えば、圧縮機クラス（Ａ０６）とだけ定義してシミュレーションを行うと、圧縮機の種類の違いなどが反映されないため、圧縮機の種類の違いを反映させるには、図１のフローチャート（Ｆ０９）で圧縮機クラス（Ａ０６）を抽象クラスとして宣言し、（Ｆ１０）において圧縮機クラス（Ａ０６）の性質を継承したサブクラスを圧縮機の種類ごとに定義すればよい。圧縮機の種類としては、レシプロ式、スクロール式、ロータリー式などがあり、これらをレシプロ式クラス（Ａ０９）、スクロール式クラス（Ａ１０）、ロータリー式クラス（Ａ１１）として定義することにより、圧縮機の種類を選択してシミュレーションを行うことができる。同様に、管クラス（Ａ０７）とだけ定義してシミュレーションを行うと、管の種類の違いが反映されないため、管の種類の違いを反映させるには、図１のフローチャート（Ｆ０９）で管クラス（Ａ０７）を抽象クラスとして宣言し、（Ｆ１０）において管クラス（Ａ０７）の性質を継承したサブクラスを管の種類ごとに定義すればよい。管の種類としては、直管、曲がり管などがあり、これらを直管クラス（Ａ１２）、曲がり管クラス（Ａ１３）として定義することにより、管の種類が部分的に異なる場合でも、その部分ごとにそれぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことにより、シミュレーションの精度が向上する。
【００１８】
このようにして定義されたクラスごとに、そのクラスにおいて起こる現象モデルを実装する（Ｆ１１）。例えば、圧縮機クラス（Ａ０６）には、出口冷媒状態を計算する関数と、流体を圧縮する場合の放熱量を計算する関数が実装される。
他のクラスにおいても、それぞれのクラスにおいて生じる現象に基づいた関数が実装されることになる。
【００１９】
このように、冷凍サイクルをその構成部品のまとまりと考え、それぞれの部品ごとにクラスを定義して部品内の熱交換量をシミュレートし、個々の部品の熱交換量を積算することによって冷凍サイクル全体の熱交換量をシミュレートすることができる。また、本発明ではオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成しているため、あるクラスの下にそのクラスの性質を継承した部品クラスを新たに定義することが簡単に行え、それによって、より細かい設定でシミュレーションを行える。つまり、ユーザーのニーズに合わせてそのシミュレーションの精度を設定できるため、非常に拡張性の高いシミュレーションプログラムであるといえる。
【００２０】
上記実施例では、冷凍サイクル全体のシミュレーションプログラムの構成方法について説明したが、その構成要素の一つである熱交換器部分については、詳しい内容は反映されない状態になっていた。しかし、本発明はこれに限られるものではなく、熱交換器部分についてより詳細な設定を行って、熱交換器部分における熱交換量を正確にシミュレートできるようにプログラムを構成してもよい。そこで、以下、図１のフローチャートに基づいて部品クラスを定義して熱交換器のシミュレーションプログラムを構成する場合について説明する。
【００２１】
実施例２；
図３を用いて熱交換器のシミュレーションプログラムの構成方法について説明する。前記実施例１においては、冷凍サイクルを構成する部品ごとに分割して熱交換量を考えたが、熱交換器の場合には、熱交換器をセルと呼ばれる細かい部分に分割し、各セルの熱交換量を計算し、最終的に全てのセルの熱交換量を積算することにより、熱交換器全体の熱交換量を求める。分割するセルのサイズは、その中で起こる動作流体の状態変化を一種類の式だけで表現しても問題ない程度の小ささに設定する。
このセルに分割する方法をクラス定義に反映するため、図３に示すように、熱交換器（Ａ０８）は、セルクラス（Ｂ０１）を集約して構成する。また、熱交換器（Ａ０８）には、セルの幾何学的配置情報、パス数、全体の管とフィンの幾何学的配置情報などが書き込まれている。
【００２２】
熱交換器は管とフィンを組み合わせた構造をしているものであり、これはセルという細かい単位に分割したとしても同様であるため、図３に示すように、セルクラス（Ｂ０１）は、管クラス（Ａ０７）とフィンクラス（Ｂ０２）を集約して構成する。細かく分割したセルという単位における管は、空気との相互作用は無視して冷媒との相互作用のみを考慮に入れればよく、同様に、細かく分割したセルという単位におけるフィンは、冷媒との相互作用は無視して空気との相互作用のみを考慮に入れればよくなる。よって、管クラス（Ａ０７）は、冷媒クラス（Ａ０４）との相互作用を考慮し、フィンクラス（Ｂ０２）は、空気クラス（Ａ０３）との相互作用を考慮する。
また、管クラス（Ａ０７）においては、熱伝達係数の計算時には熱流束の影響を考慮する場合があるため、熱流束クラス（Ｂ０３）を定義して、管クラス（Ａ０７）と熱流束クラス（Ｂ０３）の相互作用を考慮に入れる。
ここで、管クラス（Ａ０７）は、図２に示す冷凍サイクルのシミュレーションをプログラム中における管クラスと同一符号を付しているが、これは、冷凍サイクルのシミュレーションをプログラム中において管クラスを一度定義してしまえば、熱交換器のシミュレーションプログラム中において同一の管クラスを呼び出して使用することが可能であることを示している。図２と図３で同一符号を付してある他のクラスについても、管クラスと同様である。
【００２３】
管クラス（Ａ０７）は、図２に示す冷凍サイクルの場合と同様に、管クラス（Ａ０７）とだけ定義してシミュレーションを行うと、管の種類の違いが反映されないため、管クラス（Ａ０７）を抽象クラスとして宣言し、この管クラス（Ａ０７）の性質を継承したサブクラスとしての直管クラス（Ａ１２）、曲がり管クラス（Ａ１３）を定義することにより、管の種類が部分的に異なる場合でも、その部分ごとにそれぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことができる。また、直管の中にも平滑管と溝付管があり、計算上それらを区別する必要がある場合には、さらに直管クラス（Ａ１２）を抽象クラスとして宣言し、この直管クラス（Ａ１２）の性質を継承したサブクラスとしての平滑管クラス（Ｂ０６）、溝付管クラス（Ｂ０７）を定義することにより、シミュレーション結果に直管の種類の違いを反映させることができる。
【００２４】
フィンクラス（Ｂ０２）は、フィンクラス（Ｂ０２）とだけ定義してシミュレーションを行うと、フィンの種類の違いが反映されないため、フィンクラス（Ｂ０２）を抽象クラスとして宣言し、このフィンクラス（Ｂ０２）の性質を継承したサブクラスとしてのプレートフィンクラス（Ｂ０４）、ルーバーフィンクラス（Ｂ０５）を定義することにより、フィンの種類が部分的に異なる場合でも、それぞれ最適なクラスを選択してシミュレーションを行うことができる。
【００２５】
このようにして定義されたクラスごとに、そのクラスにおいて起こる現象モデルを実装する。例えば、プレートフィンクラス（Ｂ０４）には、表面と空気の熱伝達係数を計算する関数と、表面と空気の摩擦係数を計算する関数と、フィン内の熱伝導を計算する関数とが実装される。他のクラスにおいても、それぞれのクラスにおいて生じる現象に基づいた関数が実装されることになる。
【００２６】
このように、熱交換器を細かく分割したセルのまとまりと考え、それぞれのセルは管とフィンの組み合わせからなるものとして、各セルで管は冷媒とフィンは空気との相互作用を考慮して熱交換量を計算し、個々のセルの熱交換量を積算することによって熱交換器全体の熱交換量をシミュレートすることができる。また、本発明ではオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成しているため、あるクラスの下にそのクラスの性質を継承した部品クラスを新たに定義することが簡単に行え、それによって、より細かい設定でシミュレーションを行える。つまり、ユーザーのニーズに合わせてそのシミュレーションの精度又は演算式等を自由に設定できるため、非常に拡張性の高いシミュレーションプログラムであるといえる。
【００２７】
その具体例として、冷媒が平滑管内を流れるときの摩擦係数計算式は、
また、同じらせん溝付管でも、以下の式のように、
なお、上記（１）〜（３）式の出典は以下の通りである。
（１）平滑管の式の出典
Ｐｒａｎｄｔｌ−Ｋａｒｍａｎ ｆｏｒｍｕｌａ、日本機械学会編、機械工学便覧 Ａ５ｐ．７５
（２）らせん溝付管のＣａｒｎａｖｏｓの式の出典
Ｃａｒｎａｖｏｓ，Ｔ．Ｃ．，Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌｌｙ ｆｉｎｎｅｄ ｔｕｂｅｓ ｉｎ ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ ｆｌｏｗ，Ｈｅａｔ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｅｎｇｅｎｅｅｒｉｎｇ，１（４），ｐｐ３２−３７，１９８０（３）らせん溝付管の日本機械学会基準の式の出典
ＪＳＭＥ Ｓ０１１，熱交換器の熱的設計法，ｐ３５，１９９６
【００２８】
前記実施例２において説明した熱交換器のシミュレーションプログラムでは、熱交換器を細かく分割したセルのまとまりと考え、それぞれのセルは管とフィンの組み合わせからなるものとして、各セルで動作流体との相互作用を考慮して熱交換量を計算し、個々のセルの熱交換量を積算することによって熱交換器全体の熱交換量をシミュレートするようにした。この本発明においてセルを管とフィンからなるものと考えてシミュレートすることによって、管では冷媒及び熱流束との関係のみから熱交換量を計算することができ、フィンでは空気との関係のみから熱交換量を計算することができるため、再利用性の高いプログラムの作成が可能になった。また、管とフィンのそれぞれで親の性質を継承した子クラスを定義していくことにより、より細かい部品の違いなどもメインプログラムを書き換えることなく設定することができる。
【００２９】
前記実施例２においては、セルごとにフィンや管の特性を設定できるようなプログラム構成となっているため、実機の構成を忠実に再現できるため、設計ツールとしての利便性の高いシミュレーションプログラムとなっている。
また、熱交換器モデルをフィンや管といった実部品概念の組合せで表現し、熱伝達や摩擦などの現象をそれぞれの現象が起こるフィールド（部品）内で閉じるように記述することにより、空気側、冷媒側の熱伝達現象の表現方法が変わったとしても互いに影響の出ないプログラム構成にすることができる。
【００３０】
フィンや管を抽象的な部品クラスとし、これらの派生としてルーバーフィン、プレートフィン、平滑管、溝付管などのクラスを定義し、さらにこれらの派生クラスでのシミュレーション時に必要なパラメータセットをまとめて冷媒状態、空気状態、熱流束状態などのクラスと定義することで、熱交換器モデル内で必要とする空気側熱伝達率、冷媒側熱伝達率計算のための関数インターフェイスを共通化できる。関数インターフェイスが共通化されていれば、熱交換器クラスでそれを構成する管の内面形状が違っても同一のコード記述で必要な関数を呼び出すことができる。従来方式のようにフラグを用意する必要もない。新種の部品を投入する場合でも部品クラスを新規定義する他は引数に使われるクラスを拡張するだけでよく、熱交換器のシミュレーション関数には影響しない。
【００３１】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に装置の設計を行うように部分的に部品使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置のシミュレーションプログラムを提供することができる。
【００３２】
請求項２記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める冷凍サイクルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として、圧縮機クラス、管クラス、熱交換器クラスを定義し、それぞれのクラス内で互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に冷凍サイクルの設計を行うように部分的に管等の部品を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める冷凍サイクルのシミュレーション方法を提供することができる。
【００３３】
請求項３記載の発明によれば、前記熱交換器クラスは、複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、冷凍サイクルの一部である熱交換器について、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ熱交換器のシミュレーションプログラムが構成でき、結果として冷凍サイクルのシミュレーション精度の向上につながる。
【００３４】
請求項４記載の発明によれば、冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める熱交換器は複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成するようにしたので、実際に熱交換器の設計を行うように部分的にフィンや管を使い分けるといった内部構造の組み替えが容易に行え、また、新しい部品が追加された場合の拡張性に富んだ熱交換器のシミュレーションプログラムが構成できる。
【００３５】
請求項５記載の発明によれば、コンピュータに請求項１乃至４の何れか１つに記載の機能を実現させるためのシミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体としたので、冷凍サイクル、熱交換器などを開発するための設計支援ツールとして、このシミュレーションプログラムを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明においてクラス定義から現象モデルの実装までの流れを示したフローチャート図である。
【図２】本発明による冷凍サイクルシミュレータの構成クラス図である。
【図３】本発明による熱交換器シミュレータの構成クラス図である。
【符号の説明】
Ａ０１…冷凍サイクル、Ａ０２…冷凍サイクル構成部品クラス、Ａ０３…空気クラス、Ａ０４…冷媒クラス、Ａ０５…断熱材クラス、Ａ０６…圧縮機クラス、Ａ０７…管クラス、Ａ０８…熱交換器クラス、Ａ０９…レシプロ式クラス、Ａ１０…スクロール式クラス、Ａ１１…ロータリー式、Ａ１２…直管、Ａ１３…曲がり管、Ｂ０１…セルクラス、Ｂ０２…フィンクラス、Ｂ０３…熱流束クラス、Ｂ０４…プレートフィンクラス、Ｂ０５…ルーバーフィンクラス、Ｂ０６…平滑管、Ｂ０７…溝付管。
Claims (5)
- 冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める装置を構成する各部品で起こる現象を表現するモデルを互いに独立している範囲で分解して、その分解した範囲をそれぞれクラスとして定義し、この分解した範囲内で互いに類似する複数の部品があり、かつ、計算上それらを区別する必要がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法。
- 冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める冷凍サイクルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として、圧縮機クラス、管クラス、熱交換器クラスを定義し、それぞれのクラス内で互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの部品に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法。
- 前記熱交換器クラスは、複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする請求項２記載の熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法。
- 冷媒と空気の熱交換による冷凍効果を求める熱交換器は複数に分割したセルごとに設けたセルクラスを集約して構成し、各セルにおいて起こる現象を表現するモデルが互いに独立している範囲として管クラスとフィンクラスをセルクラスに集約させて構成し、管クラスと相互作用する動作流体として冷媒クラスを定義し、フィンクラスと相互作用する動作流体として空気クラスを定義し、管クラスとフィンクラスのそれぞれで互いに類似する複数の部品がある場合には、それらの類似部品間に共通する特徴を抽出して抽象クラスを定義し、その抽象クラスの性質を継承したサブクラスを必要な部品の種類だけ抽象クラスの下に設けるようにし、定義した各クラスに対して現象モデルを実装し、これらの各クラスに基づいてオブジェクト指向言語を用いてシミュレーションプログラムを構成することを特徴とする熱交換量を演算するためのシミュレーションプログラムの構成方法。
- コンピュータに請求項１乃至４の何れか１つに記載の機能を実現させるためのシミュレーションプログラムを記憶した記憶媒体。
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