JP2005190180A - ラジエター放熱シミュレーション・システム - Google Patents

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尚 渡部
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正行 岩田
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Satoru Kiyota
悟 清田
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Abstract

【課題】画面を切り替えることなしにラジエターの形状諸元(パラメータ)を入力するだけで放熱性能を即座にかつ理解し易く確認できるようにする。
【解決手段】ラジエター30の形状諸元入力部54A、54Bと形状表示部56、及び計算結果をグラフとして表示するグラフ表示部64を表示装置の同一画面50A上に表示するようにしている。ラジエター30の形状諸元(パラメータ)を入力するだけで、画面を切り替えることなしに、ラジエター形状の模式図と放熱性能(降下温度特性66と放熱量特性68特性)結果をグラフで同時に見ることができる。
【選択図】図4

Description

この発明は、車両用ラジエターの放熱性能を計算し、計算結果を表示装置の画面に表示するコンピュータによるラジエター放熱シミュレーション・システムに関する。
水冷式エンジンを搭載した車両のラジエターの放熱性能を予測する場合、ラジエターを構成する冷却管(金属管)の管路内を流れる冷却水から金属管内壁への熱伝達率、金属管内壁から金属管外壁までの熱伝達率、及び金属管外壁から外気への熱伝達率の合成熱伝達率が考慮される。また、水から金属管内壁への熱伝達率には、水の流速を考慮する必要がある。さらに、この冷却管の熱伝達率に加え、冷却管の長さ、ラジエターを構成する冷却管の段数、さらには、風速等が冷却性能に影響を与えることが考慮され、ラジエターの性能が予測される。
すなわち、ラジエターの形状諸元及び冷却管の構造等のパラメータを変数として、ラジエターの放熱性能、例えば放熱量を、関数値(予測値)として計算式により計算する。
そこで、従来、水冷式エンジンを搭載した車両のラジエターの放熱性能を予測する場合には、電卓を使用した手計算や表計算ソフト、あるいはこれらの拡張機能(マクロ)を使用し、各種計算式に、変数を代入して予測値を求めている。
なお、車両のラジエターの放熱シミュレーションではないが、電気回路解析のシミュレーションについて、スーパーコンピュータで計算した内容をグラフィックディスプレイに表示する技術が提案されている(特許文献1参照)。
特開昭60−7550号公報(第3図)
上述したように、従来の水冷式エンジンを搭載した車両のラジエターの放熱性能を予測する場合、キーボードから数値入力を行い、数値出力を読み取るという入力作業と結果把握作業が煩雑であるという問題がある。
また、ラジエター形状は寸法諸元を数値で入力するだけであるので、ラジエターの形状を直感的にイメージすることができないため、計算から得られた結果と形状との因果関係を直感的に把握することもきわめて困難であるという問題がある。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ラジエターの形状と放熱性能の関係を直感的に把握することを可能とするラジエター放熱シミュレーション・システムを提供することを目的とする。
この発明のラジエター放熱シミュレーション・システムは、車両用ラジエターの放熱性能を計算し、計算結果を表示装置の画面に表示するコンピュータによるラジエター放熱シミュレーション・システムであって、前記ラジエターの形状諸元を入力する形状諸元入力部と、入力された形状諸元に基づきコンピュータにより計算されたラジエターの幾何学的形状を表示する形状表示部と、前記車両の環境条件を設定して入力する環境条件入力部と、入力された形状諸元及び環境条件に基づきコンピュータによりラジエターの放熱性能を計算し、計算結果をグラフとして表示するグラフ表示部とを備え、前記形状諸元入力部、前記形状表示部、前記環境条件入力部、及び前記グラフ表示部を前記表示装置の同一画面上に表示したことを特徴とする(請求項1記載の発明)。
この発明によれば、ラジエターの形状諸元入力部と形状表示部、車両の環境条件入力部、及び計算結果をグラフとして表示するグラフ表示部を表示装置の同一画面上に表示するようにしたので、ラジエターの形状諸元を入力するだけで、画面を切り替えることなしに、ラジエター形状の図と放熱性能(特性)結果をグラフで同時に見ることができる(煩雑な画面切替が不要である。)。すなわち、形状の変更とその影響(放熱性能結果)が、ビジュアルかつ即座に同一画面上に表示されるため、ラジエターの形状と放熱性能の関係を直感的に把握することができる。
なお、計算結果をグラフとして表示する際に、グラフ表示とともに、数値結果をグラフ表示部(グラフ・数値結果表示部)に同時に表示することもできる。
この場合、前記形状諸元入力部と前記形状表示部と前記環境条件入力部を有する入力系画面と、前記グラフ表示部とを前記表示装置の前記同一画面上に左右に分割して表示するようにすることで、出力結果の把握が容易である。すなわち、画面が入力系と出力系に2分割されているために見易い(請求項2記載の発明)。
ここで、前記ラジエターの形状諸元は、ラジエターを構成する冷却管の段数、冷却管の断面の形状、及びラジエター外形形状を台形としたときの上底と、下底とし、前記車両の環境条件は、前記車両の車速に対応した風速と外気温度とすることで、主要な諸元(パラメータ)の変更と形状の変更で放熱性能の予測が可能となる(請求項3記載の発明)。
なお、冷却ファンを取り付けることが必要なラジエターの場合には、前記形状諸元入力部では、さらに、前記ラジエターの冷却ファンの形状諸元が入力され、前記形状表示部には、さらに、前記冷却ファンの幾何学的形状が表示されるようにすることで、冷却ファンが取り付けられたラジエターの形状と放熱性能の関係を直感的に把握することができる(請求項4記載の発明)。
この発明によれば、ラジエターの形状諸元入力部と、この形状諸元に基づくラジエターの形状表示部と、放熱性能結果のグラフ表示部を同一画面上に表示するようにしているので、ラジエターの形状と放熱性能の関係を直感的に把握することができる。
以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、この発明の一実施形態のラジエター放熱シミュレーション・システムが適用されたラジエター放熱シミュレーション装置10の構成を示している。図1から分かるように、このラジエター放熱シミュレーション装置10は、パーソナルコンピュータ等により構成され、基本的には、キーボード、マウス等を含む入力装置14と、CRT表示装置あるいは液晶表示装置等の表示装置16と、これらに接続されるコンピュータ本体18とから構成されている。
コンピュータ本体18は、計算機であり、それぞれ図示していないCPU(中央処理装置)、メモリであるROM(EEPROMも含む。)、RAM(ランダムアクセスメモリ)あるいはHDD(ハードディスクドライブ)、その他、入出力装置、計時手段としてのタイマ等を有しており、制御部、演算部、処理部等として機能する。なお、ROMあるいはHDDには、計算実行時にCPUがRAMに読み込んで実行するプログラムが記憶されており、図1のコンピュータ本体18のブロック図内に、CPU(コンピュータ)が実行するプログラムの機能ブロックを示している。
すなわち、コンピュータ本体18は、入力装置14による操作入力をデータに変換して出力する入力処理部20と、入力データに基づきラジエターの幾何学的形状を計算する幾何学的形状計算部22と、入力データに基づきラジエターの放熱性能を計算する放熱性能計算部24と、入力データ及び幾何学的形状計算部22と放熱性能計算部24の計算結果に基づき表示画面用の映像信号を作成する表示処理部26とから構成されている。
図2A、図2Bは、車両、たとえば自動二輪車に搭載されるラジエター30の模式図を示しており、ラジエター30は、内部を冷却水が流れる冷却管32と、放熱効率を上げるフィン34との層構造になっている。ラジエター30は、例えば走行風36が当たる正面からみて台形(四角形も含む)に見える。このラジエター30は、図示していない水ポンプに接続されている。そして、水ポンプにより水の入力口40から供給され冷却管32内を流れる水が、外気温、走行風36、冷却管32、フィン34あるいはクーリングファン(不図示)により冷却されて、水の出力口38から出力される。出力口38から出力された水が、水ポンプを通じエンジン(不図示)のジャケット内を流通してエンジンを冷却し、エンジンの熱を奪った水が水の入力口40からラジエター30内にもどされるように構成されている。
図1の放熱性能計算部24には、xを冷却管32の長さ方向の任意の位置、水の温度をT(x)、外気温をTaとしたときの計算式が格納されている。この計算式は、微分方程式であり、次の(1)式で表される。

dT/dx=−(T−Ta)K/u−(T4−Ta4)M/u …(1)
ここで、uは水の流速、Kは水から冷却管32の外壁(空気との接触壁)までの熱伝達に寄与する定数(冷却管の形状、合成熱伝達係数等により決定される。)、Mは冷却管32の外壁からの熱放射に寄与する定数(冷却管の形状、ステファンボルツマン定数等により決定される。)である。なお、この微分方程式の定数は、種々の実験により決定される。
図3は、表示装置16の画面50を示している。
画面50は、基本的には、向かって左側半分の入力系画面52と、向かって右側半分の出力系画面54とからなる一画面で構成されている。
入力系画面52は、入力装置14から入力され入力処理部20によって処理される、ラジエター30の形状諸元(パラメータ)を入力する形状諸元入力部54A、54Bと、入力された形状諸元に基づき幾何学的形状計算部22によって計算されたラジエターの幾何学的形状を表示する形状表示部56と、入力装置14から入力され入力処理部20によって処理される、車両の環境条件を設定して入力する環境条件入力部57と、各冷却管32を流れる流速Umと流速分布を設定し入力する流速入力部58とから構成されている。なお、実際上、形状表示部56に表示されたラジエター30中、冷却管32の図の中に、流速Umを矢印の長さで表示しているが煩雑となるので、図3では省略している。
画面50上、左上側角部に設けられている形状諸元入力部54Aは、冷却管32の管断面形状の幅w(例として、「24.0」[mm]が入力されている。)、高さh(例として、「2.0」[mm]が入力されている。)及び肉厚t(例として、「0.3」[mm]が入力されている。)を、マウス、キーボード等の入力装置14を使用してユーザが入力する画面である。
また、画面50上、左下側に設けられている形状諸元入力部54Bは、マウスポインタにより左クリックしてドラッグすることにより、値の変更可能なスライダ59を含む画面とされており、ラジエター30の正面外形形状を台形としたときの、上底の長さL1(例として、「0.152」[m]が入力されている。)、下底の長さL2(例として、「0.092」「m」が入力されている。)、冷却管32の段数N(例として、「25」[段]が入力されている。)、及び縮小・拡大率(例として、「1.3」[倍]が入力されている。)を、マウス等の入力装置14を使用してユーザが入力する画面である。
さらに、画面50上、同様に、左下側に設けられている環境条件入力部57は、マウスポインタにより左クリックしてドラッグすることにより、値の変更可能なスライダ59を含む画面とされており、外気温度Ta(例として、「10[℃]」が入力されている。)と車速に対応した風速U(例として、車速28.8[km]に対応した「8.0[m/s]」が入力されている。)を、マウス等の入力装置14を使用してユーザが入力する画面である。
また、画面50上、左中央上部側に設けられている流速入力部58は、マウスポインタにより左クリックしてドラッグすることにより、値(偏差)の変更可能なスライダ59を含む画面とされており、全冷却管32内の冷却水が、均一流速か、偏差を持って冷却管32毎に徐々に変化する非均一流速(相対的にラジエター30の上側が速くて下側が遅い、あるいはその逆)かの流速分布を、マウス等の入力装置14を使用してユーザが入力する画面である。なお、基準流速Umは、キーボード等の入力装置14を用いて入力することができる(例として、Um=0.96[m/s]が入力されている。)。また、画面右下のフィンの有無ボタン(フィンの有無入力部)60は、フィンを取り付けるかどうかに応じて「フィン有」と「フィン無」を切り替える画面であり、デフォルトで「フィン有」とされている。さらに、画面上、フィンの有無入力部60の下側には、ラジエター30に対して冷却ファンを取り付けるかどうかに応じて冷却ファン「有」りと冷却ファン「無」しを切り換える画面である冷却ファンの有無ボタン(冷却ファンの有無入力部)61が設けられている。デフォルトで冷却ファン「無」しとされている。
入力装置14を用い、形状諸元入力部54A、54B上で、冷却管32の管断面形状の幅w、高さh、肉厚t、上底の長さL1、下底の長さL2、冷却管32の段数N、及び縮小・拡大率を入力すると、入力処理部20は、これらの入力データを幾何学的形状計算部22に供給する。
幾何学的形状計算部22は、入力データに基づき、入力データに対応した形状かつ段数を有するラジエター30の形状を計算し、表示処理部26に送る。
表示処理部26は、幾何学的形状計算部22からの計算結果及び入力処理部20からの各種入力データに基づき、画面50上、左側の中央部に入力データに対応した形状かつ段数を有するラジエター表示用の映像信号を作成して表示装置16に送る。
表示装置16は、表示用の映像信号に基づき、図3に示した主に左側の入力系画面52が表示された画面50を表示する。
左側半分に表示されるラジエター30の幾何学的形状設定とその表示を行う画面での設定の終了後に、計算開始ボタン62をマウス等の入力装置14により押す(クリックする。)。この操作により、放熱性能計算部24が、前記の入力データを参照し、予め記憶されている上述した数式に基づき放熱性能を計算する。この実施形態では、放熱性能として、降下温度特性と放熱量特性を計算する。計算結果を表示処理部26に送ることで、表示装置16の右側の出力系画面54上の降下温度特性表示部64Aと放熱量特性表示部64Bからなるグラフ表示部(グラフ・数値結果表示部あるいは結果表示部ともいう。)64に表示がなされる。
図4は、放熱性能計算部24により計算された降下温度特性66と放熱量特性68とがグラフ表示部64に表示された画面50Aを示している。画面50Aの右下側に表示された降下温度特性66は、横軸が流量Q[L/min]、縦軸がラジエター30の入出力口40、38間の冷却水の降下温度ΔT[K]を示している。
また、画面50Aの右上側に表示された放熱量特性68は、横軸が流量Q[L/min]、縦軸が放熱量H[kW]を示している。
このとき、横軸の流量Qの流量表示窓70にフルスケールが表示される(例としてフルスケール流量(横軸最大流量)X=100[L/m]が表示されている。)。なお、フルスケール流量Xは、スライダ72により調整可能である。
また、降下温度特性66のフルスケール(縦軸フルスケール)は、表示窓74の表示により、例として16[K]になっているが、スライダ76により変更可能である。
さらに、放熱量特性68のフルスケール(縦軸フルスケール)は、表示窓78の表示により、例として28.0[kW]になっているが、スライダ80により変更可能である。
さらにまた、降下温度特性66及び放熱量特性68中の、ある流量Qに対応する降下温度ΔT及び放熱量Hの数値による結果を読み取るために、降下温度特性66及び放熱量特性68上に沿って移動する赤い色の十字カーソル82、84が表示されている。
スライダ86を左右に動かすことにより、十字カーソル82、84は、降下温度特性66及び放熱量特性68のグラフの曲線に沿って同方向に移動する。このとき、十字カーソル82、84と、降下温度特性66及び放熱量特性68との交点の値、すなわち数値結果として、数値結果表示部としての流量表示窓88に横軸の流量Qが表示され(例として、Q=47.1[L/min]が表示されている。)、同様に、数値結果表示部としての降下温度表示窓90に降下温度ΔTが表示され(例として、ΔT=7.53[K]が表示されている。)、さらに放熱量表示窓92に放熱量Hが表示される(例として、H=24.25[kW]が表示されている。)。
この場合、左半分の入力系画面52上の形状諸元入力部54A、54Bでラジエター30の形状を変更して(形状を再入力して)、計算開始ボタン62を再度押すことで、降下温度特性66及び放熱量特性68のグラフが重ねて表示される。消去ボタン94を押すことで、図3に示したグラフ表示前の画面50にもどる。
このように、上述した実施形態は、図5に示すフローチャートをも参照して説明すれば、車両用のラジエター30の放熱性能(この実施形態では、放熱量特性68と降下温度特性66)を計算し、計算結果を表示装置16の画面50、50Aに表示するコンピュータによるラジエター放熱シミュレーション・システムであって、ラジエター30の形状諸元を入力する(ステップS1)形状諸元入力部54A、54Bと、入力された形状諸元に基づきコンピュータ(幾何学的形状計算部22)により計算されたラジエター30の幾何学的形状を表示する(ステップS2)形状表示部56と、車両の環境条件を設定して入力する(ステップS3)環境条件入力部57と、入力された形状諸元及び環境条件に基づきコンピュータによりラジエターの放熱性能を計算し(ステップS4)、計算結果をグラフ及び数値結果として表示する(ステップS5)グラフ表示部64とを備え、形状諸元入力部54A、54B、形状表示部56、環境条件入力部57、及びグラフ表示部64を表示装置16の同一画面50、50A上に表示している。
ラジエター30の形状諸元入力部54A、54Bと形状表示部56、車両の環境条件入力部57、及び計算結果をグラフとして表示するグラフ表示部64を表示装置16の同一画面50、50A上に表示するようにしたので、ラジエター30の形状諸元を入力するだけで、画面を切り替えることなしに、ラジエター形状の模式図と放熱性能(特性)結果をグラフで同時に見ることができる。すなわち、形状の変更とその影響(放熱性能結果)が、ビジュアルかつ即座に同一画面50、50A上に表示されるため、ラジエター30の形状と放熱性能の関係を直感的に把握することができる。
なお、入力装置14の操作により、降下温度特性66と放熱量特性68のグラフに沿って移動させることが可能な十字カーソル82、84により(ステップS6)、特定の流量(注目流量)Qに対応する数値結果である降下温度ΔT及び放熱量Hを読み取ることができる(ステップS7)ので、所望の結果が得られたかどうかを簡易に確認することができ、所望の結果が得られなかった場合には(ステップS8)、上記のステップS1〜S7の操作を、所望の結果が得られるまで繰り返せばよい。
この場合、画面50、50Aから理解されるように、形状諸元入力部54A、54Bと形状表示部56と環境条件入力部57を有する入力系画面52と、グラフ表示部64とを表示装置16の同一画面50、50A上に左右に分割して表示するようにしているので、出力結果の把握が容易である。すなわち、画面50、50Aが入力系と出力系に2分割されているために見易い。
ここで、ラジエター30の形状諸元は、ラジエター30を構成する冷却管32の段数N、冷却管32の断面の形状、及びラジエター30の外形形状を台形としたときの上底と、下底とし、車両の環境条件は、車両の車速に対応した風速Uと外気温度Taとすることで、主要な諸元(パラメータ)の変更と形状の変更で放熱性能の予測が可能になるという効果が達成される。
なお、計算結果等からラジエター30に対して冷却ファンを取り付けることが必要であると判断した場合には、上述したステップS1におけるラジエター30の形状諸元の入力工程において、冷却ファンの有無ボタン61を、冷却ファン「有」に切り換えて、冷却ファンの諸元形状を入力する。
図6は、冷却ファン「有」に切り換えた場合の表示装置16の入力画面50Bの説明図である。
この画面50Bでは、冷却ファンの寸法入力と変更、位置入力と変更、及び個数入力と変更が可能な冷却ファンの形状諸元入力部54Cが表示され、さらに、スライダ96により風速(画面上8.0[m/s]と表示されている。)の変更が可能な冷却ファンのファン風速入力部98が表示される。
この場合、画面50B上、形状表示部56には、幾何学的形状計算部22によりステップS2で計算された2つの冷却ファン101、102の幾何学的形状とともに、この冷却ファン101、102の取り付けられたラジエター30の幾何学的形状が表示される。
ここでは、冷却ファンの形状諸元入力部54Cの表示から、2つの冷却ファン101、102を使用することが分かり、現在、冷却ファン102の形状の調整中であることが分かる。冷却ファン102は、それぞれスライダ104で変更可能な例として、外半径が「84」[mm]、ハブ半径が「26」[mm]、中心座標Xが「325」[mm]、中心座標Yが「149」になっている。閉じるボタン106を押すことで、冷却ファンの形状諸元入力部54Cの表示を消去することができ、冷却ファンの有無ボタン61を、再度、冷却ファン「有」と設定することで表示が現れる。実際上、冷却ファンの形状諸元入力部54Cは、グラフ表示部64に上書きで表示される。
この状態において、計算開始ボタン62押すことにより、放熱性能計算部24が、設定された冷却ファン101、102の放熱性能を計算し(ステップS4)、新たな計算結果を、図5と同様に、降下温度特性66と放熱量特性68としてグラフ表示部64に表示する(ステップS5)。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、例えば、放熱シミュレーションが実行されるラジエターの外形形状を台形ではなく、かまぼこ型等の他、非対象形状にする等、実際に、水冷式エンジン等を搭載する車両等に合わせた任意の形状にする等、システムを拡張することが容易であり、種々の構成を採り得ることができる。
図1は、この発明の一実施形態のラジエター放熱シミュレーション・システムが適用されたラジエター放熱シミュレーション装置のブロック図である。 図2Aは、一般的なラジエターの模式的斜視図、 図2Bは、一般的なラジエターの模式的断面図である。 図3は、表示装置の入力系画面の説明図である。 図4は、表示装置の入力系画面及び出力系画面の説明図である。 この実施形態にかかるシミュレーション工程のフローチャートである。 図6は、冷却ファン有りに切り換えた場合の表示装置の入力画面の説明図である。
符号の説明
10…ラジエター放熱シミュレーション装置
14…入力装置 16…表示装置
18…コンピュータ本体 20…入力処理部
22…幾何学的形状計算部 24…放熱性能計算部
26…表示処理部 30…ラジエター
32…冷却管 34…フィン
50、50A、50B…画面 52…入力系画面
54…出力系画面 54A、54B、54C…形状諸元入力部
56…形状表示部 57…環境条件入力部
61…冷却ファンの有無入力部 62…計算開始ボタン
64…グラフ表示部 64A…降下温度特性表示部
64B…放熱量特性表示部 66…降下温度特性
68…放熱量特性 82、84…十字カーソル
101、102…冷却ファン

Claims (4)

  1. 車両用ラジエターの放熱性能を計算し、計算結果を表示装置の画面に表示するコンピュータによるラジエター放熱シミュレーション・システムであって、
    前記ラジエターの形状諸元を入力する形状諸元入力部と、
    入力された形状諸元に基づきコンピュータにより計算されたラジエターの幾何学的形状を表示する形状表示部と、
    前記車両の環境条件を設定して入力する環境条件入力部と、
    入力された形状諸元及び環境条件に基づきコンピュータによりラジエターの放熱性能を計算し、計算結果をグラフとして表示するグラフ表示部と
    を備え、前記形状諸元入力部、前記形状表示部、前記環境条件入力部、及び前記グラフ表示部を前記表示装置の同一画面上に表示した
    ことを特徴とするラジエター放熱シミュレーション・システム。
  2. 請求項1記載のラジエター放熱シミュレーション・システムにおいて、
    前記形状諸元入力部と前記形状表示部と前記環境条件入力部を有する入力系画面と、前記グラフ表示部とが前記表示装置の前記同一画面上に左右に分割して表示されている
    ことを特徴とするラジエター放熱シミュレーション・システム。
  3. 請求項1記載のラジエター放熱シミュレーション・システムにおいて、
    前記ラジエターの形状諸元は、ラジエターを構成する冷却管の段数、冷却管の断面の形状、及びラジエター外形形状を台形としたときの上底と、下底であり、
    前記車両の環境条件は、前記車両の車速に対応した風速と外気温度である
    ことを特徴とするラジエター放熱シミュレーション・システム。
  4. 請求項1記載のラジエター放熱シミュレーション・システムにおいて、
    前記形状諸元入力部では、さらに、前記ラジエターの冷却ファンの形状諸元が入力され、
    前記形状表示部には、さらに、前記冷却ファンの幾何学的形状が表示される
    ことを特徴とするラジエター放熱シミュレーション・システム。

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