JP3311487B2

JP3311487B2 - 熱流体ｃａｅシステム

Info

Publication number: JP3311487B2
Application number: JP10116294A
Authority: JP
Inventors: 哲朗大串; 邦彦加賀; 明広後藤; 明子今泉; 正俊小▲やなぎ▼; 政明村上
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-05-16
Filing date: 1994-05-16
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH07311166A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は計算機を用いた熱流体
ＣＡＥシステム、特に、回路網法によって機器や装置の
熱解析や流体解析を行なう熱流体ＣＡＥシステムに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】電子機器を始めとする機器を設計する際
に、放熱処理等のために機器内の熱拡散状態を知る必要
がある。そのために、熱解析、流体解析が必要とされ
る。近年、機器の大容量化、高密度化、高速化の進展は
目覚ましく、装置単位体積当りの消費電力は高まる一方
である。従って、これまでのように勘と経験で熱解析、
流体解析を行なうことが困難になりつつある。そこで、
コンピュータを利用した設計解析計算、いわゆるＣＡＥ
の普及に伴って、機器の温度分布や流量分布を計算によ
って予測することが行なわれるようになってきている。
ここで、熱解析とは機器各部の温度分布や熱流分布を予
測することを意味し、流体解析とは熱解析を行なうため
に流体の流量分布、流速分布、圧力分布を予測すること
を意味している。

【０００３】機器の熱流体解析には、熱回路網法と呼ば
れる手法および流体回路網法と呼ばれる手法が広く使用
されている。熱回路網法では、機器内部が幾つかの領域
に分割され、各領域の中央にノードと呼ばれる代表点が
設けられる。そして、各領域間のエネルギバランスを表
す連立方程式を解くことにより、ノード点の温度および
ノード間の熱流が求められる。また、流体回路網法で
は、流体内部が幾つかの領域に分割され、各領域の中央
にノードと呼ばれる代表点を設けられる。そして、各ノ
ードの運動量を保存するようにノード間を流れる流量の
質量バランスを表す連立方程式を解くことにより、ノー
ド点の圧力およびノード間の流量が求められる。熱回路
網法と流体回路網法とを併せて熱流体回路網法と呼ぶ。

【０００４】伝熱工学の分野において、熱伝達率や管路
抵抗係数に関して、数多くの解析式や実験式が求められ
ているので、熱伝達率や管路抵抗係数は容易に決定され
る。熱流体回路網法では、それらの熱伝達率や管路抵抗
係数を用いて熱抵抗や管路抵抗を求め、それらの抵抗に
よる回路網について熱流や流体の流量を求める。従っ
て、流体の挙動を厳密に計算することなく温度や熱流を
計算できる。このように、熱流体回路網法によれば、比
較的小規模な計算処理で精度のよい結果が得られる。

【０００５】従来の熱流体回路網法を使用したＣＡＥシ
ステムとして、特開平４−７６７５号公報や特開平４−
３０２７０号公報に示されたものがある。図２６は特開
平４−７６７５号公報に示されたＣＡＥシステムの構成
を示すブロック図である。図において１はデータ入力や
処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データの
表示や処理結果表示等のための表示装置、３は入力デー
タを形状データ記憶部４に設定したり形状データ記憶部
４の内容の更新を行ったりする形状データ処理部、５は
外部にある３次元ＣＡＤシステム、６は機器を小エリア
に分割する処理を行うエリア分割処理部、７は各小エリ
アのノード座標を記憶するノード座標データ記憶部であ
る。

【０００６】８は管路抵抗を計算して流体回路網を作成
する流体回路生成部、９は管路圧損データ記憶部、１０
は熱抵抗値を計算して熱回路網を作成する熱回路生成
部、１１は熱伝達率データ記憶部、１２は材料物性デー
タ記憶部、１３は流体回路網データおよび熱回路網デー
タを記憶する回路網データ記憶部、１４は圧力および流
量の演算を行う流体回路演算処理部１５および熱伝導に
よる熱抵抗と流体の流れによる熱抵抗とを演算する熱回
路演算処理部１６を有する演算処理部、１７は算出され
た圧力データを記憶する圧力流量データ記憶部、１８は
算出された温度データを記憶する温度データ記憶部、１
９は計算結果を表示する処理を行う計算結果表示処理
部、２０はファン特性データ記憶部である。

【０００７】次に動作について説明する。ここでは、図
２７に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場
合について説明する。図２７に示す例は、直方体の金属
板２１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧
Ｖがかけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／
Ｒ_eで表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒ_eＩ²のジュー
ル熱が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６
により駆動されて流動する空気２７が加熱される。な
お、Ｒ_eは金属板２１の電気抵抗２８の抵抗値を示す。

【０００８】以下、計算処理の流れを図２８に示した計
算フローを参照して説明する。形状データ処理部３は、
図２７に示す装置の形状を直線や円、円弧などの図形デ
ータとして取り込み、形状データ記憶部４に記憶した
り、内容の更新を行ったりする。図形データは入力装置
１から入力される。また、入力装置１には、関連する処
理コマンドが入力される。そして、表示装置２は、入力
データ等を表示している（ステップＳＴ１，ＳＴ２）。

【０００９】形状データ記憶部４に記憶されている形状
データは、図２７に示すような２次元あるいは３次元空
間上の座標を示すデータから構成されている。なお、他
の一般的な３次元ＣＡＤシステム５から形状データを取
り込むこともできる。エリア分割処理部６は、形状デー
タ記憶部４内の形状データを取り込み、図２９に示すよ
うに機器全体を小エリア４１に分割する（ステップＳＴ
３）。そして、小エリア重心点座標を算出し、重心点を
ノード４２とする。エリア分割処理部６は、ノード座標
データをノード座標記憶部７に格納する（ステップＳＴ
４）。

【００１０】次に、流体回路生成部８は、ノード座標デ
ータ記憶部７内のノード座標データと管路圧損データ記
憶部９内の管路圧損データとを用いて流体部分の管路抵
抗５１の抵抗値を計算する（図３０参照）。管路圧損デ
ータ記憶部９には、断面変化率と圧損係数との関係を示
すテーブルや管路開口率と圧損係数との関係を示すテー
ブルなど、あらかじめ実験等により導出された数値のテ
ーブルが記憶されている。流体回路生成部８は、管路抵
抗５１の値のうち、摩擦損失抵抗を、接続されている２
つの圧力ノード５２間の距離および接している面の面積
などから決定する。圧力ノード５２は、図２９に示され
た各ノード４２のうちダクト２５内に設定されたノード
に相当する。また、局所圧損抵抗を、管路圧損データ記
憶部９の管路圧損データを参照して、隣合う２つの小エ
リアの断面積の変化などにもとづいて決定する（ステッ
プＳＴ５）。

【００１１】形状データ処理部３によって図２７に示す
ファン２６が入力されている場合には、流体回路生成部
８は、ファン特性データ記憶部２０を参照して、ファン
２６を含む小エリア４１に、種別に応じたファン特性デ
ータを付与する。すなわち、ファンによる圧力上昇すな
わち流体駆動力が電池５３の形で設定される。このよう
にして、管路抵抗５１と電池５３により流体回路網５４
が形成される。流体回路生成部８は、作成された流体回
路網データを回路網データ記憶部１３に格納する。

【００１２】次に、熱回路網生成部１０は、図３１に示
すように、小エリア同士が面または線で接している固体
中の温度ノード６１間を熱伝導による熱抵抗６２で接続
するとともに、熱抵抗値を算出する。熱回路網生成部１
０は、熱抵抗値を、材料物性データ記憶部１２の材料物
性データを参照して、接続されている２つの温度ノード
６２間の距離、接している面積および固体の熱伝導率に
もとづいて算出する（ステップＳＴ６）。温度ノード６
１，６３は、図２９に示された各ノード４２に相当す
る。熱回路網生成部１０は、熱伝導による熱抵抗６２の
値の計算結果を固体中における熱回路網データとして回
路網データ記憶部１３に格納する。

【００１３】演算処理部１４において、まず、流体回路
演算処理部１５は、管路抵抗データを回路網データ記憶
部１３から読み込み、非線形連立方程式解法演算を行
う。流体回路演算処理部１５は、演算結果である圧力ノ
ード５２の圧力と圧力ノード５２間の流量とを圧力流量
データ記憶部１７に格納する（ステップＳＴ７）。

【００１４】次に、熱回路演算処理部１６は、圧力ノー
ド５２間の流量、圧力ノード５２間の流速、熱伝達率デ
ータ記憶部１１の熱伝達係数データ、および材料物性デ
ータ記憶部１２の材料物性データをもとに、固体中の温
度ノード６１と流体中の温度ノード６３間の熱伝達によ
る熱抵抗６４を、および、流体中の温度ノード６３間の
流体の流れによる熱抵抗６５の値を計算する。このよう
にして、熱抵抗６２，６４，６５による熱回路網６６が
形成される。熱回路演算処理部１６は、熱回路網６６中
にある温度ノード６１に成立するエネルギ保存式を表す
熱抵抗係数行列を完成させる。そして、連立方程式演算
によって、全てのノードの温度を算出する（ステップＳ
Ｔ８）。自然対流などのように、圧力ノード５２の圧力
がノードの温度に依存して決定されるような場合には、
流体回路演算処理部１５と熱回路演算処理部１６とが交
互に反復処理を行い、結果が収束するまで処理を繰り返
される。

【００１５】熱回路演算処理部１６は、このようにして
得られた温度データを、温度データ記憶部１８に格納す
る。圧力流量データ記憶部１７内の圧力データおよび流
量データならびに温度データ記憶部１８内の温度データ
は、形状データ、ノード座標データおよび回路網データ
とともに、計算結果表示処理部１９に取り込まれる。計
算結果表示処理部１９は、温度分布、流量分布などを視
覚的に表示するために以下の処理を行う（ステップＳＴ
９）。

【００１６】図３２は計算結果表示処理部１９の処理に
より表示装置１に表示された温度分布を示す図である。
計算結果表示処理部１９は、形状データ記憶部４から形
状データを取り込み、装置の形状を表示装置２に表示す
る。システム利用者は対話的処理により、表示したいデ
ータ（温度、圧力、流量）、その表示方式（等温線図に
よる表示やベクトル図による表示等）および表示したい
断面を指示する。温度および等温線図が指定された場合
には、計算結果表示処理部１９は、ノード座標データ記
憶部７のノード座標データと温度データ記憶部１８の温
度データとを用いて、ノード間温度を補間処理すること
により、装置形状上に等温線７１を描く処理を行う。そ
して、表示装置２上に図３２に示すように表示する（ス
テップＳＴ１０）。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】従来の熱流体解析ＣＡ
Ｅシステムは以上のように構成されているので、次のよ
うな問題点があった。（１）熱回路網あるいは流体回路網のいずれか一方の生
成または両者の生成をシステム利用者が選択できない。（２）熱回路生成部１０、流体回路生成部８および演算
処理部１４しか備えられていないので、金属板２１の電
気伝導度の温度変化に起因する電気抵抗２８（Ｒ_e）の
変化によって金属板２１のジュール発熱量が変化するこ
と、さらに、金属板２１の温度や空気２７の温度が変化
することを考慮するための電気回路網と熱回路網および
流体回路網とを連成させた場合には対応できない。ま
た、金属板２１の表面に薄い液膜が設けられた場合、液
の蒸発により空気２７が加湿されたときの空気２７の温
度変化や湿度変化を求めるための水分の移動を表す物質
移動回路網と熱回路網および流体回路網とを連成させた
場合には対応できない。（３）形状データ以外の計算に必要なデータを入力装置
から各記憶部に入力できる構成となっていないので、デ
ータの変更や追加をシステム利用者が自由に行うことが
できない。この結果、問題に最も適したデータを使用で
きない場合がある。（４）境界条件など全ての計算パラメータをシステム利
用者が関数や表の形で設定できないので、問題に最も適
したパラメータ変化を採用できない場合がある。そのよ
うな場合には精度のよい計算ができない。（５）システム利用者は、最大のノード数、初期条件、
境界条件、回路条件に関するデータを選択できない。す
なわち、所望のレベルのシミュレーションができない。
すなわち、利用者が期待する精度以上の演算が実行され
てしまう場合がある。その結果、不必要に大きな記憶領
域が確保されたり、不必要なデータを入力しなければな
らない場合が生じたりして、システムの効率的な使用が
できない。（６）回路網として四角メッシュしかできない。そのた
めに、固体中の熱伝導を計算する場合に、曲面などの任
意の形状に対応しにくく計算精度が低下する。（７）回路網を解く演算手法をシステム利用者が自由に
選択できないため、問題に最も適した解法による高速で
精度のよい計算ができない場合がある。（８）回路網が入力できないないため、システム利用者
が問題に最も適した回路網を設定できず、問題に最も適
した回路網による精度のよい計算ができない場合があ
る。（９）回路網図上に計算結果の表示が行えないので、計
算結果の詳細な解析が困難な場合がある。（１０）ＣＡＥシステムから直接外部機器の温度や流量
などを制御することはできない。（１１）回路網法による解法を使用しているため、特
に、流体中の渦など、細かな流れを解析することが困難
である。そのために、流れが複雑な場合には精度がよく
ない。

【００１８】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、複雑な問題に適した解析モデル
を自由に設定でき、精度がよい実用的なＣＡＥシステム
を得ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る熱流体ＣＡＥシステムは、回路網生成装置が、入力デ
ータ処理装置からの動作条件に応じて、さらに、電気回
路網もしくは物質移動回路網を、または電気回路網およ
び物質移動回路網を設定する構成になっているものであ
る。

【００２０】

【作用】請求項１記載の発明における回路網生成装置
は、電気回路網と物質移動回路網とを選択的にあるいは
同時に生成する。

【００２１】

【実施例】実施例１．以下、この発明の実施例を図について説明する。図１は
この発明の一実施例による熱流体ＣＡＥシステムの構成
を示すブロック図である。図において、１はデータ入力
や処理コマンド入力のための入力装置、２は入力データ
の表示や処理結果表示等のための表示装置、１０１は入
力データをデータベース処理装置１０５や関数式・表計
算処理装置１０６に設定したり回路網生成装置１０２に
供給したりする入力データ処理装置、１０２は各種回路
網を生成する回路網生成装置、１０３は温度、圧力、電
圧および濃度を演算する演算処理装置、１０４は演算結
果を回路網とともに表示する制御を行う計算結果表示処
理装置、１０５は各種のパラメータを記憶するとともに
各パラメータを用いて熱伝導率等を算出して出力するデ
ータベース処理装置、１０６は関数式や表計算法を記憶
する関数式・表計算処理装置である。関数式・表計算処
理装置１０６内の関数式や表計算法は、回路網生成装置
１０２内の各生成部、演算処理装置１０３内の各演算処
理部およびデータベース処理装置１０５内の各処理部に
よって利用される。

【００２２】図２は回路網生成装置１０２および演算処
理装置１０３の構成を詳細に示すブロック図である。図
に示すように、回路網生成装置１０２は、熱回路網を作
成する熱回路網生成部１１１、流体回路網を作成する流
体回路網生成部１１２、電気回路網を作成する電気回路
網生成部１１３、および物質移動回路網を作成する物質
移動回路網生成部１１４からなっている。

【００２３】演算処理装置１０３は、回路網生成装置１
０２に接続された演算処理部１２２および具体的な回路
網演算を行う回路網演算部１１９を有する。演算処理部
１２２は、定常状態における演算を制御する定常計算処
理部１２０および過渡状態における演算を制御する過渡
計算処理部１２１を有する。回路網演算部１１９は、各
ノードの温度および各ノード間の熱流を算出する熱回路
網演算処理部１１５、各ノードの圧力および各ノード間
の流体流量を算出する流体回路網演算処理部１１６、各
ノードの電圧および各ノード間の電流を算出する電気回
路網演算処理部１１７、ならびに各ノードにおける濃度
および各ノード間の物質移動量を算出する物質移動回路
網演算処理部１１８を有する。

【００２４】図３はデータベース処理装置１０５の構成
を詳細に示すブロック図である。データベース処理装置
１０５において、関数式・表計算処理装置１０６に格納
されている関数や表計算法を利用して、熱伝達率処理部
１３１が熱伝達率を、管路抵抗係数処理部１３２が管路
抵抗係数を、物質伝達処理部１３３が物質伝達率を、フ
ァン・ポンプ特性処理部１３４がファンやポンプの流量
の関数としての圧力上昇を、材料物性処理部１３５が材
料の熱伝導率、流体の比熱、粘性係数などの材料物性
を、その他のパラメータ処理部１３６が液膜表面積など
計算において変化させるパラメータを計算する。そし
て、必要なら計算結果を記憶する。

【００２５】データベース処理装置１０５は、熱伝達
率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、
材料物性値のデータが設定されたデータベースを有す
る。データベース処理装置１０５における処理部が計算
によってそれらを求める構成とすることもできる。その
場合には、データベースがなくてもよい。あるいは、デ
ータベースと各処理部とを併用することもできる。図に
示すように、この場合には、データベース処理装置１０
５は、熱伝達率の算出または熱伝達率データベースのア
クセスを行う熱伝達率処理部１３１、管路抵抗係数の算
出または管路抵抗係数データベースのアクセスを行う管
路抵抗係数処理部１３２、物質伝達率の算出または物質
伝達率データベースのアクセスを行う物質伝達率処理部
１３３、ファン・ポンプ特性データベースのアクセスを
行う特性処理部１３４、材料物性データベースのアクセ
スを行う材料物性処理部１３５、その他のパラメータ処
理部１３６を有する。

【００２６】入力データ処理装置１０１は、図４に示す
ように、計算の種類や回路網の選択および入力データ処
理部１４２に対する必要データの供給を行う計算制御条
件処理部１４１と、回路網生成装置１０２、データベー
ス処理装置１０５および関数式・表計算処理装置１０６
にデータを供給する入力データ処理部１４２と、自動図
面作成装置（ＣＡＤ）や外部のＣＡＥシステムに搭載さ
れた図形処理装置などの外部図形処理装置１４３に接続
された形状データ処理部１４４と、形状データ処理部１
４４が作成した形状データ記憶部１４５と、エリア分割
処理およびノード設定処理を行う回路網データ処理部１
４６とを有する。

【００２７】図５は計算結果表示処理装置１０４の構成
を詳細に示すブロック図である。図に示すように、計算
結果表示処理装置１０４は、計算結果処理部１５３と、
計算結果表示処理部１５８とを有する。計算結果処理部
１５３は、温度、圧力、電圧、水分などの濃度、加熱
量、熱容量、流体重量、電気容量、物質重量などのスカ
ラ値を表示できるようにするためのスカラ処理部１５１
と、熱流、風量、風速、電流、物質移動量（例えば、水
分移動量）などのベクトル値、および、熱抵抗、管路抵
抗、電気抵抗、物質移動抵抗（例えば、水分移動抵抗）
などのノード間に設定される値を表示できるようにする
ためのベクトル処理部１５２とを有する。なお、以下、
熱抵抗等のノード間に設定される値もベクトル値に含め
て扱う。計算結果表示処理部１５８は、スカラ値やベク
トル値の時間変化や繰り返し回数による変化を表示する
ための変化表示処理部１５４と、空間分布を表示するた
めの空間分布表示処理部１５５と、等高線表示をするた
めの等高線表示処理部１５６と、ベクトル矢印線を表示
するためのベクトル線表示処理部１５７とを有する。

【００２８】次に動作について説明する。ここでは、図
６に示す例を対象に各部の温度と流量分布を求める場合
について説明する。図６に示す例は、直方体の金属板２
１の両端２２、２３間に電源２４により一定の電圧Ｖが
かけられるものである。金属板２１には、Ｉ＝Ｖ／Ｒ_e
で表される電流Ｉが通電し、Ｑ＝Ｒ_eＩ²のジュール熱
が発熱する。また、ダクト２５の内部をファン２６によ
り駆動されて流動する空気２７が加熱され、かつ、液膜
１６１の蒸発により加湿される。このとき、金属板２１
の電気伝導度が温度によって変化するので、金属板２１
の電気抵抗２８（Ｒ_e）が変化する。よって、金属板２
１を流れる電流Ｉも変化する。その結果、Ｒ_eＩ²で表
される金属板２１のジュール発熱量が変化する。また、
加湿量も変化する。その結果、空気２７の温度および湿
度も変化する。

【００２９】入力装置１はデータの入力や処理コマンド
の入力を行い、表示装置２は入力データの表示や処理結
果の表示を行うことは従来例と同様である。図４に示す
ような入力データ処理装置１０１において、形状データ
処理部１４４は、図６に示す機器形状を直線や円、円弧
などの図形データとして取り込む。そして、形状データ
記憶部１４５に図形データを記憶したり、形状データ記
憶部１４５の内容の更新を行ったりする。ここで、形状
データ記憶部１４５に記憶されている形状データは、２
次元あるいは３次元空間上の座標を示すデータで構成さ
れている。図４に示すように、他の一般的な３次元ＣＡ
Ｄシステムなどの外部図形処理装置１４３から形状デー
タを取り込むこともできる。

【００３０】回路網データ処理部１４６は、形状データ
記憶部１４５内の形状データを、図７に示すように、小
エリア１７１に分割する。さらに、分割線１７２同士の
交点や物体の表面と分割線１７２との交点にノード１７
３を生成し、ノード座標データを記憶しておく。ここで
は、図７に示すように、固体の表面および液面にもノー
ドが設定される。このとき、システム利用者が入力装置
１から三角形状のエリアを作成するようにコマンドを入
力した場合には、回路網データ処理部１４６は、四角形
に対角線を引く等の方法によって、図７に示すように三
角形状のエリアを生成する。曲線や曲面が存在していた
場合に、システム利用者の指令があれば、外径線に沿っ
た形にエリア分割する。また、回路網データ処理部１４
６が物体の表面にもノードを発生するので、表面の温度
などの表面の状況が、従来例に比べてより正確に求めら
れる。

【００３１】システム利用者が最大ノード数を指定した
場合には、回路網データ処理部１４６は、その数に従っ
てノードを設定する。例えば、三角形状のエリア生成を
止めたりする。

【００３２】その後、入力データ処理装置１０１の計算
制御条件処理部１４１は、計算制御条件の設定を行う。
計算制御条件は、入力装置１を介したシステム利用者か
らの指令にもとづいて設定される。計算制御条件には、
定常計算をするのか過渡計算をするのかの計算の種類の
選択、計算に用いる回路網として、熱回路網、流体回路
網、電気回路網、物質移動回路網のうちいずれの回路網
を使用するのかの選択、入力データ処理部１４２が回路
網生成装置１０２に与える必要データがある。

【００３３】また、システム利用者は、計算制御条件処
理部１４１からの計算制御条件に応じて、計算における
時間条件としての計算のスタート時間、終了時間、時間
刻み幅、また初期条件（過渡計算の場合）あるいは仮定
条件（定常計算の場合）としての温度、圧力、電圧、濃
度、加熱量、風量、風速、電流、物質移動量（水分移動
量）、境界条件としての温度、圧力、電圧、濃度、加熱
量、風量、風速、電流、物質移動量、回路条件としての
熱抵抗、管路抵抗、電気抵抗、物質（水分）移動抵抗、
熱容量、流体重量、電気容量、物質量を計算するための
データを入力する。それらのデータおよび回路網データ
処理部１４６からのデータは、計算制御条件処理部１４
１を介して入力データ処理部１４２に入力される。入力
装置１からの各データおよび回路網データ処理部１４６
からのデータは、さらに、回路網生成装置１０２に送ら
れる。

【００３４】システム利用者は、今行おうとする回路網
計算に適したデータをデータベース処理装置１０５内の
データベースに追加することもできる。また、データベ
ースを修正することもできる。その場合には、熱伝達
率、管路抵抗係数、物質伝達率、ファン・ポンプ特性、
材料物性値、液膜の表面積など計算において変化させる
パラメータなどを入力装置１に入力する。それらのデー
タは、入力データ処理部１４２を介してデータベース処
理装置１０５に入力される。データベース処理装置１０
５において、各処理部は、担当するデータベースを更新
する。

【００３５】また、システム利用者は、今行おうとする
回路網計算に適した関数式や表を追加することもでき
る。また、関数式や表を修正することもできる。その場
合には、新たなまたは追加の関数式や表を入力装置１に
入力する。それらのデータは、入力データ処理部１４２
を介して関数式・表計算処理装置１０６に入力される。
関数式・表計算処理装置１０６は、入力に応じて関数式
や表を更新する。システム利用者は、収束判定条件や計
算結果の出力条件としての出力回数なども入力できる。
それらのデータは、計算制御条件処理部１４１を介して
入力データ処理部１４２に入力される。

【００３６】回路網生成装置１０２において、図２に示
す熱回路網生成部１１１が熱回路網を、流体回路網生成
部１１２が流体回路網を、電気回路網生成部１１３が電
気回路網を、そして、物質移動回路網生成部１１４が物
質移動回路網を生成する。

【００３７】まず、熱回路網の生成の仕方を説明する。
熱回路網生成部１１１には、回路網データ処理部１４６
が作成したデータが供給されている。熱回路網生成部１
１１は、回路網データ処理部１４６によって設定された
各ノードを図８に示すように固体温度ノード１８１、表
面温度ノード１８３または流体温度ノード１８４と定義
する。さらに、熱回路網生成部１１１は、図８に示すよ
うに、小エリア分割線で結ばれている固体温度ノード１
８１間を熱伝導による熱抵抗１８２で接続するととも
に、抵抗値を算出する。すなわち、接続ノード間の距
離、ノード間の平均熱流断面積およびデータベース処理
装置１０５内の材料物性処理部１３５から供給される固
体の熱伝導率から熱伝導による熱抵抗値を算出する。材
料物性処理部１３５は、熱回路網生成部１１１の要求に
応じて、関数式・表計算処理装置１０６に記憶された関
数式あるいは表を用いて固体の熱伝導率を算出しそれを
供給する。

【００３８】次いで、熱回路網生成部１１１は、表面温
度ノード１８３と流体温度ノード１８４との間の熱伝達
による熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。その際、熱回
路網生成部１１１は、データベース処理装置１０５の熱
伝達率処理部１３１から供給される熱伝達率と物体や液
膜表面に生成された表面温度ノード１８３の表面積とを
用いて熱抵抗１８５の抵抗値を計算する。熱伝達率処理
部１３１は、熱回路網生成部１１１の要求に応じて、図
９に示す流体圧力ノード１９１間の流速、データベース
処理装置１０５の材料物性処理部１３５からの流体の熱
伝導率、および、密度、比熱、粘性係数などのデータベ
ース処理装置１０５に記憶されている材料物性データを
もとに、関数式・表計算処理装置１０６内の関数式や表
を利用して熱伝達率を計算する。

【００３９】熱回路網生成部１１１は、同様に、流体圧
力ノード１９１間の流量およびデータベース処理装置１
０５に記憶されている材料物性データをもとに、流体中
の温度ノード１８４間の流体の流れによる熱抵抗１８６
の値を算出する。このとき、流体圧力ノード１９１間の
流量と流速とは、定常計算の場合は仮定値、過渡計算の
場合は初期値で与えられる。または、後述する流体回路
網演算処理部１１６の計算結果で与えられる。また、過
渡計算の場合は、固体温度ノード１８１、流体温度ノー
ド１８４、表面温度ノード１８３それぞれが代表する領
域の熱容量１８７が計算される。

【００４０】次に、流体回路網の生成の仕方を説明す
る。流体回路網生成部１１２は、図９に示すように、回
路網データ処理部１４６によって設定された各ノードの
うち、ダクト２５内のノードを流体圧力ノード１９１と
する。流体回路網生成部１１２は、流体中の圧力ノード
１９１間の管路抵抗１９２の値を次のように計算する。
すなわち、管路抵抗のうち、摩擦損失による抵抗は、接
続されている２つの圧力ノード１９１間の距離、接して
いる面の断面積、データベース処理装置１０５の材料物
性データをもとに計算される。また、断面積の変化など
による局所圧損抵抗は、隣合う２つの小エリアの断面積
の変化などから、管路抵抗係数処理部１３２からの管路
圧損データを参照して計算される。管路抵抗係数処理部
１３２には、あらかじめ実験等により導出されあらかじ
め設定されている数値やシステム利用者が入力データ処
理装置１０１から入力した数値による、断面変化率と圧
損係数との関係を示すテーブルや管路開口率と圧損係数
との関係を示すテーブルなどがデータベースとして記憶
されている。流体回路網生成部１１２は、データベース
内のデータおよび関数式・表計算処理装置１０６内の関
数式あるいは表計算法を用いて管路抵抗１９２を算出す
る。

【００４１】また、流体回路網生成部１１２は、ファン
の部分について、データベース処理装置１０５のファン
・ポンプ特性処理部１３４に記憶された流量の関数とし
ての圧力上昇特性データベースを用いて、流体の駆動力
としての圧力上昇を計算する。そして、流体回路網に圧
力上昇を表わす電池１９３を設定する。

【００４２】次に、電気回路網の生成の仕方を説明す
る。電気回路網生成部１１３は、図１０に示すように、
回路網データ処理部１４６によって設定された各ノード
のうち、金属板２１および液膜１６１中の小エリア分割
線で結ばれているノードを固体電圧ノード２０１とす
る。電気回路網生成部１１３は、固体電圧ノード２０１
間を電気抵抗２０２で接続する。そして、２つの固体電
圧ノード２０１間の電気抵抗値を算出する。電気抵抗値
は接続ノード間の距離、ノード間の平均断面積および固
体の電気伝導率から算出される。ここで、材料物性処理
部１３５は、データベース処理装置１０５中の材料物性
データと関数式・表計算処理装置１０６内の関数式ある
いは表計算法を用いて電気伝導率を求め、それを電気回
路網生成部１１３に供給する。なお、図１０には、液膜
の電気抵抗２０３も計算された例が示されている。

【００４３】次に、物質移動回路網の生成の仕方を説明
する。物質移動回路網生成部１１４は、図１１に示すよ
うに、回路網データ処理部１４６によって設定された各
ノードのうち流体中に設定されたものを、流体中の水分
の濃度を表す濃度ノード２１１と定義する。また、液表
面に設定された各ノードを液表面における濃度ノード２
１２と定義する。そして、濃度ノード２１１と濃度２１
２の間に物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３を、また、
流体中の２つの濃度ノード２１１間に流れにともなう物
質移動による物質移動抵抗２１４を設定する。物質移動
回路網生成部１１４は、仮定値（定常計算の場合）ある
いは初期値（過渡計算の場合）を用いて物質移動抵抗２
１３，２１４を算出する。または、後述する流体回路網
演算処理部１１６の計算結果である流体圧力ノード１９
１間の流量および流速、ならびにデータベース処理装置
１０５の物質伝達率処理部１３３からの物質伝達率デー
タおよび液体表面濃度ノード２１２が代表する表面積を
もとに物質移動抵抗２１４を計算する。過渡計算の場合
は、流体の濃度ノード２１１、液表面の濃度ノード２１
２それぞれが代表する領域の水分量などの物質量２１５
が計算される。

【００４４】ここで、例えば、液膜１６１の表面積が時
間とともに変化する場合、図１１に示した物質移動回路
中の物質伝達に伴う物質移動抵抗２１３が変化する。こ
の場合、物質移動回路網生成部１１４が物質伝達に伴う
物質移動抵抗２１３を計算する際に、データベース処理
装置１０５中のその他のパラメータ処理部１３６からそ
れを考慮した液膜の表面積を出力させればよい。その他
のパラメータ処理部１３６は、関数式・表計算処理装置
１０６に記憶された関数式あるいは表により時間の関数
として液膜の表面積を計算する。回路網生成装置で計算
されたすべての情報は計算結果表示処理装置１０４に伝
達され表示される。

【００４５】また、回路網生成装置１０２の処理が終了
した後、計算された回路網の情報は演算処理装置１０３
に伝達される。演算処理装置１０３において、演算処理
部１２２の過渡計算処理部１２１は、温度、圧力、電
圧、濃度の時間変化を表わす過渡計算を、熱回路網演算
処理部１１５、流体回路網演算処理部１１６、電気回路
網演算処理部１１７または物質移動回路網演算処理部１
１８に実行させる。定常計算処理部１２０は、温度、圧
力、電圧、濃度の時間的に一定の定常状態での値を求め
る計算を、熱回路網演算処理部１１５、流体回路網演算
処理部１１６、電気回路網演算処理部１１７または物質
移動回路網演算処理部１１８に実行させる。

【００４６】過渡計算および定常計算のいずれの場合
も、回路網演算部１１９の熱回路網演算処理部１１５
は、熱回路網中の温度ノード１８１，１８３，１８４に
対する熱エネルギ保存の式を表わす連立方程式を解き、
各ノードの温度、各ノード間の熱流を算出する。流体回
路網演算処理部１１６は、流体回路網中の圧力ノード１
９１に対する質量保存の式を表わす連立方程式を解き、
各ノードの圧力および各ノード間の流体流量を算出す
る。電気回路網演算処理部１１７は、電気回路網中の電
圧ノード２０１に対する電気エネルギ保存の式を表わす
連立方程式を解き、各ノードの電圧および各ノード間の
電流を算出する。物質移動回路網演算処理部１１８は、
物質回路網中の濃度ノード２１１，２１２に対する質量
保存の式を表わす連立方程式を解き、各ノードの濃度お
よび各ノード間の物質移動量を計算する。

【００４７】このとき、図８に示す熱回路網中の熱抵抗
１８２，１８５，１８６、図９に示す流体回路網中の管
路抵抗１９２、ファンやポンプによる圧力上昇を表わす
電池１９３、図１０に示す電気回路網中の電気抵抗２０
２，２０３、図１１に示す物質移動回路網中の物質移動
抵抗２１３，２１４は、温度、圧力、電圧、濃度、熱
流、流体流量、電流、物質移動量などの変化に応じて変
化する。図１２に示すように、回路網生成装置１０２
は、過渡計算を行う場合には、入力された初期値を用い
て回路網生成装置１０２の各抵抗の計算を行う（ステッ
プＳＴ１３）。過渡計算を行う場合には、温度、圧力、
電圧、濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の初期
値が入力されている（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。
回路網生成装置１０２における具体的な計算過程は、既
に説明したとおりである。次いで、演算処理装置１０３
中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算
処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明し
たような計算を行う（ステップＳＴ１４）。次に、時間
を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ１５）。

【００４８】時間が所定の最終時間に達していない場合
には、回路網生成装置１０２は、１ステップ前の時間の
計算値を用いて各抵抗の計算を行い、回路網演算処理部
１１５、１１６、１１７、１１８は既に説明したような
計算を行う（ステップＳＴ１６，ＳＴ１３，ＳＴ１
４）。時間が最終時間に達したら、計算結果表示処理装
置１０４の処理に移行する。

【００４９】定常計算においては、温度、圧力、電圧、
濃度、熱流、流体流量、電流、物質移動量の仮定値が入
力されている。（ステップＳＴ１１，ＳＴ１２）。回路
網生成装置１０２は、仮定された値を使用して各抵抗の
計算を行う（ステップＳＴ１３）。演算処理装置１０３
中の回路網演算部１１９におけるそれぞれの回路網演算
処理部１１５，１１６，１１７，１１８は、既に説明し
たような計算を行う（ステップＳＴ１８）。具体的な計
算過程は、既に説明したとおりである。定常計算処理部
１２０は、計算された結果と仮定値との比較を行う（ス
テップＳＴ１９）。その差が所定の収束判定条件と合っ
ていなければ、温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流体流
量、電流、物質移動量の計算値を用いて仮定しなおす
（ステップＳＴ２０）。回路網生成装置１０２は各抵抗
の計算を行い、回路網演算処理部１１５，１１６，１１
７，１１８は既に説明したような計算を行う（ステップ
ＳＴ１３，ＳＴ１８）。定常計算処理部１２０は、計算
された結果と仮定値との比較を再び行う（ステップＳＴ
１９）。その差が所定の収束判定条件と合って段階で、
計算結果表示処理装置１０４の処理へ移行する。すなわ
ち、収束計算された温度、圧力、電圧、濃度、熱流、流
体流量、電流、物質移動量は、計算結果表示処理装置１
０４に送られる。

【００５０】計算結果表示処理装置１０４は、以下のよ
うな処理が行われる。すなわち、計算結果表示処理装置
１０４中の計算結果処理部１５３のスカラ処理部１５１
およびベクトル処理部１５２には、回路網生成装置１０
２から加熱量、熱容量、流体重量、物質量などのスカラ
値、熱抵抗、電気抵抗、管路抵抗、物質移動抵抗などの
ベクトル値が送られ、また演算処理装置１０３からは温
度、圧力、電圧、濃度などのスカラ値、熱流、流体流
量、電流、物質移動量などのベクトル値が送られる。計
算結果表示処理装置１０４は、それらのデータを記憶す
る。

【００５１】計算結果表示処理部１５８における変化表
示処理部１５４は、計算結果処理部１５３のスカラー処
理部１５１に記憶されたスカラ値およびベクトル処理部
１５２に記憶されたベクトル値の時間変化あるいは計算
の繰返しによる変化を表示装置２に表示する。空間分布
表示処理部１５５は、スカラ値あるいはベクトル値の空
間変化を表示装置２に表示する。等高線表示処理部１５
６は、入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１
４５から送られた形状データ上にスカラ値を等高線の形
で表示する。そして、ベクトル線表示処理部１５７は、
入力データ処理装置１０１の形状データ記憶部１４５か
ら送られた形状データ上にベクトル値を矢印の大小の形
で表示する。もちろん等高線とベクトル線が同時に表示
されることも可能である。これらの表示は表示装置２を
用いて行なわれるが、外部図形処理装置１４３にも送ら
れ、外部図形処理装置１４３上に表示することも可能で
ある。以上のようにして、計算結果の表示が行なわれ
る。なお、熱抵抗として放射熱伝達がある場合について
も、熱伝導による熱抵抗と同様に扱える。

【００５２】ここでは、熱、流体、電気、物質移動の全
ての回路網を使用する場合について説明したが、熱回路
網だけを使用することもできる。回路網についての演算
を選択的に行える。熱回路網だけを使用すればよい場合
には、入力データ処理装置１０１における計算制御条件
処理部１４１が熱回路網のみを選択する。そして、計算
制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０２に対し
て熱回路網のみの生成を指示する。その指示に応じて、
回路網生成装置１０２および演算処理装置１０３は、熱
回路網を用いた処理のみを実行する。その場合には、他
の回路網の計算をする経路を通らないため効率的な計算
が行われる。同様に、流体回路網についての処理のみを
行うこともできる。

【００５３】また、電気回路網および物質移動回路網に
ついての処理を選択的に追加することもできる。例え
ば、計算制御条件処理部１４１は、入力装置１からの指
示に応じて、熱、流体、電気の回路網を選択する。そし
て、計算制御条件処理部１４１は、回路網生成装置１０
２に対して熱回路網、流体回路網および電気回路網の生
成を指示する。その指示に応じて、回路網生成装置１０
２は、熱回路網、流体回路網および電気回路網を生成す
る。また、演算処理装置において、熱回路網演算処理部
１１５、流体回路網演算処理部１１６および電気回路網
演算処理部１１７のみが起動される。同様に、計算制御
条件処理部１４１が、熱、流体、物質移動の回路網を選
択した場合には、回路網生成装置１０２は、熱回路網、
流体回路網および物質移動回路網を生成する。そして、
演算処理装置において、熱回路網演算処理部１１５、流
体回路網演算処理部１１６および物質移動回路網演算処
理部１１８のみが起動される。さらに、電気回路網また
は物質移動回路網のみについての処理を選択することも
できる。

【００５４】実施例２．上記実施例では演算処理装置１０３の定常計算および過
渡計算における回路網演算において、すでにシステムに
内蔵されている計算手法を使用する場合について述べ
た。しかし、計算法として、回路網の特性に合った手法
を用いると計算時間の短縮や精度の向上がはかれる。図
１３はそのためのシステムの一構成例を示したものであ
る。図１３において、２３１は演算手法選択・処理装置
であり、図１４に示すように、オイラー陽解法計算処理
部２４１、オイラー陰解法計算処理部２４２、ルンゲク
ッタ法計算処理部２４３、セミインプリシット−ルンゲ
クッタ法計算処理部２４４、および外部入力による計算
手法処理部２４５から構成されている。システムにおけ
るその他の装置は図１に示すものと同様のものである。

【００５５】オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲ
クッタ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法は、そ
れぞれ、回路網の時間変化計算を行なう数値積分の手法
である。オイラー陽解法、オイラー陰解法、ルンゲクッ
タ法、セミインプリシット−ルンゲクッタ法の順で計算
精度はよいが、その順で図１２に示した１回の時間ステ
ップに要する時間が長くかかるという特性を持ってい
る。

【００５６】回路網中の熱抵抗などの抵抗Ｒと熱容量な
どの容量Ｃとの積ＲＣはその系の時間変化の速さを表わ
す時定数τとなる。回路網中の抵抗Ｒと、抵抗Ｒに接続
された各ノードが持つ容量Ｃとの積のそれぞれのうち、
最小のものを最小時定数τ_minと考える。すると、オイ
ラー陽解法およびルンゲクッタ法では、計算の際の時間
ステップ幅Δｔと最小時定数τ_minの比Δｔ／τ_minが
０．５より大きいと、計算が発散して正確な解が得られ
ないという特性をもつ。すなわち、オイラー陽解法やル
ンゲクッタ法は計算速度は速いものの、最小時定数τ
_minが小さい回路網を解く場合には時間ステップ幅Δｔ
を小さくする必要がある。よって、（計算の最終時間−
初期時間）／（時間ステップ幅Δｔ）で与えられる計算
のステップ数（くり返し回数）が多くなるという特性を
持っている。また、逆にオイラー陰解法やセミインプリ
シット−ルンゲクッタ法は、１ステップの計算に要する
時間はかかるものの、時間ステップ幅Δｔを大きくとっ
ても、解は発散せず安定な解が得られるという特性をも
っている。

【００５７】図１３，図１４に示すように、演算手法選
択・処理装置２３１は入力データ処理装置１０１および
演算処理装置１０３に接続されている。入力データ処理
装置において、システム利用者の指令により例えばルン
ゲクッタ法を使用して計算するよう指定された場合は、
演算処理装置１０３の演算に代えて、演算手法選択・処
理装置２３１中のルンゲクッタ法計算処理部２４３内の
計算法による計算が行なわれる。そして、その結果が演
算処理装置１０３に渡される。

【００５８】また、入力データ処理装置１０１に新たな
計算手法が入力された場合には、演算手法選択・処理装
置２３１中の外部入力による計算手法処理部２４５にそ
の計算方法が記憶される。そして、その計算方法による
計算が指令されると、演算手法選択・処理装置２３１中
の外部入力による計算手法処理部２４５で計算が行なわ
れ、その結果が演算処理装置１０３に渡される。

【００５９】入力データ処理装置１０１において、どの
計算手法を使用するか指定されず、最大ステップ数Ｎ
_maxが指定された場合等には、演算処理装置１０３が自
動的に計算方法を決定する。最大ステップ数Ｎ_maxが指
定された場合、演算処理装置１０３は、計算の時間ステ
ップ幅Δｔを（計算の最終時間−初期時間）／
（Ｎ_max）の式から計算する。計算された時間ステップ
幅Δｔと最小時定数τ_minとの比が０．５より小さい場
合には、解は発散しないため、計算時間が短くてすむル
ンゲクッタ法を選択する。また、時間ステップ幅Δｔと
最小時定数τ_minとの比が０．５より大きい場合には、
この条件で解が発散しないセミインプリシット−ルンゲ
クッタ法を選択する。このようにして、指定された最大
ステップ数Ｎ_max の範囲内で計算に要する時間が短くし
かも精度のよい計算が可能となる。

【００６０】実施例３．第１の実施例では、図４に示す入力データ処理装置１０
１において、計算対象である機器の外形情報から回路網
のモデルへの変換が、形状データ処理部１４４、形状デ
ータ記憶部１４５、および回路網データ処理部１４６で
の一連の処理により行われた。ここでは、システム利用
者が独自に回路網モデルを図形的に入力することによ
り、より精度の高い計算が簡便に行われるようにした例
を示す。

【００６１】図１５および図１６において、２５１は入
力装置１、外部図形処理装置１４３、計算結果表示処理
装置１０４および計算制御条件処理部１４１に接続され
た回路網図形処理装置である。回路網図形処理装置２５
１は、基本モデル処理部２６１、要素モデル処理部２６
２、回路網モデル処理部２６３および回路網図形上表示
処理部２６４から構成されている。システムにおけるそ
の他の装置は図１または図１３に示す各装置と同様のも
のである。

【００６２】以下、回路網図形処理装置２５１における
回路網作成の手順について説明する。回路網図形処理装
置２５１は、外部図形処理装置１４３から図６に示すよ
うな計算対象である機器の形状を取り込む。あるいは入
力装置１を介してシステム利用者から形状の入力を受け
る。このとき、この入力図形から機器の寸法を読みとる
ことはしない。よって、入力される機器形状は、必ずし
も実際の機器と同じサイズもしくは相似的な形状である
必要はなく、概略形状でよい。その後、例えば熱回路網
演算を行うのであれば、回路網図形処理装置２５１の基
本モデル処理部２６１は、図１７に示すように、基本と
なるいくつかの抵抗を表わす基本モデルを作成する。例
えば、図１７（Ａ），（Ｂ）は、熱伝導による熱抵抗１
８２の基本モデル２７１の例を表わしている。図１７
（Ｃ）は、熱伝達による熱抵抗１８５の基本モデル２７
２の例を表わしている。図１７（Ｄ）は、流体間の流れ
による熱抵抗１８６の基本モデル２７３を表わしてい
る。また、図中、ａ，ｂ，ｃ，・・・などで表わされた
基本モデルの寸法から熱抵抗１８２、１８５、１８６を
計算するための計算式も入力される。

【００６３】次に、回路網図形処理装置２５１の要素モ
デル処理部２６２は、基本モデル２７１，２７２，２７
３を組み合わせた要素モデルを作成する。例えば、図１
８（Ａ）に示すような金属板２１の要素モデル２８１、
図１８（Ｂ）に示すような液膜１６１の要素モデル２８
２、図１８（Ｃ）に示すようなダクト内空気２７の要素
モデル２８３を作成する。この要素モデルに対して、機
器の各要素の寸法、例えば金属板２１の長さＡ、厚み
Ｂ、液膜１６１の長さＣ、厚みＤ、ダクト２５の長さ
Ｅ、厚みＦなどが入力され、基本モデルで指定された寸
法ａ，ｂ，ｃ，・・・をこれらの機器の寸法から求める
式も同時に入力される。

【００６４】さらに、回路網図形処理装置２５１の回路
網モデル処理部２６３は、要素モデル２８１，２８２，
２８３の組合せにより図８に示した熱回路網を作成す
る。以上のようにして回路網図形処理装置２５１が作成
した回路網情報は、計算制御条件処理部１４１および入
力データ処理部１４２を通して回路網生成装置１０２に
供給される。回路網生成装置１０２は、その回路網情報
を記憶する。

【００６５】その後、第１の実施例で示したものと同様
の手順で計算がなされる。ここでは、回路網生成装置１
０２による熱抵抗計算において、回路網図形処理装置２
５１が作成した熱抵抗計算式が使用される。そして、計
算結果は、計算結果表示処理装置１０４から回路網図形
処理装置２５１の回路網図形上表示処理部２６４に渡さ
れる。回路網図形上表示処理部２６４は、図１９に示す
ような回路網図上に温度２９１や熱流２９２が記入され
たものを表示する。以上のようにして、システム利用者
が問題に適した回路網を自由に設定でき、また、その回
路網上に計算結果が表示されるので、より精度のよい計
算がなされ、また計算結果の評価も行い易いなどの利点
が得られる。また、要素モデル２８１、２８２、２８３
の指定寸法Ａ、Ｂ、Ｃ・・・を変更するだけで形状の変
更ができるので、形状を変更した場合の計算も簡便に行
うことができる。

【００６６】なお、ここでは、熱回路網の場合を例にと
って説明したが、流体回路網、電気回路網、物質移動回
路網の場合も同様に行うことができる。

【００６７】実施例４．第１の実施例では熱流体ＣＡＥシステムを用いて計算を
行う場合について示したが、本ＣＡＥシステムにより、
外部機器の温度や湿度、流体流量などを制御することも
可能である。

【００６８】そのような制御を行う場合のシステム構成
を図２０および図２１に示す。図２０において、３０１
は温度や湿度、流体流量などの制御を必要としている外
部機器である。外部機器３０１は、熱流体ＣＡＥシステ
ムにおける入力処理データ処理装置１０１および計算結
果表示処理装置１０４に接続されている。図２１に示す
ように、計算結果表示処理装置１０４には、本ＣＡＥシ
ステムの計算結果を用いて外部機器の制御するための制
御式を記憶しかつ計算する外部機器制御処理部３１１が
設けられている。外部機器制御処理部３１１は、入力デ
ータ処理装置１０１および外部機器３０１に接続されて
いる。なお、図２０および図２１には明示されていない
が、演算手法選択・処理装置２３１や回路網図形処理装
置２５１を設けることもできる。

【００６９】例えば、制御を必要としている外部機器３
０１として、図６に示した機器を例にとる。そして、フ
ァン２６から排出された空気２７の温度を制御する場合
を例にとって説明する。まず、入力データ処理装置１０
１を通して、計算結果表示処理装置１０４の外部機器制
御処理部３１１に、外部機器の温度を本ＣＡＥシステム
での計算値を用いて所定の値に制御するための制御式が
入力される。外部機器制御処理部３１１は、その制御式
を記憶する。

【００７０】外部機器３０１の温度をモニタしている熱
電対、湿度をモニタしている湿度センサ、風量をモニタ
している風量計および電源の電圧をモニタしている電圧
計からの信号が、境界条件として、入力データ処理装置
１０１に伝えられる。これらの境界条件を使用して、第
１の実施例に示したように、熱回路網、流体回路網、電
気回路網、物質移動回路網を用いた計算が実行される。
計算によって、１ステップΔｔ後の時間の温度および湿
度の値が予測されることになる。

【００７１】演算処理装置１０３は、演算結果すなわち
予測結果を計算結果表示処理装置１０４に伝える。計算
結果表示処理装置１０４は、結果を表示装置２に表示す
るとともに、外部機器制御処理部３１１に伝える。外部
機器制御処理部３１１は、前もって入力し記憶していた
外部機器の温度を制御するための制御式を用いて、例え
ば、外部機器３０１の電圧をどのように制御するかを計
算する。外部機器制御処理部３１１は、計算結果に従っ
て外部機器３０１の電圧を制御する。電圧制御によって
温度が制御される。以上のようにして、外部機器３０１
の温度を予測しながら制御することが可能となるので、
精度のよい制御が可能となる。なお、ここでは、外部機
器３０１の温度を制御する場合について示したが、同様
にして、外部機器３０１内の圧力、風量、湿度などを制
御することもできる。

【００７２】実施例５．第１の実施例では回路網法を用いた熱流体ＣＡＥシステ
ムで計算を行う場合について示したが、回路網法以外の
手法を使用した熱流体ＣＡＥシステムと併用することも
できる。その場合には、それぞれの特徴を生かしたより
精度の高い熱流体ＣＡＥシステムが得られる。そのよう
に構成したシステムを図２２に示す。図２２において、
３２１は、例えば、有限要素法、差分法、有限体積法な
どを使用して、流体の質量保存、エネルギ保存を表す方
程式および運動量保存を表すナビエ−ストークス方程式
を解く熱流体数値解析装置である。熱流体数値解析装置
３２１は、入力データ処理装置１０１、演算処理部１０
３および計算結果表示処理装置１０４と接続されてい
る。なお、図２２には明示されていないが、演算手法選
択・処理装置２３１や回路網図形処理装置２５１を設け
ることもできる。

【００７３】例えば、図２３に示すように、ダクト２５
中に置かれた物体３３１の周りに生じる渦３３２などの
流体の微小部分の温度や流れの状況を計算する場合につ
いて説明する。以下、このように流体の微小部分の温度
や流れの状況を計算することを、熱流体数値解析を行う
という。図２４に示すように、入力データ処理装置１０
１の回路網演算処理部１４６で機器全体が小エリアに分
割される。ただし、熱流体数値解析装置３２１による処
理が選択された場合には、物体３３１の周囲部で渦３３
２などの流体の微小部分の流れの状況を計算する部分、
すなわち熱流体数値解析を行うエリア３４１を、例えば
有限体積法などに適するように、回路網法の部分に比べ
て、細かく細分化する。そして、エリア情報が熱流体数
値解析装置３２１に送られる。

【００７４】その後、図２５に示すように、過渡計算を
行う場合は、まず、入力された初期値を用いて、回路網
生成装置１０２が生成した回路網における各抵抗の計算
を行う（ステップＳＴ３１，ＳＴ３２，ＳＴ３３）。具
体的な計算過程は、既に説明したとおりである。続い
て、演算処理装置１０３中の回路網演算部１１９におけ
るそれぞれの回路網演算処理部１１５，１１６，１１
７，１１８は、既に説明したような計算を行う（ステッ
プＳＴ３４）。計算結果は熱流体数値解析装置３２１に
伝達される。

【００７５】熱流体数値解析装置３２１は、回路網演算
による計算結果、例えばファン２６により駆動されて流
入する風量を境界条件として、物体３３１周囲の流体中
の微細な流れを計算する（ステップＳＴ３５）。次に時
間を１ステップ分増加させる（ステップＳＴ３６）。時
間が所定の最終時間に達していない場合には、回路網生
成装置１０２が１ステップ前の時間の計算値を用いて各
抵抗の計算を行い（ステップＳＴ３３）、回路網演算部
１１９が演算処理を行う（ステップＳＴ３４）。そし
て、熱流体数値解析装置３２１が流体中の微細な流れを
計算する（ステップＳＴ３５）。時間が最終時間に達す
ると、計算結果表示処理装置１０４の処理に移行する。

【００７６】以上のようにして、物体３３１周囲の流れ
が、回路網についての計算の結果得られる熱、流体、電
気、物質移動による変化を考慮して計算され、かつ全体
の流量と同時に物体回りの微小な流れの状況が同時に計
算される。よって、より精度がよく効率的な計算が可能
になる。

【００７７】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明によ
れば、熱流体ＣＡＥシステムが、動作条件に応じて、さ
らに、電気回路網もしくは物質移動回路網を、または電
気回路網および物質移動回路網を設定する構成になって
いるので、問題に合わせて必要な回路網を選択でき、精
度のよい計算が可能なものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による熱流体ＣＡＥシス
テムの構成を示すシステム構成図である。

【図２】回路網生成装置および演算処理装置の詳細構
成を示す構成図である。

【図３】データベース処理装置の詳細構成を示す構成
図である。

【図４】入力データ処理装置の詳細構成を示す構成図
である。

【図５】計算結果表示処理装置の詳細構成を示す構成
図である。

【図６】ＣＡＥの対象機器の一例を示す説明図であ
る。

【図７】対象機器のエリア分割を説明するための説明
図である。

【図８】熱回路網の一例を示す説明図である。

【図９】流体回路網の一例を示す説明図である。

【図１０】電気回路網の一例を示す説明図である。

【図１１】物質移動回路網の一例を示す説明図であ
る。

【図１２】この発明の第１の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムの処理の流れを示すフローチャートである。

【図１３】この発明の第２の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムの構成を示すシステム構成図である。

【図１４】計算手法選択処理装置の詳細構成を示す構
成図である。

【図１５】この発明の第３の実施例における入力デー
タ処理装置の詳細構成を示す構成図である。

【図１６】この発明の第３の実施例における回路網図
形処理装置の詳細構成を示す構成図である。

【図１７】この発明の第３の実施例における基本モデ
ルを説明するための説明図である。

【図１８】この発明の第３の実施例における要素モデ
ルを説明するための説明図である。

【図１９】この発明の第３の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムにおける表示例を示す説明図である。

【図２０】この発明の第４の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムの構成を示すシステム構成図である。

【図２１】この発明の第４の実施例における計算結果
表示処理装置の詳細構成を示す構成図である。

【図２２】この発明の第５の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムの構成を示すシステム構成図である。

【図２３】この発明の第５の実施例における演算を説
明するための説明図である。

【図２４】この発明の第５の実施例におけるエリア分
割を説明するための説明図である。

【図２５】この発明の第５の実施例による熱流体ＣＡ
Ｅシステムの処理の流れを示すフローチャートである。

【図２６】従来の熱流体ＣＡＥシステムの構成を示す
システム構成図である。

【図２７】従来の熱流体ＣＡＥシステムによる演算を
説明するための説明図である。

【図２８】従来の熱流体ＣＡＥシステムの処理の流れ
を示すフローチャートである。

【図２９】従来の熱流体ＣＡＥシステムにおける対象
機器の小エリア分割を説明するための説明図である。

【図３０】従来の熱流体ＣＡＥシステムによる流体回
路網の一例を示す説明図である。

【図３１】従来の熱流体ＣＡＥシステムによる熱回路
網の一例を示す説明図である。

【図３２】従来の熱流体ＣＡＥシステムによる表示例
を示す等温線図である。

【符号の説明】

１０１入力データ処理装置、１０２回路網生成装
置、１０３演算処理装置、１０４計算結果表示処理
装置、１０５データベース処理装置、１０６関数式・
表計算処理装置、１４１計算制御条件処理部、２３１
演算手法選択・処理装置、２５１回路網図形処理装
置、２６４回路網図形上表示処理部、３１１外部機
器制御処理部、３２１熱流体数値解析装置。

フロントページの続き (72)発明者今泉明子東京都千代田区丸の内二丁目２番３号三菱電機株式会社内 (72)発明者小▲やなぎ▼ 正俊尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社設計システム技術センター内 (72)発明者村上政明尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社生産技術研究所内 (56)参考文献特開平４−7675（ＪＰ，Ａ) 特開平４−30270（ＪＰ，Ａ) 岸本亨、原田昭男、佐々木伸一、「電子情報通信学会技術研究報告」第91巻第 267号（ＳＳＥ91−83) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01N 25/18 G06F 17/50 612

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】入力データを入力し、前記機器や装置を
エリア分割してノードを設定し、かつ、動作条件を設定
する入力データ処理装置と、前記入力データ処理装置か
らの動作条件に応じて、前記機器や装置に対する熱回路
網又は流体回路網の少なくとも一方を選択的に設定する
回路網生成装置と、前記回路網生成装置で生成された回
路網を対象に物理量を演算する演算処理装置と、前記演
算処理装置の演算結果を表示する処理を行う計算結果表
示処理装置とを備えた熱流体ＣＡＥシステムにおいて、
前記回路網生成装置は、前記入力データ処理装置からの
動作条件に応じて、さらに、電気回路網もしくは物質移
動回路網を、または電気回路網および物質移動回路網を
設定することを特徴とする熱流体ＣＡＥシステム。