JP7257472B2 - Design support system, design support method and design support program - Google Patents
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Description
本発明は、流路を設計するための設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラムに関する。 The present invention relates to a design support system, a design support method, and a design support program for designing flow paths.
構造体の設計のために3次元CAD(Computer-Aided Design)が利用されている。また、CAD情報の生成の効率化のための技術も検討されている(例えば、特許文献1を参照。)。特許文献1に記載された技術では、手書きの図面の間取りを認識するため、サーバは、受信した撮影データの調査用シートの縦線及び横線で区分されたマスを移動しながら画像認識処理を行なって、閉鎖された矩形を認識して間取りと判定する。そして、間取りとされた閉鎖された矩形内にある建具情報を読み取り、間取り種類を認識し、間取りに基づいてCAD情報を生成する。
Three-dimensional CAD (Computer-Aided Design) is used for structural design. Techniques for improving the efficiency of generating CAD information are also being studied (see
また、流路の構造体の設計にも3次元CADが利用される。例えば、固体高分子形燃料電池は、水素ガスを流すアノード流路と空気を流すカソード流路、水素分子と酸素分子が電気化学反応する膜-電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)等から構成される。これらの構造体をシミュレーションにより性能を評価する技術も検討されている(例えば、特許文献2、非特許文献1を参照。)。特許文献2に記載された技術では、所定の流路形状を有する燃料電池について、流路形状と物理特性を関連付けて発電量を計算する。また、非特許文献1に記載された技術では、固体高分子形燃料電池の3次元CADを読み込み、様々な運転条件下における発電特性を計算する。
Three-dimensional CAD is also used for designing the structure of the channel. For example, a polymer electrolyte fuel cell consists of an anode channel for hydrogen gas flow, a cathode channel for air flow, a membrane electrode assembly (MEA) in which hydrogen molecules and oxygen molecules undergo an electrochemical reaction, etc. be done. Techniques for evaluating the performance of these structures through simulation are also under study (see, for example,
流路の良し悪しを評価するためには、流路形状について2次元の図面による構造ではなく、3次元構造を考慮する必要がある。ここで、2次元の図面の作成に比べ、3次元CADを用いた図面の作成は作業負荷が大きい。また、適切な流路を設計するためには、流路形状の変更と評価を繰り返す試行錯誤が必要となり、3次元CADを用いた図面の作成に多大な時間と人的コストがかかっている。 In order to evaluate whether the channel is good or bad, it is necessary to consider the three-dimensional structure of the channel shape, not the structure based on a two-dimensional drawing. Here, compared to creating a two-dimensional drawing, creating a drawing using a three-dimensional CAD has a greater workload. Moreover, in order to design an appropriate flow path, it is necessary to repeatedly change and evaluate the flow path shape by trial and error.
上記課題を解決する設計支援システムは、入力部に接続された制御部を備える。そして、前記制御部が、前記入力部から、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチを取得し、2次元の流路図面を生成し、前記流路形状の流路幅と流路深さを用いて、3次元化した3次元流路の設計データを生成する。 A design support system that solves the above problems includes a control unit connected to an input unit. Then, the control unit obtains from the input unit a sketch of a channel network that expresses the channel with points and lines, generates a two-dimensional channel drawing, and calculates the channel width and the flow rate of the channel shape. The channel depth is used to generate design data for a three-dimensional channel.
本発明によれば、適切な流路を効率的に設計することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, an appropriate flow path can be designed efficiently.
以下、図1~図17に従って、設計支援システム、設計支援方法及び設計支援プログラムを具体化した一実施形態を説明する。本実施形態では、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチを用いて、固体高分子形燃料電池の流路を設計する場合を説明する。本実施形態の固体高分子形燃料電池には、プレス加工で凹凸を付けた金属セパレータが用いられる。凹凸パターンの異なる2つ金属セパレータ(アノードセパレータ及びカソードセパレータ)でMEAを挟み、燃料電池の基本単位であるセルとなる。セルは所定の出力を得られるよう何層にも積み重ねられスタックとなる。アノードセパレータとMEAの間に生じる空間に水素ガスを流し、カソードセパレータとMEAの間に生じる空間に空気を流す。MEAでは水素分子と酸素分子との電気化学反応により発電する。アノードセパレータとカソードセパレータの間に冷却水を流し、発電によって生じる熱を冷却する。
図1に示すように、本実施形態では、設計支援システム20を用いる。
An embodiment embodying a design support system, a design support method, and a design support program will be described below with reference to FIGS. 1 to 17. FIG. In this embodiment, a case of designing the flow paths of a polymer electrolyte fuel cell using a sketch of a flow path network in which the flow paths are represented by points and lines will be described. The polymer electrolyte fuel cell of the present embodiment uses a metal separator having unevenness formed by pressing. An MEA is sandwiched between two metal separators (an anode separator and a cathode separator) having different uneven patterns to form a cell, which is the basic unit of a fuel cell. Cells are stacked in layers to obtain a desired output. Hydrogen gas is flowed into the space created between the anode separator and the MEA, and air is flowed into the space created between the cathode separator and the MEA. The MEA generates electricity through an electrochemical reaction between hydrogen molecules and oxygen molecules. Cooling water is passed between the anode separator and the cathode separator to cool the heat generated by power generation.
As shown in FIG. 1, a
(ハードウェア構成例)
図2は、設計支援システム20等として機能する情報処理装置H10のハードウェア構成例である。
(Hardware configuration example)
FIG. 2 is a hardware configuration example of the information processing apparatus H10 functioning as the
情報処理装置H10は、通信装置H11、入力装置H12、表示装置H13、記憶装置H14、プロセッサH15を有する。なお、このハードウェア構成は一例であり、他のハードウェアを有していてもよい。 The information processing device H10 has a communication device H11, an input device H12, a display device H13, a storage device H14, and a processor H15. Note that this hardware configuration is an example, and other hardware may be included.
通信装置H11は、他の装置との間で通信経路を確立して、データの送受信を実行するインタフェースであり、例えばネットワークインタフェースや無線インタフェース等である。 The communication device H11 is an interface that establishes a communication path with another device and executes data transmission/reception, such as a network interface or a wireless interface.
入力装置H12は、利用者等からの入力を受け付ける装置であり、例えばマウスやキーボード等である。表示装置H13は、各種情報を表示するディスプレイやタッチパネル等である。 The input device H12 is a device that receives input from a user or the like, such as a mouse or a keyboard. The display device H13 is a display, a touch panel, or the like that displays various information.
記憶装置H14は、設計支援システム20の各種機能を実行するためのデータや各種プログラムを格納する記憶装置(例えば、後述する設計情報記憶部22、3次元情報記憶部23)である。記憶装置H14の一例としては、ROM、RAM、ハードディスク等がある。
The storage device H14 is a storage device (for example, a design
プロセッサH15は、記憶装置H14に記憶されるプログラムやデータを用いて、設計支援システム20における各処理(例えば、後述する制御部21における処理)を制御する。プロセッサH15の一例としては、例えばCPUやMPU等がある。このプロセッサH15は、ROM等に記憶されるプログラムをRAMに展開して、各種処理に対応する各種プロセスを実行する。例えば、プロセッサH15は、設計支援システム20のアプリケーションプログラムが起動された場合、後述する各処理を実行するプロセスを動作させる。
The processor H15 uses the programs and data stored in the storage device H14 to control each process in the design support system 20 (for example, the process in the
プロセッサH15は、自身が実行するすべての処理についてソフトウェア処理を行なうものに限られない。例えば、プロセッサH15は、自身が実行する処理の少なくとも一部についてハードウェア処理を行なう専用のハードウェア回路(例えば、特定用途向け集積回路:ASIC)を備えてもよい。すなわち、プロセッサH15は、(1)コンピュータプログラム(ソフトウェア)に従って動作する1つ以上のプロセッサ、(2)各種処理のうち少なくとも一部の処理を実行する1つ以上の専用のハードウェア回路、或いは(3)それらの組み合わせ、を含む回路(circuitry)として構成し得る。プロセッサは、CPU並びに、RAM及びROM等のメモリを含み、メモリは、処理をCPUに実行させるように構成されたプログラムコード又は指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用又は専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。 Processor H15 is not limited to performing software processing for all the processing that it itself executes. For example, the processor H15 may include a dedicated hardware circuit (for example, an application specific integrated circuit: ASIC) that performs hardware processing for at least part of the processing performed by the processor H15. That is, the processor H15 is composed of (1) one or more processors that operate according to a computer program (software), (2) one or more dedicated hardware circuits that execute at least part of various processes, or ( and 3) any combination thereof. A processor includes a CPU and memory, such as RAM and ROM, which stores program code or instructions configured to cause the CPU to perform processes. Memory or computer-readable media includes any available media that can be accessed by a general purpose or special purpose computer.
(各情報処理装置の機能)
図1に示す設計支援システム20は、燃料電池の設計を支援するためのコンピュータシステムである。この設計支援システム20は、制御部21、設計情報記憶部22、3次元情報記憶部23を備えている。
(Functions of each information processing device)
A
制御部21は、後述する処理(スケッチ、流体特性計算、流路平面図生成、3次元形状生成、発電特性計算等の各処理)を行なう。そのための設計支援プログラムを実行することにより、制御部21は、スケッチ部211、流体特性計算部212、流路平面図生成部213、3次元形状生成部214、発電特性計算部215として機能する。
The
スケッチ部211は、設計者によるスケッチの作成を支援する処理を実行する。本実施形態では、流路を点と線で表現した流路ネットワークのスケッチの作成を支援する。流路ネットワークは、例えば点(ノード)、線(リンク)、閉ループから構成される。
The
流体特性計算部212は、流路に流体を流した場合の流体特性(例えば、圧力分布や流量分配等)について計算する処理を実行する。
流路平面図生成部213は、流路ネットワークのスケッチに基づいて、流路形状を2次元の多角形として表現した流路平面図を生成する処理を実行する。
The fluid
The channel plan
3次元形状生成部214は、流路平面図に厚みや角度を付け、流路の3次元形状を生成する処理を実行する。
発電特性計算部215は、上述した非特許文献1と同様に、発電特性を計算する処理を実行する。
The three-dimensional
The power generation
設計情報記憶部22には、設計に用いる構造に関する設計管理データが記録される。設計管理データは、設計者によって設計が行なわれた場合に記録される。設計管理データは、レイヤ(レイヤ識別子)毎に、設計値データ、スケッチデータを含んで構成される。
The design
レイヤ識別子は、各レイヤを特定するための識別子である。本実施形態では、アノード流路、カソード流路、MEA、外枠、冷却水シール、アノード入口・出口、カソード入口・出口、冷却水入口・出口の各レイヤを特定するための識別子である。 A layer identifier is an identifier for specifying each layer. In this embodiment, it is an identifier for specifying each layer of the anode channel, cathode channel, MEA, outer frame, cooling water seal, anode inlet/outlet, cathode inlet/outlet, and cooling water inlet/outlet.
設計値データには、レイヤ厚み、加工変数等に関する情報が記録される。加工変数は、加工種別(プレス加工または切削加工等)、プレス工程におけるプレス角度、曲がり角度(曲率半径)、切削加工における加工形状等、加工法により特定されて決まる変数値である。 Information about layer thickness, processing variables, and the like is recorded in the design value data. The processing variable is a variable value determined by a processing method, such as a processing type (pressing or cutting), a pressing angle, a bending angle (curvature radius) in a pressing process, and a processing shape in cutting.
スケッチデータには、XY平面に配置されたノードのノード識別子及び座標に関するデータが記録される。
ノード識別子データ領域には、各ノードを特定するための識別子に関するデータが記録される。
座標データ領域には、このノードの位置に関するデータが記録される。なお、ノードの位置(座標)は数値ではなく、ノードが配置される領域の長さを変数として定義することも可能である。例えば、各ノードの座標を算出するために、MEA幅と拡散部幅を変数とする関数を記録してもよい。
The sketch data records data on node identifiers and coordinates of nodes arranged on the XY plane.
In the node identifier data area, data regarding an identifier for specifying each node is recorded.
Data relating to the position of this node is recorded in the coordinate data area. It is also possible to define the length of the area in which the node is arranged as a variable instead of the position (coordinates) of the node. For example, in order to calculate the coordinates of each node, a function with the MEA width and the diffusion width as variables may be recorded.
更に、スケッチデータには、ノード間を接続するリンクに関するデータが記録される。
リンクデータ領域には、リンクされている2つのノードのノード識別子、リンクの太さ(流路幅に相当)、リンクの厚み(流路深さに相当)に関するデータが記録される。
Further, the sketch data records data relating to links connecting nodes.
In the link data area, data relating to node identifiers of two linked nodes, link thickness (corresponding to channel width), and link thickness (corresponding to channel depth) are recorded.
3次元情報記憶部23には、設計者が作成したスケッチに基づいて生成された3次元CADデータが記録される。この3次元CADデータは、スケッチを3次元化した場合に記録される。
The three-dimensional
(設計支援処理)
次に、図3を用いて、設計支援処理を説明する。
まず、設計支援システム20の制御部21は、流路ネットワークのスケッチ支援処理(ステップS101)を実行する。具体的には、制御部21のスケッチ部211は、表示装置H13に設計入力画面を出力する。
(Design support processing)
Next, the design support processing will be described with reference to FIG.
First, the
図4に示すように、この設計入力画面500には、スケッチ領域510、レイヤ指定欄520、レイヤ属性欄530、流路ネットワーク属性欄540、変数リスト欄550、操作ボタン欄560等が含まれる。
As shown in FIG. 4, the
スケッチ領域510は、流路を点と線で表現した流路ネットワークをスケッチするための領域である。このスケッチ領域には、筆記具アイコンや消去アイコン、選択アイコン、複製アイコンなどが表示される。
A
レイヤ指定欄520は、スケッチ領域510に表示させるレイヤを選択するためのボタンが表示される。ここでは、1又は複数のレイヤを指定することができる。本実施形態の固体高分子形燃料電池の場合には、アノード流路、カソード流路、MEA、外枠、冷却水シール、アノード入口・出口、カソード入口・出口、冷却水入口・出口に対応するレイヤが存在する。
A
例えば、図5に示すように、筆記具アイコンを用いて、アノード流路及びアノード入口・出口の流路ネットワーク600をスケッチする場合を想定する。また、図6に示すように、カソード流路及びカソード入口・出口の流路ネットワーク601をスケッチする場合を想定する。これらの流路ネットワーク600及び601は、点で表示されるノード602及び線で表示されるリンク603から構成される。アノード入口604、アノード出口605、カソード入口606、カソード出口607はノードとリンクで構成される閉ループによって表される。
For example, as shown in FIG. 5, assume that a writing instrument icon is used to sketch a
図4に示すレイヤ属性欄530は、各レイヤの厚み、加工種別(プレス加工または切削加工等)、プレス角度、曲率半径などを設定するための領域である。
流路ネットワーク属性欄540では、選択したノードのXY座標やリンクの流路幅や流路深さを設定するための領域である。
A
The channel
変数リスト欄550は、ユーザが変数を定義するための領域である。スケッチ領域510で設定したノードのXY座標やリンクの幅を、変数を用いて表現することができる。
例えば、図7に示すように、MEA幅610と拡散部幅611の長さを表す2つの変数MEA_widthとdiff_widthを定義し、ノード612やノード613のX座標をこれらの変数の関数として与えることができる。これにより、これらの変数の値を変えることで、MEA幅と拡散部幅の異なる流路ネットワーク614を得ることができる。その他、流路ネットワークの部分形状の繰り返し数やレイヤの厚みなど各種属性を、ユーザが定義した変数の関数として与えることができるものとする。
A
For example, as shown in FIG. 7, two variables, MEA_width and diff_width, representing the lengths of
図4に示す操作ボタン欄560には、流体特性計算、流路平面図生成、3次元形状生成、発電特性計算を実行するためのボタン等が含まれる。
そして、操作ボタン欄560においていずれかのボタンの押下を検知した場合、スケッチ部211は、設計入力画面において入力された設計値データ、スケッチデータを設計情報記憶部22に記録する。
The
When it is detected that any button in the
次に、設計支援システム20の制御部21は、流体特性の計算処理(ステップS102)を実行する。具体的には、制御部21の流体特性計算部212は、流路ネットワークの流体特性として、例えば圧力分布及び流量分配を計算する。ここで、本実施形態における固体高分子形燃料電池の流路幅はミリメータースケールであること等から、流路内の流れは層流であると仮定でき、(数1)に示す流量Fが圧力差∇pに線形に比例するダルシー則が適用できるものとする。
Next, the
ここで、ρは流体の密度、μは流体の粘性、depは等価直径である。
等価直径は、例えば、(数2)に示すように、流路の断面積S、濡れぶち長さLから近似的に求めるものとする。
where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity of the fluid, and d ep is the equivalent diameter.
The equivalent diameter is approximately obtained from the cross-sectional area S of the flow path and the wetting edge length L, for example, as shown in (Equation 2).
(数1)を流路ネットワークにおける各ノード間の圧力差に対する流量の関係式として整理し、流量保存則に基づく連立方程式を構成して解くことにより、流路ネットワークにおける各ノードの圧力や各リンクの流量を算出することができる。
そして、流体特性計算部212は、表示装置H13に計算結果画面を出力する。
図8に示すように、計算結果画面において、流路ネットワーク620を表示させるようにしてもよい。この流路ネットワーク620では、圧力分布に応じて表示色を変更して表示する。また、流路ネットワーク620において、任意の切断線A-A’が指定された場合、この切断線と交差する各リンクの流量をグラフ621に表示してもよい。
(Formula 1) is arranged as a relational expression of the flow rate with respect to the pressure difference between each node in the channel network, and by constructing and solving simultaneous equations based on the law of conservation of flow rate, the pressure at each node and each link in the channel network can be calculated.
Then, the fluid
As shown in FIG. 8, a
そして、設計者は、計算された流体特性を確認し、必要に応じてステップS101に戻り、流路ネットワークのスケッチを修正したり、変数の値を変えたりしてもよい。この場合、制御部21の流体特性計算部212は、修正や変更に応じて、流体特性を再計算し、計算結果画面に出力する。
The designer may then check the calculated fluid properties and, if necessary, return to step S101 to modify the channel network sketch or change the values of the variables. In this case, the fluid
次に、設計支援システム20の制御部21は、流路平面図の生成処理(ステップS103)を実行する。具体的には、制御部21の流路平面図生成部213は、設計情報記憶部22に記録された設計値データを用いて、流路ネットワークから流路平面図を生成する。
Next, the
例えば、図9に示す流路ネットワーク650は、各リンクの流路幅を用いて生成された矩形の集合体651に変換される。続いて、矩形の集合体651は、各矩形の辺同士の交点を用いて多角形の集合体652に変換され、最終的に流路平面図653に変換される。
For example, the
例えば、図10に示すように、図5の流路ネットワーク600から流路平面図700が生成される。また、図11に示すように、図6の流路ネットワーク601から流路平面図701が生成される。
For example, as shown in FIG. 10, a
ここで、図12に示すように、流路平面図生成部213は、流路形状の寸法を明記した2次元図面702を出力してもよい。また、流路形状の寸法とセパレータの厚みが決まれば、プレス加工のための金型の寸法を特定できるため、2次元図面として、プレス加工のための金型についての図面を出力してもよい。
Here, as shown in FIG. 12, the channel plan
次に、設計支援システム20の制御部21は、3次元形状の生成処理(ステップS104)を実行する。具体的には、制御部21の3次元形状生成部214は、設計情報記憶部22に記録されたレイヤの厚み、加工種別、プレス角度などを用いて、流路平面図から流路の3次元形状を生成する。この場合、例えば、流路平面図を、指定したプレス角度で指定した流路深さまで持ち上げる。そして、3次元形状生成部214は、生成した3次元形状を、レイヤ識別子に関連付けて、3次元情報記憶部23に3次元CADデータとして記録する。
Next, the
例えば、図13に示すように、図11に示した流路平面図701から、3次元化した流路の3次元形状800を生成する。
なお、プレス加工の特性を忠実に再現するために、3次元形状の角を指定した曲率半径を持つように丸めてもよい。ただし、一般的に曲面を持つ3次元CADデータでは、後述するメッシュ生成の難易度が上がるため、本実施形態では角はあえて丸めないものとする。
For example, as shown in FIG. 13, a three-dimensional
In addition, in order to faithfully reproduce the characteristics of press working, the corners of the three-dimensional shape may be rounded so as to have a specified radius of curvature. However, in general, with three-dimensional CAD data having curved surfaces, the degree of difficulty in generating a mesh, which will be described later, increases, so in this embodiment the corners are intentionally not rounded.
3次元形状生成部214は、各流路平面図の3次元化を完了すると、隣接する部品の3次元化を行なう。
この場合、図14に示すように、高分子形燃料電池のセル全体の3次元形状810を生成する。なお、図14では、3次元形状810ではZ軸方向に積層した各レイヤを、Z軸方向にばらして表示している。また、図15は、3次元形状810を、セルの中心をYZ平面で切断した際の断面拡大図810bである。
The three-
In this case, as shown in FIG. 14, a three-
ここで、MEA及びガスケット811は、MEA及び外枠のレイヤで指定された閉ループで表される平面に、指定された厚みを付けて3次元化される。また、アノードセパレータ812及びカソードセパレータ813は、指定された肉厚で、アノード流路814及びカソード流路815の凹凸と反対の凹凸を持つ立体形状を、ブーリアン演算で抽出することで生成される。更に、冷却水流路816は、アノードセパレータ812及びカソードセパレータ813を互いに接するように合わせた際に生じる隙間をブーリアン演算で抽出することで生成される。
Here, the MEA and the
次に、設計支援システム20の制御部21は、発電特性の計算処理(ステップS105)を実行する。具体的には、制御部21の発電特性計算部215が、固体高分子形燃料電池のセル全体の3次元CADデータを読み込み、様々な運転条件下における発電特性を計算する。この場合、非特許文献1に記載された方法を用いることができる。なお、発電特性計算では、固体部分の伝熱や電気伝導も考慮するため、流体部分に加え、セパレータやガスケットなどの固体部分の3次元CADデータを与える必要がある。
Next, the
ここで、発電特性を計算するために、3次元CADデータを任意の多面体から構成されるメッシュに分割する必要がある。
図16に示すように、本実施形態では、流路ネットワークのリンクの法線ベクトルを用いることで、流路の流れ方向に対して垂直な線で流路900を分割する。
Here, in order to calculate power generation characteristics, it is necessary to divide the three-dimensional CAD data into meshes composed of arbitrary polyhedrons.
As shown in FIG. 16, in this embodiment, the normal vectors of the links of the channel network are used to divide the
発電特性の計算が完了すると、発電特性計算部215は、表示装置H13に、計算結果画面を出力する。この計算結果画面には、固体高分子形燃料電池の電圧電流特性曲線やMEAにおける水素や酸素の濃度分布、電流密度分布、温度分布などが含まれる。
When the calculation of the power generation characteristics is completed, the power
設計者は、発電特性が目標の基準を満たしているかどうかを評価し、必要に応じて、流路ネットワークのスケッチ支援処理(ステップS101)に戻ることができる。例えば、発電時にMEAの局所において許容範囲より高温になる領域があれば、この領域に冷却水が十分に行き渡るよう、流路形状を修正する。 The designer can evaluate whether the power generation characteristics meet the target criteria and, if necessary, return to the channel network sketch support process (step S101). For example, if there is a region in the MEA where the temperature is higher than the allowable range during power generation, the shape of the flow path is modified so that the cooling water is sufficiently distributed in this region.
以上、本実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)本実施形態では、設計支援システム20の制御部21は、流路ネットワークのスケッチ支援処理(ステップS101)を実行する。これにより、流路を点と線で表現した流路ネットワークにより、流路及び隣接する部品(プレス加工のための金型を含む)について、2次元図面及び3次元CADデータを自動で生成することができる。従って、2次元図面及び3次元CADデータの作成に要していた時間を大幅に短縮できる。例えば、従来の方法では、数週間かかる複雑な3次元CAD作業を1日程度で作成することができる。また、3次元CADソフトウェアの操作は複雑で時間がかかるため、開発現場では設計者とCADオペレータに担当者を分けている場合が多いが、本実施形態では、簡易なスケッチの操作で済むため設計者で作業を完結することが容易となる。また、2次元図面は、流路切削やプレス金型作成などの外注に用いることができる。
As described above, according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) In the present embodiment, the
(2)本実施形態では、流路ネットワークのスケッチを作成する段階で、流路を表す各線分の位置や繰り返し数、流路幅、流路深さなどを固定の値ではなく、変数または数式で与える。これにより、定義した変数の値を変えるだけで、例えば流路長さ違い、流路ピッチ違い、アスペクト比違い等、様々な流路形状に変形させ、それに応じた2次元図面及び3次元CADデータを自動的に生成することができる。例えば、遺伝的アルゴリズムによる最適化と組み合わせてもよい。この場合、流体特性や発電特性が目的の値になるように、設計変数の変更と評価を繰り返し、自動で最適な流路形状を探索することができる。 (2) In this embodiment, at the stage of creating a sketch of the channel network, the position and number of repetitions of each line segment representing the channel, the channel width, the channel depth, etc. are not fixed values, but are variables or mathematical expressions. Give with As a result, by simply changing the values of the defined variables, it is possible to transform the flow path into various shapes, such as different flow path lengths, different flow path pitches, different aspect ratios, etc., and 2D drawings and 3D CAD data corresponding to this. can be automatically generated. For example, it may be combined with optimization by a genetic algorithm. In this case, it is possible to automatically search for the optimal flow channel shape by repeating the change and evaluation of the design variables so that the fluid characteristics and power generation characteristics have the desired values.
(3)本実施形態では、設計支援システム20の制御部21は、流体特性の計算処理(ステップS102)を実行する。ここで、流路ネットワークのスケッチを作成する段階で、流体の圧力分布や流量分配等の流体特性を、短時間(例えば数秒)で計算する。これにより、設計者は流体特性が適切になるように、スケッチを修正して良し悪しを評価するという試行錯誤を短時間の間に繰り返すことができる。従来、流体特性を計算するためには、3次元CADデータの作成、メッシュの作成、流体シミュレーションを行なう必要があり、例えば数時間から数週間かかっていたが、本実施形態では、数秒で表示できる。
(3) In the present embodiment, the
(4)本実施形態では、メッシュを生成する際、流路ネットワークのリンクの法線ベクトルを用いることで、流路の流れ方向に対して垂直な線で流路900を分割する。これにより、要素数が少なく、品質が良いメッシュを生成することができる。
(4) In this embodiment, when generating the mesh, the
例えば、図17に示すように、従来のメッシュ生成では、X軸とY軸に並行に線で分割したメッシュを生成する。この場合、X軸またはY軸に対して斜めとなる流路901において、微小要素が生じる等の課題があった。一方、本実施形態では、3次元CADデータから流路形状を認識して自動で適切なメッシュを生成することができる。
For example, as shown in FIG. 17, in conventional mesh generation, meshes are generated by dividing by lines parallel to the X-axis and the Y-axis. In this case, there is a problem that minute elements are generated in the
(5)本実施形態では、設計支援システム20の制御部21は、発電特性計算処理(ステップS105)を実行する。これにより、3次元CADデータからメッシュを生成し、発電計算を行なうことができる。流路及び隣接する部品の3次元形状を考慮した発電特性を予測でき、設計者は目標の基準を満たすように流路形状を変更することができる。
(5) In the present embodiment, the
本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、設計入力画面において、加工方法に応じたボス押し角度等を設定する。これに代えて、加工方法の指定に応じて、設計支援システム20の制御部21が、形状を決定するようにしてもよい。この場合、設計支援システム20に、2次元形状を3次元化するための3次元化情報が記録された立体化情報記憶部を設ける。ここで、記録された3次元化情報には、製造方法識別子及び生成モデルに関するデータが含まれる。製造方法識別子データ領域には、流路を製造する場合の製造方法を特定するための識別子が記録される。製造方法としては、例えば、金型を用いたプレス加工、カーボンの切削加工等を用いることができる。生成モデルデータ領域には、入力された2次元形状を、3次元形状に変換するためのモデルが記録される。
This embodiment can be implemented with the following modifications. This embodiment and the following modified examples can be implemented in combination with each other within a technically consistent range.
- In the above embodiment, the boss pressing angle and the like are set in accordance with the machining method on the design input screen. Alternatively, the
・上記実施形態では、スケッチの段階で流体特性を計算する。ここでは、ユーザが指定した流路幅や流路深さから求まる流路断面積や流路濡れ縁長さ、流路長さなどから流路各点における圧力損失係数を簡易に求め、流路全体の圧力分布や流量分配などを計算する。これに対して、3次元CADを用いた流体シミュレーションでは、一般的な流体方程式を解くことで得られる流路各点における圧力差と流量などから、流路各点における圧力損失係数を高精度に計算できる。そこで、後者の方法で求まる圧力損失係数を教師データとし、機械学習を活用することで前者の方法で求まる圧力損失係数の予測精度を高めてもよい。具体的には、様々な流路形状のスケッチに対して3次元CADを用いた流体シミュレーションを行ない、各流路形状の各点における圧力損失係数を求める。次に、各流路形状の各点の流路幅、流路深さ、流路の接続角度、接続本数などを特徴量とし、圧力損失係数を予測する機械学習モデルを生成する。この機械学習モデルを用いることで、スケッチの段階で求まる圧力損失係数の精度を上げることができ、スケッチの段階で高速かつ高精度な流体特性の計算を実現できる。 - In the above embodiment, the fluid properties are calculated at the stage of sketching. Here, the pressure loss coefficient at each point of the channel can be easily obtained from the cross-sectional area of the channel, the length of the wet edge of the channel, the length of the channel, etc., which can be obtained from the channel width and channel depth specified by the user. Calculate the pressure distribution, flow distribution, etc. On the other hand, in fluid simulations using 3D CAD, the pressure loss coefficient at each point in the flow path can be calculated with high accuracy from the pressure difference and flow rate at each point in the flow path obtained by solving general fluid equations. can be calculated. Therefore, the pressure loss coefficient obtained by the latter method may be used as training data, and machine learning may be utilized to improve the prediction accuracy of the pressure loss coefficient obtained by the former method. Specifically, a fluid simulation using three-dimensional CAD is performed for sketches of various flow channel shapes, and the pressure loss coefficient at each point of each flow channel shape is obtained. Next, a machine learning model for predicting the pressure loss coefficient is generated using the channel width, channel depth, connection angle, number of connections, etc. at each point of each channel shape as feature quantities. By using this machine learning model, it is possible to improve the accuracy of the pressure loss coefficient obtained at the sketching stage, and to realize high-speed and highly accurate calculation of fluid properties at the sketching stage.
・上記実施形態では、設計支援システム20の制御部21は、加工方法に応じて、3次元形状の生成処理(ステップS104)を実行する。プレス加工の場合は、例えば金属の薄板をプレス加工にて凹凸をつけ、その表裏それぞれを流路として用いることが多い。このため、上記実施形態では、アノードセパレータ812及びカソードセパレータ813を互いに接するように合わせた際に生じる隙間を、ブーリアン演算で抽出して冷却水流路816を生成する。ここで、隣接するレイヤの流路形状の生成方法は、隙間を用いる場合に限定されるものではない。例えば、切削加工の場合には、薄板の表裏をそれぞれ異なるパターンで切削し、流路として用いてもよい。この場合、設計支援システム20の制御部21は、各レイヤの流路形状を互いの流路形状に依存せずに生成することができる。
- In the above-described embodiment, the
・上記実施形態では、燃料電池の設計に用いたが、本発明の適用対象は燃料電池に限定されるものではない。水電解装置、合成液体燃料(eFuel)製造装置、マイクロリアクター、その他の流路を備えた構造体を設計する場合に用いることができる。 - In the above embodiment, the present invention is used for designing fuel cells, but the application of the present invention is not limited to fuel cells. It can be used to design water electrolyzers, synthetic liquid fuel (eFuel) production devices, microreactors, and other structures with flow channels.
20…設計支援システム、21…制御部、211…スケッチ部、212…流体特性計算部、213…流路平面図生成部、214…3次元形状生成部、215…発電特性計算部、22…設計情報記憶部、23…3次元情報記憶部。
20...
Claims (11)
前記制御部が、
前記入力部から、ノードとリンクとにより構成されたスケッチにより、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークのリンクの流路幅及び流路深さ、加工法により決まる加工変数に応じて流路の等価直径を決定し、流量と圧力差の関係を与える圧力損失式を適用して前記流路ネットワークにおける各ノード間の圧力差に対する流量の関係式を解くことにより、前記流路ネットワークにおける流体特性情報を算出して出力することを特徴とする設計支援システム。 A design support system comprising a control unit connected to an input unit,
The control unit
Obtaining from the input unit a flow path network that simulates a flow path shape by a sketch composed of nodes and links ,
The equivalent diameter of the channel is determined according to the channel width and channel depth of the links of the channel network, and the processing variables determined by the processing method, and the pressure loss formula that gives the relationship between the flow rate and the pressure difference is applied. A design support system that calculates and outputs fluid characteristic information in a channel network by solving a relational expression of a flow rate to a pressure difference between nodes in the channel network.
前記流路ネットワークの寸法を定義する変数の変数値を取得し、
前記変数値に応じて、前記流路ネットワークの寸法を算出することを特徴とする請求項1~4の何れか一項に記載の設計支援システム。 The control unit
obtaining variable values of variables defining dimensions of the channel network;
5. The design support system according to any one of claims 1 to 4, wherein the dimension of said channel network is calculated according to said variable value.
前記流路ネットワークの流路幅及び流路深さを用いて、3次元化した3次元流路の設計データを生成し、
先行して生成した流路形状の3次元流路の設計データに応じて、隣接する後続の流路形状の3次元流路の設計データを生成することを特徴とする請求項1~5の何れか一項に記載の設計支援システム。 The control unit
generating three-dimensional design data of a three-dimensional channel using the channel width and channel depth of the channel network;
According to the design data of the three-dimensional flow path of the previously generated flow path shape, the design data of the three-dimensional flow path of the adjacent subsequent flow path shape is generated. 1. The design support system according to 1.
前記制御部が、
前記入力部から、ノードとリンクとにより構成されたスケッチにより、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークのリンクの流路幅及び流路深さ、加工法により決まる加工変数に応じて流路の等価直径を決定し、流量と圧力差の関係を与える圧力損失式を適用して前記流路ネットワークにおける各ノード間の圧力差に対する流量の関係式を解くことにより、前記流路ネットワークにおける流体特性情報を算出して出力することを特徴とする設計支援方法。 A method of providing design support using a design support system having a control unit connected to an input unit, comprising:
The control unit
Obtaining from the input unit a flow path network that simulates a flow path shape by a sketch composed of nodes and links ,
The equivalent diameter of the channel is determined according to the channel width and channel depth of the links of the channel network, and the processing variables determined by the processing method, and the pressure loss formula that gives the relationship between the flow rate and the pressure difference is applied. A design support method, comprising: calculating and outputting fluid characteristic information in a channel network by solving a relational expression of a flow rate with respect to a pressure difference between nodes in the channel network.
前記制御部を、
前記入力部から、ノードとリンクとにより構成されたスケッチにより、流路形状を模擬した流路ネットワークを取得し、
前記流路ネットワークのリンクの流路幅及び流路深さ、加工法により決まる加工変数に応じて流路の等価直径を決定し、流量と圧力差の関係を与える圧力損失式を適用して前記流路ネットワークにおける各ノード間の圧力差に対する流量の関係式を解くことにより、前記流路ネットワークにおける流体特性情報を算出して出力する手段として機能させることを特徴とする設計支援プログラム。 A program for providing design support using a design support system having a control unit connected to an input unit,
the control unit,
Obtaining from the input unit a flow path network that simulates a flow path shape by a sketch composed of nodes and links ,
The equivalent diameter of the channel is determined according to the channel width and channel depth of the links of the channel network, and the processing variables determined by the processing method, and the pressure loss formula that gives the relationship between the flow rate and the pressure difference is applied. A design support program that functions as means for calculating and outputting fluid characteristic information in a channel network by solving a relational expression of flow rate with respect to pressure difference between nodes in the channel network.
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