(57)【要約】【課題】空調装置（ＨＶＡＣ）の送風性能を計算時間の増大を抑えて、精度良く予測する方法を提供する。【解決手段】空調用空気を供給するファンを備える空調装置の性能シミュレーション方法は、前記ファンのタイプに対応するデータベースであって、ファン出口の流れの状態のデータを具備するデータベースを具備する。この方法は、前記ファンのタイプを入力する手順と、前記タイプのファンの作動状態を入力する手順と、前記データベースから前記ファンのタイプに応じたファン出口の流れの状態のデータを選択して出力する手順と、前記選択して出力したファン出口の流れの状態のデータを入力データとして数値流体解析計算に入力する手順と、前記入力データに従い数値流体解析計算を実行する手順と、前記実行された数値流体解析計算の結果を処理する手順とを具備する。【選択図】      図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空調用空気を供給するファンを備える空調装置の性能シミュレーション方法において、この方法は、
前記ファンのタイプに対応するデータベースであって、ファン出口の流れの状態のデータを具備するデータベースを具備しており、
前記ファンのタイプを入力する手順と、
前記タイプのファンの作動状態を入力する手順と、
前記データベースから前記ファンのタイプ及び作動状態に応じたファン出口の流れの状態のデータを選択して出力する手順と、
前記選択して出力したファン出口の流れの状態のデータを入力データとして数値流体解析計算に入力する手順と、
前記入力データに従い数値流体解析計算を実行する手順と、
前記実行された数値流体解析計算の結果を処理する手順と、
を具備することを特徴とする空調装置の性能シミュレーション方法。
【請求項２】
前記データベースは、ファン出口における風速分布データを具備することを特徴とする請求項１に記載の性能シミュレーション方法。
【請求項３】
前記データベースは、各前記ファンのタイプ及び各前記ファンの作動状態に対応した、ファン出口における半径方向、円周方向、及び高さ（垂直）方向それぞれの風速ベクトルデータを具備することを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の性能シミュレーション方法。
【請求項４】
前記ファンは遠心式送風機であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
前記数値流体解析計算を実行する手順は、汎用の数値流体計算ソフトにより行われることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の性能シミュレーション方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の性能シミュレーション方法を実行するプログラムを具備する方法。
【請求項７】
請求項６に記載のプログラムを具備する装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シミュレーション方法及びそのための装置係り、より特別には空調装置（ＨＶＡＣ）の送風性能を予測するシミュレーション方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両の空調装置（ＨＶＡＣ）の送風性能を予測する場合、従来から数値流体解析（ＣＦＤ）が用いられている。ＨＶＡＣの構成のＣＦＤモデルを図１に示しており、ＨＶＡＣ１０の構成は、送風機（遠心送風機又は横流送風機）１、熱交換器等を含むユニット２、吹き出し口に導くダクト３に大別される。
ＨＶＡＣのＣＦＤを実施する際、送風機のＣＦＤモデルを追加すると計算規模、計算時間の増大を招くため多くの場合、省略して、ＨＶＡＣの入口に境界条件として一様流速を与えて実施している。しかし送風機の出口では実際には速度分布が大きいため、ＨＶＡＣの構成によっては、計算予測精度に大きく影響する場合がある。そのため従来は、送風機のスクロールのみのモデル図２（Ａ）を追加する方法がとられている。この際、流入側の境界条件はファン外形円筒面（ファン出口）から、遠心方向に向けた速度成分を与えている（図２（Ｂ））。このような手法の場合、ファン部分がないため計算時間の増大は少ないが、ファンがある場合と比べると送風機出口の速度分布の傾向は大きく違い、精度は十分ではない。ファンがある場合にはスクロールの中で旋回流が発生するが、ファンなしの場合、このような流れは生じていない（図３）。
【０００３】
上記の問題を、実際の計算例に基づいて説明する。
図３に、ファン有りモデル（ケース１）とファン無しモデル（ケース２）の場合の計算結果について、比較例を示す。計算は図３（Ａ）に示す遠心式送風機（ファン）を含むダクト部分の平面図において、断面“１”と断面“２”について実施したものである。断面“１”の図３（Ｂ）と（Ｅ）は、ファン出口付近における風速分布の状態を示し、断面“２”の図３（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｆ）、（Ｇ）はファン出口から少し下流のダクト部分における風速ベクトルの状態を示す。ケース２のファン無しモデルにおいては前述のように、ＨＶＡＣの入口の境界条件（即ちファンの出口において）として一様流速を与えているので、図３（Ｅ）においてダクトの高さ（Ｚ）方向に関して流速が一定であることを示している。一方、ケース１のファン有りモデルによる計算においては、ファンが有ることを想定した場合、図３（Ｂ）においてダクトの高さ（Ｚ）方向に流速は変化しており、ダクトのＺ方向において、略中央付近で流速が最も速くなっており、流速分布が山形であることを示している。図３（Ｂ）と図３（Ｅ）の断面“１”の速度分布は、ＨＶＡＣの入口における計算の境界条件を示すものと考えられる。即ち、ケース１とケース２の入口境界条件は、高さ（Ｚ）方向の流速分布に関してこの様に相違していることが分かる。（ここで、図３（Ｂ）と図３（Ｅ）の風速分布を表す線は風速の大きさを正確に表すものではなく、主に風速の分布を表したものである。）
【０００４】
ケース１（ファン有りモデル）とケース２（ファン無しモデル）の計算について、入口条件がこの様に相違した場合、ある程度下流において流れがどうなるかを計算により求めた例が、断面“２”の計算結果と考えられる。この断面“２”の計算結果について、図３（Ｃ）、（Ｄ）及び図３（Ｆ）、（Ｇ）に風向き及び風速分布として示している。（図中の白い点は、断面“２”において風向きと大きさを同時に表わす風速ベクトルを示す。）図３（Ｃ）と図３（Ｆ）は断面“２”における風の向きを矢印で示しているが、ケース２においてはダクト内で上から下へ風が流れる（そして少し時計回りに旋回する）結果となっている。一方ケース１においては、風は反時計方向に旋回する計算結果となっている。この様に、風方向に関してファン有りモデル（ケース１）とファン無しモデル（ケース２）では全く反対と言える結果になったことが分かる。
【０００５】
次に、風速分布についての計算結果が図３（Ｄ）と図３（Ｇ）に示される。ケース２においては、ダクトの内側において低速（本例では１０ｍ／ｓから１５ｍ／ｓ程度の範囲）であり、ダクトの外側に向かって速度が漸次上昇して、外側付近において２５から２８ｍ／ｓであり、速度は、断面“２”において内側から外側へ図３（Ｇ）で分かるように平行な状態で増加する結果となる。一方ケース１においては、ダクトの内側から外側に向かって風速は増大するものの、増大の仕方は等高線状で、ダクトの外側中央部にある風速２８ｍ／ｓの高速領域を等風速領域が取り囲むように変化する結果となる。従って、図３（Ｄ）と図３（Ｇ）を比較して分かるように風速分布に関しても、ファン有りモデル（ケース１）とファン無しモデル（ケース２）ではかなり異なる計算結果になったことが分かる。
【０００６】
また、従来技術において空調装置のシミュレーションシステムに関する提案がある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】
特開第２００２−１９７１２５号（第４頁）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述した事情に鑑みなされたもので、空調装置（ＨＶＡＣ）の送風性能を計算時間の増大を抑えて、精度良く予測する方法を提供することを目的とする。そのために本発明は、計算時間と計算精度に影響を与えている送風機の新たなモデル化を含む方法及びその方法を実施する装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の形態では、上述した目的を達成するために、空調用空気を供給するファンを備える空調装置の性能シミュレーション方法は、前記ファンのタイプに対応するデータベースであって、ファン出口の流れの状態のデータを具備するデータベースを具備する。この方法は、前記ファンのタイプを入力する手順と、前記タイプのファンの作動状態を入力する手順と、前記データベースから前記ファンのタイプ及び作動状態に応じたファン出口の流れの状態のデータを選択して出力する手順と、前記選択して出力したファン出口の流れの状態のデータを入力データとして数値流体解析計算に入力する手順と、前記入力データに従い数値流体解析計算を実行する手順と、前記実行された数値流体解析計算の結果を処理する手順とを具備することを特徴とする。
【０００９】
この様に構成することにより、計算実施者は、ファンの数値流体解析（ＣＦＤ）モデルを作成する工数が不要になる上、計算時間短縮化と計算精度の向上を図ることが可能であり、更に空調装置（ＨＶＡＣ）の送風性能を予測する期間及び工数を大幅に短縮できる。
【００１０】
本発明の請求項２の形態では、上記請求項１の形態において、前記データベースは、ファン出口における風速分布データを具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明のデータベースの具備するデータの内容をより具体化する形態を開示する。
【００１１】
本発明の請求項３の形態では、上記請求項１又は２のいずれかの形態において、前記データベースは、各前記ファンのタイプ及び各前記ファンの作動状態に対応した、ファン出口における半径方向、円周方向、及び高さ（垂直）方向それぞれの風速ベクトルデータを具備することを特徴とする。
本形態によれば、本発明のデータベースの具備するデータの内容をより一層具体化する形態を開示する。
【００１２】
本発明の請求項４の形態では、上記請求項１から３の形態のいずれか一項において、前記ファンは遠心式送風機であることを特徴とする。
本形態によれば、ファンの型式をより具体化する形態を開示する。
【００１３】
本発明の請求項５の形態では、上記請求項１から４の形態のいずれか一項において、前記数値流体解析計算を実行する手順は、汎用の数値流体計算ソフトにより行われることを特徴とする。
本形態によれば、本発明の数値流体解析計算を実行する手順をより一層具体化する形態を開示すると共に、より安価な形態を開示する。
【００１４】
本発明の請求項６の形態では、上記請求項１から５の形態のいずれか一項の方法において、性能シミュレーション方法を実行するプログラムが具備される。
本形態によれば、本発明の方法の各手順がより具体化される形態を開示する。
【００１５】
本発明の請求項７の形態では、請求項６に記載のプログラムを具備する装置が具備される。
本形態によれば、本発明の方法を実行可能な装置を具体化する形態を開示する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一つの実施の形態の空調装置の性能シミュレーション方法を詳細に説明する。
本発明は、ファン出口の風速分布に着目し、ファンモデルの追加なしでファン出口からの風速分布をデータとしてモデル化（関数化）し、境界条件を付与することで、計算負荷を上げることなく、計算精度を向上させるものである。
ファン付きの送風機計算結果をもとにファン出口風速分布をそのまま境界条件として付与する方法も考えられるが、ファンタイプや作動条件を変える毎に送風機計算を実施する必要があるため、本発明の方法では、ファンタイプ毎の作動状態毎にあらかじめ風速分布特性を実験等により求めてデータ化することで、汎用的に共通使用できる。
【００１７】
本実施の形態において、計算の対象となる空調装置（ＨＶＡＣ）１０は、前記した図１に示す構成を有する空調装置１０である。従って空調装置１０は、ファン１と、熱交換器等を含むユニット２と、吹き出し口に導く複数のダクト３とを具備する。本実施の形態においてファン１は、遠心式送風機である。
遠心式送風機のファン出口風速分布は特徴があるため、この分布をモデル化（関数化）して境界条件として付与する。図４（Ａ）〜（Ｄ）に遠心式送風機のファン出口風速分布を模式的に示す。遠心式送風機のファンは、遠心（半径）方向の成分Ｒ（Ｕ）と、回転方向成分θ（Ｖ）及び、回転軸方向の成分Ｚ（Ｗ）を一般的に持っている（図４（Ｂ）〜（Ｄ）参照）。これらのベクトル成分によりスクロール内に旋回流が生じている。
図４（Ａ）は、遠心式ファン（以下ファンと呼ぶ）１の形状の立体図であり、渦巻状の形状を有しており、図４（Ａ）に示すように中央部にファン１の翼を含む本体が具備される。ファン１は一般的に、ファン１の中央部から空気を吸入し、図４（Ｂ）に示すように遠心方向に空気の流れを生じ、空気はファン１を囲むダクト１２内を流れて吐出部１１から流出する。
【００１８】
図６に特定の遠心式送風機のファン出口の風速ベクトルを示す。ファン回転方向の角度に対して、回転軸方向高さをパラメータにした各方向成分の風速の一例を示している。これらの風速分布を関数化し、数値流体解析（ＣＦＤ）の流入境界条件として与える。ＣＦＤの流入条件は、Ｕ、Ｖ、Ｗ方向成分を各々設定するため、各々のベクトル成分をファンの座標（位置）の関数として与える。また、これらのベクトル成分は、ファン形状や、送風機作動状態（ファンの性能曲線上の点、即ちファンの発揮する圧力とその圧力に対応する流量）によって変わることがわかっている。そこで、あらかじめファンのタイプ毎に作動状態における風速分布特性を求めておいてデータベース化しておく。このデータベースを作成しておけば、種々のファンの組み合わせに対して境界条件を選択し、汎用的に共通使用することが可能である。
【００１９】
ここで、図５（Ａ）、（Ｂ）及び図６について説明する。図５（Ａ）はファン部分を上から見た図解的平面図であり、中央にファンが有ることを示しており、前記ファン出口の位置を図中に示している。図５（Ａ）において、ファン出口における角度位置（０，９０，１８０，２７０度）が示されており、図５（Ｂ）には、ファン出口における高さ位置（０，１５，３０，４５ｍｍ）が示される。高さ位置０ｍｍは、ファンの下面（底面）である。図５（Ａ）と（Ｂ）に示す位置に対応する、ファン出口における流速データの一例が図６に示される。図６には１０本の線が示されるが、各線は高さ０ｍｍから４５ｍｍまでの等分された１０箇所の高さ位置における流速を示しており、それらの線の高さ位置に対する対応関係ついては図６に示す通りである。
【００２０】
図６は前述のように、ファン出口における流速を示しており、それぞれ半径（Ｒ）方向、円周（θ）方向、高さ（Ｗ）方向についての実験等により得たデータを、高さ位置をパラメータとして各角度（横軸：０から３６０度）に対して示している。図６に示すグラフの値が、データベースに含まれるファン出口における流速のデータの一例である。図６に示すように一般的に、ファン出口における流速ベクトル成分は、角度位置と高さ位置によってかなり幅広くばらついており、従来技術例のように一様の流速ではないことが分かる。
【００２１】
図８（Ａ）から（Ｇ）は、前出の図３（Ａ）から（Ｇ）の図面に似た比較のための図面であり、図８（Ｂ）から（Ｄ）にファン有りモデル（ケース１）の計算結果を示し、図８（Ｅ）から（Ｇ）に本発明の方法（ケース３）を用いて求めた結果を示しており、これらの二種類の方法の比較を示している。図７は、本実施の形態の遠心式送風機（ファン）部分の図解的立体図であり、計算の流入境界条件である流速ベクトルがＲ、θ、Ｗのそれぞれの方向の成分を有することを示している。図８（Ａ）は図３（Ａ）と同様の図面であり、図８（Ｂ）から（Ｇ）の図はそれぞれ断面“１”と断面“２”の位置における計算結果を示しており、断面“１”と断面“２”は図３（Ａ）と同じ位置である。図８（Ｂ）から（Ｄ）は、図３（Ｂ）から（Ｄ）に示すファン有りモデルの計算結果と同じもの（データ）であり、図８（Ｂ）は断面“１”においてファン出口における流速の高さ方向の変化状態、図８（Ｃ）と（Ｄ）はそれぞれ、断面“２”における風向きと風速分布を示す。
【００２２】
図８（Ｅ）から（Ｇ）はそれぞれ、本発明に従い求めた、断面“１”におけるファン出口における流速の高さ方向の変化状態、断面“２”における風向きと風速分布を示す。図８（Ｂ）と図８（Ｅ）、図８（Ｃ）と図８（Ｆ）、図８（Ｄ）と図８（Ｇ）はそれぞれよく近似しており、本発明の方法（ケース３）により求めた計算結果が、ファン有りモデル（ケース１）を使用した計算結果に近似していることを示している。
図８の本発明の方法を用いた場合には、ファンモデルが存在する場合と同様の風速分布を流入境界条件として与えられるため、スクロール内の流れ、速度分布ともファンモデルを追加した場合と同等の計算精度を与えることが可能である。更に計算時間はファンモデルがある場合と比較して約１／２であった。
【００２３】
図９は、本発明に係る実施の形態の空調装置の性能シミュレーション方法の手順のフローを示す。本実施の形態において、本方法を実施する装置はコンピュータであっても良い。
図９のフローにおいて、Ｓ１のステップ１において、計算対象のファンタイプ及び前記のファン作動状態（ファンの圧力と対応する流量の特定値）を選択し、コンピュータに入力する。Ｓ２のステップ２に進み、Ｓ２において、コンピュータの記憶装置のデータベースから、Ｓ１において入力されたデータに対応するファン出口における流速分布のデータを選択する。次にＳ３のステップ３に進み、データベースから選択し出力した、所定のファン出口における流速分布データを計算プログラムに入力する。
【００２４】
更にＳ４のステップ４に進み、数値流体解析（ＣＦＤ）計算を実行し、必要なダクトにおける管路抵抗、各吹き出し口における流量分配等の計算を行う。そしてＳ５のステップ５において、例えば図解的表示等のＣＦＤの計算結果の処理を実施する。
ステップ４における上記ＣＦＤ計算は、汎用プログラムを使用して実施されても良い。ステップ３において、複数の入力データ（ファン出口における流速分布データ）が選択されて、ステップ４において計算が繰り返し行われて複数の計算結果が得られて、ステップ５において複数のＣＦＤ計算結果が処理されても良い。上記の手順をまとめると以下のようになる。ファンタイプ、作動状態毎の風速分布特性を実験あるいは計算であらかじめ求めておき、速度分布をジオメトリによる関数に置き換えておく。これをデータベースとして登録しておく。ＨＶＡＣ計算を実行する際は、使用するファン形状と、作動状態をこのデータベースから選択する。選択された条件をもとに、データベースから流入境界条件を与えるサブルーチン入力データが書き出される。このサブルーチンを使用してＨＶＡＣのＣＦＤ計算が実行される。
本実施の形態において、一連の手順はプログラムとして形成されて、コンピュータにより実行される。
【００２５】
次に上記実施の形態の効果及び作用について説明する。
本発明の一つの実施の形態の空調装置の性能シミュレーション方法及び装置により以下の効果が期待できる。
・計算実施者は、ファンのＣＦＤモデルを作成する工数が不要となる。
・計算時間短縮化と計算精度向上が図れる。
・ＨＶＡＣの送風性能を予測する期間及び工数が大幅に短縮できる。
【００２６】
上記の実施の形態は本発明の一例であり、本発明は、該実施の形態により制限されるものではなく、請求項に記載される事項によってのみ規定されており、上記以外の実施の形態も実施可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、一般的な車両用空調装置のダクトシステムのＣＦＤモデルの概要を示す図解的立体図である。
【図２】図２は、従来技術において使用される送風機のスクロールモデルの立体図（図２（Ａ））と、その送風機（ファン）出口における一定の風速分布を示す図解的平面図（図２（Ｂ））とを示す。
【図３】図３は、ファン有りモデルの計算の場合と、ファン無しモデルの計算の場合との計算結果（断面“１”と断面“２”における）の違いを示す図面である。
【図４】図４は、遠心式送風機の立体図（図４（Ａ））と、そのファン出口における流速分布を、各Ｒ（図４（Ｂ））、θ（図４（Ｃ））、Ｗ（図４（Ｄ））方向において模式的に示す。
【図５】図５は、ファン出口における位置を指定するための平面図（図５（Ａ））と側断面図（図５（Ｂ））である。
【図６】図６は、本発明のデータベースに含まれるファン出口における流速分布のデータの一例を示す。
【図７】図７は、本発明の実施の形態の対象とした遠心式送風機（ファン）部分の図解的立体図であり、計算の流入境界条件である流速ベクトルがＲ、θ、Ｗのそれぞれの方向の成分を有することを示している。
【図８】図８は、ファン有りモデルの計算の場合と、本発明の実施の形態による計算の場合との計算結果（断面“１”と断面“２”における）の違い（又は近似性）を示す図面であり、図３に対応する図面である。
【図９】図９は、本発明の方法の一実施の形態の手順を示すフロー図である。
【符号の説明】
１…送風機（ファン）
２…ユニット
３…ダクト
１０…空調装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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