(57)【要約】【課題】シミュレーション精度を確保しながら、汎用的なモデリングを可能とするシミュレーションシステムを提供する。【解決手段】本発明のシミュレーションシステムは、要素モデルに詳細モデルを使用し、要素モデル間を結合する結合モデルに簡易モデルを選択可能に使用して、ある要素モデルの局所的なシミュレーション結果を、結合モデルを介して別の要素モデルの局所に伝達させることを可能とする。結合モデルに簡易モデルを用いることにより、精度を確保しながら、コストパフォーマンスの優れたシミュレーションシステムを実現する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
要素モデルの状態についての指示を受け付ける設定部と、
要素モデル間の結合状態を示す複数の結合モデルを記憶する記憶部と、
要素モデル間を結合する結合モデルの選択指示を受け付ける選択部と、
要素モデルの状態および選択された結合モデルが定義されたプロセスモデルに基づいて、プロセスシミュレーションを実行する計算部と、
を備えることを特徴とするシミュレーションシステム。
【請求項２】
結合モデルは、その入力座標および出力座標の対応関係を表現することを特徴とする請求項１に記載のシミュレーションシステム。
【請求項３】
結合モデルは、プロセスシミュレーションの対象となるモデルにおいて予め想定される配管系を表現したものであることを特徴とする請求項２に記載のシミュレーションシステム。
【請求項４】
要素モデルに詳細モデルを使用し、結合モデルに簡易モデルを使用することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のシミュレーションシステム。
【請求項５】
要素モデルは前記設定部により設定された状態に応じて熱交換をシミュレートする熱交換器モデルであり、結合モデルは前記記憶部により記憶された状態に応じて複数の熱交換器モデルを結合する配管モデルであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のシミュレーションシステム。
【請求項６】
要素モデルに詳細モデルを使用し、要素モデル間を結合する結合モデルに簡易モデルを選択可能に使用して、ある要素モデルの局所的なシミュレーション結果を、結合モデルを介して別の要素モデルの局所に伝達させることを特徴とするシミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロセスシミュレーションを実行するシミュレーション技術に関し、特に汎用的なモデリングを可能とするシミュレーションシステムと方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱伝達などの現象解析を行うために、様々なシミュレーションシステムが開発されている。例えば、静的な特性を模擬したモデル要素と、一次遅れ特性を模擬したモデル要素から構成される燃料電池用のシミュレーションモデルが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、要素モデルを選択して結合したプロセスモデルを用いた浄水場水質シミュレータも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、機器を示す図示記号間で、上流側から下流側への方向性を表示するエネルギ消費量シミュレーションの入力支援方法も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。さらに、システムのテストのために、プロセスモデルをシステムとは区別して構築したプロセスシミュレーション装置も提案されている（例えば、特許文献４参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１８８０２０号公報
【特許文献２】
特開２００１−３０６１０６号公報
【特許文献３】
特開２００１−８４０２２号公報
【特許文献４】
特開平６−１０５３７８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特許文献に開示される技術では、主として要素についての工夫はなすものの、要素間の結合関係を配慮していない。従来のプロセスモデルでは、通常、要素モデル間を単純に直結した方式で結合する。そのため、各要素モデルの属性等を詳細に定義することはできるが、要素モデル間の結合方式を任意に定義することができない。したがって、要素モデル間が入り組んだガス経路で結合される場合には、そのガス経路を表現できず、精度よいシミュレーション結果を得ることができない。一方で、結合関係を詳細モデルで定義するアプローチも考えられるが、詳細モデルを用意する手間やシミュレーションにおける計算量が膨大となるため、高度な厳密性を要求しないシミュレーションには不向きである。
【０００５】
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、シミュレーション精度を確保しながら、汎用的なモデリングを可能とするシミュレーションシステムを提供することにある。また本発明の目的は、コストパフォーマンスの優れたシミュレーションシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の一つの態様は、要素モデルの状態についての指示を受け付ける設定部と、要素モデル間の結合状態を示す複数の結合モデルを記憶する記憶部と、要素モデル間を結合する結合モデルの選択指示を受け付ける選択部と、要素モデルの状態および選択された結合モデルが定義されたプロセスモデルに基づいて、プロセスシミュレーションを実行する計算部とを備えるシミュレーションシステムを提供する。
【０００７】
ここでは、結合方式を「結合モデル」と表現する。結合モデルの対象となるのは、幾何的に比較的単純な部分であってもよく、またシミュレーションの対象となる物理量の変化が比較的単純な部分であってもよい。このシミュレーションシステムによると、ユーザは結合モデルを任意に選択できるため、プロセスモデルを、シミュレーションの対象となる環境に近い状態で構築することができる。
【０００８】
結合モデルは、その入力座標および出力座標の対応関係を表現してもよい。また結合モデルは、プロセスシミュレーションの対象となるモデルすなわち環境において予め想定される配管系を表現したものであってよい。配管系は一つの結合モデルで表現されてもよいが、配管系のベースとなる結合モデルを予め複数用意し、それらを組み合わせて表現されてもよい。
【０００９】
また、このシミュレーションシステムでは、要素モデルに詳細モデルを使用し、結合モデルに簡易モデルを使用してもよい。簡易なモデルとして、例えば入出力の伝達特性を単純な関数で表現したものがある。結合モデルを簡略化することにより、コストパフォーマンスに優れたシミュレーションシステムを実現することができる。要素モデルは、設定部により設定された状態に応じて熱交換をシミュレートする熱交換器モデルであり、結合モデルは、記憶部により記憶された状態に応じて複数の熱交換器モデルを結合する配管モデルであってもよい。例えば要素モデルは、燃料電池システムにおける各構成の熱交換器モデルであってもよい。これにより、熱交換器の熱交換および熱交換器間の熱伝達を現実に近い状態でシミュレートすることができるため、シミュレーション精度が向上する。
【００１０】
また本発明の別の態様は、要素モデルに詳細モデルを使用し、要素モデル間を結合する結合モデルに簡易モデルを選択可能に使用して、ある要素モデルの局所的なシミュレーション結果を、結合モデルを介して別の要素モデルの局所に伝達させるシミュレーション方法を提供する。このシミュレーション方法によると、シミュレーション精度を確保しながら、汎用的なモデリングが可能となり、コストパフォーマンスに優れたシミュレーションを実行できる。
以上の各構成を装置、方法またはプログラムとして表現したものも、本発明として有効である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係るシミュレーションシステム１０の概略構成を示す。シミュレーションシステム１０は、様々な要素および系の解析に適用することが可能であり、特にガス組成を変化させる際に熱変動が生じる系の解析に優れている。例えば、このシミュレーションシステム１０は、燃料電池システムにおけるガス反応をシミュレーションする場合に用いることができる。
【００１２】
シミュレーションシステム１０は、入力ツール１２、入力処理部１４、計算部２０、表示処理部２２、モニタ２４および記憶部３０を備える。入力ツール１２は、キーボード、マウスおよびタッチパネルなど、ユーザの入力を受け付ける入力装置である。入力処理部１４は、ユーザからの設定指示を受け付ける設定部１６およびユーザからの選択指示を受け付ける選択部１８を有する。また記憶部３０は、複数の要素モデルの特性および表示画像などを記憶する要素モデル記憶部３２と、複数の結合モデルの伝達特性および表示画像などを記憶する結合モデル記憶部３４を有する。要素モデル記憶部３２は、要素モデルを、要素特性の詳細なシミュレーションを行うことのできる詳細モデルとして記憶する。詳細なシミュレーションは、たとえば、計算流体力学（ＣＦＤ：  Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）に基づく手法や有限要素法（ＦＥＭ：  Ｆｉｎｉｔｅ  Ｅｌｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄ）を利用して行うことができる。一方、結合モデル記憶部３４は、結合状態を示す結合モデルを、要素モデルより簡易なモデルとして記憶する。結合モデルは、プロセスシミュレーションの対象となるモデルにおいて予め想定される配管系を表現したものであってよい。
【００１３】
プロセスモデルの構築にあたり、ユーザは、入力ツール１２を用いて要素モデルを選択し、シミュレーション条件として要素モデルの状態を入力する。選択部１８が要素モデルの選択についての指示を受け付け、設定部１６が、要素モデルの状態についての指示を受け付ける。表示処理部２２は、選択した要素モデルの表示画像をモニタ２４に表示させる。ユーザは入力ツール１２を用いて、モニタ２４における表示画像の位置を調整することができる。要素モデルがモニタ２４に配置されると、ユーザは、入力ツール１２を用いて要素間を結合する結合モデルを選択する。選択部１８は、結合モデルの選択指示を受け付ける。以上のように、ユーザが要素モデルおよび結合モデルを選択して定義することにより、プロセスモデルが構築される。このプロセスモデルは、表示処理部２２によりモニタ２４に表示される。計算部２０は、このプロセスモデルに基づいてプロセスシミュレーションを実行する。
【００１４】
図２（ａ）〜（ｅ）は、結合モデルの例を示す。結合モデルは要素Ａと要素Ｂの間を結合し、要素Ａから出力される流体が結合モデルを通って要素Ｂに入力される。結合モデルはその入力座標および出力座標の対応関係を表現し、その伝達特性は、単純な関数で表現される。
【００１５】
図２（ａ）は、要素Ａと要素Ｂの間を直結するタイプの結合モデル、すなわち「直結型モデル」を示す。例えば、要素Ａと要素Ｂの間の距離が短いとき、このタイプの結合モデルが利用される。要素Ａの出力面における座標をＡ（ｉ，ｊ）、要素Ｂの入力面における座標をＢ（ｉ，ｊ）と定義すると、この結合モデルは以下のように表現される。なお、図表の高さ方向をＩ軸、奥行き方向をＪ軸とする。
【００１６】
Ａ（ｉ，ｊ）→Ｂ（ｉ，ｊ）・・・（１）
図２（ｂ）は、要素Ａと要素Ｂの間で流体が混合され攪拌されるタイプの結合モデル、すなわち「混合型モデル」を示す。図示のごとく、要素Ａと要素Ｂの間に攪拌機が設けられる場合や、要素Ａと要素Ｂの間の距離が長い場合に、このタイプの結合モデルが利用される。この結合モデルでは、流体が攪拌されることにより、流体の状態が平均化される。この結合モデルは以下のように表現される。
【００１７】
【数１】
2004171452.tif 000003
図２（ｃ）は、上下に設けられた要素Ａと要素Ｂの間を接続するタイプの結合モデル、すなわち「上下反転型モデル」を示す。この結合モデルでは、要素Ａの出力面で上部の温度が高ければ、要素Ｂの入力面では上下反転して下部の温度が高くなる。この結合モデルは以下のように表現される。
Ａ（Ｉ−ｉ，ｊ）→Ｂ（ｉ，ｊ）・・・（３）
（１≦ｉ≦Ｉ）
この例は上下が反転するタイプであるが、左右反転するタイプのものであってもよい。
【００１８】
図２（ｄ）は、要素Ａの出力面と要素Ｂの入力面の大きさが異なる両要素を接続するタイプの結合モデル、すなわち「特殊型モデル」を示す。この例では、要素Ｂの入力面の高さが、要素Ａの出力面の高さの半分になっている。この結合モデルは以下のように表現される。
Ａ（ｉ／２，ｊ）→Ｂ（ｉ，ｊ）・・・（４）
【００１９】
図２（ｅ）は、要素Ａから要素Ｂに向かう流路中で最外周の温度が変化するタイプの結合モデルを示す。要素Ａの出力面の座標Ａ（ｉ，ｊ）における温度をＴＡ（ｉ，ｊ）、要素Ｂの入力面の座標Ｂ（ｉ，ｊ）における温度をＴＢ（ｉ，ｊ）と定義すると、この結合モデルは以下のように表現される。
ＴＡ（ｉ，ｊ）−ΔＴ→ＴＢ（ｉ，ｊ）
（ｉ＝１，Ｉ，  ｊ＝１，Ｊ）
ＴＡ（ｉ，ｊ）→ＴＢ（ｉ，ｊ）
（１＜ｉ＜Ｉ，１＜ｊ＜Ｊ）  ・・・（５）
【００２０】
既述のごとく、結合モデル記憶部３４は、予め想定される配管系を表現した結合関係を、簡易モデルとして予め記憶しておく。なお、図２（ａ）〜（ｅ）は例示であり、他の結合モデルを用意してもよい。ユーザによる結合モデルの選択時には、図２に示すような図表をＧＵＩ（グラフィカル・ユーザ・インターフェース）としてモニタ２４に表示してもよい。
【００２１】
構築されるプロセスモデルには、詳細モデルである要素モデルと、簡易モデルである結合モデルとが混在する。シミュレーションにおける重要度を考えると、実際に化学反応や熱伝達の生じる要素内の計算結果が、結合方式よりも、プロセスシミュレーションの精度に大きな影響を与える。したがって、結合モデルを詳細モデルとする場合と比べると、詳細モデルを定義する手間や計算量が減少することから、シミュレーション精度を維持しながらコスト的に安価なモデリングを実現することができる。一方で、プロセスシミュレーション全体では結合状態の作用を完全に無視することはできないため、全ての要素間を画一的に一つの結合モデルで接続した従来のプロセスモデルと比較すると、結合モデルを任意に選択できる本プロセスモデルの方が高精度なシミュレーションを実現できる。以上のことからも、本実施の形態におけるプロセスモデルは、コストを抑えつつ詳細モデルの計算結果を効率よく利用することのできる、いわば「準詳細モデル」としての役割を果たすことになる。
【００２２】
図３は、燃料電池システムをモデリングしたプロセスモデルが実際に画面に表示されたイメージの例を示す。このプロセスモデルは、燃料電池と改質器とをモデリングしており、モニタ２４に表示される。改質器は、燃料と水と空気とを混合する混合部、改質触媒を利用した改質反応を行うための改質部、熱交換部、シフト反応を行う高温シフト部、ガス温度を下げる低温シフト部、選択酸化を利用して改質ガス中の一酸化炭素を低減するＣＯ浄化部などの各構成を有している。図３では、要素モデルを四辺形の実線で示し、結合モデルを矢印で示している。
【００２３】
ユーザは、要素モデルを選択して配置し、各要素モデル間を接続する結合モデルを選択することにより、燃料電池システムのモデルを構築する。ここでは、使用される結合モデルをある程度予測し、システムの初期値の一例として、図２（ａ）〜図２（ｄ）の結合モデルが以下の各経路に設定されている。この初期設定は図１の結合モデル記憶部３４に格納されている。
【００２４】
図２（ａ）に対応する「直結型モデル」（図中「ａ」）・・・燃料の混合部への投入、混合部から改質部、改質部から熱交換部、混合部から蒸発部と熱交換部の間、高温シフト部内、空気の熱交換部への投入、低温シフト部内、水の浄化部への投入、浄化部内、蒸発部内、蒸発部からの蒸発、空気の燃料電池への投入  図２（ｂ）に対応する「混合型モデル」（図中「ｂ」）・・・熱交換部から高温シフト部、高温シフト部から熱交換部、熱交換部から低温シフト部、浄化部から燃料電池
図２（ｃ）に対応する「上下反転型モデル」（図中「ｃ」）・・・蒸発部内、熱交換部から混合部
図２（ｄ）に対応する「特殊型モデル」（図中「ｄ」）・・・蒸発部から熱交換部、空気の熱交換部への投入、浄化部から蒸発部
【００２５】
以上の初期状態からユーザは任意の設定変更をし、実際のシステムに合わせて結合モデルを適切に再設定することにより、シミュレーション精度を高めることができる。特に燃料電池システムのように、触媒反応や発熱反応などによりガス組成が変化する系においては、本実施の形態における「準詳細モデル」を利用することにより、温度およびガス組成の分布などを正確に計算でき、低コストで高精度のシミュレーションを実現することが可能となる。
【００２６】
以上、実施の形態をもとに本発明を説明した。なお本発明はこの実施の形態に限定されることなく、そのさまざまな変形例もまた、本発明の態様として有効である。以下、そうした例である。
図３において、ある程度予測される結合モデルが初期設定されたが、この初期設定の内容を図１の設定部１６によって変更可能に構成してもよい。
図１において、要素の入力を支援するために、記憶部３０に種々の要素の形状や材質等の情報を予め格納しておいてもよい。その場合、ユーザは入力ツール１２を用いて所望の形状等を有する要素を選択し、シミュレーションの対象となる系を設計できる。そのため、入力処理部１４は、ドローイングソフトウエアが有する各種描画支援機能を備えればユーザの利便性が高まる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によると、シミュレーション精度を確保しながら、汎用的なモデリングを容易に実現できるシミュレーションシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態に係るシミュレーションシステムの概略構成を示す図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）および（ｅ）は、結合モデルの例を示す図である。
【図３】燃料電池システムをモデリングしたプロセスモデルの一例を示す図である。
【符号の説明】
１０・・・シミュレーションシステム、１２・・・入力ツール、１４・・・入力処理部、１６・・・設定部、１８・・・選択部、２０・・・計算部、２２・・・表示処理部、２４・・・モニタ、３０・・・記憶部、３２・・・要素モデル記憶部、３４・・・結合モデル記憶部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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