(57)【要約】【課題】設計の変更及び数値解析モデルの生成を短時間で容易に行うことができる熱交換器モデル生成装置を提供することを目的とする。【解決手段】通水パイプ間の距離Ｌｕ，Ｌｄ，Ｌｕｄを指定する手段と、各通水パイプ列の通水パイプ数Ｎｄ、Ｎｕを指定する手段と、通水パイプ間の距離Ｌｕ，Ｌｄ，Ｌｕｄ及び各通水パイプ列の通水パイプ数Ｎｄ、Ｎｕに基づいて、フィン板に対する各通水パイプの配置を決定する通水パイプ配置手段１１と、フィン板２上に均一な数値解析用格子を生成するとともに、各通水パイプに基づく数値解析用格子を生成し、重複部を有する不連続の数値解析用格子からなる熱交換器モデルを生成するモデル生成手段１９とを備えている。【選択図】　図１
2004101066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数のフィン板に複数の通水パイプが貫通し、これらの通水パイプが２以上の通水パイプ列を形成している熱交換器モデルを生成する熱交換器モデル生成装置において、
通水パイプ間の距離を指定する手段と、
各通水パイプ列の通水パイプ数を指定する手段と、
通水パイプ間の距離及び各通水パイプ列の通水パイプ数に基づいて、フィン板に対する各通水パイプの配置を決定する通水パイプ配置手段と、
フィン板上に均一な数値解析用格子を生成するとともに、各通水パイプに基づく数値解析用格子を生成し、重複部を有する不連続の数値解析用格子からなる熱交換器モデルを生成するモデル生成手段とを備えたことを特徴とする熱交換器モデル生成装置。
【請求項２】
通水パイプの配置に基づいて、フィン板の上流側端部の形状を決定するフィン板上流部整形手段と、
フィン板の上流側端部の形状に基づいて、フィン板の下流側端部の形状を決定するフィン板下流部整形手段とを備え、
上記モデル生成手段が、フィン板の端部形状に基づく数値解析用格子を生成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器モデル生成装置。
【請求項３】
近接する通水パイプ間の溶接幅を指定する手段と、
上記通水パイプ配置手段による第１通水系統に属する通水パイプの配置に基づいて、第２通水系統に属する通水パイプの配置を決定する第２の通水パイプ配置手段と、
通水パイプ間の距離が所定値以下の場合に、指定された溶接幅に基づいて通水パイプ間に溶接部を配置する溶接部配置手段とを備え、
上記モデル生成手段が、溶接部に基づく数値解析用格子を生成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器モデル生成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器モデル生成装置に係り、さらに詳しくは、熱解析などの数値解析に使用される熱交換器モデルを生成する数値解析モデルの生成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１５は、給湯器の要部の一例を示した斜視図である（特許文献１参照）。この図には、胴板１、フィン板２、通水パイプ３、連結パイプ４からなる燃焼缶体が示されている。胴板１は、高温の燃焼ガスの流路を形成する金属板であり、胴板１内には上方に向けて燃焼ガスの流れが形成される。また、燃焼缶体の排気部には、風雨の侵入を防止する図示しない排気筒が取り付けられる。胴板１内の上部には多数のフィン板２及び複数の通水パイプ３が設けられ、燃焼ガスから通水パイプ３中の水に熱を受け渡す熱交換器として機能する。通水パイプ３は直線形状からなり、Ｕ字型に屈曲させた連結パイプ４によって胴板１の外部で隣接する通水パイプ３に接続されている。
【０００３】
図１６は、フィン板２及び通水パイプ３の詳細構成の一例を示した斜視図である。図中の３ｕは上段の通水パイプ、３ｄは下段の通水パイプ、５はバーリング、６は胴板係合部、７は折り曲げ片である。この熱交換器は、複数のフィン板２を互いに平行に整列配置させるとともに、互いに平行な複数の通水パイプ３によってフィン板２を貫通して構成される。
【０００４】
フィン板２は、胴板１内で燃焼ガスの流れに対し平行に配置されている。通水パイプ３はフィン板２に対し垂直に配置されており、燃焼ガスの流れに対しても垂直に配置されている。熱交換器では、燃焼ガスが下から上へ鉛直に流れるような構造である場合が多く、この場合、フィン板２は鉛直方向に配置され、通水パイプ３は水平に配置されることになる。
【０００５】
また、通水パイプ３は複数の通水パイプ列を形成し、各通水パイプ列は燃焼ガス流路に対し概ね垂直な方向に配置された複数（２以上）の通水パイプ３からなる。図１６では、上段パイプ３ｕ、下段パイプ３ｄがそれぞれパイプ列を構成している。バーリング５は、フィン板２に設けられた穴、突起、切り越し片などのプレス加工部であり、熱効率を向上させるため通水パイプ３間を通過する燃焼ガスの流れを調整している。胴板係合部６は、燃焼缶体内にフィン板２を取り付ける際、胴板１に係合させるフィン板２の溶接部等である。折り曲げ片７は、下流側の両側端部を折り曲げたプレス加工部であり、バーリング５と同様、熱効率を向上させるために燃焼ガスの流れを調整している。
【０００６】
また、過度に高温となるのを回避する必要から、フィン板２の上流側端部は上流側の通水パイプ３から一定の距離以下になるように成形されている。すなわち、上流側端部の形状は、上流側の通水パイプ３の配置に対応させたＲ形状の凸部と、凸部間に形成される凹部からなる。
【０００７】
この様な熱交換器の熱効率や耐久性などの性能は、通水パイプ３の数と配置、フィン板２の形状、その他の様々な要素によって変化し、設計段階において熱交換器の性能を正確に予測することは容易ではない。このため、数値解析を利用した設計、すなわち、設計段階において熱解析シミュレーションを繰り返して試行錯誤による最適化を行うことも考えられる。しかしながら、従来、この種の熱交換器では数値解析を利用した設計はほとんど行われていない。
【０００８】
一般に、この種の数値解析には有限要素法や差分法などがあり、いずれも解析対象を多数の微小な格子（メッシュ）に分割して解析が行われる。例えば、有限要素法による解析モデルの生成については特許文献２に開示されている。上述した様な熱交換器の熱解析において、有限要素法を採用したとすれば、一般にメッシュの生成が容易であるが予測精度が悪くなる。このため、精度よく解析できる差分法を用いる必要があると考えられる。
【０００９】
差分法とは、各格子点（分割線の交点）の物理量の差について演算（微分演算など）を行う解析方法である。この差分法は予測精度が良いが、解析対象をその形状に合わせて差分格子と呼ばれる格子に分割する必要がある。このため、差分法では、複雑なメッシュの生成と、格子点座標の直交変換とを行う必要があるという問題があった。
【００１０】
一般に、熱交換器の設計は機械製図用ＣＡＤなどを用いて行われており、直線や円弧等の組み合わせを描画することにより行われている。設計された熱交換器の数値解析において差分法を利用しようとすれば、シミュレータに対して熱交換器の格子点データを与える必要がある。このため、シミュレーション前にまずメッシュジェネレータにより格子点データを生成する必要がある。
【００１１】
図１７は、従来のメッシュジェネレータによりフィン板２について差分法のためのメッシュ（差分格子）を生成した場合に予想される一例を示した図である。メッシュジェネレータにはＣＡＤで生成された座標データが入力され、この座標データに基づいてフィン板２をメッシュ化して、格子点データを含むメッシュデータを生成することになる。フィン板２について２次元の熱解析を行うとすれば、図示した通り、分割線がフィン板２の境界（形状端部、通水パイプ穴の縁部など）に直交するように、あるいは、できるだけ直角に近い角度で交差するように、曲線からなる分割線がフィン板２上に引かれてメッシュ化される。シミュレータは、この様にして生成されたメッシュデータに基づいて、直交変換を行った後、数値演算を行って熱分布を解析することになる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平７−４３０８８号公報
【特許文献２】
特開平１１−９６３９８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
この様にして、ＣＡＤによる設計、メッシュジェネレータによるメッシュ化、シミュレータによる数値解析を繰り返すことができれば、熱交換器の特性を予測することが困難な場合であっても最適設計を行うことができる。しかしながら、これらの各工程は作業効率が悪く、特に、複雑な形状に対して差分格子を作成することが困難であるため、限られた設計期間においてシミュレーションを十分に繰り返すことは難しいという問題があった。
【００１４】
例えば、熱交換器の通水パイプ３を１つ増減したい場合、それに伴って他の全ての通水パイプ３の配置も修正する必要があった。また、通水パイプ３の配置変更に伴って、フィン板２の形状を変更したり、バーリング５の配置も変更する必要が生じる場合が多い。これらの修正は、全てＣＡＤ上で設計者が行う必要があり、ＣＡＤ上での変更作業に時間がかかるという問題があった。また、メッシュジェネレータに対して与える座標データが膨大であるために、格子点データを作成するために時間がかかる。
【００１５】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、熱交換器の設計変更及び数値解析モデルの生成を短時間で行うことができる熱交換器モデル生成装置を提供することを目的の一つとする。また、熱交換器の設計変更及び数値解析モデルの生成を容易に行うことができる熱交換器モデル生成装置を提供することを目的の一つとする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明による熱交換器モデル生成装置は、多数のフィン板に複数の通水パイプが貫通し、これらの通水パイプが２以上の通水パイプ列を形成している熱交換器モデルを生成する熱交換器モデル生成装置であって、通水パイプ間の距離を指定する手段と、各通水パイプ列の通水パイプ数を指定する手段と、通水パイプ間の距離及び各通水パイプ列の通水パイプ数に基づいて、フィン板に対する各通水パイプの配置を決定する通水パイプ配置手段と、フィン板上に均一な数値解析用格子を生成するとともに、各通水パイプに基づく数値解析用格子を生成し、重複部を有する不連続の数値解析用格子からなる熱交換器モデルを生成するモデル生成手段とを備えている。
【００１７】
この様な構成により、各通水パイプ列の通水パイプ数、通水パイプ間の距離に基づいて、通水パイプをフィン板上に自動配置することができ、通水パイプの配置や配置変更を容易に行うことができる。また、通水パイプに基づく数値解析用格子が生成され、フィン板上の均一な数値解析用格子とともに不連続の数値解析用格子からなる熱交換器モデルを生成する。このため、通水パイプの配置や配置変更を行った場合、容易にあるいは短時間で数値解析用モデルを生成することができる。
【００１８】
請求項２に記載の本発明による熱交換器モデル生成装置は、通水パイプの配置に基づいて、フィン板の上流側端部の形状を決定するフィン板上流部整形手段と、フィン板の上流側端部の形状に基づいて、フィン板の下流側端部の形状を決定するフィン板下流部整形手段とを備え、上記モデル生成手段が、フィン板の端部形状に基づく数値解析用格子を生成するように構成される。
【００１９】
通水パイプの配置に基づいて、フィン板上流部及び下流部の形状を決定することにより、通水パイプの配置又は配置変更に伴って必要となるフィン板の形状変更を自動的に行って数値解析用モデルを生成することができる。
【００２０】
請求項３に記載の本発明による熱交換器モデル生成装置は、近接する通水パイプ間の溶接幅を指定する手段と、上記通水パイプ配置手段による第１通水系統に属する通水パイプの配置に基づいて、第２通水系統に属する通水パイプの配置を決定する第２の通水パイプ配置手段と、通水パイプ間の距離が所定値以下の場合に、指定された溶接幅に基づいて通水パイプ間に溶接部を配置する溶接部配置手段とを備え、上記モデル生成手段が、溶接部に基づく数値解析用格子を生成するように構成される。
【００２１】
この様な構成により、複数の通水系統の通水パイプを配置する際、通水パイプの配置又は配置変更に伴って必要となる溶接部を自動的に配置し、溶接部を含む数値解析用モデルを生成することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による熱交換器モデル生成装置を含む熱解析システムの一構成例を示したブロック図である。図中の１０はＣＡＤ処理部、１８はＣＡＤデータ記憶部、１９はメッシュジェネレータ部、２０はメッシュデータ記憶部、２１はシミュレータ部である。いずれもコンピュータ上で動作するソフトウエアにより実現され、これらのコンピュータプログラムはＣＤ−ＲＯＭなどの記憶媒体に記録されてユーザに提供することができる。
【００２３】
ＣＡＤ処理部１０は、ユーザがパラメータを入力することによって、熱交換器の設計を行うＣＡＤ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｄｅｓｉｇｎ）ツールであり、パラメータは熱交換器を細分化した設計部位ごとに入力される。すなわち、パラメータによって、フィン板２の形状が決定されるとともに、通水パイプ３、バーリング５などの形状及び配置が決定される。この様にして生成された熱交換器のＣＡＤデータはＣＡＤデータ記憶部１８に格納される。
【００２４】
メッシュジェネレータ部１９は、ＣＡＤデータ記憶部１８からＣＡＤデータを読み出し、読み出されたＣＡＤデータに基づいて熱交換器をメッシュ化して格子点を決定し、格子点データを含むメッシュデータを生成する。生成されたメッシュデータはメッシュデータ記憶部２０に格納される。
【００２５】
シミュレータ部２１は、メッシュデータ記憶部２０からメッシュデータを読み出し、読み出されたメッシュデータに基づいて差分法による数値解析を行う。シミュレータ部２１には、メッシュデータとともに、成分、流量、温度などの燃焼ガスに関する条件、流量、入水温度などの通水に関する条件、その他の諸条件が入力され、差分法による既知の数値解析を行ってフィン板２上での温度分布が求められる。
【００２６】
ＣＡＤ処理部１０は、通水パイプ処理部１１、バーリング処理部１２及びフィン板処理部１４からなる。ユーザにより指定されたパラメータにより、通水パイプ処理部１１では通水パイプ３の形状及び配置が決定され、バーリング処理部１２ではバーリング５の種類、形状及び配置が決定され、フィン板処理部１４ではフィン板２の形状が決定される。
【００２７】
また、フィン板処理部１４は、さらに上流部整形処理部１５、下流部整形処理部１６及び側部整形処理部１７により構成される。上流部整形処理部１５では、最上流の通水パイプ列の配置に基づいて、フィン板２の上流端部の形状が決定される。下流部整形処理部１６では、フィン板２の上流端部の形状に基づいて、フィン板２の下流端部の形状が決定される。側部整形処理部１７では、ユーザ指定のパラメータに基づいて、胴板係合部６及び折り曲げ片７を含むフィン板２の側部形状が決定される。
【００２８】
この様にして、ＣＡＤ処理部１０において設計された熱交換器モデルはＣＡＤデータとして出力され、メッシュジェネレータ部１９でメッシュデータに変換され、シミュレータ２１により熱解析が行われる。この解析結果を見てＣＡＤ処理部１０により、一部のパラメータを変更したＣＡＤデータを直ちに生成し、メッシュデータに変換して、再度数値解析を行うことが出来る。
【００２９】
図２のステップＳ１００〜Ｓ１０８は、ＣＡＤ処理部１０における処理の一例を示したフローチャートである。各ステップＳ１００〜Ｓ１０８において、ユーザがパラメータを入力することによって、フィン板２、通水パイプ３、バーリング５などの形状や配置が順に決定される。なお、ここでは、下段（上流側）及び上段（下流側）の２つの通水パイプ列を有する熱交換器を設計する場合について説明する。
【００３０】
ステップＳ１０１では下段の通水パイプの形状及び配置が決定され、ステップＳ１０２では上段の通水パイプの形状及び配置が決定される。また、ステップＳ１００及びＳ１０３〜Ｓ１０８では、フィン板の形状が決定される。
【００３１】
図３〜図８及び図１０は、図２の各ステップにおけるＣＡＤ処理部１０による画面表示の一例を示した図である。図中の３０は部位設定キー、３０Ｐはプルダウンメニュー、３１はテキストボックス、３３は図面表示部、３４はセットボタンである。
【００３２】
部位設定キー３０は、設計対象となる熱交換器の部位が表示される。設計対象は、プルダウンメニュー３０Ｐを表示させて選択することにより変更することができ、選択された設計部位ごとに、所定数のテキストボックス３１が表示され、ユーザは所望のパラメータをテキストボックス３１に入力してセットボタン３４を操作すれば、設計された部位が図面表示部３３に表示される。
【００３３】
図３〜図８及び図１０は、順にフィン板２の「幅」、「下段パイプ」、「上段パイプ」、「フィンの先端Ｒ」、フィン板２の上流側の「谷」、「型抜きピッチ」、「バーリング」が設計対象として選択された場合の画面表示が示されている。以下では、図２のフローチャートの順に従って、図３〜図１０を参照してＣＡＤ処理部１０による設計処理について説明する。
【００３４】
図２のステップＳ１００では、フィン板２の幅Ｗがパラメータとして入力され決定される。図３は、このときの表示画面を示した図であり、部位設定キー３０には「幅」が表示されている。ユーザがテキストボックス３１にフィン板２の幅Ｗを入力して、セットボタン３４を押下すると、図面表示部３３には、フィン幅Ｗを規定する三角形が表示される。
【００３５】
図２のステップＳ１０１では、下段パイプ列の通水パイプ（下段パイプ）３ｄの形状と配置がパラメータとして入力され決定される。図４は、このときの表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「下段パイプ」が表示され、下段パイプのパイプ数Ｎｄ、パイプ間隔Ｌｄ、パイプ径（直径）φｄ、パイプ肉厚ｔｄ、シフト幅Ｓｄを入力するための５つのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、通水パイプ処理部１１により下段パイプ列の各通水パイプ３ｄの形状及び配置が決定され、図面表示部３３に下段パイプ３ｄが表示される。
【００３６】
下段パイプ３ｄの形状は、パイプ径φｄ及びパイプ肉厚ｔｄにより決定される。また、パイプ数Ｎｄ及びパイプ間隔Ｌｄにより水平方向のパイプ配置が決定される。この通水パイプの自動配置は、フィン板２の幅方向中央に対して左右対称となるように行われる。すなわち、パイプ数Ｎｄが奇数個の場合には、フィン板２の幅方向中央にパイプが配置され、偶数個の場合には、フィン板２の幅方向中央からＬｄ／２の距離に２個の通水パイプ３が配置される。そして、パイプ数Ｎｄに達するまで、更に外側にパイプ間隔Ｌｄを隔てて左右に同数のパイプが配置される。
【００３７】
パイプ間隔Ｌｄが異なる場合、これらを連結しようとすると複数種類の連結パイプ４が必要となる。このため、通水パイプ３を自動配置する際、パイプ間隔Ｌｄを指定することによって、同一の連結パイプで隣接する通水パイプ全てを連結可能に配置することができる。また、下段パイプ列をなす全ての通水パイプ３ｄをパイプ数Ｎｄ及びパイプ間隔Ｌｄのパラメータに基づいて自動配置しているため、パイプ数Ｎｄ又はパイプ間隔Ｌｄを変更すれば、直ちに変更後のＣＡＤデータを生成することができる。
【００３８】
シフト幅Ｓｄは、通水パイプ列中の一部の通水パイプについて上下方向の配置位置を変化させたい場合に指定される。ここでは、シフト幅Ｓｄを指定することにより、両端以外の通水パイプが両端の通水パイプよりもＳｄだけ上方に配置される。
【００３９】
図２のステップＳ１０２では、上段パイプ列に関する通水パイプ３の形状と配置がパラメータとして入力され決定される。図５は、このときの表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「上段パイプ」が表示され、上段パイプ列のパイプ数Ｎｕ、パイプ間隔Ｌｕ、パイプ径（直径）φｕ、パイプ肉厚ｔｕ、上下段パイプ間隔Ｌｕｄを入力するための５つのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、通水パイプ処理部１１により上段パイプ列の各通水パイプ３ｕの形状及び配置が決定され、図面表示部３３に上段パイプ３ｕが表示される。
【００４０】
上段パイプ列の場合も、下段パイプ列の場合と全く同様にして、パイプ計φｕ及びパイプ肉厚ｔｕによりパイプ形状が決定され、パイプ数Ｎｕ及びパイプ間隔Ｌｕにより水平方向のパイプ配置が決定される。上段パイプ列の上下方向の位置は、上下段パイプ間隔Ｌｕｄによって、下段パイプ列に対し相対的に決定される。すなわち、隣接する上段パイプ３ｕ及び下段パイプ３ｄの距離がＬｕｄとなるように上段パイプ列及び下段パイプ列の距離が決定される。なお、パイプ列が３段以上ある場合には、上段パイプ列の場合と同様にして、更に上段のパイプ列の形状及び配置が決定される。
【００４１】
この様にして、複数の通水パイプ列を自動配置する際、上下段パイプ間隔Ｌｕｄを指定して隣接するパイプ列間の距離を決定することによって、異なるパイプ列に属する隣接する通水パイプを所定の連結パイプで連結可能となる。特に、Ｌｕ，Ｌｄ，Ｌｕｄを同一値とすれば、隣接するパイプが、正三角形又は正方形の頂点に位置するように自動配置され、隣接する通水パイプ全てが同一の連結パイプで連結可能となる。
【００４２】
図２のステップＳ１０３では、胴板係合部６の形状及び配置がパラメータとして入力され、胴板係合部６を含むフィン板２側部の形状が決定される。このとき、部位設定キー３０には「溶接箇所」が表示され、胴板係合部６の幅や上下方向の配置などを入力するためのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、側部整形処理部１７によりフィン板２側部（上流側）の形状が決定され、図面表示部３３に胴板係合部６及びその周辺部が表示される。
【００４３】
図２のステップＳ１０４では、折り曲げ片７の形状及び配置がパラメータとして入力され、折り曲げ片７を含むフィン板２側部の形状が決定される。このとき、部位設定キー３０には「両端の角度」が表示され、折り曲げ片７の幅、角度、上下方向の配置などを入力するためのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、側部整形処理部１７によりフィン板２側部（下流側）の形状が決定され、図面表示部３３に折り曲げ片７及びその周辺部が表示される。
【００４４】
図２のステップＳ１０５では、Ｒ形状からなるフィン板２の上流側凸部の形状及び配置がパラメータとして入力される。また、図２のステップＳ１０６では、フィン板２の上流側凹部の形状及び配置がパラメータとして入力される。これらのステップＳ１０５及びＳ１０６により、上流側整形処理部１５においてフィン板２の上流側端部の形状が決定される。
【００４５】
図６は、フィン板２の上流側凸部の形状及び配置を決定する際の表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「フィン先端Ｒ」が表示され、Ｒ形状からなる上流側凸部の径（半径）Ｒ１、上流側凸部のＹ座標（上下方向の位置）Ｙ１を入力するための２つのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、凸部の形状及び配置が決定され、図面表示部３３に表示される。
【００４６】
上流側凸部は、各下段パイプ３ｄに対応して、下段パイプ３ｄを取り囲むように設けられたＲ形状からなる。その中心は、水平方向が各下段通水パイプ３ｄと同一の位置とされ、上下方向が対応する下段パイプ３ｄの中心位置から上方へ距離Ｙ１の位置とされる。
【００４７】
図７は、フィン板２の上流側凹部の形状及び配置を決定する際の表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「谷」が表示され、Ｒ形状からなる上流側凹部の径（半径）Ｒ２、上流側凹部のＹ座標（上下方向の位置）Ｙ２、シフト幅Ｓ２を入力するための３つのテキストボックスが表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、凹部の形状及び配置が決定され、図面表示部３３に表示される。
【００４８】
上流側凹部は、上流側凸部の間に設けられ、その最深部はＲ形状からなる。Ｒ形状の中心は、水平方向が隣接する下段パイプ３ｄの中央の位置とされ、上下方向が下段パイプ３ｄの中心位置から上方へ距離Ｙ２の位置とされる。
【００４９】
シフト幅Ｓ２は、一部の凹部について上下方向の配置位置を変化させたい場合に指定される。ここでは、シフト幅Ｓ２を指定することにより、両端以外の凹部が両端の凹部よりもＳ２だけ上方に配置される。
【００５０】
この様にして、上流側端部の形状を決定する際、下段パイプ３ｄの位置を基準とすることによって、下段パイプ３ｄの数や配置が変動しても、それに応じて自動的に端部形状を変化させることができる。しかも、端部をなす凹部及び凸部の形状を指定することができ、下段パイプ３ｄからフィン板端部までの距離を指定することができる。
【００５１】
図２のステップＳ１０７では、フィン板２の下流側端部の形状がパラメータとして入力され決定される。図８は、このときの表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「型抜きピッチ」が表示され、型抜き時のピッチＰ、フィン板高さＨを入力するための２つのテキストボックス３１が表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、フィン板２の下流側端部の形状が決定され、図面表示部３３に表示される。なお、図２のステップＳ１００からＳ１０７が全て完了するか、あるいはＳ１００が完了すると、図面表示部３３に胴板１及び排気筒１ａが自動的に表示される。
【００５２】
図９は、金属板からフィン板２を成形する場合の一例を示した図である。１枚の金属板から同一形状を連続して打ち抜くことによって、より多数のフィン板２が得られ、打ち抜き作業も容易となる。フィン板高さＨは、下段パイプ３ｄの上下方向の中心位置を基準とした下流側端部の位置であり、型抜きピッチＰは、金属板におけるフィン板２の繰り返し間隔である。フィン板高さＨ及び型抜きピッチＰを指定することにより、上流側端部の形状に基づいて下流側端部の形状が決定される。
【００５３】
図２のステップＳ１０８では、バーリング５の形状及び配置がパラメータとして入力され決定される。図１０は、このときの表示画面を示した図である。部位設定キー３０には「バーリング」が表示され、バーリング数Ｎｂ、バーリングの直径φｂ、バーリング間隔Ｌｂ、バーリングのＹ座標（上下方向の位置）Ｙｂ、バーリング高さＨｂを入力するための５つのテキストボックス３１が表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、バーリング５の形状及び配置が決定され、図面表示部３３に表示される。
【００５４】
バーリング５の形状は、バーリング径φｂ及びバーリング高さＨｂにより決定される。バーリング高さＨｂとして正の数が入力された場合には、フィン板面からＨｂだけ突出させた煙突状の貫通円筒形となる。バーリング高さＨｂとして負の値が入力された場合には、フィン板面から（−Ｈｂ）だけ突出させた非貫通円筒形（段押し）となる。更に、バーリング高さＨｂとしてゼロが入力された場合には、フィン板上の丸穴となる。
【００５５】
水平方向のバーリングの配置は、通水パイプの場合と同様にして、バーリング数Ｎｂ及びバーリング間隔Ｌｂにより決定される。また、上下方向の配置は、その中心が下段パイプの中心位置から上方へ距離Ｙｂの位置とされる。なお、バーリングは一列に配置されており、通水パイプと同様、複数列のバーリングを設けるようにすることもできる。
【００５６】
この様にして、通水パイプ列ごとにパイプ数Ｎｄ，Ｎｕ、パイプ間隔Ｌｕ，Ｌｄ，Ｌｕｄ等のパラメータを指定することにより、各通水パイプ列の配置を自動的に決定することができる。また、凸部及び凹部のパラメータを指定することにより、下段パイプの配置に基づき上流側端部の形状を自動的に決定することができる。また、型抜きピッチＰ等のパラメータを指定することにより、上流側端部の形状に基づき下流側端部の形状を自動的に決定することができる。さらに、バーリングの数Ｎｂ、バーリング間隔Ｌｂ等のパラメータを指定することにより、バーリングの形状及び配置を自動的に決定することができる。
【００５７】
このため、いずれかのパラメータを変更した場合であっても、当該変更に伴う全ての変更が自動的に行われ、変更後のＣＡＤデータを生成することができる。例えば下段パイプのパイプ数Ｎｄを変更した場合、従来のＣＡＤツールであれば全ての下段パイプを再配置するだけでなく、上段パイプも全て再配置し、上流側端部の形状を変更し、下流側端部の形状を変更する必要があった。これに対し、上記熱交換器モデル生成装置を用いれば、パイプ数Ｎｄのパラメータを変更するだけで、設計変更が完了する。
【００５８】
メッシュジェネレータ部１９は、この様にして生成されたＣＡＤデータからメッシュデータを生成している。メッシュジェネレータ部１９が生成するメッシュデータは、主格子及び補助格子からなる。主格子及び補助格子は、互いに重複部を有して連携する不連続の格子である。
【００５９】
図１１は、メッシュジェネレータ部１９により生成されるメッシュデータの一例を示した図である。図中の（ａ）が主格子Ｍ１、（ｂ）が補助格子Ｍ２である。主格子Ｍ１は、フィン形状とは無関係に規則的に格子が配置される。ここでは、縦横ともに等間隔に分割された正方形の格子からなる主格子Ｍ１が示されている。一方、補助格子Ｍ２は、フィン形状に基づいて配置される。すなわち、フィン板端部、通水パイプ穴の縁、バーリングや折り曲げ片等の折り曲げ線などの数値解析のための境界線から内側（フィン板側）へ設けられている。
【００６０】
補助格子Ｍ２は次のように作成される。まず、各境界線上に所定間隔で格子点が設けられ、当該格子点から境界線に垂直又はできるだけ垂直に近くなるように分割線が描かれる。分割線は所定長さからなり、各分割線上に所定間隔で格子点が設けられ、各格子点を結ぶ分割線が描かれる。この様にして、境界線から所定幅を有する補助格子Ｍ２が生成される。
【００６１】
この様にして、メッシュジェネレータが主格子Ｍ１及び補助格子Ｍ２からなる不連続のメッシュデータを生成すれば、ＣＡＤデータに基づいて補助格子のみを生成すればよく、メッシュデータの生成を高速化することができる。特に、パラメータ変更時には、補助格子のうち設計変更に係る部分についてのみ再生成すればよいため、変更後のメッシュデータが短時間で得られる。
【００６２】
シミュレータ２１は、このメッシュデータを用いて数値解析を行い、フィン板２上での温度分布などを求める。このとき、主格子及び補助格子の重複部において熱量などの受け渡しが行われる。主格子Ｍ１及び補助格子Ｍ２は、互いに一方の境界上の格子点が全て他方の格子点に囲まれるように重複して配置されている。このため、補助格子点を囲む複数の主格子点から補助格子点へ、あるいは、主格子点を囲む複数の補助格子点から主格子点へ数値の受け渡しが行われる。
【００６３】
また、主格子Ｍ１の内部においては、均一な格子で構成されているため、直交変換が容易である。特に主格子Ｍ１として正方形の格子を用いた場合には直交変換を行う必要がなくなる。このため、主格子Ｍ１については差分法による高精度の数値解析をより少ない演算量で実現でき、高速に処理することができる。
【００６４】
本実施の形態による熱解析システムは、ＣＡＤ処理部１０が、パラメータに基づいて熱交換器のＣＡＤモデルを生成しているため、ユーザはパラメータを指定するだけでＣＡＤモデルを生成することができる。メッシュジェネレータ部１９は、このＣＡＤモデルに基づいて補助格子を生成し、主格子及び補助格子からなる不連続のメッシュデータを生成しているため、短時間でメッシュデータを生成することができる。
【００６５】
このため、ＣＡＤ処理部１０により設計し、メッシュジェネレータによりメッシュデータの生成し、シミュレータによりシミュレーションを行うのに要する時間を短縮することができる。さらに、シミュレーションの結果から、設計変更して再度シミュレーションを行う場合に、容易且つ短時間で、設計変更でき、変更後のメッシュデータを生成することができる。すなわち、設計変更して数値解析を繰り返す場合に、短時間で多くの数値解析を行うことができる。
【００６６】
なお、本実施の形態では、図２のステップＳ１００〜Ｓ１０８に基づいてパラメータ指定を行う場合の例について説明したが、パラメータを指定する順序は任意であり、どの設計部位から指定を行ってもよい。また、設計変更時にも、任意のパラメータを変更することができる。
【００６７】
また、本実施の形態では、２列の通水パイプ列を備え、各通水パイプ列が３個の通水パイプで構成される場合の例について説明したが、本発明はこのような場合に限定されない。すなわち、任意のパイプ数からなる任意の通水パイプ列を備えた熱交換器を設計し、モデルを生成することができる。
【００６８】
実施の形態２．
本実施の形態では、図１のＣＡＤ処理部により２系統の通水パイプを備えた１缶２水の熱交換器を設計する際の通水パイプ間の溶接処理について説明する。１缶２水の場合、実施の形態１により、第１の通水系統に属する通水パイプ（第１パイプ）が配置された後に第２の通水系統に属する通水パイプ（第２パイプ）が配置される。
【００６９】
図１２は、第２通水系統に属する通水パイプを配置する場合の一例を示した図である。図中の３は第１通水パイプ、３ｄ（３ｕ）は下段（上段）の第１通水パイプ、３２は第２通水パイプ、３２ｄ（３２ｕ）は下段（上段）の第２通水パイプ、Ｎは溶接部である。部位設定キー３０には「１缶２水設定」が表示され、下段直径φ２ｄ、下段パイプ肉厚ｔ２ｄ、上段直径φ２ｕ、上段パイプ肉厚ｔ２ｕ、溶接幅Ｗｎを入力するための５つのテキストボックス３１が表示される。これらのパラメータを入力してセットボタン３４を押下すると、第２パイプ及び溶接部Ｎの形状及び配置が決定され、図面表示部３３に表示される。
【００７０】
下段の第２パイプ３２ｄの形状は、直径φ２ｄ及びパイプ肉厚ｔ２ｄにより決定され、上段の第２パイプ３２ｕの形状は、直径φ２ｕ及びパイプ肉厚ｔ２ｕにより決定される。また、第２パイプ３２は、第１パイプ３に対応して第１パイプ３の下流側に設けられている。すなわち、第２パイプ３２の水平方向の位置は対応する第１パイプ３と同一とされ、上下方向には第１パイプ３の下流側の所定距離の位置（例えば接する位置）に配置され、第１パイプ３及び第２パイプ３２の接点には幅Ｗｎの溶接部が設けられる。
【００７１】
図１３は、上段及び下段の第１通水パイプ３ｕ，３ｄの間隔を狭めて配置した１缶２水の熱交換器の場合の例を示した図である。下段の第２通水パイプ３２ｄと、上段の第１通水パイプ３ｕが所定距離以下の位置（例えば接する位置）に配置されており、この場合には、これらの通水パイプ間にも幅Ｗｎの溶接部Ｎが自動的に設けられる。
【００７２】
図１４は、メッシュジェネレータ部１９により生成される溶接部の主要部の一例を示した図である。図中のＭｕは第１系統の上段パイプの格子、Ｍｄは第２系統の下段パイプの格子、Ｍｎは溶接部Ｎの格子である。メッシュジェネレータ部１９は、溶接部ＮのメッシュデータＭｎを補助格子として生成する。この補助格子Ｍｎは、通水パイプの補助格子Ｍｕ，Ｍｄとは不連続のメッシュデータであり、主格子又は通水パイプの補助格子との間で数値の受け渡しできるように重複部を有する。
【００７３】
この様にして、ＣＡＤ処理部は、パラメータに基づいて２系統の通水パイプを備えた熱交換器モデルを生成することができる。また、第２通水パイプを第１通水パイプの配置に基づいて配置しているため、第１通水パイプのパラメータ変更を行った場合、第２通水パイプの再配置を自動的に行うことができる。
【００７４】
さらに、溶接幅を指定して系統の異なる通水パイプ間での溶接処理を自動的に行っている。このため、第１系統に属する通水パイプ列のパイプ数や通水パイプ間隔に応じて、溶接処理が自動的に行われ、これらのパラメータ変更による設計変更が容易となる。
【００７５】
【発明の効果】
本発明による熱交換器モデル生成装置を用いれば、通水パイプ列をなす通水パイプの数、通水パイプの距離に基づいて、通水パイプの配置又は配置変更を行うことができる。また、通水パイプが配置又は再配置された熱交換器の数値解析用モデルを生成することができる。このため、設計の変更及び数値解析モデルの生成を容易に、あるいは短時間で行うことができる。
【００７６】
また、本発明による熱交換器モデル生成装置を用いれば、通水パイプの配置変更に基づいて、フィン板形状を自動的に変更することができる。このため、設計の変更及び数値解析モデルの生成を容易に、あるいは短時間で行うことができる。
【００７７】
さらに、本発明による熱交換器モデル生成装置を用いれば、通水パイプ間に溶接部を自動的に配置することができる。このため、設計の変更及び数値解析モデルの生成を容易に、あるいは短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による熱交換器モデル生成装置を含む熱解析システムの一構成例を示したブロック図である。
【図２】ステップＳ１００〜Ｓ１０８は、ＣＡＤ処理部における処理の一例を示したフローチャートである。
【図３】フィン板２の幅Ｗがパラメータとして入力され決定される際の表示画面を示した図である。
【図４】下段パイプ３ｄの形状と配置がパラメータとして入力され決定される際の表示画面を示した図である。
【図５】上段パイプ３ｕの形状と配置がパラメータとして入力され決定される際の表示画面を示した図である。
【図６】フィン板２の上流側凸部の形状及び配置を決定する際の表示画面を示した図である。
【図７】フィン板２の上流側凹部の形状及び配置を決定する際の表示画面を示した図である。
【図８】フィン板２の下流側端部の形状がパラメータとして入力され決定される際の表示画面を示した図である。
【図９】金属板をフィン板２に成形する場合の一例を示した図である。
【図１０】バーリング５の形状及び配置がパラメータとして入力され決定される際の表示画面を示した図である。
【図１１】メッシュジェネレータ部１９により生成されるメッシュデータの一例を示した図である。
【図１２】第２通水系統に属する通水パイプを配置する場合の一例を示した図である。
【図１３】上段及び下段の第１通水パイプ３ｕ，３ｄの間隔を狭めて配置した１缶２水の熱交換器の場合の例を示した図である。
【図１４】メッシュジェネレータ部１９により生成される溶接部のメッシュデータの一例を示した図である。
【図１５】給湯器の要部の一例を示した斜視図である
【図１６】フィン板２及び通水パイプ３の詳細構成の一例を示した斜視図である。
【図１７】従来のメッシュジェネレータによって生成されるメッシュの一例を示した図である。
【符号の説明】
１　胴板　　　　　　　２　フィン板
３　通水パイプ　　　　　　３ｄ　下段パイプ
３ｕ　上段パイプ　　　　　４　連結パイプ
５　バーリング　　　　　　６　胴板係合部
７　折り曲げ片
１０　ＣＡＤ処理部　　　　１１　通水パイプ処理部
１２　バーリング処理部　　１４　フィン板処理部
１５　上流側整形処理部　　１６　下流部整形処理部
１７　側部整形処理部　　　１８　ＣＡＤデータ記憶部
１９　メッシュジェネレータ部
２０　メッシュデータ記憶部
２１　シミュレータ部
３２　第２系統の通水パイプ
３２ｄ　第２系統の下段パイプ
３２ｕ　第２系統の上段パイプ
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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