(57)【要約】【課題】熱交換器の熱交換量を高速で推定することを課題とする。【解決手段】熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定装置であって、前記熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する配管パターン生成部１２０と、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成する熱交換器モデル生成部１３０と、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する熱交換量算出部１５０とを備える。【選択図】      図１
2004252659.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定装置であって、
前記熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する配管パターン生成手段と、
前記配管パターン生成手段によって生成された配管パターンごとに前記熱交換器の熱回路網モデルを生成する熱交換器モデル生成手段と、
前記熱交換器モデル生成手段によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、
を備えたことを特徴とする熱交換量推定装置。
【請求項２】
前記熱交換器モデル生成手段は、前記熱交換器の線形化された熱回路網モデルを生成することを特徴とする請求項１に記載の熱交換量推定装置。
【請求項３】
前記熱交換器モデル生成手段は、前記熱交換器の管内熱抵抗および配管内の流れの熱抵抗を無次元化し、それぞれ配管パス数のＮｒｅ乗および配管パス数として前記熱回路網モデルを生成することを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換量推定装置。
【請求項４】
前記熱交換器モデル生成手段は、配管内の流れが単相流の場合は前記熱交換器の管内熱抵抗が配管パス数の０．８乗である熱回路網モデルを生成することを特徴とする請求項３に記載の熱交換量推定装置。
【請求項５】
前記熱交換量算出手段によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索する配管パターン検索手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の熱交換量推定装置。
【請求項６】
前記配管パターン検索手段は、前記配管パターン生成手段によって生成された熱交換器の組み合わせ可能な配管パターンの数に応じて全ての配管パターンを逐一検索する手法、ランダムに検索する手法、焼きなまし法または遺伝的アルゴリズムを用いて検索することを特徴とする請求項５に記載の熱交換量推定装置。
【請求項７】
熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定方法であって、
前記熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する配管パターン生成工程と、
前記配管パターン生成工程によって生成された配管パターンごとに前記熱交換器の熱回路網モデルを生成する熱交換器モデル生成工程と、
前記熱交換器モデル生成工程によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する熱交換量算出工程と、
前記熱交換量算出工程によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索する配管パターン検索工程と、
を含んだことを特徴とする熱交換量推定方法。
【請求項８】
熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定プログラムであって、
前記熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する配管パターン生成手順と、
前記配管パターン生成手順によって生成された配管パターンごとに前記熱交換器の線形化された熱回路網モデルを生成する熱交換器モデル生成手順と、
前記熱交換器モデル生成手順によって生成された熱交換器の線形化された熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する熱交換量算出手順と、
前記熱交換量算出手順によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索する配管パターン検索手順と、
をコンピュータに実行させることを特徴とする熱交換量推定プログラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定装置、熱交換量推定方法および熱交換量推定プログラムに関し、特に、熱交換器の熱交換量を高速で推定する熱交換量推定装置、熱交換量推定方法および熱交換量推定プログラムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定装置が知られている。例えば、特許文献１では、ユーザがこのような熱交換器の熱回路網モデルを作成する熱流体ＣＡＥシステムに係る従来技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−３１１１６６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、熱交換器は、大型になるほど配管本数が多くなるため、配管の組み合わせの数は、天文学的な数字になる。具体的には、配管本数が４本、６本、９本と増すにつれ、熱交換器の配管の組み合わせの数も、２４通り、７２０通り、３６２，８８０通りと増していく。このため、特許文献１の従来技術では、ユーザが熱交換器の配管の組み合わせごとに熱交換器の熱回路網モデルを作成しなければならないので、熱交換器の熱回路網モデルの作成に時間が掛かり、高速で熱交換器の熱交換量を推定することができないという問題があった。
【０００５】
この発明は、上記に鑑みてなされたもので、熱交換器の熱交換量を高速で推定する熱交換量推定装置、熱交換量推定方法および熱交換量推定プログラムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明に係る熱交換量推定装置は、熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定する熱交換量推定装置であって、前記熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する配管パターン生成手段と、前記配管パターン生成手段によって生成された配管パターンごとに前記熱交換器の熱回路網モデルを生成する熱交換器モデル生成手段と、前記熱交換器モデル生成手段によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する熱交換量算出手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００７】
この発明の熱交換量推定装置によれば、熱交換器の配管の本数に基づいて配管パターンを生成し、配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成することができ、もって熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る熱交換量推定装置、熱交換量推定方法および熱交換量推定プログラムの好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、下記に示す実施の形態１では、熱回路網モデルに基づいて熱交換量が最大となる配管パターンを検索する熱交換量推定装置について説明し、また実施の形態２では、実施の形態１の熱回路網モデルを線形化した場合の熱交換量推定装置について説明することとする。最後に、他の実施の形態として種々の変形例を説明することとする。
【０００９】
実施の形態１．
本実施の形態１では、熱交換量推定装置の概要および主たる特徴を説明した後に、この熱交換量推定装置の構成を説明し、さらに、熱交換量推定装置による各種処理の手順などを説明する。
【００１０】
［概要および主たる特徴］
最初に、本実施の形態１の熱交換量推定装置の概要および主たる特徴を説明する。図１は、本実施の形態１に係る熱交換量推定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【００１１】
同図に示す熱交換量推定装置１００は、概略的には、熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換器の熱交換量を推定するものであり、熱交換器の熱交換量を高速で推定することを特徴とする。具体的には、熱交換量推定装置１００は、熱交換器（図３参照）の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成し（図４参照）、生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成し（図５、図６、式（１）〜式（８）参照）、生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する（式（９）参照）。従って、熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【００１２】
［熱交換量推定装置の構成］
次に、本実施の形態１に係る熱交換量推定装置１００の構成を説明する。図１は、本実施の形態１に係る熱交換量推定装置１００の構成を示す機能ブロック図である。図３は、２列２行格子配列熱交換器の配管パターンの一例を示す図である。図４は、図３に示す２列２行格子配列熱交換器の配管の組み合わせを示す図である。図５は、図３に示す２列２行格子配列熱交換器の熱回路網モデルの一例を示す図である。図６は、３列３行の千鳥格子配列熱交換器の熱回路網モデルの一例を示す図である。
【００１３】
図１に示すように、熱交換量推定装置１００は、入力部１１０と、配管パターン生成部１２０と、熱交換器モデル生成部１３０と、熱流体データ記憶部１４０と、熱交換量算出部１５０と、配管パターン検索部１６０と、出力部１７０と、制御部１８０とからなる。
【００１４】
入力部１１０は、熱交換量推定装置１００が処理手順を開始するときの初期化のデータ、熱回路網モデル作成のために必要なデータ、およびユーザの要求および指示を入力する装置であり、キーボード、タッチペン、マウスなどからなる。
【００１５】
配管パターン生成部１２０は、熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する処理部であり、具体的には、配管の組み合わせに基づいてパス数ごとに配管接続情報を生成する。
【００１６】
以下においては、ｎ列ｍ行格子配列熱交換器を例として配管の組み合わせを説明する。ｎ列ｍ行格子配列熱交換器の配管の場合、配管本数をｋとすると、ｋ＝（ｎ×ｍ）となる。そして、配管の組み合わせの数は順列組み合わせｋＰｋとなる。具体的には、図３に示す２列２行格子配列熱交換器の場合は、ｋ＝４となり、４Ｐ４＝２４通りの組み合わせとなる。図４に示すように、この場合の配管の組み合わせは、図３に示す配管番号に関する４桁の連続番号であり、パス数Ｎｐが１の場合の配管の接続順序を示している。そして、ｋ＝６の場合は、配管の組み合わせは、６Ｐ６＝７２０通り、ｋ＝９の場合は、９Ｐ９＝３６２、８８０通りとなる。
【００１７】
熱交換器モデル生成部１３０は、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成する処理部である。具体的には、熱交換器モデル生成部１３０は、熱交換器の線形化された熱回路網モデルを生成する。つまり、熱交換器の管内熱抵抗および配管内の流れの熱抵抗を無次元化し、それぞれ配管パス数のＮｒｅ乗および配管パス数として熱回路網モデルを生成する。例えば、配管内の流れが単相流の場合は、熱交換器の管内熱抵抗が配管数の０．８乗である。なお、熱交換器の管内熱抵抗および配管内の流れの熱抵抗の無次元化については別途本実施の形態２において詳細に説明する。
【００１８】
ここで上記説明を補足すると、熱回路網モデルとは、熱回路網法と呼ばれる手法に基づく温度および熱交換量を予測する解析モデルである。熱回路網法では、熱交換器とその周囲の外部流体の領域をいくつかの領域に分割し、それらの領域を節点で代表させ、節点間のエネルギーバランスを表す多元連立方程式を解くことによって節点の温度および節点間の熱交換量を求める。
【００１９】
具体的には、図５に示されているように熱交換器のフィンと配管は、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ２つの領域、すなわち領域番号▲１▼から▲４▼までの４つの領域に分割されている。それぞれの領域のフィンと配管の温度Ｔｆ、配管内流体温度Ｔｗおよび外部流体温度Ｔａは、Ｘ方向およびＹ方向の領域番号の添え字を付けることによってそれらの温度が定義されている領域が識別されている。例えば、Ｔｆ１１、Ｔｗ１１およびＴａ１１は、領域番号▲１▼のフィンと配管の温度Ｔｆ、配管内流体温度Ｔｗおよび外部流体温度Ｔａである。
【００２０】
節点間の熱抵抗は、管内熱抵抗Ｒｉ、フィン熱抵抗Ｒｏ、外部流体流れの熱抵抗Ｒａおよび管内流体流れの熱抵抗Ｒｗで表示されている。また、管内流体および外部流体のパスは、破線と矢印で示されている。図５の管内流体は、▲１▼−＞▲２▼−＞▲３▼−＞▲４▼の順に流れている。また、図６の管内流体は、▲１▼−＞▲２▼−＞▲３▼−＞▲６▼−＞▲９▼−＞▲８▼−＞▲５▼−＞▲４▼−＞▲７▼の順に流れている。
【００２１】
図１の説明に戻ると、熱流体データ記憶部１４０は、熱交換器の熱回路網モデルを作成するに必要な熱特性および流体特性に係るデータを記憶するデータベースであり、具体的には、配管やフィンの材料の熱伝導率、管内流体や外部流体の物性値、平板や円管の対流熱伝達率などのデータを記憶している。
【００２２】
熱交換量算出部１５０は、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する処理部である。具体的には、非線形、または線形の多元連立方程式となる熱交換器の熱回路網モデルを掃出し法、ガウスザイデル法または逐次過大緩和法などの数値計算法を用いて温度を算出し、算出した熱交換器のフィンの温度と周囲空気との温度差に基づいて熱交換量を算出する。
【００２３】
配管パターン検索部１６０は、熱交換量算出部１５０によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索する処理部である。具体的には、配管パターン生成部１２０によって生成された熱交換器の配管パターンの数に応じて全ての配管パターンを逐一検索する手法、ランダムに検索する手法、焼きなまし法または遺伝的アルゴリズムを用いて検索する。
【００２４】
出力部１７０は、配管パターン生成部１２０が生成する配管パターン、熱交換器モデル生成部１３０が生成する熱交換器の熱回路網モデル、熱交換量算出部１５０が生成する熱交換量などのデータを出力する装置であり、例えば、ＣＲＴやＬＣＤなどの画像表示装置やプリンタなどの装置である。
【００２５】
制御部１８０は、熱交換量推定装置全体を制御する制御部であり、所定のデータの初期化を実施し、各処理部の間のデータの流れを制御し、ユーザの要求を受け付けて各部に処理手順を指示し、制御する。ここで、所定のデータの初期化とは、ユーザの指示を受けて制御部１８０が所定のデータの初期値を設定する処理をいう。
【００２６】
具体的には、所定のデータは、熱交換器の配管パターン、境界温度および本処理手順の制御パラメータに係るデータに大別できる。熱交換器の配管パターンに係るデータは、配管パス数Ｎｐ、列数ＮＸおよび行数ＮＹである。なお、ＮＸ×ＮＹは、Ｎｐの整数倍であることが必要である。そして、境界温度に係るデータは、配管内流体流入温度Ｔｗｉｎおよび外部流体流入温度Ｔａｉｎである。また、本処理手順の制御パラメータに係るデータは、検討最大回数ＮＭＡＸおよび熱交換量の最大値が更新されなくなってから計算を終了させる迄の回数ＮｕｐＭＡＸである。さらに、本処理手順の制御パラメータに係るデータのうち、熱交換量が更新されなくなってからの回数Ｎｕｐｄａｔｅおよび熱交換量Ｑｍａｘは、ユーザの初期化の指示に応じて制御部１８０が初期値として“０”を設定する。
【００２７】
［熱交換量推定装置の処理手順］
次に、図１に係る熱交換量推定装置の処理手順を示すフローチャートを説明する。図２は、図１に係る熱交換量推定装置の処理手順を示すフローチャートである。
【００２８】
同図に示すように、最初に制御部１８０は、ユーザからの指示を受けて初期化を実施する（ステップＳ２０１）。続いて、配管パターン生成部１２０は、熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成する。（ステップＳ２０２）。
【００２９】
そして、制御部１８０は、熱交換器の配管パターンごとに熱交換量を算出する回数を計数するパラメータｎを“０”に設定し、新たな配管パターについて熱交換量の算出を開始する度にパラメータｎに“１”を加えて熱交換量を算出する回数を計数する（ステップＳ２０２〜ステップＳ２０４）。続いて、配管パラメータ生成部１２０は、配管パターン検索部１６０によって検索された配管の組み合わせに基づいてパス数ごとの配管接続情報を生成する（ステップＳ２０５）。
【００３０】
さらに、熱交換器モデル生成部１３０は、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成する（ステップＳ２０６）。具体的には、熱交換器モデル生成部１３０は、熱交換器の熱回路網を線形化して生成する。
【００３１】
そして、熱交換量算出部１５０は、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出する。具体的には、熱交換量算出部１５０は、線形または非線形の多元連立方程式となる熱交換器の熱回路網モデルを掃出し法、ガウスザイデル法または逐次過大緩和法などの数値計算法を用いて温度を算出し（ステップＳ２０７）、算出された熱交換器のフィンの温度と周囲空気の温度との温度差に基づいて熱交換量を算出する（ステップＳ２０８）。
【００３２】
さらに、制御部１８０は、熱交換量算出部１５０が算出した熱交換量ＱｔｏｔａｌがＱｍａｘより大きいか否かを調べる（ステップＳ２０９）。その結果、熱交換量ＱｔｏｔａｌがＱｍａｘより大きい場合は（ステップＳ２０９肯定）、制御部１８０は、熱交換量Ｑｔｏｔａｌの値をＱｍａｘとして、熱交換量が更新されなくなってからの回数Ｎｕｐｄａｔｅを“０”とし（ステップＳ２１０）、そして、配列Ｎｕｍ（ｋ）ｋ＝１〜ＮＸ×ＮＹに保持された配管の組み合わせをＮｕｍＭＡＸ（ｋ）、ｋ＝１〜ＮＸ×ＮＹに格納する（ステップＳ２１１）。これにより、熱交換量Ｑｔｏｔａｌが最大となった場合の熱交換器の配管の組み合わせがＮｕｍＭＡＸ（ｋ）、ｋ＝１〜ＮＸ×ＮＹに保持される。
【００３３】
これに対して、熱交換量ＱｔｏｔａｌがＱｍａｘ以下の場合は（ステップＳ２０９否定）、制御部１８０は、熱交換量が更新されなくなってからの回数Ｎｕｐｄａｔｅに“１”を加える（ステップＳ２１２）。そして、制御部１８０は、Ｎｕｐｄａｔｅが熱交換量の最大値が更新されなくなってから計算を終了させる迄の回数ＮｕｐＭＡＸより大きいか否かを調べる（ステップＳ２１３）。その結果、ＮｕｐｄａｔｅがＮｕｐＭＡＸより大きい場合は（ステップＳ２１３肯定）、本処理手順を終了する。
【００３４】
これに対して、ＮｕｐｄａｔｅがＮｕｐＭＡＸ以下の場合は（ステップＳ２１３否定）、さらに制御部１８０は、熱交換器の配管パターンごとに熱交換量を算出する回数を計数するパラメータｎが検討回数最大値ＮＭＡＸ未満か否かを調べる。その結果、ｎがＮＭＡＸ未満の場合は（ステップＳ２１４肯定）、ステップＳ２０４に戻り、ステップＳ２０４以降の手順を繰り返し、熱交換器の熱交換量が最大となる配管パターンを検索する。これに対して、ｎがＮＭＡＸより大きい場合は（ステップＳ２１４否定）、本処理手順を終了する。
【００３５】
以上のように、熱交換量推定装置１００は、配管パターン生成部１２０が熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成し、熱交換器モデル生成部１３０は、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成し、熱交換量算出部１５０は、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出することとしたので、熱交換器の配管の本数に基づいて配管パターンを生成し、配管のパターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成することができ、もって、熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【００３６】
また、熱交換量推定装置１００は、配管パターン生成部１２０が熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターン生成し、熱交換器モデル生成部１３０は、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成し、熱交換量算出部１５０は、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出し、配管パターン検索部１６０は、熱交換量算出部１５０によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索することとしたので、熱交換量が最大となる最適な配管パターンが検索でき、もって、最適な熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【００３７】
また、熱交換量推定装置１００は、配管パターン生成部１２０が熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターン生成し、熱交換器モデル生成部１３０は、配管パターン生成部１２０によって生成された配管パターンごとに熱交換器の線形化された熱回路網モデルを生成し、熱交換量算出部１５０は、熱交換器モデル生成部１３０によって生成された熱交換器の線形化された熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出し、配管パターン検索部１６０は、熱交換量算出部１５０によって算出された熱交換量が最大となる配管パターンを検索することとしたので、熱交換量が最大となる配管パターンをより短時間で検索でき、もって、最適な熱交換器の熱交換量をより高速で推定することができる。
【００３８】
［配管パターンの検索手順および配管接続情報の生成手順］
次に、図２のステップＳ２０５に示す配管パターンの検索手順および配管接続情報の生成手順をさらに詳細に説明する。図７は、図２に示す配管パターンの検索手順および配管接続情報の生成手順をさらに詳細に示すフローチャートである。
【００３９】
最初に、配管パターン生成部１２０は、初期化を実施し（ステップＳ３０１）、配管の列数と行数の積ＮＸ×ＮＹから配管数Ｎａｌｌを求める。そして、配管パターン検索部１６０は、配管パターン生成部１２０によって生成された熱交換器の配管パターンの数に応じて全ての配管パターンを逐一検索する手法、ランダムに検索する手法、焼きなまし法または遺伝的アルゴリズムを用いて配管の組み合わせを保持した配列Ｎｎｕｍ（ｋ）、ｋ＝１〜Ｎａｌｌを検索する（ステップＳ３０２）。
【００４０】
さらに、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｋを“０”に設定し（ステップＳ３０３）、新たな配管接続情報を生成する度に整数型変数ｋに“１”を加える（ステップＳ３０４）。続いて、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｎを“０”に設定し（ステップＳ３０５）、新たな配管接続情報を生成する度に整数型変数ｎに“１”を加える（ステップＳ３０６）。
【００４１】
そして、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｋおよびｎから整数型変数ｉｎｄｅｘを求める。さらに、配列Ｎｕｍ（ｉｎｄｅｘ）に保持されている配管のＸ方向およびＹ方向の分割領域の番号ｉｉ、ｊｊを求める（ステップＳ３０７）。
【００４２】
さらに、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｋが“１”であるか否かを調べる（ステップＳ３０８）。整数型変数ｋが“１”ならば（ステップＳ３０８肯定）、整数型変数ｉｕ、ｊｕをともに“０”に設定する（ステップＳ３０９）。一方、整数型変数ｋが“１”でなければ（ステップＳ３０８否定）、整数型変数ｉｕ、ｊｕに一つ前の配管のＸ方向およびＹ方向の分割領域の番号を設定する（ステップＳ３１０）。続いて、配管パターン生成部１２０は、この整数型変数ｉｕ、ｊｕの値をそれぞれ配列ｉｕｐｐｅｒ（ｉｉ，ｊｊ）、ｊｕｐｐｅｒ（ｉｉ，ｊｊ）に保持する（ステップＳ３１１）。
【００４３】
これにより、Ｘ方向およびＹ方向の分割領域の番号ｉｉ，ｊｊによって指定される配管とＸ方向およびＹ方向の分割領域の番号ｉｕ，ｊｕによって指定される上流側の配管との配管接続情報が生成される。なお、上流側のＸ方向およびＹ方向の分割領域の番号ｉｕ、ｊｕが共に“０”である場合は、ｉｉ，ｊｊによって指定される配管が最上流の配管であることを意味する。
【００４４】
そして、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｎがパス数Ｎｐ未満であるか否かを調べる（ステップＳ３１２）。ｎがＮｐ未満である場合は（ステップＳ３１２肯定）、ステップ３０６に戻り、ステップＳ３０６以降の処理を繰り返す。一方、ｎがＮｐ以上である場合は（ステップＳ３１２否定）、さらに、配管パターン生成部１２０は、整数型変数ｋがＮａｌｌ／Ｎｐ未満であるか否かを調べる（ステップＳ３１３）。
【００４５】
そして、整数型変数ｋがＮａｌｌ／Ｎｐ未満である場合は（ステップＳ３１３肯定）、配管パターン生成部１２０は、ステップＳ３０４に戻り、ステップＳ３０４以降の処理を繰り返す。一方、整数型変数ｋがＮａｌｌ／Ｎｐ以上である場合は（ステップＳ３１３肯定）、配管パターン生成部１２０は、本処理手順を終了する。
【００４６】
以上のように、配管パターン検索部１６０は、配管パターン生成部１２０によって生成された熱交換器の配管パターンの数に応じて全ての配管パターンを逐一検索する手法、ランダムに検索する手法、焼きなまし法または遺伝的アルゴリズムを用いて配管の組み合わせを保持した配列Ｎｎｕｍ（ｋ）、ｋ＝１〜Ｎａｌｌを検索し、配管パターン生成部１２０は、配管パターン検索部１６０によって検索された配管の組み合わせを保持した配列Ｎｕｍ（ｋ）、ｋ＝１〜Ｎａｌｌに基づいて配管パス数ごとの配管接続情報を生成することとしたので、配管接続情報ごとに生成された熱回路網モデルに基づいて熱交換量が最大となる最適な配管パターンを検索することができ、もって最適な熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【００４７】
［熱流体回路網モデルおよび熱交換量］
次に、図２のステップ２０６に示す熱交換器モデル生成部１３０が生成する熱回路網モデルおよび熱交換量を説明する。式（１）〜式（８）は、図１に示す熱交換器モデル生成部１３０が生成する熱回路網モデルを表示する式である。式（９）は、図１に示す熱交換器モデル生成部１３０が生成する熱交換量を表示する式である。
【００４８】
【数１】
2004252659.tif 000003
【００４９】
式（１）〜式（８）に示すように、熱交換器モデル生成部１３０は、外部流体温度Ｔａ［Ｋ］、熱交換器のフィン温度Ｔｆ［Ｋ］および管内流体温度Ｔｗ［Ｋ］に関する線形または非線形の多元連立方程式を生成する。また、熱交換器モデル生成部１３０は、熱交換器のフィン温度Ｔｆと外部流体温度Ｔａから熱交換量Ｑｔｏｔａｌ［Ｗ］を求める式（９）を生成する。
【００５０】
具体的には、式（１）〜式（９）の各温度の添え字ｉ，ｊはＸ方向またはＹ方向の分割領域を指定する番号で、添え字ｉは１〜ＮＸ、添え字ｊは１〜ＮＹの値をとる。例えば、Ｔｆｉ，ｊは、添え字ｉ、ｊで指定される分割領域のフィン温度である。同様にＴａｉ，ｊおよびＴｗｉ，ｊは、添え字ｉ、ｊで指定される分割領域の外部流体温度および管内流体温度である。
【００５１】
ＴａｉｎおよびＴｗｉｎは、外部流体流入温度および管内流体流入温度であり、ユーザから境界条件として与えられる。また、Ｒｉ、Ｒｏ、Ｒｘ、Ｒｙ、ＲａおよびＲｗは、それぞれ管内熱抵抗［Ｋ／Ｗ］、フィン熱抵抗［Ｋ／Ｗ］、フィンＸ方向熱抵抗［Ｋ／Ｗ］、フィンＹ方向熱抵抗［Ｋ／Ｗ］、外部流体流れの熱抵抗［Ｋ／Ｗ］および管内流体流れの熱抵抗［Ｋ／Ｗ］であり、熱流体データ記憶部１４０に記憶されている熱特性データ、熱交換器の形状および寸法などから計算されるか、または予め算出され、熱流体データ記憶部１４０に記憶されている。また、Ｆは、フィンの伝導抵抗の境界条件を設定するためのフラグである。
【００５２】
一般的には、熱抵抗Ｒｉ、Ｒｏ、Ｒｘ、Ｒｙ、ＲａおよびＲｗは、温度Ｔの関数であると考えられる。つまり、このような温度に関する非線形の多元連立方程式を解くためには、熱交換量算出部１５０は、最初にある温度を仮定して熱抵抗を求め、熱抵抗を式（１）〜式（８）に代入し、式（１）〜式（８）を掃出し法、ガウスザイデル法または逐次過大緩和法などの数値計算法を用いて温度を算出する。算出された温度は最初に熱抵抗を求めた時の温度とは異なるので、熱交換量算出部１５０は、算出された温度に基づいて再度熱抵抗を求め、式（１）〜式（８）に代入して温度を算出する。熱交換量算出部１５０は、温度が収束するまでこのような計算を繰り返し、正確な温度を算出した後に、式（９）を用いて熱交換量を算出する。
【００５３】
実施の形態２．
ところで、上記実施の形態１で説明した熱交換量推定装置１００は、熱交換器モデル生成部１３０が生成した熱交換器の熱回路網モデルが非線形である場合には、繰り返し計算が必要であった。そこで、本実施の形態２では、線形化した熱交換器の熱回路網モデルを用いて熱交換量を高速で推定する熱交換量推定装置について説明する。
【００５４】
本実施の形態２に係る熱交換量推定装置の構成および各種処理手順は実施の形態１と同様である。そこで、本実施の形態２では、熱交換器モデル生成部１３０が生成する熱交換器の熱回路網モデルおよび熱交換量の数学的表示を中心に説明する。式（１０）〜式（１７）は、本実施の形態２に係る熱交換器モデル生成部が生成する熱回路網モデルを表示する式である。式（１８）は、本実施の形態２に係る熱交換器モデル生成部が生成する熱交換量を表示する式である。
【００５５】
【数２】
2004252659.tif 000004
【００５６】
式（１０）〜式（１７）に示すように、熱交換器モデル生成部１３０は、一般に外部流体温度Ｔａ［Ｋ］、熱交換器のフィン温度Ｔｆ［Ｋ］および管内流体温度Ｔｗ［Ｋ］に関する非線形の多元連立方程式を生成する。また、熱交換器モデル生成部１３０は、熱交換器のフィン温度Ｔｆと外部流体温度Ｔａから熱交換量Ｑｔｏｔａｌ［Ｗ］を求める式（１８）を生成する。
【００５７】
熱交換器モデル生成部１３０は、管内熱抵抗Ｒｉ、管内流体の流れの熱抵抗Ｒｗ、熱抵抗Ｒｏ、Ｒａ、Ｒｘ、Ｒｙを式（１９）〜式（２１）のように置く。そして、式（１）〜式（８）の熱回路網モデルに式（１９）〜式（２１）を代入して、式（１０）〜式（１７）を生成する。
Ｒｉ＝Ｒｉ０×ＮｐＮｒｅ                                          （式１９）
Ｒｗ＝Ｒｉ０×Ｎｐ                          （式２０）
Ｒｏ＝Ｒａ＝Ｒｘ＝Ｒｙ＝Ｒｉ０                            （式２１）
【００５８】
ここで、熱交換器モデル生成部１３０が管内熱抵抗Ｒｉ、管内流体流れの熱抵抗Ｒｗおよび熱抵抗Ｒｏ、Ｒａ、Ｒｘ、Ｒｙを式（１９）〜式（２１）のように置く根拠は次の通りである。
【００５９】
一般に、管内熱抵抗Ｒｉは、Ｒｅ−ａ×Ｐｒ−ｂに比例すると考えられる。ここで、Ｒｅは、管内流体の流れの速度Ｕ［ｃｍ／ｓｅｃ］と管内流体の粘性ν［ｃｍ２／ｓｅｃ］と管の直径Ｄ［ｃｍ］からなる無次元のレイノルズ数、すなわちＵ×Ｄ／νであり、管内の流れの無次元速度である。また、Ｐｒは、管内の流体の温度拡散係数κ［ｃｍ２／ｓｅｃ］と粘性係数ν［ｃｍ２／ｓｅｃ］からなる無次元のプラントル数、すなわちκ／νであり、管内の流れの無次元温度拡散係数である。ａ、ｂは、任意の指数である。
【００６０】
本実施の形態では、熱交換量算出部１５０が、配管パターンごとに熱交換器の熱交換量を算出する場合は、パス数Ｎｐに係らず全ての配管パターンについて流体の総流量が同一であるという条件で熱交換量を算出することとしている。このことは、一パスあたりの流体流量がパス数Ｎｐに逆比例して減少することを意味する。つまり、流体流量は、流速に比例するので、一パスあたりの流体の流速Ｕは、パス数Ｎｐに逆比例して減少する。言い換えると、レイノルズ数Ｒｅは、パス数Ｎｐに逆比例する。
【００６１】
一方、プラントル数Ｐｒは、管内流体の物性であるので、流体の種類および温度が変わらない限り、大きく変わらないと考えられる。従って、配管パターンの相違による管内熱抵抗は、プラントル数よりもむしろレイノルズ数に大きく依存することを考慮して、管内熱抵抗Ｒｉは、式（１９）に示すようにパス数ＮｐのＮｒｅ乗に比例するとした。例えば、管内の流れが単相流の場合の乱流熱伝達の実験式によれば管内熱抵抗は配管のパス数Ｎｐの０．８乗に比例する。
【００６２】
また、管内流体の流れの熱伝達Ｒｗは、速度Ｕの流体とともに熱量を運ぶことによって行われるので、速度Ｕに比例する。つまり、速度Ｕは、パス数Ｎｐに逆比例するので、熱伝達も、パス数Ｎｐに逆比例する。従って、管内流体の熱抵抗Ｒｗは、式（２０）に示すようにパス数Ｎｐに比例する。
【００６３】
また、一般に、フィン熱抵抗Ｒｏ、フィンＸ方向熱抵抗Ｒｘ、フィンＹ方向熱抵抗Ｒｙ、外部流体流れの熱抵抗Ｒａはフィンの熱伝導率、形状および寸法、外部流体の物性値および流れの状態に依存する量である。従って、本実施の形態２における熱交換量推定装置１００では、式（２１）に示すようにＲｏ＝Ｒｘ＝Ｒｙ＝Ｒａ＝Ｒｉｏとなるような特定の材質、形状および寸法の熱交換器が特定の物性値および流れの状態にある外部流体と熱交換を行っている熱回路網モデルを生成している。すなわち、熱交換器の熱交換量を推定するために特定の熱回路網モデルを生成している。
【００６４】
以上のように、管内熱抵抗Ｒｉおよび流れの熱抵抗Ｒｗを無次元化し、それぞれ配管パス数のＮｒｅ乗および配管パス数とすることとしたので、管内熱抵抗および流れの熱抵抗をより短時間で算出でき、もって、熱交換器の熱交換量をより高速で推定することができる。
【００６５】
また、配管内の流れが単相流の場合の乱流熱伝達の実験式に基づき、熱交換器の管内熱抵抗Ｒｉを配管パス数の０．８乗とすることとしたので、管内熱抵抗をより短時間で算出でき、もって、熱交換器の熱交換量をより高速で推定することができる。
【００６６】
また、フィン熱抵抗Ｒｏ、フィンＸ方向熱抵抗Ｒｘ、フィンＹ方向熱抵抗Ｒｙ、外部流体流れの熱抵抗ＲａがＲｉ０に等しくなるような特定の熱回路網モデルを用いることとしたので、熱回路網モデルのフィン熱抵抗、フィンＸ方向熱抵抗、フィンＹ方向熱抵抗、外部流体流れの熱抵抗をより短時間で算出でき、もって、熱交換器の熱交換量をより高速で推定することができる。
【００６７】
さて、これまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態以外にも、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてもよいものである。
【００６８】
例えば、本実施の形態では、フィンに配管が直交するｎ列ｍ行格子配列熱交換器について説明したが、これだけに限定されるものではなく、組み合わせ可能な任意の配管パターンについて適用できる。例えば、配管がフィンと並行に接合されている熱交換器の場合にも適用できる。
【００６９】
また、本実施の形態では、円形断面の配管について説明したが、これだけに限定されるものではなく、任意断面形状の配管についても適用できる。例えば、矩形、三角形の断面形状の配管の場合にも適用できる。
【００７０】
また、本実施の形態では、熱交換器の配管の流れは単相流の場合について説明したが、二相流の場合にも適用できる。例えば、配管の流れがヒートパイプおよびサーモサイフォンの様な流れの場合にも適用できる。
【００７１】
また、本実施の形態において説明した各処理のうち、自動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を手動的におこなうこともでき、あるいは、手動的におこなわれるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的におこなうこともできる。この他、上記文書中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各種のデータやパラメータを含む情報については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。
【００７２】
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置（熱交換量推定装置）の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。さらに、各装置にて行なわれる各処理機能は、その全部または任意の一部が、ＣＰＵおよび当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現され得る。
【００７３】
なお、本実施の形態で説明した熱交換量推定方法は、あらかじめ用意されたプログラムをパーソナル・コンピュータやワークステーションなどのコンピュータで実行することによって実現することができる。このプログラムは、インターネットなどのネットワークを介して配布することができる。また、このプログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤなどのコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の熱交換量推定装置によれば、熱交換器の配管の本数に基づいて組み合わせ可能な配管パターンを生成し、生成された配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成し、生成された熱交換器の熱回路網モデルを用いて配管パターンごとに熱交換量を算出することとしたので、熱交換器の配管の本数に基づいて配管パターンを生成し、配管パターンごとに熱交換器の熱回路網モデルを生成することができ、もって熱交換器の熱交換量を高速で推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態１に係る熱交換量推定装置の構成を示す機能ブロック図である。
【図２】図１に示す熱交換量推定装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図３】２列２行格子配列熱交換器の配管パターンの一例を示す図である。
【図４】図４に示す２列２行格子配列熱交換器の配管の組み合わせを示す図である。
【図５】図４に示す２列２行格子配列熱交換器の熱回路網モデルの一例を示す図である。
【図６】３列３行千鳥格子配列熱交換器の熱回路網モデルの一例を示す図である。
【図７】図２に示す配管パターンの検索手順および配管接続情報の生成手順をさらに詳細に示すフローチャートである。
【符号の説明】
１，２，３，４  ２列２行格子配列熱交換器の配管番号、１００  熱交換量推定装置、１１０  入力部、１２０  配管パターン生成部、１３０  熱交換器モデル生成部、１４０  熱流体データ記憶部、１５０  熱交換量算出部、１６０
配管パターン検索部、１７０  出力部、１８０  制御部。
【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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