(57)【要約】【課題】  氷と外気との間に数値計算用メッシュモデルを用いて外気条件を求めることで、実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れる車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法を実現する。【解決手段】  フロントガラス内側面６ａに沿って温風を吹き出してフロントガラス外表面６ｂに付着した霜または氷７を取り除く車両用デフロスタ装置の除氷性能の予測方法であって、フロントガラス内側面６ａからの伝導により温められるフロントガラス外表面６ｂの外表面温度と、フロントガラス下端から車両前方の上端に向けてフロントガラス外表面６ｂに沿って形成される車外側境界層８の外気温度と、この車外側境界層８の外気と氷７との間の熱伝導率とを求め、これらの外表面温度、外気温度および熱伝導率に基づいて、氷７が単位時間に受熱される熱量を求めることにより除氷性能を予測する。これにより、除氷性能の検証精度の向上が図れる。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロントガラス内側面（６ａ）に沿って温風を吹き出してフロントガラス外表面（６ｂ）に付着した霜または氷（７）を取り除く車両用デフロスタ装置の除氷性能の予測方法であって、
前記フロントガラス内側面（６ａ）からの伝導により温められる前記フロントガラス外表面（６ｂ）の外表面温度と、
フロントガラス下端から車両前方の上端に向けて前記フロントガラス外表面（６ｂ）に沿って形成される車外側境界層（８）の外気温度と、
前記車外側境界層（８）の外気と前記フロントガラス外表面（６ｂ）に付着した氷（７）との間の熱伝導率とを求め、
これらの外表面温度、外気温度および熱伝導率に基づいて、前記フロントガラス外表面（６ｂ）に付着した氷（７）が単位時間に受熱される熱量を求めることにより除氷性能を予測することを特徴とする車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【請求項２】
前記車外側境界層（８）の外気温度は、前記車外側境界層（８）を数値演算用メッシュモデルによるメッシュ各点における時間変化に対する外気温度を求める温度演算手段であることを特徴とする請求項１に記載の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【請求項３】
前記氷（７）が単位時間に受熱される熱量は、氷の温度が０℃以下のときに氷の温度を高める温度上昇と、氷の温度が０℃に達したときに氷から水に融解する融解熱とを合算して求められることを特徴とする請求項１に記載の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【請求項４】
前記熱伝導率は、前記外気温度演算手段により求められた前記車外側境界層（８）の外気温度および前記氷（７）の融解形態に基づいて求められることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【請求項５】
前記フロントガラス外表面（６ｂ）の外表面温度は、前記フロントガラス内側面（６ａ）に沿って形成される車室内側境界層（３）の内気温度と、前記フロントガラス内側面（６ａ）と前記車室内側境界層（３）の内気との間の熱伝導率とに基づいて温められた前記フロントガラス内側面（６ａ）からの熱伝達により求められることを特徴とする請求項１に記載の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【請求項６】
前記車室内側境界層（３）の内気温度は、前記車室内側境界層（３）を数値演算用メッシュモデルによるメッシュ各点における時間変化に対する内気温度を求める温度演算手段であることを特徴とする請求項５に記載の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フロントガラス内側面に沿って温風を吹き出してフロントガラスに付着した霜または氷を取り除く車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法に関するものであり、特に、氷と外気との間に形成される車外境界層と氷が受熱する熱量との熱伝導に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法として、例えば、非特許文献１および非特許文献２に示す予測方法が知られている。非特許文献１では、デフロスタ装置によりフロントガラス内側面に沿って吹き出される温風を数値計算用メッシュモデルによって、車室内およびフロントガラス近傍における車室内空気、フロントガラスの温度および風速分布を求めるとともに、この数値計算用メッシュモデルにより求められたフロントガラス内側面の車室内空気の内気温度や車外の外気温度に基づいて、フロントガラスと氷との熱伝導および氷と外気との間の熱伝達率により氷が単位時間に受熱する熱量を求めるようにしている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
ただし、上記除氷性能の予測方法では、風速（例えば、２．２２ｍ／ｓ）、外気温度（例えば、−２０℃）一定などの外気条件で予測しているため、近年の北米審査基準であるデフロスタ試験規格（ＦＭＶＳＳ１０３では、０．９ｍ／ｓ）よりも、特に風速が大きいため予測したデータで実車状態を検証すると、予測値が実車状態よりも差異が極めて大となって検証精度が劣るという問題がある。
【０００４】
そこで、近年ではデフロスタ試験規格（ＦＭＶＳＳ１０３）による風速条件を用いる予測方法として非特許文献２が知られている。この非特許文献２では、上記、非特許文献１と同様に数値計算用メッシュモデルにより求められたフロントガラス内側面の車室内空気の内気温度や車外の外気温度に基づいて、フロントガラスと氷との熱伝導および氷と外気との間の熱伝達率により氷が単位時間に受熱する熱量を求めるようにして、さらに、風速はデフロスタ試験規格（ＦＭＶＳＳ１０３）、外気温度（例えば、−２０℃）一定、および氷と外気との間の熱伝達率をデフロスタ試験規格に近似させた自然対流と仮定した経験値から引用するようにしている。これにより、非特許文献１よりもデフロスタ試験規格（ＦＭＶＳＳ１０３）による風速条件による実車状態における除氷性能予測方法の検証精度を高めるようにしている（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】Ｒｏｂｅｔ  Ａ．Ｂｒｅｗｓｔｅｒ著、「Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ  Ｄｅ−Ｉｃｉｎｇ  ｗｉｔｈ  Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｔｏ  Ｔｅａｔ  Ｄａｔａ」、  「ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  ９７１８３３」、（米国）、ＳＡＥ
【非特許文献２】Ｂａｓｈａｒ  Ｓ．ＡｂｄｕｌＮｏｕｒ著、「ＣＦＤ  Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ  Ｗｉｎｄｓｈｉｅｌｄ  Ｄｅｆｒｏｓｔ  Ｐａｔｔｅｒｎ」、  「ＳＡＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒ  Ｓｅｒｉｅｓ  １９９９−０１−１２０３」、（米国）、ＳＡＥ、１９９９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記非特許文献２によれば、外気温度（例えば、−２０℃）一定と氷と外気との間の熱伝達率を自然対流と仮定した経験値を用いることで、予測したデータがほぼ実車状態における検証データに近似するようになっているが、予測計算によれば氷の融解のスピードが実車状態よりも遅くなる問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記点を鑑みたものであり、氷と外気との間に数値計算用メッシュモデルを用いて外気条件を求めることで、実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れる車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記、目的を達成するために、請求項１ないし請求項６に記載の技術的手段を採用する。すなわち、請求項１に記載の発明では、フロントガラス内側面（６ａ）に沿って温風を吹き出してフロントガラス外表面（６ｂ）に付着した霜または氷（７）を取り除く車両用デフロスタ装置の除氷性能の予測方法であって、
フロントガラス内側面（６ａ）からの伝導により温められるフロントガラス外表面（６ｂ）の外表面温度と、フロントガラス下端から車両前方の上端に向けてフロントガラス外表面（６ｂ）に沿って形成される車外側境界層（８）の外気温度と、車外側境界層（８）の外気とフロントガラス外表面（６ｂ）に付着した氷（７）との間の熱伝導率とを求め、これらの外表面温度、外気温度および熱伝導率に基づいて、フロントガラス外表面（６ｂ）に付着した氷（７）が単位時間に受熱される熱量を求めることにより除氷性能を予測することを特徴としている。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、氷（７）が単位時間に受熱される熱量は、フロントガラス外表面（６ｂ）と氷（７）との間、および外気と氷（７）との間の熱伝達から求められる。また、氷（７）は、融解形態が融解前と融解中とでは氷の温度が変化するものである。そこで、本発明では、車外側境界層（８）を形成し、その車外側境界層（８）内の外気温度および熱伝導率を求めて氷（７）が単位時間に受熱される熱量を求めることにより、外気温度一定や外気と氷（７）との間の熱伝導率を自然対流と仮定した経験値を用いる従来の予測方法に比較して、氷（７）の融解形態に応じた車外側境界層（８）の外気温度および熱伝導率を求めることで実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れるとともに、氷の融解のスピードが遅くなることはなく実車状態に近似可能となる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、車外側境界層（８）の外気温度は、車外側境界層（８）を数値演算用メッシュモデルによるメッシュ各点における時間変化に対する外気温度を求める温度演算手段であることを特徴としている。請求項２に記載の発明によれば、数値演算用メッシュモデルにより、その各メッシュにおける時間変化に応じた外気温度を精度良く求めることができるとともに、時間変化に応じた熱伝達率も併せて求めることが可能となり、より実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、氷（７）が単位時間に受熱される熱量は、氷の温度が０℃以下のときに氷の温度を高める温度上昇と、氷の温度が０℃に達したときに氷から水に融解する融解熱とを合算して求められることを特徴としている。請求項３に記載の発明によれば、氷の融解形態が氷点（０℃）によって変化しているので時間変化に対して外気温度、熱伝達率をその都度求めることにより氷の融解形態に応じた検証精度の高い予測値を求めることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、熱伝導率は、温度演算手段により求められた車外側境界層（８）の外気温度および氷（７）の融解形態に基づいて求められることを特徴としている。請求項４に記載の発明によれば、氷の融解形態によって氷から車外側境界層（８）の外気に熱伝達される熱量が異なるので、氷の融解形態によって外気温度、熱伝達率をその都度求めることにより検証精度の高い予測値を求めることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、フロントガラス外表面（６ｂ）の外表面温度は、フロントガラス内側面（６ａ）に沿って形成される車室内側境界層（３）の内気温度と、フロントガラス内側面（６ａ）と車室内側境界層（３）の内気との間の熱伝導率とに基づいて温められたフロントガラス内側面（６ａ）からの熱伝達により求められることを特徴としている。請求項５に記載の発明によれば、車室内側境界層（３）の内気温度を精度良く求めることが容易である。これにより、フロントガラス内側面（６ａ）の温度も精度良く求めることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、車室内側境界層（３）の内気温度は、車室内側境界層（３）を数値演算用メッシュモデルによるメッシュ各点における時間変化に対する内気温度を求める温度演算手段であることを特徴としている。請求項６に記載の発明によれば、時間的変化に対するフロントガラス内側面（６ａ）の温度が精度良く求めることができる。これにより、氷へ熱伝達させる熱量が精度良く求めることができる。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の一実施形態による車両用デフロスタ装置の除氷性能の予測方法を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は車両用デフロスタ装置から吹き出される温風の数値計算用メッシュモデルを示す説明図であり、図２はフロントガラス６近傍の構成を示す断面図である。また、図３は本実施形態における除氷性能を示す演算式である。
【００１６】
まず、車両用デフロスタ装置はフロントガラス内側面に沿って温風を吹き出してフロントガラスに付着した霜または氷を取り除く装置である。本実施形態の除氷性能の予測方法は、デフロスタ装置のデフロスタ性能の一部である除氷性能を車両の試作前に数値計算により予め予測し、その良好な除氷性能を実現するためのダクトや吹出ノズルなどの形状、およびヒータなどの熱源装置の設計に利用するものである。
【００１７】
本実施形態では氷を融解する除氷性能を車両のフロントガラス近傍における車室内・外の温度、風速分布に基づいて、氷とフロントガラス、および車室外空気（以下、外気と称す。）と氷との熱伝導により氷が受熱する熱量を数値計算により求めるようにしている。具体的には、車両用デフロスタ装置から吹き出される温風を数値計算用メッシュモデルにより、メッシュ各点における温度、風速を求めて、フロントガラスと氷、および外気と氷との間の伝熱演算処理によって求めるようにしている。
【００１８】
図１に示す数値計算用メッシュモデルは、車両用デフロスタ装置から吹き出される温風の流れをメッシュで示したものであり、１はデフロスタ装置、２はデフロスタダクト、３はフロントガラス内側面６ａ近傍の車室内側境界層、４は車室内、５は排気口近傍における車室内空気（以下、内気と称す。）の温度・風速分布をメッシュにて示している。なお、メッシュ各点では、温度演算手段および風速演算手段により時間変化に対しての温度および風速を計算機で求めるようにしている。また、図２に示すように、車室内側境界層３の外側にフロントガラス６が配設されており、フロントガラス内側面６ａにデフロスタダクト２からの温風が吹き出されるようになっている。
【００１９】
一方、フロントガラス外表面６ｂに付着した氷７の車外側には、フロントガラス６下端から車両前方の上端に向けてフロントガラス外表面６ｂに沿って車外側境界層８を形成している。この車外側境界層８は、フロントガラス６と氷７とを通過した車室内からの熱が熱伝達されているため、車外の外気よりも温度の高い温度層を形成している。従って、この車外側境界層８においても、上述の車室内側境界層３と同じように数値計算用メッシュモデルを用いて、外気の温度および風速分布を求めるようにしている。なお、この車外側境界層８内には、北米審査基準であるデフロスタ試験規格（ＦＭＶＳＳ１０３）による風速０．９ｍ／ｓの微風速の風が矢印の方向に流れている。
【００２０】
以上の構成による車両用デフロスタ装置の除氷性能を予測する方法として、氷７が受熱する熱量をフロントガラス内側面６ａから伝達される熱量から車外側境界層８内の外気に放熱する熱量を差し引くことにより求めるようにしたものである。以下、具体的な算出方法について図３に基づいて説明する。図３に示す（数式１）の演算式は、ｄＱ／ｄｔ＝［λglass／ｌ×（θglass−θice）−αair（θice−θair）］Ａであって、フロントガラス内側面６ａから伝達される熱量［λglass／ｌ×（θglass−θice）］から車外側境界層８内の外気に放熱する熱量［αair（θice＋θair）］を差し引きことで良い。
【００２１】
ここで、αair：熱伝達率［W／（ｍ２ｋ）］、λglass：熱伝導率［W／（ｍｋ）］、θ：各部の温度［℃］、Ａ：面積［ｍ２］であって、熱伝達率αair、フロントガラス外表面温度θglass、氷の温度θice、および車外側境界層８内の外気温度θairを求めることにより、氷７が受熱する熱量を算出できるものである。なお、この熱伝達率αairは、氷７と車外側境界層８との間の熱伝達率であって、数値計算で計算された風速のうち、特に壁面付近の風速を用いて、次の（数式２）により求めることができる。
【００２２】
（数式２）  αair＝Ｃｐρｕτ／σφ，ｔ（ｕ＋＋Ｄ）  
ここで、Ｄ＝9.24［（σφ／σφ,ｔ）３／４−１］×［１＋0.28ｅｘｐ（−0.007σφ／σφ,ｔ）］であり、このＤ：サブ境界層の抵抗係数、Ｃｐ：温度θairでの平均定圧比熱、ρ：密度、ｕτ：（τｗ／ρ）１／２、σφ：プラントル／シュミット数の分子、σφ,ｔ：プラントル／シュミット数の乱流、ｕ＋：（ｕ−ｕｗ）／ｕτ、ｕ：接線方向の流速、ｕｗ：壁面速度、τｗ：壁面せん断応力である。なお、このときの車外側境界層８内の風速は、数値計算用のメッシュ各点において、風速演算手段であるナビエ・ストークス方程式により計算機で解くことにより各点の風速を求めることができる。
【００２３】
また、車外側境界層８内の外気温度θairは、上述した数値計算用のメッシュ各点において、次の（数式３）を離散化した方程式により計算機で解くことにより各点の外気温度θairを求めることができる。つまり、（数式３）は、温度演算手段であり、Ｃｐ∂ρθair／∂ｔ＋Ｃｐ∂ρｕｊθair／∂ｘｊ＝∂ρ／∂ｔ＋ｕｊ×∂ｐ／∂ｘｊ＋τｉｊ×∂ρｕｉ／∂ｘｊであり、ここで、ｕｊ：ｘｊ方向の流体の絶対速度成分、ｐ：圧力、τｉｊ：応力テンソル成分である。
【００２４】
さらに、フロントガラス外表面温度θglassは、車室内側境界層３内の内気温度θairを求め、この内気温度θairとフロントガラス内側面６ａとの熱伝達率αairにより求めるようにしている。ここで、内気温度θairは、上述の（数式３）と同じような温度演算手段により求めても良い。
【００２５】
次に、氷の温度θiceは、氷７の融解形態によって異なるものであり、氷の温度θiceが氷点（０℃）以下のときの融解前には（数式４）により、単位時間に氷の温度上昇θｎ＋１iceを求め、氷が氷点（０℃）を保ちながら氷を融解する融解中には（数式５）により、単位時間に氷を融解するための熱量Ｑｎ＋１iceを求めるようにしている。
【００２６】
（数式４）    θｎ＋１ice＝θｎice＋１／ρＣＶice×ｄＱ／ｄｔ×Δｔ
（数式５）    Ｑｎ＋１ice＝Ｑｎice＋ｄＱ／ｄｔ×Δｔ
ここで、氷を融解するための熱量Ｑｎ＋１iceは、除氷性能の評価を判定する氷融解度ｍであり、この氷融解度ｍが１．０以上となると融解が完了したことになり、次の（数式６）により求めることができる。
【００２７】
（数式６）    ｍ＝Ｑｎ＋１ice／ρＬＶice  ここで、Ｌ：融解熱［Ｊ/ｋｇ］、Ｃ：比熱［Ｊ/（ｋｇ・ｋ）］、Ｖice：氷の体積［ｍ３］である。従って、氷融解度ｍが１．０以上となるまで、以上の数式による数値計算により氷７の受熱する熱量を求めることで除氷性能の予測を行なえる。
【００２８】
次に、以上の数式による除氷性能の予測値を用いて、実車状態と比較した実験の検証結果について図４および図５に基づいて説明する。図４（ａ）および図４（ｂ）は、フロントガラス６の２個所の計測位置における各部の温度と時間との関係を示す特性図である。図中に示す符号□、○、△、◇が数値計算により求めた予測値であり、図中に示す線状の特性が実車状態における各部の温度と時間の推移であり、ほぼ数値計算で求めた予測値どおりの結果を示している。これにより、予測値の精度の向上が図れる。
【００２９】
また、図５は氷融解度ｍと時間との関係を示す特性図であり、実車状態における氷融解度ｍ１．０ラインの除氷範囲を示すもので時間が１０分程度からフロントガラス６全般に渡って除氷範囲が拡大している。
【００３０】
以上の一実施形態の車両用デフロスタ装置における除氷性能の予測方法によれば、フロントガラス外表面６ｂに付着した氷７が受熱される熱量は、フロントガラス外表面６ｂと氷７との間、および外気と氷７との間の熱伝達から求められる。さらに、氷７は、融解形態が融解前と融解中とでは氷の温度θｉｃｅが変化するものである。
【００３１】
そこで、本発明では、車外側境界層８を形成し、その車外側境界層８内の外気温度および熱伝導率を求めて氷７が単位時間に受熱される熱量を求めることにより、外気温度一定や外気と氷７との間の熱伝導率を自然対流と仮定した経験値を用いる従来の予測方法に比較して、氷７の融解形態に応じた車外側境界層８の外気温度および熱伝導率を求めることで実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れるとともに、氷の融解のスピードが遅くなることはなく実車状態に近似可能となる。
【００３２】
また、数値計算用メッシュモデルにより、その各メッシュにおける時間変化に応じた外気温度を精度良く求めることができるとともに、時間変化に応じた熱伝達率も併せて求めることが可能となり、より実車状態における除氷性能の検証精度の向上が図れる。
【００３３】
また、氷の融解形態が氷点（０℃）によって変化しているので時間変化に対して外気温度、熱伝達率をその都度求めることにより氷の融解形態に応じた検証精度の高い予測値を求めることができる。
【００３４】
また、熱伝達率αairは、温度演算手段により求められた車外側境界層８の外気温度および氷７の融解形態に基づいて求められることにより、氷７の融解形態によって氷から車外側境界層８の外気に熱伝達される熱量が異なるので、氷７の融解形態によって外気温度、熱伝達率をその都度求めることにより検証精度の高い予測値を求めることができる。
【００３５】
また、フロントガラス外表面６ｂの外表面温度は、フロントガラス内側面６ａに沿って形成される車室内側境界層３の内気温度と、フロントガラス内側面６ａと車室内側境界層３の内気との間の熱伝導率とに基づいて温められたフロントガラス内側面６ａからの熱伝達により求められることにより、車室内側境界層３の内気温度を精度良く求めることが容易である。これにより、フロントガラス内側面６ａの温度も精度良く求めることができる。
【００３６】
また、車室内側境界層３の内気温度は、車室内側境界層３を数値演算用メッシュモデルによるメッシュ各点における時間変化に対する内気温度を求める温度演算手段であることにより、時間的変化に対するフロントガラス内側面６ａの温度が精度良く求めることができる。これにより、氷へ熱伝達させる熱量が精度良く求めることができる。
【００３７】
（他の実施形態）
以上の一実施形態では、フロントガラス外表面温度θglassを車室内側境界層３内の内気温度θairを求め、この内気温度θairとフロントガラス内側面６ａとの熱伝達率αairにより求めるようにしたが、これに限らず、別の演算式から求めても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施形態における車両用デフロスタ装置から吹き出される温風の数値計算用メッシュモデルを示す説明図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるフロントガラス６近傍の構成を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態における除氷性能を予測するための演算式を示す特性図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、除氷性能の予測値と実験値の各部の温度と時間との関係を示す特性図である。
【図５】図４に示す実験値における除氷範囲と時間との関係を示す特性図である。
【符号の説明】
【００３９】
３…車室内側境界層
６ａ…フロントガラス内側面
６ｂ…フロントガラス外表面
７…氷
８…車外側境界層
【図１】
2005145249.tif 000003
【図２】
2005145249.tif 000004
【図３】
2005145249.tif 000005
【図４】
2005145249.tif 000006
【図５】
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