(57)【要約】【課題】  金型のキャビティ内での化学反応による原材料と生成物との生成・消滅を考慮した、実用的な発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法を提供する。【解決手段】  成形金型のキャビティ内部に注入されたイソシアネートとポリオール成分とから成る反応混合液が化学反応して発泡しながら流動して上記キャビティ内に拡散するときの上記発泡体の流動パターンをシミュレーションする際に、気液各相について質量保存式、運動量保存式、及び、エネルギー保存式を用いて気液各相の圧力、流速、温度を求めるとともに、上記求められた圧力・温度・濃度条件から、化学反応モデルにより原液の消費量、生成物の生成量、化学反応の熱量を求め、更に、移流拡散方程式により、化学物質の移流拡散を計算して気液各相の物質濃度分布を求めるようにした。【選択図】        図１
2005335092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型のキャビティ内部に注入された発泡体が化学反応して発泡しながら流動して上記キャビティ内に拡散する際の、上記流体の流動パターンをシミュレーションする方法であって、上記流体を気相と液相とから成る気液二相流とするとともに、上記気相及び液相の各相についてそれぞれ質量保存式、運動量保存式、及び、エネルギー保存式を設定して上記気液各相の圧力を求め、この得られた圧力から気液各相の流速及び温度を求めて、上記流体の流動パターンをシミュレーションすることを特徴とする発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
【請求項２】
上記流体を、雰囲気ガスと生成ガスとから成る気相と、原材料と固形生成物とから成る固相を粘性の高い液体とみなした液相とから成る気液二相流としたことを特徴とする請求項１に記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
【請求項３】
上記原材料をイソシアネートとポリオール成分とし、上記生成物をウレタンと炭酸ガスとしたことを特徴とする請求項２に記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
【請求項４】
原材料と生成物との生成量・消滅量、及び化学反応熱量を、投入された原材料から固形生成物を生成する化学反応モデルを用いて算出することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
【請求項５】
上記化学反応モデルとして、原材料をイソシアネートとポリオール成分中の水とし、固形生成物をウレタン、生成ガスを炭酸ガスとした以下の化学反応モデルを用いたことを特徴とする請求項４に記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
３ＲＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＲＮＨ・ＣＯ・ＲＮ・ＣＯＮＨ・Ｒ＋ＣＯ2
Ｒ；炭化水素基
【請求項６】
上記気相と液相との濃度分布を、移流拡散方程式を用いて算出するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法を用いて得られた金型条件及び金型への原料注入条件に基づいて発泡体を発泡・成形するようにしたことを特徴とする発泡体の製造方法。
【請求項８】
請求項７に記載の発泡体の製造方法を用いて発泡・成形して成ることを特徴とする発泡体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金型のキャビティ内部に注入された発泡体が化学反応して発泡しながら流動して上記キャビティ内に拡散する際の上記発泡体の流動パターンをシミュレーションする方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車用のシートパッド等のクッションパッドや自動車用内装品、あるいは、冷蔵庫などに用いられるポリウレタン発泡断熱材などは、例えば、イソシアネートと水のような、原材料を成形金型のキャビティ等の発泡体を充填部に流し込んで発泡・成形して形成される。このようなポリウレタン発泡材の成形においては、注入されるウレタン材料の量や注入箇所を適切に設定するとともに、製品全体で発泡が均一になるように成形条件を設定する必要がある。
そこで、上記キャビティ内の発泡過程を把握するため、成形金型のキャビティ内の固体を粘性を有する流体とみなし、上記キャビティ内部の発泡体の各時刻毎の発泡状態（流動パターン）をシミュレーションする方法が提案されている。具体的には、成形金型のキャビティを３次元ソリッド要素で分割処理するとともに、発泡による密度が所定時間後には経過時間の二乗に比例して増加すると仮定し、上記流体の各時間毎の粘度及び密度を質量保存式（連続の式）及び運動方程式に代入して上記流体の流速と圧力を求め、この流速と圧力からエネルギー保存則を用いて上記流体の温度を算出して上記流体の各時間毎の流動パターンをシミュレーションする３次元ソリッド法（例えば、特許文献１参照）や、上記発泡体が化学反応により発泡膨張することに注目し、発泡膨張率αを仮定し、流体の密度ρの変化がρ＝ρ0(１＋αｔ)と表わせるとして有限要素法による連続の式を解き、上記流体の各時間毎の流動パターンをシミュレーションする、コントロールボリューム法（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。
【特許文献１】特開２００１−３１８９０９号公報
【特許文献２】特開２００２−３３７１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記従来のシミュレーション方法では、液相部分の密度を時間のみの関数として取扱っているため、キャビティ形状や温度といった条件が変わる度に密度の時間依存関数を実測のデータに基づいて準備する必要がある。このため、汎用性に乏しく、適用に限界があった。また、液相の密度変化のみに着目して方程式を組み立てているため、型内での発泡現象における生成物以外の領域である、発泡に伴う気相の圧力上昇を捉えることができないといった問題点があった。すなわち、上記従来のシミュレーション方法では、投入された原材料と上記化学反応で生成された生成物との生成・消滅による発泡体の密度変化などの急激な物性変化や反応熱による急速な温度変化などの現象については考慮されていないので、キャビティ内での液のぶつかりや、化学反応に伴って発生する生成ガスによるエアだまりの予測等ができず、このため、実際の金型内の流体の運動を正確にシミュレーションすることが困難であった。
【０００４】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、キャビティ内での化学反応による原材料と生成物との生成・消滅を考慮した、実用的な発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法及びこのシミュレーション方法を用いた発泡体の製造方法と発泡体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、金型内における気相と液相の各相についてそれぞれ質量保存式（連続の式）、運動量保存式、及び、エネルギー保存式を設定するとともに、原材料と生成物との生成量・消滅量、及び化学反応熱量を、金型内での圧力・温度・濃度条件から化学反応モデルに基づき計算することにより、金型内の流体の運動を正確にシミュレーションすることができることを見いだし、本発明に到ったものである。
すなわち、本発明の請求項１に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、金型のキャビティ内部に投入された原材料と化学反応で生成された生成物の気相及び液相の各相についてそれぞれ質量保存式、運動量保存式、及び、エネルギー保存式を設定し、上記キャビティ内の気液各相の圧力、流速、及び、温度を求めて、金型内の流体の流動パターンをシミュレーションするようにしたことを特徴とする。
【０００６】
請求項２に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、上記流体を、雰囲気ガスと生成ガスから成る気相と、及び、原材料と固形生成物とから成る固相を粘性の高い液体とみなした液相とから成る気液二相流としたことを特徴とする。
請求項３に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、上記原材料をイソシアネートとポリオール成分とし、上記生成物をウレタンと炭酸ガスとしたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項４に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、原材料と生成物との生成量・消滅量、及び化学反応熱量を、投入された原材料から固形生成物を生成する化学反応モデルを用いて算出するようにしたことを特徴とする。
請求項５に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、上記化学反応モデルとして、原材料をイソシアネートとポリオール成分中の水、固形生成物をウレタン、生成ガスを炭酸ガスとした以下の化学反応モデルを用いたことを特徴とする。
３ＲＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＲＮＨ・ＣＯ・ＲＮ・ＣＯＮＨ・Ｒ＋ＣＯ2
Ｒ；炭化水素基
請求項６に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法は、上記気相と液相との濃度分布を移流拡散方程式を用いて算出するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項７に発泡体の製造方法は、請求項１〜請求項６のいずれかに記載の発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法を用いて得られた金型条件及び金型への原料注入条件に基づいて発泡体を発泡・成形するようにしたことを特徴とする。
また、請求項８に発泡体は、請求項７に記載の発泡体の製造方法を用いて発泡・成形して成ることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、金型のキャビティ内部に投入された原材料と化学反応で生成された生成物の気相及び液相の各相についてそれぞれ質量保存式、運動量保存式、及び、エネルギー保存式を設定し、上記キャビティ内の気液各相の圧力、流速、及び、温度を求めて、金型内の流体の流動パターンをシミュレーションするようにしたので、実際の金型内の流体の運動を正確に把握することができる。したがって、型内に注入される発泡材料の量や注入箇所などの成形条件を適切に設定することができる。
また、上記発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法を用いて得られた金型条件及び金型への原料注入条件に基づいて発泡体を発泡・成形することにより、製品全体が均一に発泡した発泡体を精度よく製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の最良の形態について、図１のフローチャートを参照して説明する。
なお、本例では、図２（ａ）に示すような、上型１１と下型１２とから成る成形金型１０のキャビティ１３内にインサート部材１４を配設し、上記上型１１を開いて、原材料であるイソシアネートとポリオール成分とから成る反応混合液を注入した後上記上型１１を閉じ、上記成形金型１０の温度を所定の温度に保持しながら、反応混合液を反応させてウレタンを生成し、上記キャビティ１３の形状のポリウレタン発泡断熱材を発泡成形する際の、上記キャビティ１３内への物質の充填状態、すなわち、流動パターンをシミュレーションする。
はじめに、シミュレーションに先立ち、マンマシンインターフェイスプログラム（入力モジュール）を用いて、上記成形金型１０のＣＡＤデータと、物質名や初期条件、境界条件などの解析条件を指定してこれをファイルに保存する（ステップＳ１）。そして、シミュレーションでは、独立した解析モジュールにより、以下に示すステップＳ２〜ステップＳ１５までの処理を順次行う。
まず、上記ステップＳ１で作成した入力データファイル、及び、物性データを入力し（ステップＳ２）、上記入力データの指定にしたがって解析に必要な内部変数を設定する前処理を行う（ステップＳ３）。具体的には、図２（ｂ）に示すように、上記入力データファイルに保存された成形金型１０のＣＡＤデータに基づいて、解析する領域を多数の差分格子に分割して格子データを作成したり、変数の割り当てや、変数の初期値の設定、及び、各変数及び定数のインデックスの作成等を行う。なお、上記図２（ｂ）では図を簡明化するため矩形格子としたが、実際には六面体格子を用いるのが一般的である。
そして、計算の始めに上記ステップＳ１で指定された初期条件（圧力、温度、気液体積比、各成分濃度）を設定し（ステップＳ４）、下記の式（１），（２）に示す各時刻における気液各相の質量保存式、式（３），（４）に示す運動量保存式、式（５），（６）に示すエネルギー保存式を用いて計算する過渡計算に入る。
【００１１】
【数１】
2005335092.tif 000003
ここで、ｖ＝（ｕ，ｖ，ｗ）は流速、ρは密度、添字ｌは液相を、添字ｇは気相を表わす。また、γvは計算セル有効体積率、αlは液相体積分率、αgは気相体積分率（ボイド率）であり、Γlは液相消滅率、Γgは気相生成率である。
【００１２】
【数２】
2005335092.tif 000004
ここで、ｘ1＝ｘ，ｘ2＝ｙ，ｘ3＝ｚ、ｖ1＝ｕ，ｖ2＝ｖ，ｖ3＝ｗ、添字ｌは液相を、添字ｇは気相を表わす。また、ｐは圧力、ｇ1＝ｇx，ｇ2＝ｇy，ｇ3＝ｇzはｘ，ｙ，ｚ方向の重力、（τ）l,ij，（τ）l,ijは液相及び気相の剪断応力の各テンソル成分（1,2,3＝ｘ，ｙ，ｚ）、Ｋlｗ，Ｋgｗはそれぞれ液相及び気相の界面壁面摩擦係数である。また、Ｈ（ｘ）はＨ（ｘ）＝０（ｘ＜０）、Ｈ（ｘ）＝１（ｘ≧０）なる関数である。
【００１３】
【数３】
2005335092.tif 000005
ここで、ｅは内部エネルギー、λは熱伝導度、Ｔは温度、Ｑは発熱量で、添字ｌは液相を、添字ｇは気相を表わし、添字ｗは壁、添字ｓは飽和を表わす。また、ｈは界面熱伝達係数、ａは界面面積、ｉl，ｉgはそれぞれ液相及び気相のエンタルピーである。
なお、上記式（１）〜（６）では直交座標系を用いた場合の式を示したが、座標系としては円筒座標系などの他の座標系を用いてもよい。
【００１４】
過渡計算の各時間ステップの始めには、計算の収束度合に基づいて時間刻み幅を設定して時刻を更新する（ステップＳ５）。そして、当該時刻に指定された原液注入位置や注入量などの境界条件を設定して（ステップＳ６）、上記運動量保存式に基づいてその速度（流速）を圧力の関数で表わし（ステップＳ７）、上記エネルギー保存式中で陽的に扱う対流項と熱伝導項とを計算する（ステップＳ８）。なお、質量保存式（連続の式）の相変化速度の項、エネルギー保存式の相界面熱伝達の項は陰的に扱う。
次に、粘性係数の相関式，比熱の相関式，界面壁面摩擦係数の相関式，気液界面熱伝達係数の相関式などの相関式を用いて各物性値、気液界面摩擦係数、気液界面熱伝達係数を計算し（ステップＳ９）、更に、質量保存式とエネルギー保存式に基づいて気液体積率と温度とを圧力の関数で表わし、全ての差分格子における圧力を未知変数とした連立方程式を組み立てて、これを行列解法ルーチンによって解き（ステップＳ１０）、上記ステップＳ７で作成した速度の関数及び上記ステップＳ１０で作成した気液体積率と温度の関数に得られた圧力を代入して、各差分格子間の流速と、各差分格子の温度及び気液体積率をそれぞれ計算する（ステップＳ１１）。
【００１５】
そして、得られた圧力・温度・濃度条件から化学反応モデルに基づき反応量を計算し、原液の消費量、生成物の生成量、化学反応熱量を求め（ステップＳ１２）、得られた質量変化率と流体の流速により化学物質の移流拡散を計算し、各差分格子の濃度を更新する（ステップＳ１３）。具体的には、上記化学反応モデルとして、原材料をイソシアネートとポリオール成分の水、固形生成物をウレタン、生成ガスを炭酸ガスとした以下の式(７)で示す化学反応モデルにより、化学反応に伴う原材料の消滅量と生成物の生成量、及び、反応熱を計算するとともに、以下の式（８）に示す移流拡散方程式を用いて、化学物質の移流拡散を計算する。
〔化１〕
３ＲＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＲＮＨ・ＣＯ・ＲＮ・ＣＯＮＨ・Ｒ＋ＣＯ2‥‥（７）
Ｒ；炭化水素基
【数４】
2005335092.tif 000006
ここで、ρは液体密度、ｃは化学反応物質の濃度、ｖは流速、Ｄは拡散係数、ｗは化学反応による生成消滅速度である。なお、ｋは化学物質のインデックスを示す。
【００１６】
最後に得られた結果を指定された出力間隔でリスト、グラフィック、リスタート、時系列の各ファイルとして出力する（ステップＳ１４）。上記グラフィックファイルはシミュレーション終了後、ポスト処理した結果の図示に用いる。
以上のステップＳ５〜ステップＳ１４までが各時間ステップ毎の計算処理であり、解析状の時刻が指定時間に達するまで上記処理を繰り返す（ステップＳ１５）。
最後に、別の独立したプログラムである出力モジュールを用いて結果を図示し、発泡形状、濃度分布、圧力、温度を表示する（ステップＳ１６）。
【００１７】
従来の方法では、発泡による流体の密度を仮定して液相部分についてのみ計算を行っていたがっていたが、本例では、ステップＳ７〜ステップＳ１０において、気液各相の基礎方程式（質量保存式、運動量保存式、エネルギー保存式）を用いて、密度を温度と濃度の関数として定義するとともに、型内の発泡現象における生成物以外の領域（気相）による圧力上昇を考慮に入れたシミュレーションを行っているので、気液各相の圧力、流速、温度を精度よく求めることができる。
また、ステップＳ１２において、圧力・温度・濃度条件から、化学反応モデルにより反応量を計算し、原液の消費量、生成物の生成量、化学反応の熱量を求めるとともに、移流拡散方程式により、化学物質の移流拡散を計算して気液各相の物質濃度分布を求めるようにしているので、発泡体の流動パターンを正確にシミュレーションすることができる。
【００１８】
このように、本最良の形態では、成形金型１０のキャビティ１３内部に注入されたイソシアネートとポリオール成分とから成る反応混合液が化学反応して発泡しながら流動して上記キャビティ１３内に拡散するときの上記発泡体の流動パターンをシミュレーションする際に、気液各相について基礎方程式（質量保存式、運動量保存式、エネルギー保存式）を用いてシミュレーションすることにより、型内の気相による圧力上昇を考慮に入れた発泡体の流動パターンを得ることができるようにしたので、気液各相の圧力、流速、温度を精度よく求めることができる。また、上記求められた圧力・温度・濃度条件から、化学反応モデルにより原液の消費量、生成物の生成量、化学反応の熱量を求めるとともに、移流拡散方程式により、化学物質の移流拡散を計算して気液各相の濃度分布を求めるようにしているので、発泡体の流動パターンを正確にシミュレーションすることができる。
したがって、キャビティ内での液のぶつかりや、化学反応に伴って発生する生成ガスによるエアだまりの予測等が可能となるので、より実用的な流動パターンのシミュレーションを行うことができる。
【００１９】
なお、上記最良の形態では、原材料をイソシアネートとポリオール中の水、固形生成物をウレタン、生成ガスを炭酸ガスとした場合の化学反応モデルを用いたが、本発明はこれに限るものではなく、他の発泡体についても、当該発泡体の化学反応モデルを設定することにより、上記発泡体の型内流動パターンのシミュレーションを精度よく行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
以上説明してきたように、本発明によれば、金型内の流体の運動を正確にシミュレーションできるので、製品形状や型傾斜、注入条件、エア抜きの位置や大きさといった金型条件に関する最適な設計を試作前に行うことが可能となり、試作の効率化が飛躍的に向上する。したがって、例えば、自動車用のシートパッド等のクッションパッドや自動車用内装品、あるいは、冷蔵庫などに用いられるポリウレタン発泡断熱材などの発泡製品を精度よく作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の最良の形態に係る発泡体の型内流動パターンのシミュレーション方法を示すフローチャートである。
【図２】本最良の形態に係るウレタンフォームの成形金型の概要と、キャビティの解析モデルを示す図である。
【符号の説明】
【００２２】
１０  成形金型
１１  上型
１２  下型
１３  キャビティ
１４  インサート部材
【図１】
2005335092.tif 000007
【図２】
2005335092.tif 000008