(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体表面の曇り状態を多数の半球状液滴の集合としてモデル化して物体表面を含む空間内の数値流体計算を行う物体表面の曇り晴れパターン予測方法であって、
前記空間内の気流の熱・流れ場および湿度分布を、前記液滴表面と前記気流の熱授受と、前記液滴と前記物体の熱授受と、前記物体と前記気流の熱授受とを考慮して計算するステップと、
前記空間内の熱・流れ場および湿度分布の計算結果を用いて、液滴が蒸発過程にあるか、凝縮過程にあるかを判断するステップと、
前記蒸発過程の場合、前記液滴表面と前記気流の熱授受と、前記液滴と前記物体の熱授受と、前記物体と前記気流の熱授受とを考慮して、前記液滴の蒸発量を算出して液滴半径変化を求めるステップと、
前記凝縮過程の場合、前記液滴表面と前記気流の熱授受と、前記液滴と前記物体の熱授受と、前記物体と前記気流の熱授受とを考慮して、前記液滴の凝縮量を算出して液滴半径変化を求めるステップと、
直前の液滴半径に前記液滴半径変化を加えて、現在の液滴半径を求めるステップと、
前記現在の液滴半径が所定の液滴半径より小さくなったときに晴れと判断するステップと、を有する物体表面の曇り晴れパターン予測方法。
【請求項２】
前記物体は窓ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の曇り晴れパターン予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ある環境下におかれた物体表面が水蒸気等による曇り晴れパターンの時間変化を予測する方法に関し、例えば自動車のウインドガラス（以下、「ウインド」という。）内側に発生する曇りを晴らすためにデフロスタを作動したときの曇り晴れパターンの時間変化を予測する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の数値計算による自動車のウインド内側の晴れパターン予測手法は、３次元の車室内空間形状モデルを用いてウインド近傍の風速分布あるいはウインド表面の温度分布をもとに、晴れパターンを予測していた。
【０００３】
しかし、（１）ウインド表面の曇り晴れ現象は風速分布や温度分布それぞれ単独で生じるものでははなく、またウインドと車室内の空間との熱量の授受によっても生じていることから、晴れパターンの時間変化を予測できない等の課題があった。
【０００４】
これに対して、図７（ａ）に示すように、ウインド７１と車室内側の空気との間に液膜７２を仮定して計算する液膜モデルが開発されている。これは、液膜７２により曇りの状態を表わすもので、車室内気流を考慮してウインド７１と液膜７２との熱授受を計算し、液膜７２内の液の蒸発を求め、液膜７２の厚さの変化に換算して曇り晴れの予測するもので、曇り晴れパターンの時間変化を予測することが可能である。
【０００５】
しかし、この手法では、曇りをウインド７１表面を覆う液膜７２として扱っているため、以下のような課題がある。
（１）液の体積変化に対する液とウインド、液と車室内空気との表面積の比率は、液膜の厚さが変化しても、常に一定である。
（２）ウインド全面を覆う液膜により、車室内空気とウインドとの直接の熱授受は計算できない。
（３）曇りにより水滴となった表面とその近傍の車室内気流との熱伝達は、曇りを液膜と扱う場合とは異なる。
【０００６】
これらの理由により、液膜モデルによっては、曇り晴れパターンを正確に予測することは困難であった。
図７（ｂ）に液膜モデルのシュミレーション検証結果の１例を示す。ウインド７１上に実線で囲んだ領域が計算結果であり、破線で囲んだ領域が実験結果である。ウインド中央から全面にかけて晴れてゆくことが分かる。２分後、３分後では、はほぼ計算結果と実験結果は一致しているが、晴れパターン初期（１分後）において予測精度が低下している。（液膜モデルについては、ハッサン他「実験データと比較するウインドシールドデフォッギングシミュレーション（Hassan, M.B., et al. "Windshield Defogging Simulation with Comparison to Test Date")」（ＳＡＥ資料、１９９９−０１−１２０２（１９９９）参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、物体表面の曇り晴れパターン、特に自動車のウインドの曇り晴れパターンを、パターン初期から後期まで全領域で精度良く予測することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、物体表面の曇り状態を観察した結果、物体表面の曇りは小さな液滴状態の集合とみなせることを見出し、曇り状態を半球型の液滴形状モデルとして表現したもので、物体と液滴と空間内の気流との熱授受を計算して液滴の凝縮蒸発過程を求め、液滴半径の変化により物体の曇り晴れパターンを予測することにより、曇り晴れパターンを予測するに際して、実際の結果とよい一致を示す数値流体計算を行うことができ、晴れパターン初期から後期までの全領域に亘って精度良く予測することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
自動車のウインドの曇り晴れパターンの予測に適用した本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
図１には、本発明の液滴モデルとその熱授受の概要を示す。図１（ｂ）は、ウインド１上に液滴２がびっしり並んでいる曇り状態の液滴モデルであって、この状態が曇りの初期状態のモデルである。実際、曇っているウインド面をマイクロスコープカメラで撮影すると、水滴が集合していることが分かる。本発明は、曇り表面が液滴の集合からなるという知見をもとに液滴モデルを構成したものである。
【００１０】
図１（ａ）には、液滴モデルの液滴断面の１つを示す。
ウインド１の車室内空間３に向いた面に液滴２が生じている。ウインド１の厚さはｌで、液滴２は半径ｒの半球である。両矢印４は、液滴２と車室内空間３との熱授受ないし蒸発凝縮を示し、両矢印５は、ウインド１と液滴２との熱伝導による熱授受を示す。両矢印６は、ウインド１と車室内空間３との熱授受を示す。両矢印７は、ウインド２と車室外空間との熱授受を示す。
【００１１】
このように本発明では、曇り状態を液滴の集合として捉え、初期曇り状態の時に、ウインド表面に半球型の液滴が互いにほぼ接して集合していると仮定する。液滴の表面とウインド表面とが交わる角度は９０°である。図１に示すように、初期状態のモデルにおいても、ウインド平面に液滴の底面である円が並ぶことになるので、従来の液膜モデルとは異なり、ウインド１と車室内空間３が直接接触する部分が存在する。
【００１２】
図２は、このような本発明の液滴モデルと従来の液膜モデルとの相違をまとめたものである。
【００１３】
本発明の液滴モデルと従来の液膜モデルとの相違は次のとおりである。
（１）本発明では、車室内空間とウインドのガラス面との熱授受をも考慮することができるが、従来の液膜モデルでは、ウインドと室内空間との直接の熱授受を考慮することはできなかった。
【００１４】
（２）本発明の液滴モデルでは液滴の体積が変化することにより表面積も変化し、車室内の空気との伝熱面積が変化して、熱授受の量に変化がおきるが、従来のものでは、液の体積変化があっても液膜の表面積は一定で、したがって空気との伝熱面積も変化しない。
【００１５】
（３）本発明では、実際の曇り状態の液滴の熱伝達を表現できるのに対して、従来の液膜では液滴の熱伝達を表現できない。
この結果、本発明の液滴モデルは、ウインドの曇り晴れパターンを、晴れパターン初期から後期まで全範囲に亘って精度良く予測することができる。
【００１６】
ここで、本発明の液滴モデルの基礎式について説明する。
図１に示す液滴モデルを参照して、液滴に単位時間に加わる熱量Ｑｄは、室内空間からの熱移動と、ウインドガラスからの熱伝達を考慮して、次の式のように表現される。
【００１７】
【数１】
0003873766.tif 000002
ここで、Ｔｄは液滴温度、Ｔａはガラス表面近傍の室内温度、Ｔｇはガラス温度であり、ｒは液滴半径、ｈは熱伝達係数、λは熱伝導率、ｌはガラス板厚である。
【００１８】
また、液滴表面から室内への水蒸気の物質移動ｍは、次のように与えられる。
【数２】
0003873766.tif 000003
ここで、ｈＤは物質移動係数、Ｐｄは液滴表面における飽和水蒸気圧、Ｐａは室内温度Ｔａにおける飽和水蒸気圧、Φは相対湿度、Ｍは液滴の分子数、Ｒ０は一般気体定数である。
【００１９】
液滴表面からの蒸発は熱移動に類推できるとすると、上記物質移動の式（２）は、液滴表面の蒸発潜熱Ｑｌについての次の式に変換できる。
【数３】
0003873766.tif 000004
ここで、ｈは熱伝達係数であり、係数κは熱伝達係数と蒸発率との比である。
【００２０】
曇りから晴れへの変化は、液滴の蒸発過程における変化であり、蒸発によって液滴が所定の値より小さくなれば、晴れとみなしてよい。上記ｍやＱｌの式にみられるように、液滴表面における飽和水蒸気圧Ｐｄと室内温度Ｔａにおける飽和水蒸気圧Ｐａとの差（Ｐｄ−ΦＰａ）の値が正であると、蒸発過程にあり、逆に負になると凝縮過程であると考えられる。
【００２１】
すなわち、上記Ｑｌが正の値をとるときには、蒸発が起きており、液滴半径は縮小する。その縮小速度は、次の式で表わされる。
【数４】
0003873766.tif 000005
ρは、液滴の密度、Ｌは液滴の潜熱である。
【００２２】
さらに、蒸発ではなく、液滴表面で凝縮が起こる場合がある。これについては、液滴半径の時間的変化は、次の式で得られる。
【数５】
0003873766.tif 000006
λｄは熱伝導率であり、Ｔｓａｔは室内の飽和温度である。
【００２３】
このように、液滴と室内の飽和蒸気圧の差により、液滴が蒸発過程にあるか、凝縮過程にあるかがわかり、各々の過程において蒸発量及び凝縮量が分かるから、液滴半径の変化を知ることができる。その結果現在の液滴半径が求められ、曇り又は晴れの判断が可能となる。
【００２４】
図３に、本発明の装置構成の一例を示す。入力装置２１は、キーボード、マウス等からなり、曇り晴れパターンの計算のための初期条件、境界条件等のデータを入力する。記憶装置２２は、半導体メモリ、磁気記憶装置等からなり、計算を実行するためのプログラム及び計算式等を格納し、また入力装置２１から入力されたデータを記憶し、さらに計算結果等も記憶する。演算装置２４は、制御装置２３による制御に従って、記憶装置２２に記憶されたプログラム、計算式及びデータ等を用いて曇り晴れパターンを予想するための数値流体計算を実行する。出力装置２５は、表示装置やプリンター等であって、計算結果を表示ないし印刷する。
【００２５】
図４に、曇り晴れパターンの予測計算のフローチャートを示す。
曇りの初期状態では、ウインド表面に半球型の液滴が集合していると仮定し（図１参照）、実験の結果から得た初期状態の液滴半径を液滴半径の初期値として、計算時間が予め決められた最大時間に達するまで計算を行い、計算結果を蓄積して、曇り晴れパターンの予測を行うものである。
【００２６】
まず、ステップ（Ｓ１）で、ウインド、液滴及び車室内空気相互の熱授受を考慮して、車室内空気流の熱・流れ場および湿度分布を計算する。この数値流体計算の手法は公知であるので、ここでは省略する。その結果、ウインドに接する車室内の流速、温度、湿度等が求まる。
【００２７】
ステップ（Ｓ２）では、最大計算時間 Time_max をあらかじめ決めておき、計算時間が最大計算時間を超えると計算を終了する。最大時間になるまで、このフローで示す計算を繰り返し実行する。
【００２８】
ステップ（Ｓ３）では、これまでの計算の結果から、液滴半径ｒを求め、予め設定した液滴半径ｒ０と比較する。この液滴半径ｒ０は、液滴半径がこれ以下になると晴れとみなしてよい値である。したがって、現在の液滴半径ｒが液滴半径ｒ０以下になれば、晴れと判断して、液滴温度Ｔｄを空気温度Ｔａに置き換え、ステップ１に戻って再度計算を行う。液滴半径ｒが所定の半径ｒ０以上であれば、曇りと判断して次のステップに進む。なお、液滴半径は前回の液滴半径に液滴半径の変化分を加えて求めるもので、以下のステップで詳述する。
【００２９】
ステップ（Ｓ４）では、ステップ（Ｓ１）の車室内流れ場の計算結果を利用して、液滴と車室内空気の水蒸気分圧を求め、比較する（Ｐｔｄ−φＰａ＞０、式２及び式３参照）。液滴の水蒸気分圧が車室内空気の水蒸気分圧より大きいと液滴が蒸発過程にあると判断し、ステップ（５）に進み、液滴の水蒸気分圧が車室内空気の水蒸気分圧より小さいと液滴が凝縮過程にあると判断し、ステップ（６）に進む。
【００３０】
ステップ（５）では、液滴の蒸発量から蒸発速度を求め、液滴半径変化Δｒを求める（式４参照）。
【００３１】
ステップ（６）では、液滴の凝縮量から凝縮速度を求め、液滴半径変化Δｒを求める（式５参照）。
【００３２】
ステップ（７）では、前回の計算で求めた液滴半径に液滴変化を加えて、現在の液滴半径ｒ＋Δｒを求める。
【００３３】
ステップ（８）では、現在の液滴半径ｒを予め設定されている液滴半径ｒ０と比較して曇りか晴れかを判断する。すなわち、ｒ＞ｒ０なら曇りと判断する。そうでなければ晴れと判断して、液滴温度Ｔｄを空気温度Ｔａに置き換える。そして、いずれの場合も、ステップ（１）に戻り、計算時間が Time_max に達するまで計算を繰り返す。
【００３４】
図５には、本発明の計算検証モデルを示す。これは、車室内空間とデフロスタダクトを模擬したモデルである。車室内模擬空間５１の前面の斜めの面がウインド５２であり、ウインド５２下部に、デフロスタダクト５３を設ける。デフロスタダクト５３下方から一様流を与え、車室内模擬空間５１に吹き出し、後部上方の流出口５４から流出する。
【００３５】
車室内模擬空間５１とデフロスタダクト５３は、数値流体計算のために、公知の手法により３次元メッシュに分割する。ウインドガラス前面及びデフロスタダクトは他の部分より細かな六角形状のメッシュとした。メッシュ総数は、１００万個である。
モデルの条件は、外気を５℃、車室内空間の初期値を温度１５℃、湿度９９％とした。
【００３６】
また、このモデルを実際に実験装置として構成し、温度と湿度を一定に保った環境コントロール室に配置した。加湿器を用い、外部から熱気を導入し、実験装置内に霧を生じさせ、計算モデルの条件と同じ条件で実験を行った。
【００３７】
図６は、計算結果と実験結果との比較を示す図であり、開始後３０秒から１８０秒まで、３０秒毎の晴れパターンを示す。実線Ｌ１で囲んだ領域が本発明の方法により算出された液滴半径が所定値以下の領域、すなわち晴れのパターンであり、破線Ｌ２で囲んだ領域が実験結果による晴れパターンである。デフロストダクトからの気流によりダクト出口付近から晴れてゆき、ウインド下部から上部へと晴れの範囲が増加してゆくことが分かる。そして、晴れパターンは、初期から後期までどの時点においても実験値とよい一致を示している。特に、初期の晴れパターンは、従来の液膜モデルと比較すると、非常によく一致しており、本発明の液滴モデルの優秀性を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液滴モデルとその熱授受の概要を示す図である。
【図２】従来の液膜モデルと本発明の液滴モデルとの対比表を示す図である。
【図３】本発明の装置構成を示す図である。
【図４】液滴モデルを用いる本発明のフローチャートである。
【図５】本発明の検証モデルの車室内模擬空間を示す図である。
【図６】本発明の検証モデルによる検証結果を示す図である。
【図７】従来の液膜モデルとその検証結果を示す図である。
【符号の説明】
１…ウインド
２…液滴
３…車室内空間
【図１】
0003873766.tif 000007
【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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