(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンピュータによる気流シミュレーションにより工場建屋内の粉塵濃度分布を予測する方法において
換気計算手段により工場建屋の開口部を通過する空気の流入及び流出速度を工場建屋外部の気象条件に基づいて求め、
３次元モデル作成手段により作成した前記工場建屋の３次元モデルに、開口部の位置と前記換気計算手段で求めた前記開口部を通過する空気の流入及び流出速度と、発熱源の位置とその放熱量Ｑとを入力した後、熱流体解析手段により前記３次元モデル内の気流と温度分布を求め、
続いて、前記気流と温度分布を求めた３次元モデルに、前記建屋内の複数箇所にある粉塵発生源の位置とその粉塵発生量を入力し、前記熱流体解析手段により前記複数箇所にある粉塵発生源から発生する粉塵発生量を合成した粉塵濃度分布を予測することを特徴とする工場建屋内の気流シミュレーション方法。
【請求項２】
前記気流と温度分布を求めた３次元モデルに、前記建屋内の複数箇所にある粉塵発生源の位置とその粉塵発生量の時間的変化のデータを入力し、前記熱流体解析手段により前記複数箇所にある粉塵発生源から発生する粉塵発生量を合成した粉塵濃度分布の時系列変化を予測することを特徴とする請求項１に記載の工場建屋内の気流シミュレーション方法。
【請求項３】
粉塵濃度分布は、絶対的粉塵濃度であることを特徴とする請求項１に記載の工場建屋内の気流シミュレーション方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋳造工場など工場建屋内の環境改善を実施するために、コンピュータ・シミュレーションを利用して気流、温度分布、粉塵濃度分布などを予測し、解析する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶解炉や注湯装置、製品の冷却ラインなどが設置されている鋳造工場では、多量の粉塵が発生する。従来から、鋳造工場の作業環境を改善するために種々の対策が行われてきている。近年、コンピュータによるシミュレーション技術の発展に伴い、工場内の気流をシミュレーションにより予測し、粉塵対策など適切な環境改善案を事前に評価する気流シミュレーション方法が提案されている。
この気流シミュレーション方法は、工場建屋内の数カ所について風向、風速、温度などの作業環境データを測定し、この測定データを熱流体解析プログラムに入力し、工場建屋内の気流、温度の分布、相対的な粉塵濃度分布等を求めるものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の気流シミュレーション方法は、単一の粉塵発生源についての相対的な粉塵濃度分布の解析は行えるが、複数の粉塵発生源からの粉塵量あるいは粉塵濃度を合成した粉塵濃度分布の解析は行っていない。また、粉塵濃度分布の絶対値についての解析も行っていない。なお、前記相対的粉塵濃度とは、粉塵発生源から発生する粉塵濃度を１と仮定し、工場内の粉塵濃度分布を、粉塵発生源に対する比率で求めることをいう。また絶対的粉塵濃度とは、粉塵濃度を単位体積当たり（たとえば、１立方メートル）の空気中に含まれる粉塵の質量で求めたものをいう。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、工場建屋内の気流、温度、粉塵濃度分布を、図１のＳ３、Ｓ５、Ｓ６に示す３段階のコンピュータによる計算を行い工場建屋内の粉塵濃度分布を予測する気流シミュレーション方法である。第１段階の換気計算手段では、工場建屋の開口部を通過する空気の流入及び流出速度を工場建屋外部の気象条件に基づいて求める。第２段階では、３次元モデル作成手段により作成した前記工場建屋の３次元モデルに開口部の位置と前記換気計算手段で求めたその開口部を通過する空気の流入及び流出速度と、発熱源の位置と放熱量Ｑを付加したデータを熱流体解析手段に入力して、前記工場建屋内の気流と温度分布とを求める。第３段階では、前記気流と温度分布を求めた３次元モデルに、前記建屋内の複数箇所にある粉塵発生源の位置とその粉塵発生量について経過時間との関係を前記熱流体解析手段にデータとして入力して計算し、前記複数の粉塵発生源から発生する粉塵量を合成した絶対的粉塵濃度分布の時系列変化を予測する。
さらに本発明の換気計算手段は、工場建屋外部の風速及び温度と、工場建屋の開口部の位置、面積、風圧係数、流量係数と、排気ファン等の排気装置の空気の吸い込み口の位置、排気風量あるいは給気装置の空気の吹き出し口の位置、給気風量と、前記工場建屋内の発熱源の放熱量Ｑを入力して計算することにより、前記工場建屋の開口部を通過する空気の流入及び流出速度を求めるようにした工場建屋内の気流シミュレーション方法である。
さらに、本発明によって把握される粉塵濃度分布は、絶対的粉塵濃度であることを特徴としている。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を鋳造工場の粉塵環境の改善に応用した例に基づいて説明する。
図６に、従来から実施されている工場内の粉塵対策の一例を示す。溶解炉１から発生した粉塵を集塵フード２で捕集し、ダクト３で集塵装置に排出している。
集塵フード２で捕集できない粉塵はモニタ４や排気ファン５により外部に排出している。なお、６は外気を取り入れる窓などの開口部である。また、溶解炉１の他に、図７に示す鋳型造型ラインＬにおいても、粉塵発生源としては注湯装置７、注湯が完了した鋳型内の製品を冷却する冷却ライン８等がある。
これらの作業環境に対して、さらに適切な粉塵環境の改善を検討するために、まず本発明を用いて建屋内の粉塵の濃度分布を解析する。
【０００６】
本発明を実施するための手順の概要を図１に基いて説明する。
まずＳ１において、粉塵の濃度分布を解析する対象領域を決定する。例えば、鋳造工場の建屋全体を対象にするか、溶解職場のみを対象にするかを決定する。
次にＳ２に示すように、この対象領域についての現場調査を行う。現場調査を行う項目とその調査目的は次の通りである。
１）工場建屋の形状及び建屋内に設置されている装置などの構造物の位置、形状の測定を行う。ただし図面が存在する場合は、図面の寸法を利用してもよい。これは、Ｓ４に示す３次元のコンピュータシミュレーションを実施するにあたり、シミュレーションの対象領域の形状を３次元モデル化するために必要である。
工場建屋の窓などの開口部の位置とその形状の測定を行う。ただし図面が存在する場合は、図面の寸法を利用してもよい。
モニタや排気ファン、集塵フードなど排気装置の空気の吸い込み口の位置と形状の測定を行う。ただし図面が存在する場合は、図面の寸法を利用してもよい。また、各排気装置の排気風量は仕様書の値、あるいは風速計により測定した値を利用する。上記２）と３）はＳ３に示す換気計算及びＳ５、Ｓ６に示す熱流体解析を行うための入力条件データとして使用するためである。
４）工場建屋内にある熱発生源の形状、表面温度の測定を行う。これは、溶解炉、注湯装置の取鍋等の熱発生源の表面温度を基に放熱量Ｑを手計算し、Ｓ３に示す換気計算及びＳ５、Ｓ６に示す熱流体解析を行うための入力条件データとして使用するためである。
表面温度から放熱量Ｑを求めるためには、下記の式を用いるとよい。
Ｑ＝αΔＴＡ＝α（Ｔwall−Ｔair）Ａ
Ｑ：単位時間当たりの発熱量［Ｗ］
α：熱伝達率［W/m2K］
Ｔwall：熱源の表面温度［℃］
Ｔair：外気の温度［℃］
Ａ：表面積［ｍ2］
５）建屋外部の風向、風速、温度等の気象条件の測定を行う。これは、工場の窓などの開口部を通過する空気の流入及び流出速度が、外気の影響（風向、風速、温度）を受けるので、換気計算で求めようとする時点の入力条件データとして使用するためである。この建屋外部の気象条件データとしては、地元気象台の過去の観測データを利用してもよい。
【０００７】
６）工場内に存在する粉塵発生源から発生する粉塵量を求める。この粉塵発生量を求める手段の一例としては、レーザ透過光減衰法を応用した測定装置の利用がある。以下この測定方法を図８に基いて説明する。図８は、溶解炉１から発生する粉塵量の測定方法を示している。レーザ投光器１５からエネルギーＩ0で出射されたレーザ平行光１７が粉塵を含む空気１９中を透過し、散乱及び吸収によってエネルギーＩに減衰し、受光器１６に到達する。演算装置２１では、このエネルギー比率Ｉ／Ｉ0を対数変換したln（Ｉ／Ｉ0）を電圧により出力２２する。あらかじめ図１０に示す校正装置により、図９に示す電圧出力［ｍＶ］とレーザ平行光内の粉塵量［ｇ］との関係を求めておき、実際に溶解炉などの測定を行う場合、その関係式を使用して、時間経過ごと（たとえば、０．５秒間隔）にレーザ光内を通過する粉塵量を求める。
【０００８】
なお、上記レーザ光内通過粉塵量の測定時には、同時に高速ビデオカメラ２０で粉塵を含む空気１９の動きを撮影する。その撮影した映像より、レーザが透過した粉塵を含む空気１９の幅と上昇速度を求める。粉塵を含む空気１９の上昇方向断面積を円と見なし、粉塵がこの円内に一様に分布するとして積算することにより、単位時間あたりに粉塵発生源から発生する粉塵量が求まる。たえば１秒ごとの粉塵発生量を求めることができる。図１１には、上記の方法で求めた粉塵発生量と時間経過との関係を示すグラフである。
前記校正装置の概要を図１０に示す。この校正装置は透明アクリル材の筒２４、粉塵投入口２５、軸流ファン２７から構成され、電圧出力ｌｎ（Ｉ／Ｉ0）と粉塵量の関係のグラフを作成するための装置である。容量が既知の校正装置内に、予め捕捉しておいた、粉塵サンプルを所定の質量だけ筒２４内に投入し、軸流ファン２７により粉塵を含む空気２６を循環させ、その状態でレーザ光１７を通過させて電圧出力を求める。このようにして投入する粉塵の質量を変化させることで、筒内の粉塵量と電圧出力との関係を示すグラフを作成する。ただし、粉塵発生源ごとに発生する粉塵の性状が異なるため、各発生源の粉塵サンプルを予め用意しておき、それを使用して図９に示す粉塵発生源ごとに電圧出力と粉塵の発生量との関係を求める（検査量線グラフ２３ａ、２３ｂ、・・・）。
【０００９】
次にＳ３において、Ｓ２における現場調査で得た外気の風向、風速、温度と、工場建屋の開口部の位置、面積、風圧係数、流量係数と、モニタや排気ファンや集塵フードなどの排気装置の空気吸い込み口の位置（例えば、開口部中心部の地上面からの高さ）、面積、排気風量と、発熱源からの放熱量Ｑを使用し、パソコン又はワークステーション上で稼動する換気計算手段により換気計算を行う。換気計算手段では、図２に示すように、例えば工場建屋内を開口部１、２、３・・を含む複数個の室１、室２、室３、・・に分けて、各開口部を通過する空気の流量と熱量の平衡をもとに計算し、各開口部を通過する空気の平均風速、あるいは室内の平均温度、平均圧力を求めるもので、熱流体解析手段への初期入力データになる。換気計算手段には、以下の計算式を登録して換気計算を行う。なお上記の入力データは予め作成し、外部記憶装置に保存しておき、そのデータを読み込ませて換気計算を行う。
【００１０】
１）排気ファンなどの機械力の場合は、定格流量（一定値）とする。
２）開口の場合は、下記の計算式を用いる。
Ｐj−Ｐk−（ρj−ρk）ｇｈi−Ｐwi
＝±（１／αｉ2)(ρ0／２)(Ｑi／Ａi)2
上式の開口ｉにおける風圧（Ｐwi）は、
Ｐwi＝Ｃi(ρ0／２)Ｖ2
ここに、  ｉ：開口部の番号
Ｐj，Ｐk：開口が接する前後の室内圧力
ρj，ρk：開口が接する前後の室の空気密度
ｇ        ：重力加速度
ｈｉ      ：開口部の高さ
αｉ      ：開口部の流量係数
Ｑi  ：流量        ［ｍ3/ｓ］
Ａi  ：開口面積    ［ｍ2］
ρ0  ：外気温度での空気密度
Ｃi  ：風圧係数
Ｖ ：外気の風速
３）モニタのように、圧力差と風速との関係を示す通気特性図（図４に示す）を使用する場合には、下記の計算式を用いる。
Ｐj−Ｐk−（ρj−ρk）ｇｈi＝Ｆ（Ｑi，Ｖ，δ）
ここに、  Ｆ ：モニタの通気特性
Ｑi：モニタを通過する空気の流量  ［ｍ3/ｓ］
Ｖ ：外気の風速  ［ｍ/ｓ］
δ ：外気の風向  ［  °］
なお、図４において曲線９、１０、１１はそれぞれ外気の風速が２ｍ／秒、３ｍ／秒、７ｍ／秒のときのモニタ特性を示している。
なお、換気計算では、熱の移動は空気の移動によるもののみ考慮するようにする。
開口部ｉでの熱量は
Ｈi＝ρ0Ｃp(Ｔj−Ｔk)Ｑi
Ｃp：等圧比熱  ［kJ/kg・k］
Ｈi：開口ｉでの熱移動量  ［kJ］
【００１１】
そして、開口部を通過する空気の流量と熱量の平衡を考慮する。
室内の平均温度  ：Ｔj
室内の平均圧力  ：Ｐj
未知数          ：２ｎ個
各室の番号      ：  ｊ
流量の平衡：第ｊ室に接する開口部を通過する空気の流量Ｑiの合計＝０
熱量の平衡：第ｊ室に関する熱量Ｈiの合計＝０
２ｎ個の平衡式を作成し、ニュートン・ラプソン法を用いて計算すると各開口部を通過する空気の流量、各室内の平均温度、平均圧力が求まる。ただし、前記熱流体解析手段の開口部の入力データ形式においては、風速で指定するため、前記換気計算手段の各開口部の流量は、開口面積で除算した風速の値で出力する。
なお、本発明において、換気計算を行う利点は、工場内の各開口部の風速を実測することなく、計算によってその風速を求めることができることにある。
【００１２】
続いて、Ｓ４において熱流体解析手段に組み込まれている３次元モデル作成手段により、図３に示すように内部の構造物も含んだ建屋形状をメッシュ分割した３次元モデルを作成する。この３次元モデルの作成は、例えば工場建屋及び構造物を１辺１ｍの立方体を積み上げた形状に簡略化し、空間部も含めるようにする。
次に、Ｓ５において工場建屋内の気流や温度分布を求める。まず、作成した前記の工場建屋の３次元モデルに、対話方式により発熱源の位置のメッシュを指定し、放熱量Ｑを入力する。次に、開口部の位置のメッシュを指定し、前記換気計算手段で求めた風速（流入および流出量を開口面積で除算）を入力し、熱流体解析手段により熱流体解析を行うことにより求める。
【００１３】
本発明に使用する熱流体解析手段は、工場内部の気流、温度、粉塵濃度を解析するソフトウェアであり、ワークステーション等の高速コンピュータ上で稼動し、３次元モデルの作成機能、計算機能、計算結果のグラフィック処理機能を持っている。
熱流体解析を行う熱流体解析手段には、公知の次の基礎式が登録されている。
１）連続の式
２）Navier-Stokesの方程式
３）エネルギー方程式
４）拡散物質の輸送方程式
上記４式を有限体積法を用いて離散化し、全ての式を満足させる解（気流、温度、圧力、粉塵濃度）を求める。
なお、熱流体解析手段で気流、温度分布を求める場合、境界条件として、外気の温度及び計算値である熱発生源からの放熱量、窓などの開口部の風速、排気ファンの風速などを対話方式で位置の指定と共に入力して、定常計算を行う。計算結果は、グラフィック処理により、ベクトル表示あるいはコンタ（等値面）表示を行う。
【００１４】
本発明のように、粉塵濃度分布の時間的な変化を求める場合は、前記定常計算で求めた結果に、境界条件として粉塵発生源の位置と単位時間当たりの粉塵発生量を時間関数で入力して、拡散計算を行い粉塵濃度分布の時間変化（非定常）を求める。計算結果は、グラフィック処理により、コンタ（等値面）表示を行う。
【００１５】
続いてＳ６において、熱流体解析手段により粉塵濃度分布の時間的変化を求める。以下この方法について詳細に説明する。
前記の建屋内の気流、温度分布を求めた３次元モデルにおいて、分割したメッシュについて各粉塵発生源の位置および、各粉塵発生源からの粉塵発生量の時間的変化のデータを入力する。例えば、図１１に示すように、時間軸を０〜１０[秒]、１０〜４０[秒]、４０〜５０[秒]の３区間に分割し、その区間の開始と終了の時間、対応する粉塵発生量、計算で求めようとする区間毎の時間刻み幅（０〜１０秒、の区間は１秒間隔）を入力する。それぞれの区間の粉塵発生量を、前記熱流体解析手段の中で、線形に変化させることにより、前記建屋内の粉塵濃度分布の時間的変化の状況を予測することができる。これら一連の作業により、所定条件の下における工場建屋内の気流、温度分布、粉塵濃度分布を指定する時間毎（１秒後、２秒後・・・）に３次元モデルにより再現することができる。
【００１６】
以上をもとに工場の粉塵環境の改善を行う。Ｓ７において、まず上記の手順で求めた現状の工場建屋内の粉塵濃度分布の予測を基に、各改善案の３次元モデルを作成し、同様にして粉塵濃度分布の予測を行い、これを比較検討する。
この解析結果に基いて、Ｓ８において各改善案の効果の比較を行って最適な改善案を採用するようにする。
【００１７】
この改善案の検討例を図５に示す注湯装置７、冷却ライン８から発生する粉塵について説明する。図５（ａ）は図１１の４０秒後の時点の現状の粉塵濃度分布、図５（ｂ）は図５（ａ）と同時刻の改善案の粉塵濃度分布の計算結果を示す。粉塵濃度分布は色Ａ（0.4ｍｇ／ｍ3以上）、Ｂ（  0.4〜0.3ｍｇ／ｍ3）、Ｃ（0.3〜0.2ｍｇ／ｍ3）、Ｄ（0〜0.2ｍｇ／ｍ3）で示す。各粉塵濃度分布は、注湯装置７、冷却ラインからの粉塵発生量が合成された値である。改善内容は、注湯装置７からの粉塵拡散を防止する垂れ壁１２、粉塵を排出するための排気ファン１３、工場内負圧化防止のための外気導入塔１４である。図５（ｂ）に示すように、垂れ壁１２と排気ファン１３を設置することにより、作業者高さでの粉塵濃度が0.2[ｍｇ／ｍ3]以下に下げられ、改善効果が大であることが予測される。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は次の効果を有している。
１）粉塵の濃度分布の時間的変化を求めることで、粉塵の拡散していく様子、あるいは粉塵が集塵機などに捕集されていく様子を予測できるため、集塵機などの捕集効果を設計段階において事前に評価することができる。
２）換気計算手段と熱流体解析手段と粉塵量測定手段を組み合わせて、複数の粉塵発生源からの粉塵を合成した工場建屋内の粉塵濃度分布を解析することができる。このため実際の工場内の粉塵環境を気流シミュレーション方法により、再現することができ、最適な改善案を立案することができる。
３）粉塵の絶対濃度分布の解析（予測）ができるため、既存工場の粉塵環境改善だけでなく、新設工場の粉塵環境対策の設計にも利用でき、粉塵環境の良い工場の建設を支援することができる。
４）粉塵の絶対濃度分布の解析（予測）ができるため、気流シミュレーション方法により求めた、粉塵濃度分布と実測した粉塵濃度分布の比較が行え、精度の確認が可能となる。このため解析精度が向上する。
工場の全ての開口部の風速等を測定することなく、計算によって開口部の風速を求めることができるので、現場調査工数の削減を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を実施するための手順の概要を示す流れ線図
【図２】換気計算を行うための建屋の開口部を示すモデル図
【図３】工場建屋３次元モデルの概要図
【図４】モニターに適用される圧力差と風速との関係を示す通気特性図
【図５】本発明により環境改善前後の粉塵濃度分布を解析した出力例
【図６】溶解工程の現状の環境対策例を示す図
【図７】鋳造ライン上の粉塵発生源の概要を示す図
【図８】粉塵量測定装置の一例を示す図
【図９】粉塵量測定装置において、レーザ透過出力値と粉塵量との関係を示す検量線図
【図１０】粉塵量測定装置に用いる校正装置の概要を示す図
【図１１】溶解炉から発生する粉塵量の時間的変化を示す線図
【符号の説明】
１  溶解炉
２  集塵フード
４  モニタ
５  排気ファン
６  開口部
７  注湯装置
１５  レーザ投光器
１６  受光器
１７  レーザ平行光
１９  粉塵を含む空気
２０  高速ビデオカメラ
２１  演算装置
【図１】
0003952329.tif 000002
【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】
0003952329.tif 000009
【図９】
0003952329.tif 000010
【図１０】
0003952329.tif 000011
【図１１】
0003952329.tif 000012