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自動車:HVACユニット性能

シミュレーションでHVACシステムを評価する

HVACユニットと分配システムは、車室内空調機能の不可欠な要素です。ドライバーや乗客の快適性を確保するために、程よい温度と湿度で調節された適量の空気が目的の場所に届けられなければなりません。空気の流れを制御することは、車両を安全に運転するために必要な適切なデミストおよびデフロスト機能を確保する上でも重要になります。

同時に、燃費を向上させるためには、空気を送るのに必要なエネルギーを最小にし、それによる流体騒音の影響を制限することが求められます。これらの目標を達成するためには、空調システムの一部としてダクトやレジスターの設計が慎重に評価され、車両設計プロセスの一環として、異なる環境に応じて最適化されなければなりません。


HVAC unit Geometry. Image courtesy of Denso

 


Drawing showing inlet and multiple outlet ducts. Image courtesy of Denso

  


上の2つのイメージ:吸気口と複数の排気ダクトを示すHVACユニットの形状および図面。 下:HVACユニット内部の熱の混合。画像提供:株式会社デンソー様

技術課題

車室内のパッケージングがタイトになっているため、HVACユニットと分配システムが占める物理的な空間は非常に限られています。空調システムの設計では多くの場合、設計変更がシステムの性能に与える影響が明らかでない段階で、他の車室内部品との兼ね合いによる形状面での制約を克服することが求められます。さらに、車室内の流れの分散、ファンの電力要件、室内温度の層化などを判定する上で、乱流、熱の混合、輻射などの複雑な物理現象が重要な要素になります。しかしながら、実際の車両でこれらの物理的効果を視覚化し測定することは困難です。

多様な環境条件に対して風洞または路上テストでシステムを最適化する際、特に非定常性を伴う場合には多大な時間と労力を要します。加えて、HVACシステムの運転モードの違い(デフロスト/換気/バイレベル/フット)によって評価マトリックスも大きくなる傾向があります。

ソリューション

弊社は、非常に複雑な形状を持つHVACユニットと分配システムに関わる、流れと熱の特性を正確に予測するソリューションを提供しております。これらの特性には、乱流効果や熱混合、さらに伝熱、対流、輻射という3つのモードによる広範な熱伝達などが含まれます。

設計評価では、分配システムによる圧力損失と分流、複数の排気口を介した流れパターンを分析することができます。熱解析では、HVACシステム部品とそれらに近接する部品間の熱伝導の効果を含む、温度分布の計算も可能です。流れと熱の解析に加えて、ファン、さらにダクトやレジスターなどの分配システムを介した流れに関する流体騒音解析も行うことができます(詳細は、HVACシステム/ファン騒音のセクションで説明しています)。

分析から得た洞察と情報は、HVACシステム最適化のために効果的に適用することができます。PowerFLOWのプロセスではボリュームメッシュが完全に自動生成されるため、ケース設定で関連部品の表面形状を変えるだけで、形状の変化(ダクトシミュレーション内の混合フラップ位置の違いなど)を簡単に評価することができます。

 

HVACユニットおよび分配システムに対する弊社ソリューションの機能と利点

  1. PowerFLOWでは、形状の細かい違いによる流れの変更を捕捉することで設計評価を効果的に行い、流れを適切に分配することができます。
  2. ファンや送風機などの回転形状は、スライディングメッシュまたはマルチリファレンスフレーム(MRF)によってシミュレートされます。
  3. 3つの熱伝達モード(対流、伝導、輻射)での熱解析が可能です。
  4. 広範な熱伝達解析では、PowerFLOWとPowerTHERM間の完全自動の双方向連成プロセスを使用できます。
  5. 輻射効果を重視しない場合は、代替法として、PowerFLOWを適切な壁境界条件(熱抵抗境界条件が使用可能)と組み合わせた熱解析により低コストで実施することができます。

EXA SOFTWARE USED FOR THIS APPLICATION

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Simulation: 
Results Analysis: