JPH10187769A - 高温耐久性評価装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 安価にシステムを構築できると共に、システ
ムの構築が簡易になりミスが発生しにくくなり、且つ処
理時間を短縮することができるようにする。 【解決手段】 モデル作成手段２１は、熱交換器につい
てのシミュレーションモデルを作成し、温度データ設定
手段２２は、モデルに対応させて、熱交換器の実際の加
熱状態における温度データを設定し、熱伝導解析手段２
３は、設定された温度データと熱伝導特性とに基づい
て、熱交換器の加熱状態における温度分布を求め、熱応
力解析手段２４は、求められた温度分布と熱交換器を構
成する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデルの
加熱状態における応力分布を求め、耐久性評価手段２７
は、求められた応力分布と寿命特性データとに基づい
て、熱交換器の高温耐久性を評価する。上記各手段は、
１台のワークステーション１０によって実現される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器等のよう
に加熱状態と休止状態とが繰り返される機器の高温耐久
性を評価するための高温耐久性評価装置および方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、加熱状態と休止状態とが繰り返さ
れる機器、例えば熱交換器については、以下のような手
順に従って開発が行われていた。すなわち、まず、設計
段階においては、以前からの経験則に基づいて各種数値
を決定する。その際に、安全性を見込んでいわゆるオー
バースペックな設計とするのが一般的である。ここで、
設計が経験則に基づいて行われるのは、特に疲労破壊に
対する寿命については理論的な解析が非常に困難であ
り、計算による定量的な判断を下すことが不可能だった
からである。設計終了後、設計された熱交換器が使用さ
れる環境を予測して、それに見合った耐久試験を行う。
例えば、一般的な家庭用給湯器で用いられる熱交換器で
あれば、最高出力温度で１分間隔にて運転、停止を１０
万回繰り返す（所要期間は約５か月）。また、業務用機
器に用いられる熱交換器であれば、運転、停止繰り返し
回数は３０万回である。そして、耐久試験の結果、問題
が無ければ、開発を終了する。

【０００３】しかし、従来の開発手順においては、特に
寿命に関しては経験則に基づく試行錯誤による判断しか
できないため、論理的あるいは合理的に定量的な判断に
基づいて熱交換器を開発することが不可能であるという
問題点があった。また、経験則に基づく設計を行ってい
る限りにおいては、過去の経験を生かすことができない
ような斬新な設計を行うことが不可能である。その結
果、過去のものと変わりないような熱交換器しか設計さ
れないこととなる。

【０００４】また、従来の開発手順においては、耐久試
験の評価が非常に重要であるが、耐久試験には莫大な金
銭的コスト、時間（家庭用給湯器で用いられる熱交換器
であれば、約５か月）が費やされるという問題点があ
る。

【０００５】更に、従来の開発手順においては、寿命に
ついての定量的に評価することができなかったため、耐
久試験の信頼性についても完全なものではない。そのた
め設計に際しては、強度的な余裕を大幅に持たせたオー
バースペックな設計にせざるを得なかった。

【０００６】これらの問題点に対処するために、本出願
人は、先に提出した特願平７−７２６０１号や特願平８
−１６１５８０号において、高温耐久性を評価すべき機
器についてのシミュレーションモデルを作成し、機器の
加熱状態における温度分布と機器を構成する材料片の応
力−歪み特性とに基づいて、熱応力解析によって、シミ
ュレーションモデルの加熱状態における応力分布を求
め、この応力分布と機器の寿命特性とに基づいて機器の
高温耐久性を評価するシステムを提案している。システ
ムによれば、機器の高温耐久性を定量的に評価すること
が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記各特許
出願において提案したシステムでは、ＬＡＮ（ローカル
・エリア・ネットワーク）で接続された２台のワークス
テーションを使用していた。この２台のワークステーシ
ョンのうちの１台は、主に、シミュレーションモデルの
作成や高温耐久性評価といったプレポスト処理を担当
し、他の１台は、主に、熱応力解析等の解析処理を担当
するようになっていた。

【０００８】しかしながら、このようなシステムでは、
２台のワークステーションを使用するため、システムが
非常に高価になってしまうという問題点があった。ま
た、２台のワークステーションをＬＡＮで接続するた
め、システムの構築が煩雑になり、接続ミス等の本質的
ではないミスが発生しやすいという問題点があった。更
に、ＬＡＮによってデータを転送する処理が煩雑であ
り、且つ時間がかかり、結果的にシステム全体の処理時
間が長くなるという問題点があった。

【０００９】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、安価にシステムを構築できると共
に、システムの構築が簡易になりミスが発生しにくくな
り、更に、処理時間を短縮することができるようにした
高温耐久性評価装置および方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の高温耐久
性評価装置は、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルを作成するモデル作成手段と、
機器の加熱状態における温度分布と機器を構成する材料
片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成手段によ
って作成されたシミュレーションモデルの加熱状態にお
ける応力分布を求める熱応力解析手段と、この熱応力解
析手段によって求められた応力分布と機器の寿命特性と
に基づいて機器の高温耐久性を評価する評価手段とを備
え、これらモデル作成手段、熱応力解析手段および評価
手段が、１台のコンピュータによって実現されているも
のである。

【００１１】この高温耐久性評価装置では、モデル作成
手段によって、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルが作成され、熱応力解析手段に
よって、機器の加熱状態における温度分布と機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成
手段によって作成されたシミュレーションモデルの加熱
状態における応力分布が求められ、評価手段によって、
熱応力解析手段によって求められた応力分布と機器の寿
命特性とに基づいて機器の高温耐久性が評価される。モ
デル作成手段、熱応力解析手段および評価手段は１台の
コンピュータによって実現される。

【００１２】請求項２記載の高温耐久性評価方法は、高
温耐久性を評価すべき機器についてのシミュレーション
モデルを作成するモデル作成手順と、機器の加熱状態に
おける温度分布と機器を構成する材料片の応力−歪み特
性とに基づいて、モデル作成手順によって作成されたシ
ミュレーションモデルの加熱状態における応力分布を求
める熱応力解析手順と、この熱応力解析手順によって求
められた応力分布と機器の寿命特性とに基づいて機器の
高温耐久性を評価する評価手順とを含み、これらモデル
作成手順、熱応力解析手順および評価手順を、１台のコ
ンピュータによって実行するものである。

【００１３】この高温耐久性評価方法では、モデル作成
手順によって、高温耐久性を評価すべき機器についての
シミュレーションモデルが作成され、熱応力解析手順に
よって、機器の加熱状態における温度分布と機器を構成
する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作成
手順によって作成されたシミュレーションモデルの加熱
状態における応力分布が求められ、評価手順によって、
熱応力解析手順によって求められた応力分布と機器の寿
命特性とに基づいて機器の高温耐久性が評価される。モ
デル作成手順、熱応力解析手順および評価手順は、１台
のコンピュータによって実行される。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１５】図１は本発明の一実施の形態に係る高温耐
久性評価装置の概略の構成を示す説明図である。なお、
以下では、高温耐久性を評価すべき機器として、給湯器
用の熱交換器を例にとって説明する。本実施の形態に係
る高温耐久性評価装置は、本発明におけるモデル作成手
段、熱応力解析手段および評価手段を実現する本発明に
おけるコンピュータに相当するワークステーション１０
を備えている。このワークステーション１０には、有限
要素法モデル作成プログラムが格納されたファイル１
１，熱伝導解析と熱応力解析を行う有限要素法プログラ
ムが格納されたファイル１２，熱交換器の種類分の主要
面ファイルｆ１，ｆ２，ｆ３，…が格納されたファイル
１３，モデル対応の主要面ファイルが格納されるファイ
ル１４，要素データファイルが可能されるファイル１
５，温度分布ファイルが格納されるファイル１６および
応力分布ファイルが格納されるファイル１７を記憶する
ための記憶手段が接続または内蔵されている。また、ワ
ークステーション１０には、加熱状態における熱交換器
の温度データ等が入力されるようになっている。なお、
有限要素法モデル作成プログラムが格納されたファイル
１１，有限要素法プログラムが格納されたファイル１２
および主要面ファイルが格納されたファイル１３を記憶
するための記憶手段は、ＩＣ（集積回路）メモリでも良
いし、ハードディスク，磁気テープ，光ディスク等、コ
ンピュータが読取可能な種々の記憶媒体でも良い。同様
に、ファイル１４〜１７を記憶するための記憶手段も、
書き込みおよび読み出しが可能なものであれば、ＩＣメ
モリ，ハードディスク，磁気テープ，光ディスク等のい
ずれでも良い。

【００１６】図２は、本実施の形態に係る高温耐久性評
価装置の構成を示す機能ブロック図である。本実施の形
態に係る高温耐久性評価装置は、前述のワークステーシ
ョン１０の他に、温度データ等をワークステーションに
入力するための端末３０を備えている。この端末３０は
例えばパーソナルコンピュータによって構成されてい
る。

【００１７】ワークステーション１０は、高温耐久性を
評価すべき機器である熱交換器についてのシミュレーシ
ョンモデルを作成するモデル作成手段２１と、このモデ
ル作成手段２１によって作成されたシミュレーションモ
デルに対応させて熱交換器の実際の加熱状態における温
度データを設定する温度データ設定手段２２と、この温
度データ設定手段２２によって設定された温度データと
熱伝導特性とに基づいて、熱交換器の加熱状態における
温度分布を求める熱伝導解析手段２３と、この熱伝導解
析手段２３によって求められた温度分布と熱交換器を構
成する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、モデル作
成手段２１によって作成されたシミュレーションモデル
の加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手段２
４と、この熱応力解析手段２４によって求められた応力
分布の妥当性を検証する解析結果検証手段２５と、熱交
換器の寿命特性データを保持する寿命特性データ保持手
段２６と、熱応力解析手段２４によって求められた応力
分布と寿命特性データ保持手段２６によって保持された
寿命特性データとに基づいて熱交換器の高温耐久性を評
価する耐久性評価手段２７とを備えている。

【００１８】ワークステーション１０は、図示しない
が、ＣＰＵ（中央処理装置），ＲＯＭ（リード・オンリ
・メモリ），ＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）お
よび入出力部を含み、ＲＡＭをワーキングエリアとし
て、内部あるいは外部の記憶手段に格納されたプログラ
ムを実行することによって、上記各手段を実現するよう
になっている。特に、モデル作成手段２１は、図１に示
したファイル１１に格納された有限要素法モデル作成プ
ログラムを実行することによって実現され、熱伝導解析
手段２３および熱応力解析手段２４は、図１に示したフ
ァイル１２に格納された有限要素法プログラムを実行す
ることによって実現される。有限要素法プログラムとし
ては、種々の市販されている熱伝導解析用あるいは熱応
力解析用のシミュレーションプログラム（Ｈ．Ｋ．Ｓ．
社販売のＡＢＡＱＵＳ等）を使用することが可能であ
る。

【００１９】端末３０は、サーモビューワ３４や他の温
度検出手段３５によって検出された熱交換器の各部の温
度データを、ワークステーション１０に入力するのに適
した形式となるように処理して、ワークステーション１
０の温度データ設定手段２２に対して与える温度データ
処理手段３１と、引張試験機３６によって熱交換器の各
部分を構成する材料片の引張試験を行って得られたデー
タを入力し、熱交換器の各部分について応力−歪み特性
（応力−歪み線図）を作成して、そのデータをワークス
テーション１０の熱応力解析手段２４に対して与える引
張試験結果処理手段３２と、歪み試験機３７によって加
熱状態における熱交換器の歪みを測定して得られたデー
タを入力し、そのデータをワークステーション１０の解
析結果検証手段２５に対して与える歪み試験結果処理手
段３３とを備えている。

【００２０】次に、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置の動作および本実施の形態に係る高温耐久性評価方
法について説明する。

【００２１】図３は、本実施の形態に係る高温耐久性評
価装置の全体の動作を示す流れ図である。この動作で
は、まず、モデル作成手段２１によって、高温耐久性を
評価すべき機器である熱交換器についてのシミュレーシ
ョンモデルを作成する（ステップＳ１０１）。次に、温
度データ設定手段２２によって、シミュレーションモデ
ルに対応させて、温度データ処理手段３１より送られた
熱交換器の実際の加熱状態における温度データを設定す
る（ステップＳ１０２）。次に、設定された温度データ
と熱伝導特性とに基づいて、熱伝導解析手段２３によっ
て、熱交換器の加熱状態における温度分布を求める熱伝
導解析を行う（ステップＳ１０３）。次に、熱伝導解析
によって求められた温度分布と熱交換器を構成する材料
片の応力−歪み特性とに基づいて、熱応力解析手段２４
によって、シミュレーションモデルの加熱状態における
応力分布を求める熱応力解析を行う（ステップＳ１０
４）。次に、解析結果検証手段２５によって、熱応力解
析によって求められた応力分布の妥当性を検証する解析
結果検証を行う（ステップＳ１０５）。次に、熱応力解
析によって求められた応力分布と寿命特性データ保持手
段２６によって保持された寿命特性データとに基づい
て、耐久性評価手段２７によって、熱交換器の高温耐久
性を評価して（ステップＳ１０６）、動作を終了する。

【００２２】次に、図４の流れ図を参照して、図３にお
けるシミュレーションモデルの作成（ステップＳ１０
１）について説明する。熱交換器を何万もの要素に分解
する手法として具体的には、熱交換器の部品をメッシュ
状に分解してそれぞれのメッシュを要素とすることが最
も一般的である。しかしながら、前述の有限要素法プロ
グラムのＡＢＡＱＵＳ等において、熱交換器を何万もの
メッシュ状の要素に分解してそれぞれの要素データとし
て入力するためには、一般的には手作業で一つ一つの要
素に対するコマンドを与えることになり実用的ではな
い。

【００２３】そこで、本実施の形態におけるモデル作成
では、熱交換器モデルを複数の主要面に展開した主要面
ファイルを、予めモデルの種類（水管巻き数）分だけ準
備しておき（ステップＳ１１１）、解析の対象となる熱
交換器モデルの種類データと熱交換器の大きさを特定す
る寸法データとを与える（ステップＳ１１２）ことで、
解析の対象となる熱交換器の主要面ファイルを簡単に作
成することができるようにしている。具体的には、モデ
ルの種類に対応した主要面ファイルから、約２５０の主
要面の４節点の３次元座標のファイルを作成する（ステ
ップＳ１１３）。そして、その主要面ファイルの各主要
面に対して、メッシュ（要素）に分解（展開）するため
の必要なデータ（分割数または要素サイズ）を与える
（ステップＳ１１４）ことで、メッシュに分解された要
素のデータファイルを作成する（Ｓ１１５）。具体的に
は、４節点座標と板厚を属性とする要素（メッシュ）デ
ータファイルまたは２０個の積分点の座標を属性とする
要素（メッシュ）データファイルを作成する。このよう
にして、本実施の形態では、有限要素法に必要な熱交換
器モデルを要素に展開したデータファイルを比較的簡単
に且つ短時間で生成することができるようになってい
る。

【００２４】次に、図５ないし図１０を参照して、上述
のモデルの作成について詳しく説明する。図５は、給湯
器等に使用される一般的な熱交換器４０の斜視図であ
る。熱交換器４０は、フィン部４１、内胴部４２、スカ
ート部４３および水管部４５を備えている。フィン部４
１と内胴部４２は、斜面部４４によって接続されてい
る。このような熱交換器４０は、上記の主要な構成はい
ずれのモデルでも同様であり、異なるのは、それぞれの
寸法と水管の巻き数である。従って、本実施の形態で
は、この熱交換器４０に対して、予め主要面に展開した
ファイルを水管の巻き数の種類分だけ用意することで、
寸法と水管の巻き数を入力データとして与えれば対象と
なる熱交換器モデルの主要面ファイルを作成することが
できるようにしている。なお、全種類の主要面ファイル
は、図１に示したファイル１３に格納される。

【００２５】図５は、一例として水管の巻き数が２の場
合の熱交換器について示したが、この場合における熱交
換器モデルでは、例えば、図中に示した主要面Ｍ１〜Ｍ
２７に分解されて、その展開図があらかじめ用意されて
いる。図６は、その展開図の一部を示したものであり、
図５における正面から見た部分の主要面だけを示してい
る。この図では、フィン部４１は、上面Ｍ１と外側面Ｍ
２に展開され、内胴部４２はその側面が水管部４５で分
割された３つの面Ｍ１０，Ｍ１４，Ｍ１８からなり、ス
カート部４３は面Ｍ２２となり、斜面部４４は面Ｍ６と
なっている。

【００２６】例えば、水管の巻き数が３になると、内胴
部４２において水管部４５によって分割される面は４つ
になる。従って、その場合は、別の種類の主要面ファイ
ルを使用することになる。なお、具体的な熱交換器で
は、上面Ｍ１に該当する部分は、複数の放熱フィンとこ
のフィンを貫く水管とに更に展開される。

【００２７】ところで、熱交換器における展開された主
要面の組み合わせの種類は、主に巻き数の種類分しか必
要ないが、熱交換器の寸法によってその分解された主要
面の大きさが異なってくる。そこで、図４におけるステ
ップＳ１１２では、対象とする熱交換器モデルの高さ、
内胴部４２の長さＬ，幅Ｗ，高さＨ，板厚、フィン部４
１の長さＬ，幅Ｗ，高さＨ，板厚、スカート部４３の長
さＬ，幅Ｗ，高さＨ，板厚、水管位置、図示しないが水
管のフィン部４１への入管位置、フィンの枚数と板厚、
フィンと水管の接続部等の、予め準備している主要面の
展開図の大きさを確定するために必要なデータを与え
る。更に、モデルの種類データとして水管の巻き数も与
える。

【００２８】その結果、種類データに従ってモデルの種
類に対応する主要面ファイルが選択され、与えられた寸
法に従って主要面の４節点の三次元座標データと板厚の
データを属性データとする主要面ファイルが生成され
る。なお、作成されたモデル対応の主要面ファイルは、
図１におけるファイル１４に格納される。

【００２９】図７は、その主要面ファイルのデータ構造
を示す説明図である。主要面Ｍ１〜Ｍ２８等は、それぞ
れが属する部分に分類され、各主要面Ｍ１〜Ｍ２８等は
その属性デ−タとして４節点の三次元座標データと板厚
のデータとを有する。この主要面の数は、例えば２５０
程度であり、これは熱交換器のモデルの詳細さに応じて
決定される数である。更に、必要な場合には、内胴部、
フィン外部、スカート部のコーナの半径や、水管のコー
ナの半径、水管の内胴体への接合部の幅等も主要面を確
定するための入力データとして与えることもできる。主
要面をどの程度の詳細さにするかにより与える入力デー
タが異なることになる。この段階で、対象の熱交換器モ
デルの三次元形状が確定する。

【００３０】以上のようにして対象となる熱交換器モデ
ルの主要面が特定されると、今度はその各主要面がメッ
シュ状に分割される。このメッシュが有限要素法での要
素として取り扱われることになる。主要面をメッシュ状
に分割する際、本実施の形態では、各主要面に対して、
オペレータから分割数または要素サイズ（メッシュサイ
ズ）がそれぞれ与えられる。

【００３１】図８は、一例として、主要面Ｍｋを複数の
メッシュに分割する場合の主要面とメッシュ（要素）と
の関係を示す説明図である。主要面Ｍｋは、その４節点
（ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４）の座標と板厚ｄとにより確
定している。主要面Ｍｋが単純な長方形の場合は、単純
にその分割数を与えるだけで、簡単な演算により、図８
の上部に示したような要素Ｅ１，Ｅ２，…，Ｅｎ，…に
分解される。そして、各要素は、図８の下部に示したよ
うに例えば４つの節点ＥＳ１，ＥＳ２，ＥＳ３，ＥＳ４
の座標と板厚ｄで特定される。

【００３２】主要面Ｍｋをメッシュ（要素）に分解する
際には、要素のサイズを与えることにより、演算によ
り、分割された要素の４つの節点の座標と板厚ｄとが求
められる。各主要面の大きさがそれぞれ異なる場合など
は、分割される要素のサイズを与えることで、全体の要
素の大きさを同程度に揃えることができ、有限要素法の
プログラムにとってより好ましい場合がある。

【００３３】市販されている有限要素法のプログラムで
は、４つの節点の座標と板厚が与えられると、それらの
情報を各要素内部の積分点に変換することが行われる。
すなわち、図８の下部に示したように、要素の属性デー
タとして、要素内部の×印で示したような積分点５０の
座標に変換する。あるいは、４節点の座標と板厚に加え
て、２０個の積分点５０の座標を属性データとして持つ
ようにしても良い。このような積分点５０を属性データ
とすることで、後で要素内の２０個の点に対する温度デ
ータの貼り付けを容易に行うことができる。

【００３４】また、分割された要素について、図８の下
部に示したように、４節点の座標と板厚ではなく、内部
の×印で示したような積分点５０の座標をその属性デー
タとして、有限要素法プログラムに与えても良い。

【００３５】図９は、各要素Ｅ１，…，Ｅｎ，…の属性
データとして４節点と板厚を有する場合の要素データフ
ァイルの一例を示す説明図である。各要素は、主要面の
場合と同じように各部分毎に分類されている。このよう
にして要素データファイルが作成されると、熱交換器モ
デルはメッシュ状に分解された要素からなるモデルとな
る。なお、作成された要素データファイルは、図１に示
したファイル１５に格納される。

【００３６】図１０は、図９に示した要素データファイ
ルに従って、コンピュータの画像処理により合成された
熱交換器モデルを示す斜視図である。この図には、解析
の対象となる熱交換器モデルの外部について要素に分解
した様子を示しているが、要素データファイルには、内
部のフィンとそのフィンを貫通している水管についても
分解された要素が含まれる。

【００３７】一般に、ＡＢＡＱＵＳ等の有限要素法のプ
ログラムでは、解析モデルを分解された要素として与え
るとき、そのプログラムに適したコマンドに従って与え
ることが要求される場合がある。その場合は、図９の要
素データファイルの属性データに従って、そのコマンド
が所定のマクロプログラムにより生成され、有限要素法
プログラムに適した形で要素のデータが与えられる。

【００３８】以上のようにして熱交換器モデルが作成さ
れたら、そのモデルについて、加熱時における要素毎の
温度の変化を求める。そのためには、実際に作成した熱
交換器の実機を加熱状態にし、その温度分布を求めて、
図２における温度データ設定手段２２によって、要素デ
ータファイルの各要素に追加の属性データとして与え
る。各要素の温度を測定する方法としては、比較的簡単
に温度分布のデータを得るために、サーモビューワ３４
を利用することが好ましい。サーモビューワ３４は、加
熱したモデルの表面から放射される輻射熱（または放射
熱）を検知し、その分布を表すために、分割された各部
分の輻射熱データを生成し、この輻射熱データに基づい
て、生成表示画面上にその温度分布を色分けして表示す
るものである。従って、その輻射熱データを、図９に示
した要素データファイルに追加の属性データとして与え
ることができる。

【００３９】なお、フィン内部のようにサーモビューワ
３４によって温度を測定することが困難な部分の温度に
ついては、例えば、加熱状態における熱交換器の主要な
点についてのみ、熱電対、温度ゲージ、データロガー等
の他の温度検出手段３５を利用して測定し、測定された
各点の温度を与えることで、図２における熱伝導解析手
段２３により、熱伝導特性と有限要素法のプログラムに
よる熱伝導解析によって、全ての要素の温度データを演
算により求めることができる。

【００４０】図１１は、サーモビューワ３４の表示出力
の一例を示す説明図である。図８において、より濃い部
分は高い温度を意味し、薄い部分は低い温度を意味す
る。熱交換器モデルは内部のバーナで加熱され、その上
部のフィン部において高い温度が検出され、その下部の
内胴部やスカート部では比較的低い温度が検出されてい
る。また、水管部では内部に水が循環することから非常
に低い温度が検出されている。

【００４１】このようなサーモビューワ３４によって検
出された温度分布のデータを、要素データファイルに追
加の属性データとして与える場合、外部表面に位置する
フィン外部、内胴部、スカート部、水管部に対しては、
そのままサーモビューワ３４によって検出された温度分
布のデータを補完法等により主要面毎に貼り付けること
ができる。例えば、図５および図６に示した主要面Ｍ２
（フィン外部側面）に対して、サーモビューワ３４によ
って検出された同じ面の輻射熱データを、その４節点に
対応させるようにして各要素の温度データとすることが
できる。サーモビューワ３４によって検出された主要面
Ｍ２の輻射熱データが図９における要素データの数より
少ないときには、補完法によりその足りない要素の温度
データを求めることができる。逆に、サーモビューワ３
４によって検出された主要面Ｍ２の輻射熱データが図９
における要素データの数より多いときには、輻射熱デー
タを間引くことで対応する位置の要素の温度データとす
ることができる。

【００４２】フィン内部のようにサーモビューワ３４に
よって温度を測定することが困難な部分の温度について
は、前述のように、測定された各点の温度と熱伝導特性
と有限要素法のプログラムによる熱伝導解析によって求
めた温度データを、追加の属性データとして与える。

【００４３】次に、図２における熱応力解析手段２４に
よって、有限要素法による熱応力解析を行う。これにつ
いて、図１２を参照して説明する。図１２（ａ）は、上
述のように温度データが要素の属性データとして、２０
個の積分点毎に与えられた場合における要素Ｅｎのデー
タ構造を示している。このように、サーモビューワ３４
等によって測定された外部の温度データや主要な点の温
度データと、熱伝導特性に基づいて演算された内部の温
度データとにより、各要素に温度データが与えられたこ
とで、熱交換器モデルの温度分布がデータとして求めら
れたことになる。この温度分布のデータからなる温度分
布ファイルは、図１におけるファイル１６に格納され
る。

【００４４】その後は、図１２（ｂ）に示したように、
各部品の持つ温度に対する歪み特性Ｆ＝ｆ（ｍ，Ｔ）
（部品ｍと温度Ｔの関数）を、材料の持つ特性と板厚等
から測定して得て、その歪み特性Ｆにより各要素の歪み
量ε（＝温度上昇による膨張後のサイズ／元のサイズ）
を求める。

【００４５】次に、図１２（ｃ）に示したように、引張
試験機３６によって熱交換器の各部品の材料片毎に測定
して得た、温度を変数とする応力−歪み特性（応力−歪
み曲線）に従って、各要素に与えられる応力σ（ｋｇ／
ｍｍ² ）を求める。これらの演算は、いずれもＡＢＡＱ
ＵＳ等の有限要素法を利用したプログラムにより容易に
求めることができる。

【００４６】次に、図２における解析結果検証手段２５
によって、熱応力解析によって求められた応力分布の妥
当性を検証する解析結果検証を行う。具体的には、歪み
試験機３７により、加熱された熱交換器について歪み試
験を行い、その試験結果を歪み試験結果処理手段３３に
よって処理して、ワークステーション１０の解析結果検
証手段２５に送る。解析結果検証手段２５は、熱応力解
析の際に求まった歪みと実測された歪みとを比較して、
両者に顕著な差異が無ければ、熱応力解析によって求め
られた応力分布が妥当であると判断する。

【００４７】なお、この解析結果検証は、行った方が望
ましいが、省略しても良い。解析結果検証を省略する場
合には、図２における解析結果検証手段２５，歪み試験
結果処理手段３３，歪み試験機３７および図３における
解析結果検証（ステップＳ１０５）が省かれる。

【００４８】次に、休止状態（非加熱状態）についても
各要素に与えられる応力を求め、加熱状態における応力
と休止状態における応力との差（振幅）を求め、材料毎
に、熱交換器の運転，休止を繰り返したときに応力振幅
が最大となる要素の応力振幅（最大応力振幅）を抽出す
ることにより、解析の対象となった熱交換器の寿命を知
ることができる。

【００４９】図１３は、線形の特性を持つ材料の応力−
歪み曲線の一例を示したものである。線形の特性を持つ
材料の場合、加熱する以前の初期状態における応力と
加熱後の休止状態における応力は等しい。従って、応
力振幅は、加熱状態における応力と初期状態におけ
る応力との差と等しい。

【００５０】これに対し、図１４に非線形の特性を持つ
材料の応力−歪み曲線の一例を示したように、非線形の
特性を持つ材料の場合には、初期状態における応力と
加熱後の休止状態における応力は等しくならない。ま
た、図１５に示したように、耐久試験等に際しては、温
度が初期状態における温度まで下がる以前に次の加熱
が開始されるサイクルとなって、線形材料であっても初
期状態における応力と加熱後の休止状態における応
力とは一致しない材料もある。図１４に示した非線形の
特性を持つ材料の場合や、図１５に示したような材料の
場合には、高温損傷に対する耐久性の判定基準である応
力振幅としては、加熱状態における応力と休止状態
における応力との差を採用するべきである。そのため、
最大応力振幅を決定するに先立って、休止状態における
応力分布を求めている。

【００５１】このようにして、応力振幅は求まったなら
ば、図２における耐久性評価手段２７によって、高温損
傷に対する耐久性が評価される。この場合、熱交換器の
部品を構成する材料が予め分かっており、その材料にお
ける応力振幅と寿命との関係を示す寿命特性（疲労曲
線）も各種データが揃っている。従って、例えば図１６
に示したように、縦軸に応力振幅、横軸に運転・休止の
繰り返し回数をとった寿命特性データを、予め図１にお
ける寿命特性データ保持手段２６に記憶しておき、評価
の対象となる熱交換器における応力振幅から、図１５に
示した寿命特性データを用いて、その応力振幅に対応す
る限界繰り返し回数を求めることができる。なお、図１
６において、符号Ｎｆ−１〜４は素材の種類を表してい
る。そして、例えば、限界繰り返し回数が１０万回を越
えていれば、家庭用製品も用いられる熱交換器としての
高温損傷耐久性は十分にあると評価することができる。

【００５２】ここで、図１６について説明を加える。仮
に応力振幅が８．３６ｋｇ／ｍｍ²であれば、図１６に
おいて符号Ｎｆ−３で示される高温耐久性を有する素材
製の部品であれは、約３２万回の運転・休止の繰り返し
に耐えることもできるので、家庭用としてはもちろん、
業務用製品に用いられる熱交換器としても高温耐久性は
十分にあると評価される。また、図１６において符号Ｎ
ｆ−１で示される高温耐久性を有する素材製の部品であ
れば約６５万回の運転・休止の繰り返しに耐えることが
できるので、業務用としての高温耐久性は十分であると
評価される。

【００５３】これに対して、図１６において符号Ｎｆ−
４で示す高温耐久性を有する素材製の部品の場合は、限
界繰り返し回数が１０万回を越えているため家庭用とし
ては十分な高温耐久性を有すると判定されるが、３０万
回には達していないので、その高温耐久性が業務用製品
に用いられる熱交換器としては不十分であると評価され
る。

【００５４】このように、本実施の形態における高温耐
久性の判定は、図１５のような寿命特性データから得ら
れた限界繰り返し回数が所定の回数（例えば家庭用熱交
換器ならば１０万回、業務用熱交換器ならば３０万回）
を越えているか否かという定量的な判定であるため、非
常に正確である。従って、本実施の形態によれば、適切
な構造の熱交換器が設計されたかどうか、また改善すべ
き箇所はどこか等の情報を実際に何万回かの加熱と休止
の繰り返し実験を行うことなく、シミュレーションによ
って得ることができる。

【００５５】また、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置および方法によれば、モデル作成手段２１，温度デ
ータ設定手段２２，熱伝導解析手段２３，熱応力解析手
段２４，解析結果検証手段２５および耐久性評価手段２
７を、１台のコンピュータ（ワークステーション１０）
によって実現し、図３に示したモデル作成（ステップＳ
１０１）から耐久性評価（ステップＳ１０６）までの一
例の処理を１台のコンピュータ（ワークステーション１
０）によってスタンドアロンで実行するようにしたの
で、安価に高温耐久性評価のためのシステムを構築でき
ると共に、システムの構築が簡易になり、接続ミス等の
ミスが発生しにくくなり、更に、複数台のワークステー
ション間におけるデータ転送がなくなるので、処理時間
を短縮することができる。

【００５６】また、本実施の形態に係る高温耐久性評価
装置および方法によれば、高温耐久性を評価すべき機器
についてのシミュレーションモデルを、比較的簡単な操
作により、数万個の要素に分解して、適正な入力データ
を作成することができる。従って、有限要素法を利用し
たコンピュータプログラムによる熱応力解析を行う場
合、その入力データの準備工程を比較的簡単な工程で短
時間で完了することができ、現実的な熱応力解析のシミ
ュレーションを可能にすることができる。更に、有限要
素法により解析モデルの要素毎の応力振幅とその寿命特
性を、コンピュータシミュレーションにより求めること
ができ、設計段階での高温耐久性評価を比較的容易に且
つ短時間で行うことができる。

【００５７】なお、本発明は上記実施の形態に限定され
ず、例えば、上記の実施の形態では、高温耐久性を評価
すべき機器として給湯器用の熱交換器を例にとって説明
したが、本発明はこれに限定されずに、ガスエアコンの
熱交換器，ガスや石油を使用するファンヒータの燃焼
室，ＦＦ（Ｆｏｒｃｅｄ Ｆｌｕｅ）暖房機の熱交換
器，水水熱交換器，ボイラ，セラミックヒータ，オイル
ヒータの熱交換器，電気ポット，炊飯器の釜等、熱応力
が加わる機器全般に適用することができる。給湯器用の
熱交換器以外の機器の高温耐久性を評価する場合にも、
実施の形態と同様に、対象とする機器のシミュレーショ
ンモデルを作成すると共に、他の処理やデータについて
も、対象とする機器に適したものに変更すれば良い。

【００５８】図１７には、給湯器用の熱交換器以外の機
器の一例として、ファンヒータの燃焼室についてのモデ
ル作成例を示す。このファンヒータの燃焼室の場合も、
図１７に示したように、ファンヒータの燃焼室のモデル
を、各平面に対応する主要面Ｍ１，Ｍ２，…に分解す
る。その後の処理は、給湯器用の熱交換器と同様であ
る。

【００５９】また、本発明におけるコンピュータとして
は、ワークステーション１０に限らず、パーソナルコン
ピュータ等でも良い。

【００６０】また、本発明におけるシミュレーションモ
デルは、有限要素法モデルであることが好ましいが、有
限要素法モデルに限定されるものではなく、コンピュー
タを用いて有効に実行されるシミュレーションで利用可
能なモデルであれば良い。同様に、本発明における熱応
力解析は、有限要素法を利用したものに限らない。ま
た、熱伝導解析を行わなくとも、実測によって全ての要
素の温度データが得られる場合には、図２における熱伝
導解析手段２３および図３における熱伝導解析（ステッ
プＳ１０３）を省いても良い。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の高温耐久性
評価装置によれば、モデル作成手段、熱応力解析手段お
よび評価手段を１台のコンピュータによって実現したの
で、また、本発明の高温耐久性評価方法によれば、モデ
ル作成手順、熱応力解析手順および評価手順を１台のコ
ンピュータによって実行するようにしたので、安価にシ
ステムを構築できると共に、システムの構築が簡易にな
りミスが発生しにくくなり、更に、処理時間を短縮する
ことができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る高温耐久性評価装
置の概略の構成を示す説明図である。

【図２】図１に示した高温耐久性評価装置の構成を示す
機能ブロック図である。

【図３】図１に示した高温耐久性評価装置の全体の動作
を示す流れ図である。

【図４】図３におけるシミュレーションモデルの作成に
ついて説明するための流れ図である。

【図５】給湯器等に使用される一般的な熱交換器の斜視
図である。

【図６】図５に示した熱交換器のモデルの主要面の展開
図である。

【図７】本発明の一実施の形態における主要面ファイル
のデータ構造を示す説明図である。

【図８】本発明の一実施の形態における主要面とメッシ
ュ（要素）との関係を示す説明図である。

【図９】本発明の一実施の形態における要素データファ
イルの一例を示す説明図である。

【図１０】図９に示した要素データファイルに従ってコ
ンピュータの画像処理により合成された熱交換器モデル
を示す斜視図である。

【図１１】本発明の一実施の形態におけるサーモビュー
ワの表示出力の一例を示す説明図である。

【図１２】本発明の一実施の形態における熱応力解析に
ついて説明するための説明図である。

【図１３】線形の特性を持つ材料の応力−歪み曲線の一
例を示す特性図である。

【図１４】非線形の特性を持つ材料の応力−歪み曲線の
一例を示す特性図である。

【図１５】耐久試験等における加熱，休止サイクルを示
す説明図である。

【図１６】本発明の一実施の形態における寿命特性デー
タの一例を示す特性図である。

【図１７】ファンヒータの燃焼室についてのモデル作成
例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１０ ワークステーション １１〜１７ ファイル ２１ モデル作成手段 ２２ 温度データ設定手段 ２３ 熱伝導解析手段 ２４ 熱応力解析手段 ２５ 解析結果検証手段 ２６ 寿命特性データ保持手段 ２７ 耐久性評価手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温耐久性を評価すべき機器についての
   シミュレーションモデルを作成するモデル作成手段と、 前記機器の加熱状態における温度分布と前記機器を構成
   する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、前記モデル
   作成手段によって作成されたシミュレーションモデルの
   加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手段と、 この熱応力解析手段によって求められた応力分布と前記
   機器の寿命特性とに基づいて前記機器の高温耐久性を評
   価する評価手段とを備え、これらモデル作成手段、熱応
   力解析手段および評価手段が、１台のコンピュータによ
   って実現されていることを特徴とする高温耐久性評価装
   置。
2. 【請求項２】 高温耐久性を評価すべき機器についての
   シミュレーションモデルを作成するモデル作成手順と、 前記機器の加熱状態における温度分布と前記機器を構成
   する材料片の応力−歪み特性とに基づいて、前記モデル
   作成手順によって作成されたシミュレーションモデルの
   加熱状態における応力分布を求める熱応力解析手順と、 この熱応力解析手順によって求められた応力分布と前記
   機器の寿命特性とに基づいて前記機器の高温耐久性を評
   価する評価手順とを含み、これらモデル作成手順、熱応
   力解析手順および評価手順を、１台のコンピュータによ
   って実行することを特徴とする高温耐久性評価方法。