专利名称：热交换量模拟程序的构成方法及存储该程序的存储媒体的制作方法
技术领域：
本发明涉及用来模拟利用冷媒(制冷剂)和空气的热交换求得冷冻效果的装置的热交换量的模拟程序，并涉及利用面向对象语言构成该程序时的类的定义方法。
背景技术：
作为利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置，比如，可举出作为冷冻循环及冷冻循环的一部分的热交换器(换热器)等等，在设计这些装置时，现在是使用模拟程序预先预测该装置的热交换量。如果能够以高精度预测这种装置的热交换量，就可以预测所设计的装置的性能，并且可以设计出符合必需性能的装置。作为冷媒回路的模拟方法，比如，有专利文献1，而作为热交换器的模拟方法，比如，有专利文献2。
1.日本专利特开平09-257319号公报2.日本专利特开平07-281727号公报在上述专利文献1中记述的冷媒回路的模拟方法，是将构成冷媒回路的压缩机、蒸发器、冷凝器、热交换器等的连接关系表示成矩阵，通过将这些构成要素的参数对每个型号名预先进行登录，用户只要指定型号名就可以进行模拟，但在此专利文献1中叙述的冷媒回路的模拟方法中，与将连接各个构成要素的管子的一部分以不同的部件替换这样的变更是不能对应的。另外，热交换器等的规格的变更是可能的，但这只承认参数数值的变更，而不承认采用新的参数，要想做到这一点除了在主程序中定义并写入新函数之外别无他途。
在专利文献2中叙述的热交换器的模拟方法，是将热交换器分割为多个，对分割的各部分分别求得传热量，将其合计值作为热交换器的传热量，但对于分割的方法没有特别叙述，关于采用新部件时的扩充性也没有叙述。
在现有的冷冻循环和热交换器的模拟器中，在程序执行时，用户可以指定的参数只是各部件的大致尺寸，比如，热交换器的面积及宽度等宏观数值，而关于冷媒的流路(以下称其为通路)的布局及部分地使用形状不同的管子等涉及内部结构之处都已经预先组合到程序中。实际上，在进行热交换器设计时，有时部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，但详细结构在程序中固定的现有的模拟器，作为一种设计支持工具使用上不方便。
另外，在现有的冷冻循环和热交换器的模拟程序中，为表现空气和冷媒间的热交换现象是将全体作为一个过程对待的，在一个函数内进行计算求得的。一般，由于构成热交换器的散热片及管子等等的形状特性(有无管槽及散热片的类型)的不同，表示传热及摩擦等物理现象的式子也不同，所以必须在每次改变形状及其组合时生成模拟程序不可。如果是这种方法，在每次导入新形状的管子及散热片等的模型时，就必须增加标志及函数等等对核心程序整体进行修正不可，不能与作为模拟对象的热交换器的构成要素的调换灵活地对应。同样，即使是针对导入传热系数的新的表现模型的场合，也不能灵活地对应。
此外，在现有的冷冻循环及热交换器的模拟程序中，作为计算某一物理量的函数的自变量，罗列出在该函数内使用的变量列表。在这一方法中，必须在主程序中记载与每个部件的型号相对应的函数接口。因此，在增加新部件时，缺乏扩充性。在伴随已有的计算模型修正的自变量列表的更新方面也一样。此外，在现有的程序中，使用用来选择相当的式子的标志而采用条件分支的算法，但在实际的热交换器中，由于从冷媒的入口起到出口止并不限定于使用同一种管子连接，而是由直管、接头、弯头、分支管、集流管等组合而成，在使用标志的算法中，存在程序复杂的问题。
本发明系有鉴于上述问题而完成的发明，其目的在于提供一种实际上为进行热交换器设计可以很容易地部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的、通过冷媒和空气的热交换而求得冷冻效果的装置的模拟方法。
发明内容
本发明是一种用来计算热交换量的模拟程序的构成方法，其特征在于将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置的各部件中发生的现象的模型，在互相独立的范围中分解，将该分解的范围分别定义为类，如果在此分解的范围内互相类似的部件有多个，加之在计算上有必要对其进行区别时，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
通过这样的构成，可以提供一种实际上为进行热交换器设计可以很容易地部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的、通过冷媒和空气的热交换而求得冷冻效果的装置的模拟方法。
图1为示出在本发明中从类定义起到现象模型的安装止的流程的流程图。
图2为本发明的冷冻循环模拟器的构成类图。
图3为本发明的热交换器模拟器的构成类图。
具体实施例方式
下面根据附图对本发明的实施形态予以说明。
本发明的通过冷媒和空气的热交换而求得冷冻效果的装置的模拟方法，是利用模拟程序执行，为记述此程序的代码而使用面向对象语言，为使模拟器成为独立的要素对象的组合，表现部件类和工作流体类。作为这一个类的定义方法，有图1所示的流程图，本发明以这一个类定义方法为其一个特征。
下面对图1的流程图予以说明。首先，在为进行利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置的模拟而生成程序的场合，观察并抽出在该装置中发生的现象(F01)。与此同时，抽出与此现象相关的物质、物体(F02)，抽出该现象发生的场所(F03)。在此处将抽出的物质、物体作为工作流体类定义(F04)，将该现象发生的场所作为部件类定义(F05)。对于以上述方式定义的类，必须判断该类是否是在设计时或模型计算时处理的最小单位(F06)。此处所谓的最小单位，指的是表现在各构成部件中发生的现象的模型互不影响的独立单位，是分解到在改写程序代码时不会影响其他的范围为止的单位。在定义的类未成为最小单位的场合，为了分解为更细的部件类(F07)，返回到开始再定义类，进入到所定义的类成为最小单位的场合(F08)。
对于判断为最小单位的部件类，判断在设计上有无可置换的类似部件，在计算上是否必须对其进行区别(F08)。此处，在判断为不存在设计上可置换的类似部件，或是虽然存在可置换的部件，但在计算上不需要对其进行区别的场合，就进入(F11)。在判断为存在设计上可置换的类似部件，加上在计算上需要对其进行区别的场合，就将这些类似部件之间的共通特征总结宣布抽象类(F09)。在此抽象类之下在必需的部件的种类范围内定义子类(F10)，对于这个子类也再次判断在设计上有无可置换的类似部件，在计算上是否必须对其进行区别(F08)，并在该相应的场合反复执行(F09)→(F10)→(F08)的循环，在不相应的场合，就进入到(F11)。对于这样确定的类，针对该部分的材质及有关的工作流体，将实际上发生的现象模型的安装函数写入(F11)。
利用这样的图1的流程图，定义工作流体类、部件类，通过根据这个类定义以面向对象语言生成模拟程序，可以构成扩充性丰富的模拟器。下面，作为更具体的示例，对使用此流程图生成冷冻循环的模拟程序的场合予以说明。
实施例1所谓的冷冻循环，是由压缩机、热交换器、绝热材料等构成而获得冷冻效果的装置，下面利用图2对应用本发明的模拟方法来生成模拟作为全部这些部件的空气和冷媒的热交换量的程序的场合予以说明。首先，冷冻循环(A01)，是集中冷冻循环构成部件类(A02)而构成。将空气类(A03)和冷媒类(A04)定义为与此冷冻循环构成部件类(A02)相互作用的工作流体类。另外，也考虑到构成部件以绝热材料覆盖的场合，冷冻循环构成部件类(A02)的构成也集中绝热材料类(A05)。这些是由图1的流程图的(F01)～(F05)的流程定义的类。
此处，如果判断冷冻循环构成部件类(A02)是否成为在设计中或模型计算中的最小处理单位(F06)，在冷冻循环构成部件中有压缩机、管、热交换器，在判断将这些汇总成为一个处理会使模拟器的精度降低时，就将压缩机类(A06)、管类(A07)、热交换类(A08)定义为冷冻循环构成部件类(A02)的继承类。
有时必须针对上述压缩机类(A06)、管类(A07)、热交换类(A08)这三类，分别在图1的流程图(F08)中判断是否存在设计上可以置换的类似部件，并且假如存在的话，是否有必要在计算上对这些进行区别。比如，如果只定义压缩机类(A06)进行模拟，由于未反映压缩机种类的差异等等，要反映压缩机种类的差异，可以在图1的流程图(F09)中将压缩机类(A06)宣布为抽象类，在(F10)中，将继承压缩机类(A06)的性质的子类对压缩机的每个种类进行定义。压缩机的种类有往复式、涡轮式、旋转式等，通过将这些定义为往复式类(A09)、涡轮式类(A10)、旋转式类(A11)，就可以选择压缩机的种类进行模拟。同样，如果只定义管类(A07)进行模拟，由于未反映管子种类的差异，要反映管子种类的差异，可以在图1的流程图(F09)中将管子类(A07)宣布为抽象类，在(F10)中，将继承管类(A07)的性质的子类对管子的每个种类进行定义。管子的种类有直管、弯管等，通过将这些定义为直管类(A12)、弯管类(A13)，即使是在管子种类有部分差异时，也可以通过针对每个该部分分别选择最合适的类进行模拟，提高模拟的精度。
对这样定义的每个类，安装在其类中发生的现象模型(F11)。比如，对压缩机类(A06)，安装计算出口冷媒状态的函数和压缩流体时的放热量的函数。在其他类中也安装基于在各个类中发生的现象的函数。
这样，如果将冷冻循环考虑为其构成部件的汇总，就可以对各个部件每一个定义类而对部件内的热交换量进行模拟，可以通过对各个部件的热交换量进行累计而模拟整个冷冻循环的热交换量。另外，在本发明中，由于是使用面向对象语言构成模拟程序，在某个类下新定义继承该类的性质的部件类简单易行，因此，可通过更细的设定进行模拟。就是说，由于可以根据用户的需要设定该模拟的精度，可以说是扩充性非常高的模拟程序。
在上述实施例中，对整个冷冻循环的模拟程序的构成方法进行了说明，但对于作为其构成要素之一的热交换器部分是其详细内容并未得到反映的状态。但本发明不限于此，通过对热交换器进行更为详细的设定，也可以构成可对热交换器部分的热交换量正确模拟的程序。所以下面将对根据图1的流程图定义部件类，构成热交换器的模拟程序的场合予以说明。
实施例2下面利用图3对热交换器的构成方法予以说明。在上述实施例1中，是将冷冻循环分割为每个构成部件考虑热交换量，而在热交换器的场合，是将热交换器分割为称为单元的细小部分，计算各单元的热交换量，最后通过对全部单元的热交换量进行累计而求出整个热交换器的热交换量。分割单元的尺寸的大小，设定为小到即使是以一种式子表现在其中发生的工作流体的状态变化也没有问题的程度。
为了在类定义中反映这种分割为单元的方法，如图3所示，热交换类(A08)，是汇总单元类(B01)而构成。另外，在热交换类(A08)中写入单元的几何配置信息、通路数、全体管子和散热片的几何配置信息等等。
热交换器是管子和散热片的组合结构，由于即使是将其分割为细小单元也一样，所以，如图3所示，单元类(B01)，是将管类(A07)和单元类(B02)汇总而构成。细分为称为单元的单位的管子，可以忽略其与空气的相互作用而只考虑与冷媒的相互作用，同样，细分为称为单元的单位的散热片，可以忽略其与冷媒的相互作用而只考虑与空气的相互作用。因此，管类(A07)，考虑与冷媒类(A04)的相互作用，而散热片类(B02)考虑与空气类(A03)的相互作用。
另外，在管类(A07)中，由于有时在计算传热系数时考虑热流束的影响，定义热流束类(B03)，考虑管类(A07)和热流束类(B03)的相互作用。
此处，管类(A07)，对图2所示的冷冻循环的模拟赋予与程序中的管类相同的符号，这是表示如果在程序中对冷冻循环的模拟一次定义完成的话，在热交换器的模拟程序中可调用同一管类使用。对于图2和图3赋予同一符号的其他类，也与管类一样。
管类(A07)，与图2所示的冷冻循环的场合一样，如果只定义管类(A07)进行模拟，由于不能反映管子的种类的差异，将管类(A07)作为抽象类宣布，通过定义作为继承此管类(A07)的性质的子类的直管类(A12)、弯管类(A13)，即使是管子的种类部分地有差异，对各该部分也可以分别选择最适合的类进行模拟。另外，在直管中也有平滑管和带槽管，在计算上需要对其进行区别时，还将直管类(A12)宣布为抽象类，通过对作为继承此直管类(A12)的性质的子类的平滑管类(B06)、带槽管类(B07)进行定义，可以在模拟结果中使直管种类的差异得到反映。
散热片类(B02)，如果只定义散热片类(B02)进行模拟，由于不能反映散热片的种类的差异，将散热片类(B02)作为抽象类宣布，通过定义作为继承此散热片类(B02)的性质的子类的平板散热片类(B04)、百叶窗式散热片类(B05)，即使是管子的种类部分地有差异，对各该部分也可以分别选择最适合的类进行模拟。
对这样定义的每个类，安装在其类中发生的现象模型。比如，对平板散热片类(B04)，安装计算表面和空气的传热系数的函数、计算表面和空气的摩擦系数的函数和计算散热片内的传热的函数。在其他类中也安装基于在各个类中发生的现象的函数。
这样，如果将热交换器考虑为其细分单元的汇总，就可以对各个单元每一个作为由管子和散热片的组合组成的而考虑在各单元中管子和散热片与空气的相互作用对热交换量进行计算，可以通过对各个单元的热交换量进行累计而模拟整个热交换器的热交换量。另外，在本发明中，由于是使用面向对象语言构成模拟程序，在某个类下新定义继承该类的性质的部件类简单易行，因此，可通过更细的设定进行模拟。就是说，由于可以根据用户的需要设定该模拟的精度或自由设定运算式等，可以说是扩充性非常高的模拟程序。
作为具体例子，与冷媒在平滑管内流动时的摩擦系数计算式1f=2.01log(Ref)-0.8···(1)]]>其中，Re是雷诺数。相对于此，冷媒在带有螺旋槽管内流动时的摩擦系数计算式为f=0.04·Re-0.20DnDhAfaAfn(secβ)0.75···(2)]]>其中，Dn、Dh、Afa、Afn、β为管子结构参数。可知，因管子的种类的不同，摩擦系数计算式也不同。在现有的程序的构成方法中，在主程序中必须对这些函数赋予不同的名称，但如本发明这样使用面向对象语言构成程序时，可以对每个类以相同的称为f的函数名定义摩擦系数计算式，由于在主程序侧，只要发出“f计算”的指示，就可以计算在各个单元中选择的类的函数f，对计算式的变更也可以灵活地对应。
另外，即使是同样的带槽管，如下式所示，
f=8.633·e·p-0.5(Re5000)-0.2···(3)]]>其中Re是雷诺数，e、p是管子结构参数。摩擦系数计算式的定义有时不同，但即使是这种场合，因为使用面向对象语言构成程序，只要定义用于进行式(3)的运算的新类，就可以对应。这样，由于通过采用类这一概念，可以不改写主程序就可以进行改变等等，所以可以构成扩充性非常高的程序。
另外，上述(1)～(3)的出处如下(1)平滑管公式的出处Prandtl-Karman formula，日本机械学会编，机械工学便览A5p.75(2)带槽管的Carnavos的公式的出处Carnavos，T.C.，Heat transfer performance of internally finnedtubes in turbulent flow，Heat Trasfer Engineering，1(4)，pp 32-37，1980(3)带槽管的日本机械学会基准的公式的出处JSME S011，热交换器的热设计法，p35，1996在上述实施例2中说明的热交换器的模拟程序中，可以将热交换器考虑为其细分单元的汇总，可以对各个单元作为由管子和散热片的组合组成的而在各单元中考虑工作流体的相互作用对热交换量进行计算，可以通过对各个单元的热交换量进行累计而模拟整个热交换器的热交换量。在本发明中，通过将单元考虑为由管子组成的而进行模拟，在管子中可以只从冷媒和热流束的关系出发对热交换量进行计算，而在散热片中可以只从冷媒和热流束的关系出发对热交换量进行计算，可以生成可复用性高的程序。另外，通过在各个管子和散热片中定义继承父类的性质的子类，可以无须对主程序进行改写而对更细的部件进行设定。
在上述实施例2中，由于程序的构成是可以针对每个单元设定散热片及管子的特性，由于可以忠实地再现实际机器的构成，所以可以成为作为设计工具的便利性高的模拟程序。
另外，通过组合散热片及管子之类的实际部件概念而表现热交换器模型，对传热及摩擦等现象以封闭在各个该现象发生的域(部件)内的方式进行描述，所以即使是在空气侧、冷媒侧的传热现象的表现方法改变，也可以构成互不影响的程序。
将散热片及管子作为抽象的部件类，作为这些的派生定义百叶窗式散热片、平板散热片、平滑管、带槽管等的类，再通过在对这些派生类中的模拟时所必需的参数进行汇总而定义冷媒状态、空气状态、热流束状态等的类，可以使在热交换器模型内进行空气侧热导率、冷媒侧热导率计算用所必需的函数接口通用化。如果函数接口通用化，即使是在热交换器类中其构成管子的内表面形状不同，也可以调用以同一代码描述的必需函数。也不需要像现有方式这样准备标志。即使是在投入新种类的部件，除了新定义部件类之外，只要扩充自变量使用的类就可以，不会影响到热交换器的模拟函数。
根据技术方案1所述的发明，因为是将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置的各部件中发生的现象的模型，在互相独立的范围中分解，将该分解的范围分别定义为类，如果在此分解的范围内互相类似的部件有多个，加之在计算上有必要对其进行区别时，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序，所以可以提供一种实际上为进行装置设计可以很容易地部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的、通过冷媒和空气的热交换而求得冷冻效果的装置的模拟方法。
根据技术方案2所述的发明，因为是将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的冷冻循环中发生的现象的模型作为互相独立的范围，定义为压缩机类、管类、热交换器类，如果在此类内互相类似的部件有多个，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序，所以可以提供一种实际上为进行装置设计可以很容易地部分地对分开使用管子等的部件的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的、通过冷媒和空气的热交换而求得冷冻效果的冷冻循环的模拟方法。
根据技术方案3所述的发明，因为上述热交换器类，是将对分割为多个单元的每一个设置的单元类集中而构成，表现在各单元中发生的现象的模型，将管类和散热片类集中而构成单元类，作为互相独立的范围，将冷媒类定义为与管类相互作用的工作流体，将空气类定义为与散热片类相互作用的工作流体，并且在管类和散热片类各自之中互相类似的部件有多个时，就将这些类似部件之间的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序，所以可以构成一种对于作为冷冻循环的一部分的热交换器，实际上为进行装置设计可以很容易地部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的热交换器的模拟程序，结果可以提高冷冻循环的模拟精度。
根据技术方案4所述的发明，因为利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的热交换器是将对分割为多个单元的每一个设置的单元类集中而构成，表现在各单元中发生的现象的模型，将管类和散热片类集中而构成单元类，作为互相独立的范围，将冷媒类定义为与管类相互作用的工作流体，将空气类定义为与散热片类相互作用的工作流体，并且在管类和散热片类各自之中互相类似的部件有多个时，就将这些类似部件之间的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序，所以可以构成一种实际上为进行热交换器设计可以很容易地部分地对分开使用散热片及管子的内部结构进行改变，并且在增加新部件的场合具有丰富扩充性的热交换器的模拟程序。
根据技术方案5所述的发明，因为是在计算机中存储用来实现技术方案1至4中的任何一项中所述的功能的模拟程序的存储媒体，可以利用从模拟程序作为用来开发冷冻循环、热交换器等的设计支持工具。
权利要求
1.一种用来计算热交换量的模拟程序的构成方法，其特征在于将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置的各部件中发生的现象的模型，在互相独立的范围中分解，将该分解的范围分别定义为类，如果在此分解的范围内互相类似的部件有多个，加之在计算上有必要对其进行区别时，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，仅在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
2.一种用来计算热交换量的模拟程序的构成方法，其特征在于将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的冷冻循环中发生的现象的模型作为互相独立的范围，定义为压缩机类、管类、热交换器类，如果在此类内互相类似的部件有多个，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，仅在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
3.如权利要求2所述的用来计算热交换量的模拟程序的构成方法，其特征在于所述热交换器类是将对分割为多个单元的每一个设置的单元类集中而构成，表现在各单元中发生的现象的模型，作为互相独立的范围将管类和散热片类集中而构成单元类，将冷媒类定义为与管类相互作用的工作流体，将空气类定义为与散热片类相互作用的工作流体，并且在管类和散热片类各自之中互相类似的部件有多个时，就将这些类似部件之间的共通特征抽出定义为抽象类，仅在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
4.一种用来计算热交换量的模拟程序的构成方法，其特征在于利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的热交换器是将对分割为多个单元的每一个设置的单元类集中而构成，表现在各单元中发生的现象的模型，作为互相独立的范围将管类和散热片类集中而构成单元类，将冷媒类定义为与管类相互作用的工作流体，将空气类定义为与散热片类相互作用的工作流体，并且在管类和散热片类各自之中互相类似的部件有多个时，就将这些类似部件之间的共通特征抽出定义为抽象类，仅在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
5.一种用来在计算机中存储用来实现权利要求1至4中的任何一项中所述的功能的模拟程序的存储媒体。
全文摘要
本发明可提供一种在增加新部件的场合等具有丰富扩充性的用来求得冷媒和空气的热交换产生的冷冻效果的装置的模拟方法。将表现构成利用冷媒和空气的热交换求得冷冻效果的装置的各部件中发生的现象的模型，在互相独立的范围中分解，将该分解的范围分别定义为类，如果在此分解的范围内互相类似的部件有多个，加之在计算上有必要对其进行区别时，就将这些部件的共通特征抽出定义为抽象类，在必需的部件的种类范围在抽象类之下设置继承该抽象类的性质的子类，对所定义的各类安装现象模型，根据这些各类使用面向对象语言构成模拟程序。
文档编号G06F19/00GK1540501SQ200410033358
公开日2004年10月27日 申请日期2004年4月2日 优先权日2003年4月3日
发明者笹野雅惠, 野雅惠, 广, 楠本伸广, 史, 稲垣雄史 申请人:富士通将军股份有限公司