CFD解析結果を鵜呑みにして実機で温度超過が起きた話

熱流体解析ソフトが出す温度分布図は、色鮮やかで説得力がある。青から赤へのグラデーションを見せられると、つい「これで大丈夫だ」と安心してしまいがちだ。私自身、その色合いに引きずられて実機の温度超過を招いた経験がある。今回は、CFD解析の結果を鵜呑みにしたことで起きた失敗と、そこから学んだ解析との付き合い方について書いていきたい。

解析結果に安心しきっていた設計初期

その案件は、密閉型の制御盤内に発熱量の大きいインバータユニットを複数台搭載する設計だった。盤内の温度上昇が機器の寿命や誤動作に直結するため、放熱設計は案件の成否を左右する重要な要素だった。私は外部の解析専門会社に依頼し、CFDによる盤内熱流体解析を実施してもらった。

この案件を受注した当初、社内では「密閉型で高発熱の構成は難易度が高いため、解析による裏付けを取っておいた方がいい」という声が上がっていた。私自身もその意見に賛成し、通常であれば経験則と簡易計算で済ませることもある放熱検討を、あえて外部の専門会社に依頼するという、当時としては手厚い体制を組んだつもりだった。この判断自体は今でも間違っていなかったと思っている。問題は、解析を依頼したこと自体ではなく、その解析にどう向き合うかという、私自身の姿勢の方にあった。

解析結果として提示された温度分布図では、最も発熱量の大きいインバータ周辺でも、許容温度を十分に下回る結果が示されていた。ファンの配置や吸排気口のレイアウトを何パターンか比較検討し、最も温度分布が良好だった案を採用することに決めた。解析会社からの報告書には詳細な計算条件や境界条件も記載されており、私はその内容を一通り確認した上で「これなら問題ない」と判断し、そのレイアウトのまま図面化を進めた。

当時の私は、複数のレイアウト案を比較する解析結果の一覧を見て、正直なところ高揚感すら覚えていた。ファンの位置を数センチ動かすだけで温度分布がこれほど変わるのかと感心し、最適なレイアウトを科学的な根拠に基づいて選び出せたことに、設計者としての満足感を抱いていた。今振り返れば、その満足感こそが、前提条件そのものへの疑いを鈍らせる原因になっていたのだと思う。解析結果の「精度の高さ」に気を取られるあまり、その精度がどんな土台の上に成り立っているのかという、より根本的な問いを置き去りにしてしまっていた。

振り返れば、この時点で私が確認していたのは、あくまで「解析結果の数値」であって、「その数値がどのような前提条件のもとで導かれたものか」を本当の意味で咀嚼できていたわけではなかった。境界条件の欄には周囲温度や発熱量の設定値が記載されていたが、それが実機の使用環境と本当に一致しているかどうかまでは、深く検証していなかった。

実機試験で発覚した温度超過

盤の製作が完了し、実機での温度上昇試験を行ったところ、インバータ周辺の温度が解析結果を大きく上回り、許容温度の上限に迫る数値を記録した。長時間の連続運転を想定した試験では、さらに温度が上昇し、最終的には許容値を超過してしまう結果となった。

解析結果と実機の乖離を目の当たりにして、私は最初、測定方法に問題があるのではないかと疑った。しかし複数のセンサーで測定位置を変えて再測定しても、結果は大きく変わらなかった。解析結果と実測値の間に、無視できない差が生じていることは明らかだった。この時点で、私は自分がCFD解析というブラックボックスに対して、あまりにも無防備に信頼を置いていたことに気づかされることになった。

温度上昇試験に立ち会っていた品質保証担当者からは、「解析であれだけきれいな結果が出ていたのに、なぜここまで差が出るのか」と率直な疑問をぶつけられた。私自身、その場では明確な答えを持ち合わせておらず、非常に気まずい思いをしたのを覚えている。試験データをその場でグラフに起こし、時間経過とともに温度がじわじわと上昇していく様子を確認しながら、これは測定誤差では説明できないレベルの乖離だと、次第に確信を強めていった。

原因究明——解析条件と実機環境の乖離

解析会社に依頼して、解析条件を改めて詳細に確認する作業を行った。その過程で判明したのは、解析時に設定していた盤の周囲温度が、実際の設置環境よりも低く見積もられていたということだった。解析の前提条件は「周囲温度25度」となっていたが、実機が設置される工場内は、他の設備からの排熱もあり、夏場には周囲温度が35度近くまで上昇する環境だった。

さらに、解析モデルでは吸気口から取り込む外気の流量を理想的な条件で設定していたが、実際にはダクトの取り回しの都合で、想定していたほどの風量が確保できていないことも判明した。解析上は十分な換気が行われている前提だったが、実機ではダクトの圧力損失によって風量が目減りし、盤内の熱がこもりやすい状態になっていた。

このダクトの圧力損失についても、突き詰めて考えれば、以前私が油圧配管の圧力損失を見落として痛い目にあった経験と根は同じだった。配管であれダクトであれ、流体が通る経路が長くなったり曲がったりすれば、必ず抵抗が生まれ、実際に流れる量は理想値より少なくなる。頭ではわかっていたはずのこの原則を、今回は「解析ソフトが計算してくれているから大丈夫」という油断によって、また見落としてしまっていた。同じ種類の失敗を形を変えて繰り返してしまったことに、正直かなり落ち込んだ。

これらの条件の積み重ねにより、解析上は十分な温度余裕があるように見えていたレイアウトが、実際の使用環境では余裕をほとんど持たない、あるいは超過するレイアウトになってしまっていた。私はこの結果を見て、解析そのものが間違っていたわけではなく、解析に与えた前提条件と実機の使用環境との間にズレがあったことが根本原因だったのだと理解した。

発熱量の設定についても、細かく確認すると気になる点があった。インバータのカタログに記載された発熱量は、標準的な使用条件下での代表値であり、実際の運転パターンによっては、それを上回る発熱が発生する場面があった。今回の設備では、始動時に一時的に大きな負荷がかかる運転が頻繁に発生する仕様になっており、この負荷変動による発熱の増加分が、解析条件には反映されていなかった。カタログ値をそのまま鵜呑みにするのではなく、実際の運転パターンに即した発熱量を見積もる必要があったという点も、今回の反省点の一つだった。

応急対応——出荷スケジュールとの綱引き

原因が判明した時点で、既に量産設計はほぼ完了しており、出荷スケジュールも目前に迫っていた。私はこの状況で、応急的な対策と根本的な設計見直しのどちらを優先すべきか、非常に難しい判断を迫られることになった。

まず着手したのは、追加の冷却ファンを設置できないか検討することだった。盤内のレイアウトを大きく変更する時間的余裕はなかったため、既存の吸排気口を活かしつつ、風量を底上げできる位置に補助ファンを追加する応急策を選んだ。あわせて、インバータの運転制御ソフト側でも、内部温度が一定値を超えた場合に出力を一時的に絞るサーマルプロテクト機能を追加実装し、万が一の温度超過時にも機器の破損を防げるようにした。

これらの応急対応によって、実測での温度上昇は許容範囲内に収まる結果を得ることができ、当初のスケジュールから大幅に遅れることなく出荷にこぎ着けることができた。ただし、これはあくまで応急的な対策であり、次の量産ロットに向けては、盤内レイアウトそのものを、実機の使用環境を正しく反映した条件で再解析し、抜本的に見直す作業を並行して進めた。応急対応と恒久対策を同時に走らせるスケジュール管理は決して楽ではなかったが、顧客への影響を最小限に抑えるためには避けて通れない道だった。

なぜ前提条件の確認を怠ってしまったのか

原因が判明した後、私は自分自身の設計プロセスを振り返った。なぜ、これほど重要な前提条件の確認を怠ってしまったのか。理由の一つは、解析専門会社に依頼した時点で、条件設定も含めて「専門家に任せておけば適切にやってくれるはず」という一種の思考停止があったことだ。解析会社は、こちらから提示した条件をもとに忠実に計算を行っただけであり、周囲温度や吸気風量の設定が甘かったとすれば、それは条件を提示した設計側の責任だった。

もう一つの理由は、色鮮やかな温度分布図というアウトプットの説得力の強さだ。数値の羅列だけを見ていれば、もっと慎重に条件を吟味していたかもしれない。しかし、視覚的にわかりやすいグラフィックを見せられると、その裏にある前提条件への疑いが薄れてしまう。この心理的な作用は、CFD解析に限らず、あらゆる解析ツールを扱う設計者が陥りやすい罠なのだと、この経験を通じて痛感した。

さらに踏み込んで考えると、当時の私は解析専門会社との役割分担そのものを誤解していたのだと思う。私は「解析条件の設定も含めて専門家の領域」だと考えていたが、本来、解析条件のうち実機の使用環境に関わる部分は、設計者である私自身が最も詳しく把握していなければならない領域だった。解析会社はあくまで、与えられた条件をもとに正確な計算を行う専門家であり、その条件が実機とどれだけ合致しているかを検証する責任は、設計者側にある。この役割分担の認識が曖昧だったことが、確認漏れを招いた根本にあったと、今では理解している。

対策その1——解析条件のレビュー体制を構築する

この経験を機に、私は解析を外部に依頼する際、条件設定の段階で必ず社内レビューを行う体制を整えた。具体的には、解析会社に条件を提示する前に、実機が設置される環境の実測データやヒアリング結果をもとに、周囲温度や換気条件を可能な限り保守的に見積もるようにしている。特に周囲温度については、年間を通じた最悪条件、たとえば夏場のピーク時の環境温度を基準に設定することを標準ルール化した。

さらに、解析結果を受け取った際には、結果の数値だけでなく、設定した境界条件が実機の使用環境と整合しているかを必ずチェックリストで確認する工程を追加した。このチェックリストには、周囲温度、風量、発熱量、設置環境の特殊要因(他設備からの排熱など)といった項目を並べ、解析条件と実機条件を突き合わせて確認できるようにしている。この仕組みを導入して以降、解析と実機の乖離による温度超過は発生していない。

このチェックリストを作る過程で、私は過去に自分が関わった他の解析案件もいくつか遡って見直してみた。すると、今回ほど大きな乖離ではないものの、周囲温度の設定がやや楽観的だったり、発熱量の条件がカタログ値をそのまま採用していたりするケースが他にも見つかった。幸い実害には至っていなかったが、これは結果的に運が良かっただけで、条件次第では同様の温度超過が起きていてもおかしくなかった。この振り返り作業を通じて、自分が思っている以上に、前提条件の検証を軽視する癖が根付いてしまっていたことを痛感させられた。

対策その2——解析結果に頼りきらない現物検証の重視

もう一つ見直したのは、解析結果を「最終判断」として扱うのではなく、あくまで「設計の参考情報の一つ」として位置づけることだった。以前の私は、解析結果さえ良好であれば実機試験は確認作業程度のものだと考えていたが、この経験以降は、解析結果が良好であっても、実機での温度上昇試験を省略せず、むしろ厳しめの条件で必ず実施するようにしている。

また、可能な場合は簡易的なモックアップやプロトタイプを使った予備検証を、量産設計に入る前の段階で行うようにもしている。解析だけに頼らず、実際に近い条件で現物を確認するという工程を挟むことで、解析条件の見落としがあった場合でも早期に発見できる可能性が高まる。手間とコストは増えるが、後工程での大きな手戻りを防ぐという意味では、十分に見合う投資だと今では確信している。

具体的には、量産設計の前段階で試作機を一台製作し、実際の設置環境に近い条件、あるいはそれよりもやや厳しい条件で温度上昇試験を行う工程を、重要案件では標準的に組み込むようにした。この試験で問題が見つかれば、量産設計に入る前に設計変更で対応できるため、手戻りのコストを最小限に抑えられる。以前は「解析で十分良好な結果が出ているのだから試作は省略できないか」という声が社内から上がることもあったが、今回の経験を共有してからは、この試験工程の必要性に異論を挟む人はいなくなった。

この失敗から得た教訓

今回の一件を通じて私が最も強く学んだのは、解析結果というものは「入力条件が正しければ正しい結果が出る」という、当たり前だが忘れがちな原則だった。解析ソフトそのものの計算精度がどれほど高くても、前提条件が実機の環境とズレていれば、出てくる結果は現実とかけ離れたものになる。色鮮やかな分布図の説得力に流されず、その裏にある数値の一つひとつを疑う姿勢を持つことの大切さを、この失敗は教えてくれた。

CFD解析は非常に強力なツールであり、設計の初期段階で複数案を効率的に比較検討できる価値は計り知れない。しかしそれはあくまで「条件を正しく設定できていれば」という前提の上に成り立つものであり、解析結果を鵜呑みにすることは、設計者としての判断を放棄することと変わらない。この経験以降、私は解析結果を見るたびに、まずその前提条件を疑うところから確認を始めるようにしている。地味な確認作業ではあるが、それこそが解析という強力な道具を正しく使いこなすための、最も基本的な作法なのだと今は考えている。

この失敗を後輩に共有するとき、私は必ず「解析結果は答えではなく、あくまで仮説の一つだ」と伝えるようにしている。解析ソフトの計算能力がどれほど進化しても、そこに入力する条件を決めるのは人間であり、その条件が現実を正しく捉えているかどうかを検証する責任もまた、設計者自身にある。技術の進歩によって便利な道具が増えるほど、道具を過信せず、最後は自分の目と手で現物を確かめるという泥臭い姿勢の価値が、むしろ増しているのではないかと、この一件を振り返るたびに思う。

色鮮やかな温度分布図を見るたびに、あのときの許容値ぎりぎりの実測データが頭をよぎる。便利な解析ツールとどう向き合うかは、これからも設計者としての自分に問い続けていきたいテーマだと感じている。道具の精度を疑うのではなく、道具に与える前提を疑うこと。この視点の転換こそが、あの温度超過から得た最も大きな財産だったと、今振り返っても思う。次にどんな新しい解析ツールが登場しても、この姿勢だけは変えずに持ち続けたいと考えている。便利さに流されず、確認を惜しまない。それが結局、最も確実な近道なのだと、あの許容値ぎりぎりの実測データを見た日から、今も変わらず思い続けている。解析という強力な武器を手にしたからこそ、その使い方には慎重でありたいと、あの実測データを見た日から強く思うようになった。技術が進化する時代だからこそ、最後に頼れるのは自分自身の確認する姿勢なのだと、改めて胸に刻んでいる。