オフ・ザ・グリッド：F1の熱制限がシミュレーションの柔軟性を求める理由
F1において、熱はスピードの敵です。2026年のレギュレーション変更――ここ数十年で最も大きなパワートレイン構造の転換――が迫る中、この敵との戦いの舞台は、ラジエーター工房からシミュレーション環境へと移りつつあります。
熱設計エンジニアにとって、F1は常に「実証の場」でした。しかし、出力密度の限界に挑むにつれ、最大のボトルネックは熱伝達の物理現象そのものではなく、それをモデル化するツールの柔軟性にあることが明らかになってきました。
今日の「サーマル・クリフ」
2026年に施行される規制では、内燃機関（ICE）とエネルギー回生システム（ERS）の出力比をほぼ50対50とすることが義務付けられています。総出力は依然として高い水準を維持しますが、電気出力の割合はおよそ120 kWから350 kWへと急増し、バッテリーおよびモーター・ジェネレーター・ユニット（MGUK）システムに膨大な熱負荷がかかります。同時に、ICEの出力は550 kWから約400 kWへと低下し、放熱のバランスが電気系コンポーネントへと劇的にシフトすることになります。
排気を通じて熱の大部分を放出するエンジンとは異なり、電気系コンポーネントは狭い温度範囲内で厳密に制御された液体冷却を必要とします。
さらに事態を複雑にしているのが、F1の新しいアクティブ・エアロダイナミクスだ。これは、高ダウンフォースの「Zモード」と低抗力の「Xモード」を切り替えるもので、冷却ダクトを通る質量流量が滑らかな曲線ではなく、急速に変化する過渡的な変数となることを意味します。フロントウィングのフラップ角度をわずかに調整するだけで、サイドポッドの吸気口への気流が向かったり離れたりするため、冷却性能はモードに大きく依存することになります。
「既成の」モデリングが抱える問題
従来の1次元シミュレーションツールは、標準化された仮定と長方形のラジエーターコアに依存しています。しかし、現代のF1マシンにおけるパッケージングにおいて、標準的なものなど存在しません。サイドポッドの形状は空力性能を追求してミリ単位で最適化されており、冷却システムは利用可能な形状に適応しなければならず、その逆ではありません。
性能の余裕が紙一重である状況下では、「ブラックボックス」的な熱交換器モデルは、エンジニアが検討できる範囲を制限してしまう。リアボディワークの「コーラ瓶」のような絞り込みを最大化するために、ラジエーターを湾曲させたり、先細りにしたり、非矩形にしたりする必要がある場合、シミュレーションツールは、エンジニアが第一原理に基づいてこの特注の形状を定義できるようにしなければなりません。
「コーラ瓶」形状の容積を最大化：非矩形熱交換器
モデロンでは、高性能チームと協力し、「形状のギャップ」を埋める取り組みを行ってきました。現代のF1エンジニアは、必要な冷却能力を、縮小し、厳密に設計された空力エンベロープに収めるというパッケージングの難題に直面しています。モデロンの熱交換器ライブラリを使用することで、エンジニアは従来の矩形ブロックにとどまらず、実際の物理的な形状をモデル化することができます：
- B 特注の離散化： 熱交換器は、物理的なテーパーや曲率に合わせて離散化されます。
- 容積効率： 三角形や台形のスタック構造を採用することで、そうでなければ未使用の「デッドスペース」となってしまっていた車両パッケージング内の狭い領域を活用します。
これは、チームが高度な製造技術や3Dプリントされた金属コアを活用して、コンパクトで空力的に優れた熱交換器の形状を実現しようとする、F1における現在のトレンドと密接に符合しています。
ギャップの解消：CFDから1次元解析へのマッピング
熱交換器に衝突する気流は決して均一ではありません。サスペンション、ホイールの後流、および吸気口での乱流によって気流は歪められます。Zモードではこの歪みが強まり、コアへの気流が不足しますが、Xモードではよりクリーンな気流が得られます。気流の不均一に加え、積層型熱交換器では予熱された吸気空気の影響も受け、冷却効率がさらに低下します。平均質量流量に依存すると、過大設計や不必要な重量増加のリスクがあります。
これらの流れの不規則性を考慮するため、Modelon Impactは、CFDからの詳細データを直接取り込む不均一境界条件を実現します。ストリームチューブアプローチを使用することで、エンジニアはCFDから得られた空気速度と温度の2次元グリッドを1次元モデルにマッピングします。これにより、熱交換器は、冷却不足や過熱状態を含む、実際の面負荷を「認識」できるようになります。
.これは、CFDと1次元熱流体シミュレーションを組み合わせた結果をラップシミュレーションツールに直接反映させる、現在のF1チームのアプローチと類似しています。
ラジエーターを超えて：インタークーラーとターボの放熱
これまで、ラジエーターとERSの冷却に焦点が当てられてきましたが、インタークーラーもまた、並行して取り組むべき重要な放熱課題です。ターボチャージャーの絶対圧が4.7 barを超えるため、インタークーラーに流入する空気は冷却される前に200°Cを超えることがあり、コンパクトで高効率な水冷式コアが求められます。いくつかの現代的なチームが採用している低位置インタークーラーのような先進的な配置戦略は、重心、ダクトの複雑さ、およびシステム間の熱的相互作用に影響を与えます。ラジエーターだけでなく、すべての熱交換器をサポートすることで、冷却システム全体における整合性が確保されます。
サーキットに応じた冷却調整
冷却要件はサーキットごとに大きく異なります：
- 高温のレースでは、より大きな排気口面積や、ルーバーの開度を大きくした構成が必要となります。
- 高地でのレースでは空気の密度が低下し、冷却効率が低下します。
- 各チームは、天候やサーキットの特性に応じて、水冷、オイル冷却、ERS、インタークーラーのループを調整します。
シミュレーション環境では、エンジニアが以下を評価できる必要があります：
- ルーバーのサイズ設定と開閉戦略
- 周囲温度および気圧に応じた冷却性能
- ダクト出口面積の変動
- セーフティカー導入時や渋滞時の過渡的なヒートソーク挙動
これは、今日のF1チームが個々のサーキットに合わせてモジュール式冷却パッケージを設計している実態を反映しています。
システムレベルの思考
F1の熱管理は、個々のコンポーネントではなく、それらの相互作用が鍵となります。バッテリー、インバーター、インタークーラー、オイルクーラー、および燃焼システムは、すべて過渡状態において熱的に相互作用します。
Modelon ImpactはModelicaオープンスタンダードに基づいて構築されているため、エンジニアは高精度な冷却パックを、より大規模なパワートレインやERSモデルに数分で統合できます。これにより、以下が可能になります：
過渡ラップシミュレーション
バッテリーのディレーティングやインバーターの温度スパイクを予測
故障モード予測
システムモデルにより、以下のようなリスクを明らかにすることができます：
- 冷却剤の沸騰余裕
- 狭窄流路におけるキャビテーション
- 間欠流領域における過度の高温化
これらは、仮想キャリブレーションワークフローを採用しているチームにとって、現実的な懸念事項です。
ラップタイムのトレードオフ
シミュレーションにより、わずかに重量が増加する特注の熱交換器が、結果としてラップタイムの短縮につながるかどうかを定量的に評価できます。
例えば、1kgの重量増加が数百分の一秒のタイムロスをもたらす一方で、より高出力の運用戦略を可能にするといったケースが考えられます。
熱設計の複雑さを競争優位性に変える
モナコグランプリ向けの設計ではないかもしれませんが、「熱的限界」の物理法則はあらゆる場面で適用されます。
限られたスペース、過渡的な負荷、サーキット固有の変動、そしてマルチドメイン連成は、以下の分野に共通する課題です：
- データセンター冷却システム
- 高密度バッテリー式電気トラック
- 航空宇宙システム
- 冷却分配ユニット（CDU）
チームが実現可能性の限界に挑戦する際、そのツールが制約となってはなりません。高性能エンジニアリングにおいて、シミュレーションの柔軟性は競争上の優位性となります。
Modelon Impactが高性能熱設計をどのようにサポートするのかご覧ください。
