Prioriterad sätesuppvärmning till fordonsindustrin

(1)

Postadress: Besöksadress: Telefon: Box 1026 Gjuterigatan 5 036-10 10 00 (vx)

Prioriterad

sätesuppvärmning

till fordonsindustrin

Prioritized seat

heating for the

(2)

HUVUDOMRÅDE: Maskinteknik

FÖRFATTARE: Linus Johansson & Marcus Stoffers HANDLEDARE:Tim Hjertberg

(3)

Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom maskinteknik. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat.

Examinator: Tim Heikkinen Handledare: Tim Hjertberg Omfattning: 15 hp

(4)

Abstract

Kongsberg Automotive AB has for a long time been a supplier of seat heaters for several global OEM's. Different concepts of heaters have been delivered but after Kongsberg Automotive AB has developed and patented the so-called "smart wire", this concept has dominated the company's portfolio of heaters. As the market for seat heaters has become larger with more competition, customer requirements have become increasingly tougher.

To cope with the new demands Kongsberg Automotive AB have increasingly moved to so-called "stitch on" concept where a straight wire sewn onto a support material of felt or foam laminate. A concept that is beginning to spread in the market is heating element with priority heating zones. It uses two or more heating coils in each element where one/several of the zones are meant to provide a faster and more prioritized heating.

The goal is to find restrictions on what different materials can handle with different conditions. Also to find a test method to verify how different materials have been affected. Discover which combinations of materials that make it possible to meet the requirements from different OEM's without compromising the safety.

To answer the questions, a good understanding of direct electrical current is requried. It must be supplemented with the knowledge of how the experiments on the seat heater develops in order to get results with high validity. To ensure that the

experiments will yield good results, the most important elements in the experimental method, such as temperature sensors, infrared camera, observation, etc. must be explored carefully.

To answer the study questions, experiments have been performed on the heating wires separately and heating wires laid in various patterns. The experiments have been to vary the power to give such a rapid heat as possible without compromising safety. The analysis is based on the collected raw data from experiments. After the experiment, test subjects underwent several validation steps such as pinhole test, resistance measurement, observation, etc.

The result of the work shows that the best design is CC15 with a power of

13,125W/m² for rapid heating. The wire that heats the best at this design are copper-tin of grade 1 lacquer and should thus be chosen as the material. Many of the experiments gave some stiff heating wires when higher power is used. This has impact on life span, according Kongsberg Automotive's expertise. Therefore, further testing on endurance, both wear and aging, is interesting to find out the effects of the power running through the heating wires.

(5)

Sammanfattning

Kongsberg Automotive AB har under lång tid levererat värmeelement till flertalet globala OEM:s. Olika koncept av värmeelement har levererats men efter Kongsberg Automotive AB utvecklat och patenterat så kallad ”smart wire” har detta koncept dominerat företagets portfölj av värmeelement. Marknaden för värmeelement har blivit större och med fler konkurrenter har kraven från kunder blivit allt hårdare. För att klara av nya krav har Kongsberg Automotive AB mer och mer gått över till så kallat ”stitch on”-koncept där en rak värmetråd sys fast på ett bärarmaterial av filt eller skumlaminat. Ett koncept som börjar sprida sig på marknaden är värmeelement med prioriterade värmezoner. Man använder då två eller fler värmeslingor i varje element där en/flera av zonerna är menade att ge en snabbare och prioriterad uppvärmning.

Målet är att hitta begränsningar på vad olika material klarar av med olika

förutsättningar. Dessutom hitta en testmetod för att verifiera hur olika material har påverkats samt ta reda på vilka materialkombinationer som gör det möjligt att uppfylla kraven från olika OEM:s utan att äventyra säkerheten.

För att besvara frågeställningarna krävs en god förståelse för likström. Det måste dessutom kompletteras med kunskap om hur experiment på värmeelement går till för att få resultat med hög validitet. För att experiment ska ge goda resultat bör de viktigaste delarna i experimentmetoden såsom temperaturgivare, IR-kamera, observation etc. utforskas noga.

För att besvara studiens frågeställningar har experiment utförts på värmetrådar för sig och värmetrådar utlagda i olika mönster. Experimenten har gått ut på att variera effekten för att ge en så snabb uppvärmning som möjligt utan att äventyra säkerheten. Analysen bygger på insamlad rådata från experiment. Efter experiment har testobjekt genomgått flera valideringssteg såsom Pinhole test, resistansmätning, observation etc. Resultatet av arbetet uppvisar att den bästa designen är CC15 med en effekt på

13,125W/m² för snabb uppvärmning. Den värmetråd som värmer bäst vid denna design är Koppar-tenn med grad 1 lack och bör därmed väljas som material. Många av experimenten gav något stela värmetrådar när högre effekter användes. Detta har inverkan på värmetrådens livslängd, enligt Kongsberg Automotives expertis. Därför är vidare testning med livslängdstester, både nötning och åldring, intressant för att få reda på just inverkan av effekten som körs genom värmetrådarna.

(6)

Innehållsförteckning

1 Introduktion ... 1

1.1 BAKGRUND ... 1

1.2 PROBLEMBESKRIVNING ... 1

1.3 SYFTE OCH FRÅGESTÄLLNINGAR ... 2

1.4 AVGRÄNSNINGAR ... 2

1.5 DISPOSITION... 2

2 Teoretiskt ramverk ... 3

2.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH TEORI ... 3

2.2 TEMPERATURGIVARE ... 3 2.3 INFRARÖD TERMOMETER ... 4 2.4 LIKSTRÖM ... 7 2.5 VÄRMEELEMENT ... 10 2.6 VÄRMELEDNING ... 10 2.7 ELEKTROLYS I VATTEN ... 11 2.8 EXPERIMENT... 12 2.9 OBSERVATION ... 12 2.10 GO/NO-GO ... 12

3 Experiment ... 13

3.1 KOPPLING MELLAN FRÅGESTÄLLNINGAR OCH METOD... 13

3.2 TESTMETOD ... 13 3.2.1 Genomförande ... 13 3.2.2 Beräkning ... 21 3.3 ANALYSMETODER FÖR RESULTAT ... 23 3.3.1 Resistansmätning ... 24 3.3.2 Observation ... 24 3.3.3 Pinhole test ... 25 3.3.4 Jämförelseanalys ... 27

(7)

4 Resultat och analys ... 29

4.1 RESULTAT FRÅGESTÄLLNING 1 ... 29 4.1.1 Pinhole test ... 29 4.1.2 Temperatur ... 30 4.2 RESULTAT FRÅGESTÄLLNING 2 ... 31 4.2.1 Pinhole test ... 31 4.2.2 Temperatur ... 35

4.3 ANALYS AV RESULTAT KOPPLAT TILL FRÅGESTÄLLNING ... 40

4.3.1 Analys av resultat kopplat till frågeställning 1 ... 40

4.3.2 Analys av resultat kopplat till frågeställning 2 ... 42

5 Diskussion ... 51

5.1 IMPLIKATIONER ... 51

5.2 KRITISK ANALYS ... 51

5.3 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER ... 52

5.3.1 Frågeställning 1 ... 52

5.3.2 Frågeställning 2... 52

5.4 VIDARE ARBETE ELLER FORSKNING ... 52

6 Referenser ... 53

(8)

1 Introduktion

Kapitlet ger en bakgrund till studien och det problemområde som studien byggts upp kring. Vidare presenteras studiens syfte och dess frågeställningar. Därtill beskrivs studiens avgränsningar. Kapitlet avslutas med rapportens disposition.

1.1 Bakgrund

Kongsberg Automotive AB har under lång tid levererat värmeelement till flertalet globala OEM:s. Olika koncept av värmeelement har levererats men efter Kongsberg Automotive AB utvecklat och patenterat så kallad ”smart wire” har detta koncept dominerat företagets portfölj av värmeelement. Smart wire är en värmetråd av koppar som består av flertalet kardeler som är lackade var för sig för att undvika ”hot spots” om kardelerna går av. Värmetråden har applicerats i sinus-mönster med hjälp av lim mellan två bärare av filt eller skumlaminat.

Marknaden för värmeelement har blivit större och med fler konkurrenter har kraven från kunder blivit allt hårdare. Framför allt har kraven på emissioner och hållbarhet av själva värmetråden ökat. Kraven har kommit allt närmare gränserna av vad det sinus-koncept Kongsberg Automotive AB har klarar av.

För att klara av nya krav har Kongsberg Automotive AB mer och mer gått över till så kallat ”stitch on”-koncept där en rak värmetråd sys fast på ett bärarmaterial av filt eller skumlaminat. Konceptet innebär att man kan eliminera emissioner från limmet och att man kan använda isolerade värmetrådar med bättre hållbarhet. Utöver krav på ökad hållbarhet och minskade emissioner försöker flertalet OEM:s utveckla sina säten för att kunna erbjuda marknaden den bästa möjliga uppvärmningen.

Ett koncept som börjar sprida sig på marknaden är värmeelement med prioriterade värmezoner. Man använder då två eller fler värmeslingor i varje element där en/flera av zonerna är menade att ge en snabbare och prioriterad uppvärmning. Övriga slingor i elementet får senare komma ikapp när de första slingorna nått sin måltemperatur. Det finns liknande värmeelement på marknaden men kunskapen om dessa är begränsad inom Kongsberg Automotive AB.

1.2 Problembeskrivning

OEM:s har ställt förfrågningar/krav gällande värmemattor med prioriterade

värmezoner. I värmezonerna används två eller flera värmeslingor i varje element, där en eller flera zoner är konstruerade för att ge en snabb och prioriterad uppvärmning. Den prioriterade värmeslingans mål är att nå måltemperaturen fort för att sedan låta resterande slingor nå denna temperatur.

Detta ställer krav på värmetrådar som kan erbjuda en snabb uppvärmning som uppfyller kundernas krav utan att äventyra säkerheten. Kongsberg Automotive AB behöver öka personalens kunskap om hur ett prioriterat värmezonselement fungerar, hur det ska designas och vilka som är de ultimata komponenterna. Kunskap kring värmetrådarnas egna begränsningar behöver samtidigt öka för att inte äventyra säkerheten.

(9)

1.3 Syfte och frågeställningar

Målet är att hitta begränsningar på vad olika material klarar med olika förutsättningar. Dessutom hitta en testmetod för att verifiera hur olika material har påverkats och ta reda på vilka materialkombinationer som gör det möjligt att uppfylla kraven från olika OEM:s utan att äventyra säkerheten.

Utforma en materialportfölj för prioriterade värmezonselement baserat på Kongsberg Automotive ABs nuvarande materialportfölj samt nyutveckling med företagets godkända leverantörer.

Öka kunskapen om hur man designar ett värmeelement med flera zoner med en snabb och behaglig uppvärmning. Bygga upp riktlinjer för design av ett prioriterat

värmezonselement baserat på Kongsberg Automotive ABs nuvarande designregler. Därmed är studiens frågeställningar:

1. Vilka material samt materialkombinationer är optimalt för flerzonselement och samtidigt uppfyller ställda krav från olika OEM?

2. Hur designar man ett värmeelement med flera zoner för snabb och balanserad uppvärmning?

1.4 Avgränsningar

Arbetet skall omfatta grundjobbet att ta fram underlag för Kongsberg Automotive ABs designers som skall designa prioriterade värmezonselement. Arbetat omfattar inte att göra den faktiska designen. Material som skall undersökas är de material som omfattas av Kongsberg Automotive ABs materialportfölj eller nyutveckling med företagets utvalda leverantörer. Att leta upp nya leverantörer ingår inte i arbetet och kontakten med godkända leverantörer sker genom handledare på Kongsberg

Automotive AB.

1.5 Disposition

Kommande kapitel är teoretiskt ramverk, där beskrivs ingående de metoder och verktyg som använts för att besvara frågeställningarna. Kapitlet är till för att ge en inblick i hur metoder och verktyg fungerar samt hur de används.

Tredje kapitlet är experiment, där beskrivs genomförande, beräkning, analysmetoder och validiteten hos experimenten som utförts. Denna del i rapporten ger läsaren förståelse för hur experimenten går till för att sedan under resultat och diskussion få resultaten av samtliga experiment. Resultat och diskussion ger samtidigt en analys av testresultat för att till sist komma fram till en slutsats.

Slutsatsen beskrivs utförligt i kapitel 5 och där ges även inblick i implikationer, rekommendationer och vidare forskning.

(10)

2 Teoretiskt ramverk

Kapitlet ger en teoretisk grund som används i studieupplägget och en bas för att analysera resultatet av de frågeställningar som formulerats.

2.1 Koppling mellan frågeställningar och teori

För att besvara frågeställningarna krävs en god förståelse för likström. Det måste dessutom kompletteras med kunskap om hur experiment på värmeelement går till för att få resultat med hög validitet. För att experiment ska ge goda resultat bör de viktigaste delarna i experimentmetoden såsom temperaturgivare, IR-kamera, observation etc. utforskas noga.

2.2 Temperaturgivare

En trådgivare består av en kabel med två olika isolerade metalltrådar med olika Seebeck-koefficienter. Seebeck innebär omvandling av värme till elektrisk spänning. De två trådarna ger då två skilda spänningsvärden vid samma temperatur [1].

Mätpunkt kan klämmas eller svetsas beroende på ställda krav såsom noggrannhet och hållfasthet. Det är viktigt att trådarna har kontakt i endast en punkt. När trådarna får kontakt mäts de olika spänningarna och resulterar i en skillnad i dess spänning. Denna spänningsskillnad ger den sanna temperaturen. Om trådarna får kontakt vid en annan position än det som skall mätas uppkommer en felaktig spänning och missvisar resultatet. Begränsningen för trådgivaren är dess isoleringsmaterial, PVC plast tål ca 100 °C och keramiska fibermaterial klarar över 1000 °C [1]. För att lättare förstå hur en temperaturgivare ser ut och fungerar visas bilden nedan.

Bild 1: Trådgivare

Temperaturmätning bygger på de termodynamiska lagarna, där den nollte

huvudsatsen är den viktigaste [2]. Den nollte huvudsatsen lyder: “Två kroppar som var för sig är i termisk jämvikt med en tredje kropp, står även i termisk jämvikt med varandra.” [3].

Huvudsatsen uppvisar att om två kroppar är i kontakt med varandra kommer

kropparna övergå till samma temperatur. Om den ena kroppen har högre värmeenergi, d.v.s. är varmare kommer värmeenergin att överföras till den kropp som har lägre värmeenergi [3].

(11)

Temperatur är ett mått på hur snabbt atomerna rör sig, d.v.s. om atomerna rör sig fort är materialet varmare. Därmed är temperatur en indikation på hur mycket

rörelseenergi ett föremål innehåller. Den absoluta nollpunkten, -273,15°C, är den temperatur då atomerna står helt still och det kan då ej bli kallare.

Värmeledningsförmågan skiljer sig mellan material, exempel på material som leder väl är metaller. Detta beror på deras elektronmoln som gör att elektroner kan röra sig fritt och inte är bundna till sina elektronskal likt exempelvis polymera material. De polymera materialen, plast, används som isolatorer för att utnyttja deras låga värme-, och elektriska ledningsförmåga [4].

2.3 Infraröd termometer

Infraröda termometrar, IR mäter temperaturen utan kontakt med materialet.

IR-kamera har högt utvecklade sensorer som har omfattande användning inom industriell tillverkning och forskning. En IR-termometer mäter temperaturen genom att detektera den infraröda energi som avges av alla material som i sig har en temperatur över absoluta nollpunkten (0° Kelvin). Den mest grundläggande designen på en infraröd termometer består av en lins för att fokusera den infraröda energin på en detektor. Detektorn omvandlar energin till en elektrisk signal som kan visas i enheter av temperatur efter kompensering för omgivningstemperaturvariation. Denna

konfiguration underlättar temperaturmätning på avstånd utan kontakt med föremålet som skall mätas. På så vis är den infraröda termometern användbar för mätning av temperatur under omständigheter där termoelement eller andra typer av sensorer med sond inte kan användas eller som inte ger korrekt data av en mängd olika skäl. Några typiska förhållanden är mätobjekt i rörelse, mätobjekt omgiven av elektromagnetiska fält (till exempel induktionsuppvärmning), mätobjekt i vakuum eller annan

kontrollerad atmosfär samt i uppsättningar där det krävs en snabb respons [5].

Infraröd strålning är en del av det elektromagnetiska spektrumet och upptar frekvenser mellan synligt ljus och radiovågor. Den infraröda delen av spektrumet sträcker sig från våglängder på 0,7 µm till 1000 µm. Inom dessa våglängder används endast frekvenser på 0,7 µm till 20 µm till praktiska mätningar av temperaturer. Detta beror på att IR-detektorerna som för nuvarande finns tillgängliga för industrin inte är tillräckligt känsliga för att detektera de mycket små mängder av energi som avges vid väglängder bortom 20 µm [5].

Även om infraröd strålning inte är synlig för det mänskliga kan man föreställa sig IR-strålning som synlig ljus, då det i många avseenden beter sig på samma sätt. Infraröd energi färdas i raka linjer från källan och kan reflekteras samt absorberas av

materialytor i dess väg. I fallet med de flesta fasta föremål som är ogenomskinliga för det mänskliga ögat, kommer en del av den infraröda energin som träffar föremålets yta att absorberas och en del kommer att reflekteras. Av den energi som absorberas av föremålet, kommer en andel att åter avges och en del kommer att reflekteras internt. Detta gäller också för material som är genomskinliga för ögat, så som glas och tunna klara plaster. Dessutom kommer en del av den infraröda energin passera genom objektet. Dessa fenomen bidrar gemensamt till vad som hänvisas till materialets emissivitet [5].

(12)

Olika typer av material och gaser har olika emissiviteter och kommer därför att avge infraröd strålning vid olika intensiteter för en given temperatur. Emissiviteten hos ett material eller en gas är en funktion av dess molekylära struktur och ytegenskaper. Det är inte i allmänhet en funktion av färg. Om inte källan för färgen är en helt annorlunda substans till huvuddelen av materialet. Ett praktiskt exempel på det här är metalliska färger som innehåller betydande mängder av aluminium. De flesta färger har samma emissivitet oavsett färg, men aluminium har en helt annan utstrålning som därför kommer att ändra emissiveteten av metalliserade färger [5].

Formlerna som används för mätning av infraröd temperatur är gamla, etablerade och väl beprövade. Nedan listas dessa formler:

 Kirchoffs lag. När ett objekt har termisk jämvikt kommer mängden absorption vara lika med mängden utstrålning.

 Stephan Boltzmanns lag. Ju varmare ett objekt blir, desto mer infraröd energi kommer det att utstråla.

 Wiens förskjutningslag. Våglängden vid vilken den maximala mängd energi släpps ut blir kortare när temperaturen ökar.

 Plancks konstant. Beskriver förhållandet mellan spektrala emissiviteter, temperatur och strålningsenergi.

[5].

En grundläggande infraröd termometer innefattar en lins, detektor,

emissivitetjustering och en kompensationskrets. Linsen samlar in energin som avges från målet. Detektorn omvandlar energin till en elektrisk signal. Emissivitetjustering används för att matcha kalibreringen till de emitterande egenskaper hos det objekt som mäts. Kompensationskretsens uppgift är att säkerställa att

temperaturvariationerna inte överförs till den slutgiltiga bilden. I många år följde alla kommersiella IR-termometrar detta koncept. De var extremt begränsade i

användningsområde och mätte inte tillfredställande i de flesta omständigheter. Dock var dessa IR-termometrar tåliga och tillräckliga för sin tid [5]. Bild 2 nedan visar ett exempel på hur en IR-termometer avbildar värme i form av färgskalor.

(13)

Bild 2: IR-bild

Den moderna infraröda termometern bygger på det gamla konceptet, men är mer tekniskt avancerad för att utvidga dess tillämpning. De stora skillnaderna finns i användningen av en större variation av detektorer. Såsom selektiv filtrering av IR-signal, linjärisering och förstärkning av detektorns utsignal samt stöd för olika standarder som utgångar på 4-20mA, 0-10VDC etc. Den viktigaste framgången i IR-termometrar har varit införandet av selektiv filtrering av inkommande IR-signal. Detta har möjliggjort tillgängligheten av mer känsliga detektorer och stabilare

signalförstärkare. Den äldre IR-termometern krävde ett brett spektralband av infraröd strålning för att få en fungerande detektorutgång. Den moderna termometern kräver endast spektrala svar på 1 µm. Behovet av att välja och smala ner de spektrala svaren ökar för att det är ofta nödvändigt att se genom någon form av atmosfär eller annan störning i siktbanan. Eller i själva verket för att erhålla en mätning av en gas eller annat ämne vilket är transparent till en bred grad av infraröd energi [5].

Vanliga exempel på selektiva spektrala svar är 8-14 µm som undviker störningar från atmosfärisk fukt under mätningar med lång väg. 7,9 µm används för mätning av vissa tunna filmplaster. 3,86 µm undviker störningar från CO2- och H2O-ånga i lågor och brandgaser. Valet mellan kort eller lång våglängds spektrala svar är också bestämt av temperaturområdet, eftersom Plancks konstant visar på att toppenergin ändras mot kortare våglängder när temperaturen ökar. Användningsområden som inte kräver selektiv filtrering p.g.a ovanstående skäl, kan ofta dra nytta av en smal spektral respons så nära 0,7 µm som möjligt. Detta för att den effektiva emissivitet av ett material är högst vid kortare våglängder och noggrannheten av sensorer med smala spektrala responser påverkas mindre av förändringar på emissivetet i mätobjektets yta [5].

(14)

2.4 Likström

Elektroner hos olika typer av material har varierande frihet att flytta sig omkring. Metallernas yttersta elektroner, valenselektroner är så pass löst bundna att de näst intill kan röra sig helt fritt i utrymmet mellan atomerna. I andra typer av material såsom glas och plast har elektronerna mycket liten frihet att röra sig. Denna rörlighet av elektroner i ett material är även kallat ledningsförmåga. Material med hög

elektronrörlighet kallas ledare, och material med låg elektronrörlighet kallas isolatorer [6].

En elektrisk krets skapas när en ledande bana sluts och tillåter fria elektroner att kontinuerligt röra på sig. Denna rörelse av elektroner i en krets kallas ström och kan liknas vid ett flöde av vätska. Kraften som får elektronerna att röra sig kallas för spänning. Spänning är ett mått på potentiell energi som alltid är relativ mellan två punkter. Elektronerna som rör sig genom en ledare har en viss grad av friktion. Denna friktion kallas motstånd. Likt spänning är motståndet i förhållande mellan två punkter. Måttenheter för ström, spänning och motstånd [6]:

Tabell 1: Grundläggande begrepp inom likström

Enhet Måttenhet Storhet Ström A Ampere I

Spänning V Volt U

Resistans Ω Ohm R

Det viktigaste förhållandet mellan ström, spänning och motstånd kallas Ohms lag, döpt efter Georg Simon Ohm. Ohm upptäckte att ström genom en metalledare i en krets är proportionell mot spänningen för varje given temperatur. Upptäckten beskrevs i ekvationen 𝑈 = 𝑅 ∙ 𝐼. [6]

Multipliceras spänning och ström blir det ett mått på hur mycket arbete som kan utföras. 𝑃 = 𝑈 ∙ 𝐼 (𝑊), där P är effekten. Effekten verkar över en helkrets och kan dessutom delas upp. Om kretsen har en längd L med resistansen Ω kan effekten delas upp till effekt per meter, _𝑚𝑃 [6].

Motståndet i en krets beror på material, storlek, form och ledarens längd. När en krets sluts och strömmen flödar igenom skapar friktionen motståndet, en värmeenergi likt två material som gnids emot varandra [6].

För enkla kretsar är Ohms lag en bra formel för beräkning av ström, spänning och motstånd när kretsen har ett kontinuerligt motstånd. Dock är detta inte fallet i verkligheten, då motståndet i en krets förändras med temperaturen. Detta fenomen verkar inom samtliga metaller men dock av varierande grad [6].

Det finns två grundläggande sätt att koppla komponenter i en krets, serie- och parallell koppling [6]. Bild 3 visar en seriekoppling och Bild 4 en parrallelkoppling.

(15)

Bild 3: Seriekopplade resistorer

Vid seriekoppling används Ohms lag för att beräkna resistansen, 𝑅 = 𝑈 ∙ 𝐼. Om flertalet komponenter med resistans är kopplade i serie räknas den totala resistansen ut via 𝑅₁+ 𝑅₂+ 𝑅_𝑛 = 𝑅_𝑡𝑜𝑡 [6].

Bild 4: Parallellkopplade resistorer

Vid parallellkoppling används räknas en ersättningsresistans för hela kretsen ut genom en formel _𝑅1 𝑡𝑜𝑡 = 1 𝑅1+ 1 𝑅2+ 1 𝑅𝑛 [6].

Då kretsar innehåller både parallella- och seriekopplade resistorer används båda formlerna i kombination [6].

(16)

Resistivitet är en egenskap hos material om hur mycket materialet motverkar den elektriska strömmen. Resistivitet har storheten ρ och SI-enheten är 𝛺 ⋅ 𝑚. De flesta vanliga ledare har ett enhetligt tvärsnitt och är tillverkade av ett och samma material. Resistivitet räknas då ut med Pouillet´s lag: 𝜌 =𝑅∙𝐴_𝐿 . Där R är resistans, A tvärsnitt, m² och L är längd m [6].

Tabell 2: Effekt & Resistivitet

Enhet Måttenhet Storhet Effekt W Watt P

Resistivitet Ωm Ohmmeter ρ

Metalliska material har dessutom en temperaturkoefficient vilket beskriver den relativa förändringen av resistans hos ledaren beroende på temperaturen. 𝑑𝑅_𝑅 = 𝛼 ∙ 𝑑𝑇, där dR är den förändrade resistansen, dT är förändring i temperatur och α är temperatur koefficienten [6].

(17)

2.5 Värmeelement

Värmeelement bygger på funktionen att en elektrisk ström passerar genom en metallisk ledare med en resistivitet. Materialets motstånd frigör värme, vilket benämns resistiv uppvärmning. När en ström flyter igenom exempelvis en brödrosts värmeelement lyser det ledande materialet rött och omvandlar den elektriska energin till värmeenergi. Värmen som uppstår strålar i alla riktningar. I en supraledare däremot är resistansen nästintill noll och blir därför ingen värmespridning. Om resistansen är för hög går knappt ingen ström igenom ledaren och därmed frigörs ingen värme. Om resistansen är för låg flyter strömmen genom utan motstånd och genererar likaså ingen värme. För att uppnå maximal värmespridning måste rätt resistivt material användas hos ett värmeelement. I dagens värmeelement används metallvärmetrådar som brukar benämnas motståndsvärmetråd. Värmetrådarna kan lindas på många olika vis, i olika sick-sack mönster, sinus mönster eller i rak riktning. Beroende på hur tätt värmetrådarna ligger och hur lång värmetråd som används inom arean uppnås olika hög temperatur [7].

Ett värmeelement bygger på en enkel princip och kan antas vara okomplicerat men det finns ett stort antal faktorer som måste tas hänsyn till när det ska utformas. De

vanligaste faktorerna är ström, spänning, längd, tvärsnitt, material och

arbetstemperatur. Specifika faktorer för värmeelement inom bilbranschen är att elementen är producerade med rundvärmetråd, och då är diametern på värmetråden, formen av spolarna och elasticiteten kritiska för prestandan. Legeringar används för att utnyttja specialiserade egenskaper hos legeringsmaterial för att maximera

uppvärmningen ytterligare [7].

2.6 Värmeledning

Överföring av energi, i detta fall värme, som härstammar från temperaturskillnader mellan angränsade delar av en kropp. Värmeledningsförmåga är utbytet av energi mellan intilliggande molekyler och elektroner i det ledande mediet. Hastigheten för värmeflödet i en stav av ett visst material är proportionellt mot tvärsnittsarean av staven och mot temperaturskillnaden mellan ändarna, medan den är omvänt proportionell mot längden [8].

Matematiskt kan sambandet beskrivas som följande:

𝐻 = −_𝐴 𝑘 𝐿 ∙ (𝑇2− 𝑇1) 𝐻 = ℎ𝑎𝑠𝑡𝑖𝑔ℎ𝑒𝑡𝑒𝑛 𝑓ö𝑟𝑣ä𝑟𝑚𝑒𝑓𝑙ö det (𝑚 𝑠) 𝑘 = 𝑚𝑎𝑡𝑒𝑟𝑖𝑎𝑙𝑒𝑡𝑠 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 𝑓ö𝑟 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑘 𝑙𝑒𝑑𝑛𝑖𝑛𝑔𝑠𝑓ö𝑟𝑚å𝑔𝑎 (𝑒𝑛ℎ𝑒𝑡𝑠𝑙ö𝑠) 𝐴 = 𝑡𝑣ä𝑟𝑠𝑛𝑖𝑡𝑡𝑠𝑎𝑟𝑒𝑎𝑛 (𝑚2₎ 𝐿 = 𝑙ä𝑛𝑔𝑑 (𝑚) 𝑇2 − 𝑇1 = 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑠𝑘𝑖𝑙𝑙𝑛𝑎𝑑 (°C) [8].

(18)

Ett material med en hög konstant, k, är en bra värmeledare, medan ett material med en låg konstant fungerar som värmeisolator [8].

2.7 Elektrolys i vatten

En vattenmolekyl består av två delar: två positiva vätejoner och en negativ syre jon. Vattenmolekylen hålls samman av den elektromagnetiska attraktionen mellan dessa joner. När elektricitet introduceras till vattnet genom två elektroder, en katod(negativ) och en anod(positiv), attraheras jonerna till den motsatta laddade elektroden. Då kommer de positivt laddade vätejonerna att samlas på katoden och de negativa syrejonerna på anoden [9].

När dessa laddade joner kommer i kontakt med sina respektive elektroder kommer de antingen vinna eller förlora elektroner beroende på jonladdningen. Då detta sker kommer jonerna att balansera sina laddningar och bilda stabila atomer/molekyler. För att enkelt förstå elektrolys i vatten visas en illustration nedan i Bild 6 [9].

Den balanserade ekvationen för reaktionen som sker: 2 𝐻₂𝑂(𝑙) + 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 → 2 𝐻₂(𝑔) + 𝑂₂(𝑔)

[9].

(19)

2.8 Experiment

Experiment är en vetenskaplig forskningsmetod i ett brett spektrum av metoder som också omfattar beskrivning, jämförelse och modellering. Även om alla dessa metoder gemensamt har ett vetenskapligt förhållningssätt är experimenterande unikt genom att det innebär medveten manipulering av variabler som påverkar resultatet [10].

I den experimentella metoden påverkas följande variabler:

 Den oberoende variabeln refererar till ett tillstånd inom ett experiment som manipuleras av forskaren.

 Den beroende variabeln avser en händelse eller resultatet av ett experiment som skulle kunna påverkas av manipulation av den oberoende variabeln. [10].

Vetenskapliga experiment bidrar till att avgöra vilken typ av förhållande som finns mellan oberoende och beroende variabler. Medan det ofta är svårt, ibland omöjligt, att manipulera en enda variabel i ett experiment arbetar forskare ofta för att minimera antalet variabler som ändras. Det är viktigt att förstå vilka aspekter av ett experiment som manipuleras så man exakt kan bedöma all inverkan på resultatet. För att begränsa de möjliga utfallen av ett experiment använder de flesta forskare ett så kallat system av olika kontroller. Till exempel utförs referensmätningar på ett objekt som inte manipulerats, och jämförs sedan med resultat från mätningar på objektet efter manipulering [10].

2.9 Observation

Observation utförs i samband med experiment. Det är en metod för att samla in information om hur materialegenskaper har förändrats under och/eller efter test. Observationen kan ske genom visuell analys, subjektiv analys och jämförelse med referens. Informationen som insamlas vid en observation kan sedan användas vid besluttagande processer såsom Go/No-Go metoden [11].

2.10 Go/No-Go

Principen bygger på villkoren om godkänt och underkänt. Testobjekt klarar Go/No-Go metoden enbart om samtliga godkänt kriterier är uppnådda. Metoden används för att utvärdera om testobjekt har uppnått kriterier och önskemål. Go/No-Go matris, elimineringsmatris har två alternativ, godkänt och icke godkänt. Om ett eller flera No-Go framkommer tas objektet bort från framtida tester [11].

(20)

3 Experiment

Kapitlet ger en översiktlig beskrivning av i studien använda angreppssätt med referenser. Kapitlet avslutas med en diskussion kring studiens trovärdighet.

3.1 Koppling mellan frågeställningar och metod

För att besvara studiens första frågeställning har experiment utförts på rak värmetråd för att finna objektens säkerhetsgräns. Det upptäcktes att det inte går att hitta rätt materialkombination enbart genom W/m experiment. Därmed var det nödvändigt att finna rätt design först för att sedan finna den optimala materialkombinationen.

För att besvara studiens andra frågeställning har en jämförelseanalys utförts. Analysen bygger på insamlad rådata från experiment. Efter experiment har testobjekt genomgått flera valideringssteg såsom Pinhole test, resistansmätning, observation (med ögat och mikroskåp), jämförelse mot referenstråd.

Intervjuer, diskussioner och kortare möten har skett löpande i genomförande delen i arbetet. Den information som uppenbarats då har framkommit via Kongsberg Automotives expertis och rådata som insamlats via experiment. Där referens saknas har expertis från Kongsberg Automotive och deras ingenjörer använts.

3.2 Testmetod

Här beskrivs hur testerna genomfördes samt hur effektberäkningar räknats ut.

3.2.1 Genomförande

Experimenten för att testa material till snabb uppvärmning har inspirerats av Kongsberg Automotives egna testmetod som används vid validering av värmeelement. Delarna för att kunna testa ett värmeelement är följande:

 Sätesskum

 Bärarmaterial

 Värmetråd

 Klädsel

(21)

Värmetråden läggs ut på bärarmaterialet i önskat mönster, se Bild 9, antingen rak eller sinusformad, för att skapa själva värmeelementet. Vanligtvis sys värmetråden fast om den inte ska limmas mellan två bärarmaterial.

Bild 9: Värmetråd rakt utlagd enligt önskat mönster på bärarmaterial

Värmeelementet limmas sedan fast på sätesskummet och temperaturgivare tejpas fast på önskat ställe, se Bild 10. Temperaturgivarna placeras så att inte omgivande

temperatur ska påverka testet och därför undviks om möjligt en kall placering. Önskade temperaturer man vill ta reda på är temperatur direkt på värmetråden, temperatur mellan värmetrådmönstret(för att se hur snabbt värmetråden sprider värmen i omgivande material) och temperatur ovanpå klädsel. Efter att

temperaturgivare är på plats läggs klädseln på och därpå två vikter för att inte luftfickor mellan värmeelement och klädsel skapas, se Bild 11.

(22)

Bild 10: Placering av temperaturgivare

Bild 11: Slutgiltig testsetup

För att mäta temperaturen ovanpå klädseln används en termometer. Med IR-termometern tas bilder varje minut under sammanlagt fem minuter för att få reda på hur snabbt uppvärmningen sker ovanpå klädseln. IR-termometern registrerar

maxtemperaturen och genomsnittlig temperatur inom ett önskat område, se Bild 12

(23)

Bild 12: IR-bild efter 1 min

(24)

(25)

Värdena från temperaturgivarna loggas i ett datorprogram, se Bild 17, som i sin tur ritar upp grafer efter dessa värden. Andra intressanta värden(till exempel spänning, ström och effekt) loggas samtidigt och kan läggas till i grafplottningen efter att testet är utfört. Testet körs först i fem minuter då det intressanta i detta fall är just snabb uppvärmning under kort tid. Ett krav från Kongsberg Automotive var att designen inte får äventyra säkerheten och därför körs även ett test på 30 minuter som skall imitera ett felläge i systemet där regleringen av strömmen inte sker.

(26)

Bild 17: Grafer över temperatur direkt på värmetråd(röd), temperatur mellan

värmetrådmönster(blå), spänning(brun), ström(svart) och effekt(ljusgrön) När rätt materialkombinationer samt design har testats och analyserats görs ett slutgiltigt test, se Bild 18 till 20, som följer Kongsberg Automotives testmetod. Värmeelementet placeras i en bilstol och temperaturgivare placeras ovanpå klädsel enligt Kongsberg Automotives testmetod. Samtliga delar kyls ner till 0°C under fyra timmar och en testperson sitter sedan på stolen medan temperaturerna, ström etc. loggas och plottas som grafer. Testet körs endast fem minuter då det är snabb uppvärmning som är intressant i detta fall.

(27)

Bild 18: Slutgiltiga designen monteras i sits på en bilstol.

(28)

Bild 20: IR-bild på tempgivarnas placering

3.2.2 Beräkning

För att kunna jämföra värmetråd av olika material mot varandra måste en nämnare vara genomgående för samtliga tester. När Kongsberg Automotive designar ett värmeelement är det många faktorer som spelar in. De två viktigaste faktorerna är effekt per meter samt effekt per kvadratmeter. Med hjälp av en effektkalkyl har effekt per meter räknats ut. Detta utfördes inför samtliga tester.

(29)

Denna kalkyl är uppbyggd enligt följande: 𝑅𝑤 = 𝑇𝑟å𝑑𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑠 (Ω) 𝐿 = 𝐿ä𝑛𝑔𝑑 𝑝å 𝑡𝑟å𝑑 (𝑚) 𝑅_𝑡𝑜𝑡 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑠 (Ω ∙ 𝑚) 𝑃_𝑡𝑜𝑡 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑒𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 (𝑊) 𝑃 = 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 𝑝𝑒𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 (𝑊 𝑚) 𝑈 = 𝑉𝑜𝑙𝑡 (𝑉) 𝐼 = 𝐴𝑚𝑝𝑒𝑟𝑒 (𝐴) (1) 𝑃_𝑡𝑜𝑡 = 𝑈 ∙ 𝐼, (𝑊) (2) 𝐼 = 𝑈 𝑅_𝑡𝑜𝑡 , (𝐴) (3) 𝑅𝑤 = 𝑅𝑡𝑜𝑡 𝐿 , (Ω) (4) 𝑃𝑡𝑜𝑡 = 𝑈2 𝑅𝑡𝑜𝑡 , (𝑊) (5) 𝑃 = _𝑅𝑈2 𝑡𝑜𝑡 𝐿 = 𝑈2 𝑅_𝑤 ∙ 𝐿2 , ( 𝑊 𝑚) [6].

Som visas ovan tas ingen hänsyn till vad strömmen är i kretsen, den ändras

proportionellt mot kretsens spänning och resistans. Värmetrådlängd är densamma för samtliga testobjekt, totala effekten samt effekt per meter experimenteras med för att nå testobjektens gräns av vad de klarar av. Resistansen i kretsen mäts och den okända variabeln är då spänningen, den räknas ut genom omändring av ekvation 5:

(6) 𝑈 = √𝑃 ∙ 𝑅𝑤 ∙ 𝐿2, (𝑉)

Vid uträkning av effekt per kvadratmeter ska enbart den ytan som uppvärms beräknas, se Bild 22. Alltså när en värmetråd placeras med ett visst CC-mått på ytan skall den ytan som inte blir uppvärmd tas bort från beräkning. Vid exempelvis 20CC värms en centimeter upp på var sida av värmetråden, eventuell yta utanför första och sista värmetrådlängd avgränsas därmed en centimeter utanför.

(30)

Bild 22: Beräknad yta 𝑃 = 𝐸𝑓𝑓𝑒𝑘𝑡 𝑝𝑒𝑟 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 (𝑊 𝑚) 𝐿_𝑤 = 𝑃𝑙𝑎𝑐𝑒𝑟𝑎𝑑 𝑡𝑟å𝑑 𝑝å 𝑢𝑝𝑝𝑣ä𝑟𝑚𝑑 𝑦𝑡𝑎 (𝑚) 𝐴 = 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑢𝑝𝑝𝑣ä𝑟𝑚𝑑 𝑦𝑡𝑎 (𝑚2₎ 𝑃𝑦𝑡𝑎 = 𝑈𝑝𝑝𝑣ä𝑟𝑚𝑑 𝑦𝑡𝑎 = 𝑃 ∙ 𝐿_𝑤 𝑚2 = 𝑊 𝑚 ∙ 𝑚 𝑚2 = 𝑊 𝑚2

Vid testerna på rak värmetråd utfördes testerna med samma effekt per meter, P och utan hänsyn till effekt per kvadratmeter. För att sedan jämföra värmetrådarnas begränsningar och värmetrådtemperatur samt Pinhole test. När testobjekten sedan placeras i mönster jämförs dem vid samma effekt per kvadratmeter, Pyta.

3.3 Analysmetoder för resultat

(31)

3.3.1 Resistansmätning

Innan någon form av test utförs på ett värmeelement mäts alltid resistansen upp med en multimeter och noteras. Efter test mäts resistansen igen och jämförs med värdet som gavs innan test. På så vis får man reda på om någon kardel i värmetråden gått av. Det görs dels för att veta om värmetråden är inom nominellt värde från tillverkaren och för att spara tid under visuell granskning av värmetråden efter att test utförts. Visas samma resistans både före och efter test betyder det att kardelerna i värmetråden är hela.

3.3.2 Observation

Både innan och efter test utförs en visuell observation samt en subjektiv analys i form av att känna och ta på testobjektet. Den visuella analysen består av både att använda ögonen och ett mikroskop. På så vis kan man se till exempel missfärgningar och små skador på värmetrådens enskilda kardeler.

Bild 23: Visuell analys före test Bild 24: Visuell analys efter test

(32)

3.3.3 Pinhole test

Pinhole test är en metod som används för att utvärdera hur många hål det finns i värmetrådens lack. Testobjektet består av en tre meter lång värmetråd, ändarna löds för att göra det möjligt att skicka en elektrisk signal genom ledaren. Delarna för att kunna utföra ett Pinhole test är följande, se Bild 27 till 32:

 Testfixtur

 Testlåda

 Röd testtråd med metallplatta

 Svart testtråd med kopplingsplint

 Strömförsörjning

 Saltlösning

 Tidur

 Kamera

Bild 27: Testfixtur Bild 28: Testlåda Bild 29: Röd testvärmetråd

Bild 30: Svart testtråd Bild 31: Bild 32: Tidur

Strömförsörjning

Testet skall utföras i ett ventilerat utrymme med en temperatur på 23±2 °C och med en luftfuktighet på 50±10 %. Saltlösningen består av 3,5mg natriumklorid, 1 liter vatten och 35 ml 0,3 % fenolftalein och fungerar som en elektrolys i vatten.

Approximativt används 1 meter av testobjektet i testfixturen, värmetrådarna lindas på testfixturen enligt Bild 33 nedan. För att fästa värmetrådarna används en dubbel halvslags knut, se Bild 34, för att undvika skador på värmetråden.

(33)

Bild 33: Värmetråd på testfixtur Bild 34: Dubbel halvslags knut

Metallplattan placeras i botten av testlådan, se Bild 35, och kopplas in i

strömförsörjningens pluspol och fungerar som katoden vid elektrolysprocessen. Testfixturen med testobjekt placeras sedan ovanpå metallplattan. Därefter hälls saltlösningen i, ytterst viktigt är det att vätskan täcker hela testobjektet. Nästa steg är att koppla in de två lödda ändarna av testobjektet i kopplingsplinten som är kopplad till strömförsörjningens minuspol. Strömförsörjningen ställs in på 13,5V och antalet hål skall räknas efter 15 sekunder, 30 sekunder och 1 minut efter det att testet startat. För att utföra, analysera och jämföra Pinhole testet används en kamera och tas bilder efter 15 sekunder, 30 sekunder och 1 minut, se Bild 36 till 38.

Bild 35: Test setup

(34)

Vid analys av Pinhole test skall all information av testad värmetråd finnas att tillgå, såsom tillverkare, artikel nummer etc. Pinhole test utförs på värmetestad tråd och på tråd direkt ifrån tillverkare. Pinhole testet uppvisar då hur lacken har påverkats av värmen i föregående test.

3.3.4 Jämförelseanalys

En jämförelseanalys inspirerad av Go No-Go analys har utförts, se Tabell 3, för att jämföra och analysera testobjekten. Om säkerheten äventyras kommer testobjektet att stämplas No-Go, rödfärg. Testobjektet kommer ej att testas vidare vid den effekt per meter eller per kvadratmeter där den äventyrar säkerheten.

Kolumnen snabbast uppvärmning kommer att vara en jämförelse i temperatur mellan testobjekt i tre olika kategorier. Där den första är temperatur på Tråd, TrådC mäts i mellan värmetråd och sista är temperaturen ovanpå klädsel uppmät med IR-kamera. Den värmetråd som blir varmast genomsnittligt under fem minuter rankas nummer ett. Svalaste värmetråden framkommer som högsta nummer. Vid senare test kommer CC-mått och testobjekt att jämföras i tabellen för beslut om Go/No-Go.

Pinhole kolumnen jämför värmetrådlacken där den bästa lacken har så få hål som möjligt. Om säkerheten uppfylls markeras GO, grön färg, går testobjektet vidare till ytterligare test. Eventuell kommentar kan förekomma under sista kolumnen,

kommentaren kan inverka till ett No-Go, rödfärg.

Test utförande

Test objekt Säkerhet Snabbast uppvärmning Pinhole

Go/No-Go Kommentarer Tråd TrådC IR

(35)

3.4 Validitet och reliabilitet

Inom ramarna av effekt per meter och effekt per kvadratmeter som forskningen har avgränsats i har ett resultat på den ultimata designen på värmeelement uppkommit. Utefter den designen har en materialkombination uppvisat att den är bästa av testobjekten på snabb uppvärmning. Resultatet har analyserats ihop med

materialexperter och designingenjörer på Kongsberg Automotive AB och därmed anser författarna att frågeställningarna är komplett besvarade.

Samtliga experiment som utförts har en felmarginal. Trådgivare kan få en felmarginal på upp till 5°C om givarens massa blir för stor, kontaktytan mellan givare och

testobjekt blir försämrad och eventuell konvektion i testobjektet [1].

Antalet pinholes kan öka beroende på hur värmetråden har hanterats vid tidigare test, om värmetråden har behandlats hårt kan det förekomma fler hål i värmetrådens lack än det skulle ha funnits. IR-kameran som använts har en felmarginal på ±0,02 °C [12]. Den mänskliga faktorn spelar alltid in då temperaturgivare, värmetrådplacering och test kan skilja något åt från test till test. I och med att testobjekten inte är fastsydda kan värmen få trådarna att flytta på sig. Det kan påverka resultatet på temperaturen mellan tråd. Då samtliga test är utförda identiskt ska trovärdigheten för test fortsatt vara hög. Det ska förtydligas att inga material eller utrustning som använts under experimenten är 100 % perfekta.

Testerna är utförda enligt Kongsberg Automotives egna testmetoder. Dessa metoder är väl beprövade och används mot kund. Därför ger resultateten från testerna en hög validitet samt reliabilitet.

Resultaten presenteras summerat i tabeller för att minska antalet sidor med ren data. All data är baserat på grafer och bilder som finns under Bilagor. Varje tabell refererar till en bild eller graf där dess värden kan avläsas för att ge arbetet en hög reliabilitet.

(36)

4 Resultat och analys

Kapitlet ger en beskrivning av studiens resultat samt studiens genomförande.

4.1 Resultat frågeställning 1

Vid rak värmetrådstester utfördes samtliga tester med samma effekt per meter, P för att jämföra värmetrådarnas begränsningar och värmetrådtemperatur samt antalet pinholes. För att besvara vilka materialkombinationer som är bäst upptäcktes att designen måste bestämmas först för att sedan välja material. När den optimala designen testats fram, utfördes en jämförelseanalys där den klart bästa

materialkombinationen av värmetråd var koppar-tenn med grad 1 lack (Fast wire).

4.1.1 Pinhole test

Test objekten i Tabell 4 till och med Tabell 8 visar antalet pinholes för respektive test.

Tabell 4: Pinhole resultat, se bilaga 1-6

Koppar G1

Tid (s) Referens 10W/m 15W/m 20W/m

15 1 4 8 19

30 1 5 8 19

60 2 5 8 21

Koppar G2

Tid (s) Referens 10W/m 15W/m 20W/m

15 1 0 0 1

30 1 0 0 1

60 1 0 0 1

Fast wire

Tid (s) Referens 10W/m 15W/m 20W/m 15 0 2 66 45

30 0 3 >66 48

60 0 3 >66 48

Strong wire

Tid (s) Referens 10W/m 15W/m 20W/m 15 0 0 0 N/A

30 0 0 0 N/A

(37)

Tabell 8: Pinhole resultat, se bilaga 23-29 Koppar E1 Tid (s) Referens 10W/m 15W/m 20W/m 15 0 1 0 7 30 0 1 0 15 60 0 1 0 15 4.1.2 Temperatur

Test objekten i Tabell 9 till och med Tabell 11 visar temperaturer för respektive test.

Tabell 9: Rak värmetrådstest resultat, se bilaga 30-32

10W/m (°C)

Test objekt Mätområde Tid

1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 30 min Koppar G1 Tråd 78,9 94,7 101,3 106,0 109,7 123,0 Koppar G2 Tråd 79,0 95,1 102,3 107,0 110,4 123,4 Fast wire Tråd 78,0 91,5 98,1 102,3 105,0 116,2 Strong wire Tråd 67,6 81,6 88,5 92,9 95,8 106,5 Steel Tråd 82,2 95,0 101,6 105,5 108,1 118,3 Koppar E1 Tråd 78,4 94,3 102,3 106,8 110,3 125,3

15W/m (°C)

1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 30 min Koppar G1 Tråd 100,9 120,7 130,9 137,8 142,1 163,9 Koppar G2 Tråd 96,8 117,5 127,3 133,6 137,8 156,0 Fast wire Tråd 97,7 116,7 126,5 132,4 136,4 152,1 Strong wire Tråd 85,3 106,1 117,4 124,7 129,5 148,6 Steel Tråd 98,5 117,9 127,9 133,8 138,0 154,1 Koppar E1 Tråd 96,8 116,3 126,6 133,2 137,4 156,1

20W/m (°C)

1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 30 min Koppar G1 Tråd 108,9 133,2 146,3 154,2 159,8 182,6

Koppar G2 Tråd 112,8 136,5 148,9 156,7 162,4 185,0

Fast wire Tråd 124,8 147,8 160,1 167,6 172,8 192,6

Steel Tråd 130,8 153,2 163,7 170,2 174,6 191,3

(38)

4.2 Resultat frågeställning 2

Ett värmeelement med flera zoner bör den prioriterade zonen designas med ett avstånd på 15mm från värmetråd till värmetråd för att ge en snabb uppvärmning.

4.2.1 Pinhole test

Test objekten i Tabell 12 till och med Tabell 31 visar antalet pinholes för respektive test.

CC20 Koppar G1 Tid (s) Referens 10W/m - 500W/m² 15 1 0 30 1 3 60 2 3

CC20 Strong wire Tid (s) Referens 10W/m - 500W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0

(39)

Tabell 16: Pinhole resultat, se bilaga 165-166 CC20 Fast wire Tid (s) Referens 15W/m - 750W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0

CC20 Strong wire Tid (s) Referens 15W/m - 750W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0

CC20 Koppar E1 Tid (s) Referens 15W/m - 750W/m² 15 0 1 30 0 1 60 0 1

CC20 Fast wire Tid (s) Referens 17,5W/m - 875W/m² 15 0 6 30 0 11 60 0 12

Tabell 20: Pinhole resultat

CC20 Koppar E1 Tid (s) Referens 20W/m - 1000W/m² 15 0 N/A 30 0 N/A 60 0 N/A

(40)

Tabell 21: Pinhole resultat, se bilaga 174-175 CC15 Fast wire Tid (s) Referens 11,25W/m - 750W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0

CC15 Koppar G1 Tid (s) Referens 13,125W/m - 875W/m² 15 1 3 30 1 4 60 2 4

CC15 Koppar G2 Tid (s) Referens 13,125W/m - 875W/m² 15 1 0 30 1 0 60 1 0

Tabell 24: Pinhole resultat, se bilaga 176-177(30min), 182-183(5min)

CC15 Fast wire

Tid (s) Referens 13,125W/m - 875W/m² 13,125W/m - 875W/m² (30min)

15 0 1 >66

30 0 1 >66

60 0 1 >66

CC15 Koppar E1 Tid (s) Referens 13,125W/m - 875W/m² 15 0 2 30 0 2 60 0 2

(41)

Tabell 26: Pinhole resultat CC15 Fast wire Tid (s) Referens 15W/m - 1000W/m² 15 0 N/A 30 0 N/A 60 0 N/A

CC10 Fast wire Tid (s) Referens 7,5W/m - 750W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0

CC10 Fast wire Tid (s) Referens 12,5W/m - 1250W/m² 15 0 N/A 30 0 N/A 60 0 N/A

CC10 Koppar G1 Tid (s) Referens 15W/m - 1500W/m² 15 1 N/A 30 1 N/A 60 2 N/A

(42)

Tabell 31: Pinhole resultat, se bilaga 171-172 CC5 Fast wire Tid (s) Referens 3,6W/m - 750W/m² 15 0 0 30 0 0 60 0 0 4.2.2 Temperatur

Test objekten i Tabell 32 till och med Tabell 43 visar temperaturer för respektive test.

Tabell 32: CC20, 10W/m, 500W/m² resultat, se bilaga 39

CC20 (°C) 10W/m – 500W/m²

1 min 2 min 3 min 4 min 5 min 30 min

Koppar G1

Tråd 78,1 94,5 103,1 108,3 113,4 144,1

TrådC 29,5 39,8 48,4 55,5 61,5 99,2

IR yta (max) 26,6 33,8 41,9 45,7 48,9 N/A

IR yta (average) 24,4 29,4 36,5 39,8 42,9 N/A

Strong wire

Tråd 55,3 68,3 76,1 81,7 85,6 117,0

TrådC 27,0 34,5 41,1 46,9 51,3 92,7

IR yta (max) 26,3 31,7 34,4 38,6 39,2 N/A

(43)

Tabell 33: CC20, 15W/m, 750W/m² resultat, se bilaga 40-42

CC20 (°C) 15W/m – 750W/m²

Koppar G1

Tråd 98,8 118,5 129,9 138,5 146,0 185,5

TrådC 31,4 44,0 55,4 65,1 73,3 115,9

IR yta (max) 28,9 34,7 40,1 46,6 49,3 N/A

IR yta (average) 26,8 30,9 35,4 41,8 44,0 N/A

Koppar G2

Tråd 100,8 121,8 133,5 141,1 146,7 N/A

TrådC 32,0 45,8 57,9 68,3 76,6 N/A

IR yta (max) 27,2 36,0 41,2 45,2 48,3 N/A

IR yta (average) 25,3 32,3 36,6 40,2 43,0 N/A

Fast wire

Tråd 96,9 118,6 131,2 139,3 145,5 N/A

TrådC 32,6 46,6 59,0 69,3 77,6 N/A

IR yta (max) 27,9 36,0 42,4 46,4 47,9 N/A

IR yta (average) 25,4 31,5 37,2 40,2 42,1 N/A

Strong wire

Tråd 81,0 101,7 114,3 122,9 129,2 N/A

TrådC 31,7 45,0 56,8 66,5 74,5 N/A

IR yta (max) 27,0 32,2 39,0 40,4 42,3 N/A

IR yta (average) 25,4 29,0 34,7 36,2 37,8 N/A

Steel

Tråd 105,4 126,4 138,2 147,0 153,5 N/A

TrådC 34,0 49,8 63,2 74,4 83,2 N/A

IR yta (max) 28,0 38,3 42,5 48,8 49,8 N/A

IR yta (average) 25,7 34,4 37,7 43,9 45,2 N/A

Koppar E1

Tråd 90,9 113,6 125,6 134,9 142,2 N/A

TrådC 32,3 45,6 57,9 68,3 76,8 N/A

IR yta (max) 28,5 35,0 40,1 46,3 48,5 N/A

(44)

CC20 (°C) 20W/m – 1000W/m²

Koppar E1

Tråd 114,2 141,1 156,9 166,9 174,4 215,6

TrådC 35,8 54,8 72,9 87,7 99,3 177,8

IR yta (max) 29,7 41,3 48,1 52,4 58,8 N/A

IR yta (average) 26,6 36,2 41,6 45,7 52,4 N/A

Tabell 35: CC20; 17,25W/m, 875W/m² resultat, se bilaga 43

CC20 (°C) 17,5W/m – 875W/m²

Fast wire

Tråd 85,2 106,2 118,1 126,0 132,0 167,1

TrådC 30,1 42,4 53,1 61,9 69,3 112,4

IR yta (max) N/A* N/A* N/A* N/A* N/A* N/A

IR yta (average) N/A* N/A* N/A* N/A* N/A* N/A *Test utfördes endast för att hitta värmetrådens samt designens säkerhetsgräns.

CC10 (°C) 15W/m – 1500W/m²

Koppar G1

Tråd 84,9 113,9 136,0 153,1 166,9 239,7

TrådC 52,5 82,8 108,1 126,2 140,5 215,0

IR yta (max) 30,7 42,1 50,3 56,5 64,9 N/A

IR yta (average) 29,9 39,5 46,1 52,0 60,1 N/A

CC10 (°C) 10W/m – 1000W/m²

Koppar G1

Tråd 73,7 97,3 112,9 124,1 133,4 194,4

TrådC 45,5 68,0 85,1 97,2 106,8 164,7

IR yta (max) 27,0 37,0 43,0 47,4 53,3 N/A

(45)

CC10 (°C) 12,5W/m – 1250W/m²

Fast wire

Tråd 88,9 116,6 135,8 151,6 163,6 215,9

TrådC 53,7 82,9 105,2 123,0 135,9 203,1

IR yta (max) 30,8 40,0 48,5 57,4 62,3 N/A

IR yta (average) 29,5 37,9 44,5 52,7 57,2 N/A

CC10 (°C) 7,5W/m – 750W/m²

Fast wire

Tråd 68,0 85,5 98,2 107,6 114,8 N/A

TrådC 44,0 62,8 77,2 88,4 96,7 N/A

IR yta (max) 25,9 32,3 40,9 45,5 48,4 N/A

IR yta (average) 24,9 29,7 37,1 40,8 43,8 N/A

CC5 (°C) 3,6W/m – 750W/m²

Fast wire

Tråd 45,4 59,2 69,3 76,9 83,2 N/A

TrådC 43,3 58,0 68,7 76,7 83,5 N/A

IR yta (max) 26,3 33,0 35,8 41,2 42,7 N/A

IR yta (average) 25,2 31,2 33,5 38,0 39,5 N/A

CC15 (°C) 11,25W/m – 750W/m²

Fast wire

Tråd 73,4 93,5 106,7 116,5 124,4 N/A

TrådC 38,0 56,2 70,6 82,2 91,8 N/A

IR yta (max) 28,5 34,8 43,4 46,9 51,4 N/A

(46)

CC15 (°C) 15W/m – 1000W/m²

Fast wire

Tråd 100,3 124,9 142,5 154,4 163,3 N/A

TrådC 41,8 64,9 84,5 99,2 109,8 N/A

IR yta (max) 30,2 42,2 49,9 55,8 62,0 N/A

IR yta (average) 28,2 38,4 45,1 50,7 57,0 N/A

Tabell 43: CC15; 13,125W/m, 875W/m² resultat, se bilaga 47-49

CC15 (°C)

13,125W/m – 875W/m²

Koppar G1

Tråd 89,7 110,4 123,6 133,0 139,9 N/A

TrådC 35,8 52,1 66,0 77,2 86,0 N/A

IR yta (max) 28,0 37,7 44,0 48,5 53,7 N/A

IR yta (average) 26,8 34,8 40,0 43,9 49,7 N/A

Koppar G2

Tråd 81,0 102,9 115,9 125,7 133,8 N/A

TrådC 39,6 59,4 75,3 87,4 96,9 N/A

IR yta (max) 29,6 36,5 43,0 50,6 54,2 N/A

IR yta (average) 28,0 33,8 39,1 45,8 49,1 N/A

Fast wire

Tråd 87,9 112,2 127,5 138,2 146,1 185,5

TrådC 41,1 62,9 80,2 92,9 102,2 149,4

IR yta (max) 27,7 40,3 49,2 54,3 57,1 N/A

IR yta (average) 26,1 36,0 43,5 48,9 51,5 N/A

Koppar E1

Tråd 82,5 102,6 116,0 126,0 134,3 N/A

TrådC 40,0 60,1 76,4 88,4 97,5 N/A

IR yta (max) 25,9 36,0 44,2 48,4 53,3 N/A

(47)

4.3 Analys av resultat kopplat till frågeställning

Arbetet är en forskningsstudie där experiment har utförts på Kongsberg Automotives befintliga värmetrådar. Det går ej på förhand att förutse resultat utan allt forskas fram via experimant. Observationer har skett löpande efter test och innefattar visuell observation med ögat, mikroskop och subjektiv analys genom att ta på testobjekt. Go/No-Go analyser användes för att utesluta testobjekt som visat på sämre egenskaper och på så vis fört forskningen frammåt.

Pinhole test fungerar som en elektrolys. Den visar på hål i lacken då själva metallen har kontakt med vätskan. Vid denna kontakt sker elektronutbyten vilket fenolftalein indikerar. Samtliga testobjekt som inte brunnit har Pinhole testats för att utvärdera temperaturens effekt på dess lack.

Resistansmätning har utförts före och efter test för att verifiera värmetråden inte har tagit skada. Om resistansen är densamma efter test som före har värmetråden samma tvärsnittsarea och därmed är inga kardeler skadade. För att beräkna effekt till test har formler inom teoretisk ellära applicerats såsom Ohms lag och effektlagen.

Värmeenergin på ovansida klädsel mättes upp med hjälp av en IR-termometer. Att mäta infraröd strålning är ett säkert sätt för att ta reda på den exakta temperaturen ett objekt har vid ett specifikt tillfälle. Temperatuen på tråd och mellan tråd uppmättes med hjälp av temperaturgivare. Temperaturgivaren har två olika metalltrådar med skillda Seebeck-koefficienter som omvanldas till en mätbar temperatur.

Testobjekten i Tabell 44 till och med Tabell 48 samt Tabell 58 graderas från bäst till sämst, gällande snabb uppvärmning, med hänsyn till hur de förhöll sig till varandra i specifika test.

4.3.1 Analys av resultat kopplat till frågeställning 1

För att besvara vilka materialkombinationer som är bäst upptäcktes att designen måste bestämmas först för att sedan välja material. Det är mycket svårt att dra slutsater eller att diskutera frågeställningarna var för sig då dessa är beroende av varandra. Analysen blir mer av en röd tråd som har fört arbetet vidare, efter varje test utförs en analys där det bestämms om exempelvis effekt ska öka eller sänka.

(48)

Tabell 44: Jämförelseanalys rak värmetråd 10W/m, se bilaga 1-29, 30-32, 100-105 &

147-148

Rak värmetråd 10 W/m 30min Test objekt Säkerhet Snabbast uppvärmning Pinhole

60s (st) Go/No-Go Kommentarer Tråd TrådC IR

Koppar G1 3 N/A N/A 5

Ingen visuell förändring

Fast wire 5 N/A N/A 3

Strong wire 6 N/A N/A 0

Steel 4 N/A N/A N/A

Koppar E1 2 N/A N/A 1

Ingen visuell förändring Med rak värmetråd och effekt på 10 W/m, se Tabell 44, visar sig Koppar G2 vara bäst gällande snabb uppvärmning. Alla värmetrådar klarade 10 W/m galant och därför ökades effekten för att hitta värmetrådarnas begränsning.

149-150

Fast wire 5 N/A N/A 66<

Strong wire 6 N/A N/A 0

Skadad isolering

Steel 2 N/A N/A N/A

Ingen visuell förändring Med rak värmetråd och en effekt på 15 W/m, se Tabell 45, visar sig Koppar G1 vara bäst gällande snabb uppvärmning. Visuell observation visade att isoleringen på Strong wire hade smält efter testet. Därmed togs beslutet genom en Go/No-Go analys att utesluta nämnda värmetråd ur test med högre effekt per meter. Pinhole testet visade att lacken på Fast wire hade tagit skada av 15 W/m och den bör därför uppgraderas till liknande lack som Koppar G1 och G2 använder. Skadan som uppkom på Fast wire lacken är dock inget som underkänner värmetråden för vidare testning då

(49)

151-152

Missfärgad & stel

Fast wire 2 N/A N/A 48

Missfärgad & stel

Steel 1 N/A N/A N/A

Marginell färgskillnad

Missfärgad & stel Med rak värmetråd och effekt på 20 W/m, se Tabell 46, visar sig Steel vara bäst gällande snabb uppvärmning och värmetålighet. Alla andra värmetrådar blir stela och missfärgade vilket förkortar deras livslängd markant. Steel är värmetråden man ska använda vid effekter högre än 20 W/m, men den är mycket dyrare än resterande värmetrådar. Då alla värmetrådar förutom Steel visade på försämrade egenskaper beslutades att tester på rak värmetråd var klara och framtida tester skulle utföras för att hitta en bra design samt passande värmetråd.

4.3.2 Analys av resultat kopplat till frågeställning 2

Det är mycket svårt att dra slutsater eller att diskutera frågeställningarna var för sig då dessa är stort beroende av varandra. Analysen blir mer av en röd tråd som har fört arbetet vidare, efter varje test utförs en analys där det bestämms om exempelvis effekt ska öka eller sänka.

Efter korta intervjuer och med hjälp av Kongsberg Automotives expertis bestämdes det att ett mönster på CC20 var en bra början och att därifrån arbeta sig neråt mot mindre CC-mått. CC-mått på över 20mm används mycket sällan då avståndet mellan värmetrådarna kan uppmärksammas av användaren för att värmespridningen i stolen blir ojämn. För att ta reda på hur värmetrådarna beter sig i mönster beslutades att börja på en lägre effekt på 10 W/m som gav en yteffekt på 500 W/m².