Utveckling av spjäll till plattvärmeväxlare

Full text

(1)Utveckling av spjäll till plattvärmeväxlare. Tony Johansson Andreas Persson. EXAMENSARBETE 2007 MASKINTEKNIK.

(2) Development of a damper for a plate heat exchanger. Tony Johansson Andreas Persson Detta examensarbete är utfört vid Tekniska Högskolan i Jönköping inom ämnesområdet Maskinteknik. Arbetet är ett led i den treåriga högskoleingenjörsutbildningen. Författarna svarar själva för framförda åsikter, slutsatser och resultat. Handledare: Fredrik Elgh Omfattning: 10 poäng (C-nivå) Datum: 2007-06-05 Arkiveringsnummer:. Postadress: Box 1026 551 11 Jönköping. Besöksadress: Gjuterigatan 5. Telefon: 036-10 10 00 (vx).

(3) Abstract. Abstract This thesis work concerns a development of a damper and damper blades for a plate heat exchanger. The plate heat exchanger is included in Fläkt Woods AB’s product programme. The background for this development was caused by two problems with the existing damper. One of the problems was that it had some problems with the hygiene. This needed to be corrected and the product needed to be replaced with a better solution, allowing it to be certified according to VDI 6022. The second problem was that the design felt rather old and it needed to be improved. The thesis work is divided into two main parts/main goals. The first of them is to find a material to seal the product in an effective way. Because there is a conflict regarding low friction and a good sealing there was a large material investigation done and a list of possible materials was done and analysed. Different types of treatments were also found to reduce the friction. The type of materials that was most interesting was rubber and elastomers. Nitrile rubber, treated EPDM rubber and treated SBR rubber was the ones to fulfil the wanted requirements in the best way. The different types of treating a rubber material are among other things, painting the material with a special type of lacquer or chlorination of the rubber. The second part of the thesis work is about the design. Several product ideas on dampers and damper blades will here be presented. These were developed by applying tools and methods for product development, like TIPS/TRIZ and QFD. Searching for patents, benchmarking of competing products and a simulation of the blades bending are some of the parts on the way to find the final product. The result of this is three products, which will work as suggestions to Fläkt Woods AB. The products differs both in design, way of manufacture and in cost to offer many options. The first idea has a design of two metal sheets which is bended and joined together. This is a stable and robust design. The second idea contains forming sheets of steel which is then made into profiles. This is made in the method of roll forming. This gives the product an appropriate shape and the product is easy to handle. The third idea is made in the method of aluminium extrusion. It is made in one piece and contains several functions. Among other things, it has integrated reinforcement, a hole for the axle and two holes for rubber profiles (sealing).. Keywords Damper, Damper blade, Heat exchanger, Ventilation, Rubber, Design, Product development. 1.

(4) Sammanfattning. Sammanfattning Detta examensarbete handlar om utveckling och konstruktion av ett spjäll och spjällblad till en plattvärmeväxlare som ingår i Fläkt Woods AB:s produktsortiment. Bakgrunden till utvecklingen berodde på två problem med det nuvarande spjället. Ett problem var att det fanns vissa hygienproblem med befintlig konstruktion som behövde rättas till och ersättas mot en bättre lösning. Detta för att produkten ska kunna certifieras enligt normen VDI 6022. Det andra problemet var att den befintliga konstruktionen kändes gammal och behövde förbättras. Examensarbetet omfattar två stycken huvuddelar/mål. Den första delen är att finna ett material för att kunna täta i spjället på ett effektivt sätt. På grund av konflikt mellan låg friktion och bra tätning genomfördes en stor materialundersökning och en lista på tänkbara material togs fram och analyserades. Olika typer av behandling har även stötts på för att minska friktionen ännu mer. De material som var mest intressanta var gummi och andra elastomerer. Nitrilgummi, behandlad EPDM-gummi och behandlat SBR-gummi uppfyllde de önskade kraven bäst. De olika behandlingsmetoderna är bland annat lackering med speciallack och klorering av materialet. Den andra delen är konstruktionsdelen. Här presenteras ett flertal olika produktidéer på spjäll och spjällblad som har tagits fram. Idéerna är framtagna genom tillämpning av flera verktyg och metoder för produktutveckling som till exempel TIPS/TRIZ och QFD. Patentsökning, benchmarking och en simulering av bladens utböjning är några ingående delar på vägen till den slutliga produkten. Resultatet blev tre produkter som ska fungera som förslag till Fläkt Woods AB. Produkterna skiljer sig från varandra i både konstruktion, tillverkningsmetod och kostnad för att erbjuda flera möjligheter. Den första idén bygger på att två plåtar bockas och fliknitas ihop, vilket ger en stabil och robust konstruktion. Den andra idén innehåller formade profiler av stålplåt, som tillverkas genom rullformning. Metoden ger dem en lämplig form och enkel hantering, till exempel väger de inte så mycket. Den tredje idén skall tillverkas av strängpressad aluminium, är gjord i ett stycke och innehåller flera gynnsamma funktioner. Bland annat så finns det förstärkningar integrerade, ett spår för en axel samt spår för gummilister.. Nyckelord Spjäll, Spjällblad, Värmeväxlare, Ventilation, Gummi, Konstruktion, Produktutveckling. 2.

(5) Innehållsförteckning. Innehållsförteckning 1. INLEDNING ................................................................................................................................. 5 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6. 2. BAKGRUND ............................................................................................................................ 5 FÖRETAGSBESKRIVNING ........................................................................................................ 6 SPJÄLL OCH SPJÄLLBLAD........................................................................................................ 7 SYFTE OCH MÅL ..................................................................................................................... 8 ÅTAGANDEN OCH AVGRÄNSNINGAR ...................................................................................... 8 DISPOSITION ........................................................................................................................... 9. TEORETISK REFERENSRAM ............................................................................................... 10 2.1 BESKRIVNING AV VÄRMEVÄXLARE OCH SPJÄLL ................................................................... 10 2.1.1 Allmänt om värmeväxlare............................................................................................... 10 2.1.2 Plattvärmeväxlare........................................................................................................... 12 2.1.3 Ventilationsaggregat....................................................................................................... 13 2.2 FRIKTION.............................................................................................................................. 14. 3. GENOMFÖRANDE ...................................................................................................................16 3.1 KRAVSPECIFIKATION............................................................................................................ 17 3.2 MATERIALSÖKNING ............................................................................................................. 19 3.2.1 Kravlista material........................................................................................................... 19 3.2.2 Sökning i databaser och litteratur .................................................................................. 20 3.2.3 Materialtest..................................................................................................................... 25 3.2.4 Behandling av material................................................................................................... 25 3.3 KONSTRUKTION ................................................................................................................... 27 3.3.1 Brainstorming................................................................................................................. 27 3.3.2 Liknande lösningar ......................................................................................................... 27 3.3.3 TIPS/TRIZ....................................................................................................................... 28 3.3.4 Funktionsanalys.............................................................................................................. 29 3.3.5 Morfologisk struktur ....................................................................................................... 29 3.3.6 Patentsökning ................................................................................................................. 30 3.3.7 Benchmarking av konkurrerande produkter ................................................................... 33 3.3.8 Skisser............................................................................................................................. 37 3.3.9 Koncept........................................................................................................................... 38 3.3.10 QFD - Kvalitetshuset ................................................................................................. 42 3.3.11 Konceptutvärdering ................................................................................................... 43 3.3.12 Modellering av koncept.............................................................................................. 45 3.3.13 Utveckling av koncept och tillverkningsmetoder ....................................................... 45 3.3.14 FEM-simulering i ABAQUS....................................................................................... 48. 4. RESULTAT................................................................................................................................. 50 4.1 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.3 4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 4.4.4 4.4.5. MATERIALSÖKNING ............................................................................................................. 50 SAMMANSTÄLLD MATERIALLISTA ........................................................................................ 50 Plastmaterial .................................................................................................................. 50 Gummimaterial............................................................................................................... 50 Behandlade gummimaterial............................................................................................ 50 KONSTRUKTIONSLÖSNINGAR ............................................................................................... 50 Produkt 1 – Två plåtprofiler ........................................................................................... 50 Produkt 2 – En plåtprofil................................................................................................ 50 Produkt 3 – Strängpressad aluminium ........................................................................... 50 FEM-SIMULERING I ABAQUS............................................................................................. 50 Sammanställning i tabell ................................................................................................ 50 Fläkt Woods befintliga spjällblad................................................................................... 50 Produkt 1 ........................................................................................................................ 50 Produkt 2a ...................................................................................................................... 50 Produkt 2b ...................................................................................................................... 50. 3.

(6) Innehållsförteckning 4.4.6 4.4.7 4.4.8. Produkt 2c....................................................................................................................... 50 Produkt 2d ...................................................................................................................... 50 Produkt 3 ........................................................................................................................ 50. 5. SLUTSATS OCH DISKUSSION............................................................................................... 50. 6. REFERENSER............................................................................................................................ 50. 7. SÖKORD ..................................................................................................................................... 50. 8. BILAGOR.................................................................................................................................... 50. 4.

(7) Inledning. 1 Inledning Kapitlet kommer att ta upp vad examensarbetet skall innefatta. Mål/syfte, avgränsningar samt disposition kommer att redovisas. Det kommer även att presenteras en företagsbeskrivning av Fläkt Woods AB samt en del om värmeväxlare och hur de används inom ventilation. Eftersom arbetet innefattar en produktutveckling av ett spjäll med spjällblad till en plattvärmeväxlare, så kommer även den befintliga produkten diskuteras och visas.. 1.1 Bakgrund Bakgrunden till examensarbetet är att Fläkt Woods AB i Jönköping vill byta ut sitt nuvarande spjällblad till ett nytt spjällblad och eventuellt ett helt nytt spjäll till sina plattvärmeväxlare. Värmeväxlaren ses i figur 1.1.. Axel. Tätning. Blad. Figur 1.1 – En monterad värmeväxlare med tillhörande spjäll och spjällblad Problemet består av två delar. Ett problem är att det finns vissa hygienproblem med dagens konstruktion. Tyska VDI, Verein Deutscher Ingenieure, rekommenderar att problemet rättas till och ersätts mot en bättre lösning för att produkten ska kunna certifieras enligt normen VDI 6022. Normen beskrivs ytterliggare i kapitel 3.1. Det andra problemet är att den befintliga konstruktionen känns aningen gammal. Den behöver uppdateras och nya lösningar skall undersökas för att se om det fanns bättre sätt att lösa konstruktionen på. Det nuvarande spjället har Fläkt Woods AB själva konstruerat under 1990-talet. Tillverkning sker än idag i deras egna lokaler och för eget bruk.. 5.

(8) Inledning. 1.2 Företagsbeskrivning Fläkt Woods AB i Jönköping ingår i den större Fläkt Woods-koncernen. Fabriken i Jönköping har en relativt lång historia och startades runt 1920, då vid namnet AB Svenska Fläktfabriken. Runt 1984 köpte Asea aktiemajoritet i Fläkt-koncernen och efter ett antal år byter företaget namn till ABB Fläkt Produkt AB.. Figur 1.2 – Fläkt Woods logotyp År 2002 bildades Fläkt Woods-koncernen genom en sammanslagning mellan två företag. Dels Svenska Fläkt, som var specialister inom luftbehandling, fläktar och systemprodukter samt engelska Woods Air Movement, som var en global ledare inom axialfläktar. Logotypen visas i figur 1.2. Globalt omsätter Fläkt Woods 4600 miljoner SEK. Fläkt Woods har idag tillverkning och verksamheter i Sverige, Finland, England, Frankrike, Italien, Polen, Ryssland, Dubai, Indien, Korea, Japan, Australien och Amerika. Företaget omfattas av cirka 3000 anställda i mer än 30 länder. Fläkt Woods i Jönköping utvecklar och tillverkar produkter inom luftbehandling och kylning. Produkter som finns i utbudet är kompletta ventilations- och luftbehandlingsaggregat, värmeväxlare, don och terminalapparater. Deras order kommer främst från Sverige (46 %) och övriga Europa (47 %), övriga världen står för 7 %. Det är ett av de större företagen i trakten och har cirka 600 anställda. Omsättningen ligger på närmare 850 miljoner SEK.. Figur 1.3 - Fläkt Woods AB i Jönköping. 6.

(9) Inledning. 1.3 Spjäll och spjällblad Det spjäll som Fläkt Woods har idag är av typen blandningsspjäll. Den tillhör en plattvärmeväxlare, vilket ger dess rektangulära form. Spjället är till för att justera luftflödet, från och till värmeväxlaren. Det finns även andra former på spjäll, beroende på tillämpningen. Avstängningssektion. Länksystem. Bypass-sektion. Figur 1.4 – Spjäll med tillhörande spjällblad från Fläkt Woods AB Ett flertal blad är placerade efter varandra i en ram. Bladen justeras vid drift, med hjälp av ställdon till önskat inställningsläge. Ett sådant läge justeras automatiskt, beroende på hur mycket värmeåtervinning som behövs. Bladen kan vara i olika lägen gentemot varandra beroende på önskat flöde. Manuell styrning förekommer också, dock inte i aktuellt fall. För större värmeväxlare, används fler antal spjällblad efter varandra. Spjällbladen tillverkas idag hos Fläkt Woods, av två plåtar som sammanfogas ihop med en tätning mellan. Tätningen består av en filt, som är gjord i materialet Polypropen. Bladen placeras i ramen och ett länksystem sammankopplar dem, vilket ses till vänster i figur 1.4. De vrids av ett eller flera ställdon med fyrkantsaxel. Bladen är uppdelade i två spjällsektioner, en sektion som används vid värmeåtervinning, så kallad avstängningsspjäll, samt ett bypass-spjäll som används när värmeåtervinning inte behövs. Bypass-delen utgör cirka 15-20 % av arean. Vilken sektion som skall vara öppen styrs av temperaturgivare som finns utomhus och inomhus. Sedan sköter ett reglersystem om värmeväxling skall ske eller inte.. 7.

(10) Inledning. 1.4 Syfte och mål Syftet med examensarbetet är att konstruera ett nytt spjäll och spjällblad som skall vara bättre, mer effektiv och uppfylla kravspecifikation på ett tillfredsställande sätt. Det finns två huvudmål som bör klaras av. Det första huvudmålet är att lyckas ta fram vilket material som skall ersätta den nuvarande, ohygieniska lösningen i spjällbladet. Det skall göras en bra undersökning av lämpliga material till tätningen, som kan vara till grund för vidare bearbetning hos Fläkt Woods AB. Det andra huvudmålet är att en omkonstruktion på spjäll och spjällblad skall ske, som tillgodoser våra och Fläkt Woods krav, se kravspecifikation kapitel 3.1. I helhet skall det vara ett väl fungerande spjäll och spjällblad som uppfyller minst 80% av kraven i kravspecifikationen.. 1.5 Åtaganden och avgränsningar Examensarbetet skall leverera vissa resultat till Fläkt Woods AB. Med detta avses: • En lista på potentiella material till tätning, se figur 1.1, rutan med tätning. • 2-3 koncept på möjliga spjäll- och spjällbladskonstruktioner, som skall vara väl utvecklade • Modeller i Pro/Engineer med tillhörande ritningar De huvudsakliga aktiviteterna sattes upp i början av examensarbetet och var följande: • Undersökning av material till tätning och tester på funna material • Benchmarking på konkurrerande produkter • Konstruera om spjäll och spjällblad Det finns även vissa aktiviteter som inte avses göras: • Färdiga prototyper • Alltför tidskrävande tester Övriga avgränsningar som främst försöks uppfyllas är de krav som står i kravspecifikationen.. 8.

(11) Inledning. 1.6 Disposition Rapporten påbörjas med en inledning, bakgrund och en teoretisk referensram till problemställningen. Här ingår krav som ställs på den nya konstruktionen. En bra bild om problemet skall ges och ett förtydligande om begreppet värmeväxlare och spjäll. Läsaren kommer få en bra insikt om vilket system som spjällkonstruktionen ska verka i och dess komponenter. Efterföjlande kapitel är Gemförande. Där delas arbetet in i följande områden: Planering, Material och Konstruktion. I kapitlet beskrivs och redovisas hur arbetet genomförts under hela examensarbetets gång. I kapitel 4 redovisas resultaten som erhållits, bland annat vilken konstruktion samt vilket material som valts ut som den mest lämpliga. Slutligen tas slutsatser och diskussion kring arbetet upp.. 9.

(12) Teoretisk referensram. 2 Teoretisk referensram En teoretisk referensram är skriven som grund till examensarbetets innehåll. Den innefattar delarna Beskrivning av värmeväxlare och spjäll samt Friktion.. 2.1 Beskrivning av värmeväxlare och spjäll Avsnittet handlar om hur spjället och spjällbladet är kopplat till ett system av komponenter inom ventilation. Först tas det upp allmänt om värmeväxlare, därefter om plattvärmeväxlare och sedan om ventilationsaggregat. 2.1.1. Allmänt om värmeväxlare. I lokaler där människor, maskiner, möbler och byggnadsdelar finns utsöndras gaser, partiklar, fukt och föroreningar. För att inomhusluften skall kunna uppfylla vissa hygieniska krav, måste icke önskvärda föroreningar transporteras bort. Detta är grunden till ventilation, och det är därför lokaler förses med ny luft samtidigt som den förorenade frånluften ventileras ut. För att ta tillvara på den värme som skapas och finns i lokaler så finns värmeåtervinnare, även kallad värmeväxlare, som förser den nya friskluften med energi i form av värme. Anledningen är att återanvända värmen och undvika för höga uppvärmningskostnader. En positiv egenskap med värmeväxlare är att det går att återvinna mer värme ur frånluften desto kallare tilluften är. Alltså, det sparas mera värme ju kallare det är på utsidan. [1] Det finns två huvudtyper av värmeväxlare, antingen regenerativa värmeväxlare eller rekuperativa värmeväxlare. I den regenerativa värmeväxlaren finns en rotor med fyllningsmaterial, se figur 2.1. Genom rotorn strömmar ett varmt medium från ett håll och fyllnadsmaterialet värms. På andra sidan strömmar ett kallt medium som värms av det varma fyllnadsmaterialet. I den rekuperativa värmeväxlaren, se figur 2.2, strömmar två medier med en vägg mellan dem. Konvektion och värmeledning gör så att värme förs från det varmare området till det kallare. [2]. 10.

(13) Teoretisk referensram. Figur 2.1 – Regenerativ överföring [2]. Figur 2.2 – Rekuperativ överföring [2]. Huvudtyperna kan delas upp ytterliggare. Vanligaste typerna är: • Roterande värmeväxlare • Vätskekopplade värmeväxlare • Plattvärmeväxlare • Värmerörsväxlare Examensarbetet kommer att handla om en plattvärmeväxlare. Den fungerar enligt den rekuperativa principen, se figur 2.2. En värmeväxlare är en del av ett ventilationssystem. Ett helt ventilationsaggregat beskrivs kort under rubriken Ventilationsaggregat, se kapitel 2.1.3.. 11.

(14) Teoretisk referensram. 2.1.2. Plattvärmeväxlare. Figur 2.3 - Plattvärmeväxlare. Figur 2.4 – Plattvärmeväxlare. Plattvärmeväxlaren är uppbyggd av ett stort antal lameller som är placerade i ett tätt rutnät i form av en kub. Lamellerna är ofta gjorda i aluminium. Kuberna kan bli mycket stora vid höga luftflöden och tillverkas därför inte normalt till luftflöden som är högre än 8 – 10 m3/s. Plattvärmeväxlaren har även ett mycket litet luftläckage. En plattvärmeväxlare fungerar enligt rekuperativa värmeöverföringen, se kapitel 2.1.1. Det innebär det att värmen förs genom kanaler i ett turbulent flöde. Det kan vara motströms eller medströms. Medier kan vara luft eller vätska som skiljs åt, av en skiljevägg. Värmen överförs då från det varmare mediet till det kallare genom konvektion och värmeledning. Ingen fukt kan överföras, då värmen måste passera genom väggarna. Se figur 2.2. Plattvärmeväxlaren har inga rörliga delar vilket ger en tyst och robust konstruktion. Ingen lukt avges heller vid rätt tryckbalans. Värmeåtervinningssektionen med lameller utgör cirka 80 % av plattvärmeväxlarens längd, medan en så kallad bypass-sektion utgör cirka 20 %. Genom bypass-sektionen kan luften föras över, utan att utsättas för värmeåtervinning. Anledningen kan vara att det redan är väldigt varmt inne. Dessutom används bypass-spjället vid avfrostning av värmeväxlaren. Det sker genom att varm luft går in i kuben, men ingen värme växlas över till den ingående luften. Vid avfrostningen så värms den ingående luften istället med hjälp av ett värmebatteri som sitter senare i ventilationsaggregat. En vanligare variant är sektionsavfrostning, där endast en del av värmeväxlaren stängs för avfrostning. På en sådan modell har varje spjällblad ett eget ställdon. Sektionsavfrostning används när utomhustemperaturen kan bli väldigt låg på vintrarna.. 12.

(15) Teoretisk referensram. Anledningen till att en plattvärmeväxlare väljs framför någon av de andra typerna, kan vara för att undvika lukt om någon till exempel röker i bostadshus. [1] 2.1.3. Ventilationsaggregat. Figur 2.5 – EC-aggregat från Fläkt Woods AB I figur 2.5 ses ett EC-aggregat för ventilation. I mitten av aggregatet sitter en plattvärmeväxlare med tillhörande spjäll. Värmeväxlaren är kubiskt formad och spjället ses strax till vänster om den. Beskrivning av luftens väg: Tilluften går genom ett jalusispjäll med filter till vänster på bilden, in i plattvärmeväxlaren där luften vid behov värms upp. Sedan går den vidare till ett värmebatteri och kylbatteri på nedre våningen. Tilluften går sedan förbi ett styrskåp och vidare till en fläkt, in i lokalen. Frånluften kommer in via ett frånluftsfilter på övre våningen, till höger på bilden, in i värmeväxlaren, där värme tillvaratas. Sedan går luften vidare till en frånluftsfläkt ut ur anläggningen.. 13.

(16) Teoretisk referensram. 2.2 Friktion Friktion kommer att ingå i examensarbetet, då parametern har stor koppling till material. Ordet friktion betyder enligt Nationalencyklopedin motstånd mot glidning mellan två kroppar i kontakt. [3] Friktionen har en kraft, den så kallade friktionskraften. Kraften är riktad mot glidningsriktningen. För att flytta ett objekt från vila, så måste kraften som flyttar objektet vara minst lika stor som friktionskraften. Coulombs friktionslagar är tre viktiga lagar inom friktion. Lagarna menar att friktionskraften är: 1. Proportionell mot den sammanpressande kraften (till exempel den övre kroppens tyngd vid horisontell kontaktyta) 2. Oberoende av kontaktytans storlek 3. Oberoende av glidhastigheten Friktionskoefficienten är en viktig parameter. Det är kvoten mellan friktionskraft och normalkraften. Friktionskoefficienten bestäms ofta experimentellt, då kontakten mellan två material kan variera mycket. Sambandet som beskriver förhållandet är F=µN, där F är friktionskraften, µ är friktionskoefficienten och N är normalkraften som oftast uppstår av objektets egentyngd, se figur 2.6. [3] N Ffriktion = µN. Θ. Ftyngd = mg. Figur 2.6 – Objekt i lutande plan Det är skillnad på vilofriktion och rörelsefriktion. Leonard Euler konstaterade 1748 att friktionskoefficienten allmänt är större vid vilofriktion än rörelsefriktion. [3] På IVF och Konstruktörslotsen [4] finns mycket information om tribologiska kontakter och friktion.. 14.

(17) Teoretisk referensram. För att få en glidande kontakt bör det: • Avstås från för höga punktlaster eller alltför hårt yttryck • Användas yta och offeryta vilket innebär att en av ytorna ska kunna nötas och slitas på. • Användas ett material med bra motstånd mot adhesiv nötning, bra värmeledning, hög hårdhet vid värme, låg duktilitet, lågt deformationshårdnande. • Smörjas om det är möjligt. Åtgärder vid för hög friktion kan vara: • Smörja. Även fasta smörjmedel kan ge tillräckligt låg friktion och lång livslängd. • Använd material med låg friktion. Vissa material och vissa ytbeläggningar kan ge låg friktion. Det kan exempelvis gå att använda plast, metall som används i vissa lager, tunna skikt av diamant och molybdendisulfid. [4]. 15.

(18) Genomförande. 3 Genomförande Examensarbetet har delats upp i fem faser. Uppdelningen är gjord för att få bra struktur och en tydlig överblick över arbetet. Examensarbetet delades också upp med hjälp av en metod som kallas WBS (Work Breakdown Structure). Anledningen till det var att finna alla ingående delar som kommer att påträffas. Tre stycken WBS gjordes för att täcka in alla delar. En WBS gjordes för hela spjället och så en för material och en för konstruktion. Alla tre finns i bilaga 2. Resultatet blev sedan grunden för examensarbetets tidplan som finns i sin helhet i bilaga 1. Examensarbetets fem faser följer nedan. • Planeringsfas Fasen innefattar den planering som görs innan själva arbetet sätts igång. Hur arbetsgången skall struktureras, vilka delmoment som skall ingå och när alla delar skall utföras under examensarbetet. Här upprättas även en kravspecifikation, se kapitel 3.1. • Materialfas I materialfasen skall en studie av tänkbara tätningsmaterial genomföras. Så mycket information som möjligt om gummi- och plastmaterial ska samlas in och möjliga materialtyper som uppfyller Fläkt Woods krav ska hittas. Här är allt arbete inriktat på material och dess egenskaper, inte konstruktion. • Konstruktionsfas I konstruktionsfasen skall flera förslag på omkonstruktioner av spjäll och spjällblad arbetas fram och presenteras. De flesta steg i produktutvecklingen kommer att påträffas och skall generera några bra koncept. • Produktfas Produktfasen skall sammanföra de två tidigare faserna. Resultaten i materialfasen och konstruktionsfasen skall gå samman till två eller tre slutliga förslag på produkt. • Slutfas I slutfasen läggs allt arbete på att presentera de resultat som arbetats fram. En bra skriven rapport och inspirerande presentation skall ges.. 16.

(19) Genomförande. 3.1 Kravspecifikation Kravspecifikationen upprättades tillsammans med Fläkt Woods AB. Kraven syns nedan med en kort beskrivning till varje krav. Kravspecifikationen innehåller de krav som den blivande produkten skall uppfylla. •. VDI 6022. Produkten skall uppfylla de hygieniska krav som beskrivs i den tyska normen VDI 6022. Utdrag ur normen finns i bilaga 3. För att undvika spridning av mikroorganismer så skall alla luftbehandlande ytor vara konstruerade, användas och underhållas för att undvika för stor utsättning av skadliga ämnen, såväl som ickeorganiska och organiska föroreningar. Material som används inom luftbehandlande ytor där det är hög fuktighet eller stora mängder vatten, får inte ge näring för mikroorganismer och måste testas enligt EN 846. Tätningsmaterial ska ha täta porer, de får inte ta upp fukt eller släppa ut några odörer. Framförallt så ska de inte tillgodose näring till mikroorganismer. De mikrobiologiska testerna är beskrivna i VDI 6022 del 2, där saker som tas upp är standardvärden, krävda kvalifikationer, mätningsproceduren etc. •. ISO 7655 – T3. Det andra kravet är att spjället skall uppfylla de krav som täthetsklass T3 innehåller, se figur 3.1. Klassificeringen visar maximalt tillåtet läckage på stängda spjällblad i enheten l/(s*m2) som funktion av statiska trycket i kanalen i enheten Pa.. Figur 3.1 – Täthetsklasser för läckage för spjäll [5]. 17.

(20) Genomförande. Övriga krav. Det finns även mer krav som ställs på spjäll och spjällblad. Ytterligare krav är att: • Spjällbladen skall manövreras med ett ställdon med max vridmoment på 15 Nm. • Låg bygghöjd. Den får inte vara mer än 146,5 mm bred vid kanterna. Se figur 3.2.. Figur 3.2 - Bygghöjd • Bredd på spjällblad är 100 mm, 150 mm och möjligtvis 200 mm. • Det skall vara ett enkelt montage mot värmeväxlare. Spjället skall kunna fästas på liknande sätt som nu, alltså skruvas fast med självborrande plåtskruv, på värmeväxlare. • Spjällbladen skall passa ihop med ställdonen genom en fyrkantaxel som har 15 mm som yttermått. • Högsta tillåtna tryckdifferens över spjällbladet i stängt läge får inte överskrida 1.0 kPa. I VVS-AMA ställs krav på redovisning av spjällets tryckklass. Spjället skall i stängt läge ska vara så stabilt att det klarar tryckdifferensen A i figur 3.3.. Figur 3.3 – Tryckklasser för spjäll [5]. 18.

(21) Genomförande. 3.2 Materialsökning Ett av huvudmålen med examensarbetet var att finna ett material eller en ytbehandling av ett material för att kunna täta i spjället på ett effektivt sätt. Det ska inte vara för hög friktion för spjällbladen att vrida sig. För att spjället ska klara normen VDI 6022, se kravspecifikation kapitel 3.1, hade den enklaste lösningen varit att bara byta ut tätningsmaterialet i den befintliga konstruktionen. Alltså att byta ut den ej godkända filten mot ett ej poröst tätningsmaterial. Att hitta det perfekta materialet till en låg kostnad kändes svårt. En stor materialundersökning gjordes och en lista på tänkbara material togs fram och analyserades. De material som mest intressanta var gummi och olika elastomerer. Plast undersöktes också i inledningsskedet, men det lades sedan ner då plast skulle sakna viktiga tätningsfunktioner. Materiallistan finns under resultat i kapitel 4.2. Värt att nämna är att en konkurrent använder sig av plasttätning på spjällsidorna, se kapitel 3.3.7.1 och figur 3.12. 3.2.1. Kravlista material. För att veta mer vad för material som söktes behövdes en kravspecifikation som visar de materialegenskaper som konstruktionen kräver. Ett av de stora kraven, att uppfylla VDI 6022, granskades och översattes till en del mindre krav på egenskaper hos materialet. Ytterligare ett möte med Fläkt Woods var behövligt för att klarlägga de sista frågorna och kunna upprätta en bra kravspecifikation. De flesta kraven har inga bestämda värden, utan är mer en uppskattning. Kraven var: • Låg friktion Bladet ska kunna vridas lätt i spjället utan att det fastnar. • Inte ett poröst material, det ska vara slutna porer Det ska inte bli någon bakterieansamling. • Flexibelt material Ska forma sig så att det tätar på ett effektivt sätt. • Ska klara ett temperaturintervall mellan -40°C till och med +70°C Materialet ska kunna röra på sig och utföra sin funktion på ett bra sätt även om temperaturen växlar. • Livslängd minst 10 år Med tanke på nötning och åldring av materialet. Dessutom ska materialet hålla för böjning och sträckning många gånger under lång tid.. 19.

(22) Genomförande. • Inte för hög kostnad Eftersom det är en kan vara en mindre serie med mycket handarbete så skall det vara så billigt som möjligt. 3.2.2. Sökning i databaser och litteratur. När problemet var tillräckligt definierat påbörjades en förstudie bland litteratur och databaser. Studien gav en bra inblick och behövlig kunskap inom elastomerer och polymerer. 3.2.2.1. Litteratur. I boken Konstruera i gummi [6] finns några generella regler för friktion inom området gummi. Några bra punkter att ha i åtanke var: • Som regel ger ett mjukare gummi högre friktion än ett hårdare gummi. • Friktionen kan minskas mellan ett gummi och annan yta, till exempel genom att blanda i teflonpulver. • Det kan tillsättas grafit, molybdendisulfid, teflon, textilflock etc. för att göra ett materials friktion mindre. • Rörelsefriktionen för en tätning kan minskas genom att öka hårdheten eller att göra en minskning av kontaktytan, till exempel vid O-ringar. • Friktionskoefficientens värde beror på många parametrar. Så som glidhastighet, yttrycket, hur blank ytan är, smörjningsförhållande med mera. 3.2.2.2. Samtal med lärare på Tekniska högskolan i Jönköping. På Tekniska högskolan i Jönköping togs det kontakt med ett antal lärare som är kunniga inom materialområdet. De som diskussioner fördes med var tekniklektor Bertil Olaison, tf universitetslektor Salem Seifeddine och universitetslektor Niclas Strömberg. Tekniklektor Bertil Olaison gav tips att främst undersöka gummiområdet. Det har ett stort användningsområde inom tätningar. Han tyckte även att temperatur, tid (åldring) och tryck var de viktigaste parametrarna. Tf universitetslektor Salem Seifeddine gav tips på vad det kan vara för parametrar som ska undersökas när friktionen skall minimeras. Parametrarna var följande: • Gummiblandning • Ytbehandling • Kontaktmaterialet. 20.

(23) Genomförande. Parametrarna undersöktes vidare från information som skaffats från de olika tillverkarna av gummi. Seifeddine nämnde också att det är svårt att jämföra friktionen i exempelvis CES, se kapitel 3.2.2.3. Därför tyckte han att friktionen skall bestämmas experimentellt. Se tester i kapitel 3.2.3. Universitetslektor Niclas Strömberg tillfrågades även. Han har forskat mycket inom tribologi och mekaniska kontakter. Han gav rådet att undersöka ytterliggare hur den globala styvheten i materialet var kopplat till friktionen. En styvhetsmatris behövde då hittas för det aktuella problemet. Eftersom författarna har otillräckliga kunskaper inom området och det var alltför lite tid för att läsa in sig gjordes ingen vidare studie inom området. 3.2.2.3. CES EduPack 2006. När sökningen efter material genomfördes så användes bland annat CES EduPack 2006. Det är ett program som kan användas för att söka efter material utvalt genom ett antal parametrar. En annan fördel programmet har är att det går att göra bra och tydliga diagram och materialjämförelser. Den materialgrupp som mest intressant var främst elastomerer. De uppfyller de krav som sattes upp i kravlistan för material, se kapitel 3.2.1. Level 3 och Limit stage användes för att avgränsa sökningen. De olika parametrarna som användes var: • Elastomer • Lågt pris, maximalt 20 kr/kg • Vattenupptagning (under 24 timmar), mindre än 0,2 % • Maximum service temperature (Tmax) +70°C • Glass temperature (Tg) ska vara under -50°C. Minimum service temperature (Tmin) har förhållandet Tmin=0,6*Tg= – 30°C. • Wear resistance, från “Good” till “Very good” Förklaring av orden: Maximum service temperatur (Tmax) – Den högsta temperatur som ett material kan användas i en lastbärande komponent utan att oxidation, kemisk förändring eller större krypning blir ett problem. Har förhållandet Tmax=Tm/3, där Tm är smälttemperaturen. Minimum service temperature (Tmin) – Den minsta temperatur som ett material kan användas utan att bli för spröd. För material med glasövergång (polymerer, kompositer med polymerer och naturliga material) så är Tmin = 0,6*Tg.. 21.

(24) Genomförande. Glass temperature (Tg) – En egenskap hos icke-kristallina och amorfa material som inte har en skarp smältpunkt. Det visar vid vilken temperatur en övergång från fast fas till en mer viskös vätska händer i materialet. Amorfa material har ingen smältpunkt, bara en glastemperatur. Elastomerer är amorfa i sin mikrostruktur. [7] CES gav en lista på ett antal potentiella material. Efter det sållades det ytterliggare en gång efter de mest reella materialen att använda. Det baserades på material som stötts på mest under övriga sökningar. De som blev kvar efter sållningen var: • Ethylene Propylene Diene Terpolymer (EPDM) • Ethylene Propylene Rubber (EPM) • Nitrile Rubber (NBR) • Polychloroprene (CR, Neoprene). EPDM. NBR EPM. CR, Neoprene. Figur 3.4 – Elasticitetsmodul och densitet i gummimaterialen EPDM, EPM, NBR, CR och Neoprene Eftersom det fanns ytterliggare en parameter, nämligen friktion, så måste materialen undersökas mer innan det kan dras någon slutsats. 22.

(25) Genomförande. Det gick inte att hitta en bra parameter för att jämföra friktionen i CES. Någon sorts riktvärde hade varit bra att ha, men att bestämma friktionen är väldigt komplext och varierar ofta beroende på olika förhållanden. Parametrar som påverkar kan vara gummiblandning, ytegenskaper och kontaktmaterialet som används (se kapitel 3.2.2.1 om litteratur samt kapitel 3.2.2.2 om samtal med lärare). Det som också fanns i åtanke var att friktionen kan bero på styvheten, se figur 3.4 där elasticitetsmodulen undersöks och sätts in i graf. 3.2.2.4. IVF och Konstruktörslotsen. IVF och Konstruktörslotsen [8] är ett bra verktyg för att söka material och tillverkningsmetoder. I aktuellt fall söktes ett material. Det finns en egen sektion om gummin där det står en del bra övergripande egenskaper. Bland annat hittades ett bra diagram där olika gummityper jämförs, se bilaga 4. De mest intressanta parametrarna i diagrammet var adhesion mot metall, prisindex och köldbeständighet. De material som har lägst friktion enligt tabell är Butylgummi, Nitrilgummi, Silikongummi och EPDM-gummi. Om de olika materialen ska jämföras så anses det från vår sida att Butylgummi inte alls har låg friktion, så det känns som en felaktig slutsats från IVF. Däremot har Nitrilgummi en av de lägsta friktionerna om det ses till de obehandlade gummisorterna. Silikongummi kan tyvärr inte användas i aktuellt fall och utesluts. Anledningen att det är känsligt att använda vid ventilation, där det kan förstöra för exempelvis lackeringsavdelningar. EPDMgummi har redan testats av Fläkt Woods och uppfyller tyvärr inte kraven för låg friktion, däremot ligger den på en bättre nivå än många andra gummisorter. Eftersom undersökningen främst gäller friktionen så kommer endast EPDMgummi och Nitrilgummi fortsätta jämföras här. Om det ses till prisindex så ligger EPDM-gummi på 1,5 och så gör även Nitrilgummi. Det kan tolkas att EPDM- och Nitrilgummin alltså ligger på en acceptabel prisnivå jämfört med andra gummisorter. Vid köldbeständighet så ligger EPDM-gummi väldigt bra till och har utomordentliga egenskaper. Nitrilgummi ligger på en medelnivå och är inte lika bra som EPDM-gummit. Slutsatsen som kan dras av det här är att Nitrilgummi är en av de mest intressanta gummisorterna. Den är inte egentligen gjord för lågfriktionsapplikationer, likväl uppvisar den ändå relativt goda egenskaper. För att se mer om resultat, se kapitel 4.2.2. SBR-gummi kan även vara en tänkbar lösning, men då med en kloreringsbehandling. Den har för hög friktion obehandlad, men erhåller relativt låg friktion efter kloreringen. För mer information om klorering, se kapitel 3.2.4. Dessutom så hittades uppgifter som kan vara bra att relatera till när friktionen hos ett material undersöks, vilka har presenterats i kapitel 2.2.. 23.

(26) Genomförande 3.2.2.5. Sökning hos underleverantörer. För att få bästa möjliga information om tänkbara material kontaktades flera polymer- och elastomertillverkare i landet. Cirka 15 stycken företag erbjöd sin hjälp på ett eller annat sätt och gav en del fakta. Med företagen fördes även telefonkontakt och en del besök gjordes. De företag som var mest tillmötesgående var Trelleborg Industriprofiler AB, Helsingborgs Gummi AB, Trekollan AB och National Gummi AB. Flera av företagen skickade över olika provbitar på gummin och många tyckte att gummimaterialet EPDM skulle användas, möjligtvis med någon sorts behandling. Det erhölls även ett prov på klorerat SBR-gummi vilket kändes som en möjlig lösning. Materialet, som var klorerat, undersöktes vidare och det visade sig att den uppfyller de krav som ställs på önskat material, se kapitel 3.2.1. På de olika gummiproverna gjordes sedan ett antal tester. Se kapitel 3.2.4. Flera företags hemsidor undersöktes för mer information om materialens egenskaper. All information analyserades och var till bra användning vid diskussioner och sållningar bland material. Ett besök hos Trelleborg Industriprofiler AB i Värnamo genomfördes och gav en del behövlig fakta. Trelleborg AB är en av Sveriges ledande gummitillverkare och delade gärna med sig med både allmän information och fakta om gummi och gummitillverkning. De kom också med en del idéer och förslag. På avdelningen som besöktes arbetar de med extrudering av gummiprofiler. Där sysslar de med allt från gummiblandning, profildesign till färdig profil. Gummimaterialet som de använder främst är EPDM och de har även bra kunskap och möjlighet att lacka dessa profiler för till exempel lägre friktion. Trelleborg har även en avdelning för tillverkning av gummiduk, som också kontaktades. Dock gjordes ingen behandling där för att sänka friktionen. Trekollan AB är en stor polyuretangummitillverkare. De hade flera förslag olika gummiblandningar för att hitta en önskad och bra fungerande gummityp. De införde även en del nya parametrar som var behövliga i arbetet, som till exempel fuktighet. National Gummi AB är en annan av Sveriges största gummitillverkare. De bidrog med förslag på behandling av profiler så väl som gummiduksbehandlingar och hade även klorering av formpressade detaljer. Dessutom besöktes tätningstillverkare som Indoma i Jönköping och diverse återförsäljare som till exempel K-Rauta. Indoma kunde erbjuda ett en Neoprengummiduk samt ett slags Klingersil (P800-7). Övriga företag som till exempel Semperit AB, Cebeco AB etc. var alla överens om att för att få tillräckligt låg friktion, krävs en behandling av materialet. Läs mer om behandling i kapitel 3.2 samt resultat i kapitel 4.. 24.

(27) Genomförande 3.2.3. Materialtest. En materialtest gjordes på de gummityper som erhållits av diverse gummitillverkare. Det tillverkades en egen maskin för att likna det nuvarande, verkliga förhållandet mellan tätning och ram. Först så modellerades riggen upp i Pro/Engineer. Ritningar togs fram för detaljerna. I prototypverkstaden på Tekniska Högskolan i Jönköping togs en prototyp av vår provrigg fram. Riggen svetsades sedan på en plåt, för att kunna dra materialet mot en metall.. Figur 3.5 – Materialtest Testresultatet blev dock inte så givande som önskats. Den vridpotentiometer som tänkt användas hos Fläkt Woods passade inte på vår maskin, se figur 3.5. Dock kunde en vanlig kraftpotentiometer användas istället. En del material gick tyvärr inte att prova, för att de var för styva och hårda. En del material var istället för mjuka, vilket inte heller fungerade så bra. De slutsatser som kan dras är att de lackade materialen var de som hade den lägsta friktionen. Se tabell under resultat för material i kapitel 4.2. 3.2.4. Behandling av material. Det finns även ett antal sätt att behandla gummimaterialens ytor för att få den rätta friktionen. Då materialet skall sitta i ett spjäll och inte behöva underhållas ställer det höga krav på en eventuell ytbehandling. Dels att dess funktion skall hålla i minst 10 år, att det ej skall vara hälsofarligt och inte generera bakterietillväxt. Om det blir en låg serie så får de fasta kostnaderna inte bli för höga vilket lätt kan uppstå då materialet skall behandlas.. 25.

(28) Genomförande. Lackering Lackering är en bra metod för att minska friktionen på gummimaterialet. Det finns bland annat två lackeringstyper, TCT och TBS-lack, som innehåller teflon. TCT betyder Thermal Chemical Treatment och TBS är förkortning för Trelleborg Building Systems. Gummit erhåller fortfarande de egenskaper som flexibilitet och böjbarhet som önskas, samt låg friktion. Att lackera materialet ger inga större extrakostnader. Flera av de större tillverkarna lackerar inte gummidukar, utan endast profiler. Se resultat i kapitel 4.2.3. Flockning Genom flockning appliceras fibrer på materialet, med hjälp av lim och elektricitet. Längderna på fibrerna varierar beroende på användningsområde. Fibrer ger en len yta med mycket låg friktion. Metoden utesluts i projektet då den inte avvisar bakterietillväxt, som är ett av huvudkraven för konstruktionen. Film Att sätta en film på materialet sänker friktionen mycket. Materialet blir glatt, fast fortfarande böjbart och flexibelt. Nackdelen med film är att det inte skulle hålla under en längre tid, utan snarare är en lösning på kort sikt. Då vår kravspecifikation kräver en livslängd på 10 år har metoden uteslutits. Klorering Kloreringen görs genom att sänka ner en duk eller en detalj i ett kloreringsbad. Genom att klorera materialet ges en glatt yta, med mycket låg friktion. Materialet är efter behandlingen fortfarande flexibelt. Kostnaderna, som beror till stor del på seriestorlek, ökar genom behandlingen. Klorering kan göras på gummi-materialen SBR-gummi, Kloropren och Neoprene. Se resultat i kapitel 4.2.3. Teflontejp En slags tejp som fästs på önskat ställe ger lägre friktion. Dessvärre är livslängden på metoden osäker.. 26.

(29) Genomförande. 3.3 Konstruktion Konstruktionsfasen innehåller en omkonstruktion av spjällbladet och/eller hela spjället. Då det var svårt att hitta ett material med tanke på friktionen till ett bra pris så bör en omkonstruktion göras i mer eller mindre omfattning. För att lyckas väl med omkonstruktionen användes flera verktyg och metoder för produktutveckling som till exempel TIPS/TRIZ och QFD. En omfattande patentsökning genomfördes med en del goda resultat, samt en benchmarking av två befintliga spjäll från två konkurrenter. Brainstorming och idégenerering är två grundläggande begrepp i denna fas. Kapitlet innehåller även simulering och beräkning av bladens utböjning, samt konceptframtagning och sållning. 3.3.1. Brainstorming. Genom brainstorming ges en hel del idéer och diverse förslag. Ett antal timmar lades ner på få ut så många förslag som möjligt. Alla förslag antecknades och sparades, för att inte missa små detaljer och idéer till senare skede. När det brainstormas är det viktigt att inte neka någon idé. Varje idé kan bidra med något, hur annorlunda de än må verka. Förslag som tätning genom luftkuddar, magnetism och ledade blad var bara några av alla idéer som påträffades. Brainstorming gjordes dels i början och även något senare i konstruktionsfasen. Fler idéer hade då uppkommit på vägen genom de olika produktutvecklingsmetoderna. 3.3.2. Liknande lösningar. Att studera hur liknade konstruktioner är lösta i ett annat teknikområde, är ett bra sätt att få inspiration från. I aktuellt fall önskades en konstruktion för att öppna och stänga en viss yta, samt att den skall kunna regleras på något sätt. Sådana här fall kan idag finnas till exempel som persienner i fönster, kupéfläktar till bilar, jalusier med mera. Genom att studera lösningarna kan en ny vinkel och eventuell lösning av problemet ges. Till exempel i persienner styrs rörelsen med hjälp av trådar. Bladen har ingen axel utan vrids genom att bara ligga an mot de rörliga objekten. Då bladen i blivande konstruktion kommer att röra sig olika jämt emot varandra skulle en sådan typ av funktion bli svår.. 27.

(30) Genomförande. Figur 3.6 – Liknande lösningar [9] 3.3.3. TIPS/TRIZ. TIPS/TRIZ användes i projektet för att skapa inspiration och möjligtvis någon ny idé. TIPS/TRIZ är en innovativ metod för att finna nya idéer och lösningar. Den bygger på att det finns en teknisk konflikt. Till denna tekniska konflikt finns olika parametrar som passar till det egna problemet. Sedan sammanställs dessa med hjälp av en matris, där de olika parametrarna ställs mot varandra. Genom matris redovisas vilka principer som är mest påträffade och som ska undersökas vidare. Det är först då som nya idéer påträffas. Exempel på en princip kan vara ”Fysikaliska och kemiska parametrar”. Där kan idéer vara till exempel: Öka densiteten, minska hårdheten eller öka temperaturen. [10] TIPS/TRIZ-analysen gav några nya idéer, men även de redan påkomna idéerna kom upp igen. De nya idéerna var: • Tätningen kan göras av spjällbladen. Alltså hela spjällbladet är en tätning. • Införa en elektromagnetisk variant för att stänga och öppna bladen. • Ändra bladens former. Till exempel cirkulära, triangulära former. • Ändra bladens rörelsebana. Istället för att vridas kan de skjutas, böjas eller vikas. Hela TIPS/TRIZ-analysen finns att se i bilaga 6.. 28.

(31) Genomförande 3.3.4. Funktionsanalys. När kravspecifikationen är klar kan en funktionsanalys tas fram. Funktionsanalysen ska redogöra för de funktioner som kommer att behövas för att tillmötesgå de krav som ställts upp i kravspecifikationen. En sak som bör tänkas på är att funktionsanalysen inte ska resultera i färdiga lösningar, utan endast som funktioner. Genom detta så hittas förhoppningsvis fler lösningar och det stannas inte vid en sorts lösning. Funktionerna ska sedan kunna jämföras mot de framtagna idéerna och produkterna för att se om de uppfylls. De olika funktionerna delas upp i tre kategorier, H – huvudfunktion, N – nödvändig funktion och Ö – önskvärd funktion. I vår funktionsanalys togs två huvudfunktioner fram. Att erbjuda luftpassage och minimera luftpassage. Detta för att spjället ska växla mellan ett öppet läge och ett stängt läge. Dessutom togs några nödvändiga funktioner fram, till exempel att spjället ska vrida bladen, den ska klara det lufttryck som uppkommer vid stängt spjäll samt hålla tätt och inte läcka. Hela funktionsanalysen finns att se i bilaga 7. 3.3.5. Morfologisk struktur. För att finna vad varje ingående del i konstruktionen har för speciell uppgift kan det göras en så kallad funktionsnedbrytning. Varje komponents funktioner studeras noga och analyseras. Olika lösningsförslag på olika funktioner sammanställs i en Morfologisk struktur, figur 3.7. Till vänster i matrisen är de olika funktionerna uppstaplade följt av ett antal olika lösningar.. Figur 3.7 – Morfologisk struktur. 29.

(32) Genomförande 3.3.6. Patentsökning. En patentsökning gjordes under examensarbetet. Den största delen gjordes på Espacenet [11] och även Nordiska Patent [12]. Där fanns många intressanta patent. Det fanns även patent som kändes svåra att tillämpa i examensarbetet. 3.3.6.1. Strukturerad beskrivning. Nästan alla patent gällande spjäll och spjällblad kommer från Amerika och Europa, främst från USA och Storbritannien. Vanligen är de sökta från 1990-talet och senare. I äldre patent hittas spjället som en del i större konstruktioner och är inte speciellt detaljerade och till så stor vikt för nuvarande konstruktion. Det finns en stor mängd varianter på olika konstruktioner och utformningar av spjällblad och dess tätning mot varandra. Det finns allt från komplicerade blad med dyra tillverkningskostnader till enkla spjäll för mycket låga serier. De flesta är tillverkade i metall av bland annat stål och aluminium. Det finns tydliga patent på spjäll som är gjorda för speciella ändamål och utför funktioner som är anpassade för just dem. I många patent har stor del lagts på lösningar av dess länksystem som binder ihop bladen. Länksystemen kan formas på en mängd olika sätt, men är uppbyggda på två huvudprinciper. Antingen med kugghjul eller länkar. Angående tätningar i spjäll finns många bra träffar på hur bladen tätas mot varandra, men ytterst få hur de ska täta mot spjällramen. 3.3.6.2. Utdrag ur gamla patent. Nedan finns ett utdrag av lite bilder från tidigare patent som gav en del inspiration i arbetet med konstruktionen. Det har även gjorts en patentsammanställning, som finns i bilaga 8. Figur 3.8 visar hur ett spjällblad kan tillverkas, på ett relativt enkelt sätt. Endast en plåt har använts och så även bara en tätning. På varje blad sitter en tätning av plast vid änden som också hjälper till att vrida bladet. Längst ner till vänster kan det ses att spjällramen är aningen böjd, antagligen för att underlätta för vridning av bladet. Här är enkelheten inspirerande.. 30.

(33) Genomförande. Figur 3.8 – Exempel från tidigare patent [13] Figur 3.9 visar ett intressant sätt att täta bladen mot varandra. Tätningskonstruktion ser mycket tät och säker ut trots sin enkelhet. Det finns olika möjligheter för bladens rotation vilket inte hindras av tätningen. Montering borde inte heller vara svår, dock är frågan hur bladen tätas i kortsidorna av bladen.. Figur 3.9 – Exempel från tidigare patent [14] Ett spjäll som visas i figur 3.10 har ett flertal mellanväggar. I de spjäll som Fläkt Woods använder förekommer sådana mellanväggar i en del fall. Personen bakom detta spjäll har konstruerat en lång flexibel tätning mellan varje blad och mellanvägg, med risk för hög friktion och större vridmoment. En bra lösning på tätning mellan bladände och spjällram saknas dock. Bladen kan troligtvis tillverkas genom strängpressning. Ett enkelt länksystem likt det i dagens spjäll från Fläkt Woods har används.. 31.

(34) Genomförande. Figur 3.10 – Exempel från tidigare patent [15] Figur 3.11 visar några olika varianter på spjällbladsprofiler. Det finns ett stort antal gamla patent som visar just profiler av olika slag. En del är förmodligen dyrare än andra, beroende på tillverkningsmetoder.. Figur 3.11 – Exempel från tidigare patent [16][19] På figur 3.12 visas till vänster en variant på länksystem där en plåt styr bladen, beroende på dess utstansade hål. Om den kan öppna vissa spjäll i taget är det en mycket intressant lösning. Vanligen vrids bladen i änden eller med hjälp av en genomgående axel, men i patentet till höger i figur 3.12, har konstruktören tillverkat ett slags fäste som placeras mitt på bladen och skall vrida dem. I mitten av figuren finns exempel på hur ett blad monteras mot ramen samt ytterligare en form på bladprofil.. 32.

(35) Genomförande. Figur 3.12 – Exempel från tidigare patent [15][16][17][18] 3.3.7. Benchmarking av konkurrerande produkter. Benchmarking är en konkurrentjämförelse där befintliga spjäll granskas och undersöks. Genom att göra en benchmarking på de spjäll som finns tillverkade idag fås bra kunskap om varje detaljs funktion och en god inblick hur olika problem är lösta. Konkurrentjämförelsen ger både idéer och förslag på goda lösningar, men även en bild av mindre bra lösta problem och funktioner som då kan undvikas. I examensarbetet granskades två stycken spjäll från företag A och företag B, vilket redovisas nedan. Spjällen är vanliga inom ventilation och har liknande användningsområde som det spjäll som Fläkt Woods vill ha omkonstruerat. 3.3.7.1. Spjäll hos företag A. Allmänt Spjället uppfyller de krav som ställs på täthet, enligt täthetsklass T4, se figur 3.1 i kapitel 3.1. Ramen Det kan konstateras att ramen är sammanfogad efter att bladen är placerad i den. Förmodligen har punktsvetsning använts för att sammanfoga ramen. Ramen är gjord av bockad stålplåt. Ramen har måtten 370 mm x 570 mm, med djupet 130 mm.. 33.

(36) Genomförande. Figur 3.13 – Spjäll hos företag A Bladen Bladen är möjligen bockade eller rullformade i två symmetriska plåtar. Plåtarna sammanfogas med hjälp av fliknitning i varje långsida. De är ihåliga och är lätta till sin vikt. Bladen och dess profil ses på figur 3.14.. Figur 3.14 - Profil spjällblad. Figur 3.15 - Plastdetalj. I varje ände av bladet sitter en plastdetalj, se figur 3.15. Änden sitter ihop med en kort ingjuten metallaxel. Förmodligen för att stabilisera och förstärka, men också för att bladen ska kunna vridas. Plastdetaljen är formad för att passa bladets tvärsnittsform och för att passa mot en plastprofil som sitter längs med ramens kant. På erhållet sätt blir kontaktförhållandet plast mot plast och friktionen blir mycket låg mellan plastprofil och plastdetaljen. Det blir även tillräcklig täthet. Ett krav kan vara att det är tillräckligt bra passning mellan bladet, plastdetaljen och plastprofilen. Plastprofilen, se figur 3.16, är formad som en avkapad trekant. Den är flexibel och kan lätt tryckas ihop mot ramen, se figur 3.17. I varje ände är den fogad, förmodligen för att det ska täta och till viss mån hålla fast den. Annars sitter den fast med hjälp av bladens axlar som går rakt igenom.. 34.

(37) Genomförande. Figur 3.16 - Tätningsprofil i plast F. Figur 3.17 - Plastprofilen trycks till och deformeras På varje axel sitter ett nylonlager för att underlätta vridning. Utefter en kortsida sitter även tre kugghjul i plast för att länka bladen med varandra. Kugghjulen skyddas av en skyddsplåt. En gummiprofil för tätning är monterad på bladens båda långsidor för att täta mot ram och mellan blad. Gummiprofilerna är tillverkade av två olika gummityper. En hårdare variant där den skall fästas, samt ett mjukare gummi med lägre friktion där den skall täta. Någon sorts pulver verkar ha använts för sänka friktionen i den mjukare delen. Gummiprofilen ses i figur 3.18.. Hårdare gummityp vid infästning. Mjukare gummityp vid tätning. Figur 3.18 - Gummiprofil. 35.

(38) Genomförande 3.3.7.2. Spjäll hos företag B. Allmänt Spjället hos företag B klarar täthetsklass T5. Konstruktionen innehåller en ram, blad, kugghjul i metall och gummitätningar. Kugghjulen är sammanfogade med bladen. Även här är bladen ditsatta innan ramen är fullt monterad.. Figur 3.19 - Spjäll hos företag B Tätningen är anmärkningsvärd, de verkar ha använt sig av en sorts film på gummit. Filmen anses inte hålla i längden och det krävs väldig finkänsla vid hopsättningen av filmen och gummit för att det inte ska bli rynkor i filmen. Film på gummiprofilen. Film mellan skumplast och ram Figur 3.20 - Tätning mot ram på bladens kortsida och långsida En sak som även är värt att nämna är att gummiprofilerna går att sätta fast på ett väldigt smidigt sätt. Den kan bara enkelt tryckas dit och dras bort.. 36.

(39) Genomförande 3.3.8. Skisser. Efter att arbetat med innovativa produktutvecklingsmetoder som TIPS/TRIZ, brainstorming med mera så fanns goda underlag för att skapa ett flertal tydliga skisser. Inspiration var också hämtad från tidigare lösningar och patent. Bland skisserna finns många idéer, allt från enkla bra fungerande lösningar till helt ny obeprövad teknik. Se skisserna i bilaga 9. Skisserna innehåller bland annat flera varianter på sätt att täta. Det finns dels förslag på tätning runt varje spjällblad och dels olika tätningar i spjällramen. Flera alternativ på bladens rörelse redovisades också, främst med olika placering av dess axel. En del olika förslagsskisser på spjällbladsprofiler skisserades även upp. Profilerna varierade i form och en del var tänkta med två hopsatta profiler, medan en del med bara en profil.. Figur 3.21 - Några blandade skisser Skisserna presenterades för Rickard Brandt, konstruktör på Fläkt Woods AB, och en gemensam grovsållning genomfördes. Med hjälp av Brandts erfarenhet kunde sållningen genomföras med avseende på magkänslan, så kallad gut feel. Knappt tio idéer återstod för noggrannare granskning och sållningar och presenteras i kapitel 3.3.9, för att sedan utvärderades med hjälp av Pughs metod, kapitel 3.3.11.. 37.

(40) Genomförande 3.3.9. Koncept. De utvalda koncepten från sållningen kräver en del vidare konstruktion och arbete. Nedan redovisas i stora drag dess principer och funktion. I kapitel 4.3 beskrivs några av koncepten mer detaljerat och som produkter. 3.3.9.1. Koncept 1 – Två stycken profilplåtar sammanfogas. Figur 3.22 – Blad. Figur 3.23 – Blad. Idén går ut på att två likadana plåtar är fixerade mot varandra. Plåtarna kommer att klämma fast gummitätningarna upptill och nertill i figur 3.22 och figur 3.23. Det finns risk att fastspänningen inte är tillräcklig och då kan skruv användas för att sättas fast gummit riktigt hårt. Plåtarna kan formas som profiler och köpas in på längder. Utseendet på bladen behöver inte vara exakt som figur 3.22 och figur 3.23, utan det går att utföra i många varianter. Rickard Brandt ansåg vid ett möte att det kan vara svårt att montera. Därför föreslog han istället fliknitning, som används på dagens konstruktion. På det sättet kan gummit monteras på ett bra sätt.. 38.

(41) Genomförande. En konstruktion med två blad kommer att ge tillräcklig styrka. Bladet behöver stabiliteten för att de inte skall böja sig för mycket när den utsätts för ett högt lufttryck. 3.3.9.2. Koncept 2 – En styck plåtprofil (a och b). Koncept 2 bygger på att forma endast en plåt till en profil. Profilen skall formas på ett sådant sätt att gummipackningar enkelt skall kunna fästas för att täta mellan varje blad. I figur 3.24, finns två förslag på olika plåtprofiler med gummiprofil. Plåtarna skall tillverkas med hjälp av bockning eller rullformning.. Figur 3.24 - Två exempel på plåtprofiler och dess gummilister I varje ände utav profilerna fästes en plastdetalj. Detaljen skall dels täta, men också vrida hela spjällbladet. Efter att bladen monterats ihop placeras den i den redan befintliga spjällramen. Längst ut i kanterna, vid axlarnas infäste, finns en plastprofil redan monterad i spjällramen för att ge låg friktion och en tillräckligt god tätning.. Figur 3.25 - Till vänster, hur varje blad monteras ihop. Till höger, blad placerade mot varandra och i spjällramen 39.

(42) Genomförande 3.3.9.3. Koncept 3 – Strängpressade aluminiumprofiler. Koncept 3 är en aning dyrare variant och tillverkas genom strängpressning i aluminium. I figur 3.26 visas bladets profil och hur de är fästa mot varandra. Bladen är som nämnt strängpressade i aluminiumprofiler som sedan kapas av i rätta längder. Varje blad är uppbyggt av två olika profiler som fästes mot varandra med en gummipackning och dess axel i mitten. Lösningen har sin stora fördel i monteringen. Montering görs helt manuellt utan verktyg. De båda profilerna fästs i ena änden klickas ihop med hjälp av en liten spärr i den andra änden. Bladet är stabilt och tätar bra mot varandra. Nackdelen är att det är en dyr lösning. Priset ökar på grund av det stora antalet verktyg som behövs för att tillverka profilerna. Det krävs två stycken verktyg för varje önskad bladstorlek.. Figur 3.26 - Bladprofiler Ett sätt att halvera antalet verktyg är att införa symmetri i konstruktionen. Figur 3.27 visar ett exempel på två symmetriska plåtar som enkelt kan knäppas ihop utan verktyg.. Figur 3.27 - Bladprofil, symmetrisk. 40.

No results found