Termisk analys och förbättring av ECU
enhets kylflänsar till förbränningsmotorer
Thermal Analysis and improvement of heat sink on ECU unit for combustion
engines
Jonas Tropp
Fakulteten för hälsa, natur- & teknikvetenskap
Examensarbete för Högskoleingenjörsprogramet Maskininteknik 22,5 hp
ii
Sammanfattning
Detta examensarbete har utförts inom programmet högskoleingenjör maskinteknik på Karlstads Universitet under våren 2014 för företaget Prevas Development AB i Karlskoga. Syftet med arbetet är att optimera utformningen av kylflänsar som sitter på en ECU enhet (Electronic Control Unit) som är en komponent till fordonsindustrin. Förbättringen skall tas fram genom att använd en programvara som kan genomföra termiska simuleringar.
ECU enheten består av en låda med en överdel som består av kylflänsar som har till uppgift att kyla ner kretskortet med dess olika komponenter som sitter inne i ECU enheten. En termisk simulering har utförts på den befintliga utformningen, resultaten från den simuleringen jämförs sedan med resultatet från de termiska simuleringarna som utförs på nya utformningar som tas fram. Den nya utformningen tas fram genom beräkningar, termiska simuleringar samt
brainstorming av nya idéer.
Arbete har till störst del utförts i programvaran Creo Parametric 2.0 där konstruktionsarbetet samt de termiska simuleringarna har genomförts.
Resultatet av detta examensarbete är att en bättre lösning har tagits fram på
kylflänsutformningen. Det som är bättre med den nya utformningen är att drivstegen som sitter på kretskortet kan avge en högre effekt samt att höljet med kylflänsarna har en lägre temperatur jämfört med den tidigare utformningen. Så genom att använda termiska simuleringar kan en ny utformning tas fram som är mer optimalt utformad. För att verifiera att den nya utformningen är bättre krävs experimentella tester som förslagsvis utförs i värmeskåp med en fullskalig
iii
Abstract
This thesis has been carried out within the program Bachelor of Science in mechanical engineering at Karlstad University during the spring of 2014 for the company Prevas
Development AB in Karlskoga. The purpose of this thesis is to improve the design of a heat sink that’s located on an ECU unit (Electronic control unit) the ECU unit is a unit for the automotive industry. The improvement of the design is going to be generated in computer software that can perform thermal simulations.
The ECU unit is a box whit a heat sink, the heat sinks job is to cool down the PCB (Printed circuit board) and the different components that is located on the PCB that’s is located inside the ECU unit. Thermal simulations going to be carried out on the existing design, the result from that simulation is then going to be compared whit the thermal result that going to be performed on new improved designs. The new design is produced by calculations, thermal simulations and brainstorming for new ideas.
The biggest part of the work has been done in the computer software Creo Parametric 2.0, all the constructions work and all thermal simulations have been done with the help of Creo Parametric 2.0.
The result of this thesis is that a better solution has been developed on the heat sink design. What is better on the new design is that the drive units can deliver higher power and the
iv
Förord
Detta projekt utförs på uppdrag av Prevas Development AB i Karlskoga i kursen Examensarbete för Högskoleingenjörsexamen i maskinteknik. Kursen ges i Högskoleingenjörsprogrammet i maskinteknik vid Fakulteten för hälsa, natur & teknikvetenskap på Karlstads Universitet. Kursen motsvarar 22,5 hp och genomförs under vårterminen 2014.
v
Innehåll
Sammanfattning ...ii Abstract ... iii Förord ... iv 1. Introduktion... 1 1.1 Problemformulering ... 2 1.2 Syfte ... 4 1.3 Målsättning ... 4 1.4 Avgränsningar ... 4 2. Metod ... 5 2. 1 Tillvägagångssätt ... 5 2. 2 Termiska överslagsberäkningar ... 6 2.2.1 Antaganden ... 82. 3 Befintlig utformning av kylflänsarna ... 9
3. Resultat ... 11
3.1 Resultat av dagens utformning ... 11
3.1.1 Överslagsberäkningar ... 11
3.1.2 Numerisk analys av befintlig utformning ... 11
3.2 Framtagning av nya utformningen ... 13
3.2.1 Överslagsberäkningar nya utformningen ... 13
3.2.2 Nya utformningen ... 15
3.2.3 Numerisk analys av nya utformningen ... 18
3.2.4 Tillverkning ... 20
4. Diskussion ... 21
4.1 Jämförelse mellan utformningarna ... 21
1
1. Introduktion
Detta examensarbete startas för att företaget Prevas Development AB i Karlskoga vill analysera samt simulera värmeflöden i en ECU enhet (Electronic control unit). ECU enheten är en liten styrbox som sitter i fordonsapplikationer. Inne i lådan sitter det ett kretskort, på detta kretskort sitter det drivstegs enheter vars värmeutveckling måste ledas bort. Drivstegen är små komponeter som utför ett arbete som i sin tur möjliggör att ECU enheten kan genomföra sin uppgift.
På utsidan av lådan finns det kylflänsar som hjälper till att avleda värme från ECU enheten. Huvudsyftet för detta examensarbete är att undersöka hur effektiva dessa kylflänsar är på dagens enhet samt att komma fram till en ny mer optimal utformning av kylflänsarna genom att utföra termiska simuleringar. Figur 1 visar skalet till dagens ECU enhet.
2
1.1
Problemformulering
Värmeutvecklingen i ECU enheten uppstår i drivsteg komponenterna. I denna sitter det tre drivsteg på kretskortet som bidrar till värmeutveckling. I figur 2 visas en snittad vy som är snittad på mitten på dagens ECU enhet, det visas hur de tre drivstegen sitter. De stora pilarna i figur 2 visar hur värmen kommer att gå från de varma drivstegen på kretskortet till
kylflänsarna och sedan ut till den omgivande luften. Mellan kretskortet och kylklacken sitter det en Gap-pad (termisk ledande platta) [5] som är en termisk ledare som förbättrar
värmeövergången mellan kretskortet och kylklacken. Kylklacken är en del av det övre höljet som går ned till Gap-paden, kylklacken ger värmen en väg att ta upp till kylflänsarna.
Hur stor effekt som drivstegen avger beror på flera parametrar som bland annat
omgivningstemperatur, flänsarnas konstruktion, luftflöden och material. Majoriteten av värmen kommer gå upp till kylflänsarna från kretskortet via kylklacken, men värmen kommer även till viss del att sprida sig i luften som finns inne i ECU enheten och värma upp resterande del av ytterhöljet, dock kan denna värme försummas jämfört med den värme som går upp via kylklacken. I figur 3 visas det hur drivstegen sitter på kretskortet, och i figur 4 visas kretskortet med dess två kontakter placeras i ECU enheten utan locket med kylflänsarna.
Figur 2. Snittad ECU enhet med de viktigaste komponenterna utmarkerade, de stora pilarna visar hur värmen kommer gå från kretskortet till omgivningsluften.
3
På Kretskortet sitter det två olika sorters drivstegs enheter [6], [7]. I bilaga 1 visas det vilka maximala arbetstemperaturer som drivstegen får arbeta med. De två olika drivstegen kallas drivsteg 1 och drivsteg 2. Det sitter två stycken drivsteg 1 och ett drivsteg 2 på kretskort.
4
1.2
Syfte
Syftet med examensarbetet är att ta fram en ny utformning på kylflänsarna samt få kunskap om hur värmen från kretskortet transporteras till kylflänsarna. Det ingår även att undersöka om programvara som används vid de termiska simuleringarna kan användas av Prevas i framtida projekt.
1.3
Målsättning
Det primära målet med projektet är att ta fram en termisk analys av dagens utformning. Efter att den termiska analysen har gjorts för dagensutformning skall förbättringsförslag tas fram till ett nytt förbättrat förslag på utformningen av kylflänsana. Efter framtagningen av ett nytt koncept kommer en ny termiskanalys genomföras för att se om någon förbättring har åstadkommits gällanden temperaturen över kylflänsarna. Målsättningen blir att konstruera kylflänsarna mer optimalt.
1.4
Avgränsningar
Det primära uppdraget med projekt är att undersöka kylflänsarnas utformning vilket har resulterat i vissa avgränsningar. Det är många elektroniska komponenter på kretskortet, där av har valet blivit att enbart använda de tre drivstegen som avger mest värme vid simuleringarna. De resterande komponenterna som sitter på kretskortet avger en minimal värmepåverkan jämfört med dessa tre drivsteg.
5
2. Metod
2. 1
Tillvägagångssätt
Vid genomförandet av detta projekt delades projektet in i olika faser, dessa olika faser redovisas nedan. I boken Handbok för mindre projekt [1] beskrivs projektuppläggningen mer utförligt.
Fas 1. Projektplanering samt tidsplanering.
Fas 2. Förstudie av uppdraget, materialsökning och teori.
Fas 3. Termisksimulering av dagens utformning.
Fas 4. Förbättringsförslag genom konceptgenerering.
Fas 5. Termisksimulering av nya utformningen.
Fas 6. Jämförelse av dagens och den nya utformningen samt ritningsunderlag.
Fas 7. Prototyptillverkning.
Framtagningen av den nya utformningen sker genom konceptgenerering samt konceptval som genomförs genom en brainstorming sedan sker eliminering av de sämre lösningarna, Boken
Produktutveckling: effektiva metoder för konstruktion och design [3] har använts vid
elimineringarna. Detta redovisas i bilaga 4, arbetet utförs i en iterativ process. När konceptvalet är avklarat kan en simulering av den nya utformningen ske. Under
simuleringen av den nya utformningen testas olika mått på kylflänsarna för att verifiera att de beräknade måtten på kylflänsarna är de som är mest optimala. När analyserna för dagens- samt den nya utformningen är klara kan de jämföras och slutsatser kring om den nya utformningen är bättre eller sämre än dagens utformning kan göras.
6
2. 2
Termiska överslagsberäkningar
Målet med en kylfläns är att den skall leda bort värme från komponeten som den sitter på. Ekvation 1 visar hur beräkningen av hur stor effekt som varje drivsteg kan leda iväg utan att bli överhettad. Hur stor effekt som drivstegen avger beror på valet av drivsteg, vilken sorts Gap-pad som används samt vilken utformning kylflänsarna har. Information till parametrarna för Gap-paden samt drivstegen fås från respektive tillverkares datablad. Den parametern som går att ändra i detta fall är hur kylflänsarna är konstruerade d.v.s. RθHA värdet går att variera.
(1)
TJmax - Drivstegets maximala temperatur [°C]
Tamb – Omgivningens temperatur [°C]
RθJC – Värmemotståndet i drivstegen [°C/W]
RθB – Värmemotståndet i Gap-Paden [°C/W]
RθHA – Värmemotståndet i Fläns [°C/W]
Genom att göra termiska simuleringar då de tre drivstegen ligger på sina maximala
arbetstemperaturer kan Q fås fram för drivstegen med hjälp av programvaran som används vid simuleringarna. Med ett känt Q finns det en okänd parameter kvar vilket är RθHA, vilket betyder
att den kan beräknas fram. Detta genomförs för den befintliga utformningen samt för den nya utformingen vilket betyder att dessa kan jämföras. Den utformningen med lägst värde på RθHA
är teoretiskt den bästa. Om effekt P från drivstegen överskrider effekten Q kommer blir högre än den tillåten temperatur vilket kommer resultera i överhettning.
I figur 6 visas det en modellering av värmeflödet genom ECU enheten. är temperaturen
från drivstegen och är omgivningens temperatur. De tre boxarna representerar de tre elementen som värmen måste transporteas genom, dessa är: drivsteget, Gap-paden samt kylflänsarna. I figur 6 visas det vilka parametrar som behövs från kylflänsarna.
7
(2) Ts – temperatur på flänsyta [°C]
Tamb – Omgivningens temperatur [°C]
(3) (4) [ ( ⁄ ) ( ⁄ ) ] (5) ( ) (6)
Med ekvation 2-6 kan en ny ekvation tas fram, ekvation 7 gäller då S= , detta resulterar att blir en konstant som är 1,307. Detta betyder att det optimala kylflänsavståndet kan beräknas fram, det värdet som fås fram är det som kommer att användas under simuleringarna.
(7)
8
Dessa ekvationer gäller vid naturlig konvektion, d.v.s. det är helt luftstilla kring ECU enheten. Konvektions koefficient som används vid simuleringarna och beräkningarna är tillsammans med Blad 1 uppskattat till h= 0,013mW/mm2.
Vid dessa överslagsberäkningar används ungefärliga värden som är från respektive
tillverkares datablad. För att få mer exakta värden behövs experimentella tester genomföras.
2.2.1 Antaganden
Vid alla beräkningar samt vid simuleringarna så är antagandet att ECU enheten arbetar vid värsta tänkbara scenariot som kan uppstå. Detta scenario är att drivstegen arbetar vid sina högsta tillåtna arbetstemperaturer samt att luften kring ECU enheten är stillastående. Temperaturen på den omgivande luften är 85°C, denna temperatur kan uppstå då bilen med ECU enheten befinner sig i ett varmt klimat t.ex. i en öken. Detta scenario kommer troligtvis aldrig att uppstå men om det skulle uppstå är det dessa antaganden som gäller.
1
9
2. 3
Befintlig utformning av kylflänsarna
Hur dagens övre hölje med kylflänsarna är utformad presenteras i figurerna 7-8. Figur 7 visar ovansidan av höljet där det visas hur flänsarna är placerade samt uppbyggda i dagens
utformning. I figur 8 visas det hur undersidan ser ut, hålen för kontakterna sitter på de korta sidorna samt att kylklacken är placerad så att den är parallell med långsidan vilket ger ”kontakt” med så många kylflänsar som möjligt.
De viktiga måtten som dagens utformning har redovisas i tabell 1, det är dessa mått som påverkar hur effektiva kylflänsarna är.
Tabell 1. Viktiga mått som
dagens utformningar har på kylflänsarna.
10
Figur 7. Ovansidan av det övre höljet, på ovansidan sitter kylflänsarna samt skruvhålen som används vid montering mellan de två höljena.
11
3. Resultat
3.1
Resultat av dagens utformning
3.1.1 ÖverslagsberäkningarDe överslagsberäkningar som har genomförts för den befintliga utformningen redovisas i tabell 2, det redovisas vilken effekt som respektive drivsteg avger samt vilket RθHA värde
kylflänsarna får. De överslags beräkningar som visas här kommer att användas som referens för kommande simuleringar på den nya utformningen.
Tabell 2. I tabellen framgår det vilken effekt respektive drivsteg kan avge samt vilket RθHA värde kylflänsarna har.
Drivsteg 1 2 enheter
P
8WR
θHA 6,57°C/W Drivsteg 2 1 enhetP
14WR
θHA 4,86°C/WDen totala effekt som kylflänsarna måste leda bort är 30watt, om effekten från drivstegen blir högre än vad som anges i tabell 2 kommer drivstegen bli överhettade och i slutändan gå sönder.
3.1.2 Numerisk analys av befintlig utformning
Den termiskaanalysen har genomförts i programmet Creo Parametric 2.0 i den inbyggda funktionen thermal. materialegenskaperna som har använts presenteras i bilaga 1 och har hämtats från respektive materialdatablad eller i programvarans inbyggda materialdatabas, även boken Formler och tabeller för mekanisk konstruktion[2] använts, luftens data har hämtas från [8].
Resultatet från den termiskanalysen av den befintliga utformningen redovisas i Figurerna 9-10. Vid den nummeriska analysen arbetar drivstegen med maximal arbetstemperatur samt att luften kring ECU enheten står still.
12
De observationer som har gjorts från figurerna 9-10 är att värmespridningen från kylklacken inte sprider sig över alla kylflänsarna. kylflänsarna som är längst ut på den högra sidan får en lägre temperatursökning jämfört med den vänstra sidan som får en större temperatursökning. Så det som önskas bli bättre är att utnyttja alla kylflänsarna mer effektivt, d.v.s. att det blir en så homogen temperatur som möjligt över dem. Den maximala temperaturen som uppmätas på kylflänsarnas yta uppgår till 123,5°C. Temperaturen som uppnås på kylklacken är 127°C. Figur 9. Vriden vy på hur dagens utformning värmepåverkas när drivstegen arbetar vid maximal arbetstemperatur.
13
3.2
Framtagning av nya utformningen
3.2.1 Överslagsberäkningar nya utformningenDe överslagsberäkningar som har gjorts på den nya utformningen är vilket optimalt avstånd det skall vara mellan kylflänsarna samt RθHA som den nya utformningen kommer att få. Dessa
beräkningar visas i tabell 3. För att bekräfta att det beräknade optimala kylflänsavståndet är det mest optimala har tester av andra mått genomförts, detta redovisas i tabell 4. Under testerna varieras tjockleken på kylflänsarna samt kylflänsavståndet. Det optimala
kylflänsavståndet som har tagits fram är 3mm, beräkningarna redovisas i bilaga 3. I figur 11 framgår det vart parametrarna t och S kommer ifrån för tabell 3-4.
Tabell 3. Tabellen visar de maximala effekterna som respektive drivsteg kan avge samt vilka RθHA som den slutliga utformnigen får.
Drivsteg 1 Drivsteg 2
t
S
P
[W]R
θHA [C/W]P
[W]R
θHA [C/W]2 3 10,5 4,65 17 3,72
Vid det optimala kylflänsavståndet 3mm är den maximala effekten som kylflänsarna måste kunna avleda är 38 watt. Från tabell 4 framgår det att en kylfläns tjocklek på 1,5mm eller 1mm är bättre än den valda som ligger på 2mm. 2mm har valts för att göra tillverkningen enklare och detta nämns mer ingående under rubriken 3.2.2 nya utformningen.
14
Tabell 4. Här redovisas vilken effekt samt RθHAsom de två olika
drivstegen får beroende på kylfläns avstånd och kylfläns tjocklek. Drivsteg 1 Drivsteg 2
Test
t
S
P
[W]R
θHA [C/W]P
[W]R
θHA [C/W]15 3.2.2 Nya utformningen
Den nya utformningen har tagits fram genom konceptgenerering som visas i bilaga 4. För att komma fram med den optimal utformning har flera olika simuleringar gjorts där kylklacken samt måtten på flänsarna har ändrats. Hur kylklackens position har ändrats framgår av figur 12, den slutliga lösningen på hur kylklacken är positionerad är den högra lösningen i figur 12 då denna kylklack får kontakt med fler kylflänsar.
Figur 12. Kylklacken har ändrat position under analyserna, valet av position blev som på den högra bilden, denna får kontakt med fler kylflänsar.
Vid simuleringarna samt beräkningarna så framgår det att de optimala kylflänsarna ska vara 1mm tjocka. Det medför att kylflänsarna blir väldigt tunna och detta kan i sin tur leda till problem vid tillverkningen. Tillverkningen genomförs genom att ytterhöljet fräses fram ur ett aluminiumgods och när kylflänsarna har en tjocklek på 1mm kan oönskade vibrationer uppstå vid fräsningen, för att profilen på kylflänsarna blir så tunn. Dessa vibrationer kan ge dålig finnisch samt dålig rakhet i kylflänsar därför har kylfläns tjockleken 2mm valts.
Att använda 2mm istället för 1mm resulterar i en liten försämring gällande de termiska egenskaperna för kylflänsarna, men för att undvika missöden under tillverkningen används 2mm.
16
Figur 13. Den nya utformningen av kylflänsarna, det som visas är det övre höljet med kylflänsarna.
17
I figurerna 13-14 som visas den nya utformningen, det som framgår är att kylflänsarna går parallellt med den långa sidan vilket resulterar i så långa kylflänsar som möjligt. Kylklacken är positionerad parallellt med kortsidan för att värmen som går från drivstegen skall få kontakt med så många kylflänsar som möjligt. För att se en fullständig bild där båda höljedelarna samt kontakterna sitter ihop se figur 15. Detaljritningar kan inte visas p.g.a. sekretess.
Hålen för kontakterna är positionerade så det endast finns ett sätt att montera ihop de två olika höljena. Detta har gjorts för att det inte skall finnas några tvivel på hur ECU enheten skall monteras ihop. Hålen för skruvarna som håller ihop de två höljena har placerats på det undre höljet vilket resulterar i att det blir mer plats på ovan sidan för kylflänsarna, se figur 16 för bild på undre höljet
Figur 15. Fullständig figur med de två höljena, även kontakterna som sitter på kretskortet är med.
18 3.2.3 Numerisk analys av nya utformningen
Under denna rubrik presenteras den numeriska analysen för den nya utformningen. Den utformningen som kommer att presenteras är den som presenterades under rubriken 4.2. I figur 17 visas det vilka maximala temperaturer som uppstår på kylflänsarnas yta beroende på vilka mått som har använts vid simuleringarna. I figur 18-20 visas tre olika vyer som visar simuleringen för den nya utformningen.
Vid beräkningarna för optimalt kylflänsavstånd framgick att det optimala avståndet skall vara 3mm. Från figur 17 framgår det att 3mm ger lägst temperatur över kylflänsarna, tester under 3mm har inte genomförts då det kylflänsavståndet blir väldigt litet och det medför att det blir svårare att tillverkat. De mått som varieras i figur 17 är kylfläns avståndet samt kylfläns tjockleken.
19
Figur 18. Det visas hur temperaturen kommer att variera över kylflänsarna
20
Från figurerna 18-20 syns det hur värmen som kommer från kylklacken blir centrerad på en sida av ECU enheten. Det blir centrerat på den ena sidan för att kylklacken sitter på den sidan vilket resulterar att den största delen av värmen går upp på den sidan. Den maximala
temperaturen som uppstår på kylflänsarna är 112°C och den maximala temperaturen på kylklacken blir 116°C.
Vid simuleringarna är omgivningsluften stilla, men på riktigt kommer det vara ett litet luftflöde över kylflänsarna. vilket innebär att temperaturen över kylflänsarna kommer att ”svepas” med ner mot det området som är lite svalare, detta kommer att resultera i att det kommer bli lite jämnare temperatur över kylflänsarna.
3.2.4 Tillverkning
Tillverkningen av ECU enhetens två ytter höljen genomförs genom maskinbearbetning i en CNC maskin. Bearbetningen görs av en solid klump av aluminiummaterial. Materialåtgången för den nya utformningen redovisas i bilaga 3, även materialåtgången för dagens utformning redovisas för att visa skillnaden i materialåtgång. Den nya utformningen som har tagits fram har basmåtten 150x110x46.
Valet av tillverknings metod för ytter höljet är att maskinbearbeta fram dess form. Detta val har gjorts för att denna ECU enhet tillverkas i få exemplar och det innebär att
maskinbearbetning är det snabbaste sättet att tillverka den. Om denna enhet skulle tillverkas i en större omfattning kunde en annan tillverkningsmetod valts, t.ex. precisionsgjutning.
21
4. Diskussion
4.1 Jämförelse mellan utformningarna
Den stora förändringen mellan den nya samt den befintliga utformningen av kylflänsarna är att på den nya utformningen är kylflänsarna parallella med långsida vilket resulterar i längre kylflänsar. Även måtten gällande avstånden mellan kylflänsarna samt kylflänsarnas tjocklek är mindre på den nya utformningen jämfört med den befintliga.
Vid den nya utformnigen är kylflänsarna mer optimalt utformade vilket medför att det blir en lägre maximaltemperatur över kylflänsarna, denna temperatur redovisas i tabell 5. I tabell 5 redovisas även vilken maximal temperatur som uppstår på kylklacken för respektive
utformning.
Tabell 5. Skillnaden i maximal kylfläns- samt
kylklacks temperatur beroende på vilken utformning som används.
Max temperatur på kylflänsarna Max temperatur på kylklacken
Dagens utformning 123,5°C 127°C
Nya utformningen 112°C 116°C
Effekten som drivstegen kan avge är större på den nya utformningen då kylflänsarna är mer optimalt konstruerade. Skillnaden mellan dessa visas i tabell 6. Fördelarna med den nya utformningen på kylflänsarna är att de klarar av att föra bort en större mängd värme. Det betyder att drivstegen kan avge mer effekt utan att de blir överhettade på den nya
utformningen.
Tabell 6. Maximal effekt som kan ledas iväg beroende på utformning Max effekt som kan ledas
iväg av kylflänsarna
Dagens utformning 30 W
22
4.2 Fortsatt arbete
Under detta arbete har beräkningarna samt de olika antagandena varit väldigt förenklade samt på grundläggande nivå. Det som skulle kunna genomföras i ett fortsatt arbete är att gå in mer på djupet på de olika komponenterna och använda mer exakta värden som är experimentellt framtagna för just detta fall.
För att ta den termiska simuleringen till en högre nivå skulle det behövas en programvara som kan simulera ett luftflöde över kylflänsarna. Den programvaran som har använts under detta examensarbete har visat hur värmen beter sig vid en stillastående omgivningsluft, men inte på ett tillfredsställande sätt visat hur värmen beter sig vid olika luftflöden. Genom att använda en programvara som kan simulera luftflöden kan en korrektare utformning tas fram. Framför allt kan en utformning tas fram för hur kylflänsarna skall se ut om det är ett speciellt luftflöde över kylflänsarna.
23
5 Slutsatser
Den nya utformningen för ECU enheten som har tagits fram uppnår de olika kraven som anges i kravspecifikationen, se bilaga 2. De varma punkterna som uppstår i ECU enheten har
lokaliserats genom de termiska simuleringarna som har genomförts. Utifrån kunskaperna om de olika varma punktern har en ny utformning av ECU enhetens kylflänsar tagits fram.
Resultatet från detta examensarbete är att en nya bättre kylflänsutformning har tagits fram för ECU enheten. Den nya konstruktionen av kylflänsarna är mer optimalt utformad och detta betyder att det blir en lägre temperatur över kylflänsarna, temperaturen blir även mer homogen över kylflänsarna. Då kylflänsarna är mer optimalt utformade på den nya
utformningen ger detta också att en högre effekt kan avges från drivstegen jämfört med den utformningen som används idag.
Att genomföra termiska simuleringar ger en bra och relativt enkle bild av hur värmen kommer påverka objektet som simuleras. Simuleringar som genomförs i data program är kända att ge bilder med fina färger, vilket kan leda till att konstruktören litar för mycket på bilderna. Så min rekommendation är att inte enbart lita på de simulerade resultaten utan även utföra riktiga fysiska tester av de produkter som har simulerats.
24
Tackord
Jag vill tacka följande personer som har hjälpt mig under examensarbetet. Hans Löfgren Handledare på Karlstads Universitet
Magnus Edman Uppdragsgivare/Handledare Prevas Karlskoga
Torbjörn Blad System Architect, för hjälpen med termiska simuleringar
Ett stort tack till de anställda på Prevas Development i Karlskoga för en trevlig och lärorik tid under examensarbetet.
25
Referenser
1. Mikael Eriksson, Joakim Lilliesköld, Handbok för mindre projekt. Liber. 2012
2. Karl Björk, Formler och tabeller för mekanisk konstruktion. Karl Björk förlag HB; sjätte upplagan
3. Johannesson, H. & Persson, J-G. & Pettersson, D. (2004). Produktutveckling: effektiva
metoder för konstruktion och design. Stockholm: Liber AB. s. 106-240.
4. Yunus A, Cengel, Heat and mass transfer a practical approach. McGraw-Hill; 3rd edition 2006
5. The Bergquist Company(2014). Gap pad 2200SF [Elektronisk]. Tillgänglig:
http://www.bergquistcompany.com/thermal_materials/gap_pad/gap-pad-2200SF.htm[2014-04-04].
6. Digi-key corporation (2014). DRIVSTEG AUIRFS4610 [Elektronisk]. Tillgänglig:
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/auirfb4610.pdf [2014-04-04]. 7. Digi-key corporation (2014). DRIVSTEG AUIRFS4905 [Elektronisk]. Tillgänglig
http://www.irf.com/product-info/datasheets/data/auirf4905.pdf [2014-04-05] 8. Air properties. [Elektroniks]. Tillgänglig
http://www.engineeringtoolbox.com/air-properties-d_156.html
A
Bilaga 1: Materialdata
Komponent/del Yttreskal Kretskort Gad-Pad 2200SF
Material Aluminium ss 4212 IPC-4101B/124 Polymer
Densitet (kg/cm^3) 2,70E-03 1,35E-03 0.0028
Specifik värmekapacitet (mm^2/s^2
C) 9,10E+08 6,00E+08 1,00E+09
värmeledningsförmåga (W/m C) 170 0,25 2 Komponent/del Luft (85°C) DRIVSTEG AUIRFS4610 DRIVSTEG AUIRFS4905 Skal med koppar
Material O2 Kisel Kisel Cu
Densitet (kg/cm^3) 1,00E-06 2,33E-03 2,33E-03 8,21E-03
Specifik värmekapacitet (mm^2/s^2 C) 1,005E+09 7,85E-08 7,85E-08 3.77E+08
värmeledningsförmåga (W/m C) 0.0299 105 105 121
Drivsteg enhet Drivsteg 1 Drivsteg 2
B
Bilaga 2: Kravspecifikation
Kriterie Krav/Önskemål 1-5 Omformulering
Termiskanalys (FEM-analys) K Simulera värmepåverkan
Hitta hot-spots K Analysera fram varmaste punkterna
Prototyp K Framställa prototyp (ej fungerande)
Komponentdata K Inputs till komponenter (effekter m.m.)
Materialdata K Hitta rätt materialdata till komponenter,
Företagsrapport K Framtagning av hemlig rapport, även en offentlig Konstruktion av fläns Ö3 Förbättring av flänsutformning
konstruktion värmeövergång Ö3 Maximera temperaturövergång mellan fläns och kretskort
jämn värmepåverkan Ö3 Homogen temperatur över fläns
C
Bilaga 3: Beräkningar
Materialåtgång vid tillverkning
Materialåtgång = volymen x densiteten Densitet = 2,7E-6 kg/cm^3Nya utformningen Basmått (LxBxh) mm Materialåtgång kg Storlek övre hölje 160x120x33 1,7
Storlek undre hölje 160x150x25 1,62 Dagens utformning Basmått (LxBxh) Materialåtgång kg
Storlek övre hölje 150x100x30 1,25 Storlek undre hölje 150x140x25 1,4
Optimalt kylflänsavstånd
h= 0,013mW/mm 2 C
I
Bilaga 4: Elimineringsmatriser
Elimineringsmatris kontaktzoner värme
Lö sn in ga r Ti llv er kn in gs b ar h et M axim er a ko n ta kt m ed v är mep u n kte rn a Pa ss a i da ge n s bi la r K re ts ko rtko mpo n en ter ska ll få p la ts Få ut s å m yc ke t v är me s o m mö jli gt Kommentarer Beslut
1 + + + + + Större Gap-pad inom gränser av vad som går att köpa +
2 + + + + + Små förändringar, måste få plats med komponenter +
3 + + + - - onödigt stor ledare tar upp onödigt med plats -
4 + - - - - Blir mindre kontaktyta med värmepunkten -
5 + + + + + Skapar en mer fördelad värmespridning +
6 + + + + + Detta optimera värmeavledningen från kretskortet +
7 + + - - - Går men det finns ingen plats för kylflänsar på kanterna av ECU enheten -
8 - - - Onödig utformning, omständligare tillverkning -
9 + + + + + Enkel geometri +
10 - - - Onödig utformning, bättre med enkla geometrier -
11 + + + + + Som dagens utformning, funkar bra, blir plats kvar för komponenter +
1.
Större Gap-Pad i alla tre riktningar, x-y-z- riktningar.2.
Större kylklack, x-y-z- riktningar.3.
En stor kylklack som går igenom hela kretskortets längd, dvs inte enbart vid varma punkter.4.
Flera små kylklackar som sitter vid de varma punktera.5.
De varma punkterna sitter långt ifrån varandra, flera små zoner av värme.6.
Kylklack på både fram och baksida, upp och nere på kretskort.7.
Kylklack till sidorna av höljet.8.
Form på kylklacken – Cirkel.9.
Form på kylklacken – Rektangel.10.
Form på kylklacken – triangel.J Lö sn in ga r
Alternativa sublösningar kontaktzoner värme
Möjliga kombinationer av sublösningar 1 Större Gap-Pad än idag, i alla riktningar. 1+2+5+6+9+11
2 Större aluminiumledare än idag, i alla riktningar. 5 De varma punkterna sitter på ett så långt avstånd från varandra, resulterar i flera små zoner av värme.
6 Ledare på ovan- samt undersidan av kretskortet
9 Form på ledaren - Rektangel
K 1. De två höljena fäst med skruvar.
2. De två höljena fäst genom limning 3. De två höljena svetsas/löds samman.
4. Dragande skruv, skruvar fast ECU enheten i plåten
5. Skruva genom hela ECU enheten dvs fästskruven går genom hela enheten 6. Öron på utsidan av ECU enheten som har hål som passar plåtens färsskruvar
Elimineringsmatris Montering Lö sn in ga r Ti llv er kn in gs b ar h et En ke l m o n ter in g Lo ss n in g fö r n y E C U Pa ss ar i da ge n s b ila r Kommentar Beslut
1 + + + + enkelt, går att bytta +
2 + - - - kan lossna vid vibrationer -
3 + - - - krånglig montering, gå inte att byta - 4 + + - - Blir hål i plåten, vatten in i känsligt område - 5 + + + + Lång fästskruv genom hela ECU enheten + 6 + + + + Mindre fästskruv, mindre bredd på kretskort +
Lö
sn
in
ga
r
Alternativa sublösningar montering
L Elimineringsmatris utformning ytterhölje
Lö sn in g Ti llv er kn in gs b ar h et Pa ss a i da ge n s bi la r Skydd a kr et sko rt Kommentar Beslut
1 + - - Får inte plats i utrymmet, små flänsar - 2 - + + Tillverkningen blir omständlig -
3 + + + +
4 - - - Mer avancerad tillverkning, plats brist -
5 + + + +
6 + + + +
7 + + + Får det plats? Blir det bättre? +
8 + + + Funkar på alla lösningar +
9 + + - Kretskortet kan ta skada -
10 + + + Som dagens lösning +
1.
Kylflänsar på alla yttre sidorna.2.
Kylflänsar som har en form som runda stänger som sitter tajt med varandra.3.
Kylflänsar som är uppbyggda som långa rektanglar.4.
Kylflänsar som spretar i en halvmåne för att få större yta.5.
Kylflänsarna går parallellt med ledaren på insidan.6.
Kylflänsarna går vinkelrät med den inre ledaren.7.
Kylflänsar på ovan- och undersidan.8.
Färg av flänsar, vissa färger avger mer värme än andra.9.
Öppen lösning, inget lock, släpper ut värmen direkt.10. Kylflänsar på enbart en sida av Ecu enheten.
Alternativ som kan kombineras
1. Flänsar som är uppbyggda som långa rektanglar, flänsarna går parallellt med ledaren på insidan, fläns på ovan- samt undersidan.
2. Flänsar som är uppbyggda som långa rektanglar, flänsarna går vinkelrät med den inre ledaren, fläns på ovan- samt undersidan.
3. Flänsar som är uppbyggda som långa rektanglar, flänsarna går parallellt med ledaren på insidan, flänsar på enbart en sida av Ecu enheten.
M Elimineringsmatris ytterhölje ihop byggnad
Lö sn in ga r Ti llv er kn in gs b ar h et P as sa i da ge n s bi la r Delg e ö p p n in g Kommentar Beslut 1 + + + Enkelt, driftsäkert +
2 + + - Går ej att öppna, utan våld -
3 + + - Omständigt ihop sättning -
4 + + + Enkelt, kan gå sönder lätt +
5 - + - Går ej att öppna, problem vid tillverkning -
