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ABG儀表集團
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閱讀：761發布時間：2013-5-27
摘 要:空氣流量計是汽車眾多零部件中很重要的傳感器,利用Flotherm 軟件建立了兩種熱式汽車空氣流量計的三維模型,并對兩種方案進行熱模擬,比較不同方案對流量計散熱性能的影響,所得結果對于熱式汽車空氣流量計的設計有一定指導意義。
1 引言
汽車空氣流量計是汽車眾多零部件中比較重要的一種傳感器, 它安裝在汽車進氣管道的空氣濾清器之后,主要用于測量流經進氣管道的空氣流量大小?？諝饬髁坑嫓y量進氣量,并將此數值以電壓信號的形式提供給汽車ECU, 由汽車ECU 根據此信號計算出燃油系統的噴油量。汽車流量計有不同的類型,根據測量原理不同,可以分為葉片式、卡門渦游式、式和熱膜式流量計四種。其中, 前兩者為體積流量計, 測量的是空氣的體積流量,測量精度不高,受環境因素影響較大; 后兩者為質量流量計, 測量的是空氣的質量流量, 測量精度較高,性能穩定[1]。目前市面上應用得比較廣泛的主要是熱式空氣流量傳感器。
熱模擬是應用于多種領域的一種分析工具,在計算機、半導體集成電路、汽車電子、儀器儀表等多個領域都有廣泛的應用。利用熱模擬仿真對汽車流量計 進行建模和熱分析,可以真實的模仿電子設備的各種工作環境,設計者可以直觀的看到汽車流量計在不同工況下的溫度分布情況,從而有效改善產品的分布設計,同 時,借助模擬仿真軟件,可以大大減少產品設計和再設計的成本, 縮短電子設備的研發周期, 提高電子產品的性能和可靠性[2]。本文主要針對某一汽車流量計封裝結構,基于Flotherm 軟件建立了兩種熱式汽車空氣流量計的三維模型, 并對兩種方案進行熱模擬, 比較不同方案對流量計散熱性能的影響。
2 空氣流量計熱模擬流程
FLOTHERM 軟件是由電子系統散熱仿真軟件棗英國FLOMERICS軟件公司開發的電子系統散熱仿真分析軟件,廣為各地電子系統結構設計工程師和電子電路設計 工程師使用的。Flotherm 可以進行芯片和器件封裝級熱分析和熱設計、PCB 板級和模塊級熱分析和熱設計、系統整機級熱分析和熱設計和環境級熱分析和熱設計等[3]。
2.1 建模
氣體帶走熱量的多少和氣體流量及氣體溫度有關,熱式空氣流量計是基于這一理論設計的[4,5],本文主要針對實驗室自主研發的熱式空氣質量流量 計進行分析研究。流量計包括傳感器探頭和控制電路板兩部分。熱探頭包含一個測溫電阻, 一個加熱電阻, 一個溫度補償電阻。測溫電阻的電阻很大（1K）,本身發熱可忽略不計,用于測量進氣管道的空氣溫度（即環境溫度）,要求能夠正常測量環境溫度; 加熱電阻電阻很小,發熱量大,用于對流過的空氣加熱, 對周圍的環境分布影響較大, 設計時一般置于氣流的下游,減少對測溫電阻工作的影響;溫度補償電阻的作用在于,使得加熱電阻溫度比測溫電阻溫度高出一個固定溫差值（設定為100 度）,即加熱電阻溫度和氣體溫度的差值固定,使氣體帶走的熱量僅與氣體的質量流量有關,從而可以建立起加熱功率和氣體流量之間的關系式[4,5];控制電 路板上的元器件發熱很小,對溫度不敏感,總體功耗小,相比加熱電阻,對整個流量計的溫度分布影響很小, 忽略其影響。
綜上所述, 在所設計的汽車空氣流量計電路結構中,主要發熱元件為加熱電阻,溫度在 100℃以上,相對來說,加熱電阻的溫度要高出整個電路板上的其他元件很多, 為簡化模型, 對流量計控制電路板上的元件發熱可以忽略不計, 另外, 也不考慮封裝過程各層之間的附加接觸熱阻。設計流量計電路結構的關鍵在于,希望加熱電阻的熱量能夠盡量被氣流帶走,而不是通過熱傳導散失,流量計熱探頭上 的測溫電阻,其本身并不發熱,要求其溫度能夠與進氣管道的環境溫度基本保持一致。方案一, 熱探頭上的三個溫度元件——測溫電阻、加熱電阻和溫度補償電阻,用厚膜印刷技術集成在陶瓷基板上, 通過四個銅電極焊接在控制電路板前端, 然后與不銹鋼墊片連接,封裝在流量計殼體中。建立模型如圖1 所示。加熱電阻熱量管道氣體對流、熱探頭的氧化鋁陶瓷基板熱傳導及輻射散熱。其中,前兩項散熱量較大。我們希望加熱電阻的功率能夠盡量被氣流帶走,減少因 熱傳導散失的能量,且不對同在熱探頭基板上的測溫電阻造成很大影響[6]。
方案二,將熱探頭的三個溫度元件用獨立的鉑電阻代替, 分別和控制電路板端部的電極焊接好后, 用透明的樹脂材料膠結在不銹鋼墊片上,然后封裝在流量計殼體內。建模如圖 2 所示。在這個方案中,加熱電阻與測溫電阻分離開,其熱量經由進氣管道空氣對流、銀絲導線與不銹鋼墊片及控制電路板之間的熱傳導、輻射散熱三種途徑耗散。
2.2 網格劃分和環境設置
模型建立好后,要進行網格劃分。Flotherm 的網格劃分有系統網格和局部網格兩種。系統網格由系統自由劃分,分為none、coarse、middle、fine 四種;局部網格由用戶自定義劃分。相比流量計控制電路板、流量計外殼以及外部環境（求解域）,熱探頭尺寸很小,并且是需要著重分析的對象,網格劃分需要很 精細。流量計外殼和流量計控制電路板根據其尺寸比例, 由系統自動劃分。系統網格采用fine（精細）網格。劃分好的網格如圖 3 所示。
環境溫度設置為 20 ℃,計算域為 100 mm × 100mm × 200 mm,且通過自然對流、傳導和輻射進行散熱。分別模擬流量計在靜止環境中和氣體流速為 5m/s（對應 62mm 的管道,質量流量為60kg/h）時的溫度分布。為了簡化模型, 不考慮封裝過程各層之間的附加接觸熱阻。 表 1 為流量計封裝主要使用的材料及其熱導率大小.
2.3 后臺處理和分析
通過后臺處理計算, 得到了流量計穩態溫度場分布, 雖然這并不一定是流量計的的溫度分布情況,但是在很大程度上可以反映流量計溫度的相對分布狀況。溫度分布如圖 4 所示。
從圖4 可以看出,在靜止空氣中,方案一熱探頭上的加熱電阻的熱量,除空氣對流散熱外,有相當一部分的能量通過熱傳導傳給與之連接的控制電路板,導致整個流量計電 路發熱比較嚴重,其中控制電路板部分zui低溫度58.3℃,熱探頭測溫電阻zui低溫度87℃;而方案二的熱探頭上的加熱電阻的熱量能夠滿足大部分被空氣帶走這 一要求,控制電路板zui高溫度28.6℃,測溫電阻zui高溫度39.5℃。
由表 1 可知, 方案一的熱探頭采用的氧化鋁陶瓷材料,其導熱系數為25 W·m-1·K-1,熱阻很小,利于熱傳導,方案二采用的是透明樹脂材料,其導熱系數為0.2 W·m-1·K-1,熱阻較大。另一方面,方案一中將加熱電阻、測溫電阻集成印刷在陶瓷電路板上,加熱電阻與測溫電阻距離很小,使得加熱電阻熱量對測溫電 阻有直接影響。方案二將加熱電阻與測溫電阻分離開,使得加熱電阻的熱傳導僅能通過導線傳熱,熱阻更大,對測溫電阻的溫度影響減少,因此采用方案二的汽車流 量計結構會更加合理可靠。
3 結束語
對于熱式汽車空氣流量計,熱探頭上加熱電阻的熱量不能全部被進氣管道的氣體帶走,有相當一部分的熱量會通過熱傳導散失。加熱電阻熱傳導散熱的多 少與基板材料、熱探頭結構有關, 采用分離式的熱探頭結構, 可以有效減少其對周圍元器件的溫度分布影響。利用熱分析軟件 flotherm 建模模擬,可以得到直觀的流量計溫度分布云圖。根據分析結果,可以有效的改 善產品結構, 減少設計成本和產品設計周期。
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