摘 要:空气流量计是汽车众多零部件中很重要的传感器,利用Flotherm 软件建立了两种热式汽车空气流量计的三维模型,并对两种方案进行热模拟,比较不同方案对流量计散热性能的影响,所得结果对于热式汽车空气流量计的设计有一定指导意义。
1 引言
汽车空气流量计是汽车众多零部件中比较重要的一种传感器, 它安装在汽车进气管道的空气滤清器之后,主要用于测量流经进气管道的空气流量大小。空气流量计测量进气量,并将此数值以电压信号的形式提供给汽车ECU,由汽车ECU 根据此信号计算出燃油系统的喷油量。汽车流量计有不同的类型,根据测量原理不同,可以分为叶片式、卡门涡游式、热线式和热膜式流量计四种。其中, 前两者为体积流量计, 测量的是空气的体积流量,测量精度不高,受环境因素影响较大; 后两者为质量流量计, 测量的是空气的质量流量, 测量精度较高,性能稳定[1]。目前市面上应用得比较广泛的主要是热式空气流量传感器。
热模拟是应用于多种领域的一种分析工具,在计算机、半导体集成电路、汽车电子、仪器仪表等多个领域都有广泛的应用。利用热模拟仿真对汽车流量计进行建模和热分析,可以真实的模仿电子设备的各种工作环境,设计者可以直观的看到汽车流量计在不同工况下的温度分布情况,从而有效改善产品的分布设计,同时,借助模拟仿真软件,可以大大减少产品设计和再设计的成本, 缩短电子设备的研发周期, 提高电子产品的性能和可靠性[2]。本文主要针对某一汽车流量计封装结构,基于Flotherm 软件建立了两种热式汽车空气流量计的三维模型, 并对两种方案进行热模拟, 比较不同方案对流量计散热性能的影响。
2 空气流量计热模拟流程
FLOTHERM 软件是由电子系统散热仿真软件先驱棗英国FLOMERICS软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件,广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的。Flotherm 可以进行芯片和器件封装级热分析和热设计、PCB 板级和模块级热分析和热设计、系统整机级热分析和热设计和环境级热分析和热设计等[3]。
2.1 建模
气体带走热量的多少和气体流量及气体温度有关,热式空气流量计是基于这一理论设计的[4,5],本文主要针对实验室自主研发的热式空气质量流量计进行分析研究。流量计包括传感器探头和控制电路板两部分。热探头包含一个测温电阻, 一个加热电阻, 一个温度补偿电阻。测温电阻的电阻很大(1K),本身发热可忽略不计,用于测量进气管道的空气温度(即环境温度),要求能够正常测量环境温度; 加热电阻电阻很小,发热量大,用于对流过的空气加热, 对周围的环境分布影响较大, 设计时一般置于气流的下游,减少对测温电阻工作的影响;温度补偿电阻的作用在于,使得加热电阻温度比测温电阻温度高出一个固定温差值(设定为100 度),即加热电阻温度和气体温度的差值固定,使气体带走的热量仅与气体的质量流量有关,从而可以建立起加热功率和气体流量之间的关系式[4,5];控制电路板上的元器件发热很小,对温度不敏感,总体功耗小,相比加热电阻,对整个流量计的温度分布影响很小, 忽略其影响。
综上所述, 在所设计的汽车空气流量计电路结构中,主要发热元件为加热电阻,温度在 100℃以上,相对来说,加热电阻的温度要高出整个电路板上的其他元件很多, 为简化模型, 对流量计控制电路板上的元件发热可以忽略不计, 另外, 也不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。设计流量计电路结构的关键在于,希望加热电阻的热量能够尽量被气流带走,而不是通过热传导散失,流量计热探头上的测温电阻,其本身并不发热,要求其温度能够与进气管道的环境温度基本保持一致。方案一, 热探头上的三个温度元件——测温电阻、加热电阻和温度补偿电阻,用厚膜印刷技术集成在陶瓷基板上, 通过四个铜电极焊接在控制电路板前端, 然后与不锈钢垫片连接,封装在流量计壳体中。建立模型如图1 所示。加热电阻热量管道气体对流、热探头的氧化铝陶瓷基板热传导及辐射散热。其中,前两项散热量较大。我们希望加热电阻的功率能够尽量被气流带走,减少因热传导散失的能量,且不对同在热探头基板上的测温电阻造成很大影响[6]。
方案二,将热探头的三个温度元件用独立的铂电阻代替, 分别和控制电路板端部的电极焊接好后, 用透明的树脂材料胶结在不锈钢垫片上,然后封装在流量计壳体内。建模如图 2 所示。在这个方案中,加热电阻与测温电阻分离开,其热量经由进气管道空气对流、银丝导线与不锈钢垫片及控制电路板之间的热传导、辐射散热三种途径耗散。
2.2 网格划分和环境设置
模型建立好后,要进行网格划分。Flotherm 的网格划分有系统网格和局部网格两种。系统网格由系统自由划分,分为none、coarse、middle、fine 四种;局部网格由用户自定义划分。相比流量计控制电路板、流量计外壳以及外部环境(求解域),热探头尺寸很小,并且是需要着重分析的对象,网格划分需要很精细。流量计外壳和流量计控制电路板根据其尺寸比例, 由系统自动划分。系统网格采用fine(精细)网格。划分好的网格如图 3 所示。
环境温度设置为 20 ℃,计算域为 100 mm × 100mm × 200 mm,且通过自然对流、传导和辐射进行散热。分别模拟流量计在静止环境中和气体流速为 5m/s(对应 62mm 的管道,质量流量为60kg/h)时的温度分布。为了简化模型, 不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。 表 1 为流量计封装主要使用的材料及其热导率大小.
2.3 后台处理和分析
通过后台处理计算, 得到了流量计稳态温度场分布, 虽然这并不一定是流量计的绝对的温度分布情况,但是在很大程度上可以反映流量计温度的相对分布状况。温度分布如图 4 所示。
从图4 可以看出,在静止空气中,方案一热探头上的加热电阻的热量,除空气对流散热外,有相当一部分的能量通过热传导传给与之连接的控制电路板,导致整个流量计电路发热比较严重,其中控制电路板部分最低温度58.3℃,热探头测温电阻最低温度87℃;而方案二的热探头上的加热电阻的热量能够满足大部分被空气带走这一要求,控制电路板最高温度28.6℃,测温电阻最高温度39.5℃。
由表 1 可知, 方案一的热探头采用的氧化铝陶瓷材料,其导热系数为25 W·m-1·K-1,热阻很小,利于热传导,方案二采用的是透明树脂材料,其导热系数为0.2 W·m-1·K-1,热阻较大。另一方面,方案一中将加热电阻、测温电阻集成印刷在陶瓷电路板上,加热电阻与测温电阻距离很小,使得加热电阻热量对测温电阻有直接影响。方案二将加热电阻与测温电阻分离开,使得加热电阻的热传导仅能通过导线传热,热阻更大,对测温电阻的温度影响减少,因此采用方案二的汽车流量计结构会更加合理可靠。
3 结束语
对于热式汽车空气流量计,热探头上加热电阻的热量不能全部被进气管道的气体带走,有相当一部分的热量会通过热传导散失。加热电阻热传导散热的多少与基板材料、热探头结构有关, 采用分离式的热探头结构, 可以有效减少其对周围元器件的温度分布影响。利用热分析软件 flotherm 建模模拟,可以得到直观的流量计温度分布云图。根据分析结果,可以有效的改 善产品结构, 减少设计成本和产品设计周期。
参考文献:
[1] 吴克刚.温差式热膜空气质量流量传感器[J].长安大学学报(自然科学版),2002,22(5):86-88.
[2] 李晶.利用Flotherm对大功率LED封装的热分析[J].闽西职业技术学院学报,2010,12(3):112-116.
[3] 刘超,邵洪峰,李立京.Flotherm 软件在光纤测井高温电路热设计中的应用[J].现代电子技术,2011,34(2):191-194
[4] 南海,修吉平,魏华胜等.热导式智能气体流量计研究[J].中国铸机,1995,(2):51-52.
[5] SUMAL JAIHIND S,SAUER RUDOLF.Bosch massair flow meter:status and further aspects[J].SAE SpecialPublications,1984:19-28.
[6] 沈剑平,梁和平,梁桂森.热膜式气体质量流量计设计[J].柴油机·Diesel Engine,2003,(4):24-26.
作者简介:邱燕(1986-),女,工学硕士,研究方向:热式汽车空气流量计的研究及设计、热膜式质量流量计的研究。
