GRUPP C1: Nicholas Strömblad Axel Jonson Alexander Beckmann Marcus Sundström Johan Ehn HANDLEDARE: Daniel Corin Stig Maskinteknik Göteborg, Sverige 2011 CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA
1 4.1 Konkurrentinventering Efterforskning har gjorts efter kända koncept, endast ett har hittats (http://www.stirlingenergy.com). En förfrågan skickades till företaget angående deras skydds egenskaper, men på grund av strategiska skäl ville de inte delge någon information. Angående patent har följande hemsidor använts: http://www.upsto.gov och http://se.espacenet.com. Dock så har ingenting hittats. Just att söka på ett hölje som används för att skydda en Stirlingmotor i solkraftparker ger inga resultat. Olika lösningar för att utestänga nederbörd och partiklar samt att klara höga temperaturer har också sökts efter men utan framgång. Patenten har inte kunnat tillämpas och inte heller någon variant av dessa. I och med att det bara fanns ett koncept och inga dugliga patent så har fokus lagts på kända lösningar för funktionerna som skall finnas i den färdiga produkten. Nedan syns alla lösningar som har hittats. Övertryck i höljet I Australien har man ofta problem med att få in damm i sin bil. Man löser detta genom att skapa ett övertryck inne i bilen med hjälp av luftkonditioneringen. Detta kan tillämpas i Stirlingmotorns skydd genom att låta fläkten bygga upp ett övertryck i lådan. Tygbeklätt I gruvindustrin vill man inte ha några utsläpp av farliga partiklar. Därför kläs ofta skyddsplåtarna ovanför transportbanden invändigt med en fin väv, som förhindrar att partiklarna tar sig ut (http://www.metso.com/ ). Projektgruppens skydd kan använda sig av något liknande, till exempel en tygbeklädd insida så att partiklar som tar sig igenom skarvar stoppas. Tätningar I skarvar och liknande vill man förhindra att partiklar tar sig in. Detta åstadkommer man med tätningar. Företaget Metso (som nämnts ovan) använder sig av gummitätningar för att stoppa dessa partiklar. Detta kan direkt tillämpas på skyddet till Stirlingmotorn. Lågfriktionsmaterial Samma företag som ovan använder sig av lågfriktionsmaterial för att förhindra att små partiklar fastnar och skadar materialet genom korrosion. Detta material skulle kunna användas till höljet runt Stirlingmotorn. Måla Det är allmänt känt att målning ökar beständigheten mot förslitning och korrosion. Till exempel målar militären sina flygplans rotorblad, för att skydda mot förslitning vid flygningar i extrema miljöer. Man målar även båtar för att skydda mot korrosion. En direkt tillämpning kan vara att måla Stirlingmotorns hölje. Keramer mot höga temperaturer Keramer är kända för att vara tåliga mot höga temperaturer tack vare starka bindningar. Cleanergy täcker hela fronten med keramer för att skydda mot den höga temperaturen. Detta är en smart lösning och kan komma att tillämpas av projektgruppen.
2 Nedfällning I sin nödlösning använder sig Cleanergy av en sorts lucka som fälls ner över ljusinsläppet då energiutvinning inte sker. Detta för att skydda mot nederbörd och oönskade partiklar. Projektgruppen skulle kunna använda sig av någon liknande lösning. Mekaniskt lock Man skyddar ett kameraobjektiv genom att sätta på ett linsskydd. Hålet för ljusinsläppet i höljet kan skyddas genom något liknande, till exempel ett mekaniskt lock som fälls över vid behov. Slutare Också likt en kamera så används en slutare för att skydda just själva linsen. Någon liknande lösning för att skydda hålet i höljet kan användas. Brainstorming För att hitta nya lösningar för huvudfunktionerna har den första fasen i brainstormingen genomförts. Här får alla medlemmar i gruppen yttra sina idéer och koncept, kritik är inte tillåtet. Den andra fasen som kommer under inlämning 5 kommer att behandla sållning och val av den bästa idén eller konceptet. Det har också getts utrymme för lösningar för en del bifunktioner, som ansågs viktiga. Fas ett av brainstormingen genererade följande idéer och koncept. Tätning Pyramid Engångsfog Packningslim O-ringar Packning Sammanfogning Övertryck Snäpplist Solskydd front Minimerade mottagarytor Vinklade mottagarytor Förskjutna mottagarytor Halvtäckande skyddsmaterial Inhomogent skyddsmaterial Lösningsdatabas Höljet skyddar komponenter Höljet måste tätas mot intrång av vatten, sand och små partiklar, damm. Pyramidtätning, klarar höga tryck. Bra tätning. Höljet försluts med en icke återbrukningsbar fog som håller helt tätt. Liknande en silikonfog. Höljet försluts med en icke återbrukningsbar limpackning som håller helt tätt. En stor o-ring kan vara lämplig. Standardpackning. Homogenisering av skarvar sammanfogar hela höljet. Ett internt övertryck förhindrar intrång av små partiklar. En bred list i gummi snäpps över kanten mellan hölje och ram. Fronten utsätts för starkt soljus och måste värmeskyddas. Minimering av ytor som kan ta emot solkonen minskar behovet av värmesköldar. Billigare En vinklad yta sprider ut brännområdet och minskar skaderisken. Att förskjuta all ytor förutom recievern framför eller bakom brännpunkten ger samma effekt som ovan. Delvis täckt frontyta, solknippet kommer bara kunna exponera en sida av ingångshålet. Användning av olika material eller olika tjocklek på skölden kan minska kostnader.
3 Spaltkonstruktion Hölje Tyg Lågfriktionsmaterial Ytbehandling (målning) Ljus färg Speglar Inkorporering av en isolerande spalt mellan sköld och hölje kan minimera tjockleken på värmeskölden. Ingående komponenter måste skyddas mot väder och vind. Lådan är invändigt klädd med en plastklädd väv. Detta förhindrar intrång av sand och fina partiklar. Utvändigt material med låg friktionskoefficient förhindrar att små partiklar fastnar och löser ut korrosiva ämnen vi fuktigt väderlag. Målning kan skydda höljet mot blästring, korrosion etc. utan att dyra material krävs. Ljus färg bidrar till att reflektera bort så mycket värme som möjligt. Speglar reflekterar bort värme, dyrare men bättre lösning än ljus färg. Sammanhängande hölje Höljet är tillverkat i ett stycke. Detta minskar risk för intrång av partiklar och vatten. Modulär Höljet monteras i delar. Detta minimerar fraktkostnader. Tubsocka Ett hölje i ett mjukt material träs över ramverket. Vilolägesskydd för ljusinsläpp Ljusinsläppet får inte släppa in partiklar eller vatten i viloläge. Jämviktsstyrd lucka Ledad lucka Spår Lock Slutare Persienn En lucka som fälls ner som följd av ett jämviktsbetingat villkor, till exempel en motvikt, en viss vinkel. Ledad lucka kan inkorporeras i jämviktsstyrd lucka. Antagligen inte särskilt tätt. Lock i spår kan inkorporeras i jämviktsstyrd lucka. Antagligen inte särskilt tätt. Lock klickas på plats från utsidan. Svårt att styra men ger tätt slutning. Kräver extern kraftkälla. Kameraliknande slutare mellan dubbelväggar. Kan ge tätt slutning men kräver styrning och extern kraftkälla. Persiennliknande skydd framför ljusinsläpp. Svårt att få tättslutande men enkel lösning som dock kräver styrning av något slag. Övertryck/utblås Keps Musslan Ramen Bottenplatta Integrerad med hölje Motor Box Cylinder L-profil Övertryck eller utblås i mynningen kan hålla partiklar och regn borta. Kräver kraftförsörjning och styrning. En keps eller skärm med sådan orientering att den förhindrar regninsläpp i viloläge. Billigt men ineffektivt mot damm. Underliggande hölje sluts i viloläge. Kräver lagrad kraft eller extern kraftförsörjning. Kraftigt skydd. Kan vara svårt att få tätt Ramen håller fast utrustning Ramen ger stöd för hölje och komponenter Samtliga komponenter monteras på en bottenplatta. Enkelt. Höljet och ramen är sammanfogade, levereras tillsammans. Komponenter monteras i fästen på motorn. Boxformat ramverk. Bra stabilitet. Cylindrisk ram. Stabilt, kan också förbättra ventilering. Bottenplatta med bakstycke. Mellanting av box och bottenplatta.
4 Fästen för komponenter Lim Svetsning Skruv Spik Magneter Nitar Push-pins Clips Tejp Lödning Bultar Snäppkopplingar Hakar Spår Ljusinsläpp Hål Ljusgenomsläplig skiva Värmelagrande material Pulserande filter Ventilering Fläkt Utnyttja värmeskillnader Utnyttja vinden Öppen låda Komponenterna måste fästas på lämpligt sätt. Komponenterna limmas fast. Reversibelt men ger rester (eventuellt). Komponenterna svetsas fast. Starkt men irreversibelt. Komponenterna skruvas fast. Stabilt och kan användas flera gånger. Komponenterna spikas fast. Billigt och snabbt men förstör materialet. Komponenterna fästs med magneter. Dyrt och svårhanterat men återanvändbart. Komponenterna nitas fast. Starkt men så gott som irreversibelt. Skadar materialet. En snabbare version av att skruva, inte lika stark. Återanvändbar. Komponenterna kläms fast med clips. Komponenterna behöver inga fästhål, inte särkskilt stabil. Komponenterna tejpas fast. Snabb och enkel, men inte återanvändbar. Svag. Komponenterna svetsas fast. Svagare version av svets. Billigare. Komponenterna bultas fast, starkt och återanvändbart. Glapp. Komponenterna utrustas med snäppen och fästen. Billigt men inte särskilt starkt. Komponenterna hakas fast. Billigt och starkt men för flexibelt. Komponenterna fästs i spår. Likande hakar. Höljet släpper igenom solenergi Höljet måste kunna släppa in ljus till en reciever. Ett öppet hål i höljet släpper in ljus. Ett material som släpper igenom så mycket ljus som möjligt används. Ett material som kan överföra så mycket värme som möjligt direkt in i recievern används Ett filter släpper igenom solen utan att släppa in damm. Filtret är pulserande och rengör alltså sig själv. Övrigt Ventilering är nödvändigt för att minska risk för vätgasexplosion. Den existerande lösningen Värmeskillnader kan initiera förflyttning av luft. Vind kan utnyttjas för ventilering En öppen låda behöver inte ventileras. Brainstormningen gick bra och förhoppningsvis har så många idéer som möjligt genererats. Dessa idéer kommer att vara till nytta vid bestämning av det slutliga konceptet. Vidare så kommer det att läggas till nya idéer kontinuerligt, allt för att ha så många idéer som möjligt när det slutliga konceptet ska väljas och på så sätt underlätta arbetet.
5 4.2 Referenslösning För att säkerställa att ett högt kundvärde erhålls fastställs en referenslösning av kända koncept. När ett vinnande koncept ska tas fram jämförs detta med referenslösningen. På så sätt kommer det vinnande konceptet att vara konkurrenskraftigt och ha ett högt kundvärde. En referenslösning utgör alltså startpunkten i konceptarbetet. 1. Skapa en referens Referenslösningen skapas av kända lösningar på funktioner hos skyddet. Se 4.1 ovan för dessa kända lösningar. Referenslösningen är den bästa lösningen med tillgänglig kunskap och är uppbyggd på följande sätt: Ramen Ramen tillverkas i aluminium enligt Cleanergys nuvarande lösning. En aluminiumram fungerar bra på grund av dess låga vikt och dess tålighet mot höga temperaturer. Höljet Höljet tillverkas i stål då detta är ett billigt och hållfast material. Också enligt Cleanergys nuvarande lösning. Tyg på insidan Ett tyg sätts på insidan av höljet för att skydda mot oönskade partiklars intrång genom skarvar och liknande. Detta är en variant på gruvindustrins lösning på att inte släppa ut partiklar (se ovan). Målat Höljet målas för att skydda mot nötning och korrosion. Man ska bara behöva måla höljet så få gånger som möjligt. Fläktpaket Ventilering enligt Cleanergys nuvarande lösning, då Cleanergy var nöjda med ventileringen. Tätningar Referenslösningen är tätad med gummipackningar. Keramik Heltäckande keramik på framsidan (sidan där ljusinsläppet sker) eftersom att keramik visar sig tåla höga temperaturer. Rektangulär Skyddet får en rektangulär form då det är lätt att tillverka och har visat sig att fungera. Ljusinsläpp För att släppa in ljus till Stirlingmotorn och på så sätt möjliggöra energiutvinning har referenslösningen ett hål på framsidan där ljuskonen tränger in. Enligt Cleanergys nuvarande lösning. Nedfällning I viloläge används ett skydd för att hindra nederbörd och partiklar att ta sig in i höljet via hålet för ljusinsläpp. I referenslösningen används en sorts lucka som fälls ner över hålet från höljets ovansida. Detta enligt Cleanergys nödlösning. Skruvar För fästning av höljet och komponenter i ramen används skruvar med packning.
6 När det gäller referenslösningen kan det vara att något har missats. Detta för att det är väldigt svårt att hitta relevanta saker, dels på grund av brist på information och dels för att det är svårt att komma på lämpliga söksträngar. Oavsett om något har missats så har en fullt fungerande referenslösning med ett högt kundvärde utarbetats, vilket var målet. Referenslösningen skiljer sig från nuvarande lösning på så sätt att: Ett tyg på insidan för ökat skydd mot partiklar Ett skydd för hålet för ljusinsläppet i viloläge Höljet är målat för utökat skydd Referenslösningen ovan är ett lämpligt benchmark. När projektgruppen utarbetar ett koncept bättre än referenslösningen kan vi vara säkra på att konceptet är konkurrenskraftigt med högt kundvärde. 2. Beskriv kundvärdet i referensen Genom att beskriva kundvärdet i referenslösningen blir det lättare att jämföra den med framtida koncept. Framtida koncept skall alltid ha samma eller högre kundvärde än referenslösningen. Kundvärdet beskrivs genom att formulera huvud-, tilläggs- och oönskade funktioner till referenslösningen. Dessutom tas mätetal fram över hur dessa funktioner skall mätas. Hur väl referenslösningen utför dessa funktioner uppskattas med hjälp av en referensmatris. Referensmatris Här har samtliga funktioner hos referenslösningen angetts och tilldelats mätdata. Varje referensfunktion har också indelats i huvudfunktion (HF), tilläggsfunktion (TF) och oönskad funktion (OF). Här anges också målvärden för projektets förbättring av dessa funktioner. Kundvärdesmatris Funktioner Klass Mätetal Enhet Referens Referens -värde Tätning hindrar partiklar och väta HF Täthet IPklassning Gummipackningar ca IP44 Målvärde IP65 Solskydd skyddar front mot HF JA/NEJ J/N Keramikplattor JA JA sol Höljet skyddar komponenter HF Skada per år % Stålhölje 2 % 0 % Vilolägesskydd för ljusinsläpp skyddar mot partiklar och nederbörd HF Insläpp % Nedfällbar lucka 2 % 0 % Ramen bär upp komponenter HF JA/NEJ J/N Aluminiumram JA JA Ljusinsläppet släpper in HF Insläpp % Hål 100 % 100 % solenergi Ventilering ventilerar vätgas HF JA/NEJ J/N Fläktpaket JA JA Ytbehandling skyddar höljet TF Skada per % Färg 25 % 0 % år Utformning underlättar underhåll/montering TF Skala 1-10 Rektangulär låda med lock. 4 7
7 Fästen för komponenter håller fast komponenter TF Hållfasthet skala 1-10 Skruvar 9 10 Höljet kräver service OF Hur ofta tid Eventuell ommålning Höljet blockerar solljus in i parabolen OF Hur mycket varje år aldrig % Försumbart 0 % 0 % Ramen kräver service OF Hur ofta tid Troligtvis inte aldrig aldrig Vilolägesskydd för ljusinsläpp blockerar solljus Sidopaneler utsätts för ljuskägla OF OF Hur mycket Hur mycket % Försumbart 0 % 0 % % Mycket lite, ty rektangulär. 5 % 0 % Produkten blir dyr OF Skala 1-10 Ganska 8 2 Referensens lösningar till de olika funktionerna har tilldelats uppskattade värden eftersom någon verklig mätdata i projektgruppens fall inte finns. Vissa av uppskattningarna kan te sig icke intuitiva. Här anges förklaringar till några av dessa. De referenslösningar som tilldelats en skala som mätetal använder en skala 1-10, där 10 är maximum och 1 minimum. De som har skada per år angiven som skala indikerar hur mycket av funktionen som förlorats efter ett års exponering. Utformningen är rektangulär, referenslösningen använder en rektangulär låda som hölje och är inte särskilt lättmanövrerad på insidan för reparatörer och dylikt. Sidopaneler utsätts för ljuskägla syftar på hur mycket skada ljuskäglan kan åstadkomma om den hamnar snett. För att få en tydligare bild av referenslösningens kundvärde måste tidsresurser, kostnader och insatser också beaktas. Det är dock svårt att uppskatta hur specifika delar i referenslösningen bidrar till dessa. Till exempel är det väldigt svårt att uppskatta tidsresursen på att montera tyget i höljet eller dess kostnad. Att uppskatta hela konceptets tidsåtgång är lättare, vilket projektgruppen har utnyttjat vid utvärdering av referenslösningen. Tidsresurser Med tidsresurser avses till exempel leveranstid, monteringstid, tillverkningstid etc. Tidsresurserna på referenslösningen lär vara ganska stora eftersom den består ett stort antal delar samt att delarna kan vara komplicerade att montera, som till exempel monteringen av nedfällningen eller tyget. Kostnader Med kostnader avses till exempel tillverkningskostnad och materialkostnad. Själva höljet och ramen har inte så stor kostnadsinverkan på grund av deras material och geometri. Det som drar upp priset är att hela framsidan kommer att vara täckt med högtemperaturbeständig keramik, som är väldigt dyrt. Även nedfällningen kan vara dyr att tillverka på grund av dess komplicerade geometri. Tyget kan
8 vara onödigt om tätningarna är tillräckligt bra och tyget blir således en onödig kostnad. Färgen kan vara väldigt dyr, antingen på grund av dess inköpskostnad eller för att man måste måla om ofta eller både och. Insatser/möda Vid till exempel demontering vid underhåll kommer man att vara tvungen att demontera ett stort antal delar. Skruvarna gör inte heller demonteringen lättare. Det kommer att krävas en stor insats bara för att underhålla komponenterna i höljet. Även eventuell ommålning bidrar till extra möda. 3. Lista delsystemen i referensen I referenslösningen har olika delsystem valts ut. Det är dessa system som fokus bör ligga på under konceptutveckling och tjänar som ett underlag för utvecklingen av den funktionella modellen i nästa avsnitt. Har man för många delsystem blir det väldigt svårt att utarbeta en lättöverskådlig funktionell modell. En principiell systemarkitektur visas nedan. Här visas de 7 viktigaste delsystemen i referenssystemet. Referenssystem Hölje Ram Hål (solinsläpp) Keramik Färg Fläktpaket Skruvar Nedfällning (Vilolägesskydd) Tyg Tätningar Indelningen har gjorts med de viktigaste största delsystemen längst upp och mindre viktiga som undergrupper till dessa. Det är svårt att uppskatta kostnadsfördelning men det kan nog sägas att störst fokus kommer att ligga på höljet. De delsystem som valts ut är de som kan uppskattas ge störst inverkan i förhållande till den kostnad som delsystemet lägger till för konceptet. Formen på skyddet (rektangulär) kan också betraktas som ett delsystem, men anses ha för liten betydelse för att ta plats i funktionsmodellen.
9 4.3 Funktionellt diagram samt identifiering av starka och svaga delar i produkten För att få en gemensam bild över hur systemet fungerar har en funktionsmodell utarbetats. Denna visar var kundvärde skapas och var kundvärde förloras, vilket är väldigt användbart vid val av koncept i nästa avsnitt. Funktionsmodellen är också ett underlag för att rangordna de olika delsystemens bidrag till kundvärdet. Funktionsmodellen är således utgångspunkten för konceptarbetet. 4. Skapa en funktionell modell Nedan syns den utarbetade funktionella modellen för referenslösningen.
10 Figuren talar för sig själv, men värt att kommentera är varför keramiken som skyddar höljet är en önskad funktion men överdriven. Den anses överdriven för att keramik täcker hela framsidan, vilket förmodligen inte är nödvändigt. Siffrorna i anslutning till varje delsystem symboliserar hur väl delsystemet löser funktionen (se nästa överskrift). Betygsättning av hur väl delsystemen löser de olika funktionerna Vid betygsättningen av de olika funktionerna har en skala från ett till tio använts, där tio är bäst. Detta gör det enklare att jämföra olika koncept i framtiden. Nedan syns en motivering över varför varje delsystem fick respektive värde. Nedfällning har fått en sjua då denna lösning skyddar hålet relativt bra mot oönskade partiklar och vatten men ej är optimalt, eftersom det enbart skyddar i vänteläget. Hål får ett högt betyg då det inte begränsar ljusgenomsläppet på något sätt. Keramik är värmetåligt och skyddar höljet fullgott, men begränsningar anses finnas i dess isolatoriska egenskaper. Tyg används som komplement till tätningarna, som anses förhindra intrång av den absoluta majoriteten av partiklar och vätska. Det betraktas därför som närmast överflödigt och får därför ett väldigt lågt betyg. Det är inte heller ett fullgott sätt att förhindra partikel- och vätskeintrång. Tätningar är ett område som ingen i projektgruppen har full koll på. Dock anses de gummitätningar som används i referenskonceptet inte helt tillförlitliga, bland annat på grund av gummits åldrande. Hölje tillverkas i stål. Dock krävs färg för att undvika nötnings- och korrosionsskador, men i övrigt uppfyller det sin funktion. Ramen uppfyller sin funktion och Cleanergy är nöjda med sitt nuvarande koncept. Ny form på ramen anses kunna lösa funktionerna på ett bättre sätt. Färg löser sin uppgift i tidigt stadium men dess verkan avtar med tiden (nötning och korrosion). Skruvar utgör utmärkta förband med god tillförlitlighet. Nytt tänk kan leda till effektivare lösningar. Fläktpaket utför sin uppgift men dess tillförlitlighet kan ifrågasättas. Dessutom kräver det underhåll.
11 5-6. Addera flera perspektiv och rangordna delsystemen I betygsättningen ovan tas enbart hänsyn till hur väl de olika delsystemen utför respektive funktion. För att vidare kunna utvärdera vilket värde de olika delsystemen måste man komplettera med vilka resurser de olika delsystemen förbrukar, såsom kostnad och problem. Dessa är väldigt svåra att få fram exakta data om så även här används en skala 1-10. Nedan syns en tabell över uppskattade värden på varje delsystem samt en slutgiltig rangordning. Delsystem Funktionellt bidrag (1-10) Kostnad (1-10) Problem (1-10) Totalt (rangordning) Nedfällning 7 6 6 7 Hål 9 1 2 1 Keramik 8 10 3 4 Tyg 3 2 4 10 Tätningar 7 2 4 8 Hölje 7 7 2 3 Ram 8 6 2 2 Färg 3 2 6 9 Skruvar 8 1 4 6 Fläktpaket 6 5 6 5 Kostnad ges poäng utifrån hur stor kostnad delsystemet kan uppskattas ha. Ju större kostnad desto sämre. Problem tilldelas poäng efter kriteriet hur mycket tid och arbete som går åt samt hur dyra reparationer/byten blir. Den slutgiltiga rangordningen utgår inte från någon matematisk modell utan uppskattas av projektgruppen. Därför är rangordningen bara en indikation på vilka delsystem som har ett högt kundvärde. De delsystem som blivit lågt rankade, till exempel tyget, kan eventuellt bytas ut eller helt tas bort i det slutgiltiga konceptet.