A cura di Redazione
Nell’industria automobilistica la gestione termica svolge un ruolo chiave nell’assicurare il funzionamento efficiente e l’affidabilità di vari componenti del motore. Uno dei componenti più esposto ai rischi derivati da un eccessivo surriscaldamento (as esempio il danneggiamento per fusione, cedimenti per fatica termica, ecc.) è la scatola di derivazione installata nel vano motore per distribuire l’energia elettrica e gestire le connessioni.
Il presente articolo tratta dell’analisi termica svolta su questo componente, con l’obiettivo di arricchire la conoscenza sul suo funzionamento e metterne in luce le possibili problematiche. Prima dell’analisi sono stati esaminati i singoli componenti della scatola, inclusi fusibili e relè, per determinarne le proprietà termiche, come conducibilità e resistenza termica, a diverse temperature. Questi studi sono stati svolti attraverso tecniche sperimentali, realizzando misurazioni tramite una telecamera ad infrarossi. Il funzionamento del componente blocco giunzione è stato analizzato per temperature fino al limite di saturazione. In aggiunta alle prove fisiche è stata eseguita un’analisi CFD tramite midas NFX, per le medesime condizioni di lavoro e range di temperatura impiegate nei test. Il confronto tra i risultati ottenuti tramite analisi sperimentali e le simulazioni CFD ha evidenziato un’affidabilità delle simulazioni superiore al 90% sulle distribuzioni di temperatura, validando quindi con elevata accuratezza l’approccio numerico ed il modello messo a punto.
L’analisi termica dei blocchi giunzione risulta essenziale per garantire il loro funzionamento ottimale e prevenire potenziali problemi di surriscaldamento. Simulando accuratamente il comportamento termico e la distribuzione di temperatura nelle fasi iniziali del progetto, gli ingegneri possono realizzare sistemi di raffreddamento efficienti ed individuare potenziali punti critici che potrebbero influenzare negativamente i componenti elettrici al suo interno. Tutto questo è possibile già in fase progettuale, eliminando la necessità di realizzare alcun tipo di prototipo, notoriamente dispendioso in termini economici e temporali. Come ultimo aspetto, queste analisi permettono di determinare le proprietà termiche dei materiali utilizzati nei componenti, fornendo le necessarie informazioni per apportare adeguamenti o miglioramenti.
Fusori e Relè (Range di temperature operative : -35°C ~ 90°C)
La procedura di analisi sperimentale inizia con la caratterizzazione dei singoli componenti all’interno del blocco giunzione. Questi componenti sono stati sottoposti a test termici che hanno permesso di caratterizzare, dal punto di vista termico, entro un range limitato di temperature. Questi dati sono stati quindi utilizzati per calibrare i valori di conducibilità termica e resistenza dei materiali utilizzati nei blocchi giunzione.
Successivamente a questa calibrazione, il blocco giunzione è stato testato fino al raggiungimento della temperatura di saturazione. La distribuzione di temperatura sulla superficie del componente è stata ricavata tramite l’utilizzo di una telecamera ad infrarossi, strumento di misura che permette misure molto veloci ed accurate, ma allo stesso tempo molto costoso rispetto alle simulazioni numeriche CFD/FEM.
Per corroborare ulteriormente i risultati sperimentali ottenuti e migliorare l’accuratezza dell’analisi termica, è stata eseguita un’analisi fluidodinamica CFD, utilizzando il software midas NFX per risolvere le complicate equazioni alle derivate parziali paraboliche, regolanti il comportamento fisico del calore. A fini di consistenza, le stesse condizioni operative e le stesse proprietà dei materiali sono state considerate nella simulazione numerica. L’analisi CFD ha fornito una comprensione dettagliata dei modelli di flusso (i.e. turbolenza) e dei meccanismi di trasferimento del calore presenti all’interno del vano motore, consentendo quindi una completa analisi termica del blocco giunzione, a costi nettamente inferiori e con un livello di dettaglio senza eguali.
Distribuzione di temperatura sperimentale rilevata attraverso termocamera.
Distribuzione di temperatura stimata attraverso analisi
termo-fluidodinamica / CFD.
Il confronto dei risultati ottenuti dalle misurazioni sperimentali e dall’analisi CFD mette in evidenza un’elevata affidabilità dello strumento numerico Midas NFX. Questa validazione mette in luce l’accuratezza dell’analisi termica e la sua capacità di prevedere con precisione la distribuzione di temperatura all’interno del dominio spaziale in analisi. I risultati hanno anche permesso di evidenziare potenziali punti critici o aree di pericolo all’interno del blocco giunzione, consentendo di implementare modifiche progettuali adeguate per garantire un funzionamento ottimale ed un’affidabilità elevata.
Errore medio di incremento della temperatura: 2,17° C
L’analisi termica dei blocchi giunzione nei vani motori automobilistici è essenziale per mantenere la corretta operatività dei componenti elettrici. Unendo misurazioni sperimentali ed analisi computazionali, i progettisti possono ottenere preziose informazioni sulla distribuzione della temperatura e sulle caratteristiche di trasferimento del calore del blocco giunzione, a costi moderati ed in tempi ridotti. Il caso presentato ha messo in luce un approccio efficace nell’interpretazione ed analisi del comportamento termico nei blocchi giunzione, con un’affidabilità superiore al 90%. Questo studio contribuisce a migliorare il design complessivo del componente e le strategie di gestione termica dell’ingegneria automobilistica nel suo complesso, rendendo i veicoli moderni sempre più prestanti e sicuri.