1. Fonti di generazione del calore e importanza della dissipazione del calore
Essendo un dispositivo a carico elevato e con funzionamento intermittente, a pompa di aria elettrica per auto (CEV) genera calore significativo durante il funzionamento a causa dei suoi componenti principali. Le principali fonti di calore includono:
Calore del motore: quando la corrente scorre attraverso gli avvolgimenti del motore, viene generato un riscaldamento Joule a causa della resistenza. Questa è la fonte di calore primaria.
Attrito del pistone: il movimento alternativo ad alta velocità tra il pistone e la parete del cilindro all'interno del cilindro genera calore da attrito.
Calore da compressione del gas: secondo i principi della termodinamica, la temperatura del gas aumenta notevolmente quando viene compresso. L'aria calda compressa riscalda il cilindro e i tubi dell'aria.
Un'efficace dissipazione del calore è fondamentale per garantire prestazioni stabili e prolungare la durata del CEV. L'accumulo di calore può portare a una riduzione dell'efficienza del motore, all'invecchiamento dell'isolamento della bobina e persino all'attivazione di spegnimenti per surriscaldamento, con un grave impatto sull'esperienza dell'utente e sull'affidabilità del prodotto.
2. Tecnologia di dissipazione del calore principale
La tecnologia di dissipazione del calore per le pompe ad aria CEV si concentra principalmente sul trasferimento efficiente del calore dai componenti interni all'ambiente esterno.
1. Ottimizzazione strutturale
Cilindro e testata in metallo: i cilindri e le testate sono costruiti con materiali metallici altamente conduttivi termicamente, come la lega di alluminio o la lega di rame. I metalli hanno una conduttività termica molto più elevata rispetto ai tecnopolimeri, consentendo loro di dissipare rapidamente il calore generato dal pistone e dalla compressione.
Design del dissipatore di calore: le alette sono integrate sulla superficie esterna del cilindro o sulle aree chiave del corpo motore che generano calore. Queste alette migliorano significativamente l'efficienza della convezione del calore aumentando l'area di contatto con l'aria esterna. Il numero, l'altezza e la spaziatura delle alette sono attentamente progettati per ottenere una dissipazione ottimale del calore per convezione.
Design bicilindrico/multicilindrico: rispetto alle pompe monocilindriche, le pompe bicilindriche distribuiscono il consumo energetico totale su due cilindri, riducendo il carico termico istantaneo su un singolo cilindro. Inoltre, lo spazio tra i due cilindri facilita il flusso d'aria e disperde le fonti di calore.
2. Sistema di raffreddamento ad aria attivo
Ventola di raffreddamento integrata: la maggior parte delle pompe d'aria elettriche per auto di fascia medio-alta incorporano una o più ventole ad alta velocità. Queste ventole vengono generalmente posizionate vicino al motore o al cilindro, aspirando forzatamente l'aria fredda dall'esterno, soffiandola sui componenti che generano calore e quindi scaricando l'aria calda. Questo è il metodo di raffreddamento più diretto ed efficace.
Design dei condotti dell'aria e del flusso d'aria: condotti dell'aria dedicati sono integrati nell'alloggiamento della pompa. Gli ingegneri utilizzano simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics) per ottimizzare il percorso del flusso d'aria della ventola, garantendo un flusso preciso attraverso gli avvolgimenti del motore, i cuscinetti e le pareti del cilindro, evitando zone morte di perdita di calore.
3. Gestione termica e protezione intelligenti
Oltre alla dissipazione puramente fisica del calore, le moderne pompe ad aria elettriche per automobili si affidano anche alla tecnologia elettronica intelligente per la gestione termica.
Termistore/sensore di temperatura: i termistori PTC/NTC o i sensori di temperatura digitali sono installati in posizioni chiave sugli avvolgimenti del motore, sul PCBA o sul cilindro. Questi sensori monitorano la temperatura interna della pompa dell'aria in tempo reale.
Protezione dal surriscaldamento: quando la temperatura interna raggiunge una soglia preimpostata (ad esempio 105°C o 120°C), il chip di controllo intelligente (MCU) interrompe immediatamente l'alimentazione al motore, attivando uno spegnimento automatico. Ciò previene danni dovuti al surriscaldamento e garantisce la sicurezza dell'utente e la durata del prodotto.
Modulazione della larghezza dell'impulso PWM: in alcune pompe ad aria con motore brushless ad alte prestazioni, il controller regola dinamicamente il ciclo di lavoro PWM del motore in base al feedback del sensore di temperatura. Pur mantenendo l'efficienza di gonfiaggio di base, riduce adeguatamente la potenza del motore, sopprimendo così il rapido accumulo di calore e prolungando il tempo di funzionamento continuo.
IV. Ottimizzazione dei materiali e dell'interfaccia
Materiali isolanti ad alta resistenza al calore: l'utilizzo di filo smaltato resistente alle alte temperature e materiali isolanti di Classe H o Classe F (resistenza alla temperatura massima di 180°C o 155°C) garantisce che il motore non subisca rotture dell'isolamento o cortocircuiti in ambienti ad alta temperatura, migliorando così l'affidabilità della pompa dell'aria.
Materiale di interfaccia termica (TIM): grasso termico o cuscinetti termici possono essere utilizzati tra determinati componenti (come l'interfaccia tra transistor di potenza e dissipatori di calore su un PCBA) per ridurre al minimo la resistenza termica di contatto e garantire un trasferimento di calore efficiente alla struttura di dissipazione del calore.
Alloggiamento in polimero: anche se l'alloggiamento è realizzato in plastica tecnica, vengono selezionati materiali compositi PA o PC/ABS altamente ignifughi con un'elevata Tg (temperatura di transizione vetrosa) per garantire che l'alloggiamento non si deformi o si ammorbidisca in caso di funzionamento prolungato ad alta temperatura.
