חוקרי קונצרן פיאט משתמשים ב- ®COMSOL Multiphysics כדי לפתח צלעות קירור יעילות לסוללות ליתיום – יון עבור רכבים חשמליים והיברידיים

בהתחשב במחזור הפיתוח הארוך של כלי רכב, יצרני רכבים חייבים לתכנן את הדגמים הבאים שלהם הרבה זמן מראש. וכאשר הרגולציות הולכות וגדלות וכך גם מחירי הדלק בעולם, ניתן לצפות כי מכוניות חשמליות והיברידיות יתפסו יותר נתח שוק ויהיה אטרקטיביות יותר.

במרכז המחקר של פיאט, צוות הפיתוח עובד על פיתוחם של רכבים חשמליים והיברידיים הפועלים על סוללות ליתיום – יון. לפיאט ישנם מספר משאיות קלות שנוסעות על חשמל, והיישום הבא הינו גרסא חשמלית של דגם פיאט 500, אשר מיועד לשוק האמריקאי.
פיאט לא אחראית על ייצור תאי סוללות הליתיום, אך כדי להפעיל רכב היא צריכה לדחוס לפחות 100 כאלה לתוך אריזה אחת שצורכת 350 וולט. בנוסף היא חייבת לספק קירור מספיק בעוד שהיא משאירה את מארזי הסוללה קטנים וקלים ככל האפשר. כיוון שתאי הסוללות מקושרים אחד לשני, אם תא אחד לא פועל כהלכה עקב בעיות חום, יש לכך השפעה שלילית על כל החבילה.

חשוב מאוד שמקסימום הטמפרטורה בין תאי הסוללות לא יעלה על 5 מעלות צלסיוס. מעבר לכך, אם טמפרטורת החבילה הכללית נמוכה מדיי, זה מגביל את הטעינה שניתן לקבל מהסוללה. אם היא גבוהה מדיי, ישנה כמובן הסכנה של התחממות יתר, עשן, ובמקרה הגרוע שריפה.

בסוללות מסוג זה, חום מופק הן ע”י חימום ג’ול והן ע”י תגובות כימיות, אותם קובעים מהביטוי שתלוי בצפיפות הנוכחית. במהלך התכנון, מפתחי פיאט מעדיפים קירור ע”י זרימת אוויר, ומשתמשים בתוכנת ®COMSOL Multiphysics כדי לחקור את תפוצת השטח.
המודל של פיאט ב- ®COMSOL Multiphysics מחלק כל משטח של תא סוללה לתשעה אזורים, אשר מתאימים לצימודים התרמיים על התא עצמו. החוקרים בודקים את תפוצת הטמפרטורה בשיעורי פריקה וטעינה שונים ומוודאים שהמודל קונסיסטנטי עם המציאות, כפי שנמדד ע”י צימודים תרמיים ומצלמות אינפרא אדום.
החוקרים מצאו כי התוצאות היו בטווח מדידות של 1 מעלות צלסיוס. עם אינפורמציה כזו וביטחון במודל של ®COMSOL, החוקרים יכולים למצוא נקודות חמות על תא הסוללה וכן לחקור את תפוצת הטמפרטורה הפנימית שלו. דבר זה מספק אינפורמציה חיונית אשר לא ניתן להשיג בדרכים אחרות בשל הקושי לקבוע צימודים תרמיים במארזי סוללות וקבלת תוצאות אמינות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics תורמת לפיתוח קירור יעיל של רכיבים אלקטרוניים ברכבי טויוטה ההיברידיים

צוות אופטימיזציית הטופולוגיה במכון המחקר של טויוטה בצפון אמריקה, משתמש בתוכנות ®COMSOL Multuphysics ו MATLAB®, ובמיוחד במודול המתקדם LiveLink™ for SolidWorks® של ®COMSOL, על מנת לפתח טכנולוגיה חדשה לקירור הרכיבים האלקטרוניים ברכבי טויוטה ההיברידיים. הצוות מספר על ביצועי הסימולציות שנבחנו בתוכנת קומסול עם הקישורים הישירים לתוכנות ®MATLAB ו SolidWorks®, ומתרשם לטובה מהתאימות המלאה לעולם האמיתי:
” לאחר שהשתמשנו ב- ®COMSOL וב- ®MATLAB ברוטינת אופטימיזציית הטופולוגיה, השתמשנו בקונספט הערוץ הסופי על מנת לתכנן ולהעריך אב טיפוס תוך שימוש במודול LiveLink™ for SolidWorks® של ®COMSOL. לתוכנה יש מאפיין נחמד אשר מאפשר למשתמש לקשר באופן אקטיבי לכלי CAD, וזה קל לייבא סוגי מבנים רבים מ- ®SolidWorks חזרה ל- ®COMSOL על מנת לאמת את ירידת הלחץ ומעבר החום “.

” אני חושב שזהו ממש העתיד של הסימולציות, שתהיה לך האפשרות לקשר את כלי ה CAD שלך כך שתוכל ליצור זרימות לפיתוח הישנויות תיכנון מהירות ומדויקות. לא בטוח שזה הולך לפתור את כל הבעיות שלך, אך זה עוזר לך לגבש במהירות נקודת פתיחה טובה ולהתפתח ממנה “.

ע”י השימוש בתכנוני ®SolidWorks נבנו שני אבי טיפוס מאלומיניום בעזרת שיטות מיקרו-מכניות סטנדרטיות. שני אבי הטיפוס האלה נוצרו ונעשתה ביניהם השוואה: יחידת התנגדות חום וירידת לחץ בגרסא משולבת מיקרו-אפיק סילוני/היררכי, כנגד גרסא המנצלת התנגשות סילונית של לוח שטוח פשוט.
לאחר מכן חוברו להם יחדיו שני אבי הטיפוס למבנה בדיקה דו צדדי של קירור כדי לראות האם קונפיגורציה דואלית יכולה לספק קירור עם ביצועים טובים יותר באריזה בעלת מימדים ממש דחוסים .

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

טכניקות בידוד תרמי חדשניות מביאות חיסונים למדינות העולם המתפתח

תוכנית Global Good של חברת Intellectual Ventures האמריקאית עבדה על טכנולוגיה חדשה בכדי להביא חיסונים לכל פינה בעולם. מתקן אחסון החיסונים הפאסיבי משתמש רק בגוש בודד של קרח ולא זקוק לחשמל ממקור חיצוני בכדי לאחסן תרופות בטמפרטורות נמוכות לתקופה של חודש שלם.
באזורים רבים של העולם המתפתח ישנה גישה מוגבלת מאוד לחשמל, ובמקומות רבים אין כלל תשתיות לאספקת חשמל. עובדה זו מעמידה אתגר גדול מאוד לדוקטורים ועובדי סיוע. עד ממש לא מזמן, חיסונים שהיה צריך לשמור בטמפרטורות נמוכות ויציבות לא היו יכולים להגיע לאזורים מנותקים בהם הכי צריך אותם. במסגרת תוכנית Global Good של חברת Intellectual Ventures, צוות של חדשנים המציאו מיכל המתפקד כמו תרמוס, אשר זכה לכינוי מתקן אחסון החיסונים הפאסיבי (מאח”פ) אשר עושה שימוש בבידוד בביצועים גבוהים במטרה לשנות לחלוטין את הדרך בה חיסונים מאוחסנים באזורים בהם החשמל מאוד מוגבל.

לעמוד בדרישות בטיחות מחמירות

אם לא שומרים אותם בטווח הטמפרטורות הרצוי במשך כל הזמן, החיסונים עלולים להתקלקל ולהפוך לבלתי שמישים. החוקרים בתוכנית היו חייבים להשתמש בפרמטרים שהוכתבו להם על ידי ארגון הבריאות העולמי. בכדי לעבור בצורה בטוחה, החיסונים חייבים להישמר בתוך חלון צר של בין 0 ל- 10 מעלות צלסיוס.
האבטיפוס הראשון שהחוקרים תכננו מבוסס על תרמוס קריוגני, מכשיר המסתמך על טכנולוגיה של ואקום ובידוד רב שכבתי בכדי לאחסן נוזלים קרים מאוד. תרמוסים המסוגלים להחזיק בד”כ חנקן נוזלי או חמצן נוזלי לתקופות זמן ממושכות יכולים להחזיק קרח רק לכמה ימים בטרם הוא נמס.

חוקרי Global Good ערכו ניסויים יחד עם מידול מערכות ואקום ותרמיות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics במטרה לאתר חומרים ועיצובים שונים אשר יאפשרו למאח”פ לשמור על רמות ואקום גבוהות בטמפרטורות גבוהות. כמו תרמוס קריוגני, המאח”פ מבוסס על בידוד רב שכבתי בתוך חלל ואקום בכדי לצמצם מעבר חום. הרמה הגבוהה של ואקום מנטרלת בצורה וירטואלית הולכה של חום והובלת גזים, בעוד הבידוד הרב שכבתי מוריד בצורה דרמטית את מעבר החום הקרינתי. הבידוד הרב שכבתי, אשר עשוי משכבות אלומיניום רפלקטיביות מאוד מאוד דקות, הוא זהה לחומרים שמשתמשים בהם בספינות חלל.

סימולציות של אחסון חיסונים בתנאים קיצוניים

החוקרים השתמשו בתא סביבתי המדמה את תנאי האקלים השוררים באפריקה שמדרום לסהרה במטרה לחקור בקפדנות ולהבין את ביצועיהם של אבי הטיפוס שלהם. למרות זאת, בניית אבטיפוס איכותי של תרמוס ואקום כרוכה במאמץ רב, לכן על מנת לחקור כיווני תכנון שונים בצורה יעילה יותר בטרם בניית אבטיפוס, הקבוצה פנתה ל- ®COMSOL Multiphysics ולמודולים של התוכנה, Heat Transfer Module ו- Molecular Flow Module ולעוד כמה נוספים. האתגרים שלהם כללו ביצוע אופטימיזציה לגיאומטריה הפנימית עבור מקסימום זמן של אחסון קר, שמירה על יכולת ואקום גבוהה יותר, ושליטה על שחרור הגזים בחלל הואקום. צמצום שחרור הגזים הוא קריטי, שכן אפילו כמויות ממוצעות של שחרור גז עודף בתוך חלל הואקום במהלך החיים של המאח”פ יכולות לגרום לואקום לאבד את האחדות שלו, דבר שיגביר את מעבר החום למכשיר.

בוצעה אופטימיזציה לגיאומטריה של המכשיר במטרה למקסם את זמן ההחזקה של החיסונים ובכדי שיהיה כמה שיותר נגיש לעובדי הבריאות בשטח. כקו הגנה ראשון נגד האלמנטים, החלק החיצוני של המתקן מכיל סוגר מתכת מרופד בבמפרים להגנה מגומי, בעוד החלק הפנימי של המאח”פ מכיל כונכיה קטנה המחוברת בחלקה העליון לחלק החיצוני עם תומכה. בשל עיצוב זה, מעבר חום מוליך יכול להתרחש רק בנקודת החיבור. בנוסף, רצועת תרכובת משמרת את חלל הואקום כך שאין כלל חדירה של גז מהאוויר שבסביבה.

לפי דבריו של דיויד גספרינו, אחד המהנדסים שהשתמשו ב- ®COMSOL בתהליך עיצוב המאח”פ, “COMSOL® Multiphysics הוא כלי אדיר להפחתת זמן העבודה על מודלים מסובכים”. בהמשך דבריו הוא ציין כי הם העריכו במיוחד “את העובדה כי בתוכנה הכל זורם ביחד בצורה פשוטה ואינטואיטיבית, וקל מאוד לבצע את הצימודים המולטיפיזיקליים החשובים”. הצוות מצא כי המגוון הרחב של מודולים הקיימים בתוכנה עוזר מאוד למציאת הפיזיקות המורכבות שהיו רלוונטיות לתהליכי המידול שלהם.

שיפור העיצוב של מתקן האחסון עבור הדורות הבאים

כתוצאה מהמחקרים הניסויים והתיאורטיים שנעשו אודות המאח”פ, המתקן מסוגל להשפיע משמעותית על כל נושא החיסונים בעולם המתפתח, להביא את החיסונים לאזורים מנותקים ולאפשר להם להיות מאוחסנים לתקופות ארוכות יותר ללא צורך בחשמל. במהלך הזמן Intellectual Ventures ישפרו את עיצובי מתקני האחסון שלהם בכדי להשאיר את החיסונים קרים תקופות נרחבות יותר עם יעילות מוגברת אף יותר. הצוות ימשיך לעבוד במטרה ליצור כלים פורצי דרך עם היכולת להציל חיים ברחבי העולם.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL

קירור אוויר דומם: גישה חדשה בצלעות קירור בזכות ®COMSOL Multiphysics

טאבלטים נכנסו בצורה חזקה מאוד לחיינו, ומשתמשים רבים ברחבי העולם מוצאים עניין בכל שלב בחיי היומיום בשימוש בטאבלטים דקים ונוחים לטובת בידור והנאה. טיפול בכמות נתונים רצינית, לעומת זאת, מצריכה שימוש בכוחו של מכשיר גדול יותר, וכאשר משתמשי טאבלט, שהיו רגילים לפעולת מכשיר שקטה, מדליקים notebook, או אפילו Ultrabook™ דק יותר, הדבר הראשון ששמים לב אליו הוא…רעש.

דרישה בסיסית של משתמשים המצפים לתוצאות אופטימאליות, הינה שהמכשירים שלהם לא יתחממו. במכשירים ניידים הדבר התבצע עד עתה ע”י מאוורר קטן, וכאשר מדובר על מכשירים דקים מאוד כמו טאבלטים, יחידת המאוורר הייתה נכנסת לתוך נישה במכשיר בגובה של 10 מילימטרים בלבד. בצורה כזו האפקטיביות של הקירור נפגמת כיוון שאין באמת מספיק מקום ללהבי המאוורר על מנת להסתובב ולקרר כמו שצריך. בניסיון לייצר טכנולוגיה של מאוורר שפועל מהר יותר, התוצאה בדרך כלל היא עוד יותר רעש.

חברת Tessera Technologies Inc. פועלת במשך חמש שנים במאמצים לפתח תחלופה דוממת למאווררים הרגילים. בראש צוות הפיתוח עומד נלס ג’ולס לרסן, אשר החל בתוכנית פיתוח עוד בהיותו סטודנט באוני’ וושינגטון. הורכב הצוות הטוב בעולם לטובת המשימה עם מומחים בתחומי מדע חומרים, תכנון מכני וחשמלי, צלעות קירור, וייצור בנפחים גבוהים. התוצאה היא השקתו של מוצר חדש המבוסס על טכנולוגיה פורצת דרך, בשם Tessera® Silent Air Cooling™.

קונספט זה הוא חדשני וזו הפעם הראשונה שנעשה בו שימוש. קירור אוויר דומם זה לא מאוורר, כיוון שאין לו להבים שמסתובבים ומזיזים אוויר. הוא משתמש בשדה חשמלי על מנת לייצר זרם אוויר. מתבצעת טעינה ודחיפה של מולקולות האוויר שמסביב, ובתהליך זה נוצר מומנטום שמייצר זרם אוויר מתמשך. הוא כולל את יישומו של זרם חשמלי בין שתי אלקטרודות, שמייצר שדה חשמלי גבוה מאוד ליד אחת מהן ונוצרים יונים של חנקן טעונים חיובית. כיוון שהשדה החשמלי לא משתנה עם הזמן, אין בכלל גלי לחץ, ולכן לא נוצר כלל צליל.

“סימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics הייתה בליבת פיתוח המוצר כיוון שהצוות היה צריך להתחשב באלקטרוסטטיקה, ייצור ותזוזה של מטען חשמלי, דינמיקות זרימה ומעבר חום. בחנו מספר אפשרויות, ורק ®COMSOL Multiphysics נמצאה כבעלת גמישות מובנית שהתאימה לנישה שלנו מאוד”. גוסטבו ג’וזף, מהנדס ראשי בחברה מרחיב: “כל חבילת תוכנה יכולה לדמות תנועת זורם או כוחות אלקטרוסטטיים בצורה עצמאית. מה שקשה מאוד לבצע עבורו סימולציה הוא ייצורם של יונים, המעבר שלהם בשדה חשמלי והכוח שנוצר במולקולות האוויר שהתוצאה שלהם הוא הזרם הקר הרצוי. ®COMSOL Multiphysics היא תוכנת רכיבי המדף הזמינה היחידה שמאפשרת לנו לבנות משוואות שלנו ולצמד אותם ליכולות התוכנה המובנות של דינמיקת זרימה ואלקטרוסטטיות.

החברה השתמשה ב- ®COMSOL Multiphysics כדי לתכנן את המנוע הראשי של הטכנולוגיה החדשה. היא ביצעה סימולציות של צורות וחומרים שונים, כדי להגיע לאופטימיזציה של הפרמטרים. התוצאה הסופית היא יחידה קומפקטית ואמינה שפועלת בפחות מ 15 דציבלים, שזה נמוך מסף השמיעה הממוצע.

 

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

חברת Miele מיקסמה את יכולותיו של דגם כיריים אינדוקציה בעזרת ®COMSOL Multiphysics

מעבדות Miele, המובילה העולמית במכשירי חשמל ביתיים, השתמשו בסימולציה ובגישת המולטיפיזיקליות, על מנת לשפר, לוודא ולייעל את דגם כיריים אינדוקציה, אשר מסוגל לנצל למעלה מ 90 אחוז מהאנרגיה שמושקעת בחימום אוכל. הסימולציה איפשרה ל Miele ליצור כיריים יותר מדויקים מכיריים גז, וכאלו שעדיין מספקים ניצול אנרגיה יעיל יותר.

בהתחלה כיריים אינדוקציה עוצבו בתהליך של ניסוי וטעייה, כאשר החוקרים הסתמכו על הניסיון שלהם לגבי ההערכה הראשונית של מה צריכים להיות התדר, גודל הסליל ותפוקת החשמל. התוצאות כל פעם השתנו עד שנצפה הביצוע הטוב ביותר שהפך לדגם הסופי. תהליך זה יכול להיות יקר מאוד וצורך הרבה זמן, והמהנדס נשאר בלי מידע מספיק כדי לדעת מה קורה במערכת, והאם התהליך אכן היה הכי יעיל.

“סימולציה מאפשרת להפיק מידע שאין שום סיכוי להשיג אותו בניסוי”, אומר שרודר, מעצב הכיריים אינדוקציה במעבדות Miele. “בעזרת סימולציה אפשר לקבל מושג טוב יותר לגבי מה מתרחש בתוך סליל או סיר, כך שאפשר לדעת מה צריך לייעל”. השימוש בתוכנת קומסול מולטיפיזיקס איפשר לצוות החוקרים של Miele למצוא את סט התנאים האופטימאלי עבור עיצוב הכיריים.

בתהליך בניית הכיריים נתקלו החוקרים באתגרים שונים, כאשר המרכזי היה, שהסליל של הכיריים ייצר שדה מגנטי שעשה רעש כאשר זרמים חשמליים עברו בסיר שהונח על הסליל. ע”י שימוש בסימולציה החוקרים מצאו את תדירות הזרם הנכונה ואת עיצוב הסליל המתאים, כך שיופק הכי פחות רעש. בזכות כלי הסימולציה של ®COMSOL Multiphysics החוקרים של Miele הצליחו לבנות כיריים שהם כמעט דוממים לאוזן האנושית.

כשהגיע הזמן לבחון את האבטיפוס, מהנדסי Miele התרשמו מאוד מהתוצאות שהם מצאו. “זה היה מדהים” אומר שרודר, “מצאנו כי התוצאות החזויות ע”י הסימולציות שלנו, היו בהתאמה גבוהה מאוד למדידות האבטיפוס שהוצגו, משהו שקורה לעיתים נדירות בתוכנות אחרות”. כיוון שהסימולציות שלהם הציגו בצורה מדויקת את ביצועיו של האבטיפוס, מעבדות Miele הצליחו לחסוך זמן פיתוח רב מאוד, ולצמצם ב 80% את מספר הניסויים שנזקקו על מנת לגבש את הדגם הסופי.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL