מערכות קירור חדשניות לביצועים גבוהים

בעיית החום ב- Robotics

מוצרי רובוטיקה בעלי ביצועים גבוהים מייצרים חום משמעותי במהלך המבצע, אשר יכול לפגוע פונקציונליות ולהפחית את תוחלת החיים.כפי שרובוטים הופכים חזקים יותר ואוטונומיים, מחשוב הגולגולת שלהם, חישה ומערכות ההפעלה לארוז תנודות כוח גוברות לתוך כאסאסים קומפקטיים.

מעבר להשפלה פשוטה, חום מופרז יכול לגרום לאי יציבות מערכת מיידית.הבריחה המילולית בסוללות, עייפות משותפת מכרה, ואלקטרומיגציה בסיליקון הם מצבי כישלון מנוהלים היטב.עבור רובוטים הפועלים ביישומים קריטיים - כגון סיוע כירורגי, תגובה אסון, או ייצור אוטונומי - כשל קירור יכול לעצור פעולות או ליצור סיכונים בטיחותיים.

מקורות של חום ב High-Performance Robotics

החום שנוצר רובוטיקה מקורו ממספר מערכות משנה נפרדות. Computation הוא מקור עיקרי: בינה מלאכותית מודרנית ובקרת זמן אמת מסתמכת על מעבדים רב-core שמציירים עשרות עד מאות מנועים חשמליים ואלקטרוניקה הכונן שלהם, במיוחד ב- lden או במהירות גבוהה ממניפולטורים, מייצרים חום והפסדי ברזל.

ברובוטים ניידים, נפח מוגבל של כיור חום ומעריצים עושה ניהול תרמי במיוחד מאתגר. Drones, למשל, חייב איזון בנייה קלה עם קירור הולם עבור בקרי טיסה ו- ESCs. בדומה, רובוטים אנושיים הפועלים במרחבים הכבושים בבני אדם לא יכולים להסתמך על מערכות קירור רועשות או גדולות שיפריעו לסביבה.

המונחים: inadequate Cooling

כאשר מערכות קירור נופלות קצרות, קו ההגנה הראשון הוא בדרך כלל תרמיל: מעבדים להפחית את מהירויות השעון לצריכת חשמל נמוכה, אשר ישירות מחיתולים ביצועים ועצלות.במשימות רגישות בזמן כמו לכידת או ניווט, להאטה זו עלולה לגרום מועדים פספס או להפרות בטיחות. חשיפה ממושכת לטמפרטורות גבוהות מאיצה מוליכים למחצה - כל 10 ° C מעל נשימות נורמליות של דרישות אלקטרו-זמניות קיצוניות, אך לא ניתן להפחית את הסיכון של מחזורי גבוה של תאים חשמליים או ירידה גבוהה.

הגבלות של שיטות קירור מסורתיות

טכניקות קירור קונבנציונליות שפותחו עבור אלקטרוניקה שולחנית או צריפים השרתים לעתים קרובות מתקצרים כאשר הם מוחלים על הרובוטיקה.המגבלות הייחודיות של גודל, משקל, תנועה, וסביבה פתרונות הדורשים מעבר לאוהדים ושקועים חום.

Air Cooling

האוהדים הם פשוטים וזולים, אבל הם דורשים נתיבי זרימה פתוחים כי הם לעתים רחוקות זמינים בתוך מתחם הרובוטים החתומה.באט, לחייף, או אטמוספירה נפץ, האוהדים הופכים לא מעשיים כי הם שואבים במזהמים.גם כאשר אנו יכולים, האוהדים לצרוך חשמל, לייצר רעש ורטט, וליצור נקודות כשל בשל העברת חלקים.

קירור נוזלי

מערכות קירור נוזליות מבוססות מים (לוחות קרות, משאבות, רדיורים) מציעים יכולת תרמית גבוהה אבל לסבול מרובם, משקל, וסיכוןים דליפות פוטנציאליות. המשאבה והמאגרי להוסיף מסה משמעותית, אשר בעייתי עבור אווירי או רובוטים ניידים יותר, את ההלחות ואת ההדבקות ניתן לטבול או degraded על ידי הלם מכני ורטציה טיפוסית של רובוטים לרגליים.

חום חולני

רק כיור חום מלוטש מסתמכ על זיהום טבעי וקרינה.ללא זרימת אוויר מאולץ, הביצועים שלהם מוגבלים לשטף חום מתחת ל 10-20 W/CM2. עבור אלקטרוניקה גבוהה, גובה פינט ונפח הופכים בלתי-מגביל.משטחים מורחבים גם להוסיף מסה ויכולים להפריע לטכנולוגיות.ביישומים הדורשים הגנה מפני התקפה (IP54 ומעלה), חום פסיבי חייב להיות מעוקל וחיצוני דרך דינמיקה נוספת, תוספת חום, תוספת חום, תוספת חום, תוספת חום, תוספת חום, הפחתת יעילות רבה יותר, וגמישות.

טכנולוגיות קירור חדשניות עבור Robotics

חידושים אחרונים שואפים להתגבר על מגבלות אלה על ידי הצגת שיטות קירור מתקדמות המותאמות לאלקטרוניקה הרובוטיקה.אלה כוללים חומרים שינוי שלב, חילופי חום מיקרו ערוצים, מכשירי קירור תרמואלקטריים, וטכניקות מתפתחות כגון תרסיס קירור צינורות חום.

שינוי חומרים (PCMs)

(PCMs סופג אנרגיה תרמית במהלך שלב מעבר (באופן חד משמעי מוצק לנוזל) ושחרר אותו במהלך הגשמה.זה מספק אפקט קירור פסיבי עם יכולת חום מאוחרת גבוהה - לעתים קרובות 150-250 J / g עבור שעווה פרפין או מלח hydrates. PCMs הם משקל, שקט, יכול להשתלב לתוך מתחמי חום או ציפויים סטנדרטיים כדי לספוג ספייק חום עבור רובוטים קצרים.

מיקרו ערוצים ל-Hy Exchangers

מיקרו-ערוצי חום משתמשים במערך של ערוצים יפים (100-1000 מיקרומטר הידראולי) כדי להגדיל את שטח פני השטח עבור העברת חום אחידה. על ידי אילץ קריר דרך מעברים צרים אלה, coefficients יכול להגיע 10-50 קילוואט / m2K, הזמנות של גודל גבוה יותר מאשר חומרים הנדסת חשמל סטנדרטיים (predit) שלהם פונקציונליות גבוהה רובוטיקה: מיקרו-ערוצית קר יכול להיות פחות מ 5 מ"מ"מ"מ"מ, אך ורק מכמה חומרים סטנדרטיים של חומרים סטנדרטיים.

Coolers (TECs)

קרירים גמישים מנצלים את אפקט השכבה: כאשר זרם זורם דרך צומת של שני חומרים דיסימיים, חום נספג בצד הקר ו נדחה בצד החם. TECs הם מצב מוצק, שקט, קומפקטי, ויכול להשיג בקרת טמפרטורה מדויקת - אידיאלי עבור חיישנים או דיודות לייזר רובוטיקה.

Spray & Jet Imping Cooling

קירור Spray משתמש טיפות קנס של נוזל דיאלקטרי כי מתאמת במגע עם משטחים חמים, השגת גלי חום של 100-1000 W /cm2. Jet מעכב זרם נוזלי בשפע גבוה על פני השטח, גם השגת טמפרטורות גבוהות מאוד של פחמן 2 יכול לחקור עבור מעבדים רובוטיים גבוהים ואלקטרוניקה כוח.

צינורות חום ו Vapor Chambers

צינורות חום וחדרי אדפור הם שני מכשירים פאסיבית כי להעביר חום על מרחק ללא משאבות. מיכל חתומה עם מבנה וויק ומדפי נוזל עבודה בקצה החם ו condens בקצה הקר, חוזר נוזל דרך חלקי נוזל גמישים מאוד על פני שטח צינור חם יותר, אבל הם יכולים להיות דק (3-5 מ"מ עבור תא Vapor) ו מעוצבים כדי להתאים רובוטיים או רפויציה בטווח יעיל יותר של צינורות חום.

אתגרים ופתרונות

שילוב של כל טכנולוגיה מתקדמת קירור רובוט דורש שינויים מסחר זהירים.מהנדסים חייבים לשקול את מחזור החובה של הרובוט, המעטפה התפעולית, ועלות. עיצובים מוצלחים משלבים טכניקות מרובות - לדוגמה, PCMs עבור שיאים טרנספורמטיביים, מיקרו ערוצים לעומס בסיס, ואת תא Vapor להפצת חום.

חלל ומשקלים Constraints

כל דקדוק נוסף רובוט - במיוחד מטוס או לרגל אחד - מקטין עומס או סיבולת. מערכות קירור חייב להיות קל משקל וקומפקטי. PCMs יש יכולת ספציפית משקל טובה (אנרגיה לק"ג), אבל מוליכות תרמית ירודה; זה יכול להיות משופר על ידי הוספת קצף מתכת או גרפן מיקרו-ערוצי חום עשויים אלומיניום או נחושת פחות מאשר חום קונבנציונאלי של עמידות מקבילה; זה יכול להיות משופר על ידי הדפסה מורכבת (D) אשר מאפשר הדפסה חשמלית (D) אשר מאפשר קירור 3D רגיל יותר ויותר.

אחריות בסביבה החריפה

רובוטים פועלים לעתים קרובות בחשיבה, אבקה, רטובה, או אגרסיבית כימית הגדרות.מערכות קירור חייבות לשרוד עומסי הלם, תנועה רציפה וטמפרטורות קיצוניות. קירור פעיל עם משאבות ומעריצים מציג ללבוש מכני; מערכות פסיביות כגון צינורות חום, PCMs, ו-TECs הם בעלי עוצמה רבה יותר. חסימת הלולאה קירור כולו נגד תוקפנות היא חובה עבור דירוגים IP67 ומעלה.

מערכות ניהול חכמות

במקום מערכת קירור סטטית, הרובוטיקה המודרנית יכולה להפיק תועלת מניהול תרמי פעיל שמתאים לתנאים בזמן אמת. Embedded טמפרטורה חיישנים (thermocouples, RTDs, או אינפרא אדום) להאכיל נתונים לבקר המנוצב קבוצות כוח קירור: הגדלת משאבה, עלייה של מערכת PCM ממיסת, או התאמת מהירות המעריצים.

בסביבה הקרובה של Robotics Thermal Management

ככל שטכנולוגיית הרובוטיקה מתקדמת, מערכות קירור יתחכמות יותר ויותר עם שילוב של חיישנים חכמים, בקרה הסתגלותית וחומרים חדשים.המטרה אינה רק להסיר חום, אלא גם לעשות זאת ביעילות, בשקט, ועם משקל מינימלי.

ננו-חומרים ו-Comosites Advanced

חומרים מבוססי פחמן כגון גרפן ו- פחמן ננו-רשתות מציעים התנהגות תרמית מעל 3000 W / mK, הרבה מעל נחושת -400 W / mK. Incorporated לתוך חומרי ממשק תרמיים (TIM) או כציפויים, הם יכולים להפחית באופן דרסטי את התנגדות מגע. Boron nitride ננוtubes ו-enhanced פולימרים מפותחים גם כן.חומרים אלה יכולים להיות מוחלים כמו סרטים דקים (1- 10) כדי לשפר את רמות חום, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם חומרים מתקדמים, כמו גם חומרים נוגדי חום.

הסתגלות וחיזוי מגניב

מערכות קירור עתידיות יהיו משולבות הדוקות עם מערכת הבקרה של הרובוט.שימוש במודלים תרמיים ומיזוג חיישן, הרובוט יקצץ באופן דינמי משאבים קירור המבוססים על מסלולים, תנאים נוחים, ועדיפות המשימה.לדוגמה, מזל"ט המבצע תמרון בעל תמרון מהיר גבוה עשוי להקצץ קירור המנוע על מחשוב, בעוד שבמהלך משימה מרחף, מחשוב הופך לגישות הסתגלותיות ראשוניות כאלה יכול להאריך את חיי ה- CFO המודרניים.

השראה ביולוגית Cooling

הטבע מציע פתרונות אלגנטיים לניהול תרמי תחת מגבלות הדוקות.מימיקה את מערכת הדם האנושית, החוקרים מפתחים רשתות קירור "מרוסות" בתוך מבנים רובוטיים באמצעות חומרים מקודשים אשר משאירים מאחור microערוצים. insect-inspired micro-heat צינורות צינורות ו- plant-transpiration-like evaporative קירור נחקרים גם כן.

מסקנה

מערכות קירור חדשניות חיוניות לדור הבא של רובוטיות ביצועים גבוהים. על ידי אימוץ טכנולוגיות מתקדמות כגון שינוי שלב חומרים, חילופי חום מיקרו ערוצים, קירור תרמואלקטרי, צינורות חום, מהנדסים יכולים להתגבר על האתגרים של התפוגות חום המגדירים ביצועים ואמינות.הפיתוח המתמשך של ניהול תרמי חכם, ננו-חומרים, ועיצובים בהשראת ביולוגית יאפשרו רובוטים לפעול ביעילות בסביבה מגוונת ותובענית יותר, כדי להמשיך לפתח מערכות מתקדמות יותר של טכנולוגיות מתקדמות של עיצובים, כמו גם מודלים מתקדמים, כמו גם מודלים מתקדמים של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות, כמו גם מודלים מתקדמים של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות של מערכות מתקדמות של סוללות.