עיצוב ניהול תרמי לחלל ללבוש

הבנת אתגר החום ב-קומפקטיות

הדחף הבלתי פוסק לכווץ מכשירים לבישים תוך הוספת יותר חיישנים, כוח עיבוד וקישוריות יוצר פרדוקס תרמי: מתחמים קטנים יותר להפחית את פני השטח הזמינים לדחיית חום, בעוד שנקודות כוח גבוהות יותר מייצרות יותר חום לנפח.עבור מהנדסים, זה אומר כי ניהול תרמי הוא כבר לא לאחרת, אבל מעצמת עיצוב בסיסית המשפיעה ישירות על בטיחות המשתמש, חיי סוללה, שלמות, רגולציה, תאימות.

מכשירים לבישים כגון שעונים חכמים, צגים גלוקוז מתמשכים, שמיעות, ומשקפיים רבודה פועלים במגע ישיר עם עור טמפרטורות על פני השטח מעל 40-42 מעלות צלזיוס יכול לגרום לאי נוחות, כוויות, או תופעות ביולוגיות שליליות.בנוסף, טמפרטורות פנימיות מעל 85 מעלות צלזיוס עלולות לפגוע בביצועי סוללה, צומת מוליכים למחצה, או להאיץ כשל חיבור דביק.

תקני תעשייה כגון:0.IEC 62368-1IRLT:1 עבור אודיו / וידאו וציוד IT ו-FLT:2 ISO 13732-1FLT 3 עבור מגבלות טמפרטורה פני השטח לספק סף בטיחות בסיס, אבל כל מכשיר סביבת התפעולית - מטמפרטורות מתחרות של 40 מעלות צלזיוס במהלך הקיץ להשתמש ב 0 ° C במזג אוויר קר - חייב להיות אחראי על המעטפתגם תרמי.

עקרונות הליבה של עיצוב פסיבי

מכיוון שרוב המשקפיים מבטלים קירור פעיל, צוות העיצוב חייב להתמקד בשלושה עקרונות עצמאיים: צמצום דור החום במקור, למקסם את יעילות התפשטות החום בתוך המכשיר, ולייעל את הממשק התרמי בין המכשיר לעור של המשתמש או אוויר מבולגן.

מינימום של Heat Generation

הדרך היעילה ביותר לנהל חום היא לא לייצר אותו מלכתחילה.זה מתחיל עם בחירת רכיב: בחירת מיקרובקרים בעלי כוח נמוך (למשל, ARM Cortex-M סדרה עם מצבי שינה), ניהול חשמל יעיל ICs, ושפל טווח RF ירידה. דינמית מתח ותדירות (DVFS) יכול להפחית את צריכת החשמל במהלך idlele או נמוך דרישה, כמו גם ערימה של לחץ אווירי תיבות של 30 או ירידה של אבטחה אלחוטית - כמו טמפרטורות נמוכות.

עידוד חום מתפשט והתנהלות

ברגע שהחום נוצר, יש לבצע אותו ממקומות חמים לפני שהוא מצטבר.זה דורש חומרים בעלי מוליכות תרמית גבוהה (k) שניתן לשלבם בגיאומטריה הדקה והמתועקת האופיינית לאפשרויות לביש.

• (FLT:0)Graphite BradsFLT:1 (k up עד 1500 W / mK in-plane) - גמיש, קל משקל ויעיל להפצת חום על פני שטח גדול.
• (FLT:0) פולימרים מוליכים למחצה (k 1-20 W/mK) - מעוצבים לתוך מחסנים או ביצות פנימיות, לעתים קרובות מלאו תוספי קרמיקה או פחמן.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) [15] סרטי גלפנור (FLT:1) - מתפתחים כחלופה אולטרה-תלין עם מוליכים במטוסים המתחרה ביהלום.

יש להציב שכבות התפשטות חום ככל האפשר למקור החום (למשל, ישירות על גבי המעבד מת) ומחוברים למיסה תרמית גדולה יותר, כגון כריות סוללות או ממצע מתכת.השימוש ב-FLT:0thermal Interface MaterialsFLT:1 (TIM) - משטחים מבוססי סיליקון, חומרים שלב, או גרפיקות תרמיות - מבטיח כי זיהומים סטנדרטיים של תאים לא מתאימים ל- 0.22, עם עמידות לא ניתן למטרים.

אופטימיזציה של התחדשות חום לסביבה

גם עם התפשטות פנימית מעולה, החום חייב לעזוב את המכשיר.בלבושים, נתיבי דחיית החום העיקריים הם:

• (FLT:0)ConvectionFLT:1 to ambient air - משופרת על ידי זיהום טבעי (פיננסים, משטחים מרקמים) או, לעתים רחוקות, על ידי אוהדי מיקרו-מיניהטבע במכשירים בעלי ביצועים גבוהים.
• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) ניכוי העור של המשתמש 1FIRLT) - דרך מורכבת כי עור יש מוליכות תרמית נמוכה (0.2-0.5 W / mK) ודימום משתנה עם פעילות. a מפרק המקשר אזור עור גדול יכול לשמש כיור חום, אבל לחץ מגע ו (sweat) משפיעים מאוד על ההעברה.

מעצבים לעתים קרובות לדמות את הנתיבים האלה באמצעות דינמיקת נוזל חישובית (CFD) וניתוח סופי (FEA) בשלב הרעיון לזהות צווארי בקבוק ובדיקת הגיאומטריה ללא בניית אבטיפוס פיזי.כלי כגון:0 Ansys IcepakFLT 1 או FLT:2Smens FlomLT3 הם נפוצים באלקטרוניקה תרמית.

אסטרטגיות עיצוב עבור Ultra-Compact Enclosures

כאשר כל מ"ק נחשב, מהנדסים מסתמכים על כמה טקטיקות מוכחות כדי לשמור על ביצועים תרמיים ללא טביעת רגל מוגברת של המכשיר.

צינורות חום ו Vapor Chambers

בעוד צינורות חום מסורתיים הם עבה מדי עבור רוב העשבים (FirveLT:0)FujikuraphirFLT 1 ו-FLT:2Laird Performance MaterialsFLT 3 מציע תאים ריקים כמו 0.4 מ"מ שיכול להתפשט חום ממרחק חם קטן מעל 40×40 מ"מ מכשירים אלה משתמשים חום מאוחר של עבודה (בדרך כלל) כדי להשיג חום נמוך יותר, 000 / חום יעיל על פני שטח חום.

משולב לתוך מסגרת מתכת של שעון חכם, תא אדפור דק יכול לשמור את הטמפרטורה מעבד 10-15 מעלות צלזיוס נמוך יותר מפיץ נחושת מוצק של אותו עובי.

חומרים לשינוי בשלב (PCMs)

PCMs סופג כמויות גדולות של חום מאוחר בזמן התכה בטמפרטורה קבועה (למשל, 35-45 ° C עבור שעווה טפרמין לא עקבית או לחות מלח) בלחיצת, חבילת PCM קטנה (1–2 גרם) יכול לשמש כטבול תרמי כי עיכובים עלייה הטמפרטורה במהלך התפרצויות מהירות קצרות - כגון GPS מסלול או עיבוד וידאו.

המחקר ממשיך לפתח בדים וג'לים גמישים שניתן לשלב אותם ישירות בלהקות שעונים או לוחות אחוריים, המספקים נוחות ורגולציה תרמית.

שטף הסגולה

במקום לציין נפח נוסף לשקוע חום נפרד, מעצבים יכולים להשתמש רכיבי המתכת הקיימים של המכשיר - מגן הסוללה, שאסיס או רצועה - כמו כיור תרמי. לדוגמה, את לוחמת הבטל של שעון חכם כי מגע העור יכול להיות מחובר תרמי למעבד באמצעות TIM. גישה זו דורש בידוד זהיר כדי למנוע מעגלים קצרים וחייב חשבון עבור מתכות vulal כאשר הם disvicials.

מבנים פינים על רקע מתחם שעון ( ⁇ על ידי הלהקה) יכולים להגדיל את שטח פני השטח המאוחד על ידי 30–50% ללא תוספת של רוב גלוי. באופן חוקי, סנפירים לא מפונה של משתמשים כאלה אינם נחשבים פרופורציות ולכן אינם מפרים דרישות עיצוב תעשייתי.

מיקרו-Jet Imping Cooling

עבור בעלי יכולת גבוהה כגון ראשי מציאות מוגברת, אשר עשוי להתפזר 5-10 W בגורם בעל פה, קירור פסיבי לבד עשוי להיות לא מספיק. מיקרו-ג'ט חסימה - שבו מטוסי אוויר זעירים (0.2-0.5 מ"מ) מכוונים כתמים חמים - יכול להשיג יעילות גבוהה של העברת חום (200-500/mK) עם רמות זעירות מאוד של פחמן משולבות (Samc) עם רמות קירור נמוכות מאוד).

סימום ובדיקה בעיצוב Loop

יש לאמת את הביצועים הארוכים בשלבים מרובים של פיתוח המוצר מוקדם בשלב העיצוב, סימולציה תרמית מודלים המכשיר במצב אוויר חופשי ובתנאים דמויי עור, מצב גבול חשוב הוא האימפולס התרמי של הגוף האנושי: היד, המצח, או אוזן לכל אחד יש קצב היתוך שונה והתנגדות מגע.

לאחר שטיפוס אבטיפוס פיזי קיים, מהנדסים מבצעים את FLT:0 מיפוי מיפוי מיפוי מיפוי מיפוי של 1 ו-FLT:2infrared הדמיהFLT:3 תחת תרחישים הגרועים ביותר של עומס חומרים. Accelerated Life Testing at 45°C ambient יכול לחשוף בעיות אמינות לטווח ארוך כגון TIM השפלה, דביקות, או נפיחות עקב בניית חום פנימי של משתמשים עם תקינים של חום אנושי.

דוגמה מנייר 2022 שפורסם ב-FLT:0 (Applied Engineering thermal EngineeringFLT:1) הוכיח כי שעון חכם עם מדפסת גרפיט 0.8 מ"מ וכיס חומרי שינוי שלב שמר על טמפרטורת העור מתחת ל-38 מעלות צלזיוס במהלך מעקב GPS של 30 דקות, בעוד עיצוב בסיס (ללא קירור מיוחד) הגיע 42% במבחן זהה - ירידה משמעותית של 4 מעלות צלזיוס.

חומרים וטכנולוגיות מתפתחות

הדור הבא של עונדים מאומנים בחלל ירוויח ממספר חידושים כיום במחקר או בתחילת המסחר.

Cooling (TEC) Micropatches

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מתכת נוזלית TIM

מתכות נוזליות מבוססות גליום (למשל, Galinstan) יש מוליכות תרמית גבוהה מאוד (~30 W/mK) והם לא רעילים. כי הם נוזל בטמפרטורת החדר, הם מתאימים באופן מושלם משטחים גסים. Encapsulating אותם במחסנית סיליקון-רוב (כמו "תתתתתתמים") מונעים דליפות וסיכון קצר-כי הם כבר בשימוש בטלפונים חכמים.

גרפיטי גרף

קומפרסד קצף גרפיט (למשל, NeografTM) מציע מבנה תא פתוח המשלב מוליכות תרמית (~100 W/mK) עם דחיסות, המאפשר להם למלא פערים לא סדירים ולספוג הלם.הם יכולים להיות מתים - לסתום בכל צורה והם שימושיים במיוחד סביב ערכות סוללות מעוקלות או חיישניים רפואיים.

בטיחות, הכחשה ושיקולי המשתמש

מעבר לביצועים תרמיים טהורים, מעצבים חייבים לציית לסטנדרטים הבטיחותיים ולספק חוויית משתמש נוחה.המגבלות הממירות ביותר מגיעות ממכשירים רפואיים בעלי יכולת ללבוש (למשל, צג גלוקוז רציף או משאבות אינסולין), אשר חייבים לציית ל-FLT:0 ISO 1099303FLT:1 עבור ביו-התאמה של חומרים הקשורים לעור ו-FLT:2IEC 60-RIRFREP עבור ציוד רפואי בדרך כלל לא ניתן לטמפרטורה נמוכה יותר מ-41 דקות.

עבור עולי צרכנים, התחושה הסובייקטיבית של חום היא חשובה בדיוק כמו הטמפרטורה המוחלטת. מכשיר שמגיע 40 מעלות C במהלך אימון של 15 דקות עשוי להיות מקובל אם עליית הטמפרטורה הדרגתית, חומר הדיור יש עודף תרמי נמוך (למשל, להקה סיליקון הפיכה) מתכתי, לעומת זאת, יכול להרגיש חם באופן מסוכן באותה טמפרטורה כי הם עושים חום במהירות מהנדסים (S), במיוחד כדי להפחית את פני מתכת, בזמן שקועים על פני השטח, באופן ספציפי, כדי להפחית את חומר מתכת, כדי להפחית את פני מתכת, באופן ספציפי, כדי להפחית את חומר מתכת, כדי למנוע מתכת, כדי להפחית את זהה טמפרטורה מתכת, באופן ספציפי, כדי להפחית את זהה, כדי למנוע מתכת על פני השטח).

בטיחות סוללה

סוללות ליתיום-יון בלבושות הן לעתים קרובות המרכיב החמים ביותר במהלך הטעינה ואירועים גבוהים של טעינה.הבריחה הrmal יש למנוע על ידי שמירה על טמפרטורות תאים מתחת 60 מעלות צלזיוס (גבול בטוח צמיגים) ולהבטיח כי כל סוללת venting סוללות מופנה מהדף.הוספת שכבה של חומר אינפומסנט או פתי ליד הטרמינלים הוא אמצעי בטיחות נפוץ מוסמך בלעים.

מחקר מקרה: עיצוב תרמי של שעון חכם מודרני

שקול שעון חכם טיפוסי 45 מ"מ פועל אפליקציה רציפה לב ו- GPS מעקב אחר מערכת (SoC) dissipates -2.5 W במהלך GPS פעיל, הסוללות ב 1C (0.5 W חום), והמסך שואב 0.8 W. ללא ניהול תרמי, החלק החם תחת SoC יכול להגיע 95 מעלות עדיין אוויר.

• גיליון גרפיט 0.5 מ"מ מחובר ישירות ל-SoC ומרחיב את ה- מתכת.
• A 1.0 מ"מ משטח של שינוי שלב עבה (נקודת מפנה 4 ° C) תחת הסוללה כדי לספוג חום הטעינה.
• צינור חום נחושת בגודל 4 מ"מ מוטבע ברצועה השעון, מעביר חום מהגוף אל תוך מזחלת המתכת של הלהקה, הפועלת כקורן מתפתל.
• ניטור המrmistor בשלוש נקודות (SoC, סוללה, ממשק עור) כדי לעורר התכוטשות אם כל עולה על 80 מעלות צלזיוס.

בדיקות הראו כי לוחית העור מגע לא עלתה על 39 מעלות צלזיוס במהלך ריצה של שעה אחת ב 25 מעלות צלזיוס, ואת SoC הגיע לשיא של 72%C - ירידה של 2 ° C לעומת בסיס פסיבי בלבד.

המלצות עתידיות ל- Outlook ועיצוב

כמו מכשירים לבישים הופכים להיות דקים, חזקים יותר ויותר מבחינה רפואית, ניהול תרמי יישאר שונה קריטי.מעצבים צריכים לאמץ את התרגילים הטובים הבאים מההתחלה של פרויקט:

• לבצע סימולציות תרמיות במקביל לתכנון תעשייתי - לא לדחות ניתוח תרמי עד לאחר החלטות המתחם נקבעות.
• שותף עם ספקים מוקדם לקבל תכונות תרמיות מדויקות ונתונים ההזדקנות עבור TIMs, סרטי גרפן ו- PCMs.
• שקול את האקלים של משתמשי הקצה: מכשיר שעובד היטב באזורי מזג עלול להיכשל בתנאי טרופי או במדבר ללא דרות.
• תמיד לכלול מנגנון תרמי חומרה כרשת בטיחות, גם אם סימולציות מראות שוליים מספיקים.
• מבחן עם נבדקים אנושיים חיים תחת תרחישים שימוש מציאותיים (למשל, עור סוודר, יציבה מגוונת) כדי לאמת נוחות.

על ידי שילוב עיצוב תרמי לתוך הרעיון המוקדם ביותר סקיצות ומינוף חומרים מתעוררים כגון תאים דקים אדפור, PCMs גמיש, ו- נוזלי-מטאל TIMs, מהנדסים יכולים ליצור מכשירים לבישים שאינם רק קומפקטיים ומורכבים, אלא גם בטוח ונוח עבור כל היום ללבוש.

(ב) לקראת יתר (ב) ,ה-[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[[[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] [[[[[[1924]]]]