חיישנים מחוץ לריד משחקים תפקיד קריטי ניטור סביבתי, מעקב אחר נכסים תעשייתיים, ומחקר מדעי על פני כמה מהאזורים המרוחקים והבלתי חוקיים ביותר של כדור הארץ, בין אם הם פרוסים ביערות הגשם הצפופים, במדברים עקשניים, קפי קרח עמוקים, או נביחות האוקיינוס העמוקים, מכשירים אוטונומיים אלה חייבים לפעול באופן אמין במשך חודשים או שנים ללא התערבות אנושית.

החשיבות של Cooling for Off-Grid Sensors

רכיבים אלקטרוניים מדורגים בדרך כלל לפעול בטווח טמפרטורה מסוים, לעתים קרובות בין -20 מעלות צלזיוס ו +70 מעלות צלזיוס עבור חלקי כיתה תעשייתי, חלון צר יותר עבור חיישנים בעלי דיוק גבוה יותר. חיישנים מחוץ לריד לעתים קרובות לפעול בקיצוניות של טווח זה.בשמש ישירה, מתחם פלסטיק שחור יכול להגיע לטמפרטורות פנימיות מעל 80 מעלות צלזיוס, בעוד בלילה באותו המדבר, הטמפרטורה עשויה לרדת מתחת ל-0 מעלות צלזיוס, שינויים מוקדמים יותר, לחץ, לחץ דם, מיד, ממתחים מהירים יותר, ממתחים, ממתחים, ומפעילים מתקדמים, ממתחים מתקדמים, ומתאים מתקדמים, משפיעים על טמפרטורה, באופן מיידי, באופן מיידי, ממתחים של תאים מורכבים של תאים מורכבים של תאים מורכבים, ממתחים של תאים מורכבים, וממריצים, לחץ דם, לחץ דם, לחץ דם, באופן מיידי, לחץ דם, לחץ דם, באופן מיידי, לחץ דם, לחץ דם, באופן מיידי, ממתחים מורכבים, ממתחים של תאים מורכבים, ממתחים מורכבים, לחץ דם שחור, ממתחים מורכבים, ממושכים יותר, ממתחים מורכבים, ממתחים מורכבים, משפיעים על פני 80 מעלות צלזיוס, על פני 80 מעלות צלזיוס, באופן מיידי, משפיעים על פני 80 מעלות צלזיוס, באופן מיידי, לחץ דם, לחץ

ביצועי סוללה הם עוד דאגה גדולה. Lithium-ion ו- alkaline תאים סובלים אובדן קיבולת מואצת בטמפרטורות גבוהות.לדוגמה, סוללה ליתיום-ion מאוחסנים ב-40 מעלות צלזיוס לשנה אחת יכולה לאבד עד 35% מהיכולת שלה, בהשוואה ל-5% בלבד ב- 25 מעלות צלזיוס, מאחר שחיישנים מחוץ ל-grid מסתמכים לחלוטין על סוללות לוח סולאריות או לוחות סולאריים קטנים, כל עלייה בטמפרטורה פנימית באופן ישיר מקצרת את החיים התפעוליים ומאובטחים, אך לא רק בתנאי שמרכיבים אלה לא יעילים כמו סוללות טרנזירים.

יתר על כן, חיישנים רבים מחוץ לריד נמצאים בהקשרים שבהם איכות הנתונים היא רבת ערך.עבור מחקרים מדעיים, מעקב חיות בר או ניטור זיהום, אפילו סחף מדידה קטנה יכול לערער את המסקנות שנמשכות משנים של נתונים שנאספו.פתרונות קירור ששומרים על סביבה פנימית יציבה להפחית באופן דרמטי את סחף החריצות ולשפר את יכולת ההחזר של קריאה.יציבות זו חשובה במיוחד עבור חיישנים גבוהים כמו חיישנים אקולוגיים (מערכות אקולוגיות), וחיישנים לטווח ארוך), ובדיקות אוויריות, ורשתות לטווח ארוך, וספורט), ובדיקות אוויריות, וספורט ארוך, ורשתות לטווח ארוך, ואוויר, ואוויר, שימוש בטמפרטורות ארוכות טווח, ועדכונים בשימוש.

אתגרים בפיתוח פתרונות קירור נמוכים

המגבלות של פריסה מופרעת שונות באופן יסודי מאלה במעבדה או מרכז נתונים מבוקר אקלים.כל פתרון קירור חייב לעמוד במספר קריטריונים תובעניים:

  • (FLT:0) מגבלות: FLT:1 שיטות קירור פעילות מסורתיות כגון קירור Vapor-compression או סטיות תרמואלקטריות גדולות יקרות באופן בלתי חוקי עבור רוב יישומי החיישן, אשר לעתים קרובות יש עלויות יחידות מתחת כמה מאות דולרים.מערכת הקירור עצמה לא צריכה להיות העלות הדומיננטית.
  • (FLT:0) צריכת חשמל: חיישנים רבים מסתמכים על לוחות סולאריים קטנים (5-20 W) וסוללות עם יכולת מוגבלת.מערכת קירור שמושכת יותר מכמה מאות מילימטרים בממוצע יכולה לנקז את הסוללה מהר יותר ממה שניתן לטעון מחדש, ובכך להביס את מטרת התחנה האוטונומית.
  • (FLT:0Weight and size:FLT:1 Off-gridחיישנים לעתים קרובות פרוסים על ידי מל"ט, תרמיל, או סירה קטנה.bky קירור assemblies להגדיל את הקושי הפריסה ואת העלות הלוגיסטית.
  • (FLT:0) אחריות ואמינות: FLT:1ir חיישנים מרוחקים עשויים להיחשף לאבק, לחות, רטט וחיות בר. Cooling רכיבים עם חלקים נעים (עננים, משאבות) או אלמנטים שבריריים (תרמופוני זכוכית) נוטים להיכשל על פריסות מרובות שנים עם תחזוקה אפסית.
  • (FLT:0) הסתגלות סביבתית: FIRLT:1) שיטת קירור שעובדת באווירה חמה, יבשה עשויה להיות יעילה ביער טרופי חממה או בסביבה קטנונית קפואה.
  • (FLT:0) הפיכה תרמית: FLT:1 Heat שנוצר בתוך מתחם חייב להיות מועבר ביעילות לתכנון תרמי עני, כגון שימוש בפלסטיקים לא מוליכים לדיור, יכול לשלול אפילו את הטכנולוגיה הטובה ביותר קירור.

להתגבר על אתגרים אלה דורש הנדסה יצירתית המנצלת עקרונות של תרמודינמיקה, מדעי החומרים ואלקטרוניקה בעוצמה נמוכה. למרבה המזל, כמה גישות חדשניות יצאו כי להכות איזון בין ביצועים ועלות.

גישות חדשניות ל Cooling

חוקרים ומהנדסים חקרו ספקטרום של אסטרטגיות קירור, החל מפסיביות לחלוטין (ללא קלט אנרגיה) ועד מערכות פעילות בעוצמה נמוכה.למטה הן הקטגוריות המבטיחות ביותר, כל אחת מהן עם כוחות משלהן ונקודות מסחר.

ניהול פסיבי

קירור פסיבי הוא הגישה האטרקטיבית ביותר עבור חיישנים מחוץ לריד כי הוא לצרוך אפס כוח נוסף.השיטה הפשוטה ביותר היא לצרף כיור חום מתכתי - אלומיניום זמני או נחושת עם סנפירים - למרכיב החמים ביותר בתוך המתחם ולזוג תרמי זה לפגז החיצוני.הקונפורציה הטבעית של האוויר על חום פי פי finsipates.עם זאת, ללא מחסנים, פנימי, הוא חייב להיות מוגבל ישירות על ידי תנועה זוחלת או חום.

טכניקה פסיבית מתקדמת יותר משתמשת בעיקר תרכובות מתוכננות עם צינורות חום משובצים. צינורות חום הם צינורות נחושת חתומה המכילה כמות קטנה של נוזל עבודה (למשל, מים או אצטון) כי נפיחות בקצה החם ו condenes בקצה הקר, ביעילות העברת חום עם כמעט ללא ירידה טמפרטורה. הם יכולים להיות אמינים מאוד (לא חלקים נעים) והובלת חום של 100 או יותר חם עכשיו עבור חטיפה חיצונית.

קירור רדיטיבי הוא טכניקה פסיבית הדוחקת חום לתוך השמיים הקרים דרך חומר פולט קרינה תרמית בחלון אטמוספרי 8–13 μm, תוך השתקפות של קרינה סולארית.ההתפתחויות האחרונות יצרו קרקרים המבוססים על פולימרנים זולים שיכולים להשיג טיפות טמפרטורה תת-עממית של 5-10 מעלות צלזיוס תחת אור שמש ישיר.

שינוי חומרים (PCMs)

בשלב זה חומרים לספוג או לשחרר חום מאוחר כאשר הם מתמסים או מוצק, מתנהג כמו buffer תרמי. עבור חיישנים מגזימים, שעווה פרפין, לחות מלוחים, או חומצות שומן משמשים בדרך כלל. PCM הוא הכלול ב pouch או encapsulated במטריקס ומניח מגע תרמי עם אלקטרוניקה חלקה של החיישן, במהלך החלק החמים ביותר של היום, MM הוא נספג בטמפרטורה, ללא ספוגה, חום.

היתרון העיקרי של הקירור PCM הוא המעבר והעלויות הנמוכות שלה - שעווה ברמה מסחרית עולה פחות מ 5 $ לקילוגרם. מתחם חיישן טיפוסי עשוי לדרוש רק 50-200 גרם של PCM כדי לשמור על טמפרטורת פנים יציבה למשך מספר שעות. downsides כוללים את קיבולת החום הכוללת המוגבלת (על היתוך לחלוטין, PCMten כבר לא מספק קירור) ואת הצורך להתאים את נקודת ההיתוך עבור 45 מעלות צלזיוס הרצויה, כמו גם כדי להיות מחלף עם רמת הפחתת חום.

עבור סביבות קיצוניות, PCMs מרובים עם נקודות התכה שונות ניתן לשכב כדי ליצור אפקט קזנטק. לדוגמה, שכבה ראשונה עם נקודת התכה נמוכה (30 מעלות צלזיוס) מטפל חום מתון, בעוד שכבה שנייה עם נקודה נמס גבוה יותר (50 מעלות צלזיוס) מופעל במהלך טעינה סולרית שיא. תצורה של Multi-PCM הוכח בניסויים בשטח בסהרה, שמירה על טמפרטורות פנימיות בתוך טמפרטורות בתוך טמפרטורות גבוהות יותר של 70 מעלות צלזיוס על פני השטח החיצוני.

אווה מגניבה

קירור אווה מקטין את החום המאוחר של vaporization: כאשר מים (או נוזל אחר) מתאמת, הוא סופג חום משמעותי מסביבתו. שיטה זו יעילה במיוחד באקלים חם, יבש עם לחות יחסית נמוכה. עיצובים פשוטים כרוכים צלחת קרמיקה ⁇ או חומר וויקלינג (למשל, תחושה או בד) כי הוא רווי במים.

אין צורך בכוח חיצוני אם אספקת המים היא חומרת כבידה ומחזור אוויר מונע על ידי רוח טבעית או על ידי מעריץ קטן, סולארי מופעל.עם זאת, צריכת מים יכולה להיות גורם מגביל.קר טיפוסי יכול להשתמש 0.5-2 ליטר ליום בסביבה המדברית, אשר עשוי להיות מקובל אם החיישן ממוקם ליד מקור מים עונתי או יש מאגר גדול.

גרסאות מתקדמות להשתמש hydrogels או superabsorbent פולימרים שיכולים להחזיק מאות פעמים משקל שלהם במים, לשחרר אותו לאט עבור evaporation. חומרים אלה זולים ויכולים להשתלב ישירות לתוך עיצוב המתחם. עבור חיישנים מחוץ לגדריד בשדות חקלאיים צחיחים או מערכות אקולוגיות יבשות, קירור evaporative מציע סחר משכנע בין פשטות וביצועים, עם הפחתת של 15-20 מעלות צלזיוס במבחנים דיווחו.

Cooling (Peltier מכשירים)

הקררים הירומאלקטריים (TECs) משתמשים באפקט השכבה כדי להשמין חום מצד אחד של המכשיר לשני כאשר זרם DC הוא מיושם.הם הם חזקים, קומפקטיים, ואין להם חלקים נעים, מה שהופך אותם אמין באופן טבעי.היסטורי, עומס TECs כבר יותר מדי כוח-hungry ויקר עבור חיישנים נמוכים מ-grid.

האתגר המרכזי הוא צריכת חשמל. A טיפוסי 40×40 מ"מ TEC שואב בערך 3-6 A בשעה 12 V כאשר פועל בקיבולת מלאה, שהוא גבוה מדי עבור חיישן מופעל סוללות. למרבה המזל, חיישנים לעתים רחוקות זקוקים ל קירור פעיל מתמשך. גישה היברידית משתמשת תרמוסטט המפעילה את ה- TEC רק כאשר הטמפרטורה הפנימית עולה על סף, ולאחר מכן רק במחזור נמוך.

כמה פרויקטים של טייס הצליחו לפרוס חבילות חיישן TEC-A במדבר Mojave וב-Cretundras הארקטי, המוכיחים כי קירור פעיל יכול להיות מעשי אם משולב בזהירות עם אלמנטים פסיביים.עתיד השימוש TEC בחיישנים מחוץ ל-grid נמצא בהפחתה מתמשכת עלות ופיתוח של מעגלים של נהגי אולטרה-עוצמה שיכול לשלוט ביעילות על הלולאה קירור.

רדיטיבי Sky Cooling

כאמור, קירור קורנטיבי דוחה חום דרך החלון האטמוספרי אל החלל החיצון, שהוא כמעט מושלם כיור חום ב -3 K בפועל, קריינים רדיואקטיביים ממונדסים סרטים רב-שכבות שמשקפים אור השמש ונפלטים בחזקות ב- 8-13 μm. פריצות דרך האחרונות יצרו סרטי פולימרים אולטרה-ת'ין (50 מיקרומטר) שניתן לייצר בקנה מידה נמוך יותר מ-1 דולר למטר יכול להיות מ- 1 מ- 1 מ- 1 מ- 1 ל- מחסנים.

בשילוב עם משקף סולארי (משטח לבן או אלומיניום פשוט), סרט קירור קורנטיבי יכול לשמור על טמפרטורת חלל פנימי 5-15 מעלות צלזיוס מתחת מתחת למעום תחת אור השמש הישיר, ללא צריכת חשמל.זהו משתנה משחק עבור חיישנים המופעלים על ידי השמש כי חייב לפעול במהלך היום.המגבלה העיקרית היא כי הטכניקה פועלת בצורה הטובה ביותר תחת שמים ברורים; או ענן מחליש את ההשפעה, למרות זאת, עבור תחנות רבות, ניטור וריד, הפך בחירה גבוהה, קריירה, קריירה, הפך.

מחקרים ותיקון שדה

פתרונות קירור זולים עברו ממעבדות אבטיפוס לפריסות בעולם האמיתי.דוגמה בולטת אחת היא פרויקט תחנת מזג האוויר של תחנת מזג אוויר (FLT:1) המנוהל על ידי אוניברסיטת קולורדו.חוקרים מצוידים חיישנים סביבתיים על buoys במצר ברינג עם שילוב של כיור חום פסיבי ושינויים חומרים.

במדבר הנגב, צוות מאוניברסיטת בן-גוריון בדק קרירה מתפתלת שנעשתה מסיר טרייר וגביע כותנה.הסיר הוצב מעל אלקטרוניקה החיישן בתוך מתחם מאוורר.עם מאגר מים של 1.5 ליטרים, המערכת שמרה על הפנים ב 32%C בעוד טמפרטורות מקוטבות הגיעו 45 מעלות צלזיוס.

המעבדה למניעה של נאס"א ג'ט (NASA Jet Propulsion LaboratoryFLT:1) חקרה גם קירור תרמואלקטרי עבור חבילות חיישן עמידות על מאדים, אם כי בשלב גבוה יותר על פני כדור הארץ, הספיןאוף שלהם מותאם לניטור דבש באקלים חם, שבו מודול TEC קטן המשיך לשמור חיישנים יציבים ב-35 מעלות למרות טמפרטורות חיצוניות של 45 מעלות צלזיוס, המערכת רץ על פאנל של 5 W ו סוללת 7 פחות מסולריקה.

קירור רדיטיבי נבדקה באופן נרחב על ידי חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, לוס אנג'לס, אשר פרסו חיישני לחות קרקע אלחוטיים בשדות חקלאיים בעמק המרכזי של קליפורניה, החיישנים שוכנו במכלולים שטופלו עם סרט קריר יותר רדיואקטיבי. בהשוואה למתחים מבוקרים צבועים לבנים, יחידות קרירות הרדיוגנטיות שמרו על טמפרטורות פנימיות 8 מעלות צלזיוס נמוכות בממוצע במהלך יום, מה שמוביל לירידה של 30% בגירסת סוללות והשגת הנתונים ממושכים.

מחקרים אלה מראים כי פתרונות קירור זולים אינם רק אפשריים, אלא יכולים לשפר באופן משמעותי את אמינות החיישן ואת איכות הנתונים.הצעד הבא הוא סטנדרטיזציה ולהגדיל את הטכנולוגיות הללו ברשתות חיישן גדולות יותר.

כיוונים עתידיים ואינטגרציה

העתיד של קירור חיישן מחוץ לריד נמצא באינטגרציה האינטליגנטית של שיטות פאסיביות ונמוכות כוח פעיל. מתחם חיישן הדור הבא עשוי לשלב קריר יותר קורנטיבי על פני השטח העליון, לוחות PCM על הצדדים, חום בשילוב עם TEC קטן להגדלת פעיל במהלך אירועים קיצוניים, ומיקרובקר המנטרן את ה-TEC בהתבסס על טמפרטורה וסוללה של מטען כזה יכול להשיג כוח עודף באמצעות צריכת חום או קיבולת אווירית עם עודף.

חומרים מדע ימשיך להפחית עלויות.מחשבים דיגיטליים שמקורם בשמן צמחי, טקסטיל קירור גמיש, וסרטים תרמואלקטריים מודפסים על תת-שכבות זולות הם כל תחומי המחקר הפעיל.הופעתו של ייצור FLT:0additive Manufacturing (3D) הדפסה לאחור 1 מאפשר גם עבור מבנים קירור מותאם אישית - כגון חום מכוערת-טופס ומכלים מבוססי-MAC - שניתן יהיה לדרוש פריסה ספציפית על גבי סוללות גיאומטמות.

כיוון חשוב נוסף הוא שילוב של קירור עם העברת נתונים.לדוגמה, אותו צינור חום כי מגניב את החיישן ניתן להשתמש כדי לרתום את ההבדלים בטמפרטורות עבור אנרגיה מתפתלת באמצעות גנרטורים תרמואלקטריים (TEGs) זה יכול לספק כמות קטנה של כוח נוסף חיישן, תוך כדי פיזור עלות האנרגיה של העברת נתונים אלחוטית.חלק מקבוצות מחקר עכשיו מעצבים שילוב של קירור-וכוח כי לנהל עומסים במקביל להאריך את החיים הסוללה.

פרוטוקולי בדיקות סטנדרטיים והנחיות עיצוב נדרשים גם הם.ארגונים כגון ה-FLT:0 (IEC) פרוטוקולים והנחיות עיצוב סטנדרטיות (IEC) IRFLT:1 ו-FLT:2Institute of Electrical and Electronics Engineers (IE)FLT 3: מתחילים לפתח סטנדרטים עבור אמינות סביבתית בתנאים קיצוניים, אשר יסייעו ליצרנים לאמץ שיטות טובות לניהול תרמי.

לבסוף, יוזמות חומרה בקוד פתוח מורידות את המחסום לכניסת פלטפורמות כמו:0ArduinoveFLT:1 ו-FLT:2Seeed StudioFLT 3 מציעות כעת ערכות סביבתיות שמגיעות עם המלצות קירור בסיסיות, אך שינויים מונעים על ידי הקהילה יצרו שיפורים קירור מתועדים - כגון הוספת משחת נחושת או צבע קורנטיבי - אשר ניתן לשכפל באמצעות מדפסת תלת-ממדית או מדפסת תלת-ממדית.

מסקנה

פיתוח פתרונות קירור זולים עבור חיישנים מחוץ לריד הוא אתגר הנדסי הדורש איזון ביצועים, עלות, כוח ואמינות.שדה עבר מעבר למושגים תיאורטיים, עם טכניקות מוכחות מרובות - כיור חום פסיבי, חומרי שינוי שלב, קירור evaporative, קירור תרמואלקטרי, וקירור השמיים רדיואקטיביים - להיות פרוס ברשתות ניטור בעולם האמיתי.

ניהול טמפרטורה אמין מתורגם ישירות לחיים של חיישן ארוך יותר, איכות נתונים טובה יותר, ועלויות תחזוקה נמוכות יותר - כל הגורמים הקריטיים להרחבת רשתות החיישן החשופות באזורים מרוחקים ורגישים לסביבה.ממבורים הארקטיים ועד לחקירות אדמה במדבר, טכנולוגיות קירור אלה מאפשרות למדענים ולמהנדסים לאסוף נתונים בעלי נאמנות גבוהה לאורך תקופות ארוכות, בסופו של דבר לשפר את ההבנה שלנו של שינוי, ניהול טבעי, ודינמיקה של מערכת אקולוגית מאוחרת, אך לא רק עם חיישנים זולים, אלא גם עם חיישנים לא יהיו בעלי יכולת מדידה בריאה, אלא גם עם חיישנים, אלא גם עם חיישנים, אלא גם עם חיישנים.

לקריאה נוספת על טכניקות וחדשנות ספציפיות, ראה את נייר התקשורת הטבע על חומרים קירור קורנטיביים בקנה מידה 1, FLT:2Energy & סקירה במדעי הסביבה של חומרים לשינוי חומרים עבור אלקטרוניקה FLT 3, ואת המאמר חיישנים FLT:4MDPI על קירור דל כוח נמוכה במכשירים:5 חומרים סביבתיים.