החשיבות הגוברת של ניהול הירומל באלקטרוניקה

אלקטרוניקה לבישת עברה הרבה מעבר לדלפק צעד פשוט. מודרני שעונים חכמים, מעקבי כושר, צגים בריאות, ומשקפיים משופרים של המציאות לארוז כוח חישובי לתוך חבילות קטנות יותר וקלות יותר. זה מיניטור, בשילוב עם קישוריות תמיד על ומערך גדל של חיישנים, יוצר פתרונות חום משמעותיים, בניגוד מכשירים גדולים יותר כגון טלפונים חכמים, ללבוש חייב לנהל אנרגיה אסתטית תוך מגע אינטימי עם העור, לעתים קרובות, כמו ביצועים מופחתים, כמו גם כן, כמו ביצועים דרמטיים, כמו ביצועים, כמו ביצועים.

אתגרים ייחודיים לניהול לביש

מגבלות של גורמים בעלי צורה עוטה מציבות אתגרים תרמיים שלעתים נדירות נראים באלקטרוניקה צרכנית אחרת.שלוש סוגיות מפתח שולטות: מגבלות חלל קיצוניות, אינטראקציה תרמית עם הגוף האנושי, והביקוש לגמישות מכנית.

חלל ומשקלים Constraints

מכשירים לבישים בדרך כלל יש כרכים פנימיים של רק כמה סנטימטרים מעוקבים, משאירים מקום קטן עבור כיור חום מסורתי, אוהדים או חומרי ממשק תרמי עבים.כל מילימטר של עובי מוסיף לנפח המכשיר, מה שהופך אותו פחות מושך ללבוש.מהנדסים חייבים להשתמש בחומרים מוליכים גבוה ביעילות, לעתים קרובות שילוב מסלולים תרמיים לתוך רכיבי המבניים של המכשיר, כגון המקרה או התצוגה.

מגע עור ונוחות

בניגוד לסמארטפון שנערך ביד או ממוקם בכיס, לביש לחץ ישירות נגד העור.הנציבות האלקטרונית הבינלאומית (IEC) ותקני ISO לטמפרטורת מגע העור להגדיר גבולות כדי למנוע כוויות וחוסר נוחות - באופן זמני מתחת 41 מעלות צלזיוס ליצירת קשר מתמשך. Exceeding סף זה יכול לגרום לכאב, אריתמה, או אפילו כוויות נמוכות.

גמישות ושקיפות

רבים מהבשים המתעוררים, כגון בגדים חכמים, כתמים רפואיים ולהקות חיישן גמישות, דורשים תת-שכבות ורכיבים שיכולים להיות nd, למתוח, ולעמוד על הגוף.חומרי ניהול תרמיים מסורתיים - כמו אלומיניום או כיור חום נחושת - הם בלתי מתאימים.מהנדסים חייבים לעבוד עם מפיץ חום גמיש (למשל, סרטים גרפיטי, בדים מצופים), חומרים תרמיליים או מינרלים, ואפילו חסימת טקסטיל נמוכה נשאר ללא הדבקה.

מקורות של חום במכשירים לבישים

הבנה היכן וכיצד החום נוצר היא הצעד הראשון בניהולו.לבושים מכילים בדרך כלל מספר תת-מערכות חום-ייצור:

  • (FLT:0) מעבדים ומיקרו-בקרים: ההרחבה: 1:1 שבבי מחשוב Core, כגון ARM Cortex-A או RISC-V מבוסס SoCs, לייצר כתמים חמים מרוכזים.אפילו מעבדים בעלי כוח נמוך יכולים לפרק עשרות מ"טאטים עד כמה מאות מילימטרים, אשר כאשר מוגבל לקטן יכול לייצר חום גבוה.
  • (FLT:0)ensors and MEMS:FLT:1 Accelerometers,gyroscopes, צגים אופטיים לב-ראט, וחיישנים סביבתיים פועלים לעתים קרובות ברציפות. בעוד כוח חיישן בודדים נמוך, את התוספים המשולבים שלהם תורם לטעון תרמי הכולל, במיוחד בעת נהיגה LEDs או לייזרים.
  • (FLT:0) מודולי תקשורת אלחוטיים:FLT:1 BLE, Wi-Fi, LTE ו- NFC רדיו יכולים להעלות את הכוח במהלך השידור. BLE לבד יכול להגיע לשיא ב 10-20 mW, אבל מודולים סלולריים ב שעונים חכמים עמידים עשויים לעלות על 1 W, מה שגורם לטמפרטורה מהירה עולה.
  • (FLT:0Battery טעינה וניתוק: LITHFLT:1 סוללות ליתיום-פוחיות לייצר חום עקב התנגדות פנימית. טעינה מהירה יכולה להעלות את טמפרטורת הסוללה במספר מעלות, ושחרור גבוה בזמן (למשל, מעקב GPS) מוסיף לטעון חום.
  • (FLT:0) Power Management ICs ו-מתח רגולטורים: אנדרטור: ריצוף 1 (Kerpher) , מחסנים של ניהול ICs ו- ICs; הרגולטורים של ניהול כוח הם יעילים יותר אך עדיין מייצרים הפסדים.

מטרות ניהול יעיל

פתרון תרמי מעוצב היטב חייב לספק מספר רב, לפעמים סותר, דרישות:

  • (FLT:0Userנוחות: ⁇ FLT:1) פני השטח העור חייבים להישאר מתחת 39-41 מעלות צלזיוס במהלך שימוש טיפוסי, אפילו תחת עומסים כבדים או חום מתפתל.
  • (FLT:0) הגנה אחראית: טמפרטורות צומת 1:1 עבור ICs צריך להישאר בתוך מפרט היצרן (לעתים קרובות 85-105 ° C) כדי למנוע נזק מתפוגג או קבוע.
  • (ב) טמפרטורות סוללות 1:1 (FLT) צריך להישאר מתחת 60 מעלות צלזיוס במהלך הטעינה וניתוק כדי להימנע מריצה תרמית ויכולת להיעלם.
  • (FLT:0) מכלול ההסגרה: FLT:1 התקנים כי פולשים בשל חימום יתר של משתמשים פרוסטוראטים.בהתחשב אפשרויות קירור מוגבלות, מעצבים חייבים להקצות בזהירות תקציבים תרמיים לפונקציות חיוניות.
  • (FLT:0) אינטגרציה אסתטית ומכנית: FLT:1 פתרונות התרמומליים לא צריכים להוסיף עובי מופרז, משקל או עלות, וחייב להיות משותף עם חסימת מים, אנטנה וחלונות אופטיים.

פתרונות קירור פסיביים ללבושות

קירור פסיבי – שאינו משתמש בחלקים נעים או באנרגיה חיצונית כדי להסיר חום – הוא הגישה המועדפת על לבישים בשל אמינות, פעולה שקטה וצריכת חשמל נמוכה.

חומרים מוליכים

בחירת חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה היא האסטרטגיה הפסיבית הבסיסית ביותר.הבחירות נפוצות כוללות:

  • (FLT:0Graphene וסרטים גרפיטי: ⁇ 1) דק, קל משקל וגמיש, חומרים אלה ניתן להפליג על פני השטח הפנימיים כדי להפיץ חום מאוחר יותר. מוליכות תרמית בתוך מטוס יכול לעלות על 2000 W / mK עבור גרפן, הרבה יותר מ 400 W / mK של נחושת, חברות כמו GrafTech ו Panasonic להציע גרפן גרפיטי במיוחד עבור אלקטרוניקה דק.
  • (FLT:0) קובצי אלומיניום ואלומיניום: FLT:1 מתכות מסורתיות נשארות יעילות עבור אזורים קשיחים. מפיצים חום קופר ניתן להטמיע ולקשור ל- PCBs או מגינים. אלומיניום הוא קל יותר ולעתים קרובות בשימוש ב casingsings.
  • (FLT:0) פולימרים מוליכים למחצה: FIRLT:1 תמלאו עם קרמיקה (בורון ניטריד, אלומיניום) או סיבי פחמן, אלה פלסטיק ניתן לעצב לתוך צורות מותאמות אישית.הם מציעים מוליכים תרמיים של 1-20 W / mK - נמוך יותר מאשר מתכות אבל מספיק כדי לגשר פערים ולפעול כמו אלמנטים מבניים.
  • (FLT:0) Vapor Cells:FLT:1ir Ultra-thin vapor Cells (ב-0.6 מ"מ עבה) זמינים כעת עבור טלפונים חכמים וכמה עונדים.הם משתמשים בהעברת חום דו-זמנית כדי להפיץ חום במהירות על פני אזורים גדולים כמו Cooler Master ו- Aavid פיתחה תאים זעירים למכשירים קומפקטיים.

אופטימיזציה לפירוק חום

מעבר לחומרים, הפריסה של המכשיר עצמה יכולה לשפר את הקירור הפסיבי:

  • (FLT:0) Heat מתפשט דרך ה-Assassis:cioFLT:1) שימוש במגזים מתכת, כיסויי גב, או להציג מסגרות כמו מפיץ חום. עבור שעונים חכמים, המקרה המתכתי יכול לשמש כקרין, אבל טיפול חייב להיות נלקח כדי להימנע כתמים חמים שבו המקרה מגעים העור.
  • (FLT:0) Thermal Throughs and buried נחושת מטוסים:BuildFLT:1 ב- PCBs, מערךים של דרך להתחבר שבבים מתחמי חום למטוסי קרקע או כיור חום.
  • (FLT:0) עיצוב של לכידת:FLT:1hiling מרכיבים חמים גבוהים ליד אזורים עם זרימת אוויר גבוהה (למשל, הצד של שעון שבו האוויר נע במהלך הליכה) או הרחק מגע עור.
  • (FLT:0 טיפולים למניעה: ⁇ 1) צ'אדטה אפלה מסתיימת להגדיל את פליטת אינפרא אדום, שיפור העברת חום קרינה.פולנית מתכת קורנת בצורה גרועה; ציפויים או צבע מחוסנים יכולים להגביר את היטליות מ- 0.2 עד 0.9.

גבולות של קירור פסיבי

בעוד שיטות פסיביות הן חיוניות, יש להם גבולות.בלבוש חתומה, עמיד למים ללא זרימת אוויר ואזור משטח מינימלי, דחיית החום המקסימלית ל-Ambient היא לעתים קרובות מתחת ל- 1-2 מכשירים עם עיבוד כוח מתמשך (למשל, AR משקפיים עם מצלמות מרובות ותצוגה בהירה) עשויים לעלות על הסף, הזנחה קירור פעיל.

פתרונות מגניבים ל Wearables

קירור פעיל משתמש באנרגיה כדי לשפר את הסרת החום.היסטורי, זה נמנע ללבושים עקב רעש, צריכת חשמל, גודל. עם זאת, מיניור של מעריצים, משאבות, ומכשירים תרמואלקטריים הפכו את הכדאיות לקצת פרמיה או לבישים מיוחדים.

אוהדים

ההתקדמות במערכות מיקרו-אלקטרוניקה (MEMS) יצרה מעריצים רק כמה מ"מ עבה.לדוגמה, מכופות המיקרו של Murata יכולים לספק זרימת אוויר ללא להבים גדולים.מעריצים אלה יכולים להשתלב בתוך חריצים האוורור של משקפיים חכמים או לתוך רצועת שעון חכם כדי להפיץ אוויר על פני חור חום.

Coolers (TECs)

מכשירים Peltier משתמשים אפקט Peltier כדי לשאוב חום מצד אחד לשני.Miniature TECs, עם אזורים של כמה מ"מ רבועים, יכול לקרר כתמים חמים מקומיים על ידי 5-15 מעלות צלזיוס מתחת ambient. t-film TECs (<0.5 מ"מ) נמצאים כעת זמין מסחרית ויכול להיות מוטבע בין שבב לבין חום מתפשט.

קירור נוזלי

למרות נדיר, כמה כיבשים ניסיוניים משלבים לולאות קירור מיקרו-השפעהיים. ערוצים דחוסים לסיליקון גמיש או מתכת להפיץ נוזלים דיאלקטריים או אפילו מים. משאבות (piezoelectric או אלקטרומגנטי) זרימה של קירור נוזלי מציע יכולת חום גבוהה אך מוסיף מורכבות, משקל, סיכונים דליפות פוטנציאלי.זה נשאר בעיקר במחקר מעבדה ומוצרים נישה, כגון ⁇ או חליפות exosle.

טכנולוגיות מתפתחות ומגמות עתידיות

מספר גישות חדשניות מבטיחות להתגבר על המגבלות של שיטות נוכחיות ולפתוח ביצועים גבוהים יותר בעתיד ללבוש.

שינוי חומרים (PCMs)

PCMs לנצל את החום המאוחר של התכה לספוג ספייקים תרמיים ללא עלייה בטמפרטורה. כאשר המכשיר מייצר פרץ קצר של חום (למשל, במהלך טעינה מהירה או מעקב GPS בעוצמה גבוהה), מחשב משולב בתוך המכשיר יכול לספוג חום זה, מעכב את עליית הטמפרטורה. Common PCMs לשימוש לביש כוללים שעווה paraffin (מגובה 30-45) ומלחים שפותחו לעתים קרובות עבור חלבונים מטבוליים.

Cooling אלקטרוקלאורי

טכנולוגיה מוצקה מתפתחת, חומרים אלקטרוקלאוריים (למשל, פולימרים ferroelectric או קרמיקה) לשנות טמפרטורה כאשר שדה חשמלי מוחל.קררים אלקטרוקלאוריים יכול להיות דק, גמיש, ופוטנציאל יעיל יותר מאשר TECs. חוקרים הוכיחו אבטיפוס כי נקודה קרירה על ידי כמה מעלות במכליות.

צינורות חום גמישים ו- Vapor Chambers

צינורות חום הם שני מכשירים פסיביים של שתי נקודות כי יכול להעביר חום פעמים רבות יותר מאשר מנצחים מוצק. צינורות חום גמישים חדשים להשתמש שרוף או מציצים מבנים כדי לאפשר לכופף. חברות כמו Celsia ו Furukawa פיתחו צינורות חום שניתן לקפל לתוך חללים הדוקים, מה שהופך אותם מתאימים משקפיים חכמים ומכשירים מעוותים כף יד.

ננו-חומרים ו-Comosites

מעבר גרפן וגרף, החוקרים בוחנים את מערך צינורות פחמן, גרף מויישר אנכי, ובורון ניטרד ננוגליונות.חומרים אלה יכולים להציע התנהגויות תרמיות מעל 10,000 W / mK בכיוון אחד, המאפשרת מהירויות חום יעילות מאוד.שילוב אותם לסרטים דקים, דבקים, או תרכובות סירטינג יכולים לשפר באופן דרסטי חום ללא משקל.

פתרונות ביו-שאפוטיביים והתאמה

הטבע מספק השראה לניהול תרמי.יש חוקרים מפתחים "עור מלאכותי" עם מיקרו ערוצים משובצים שזורם נוזל כדי לחקות הזיעה האנושית. A Startup שנקרא Ember (לא חברת החיישן) הראו אבטיפוס המשתמש מנגנון של evaporation דמוי זיעה כדי לקרר מערכת הסתגלות אחרת להשתמש בחומרים פונקציונליים משתנים שמשנים מצב בתגובה לטמפרטורה, באופן אוטומטי להגדיל את ההעברה החום במידת הצורך.

שיקולים עיצוביים מעשיים

יישום פתרון תרמי דורש שילוב זהיר מרמת הרכיב ועד לרמת המערכת.

חומרים ממשקיים (TIM)

אפילו המפיץ החום הטוב ביותר הוא חסר תועלת אם יש פער תרמי בין השבב לבין המפיץ. TIMs למלא פערים אוויר מיקרוסקופיים כדי להפחית את ההתנגדות התרמית. עבור לבישים, TIMs חייב להיות דק (50-200 מיקרומטר), יש מוליכות תרמית גבוהה (2-10 W / mK), ולהיות תואם עם תת-שכבות גמישות.

שילוב עם מעגלים גמישים

עבור עונדים גמישים (למשל, להקות חכמות או כתמים אלקטרוניים עור), ניהול תרמי חייב להיותנד למתוח.זה אזור מחקר פעיל.פתרונות כוללים הטמעת עקבות מתכת גלי מתכת שפועלים כמו מפיץ חום, באמצעות מתכת נוזלית (Galinstan) במיקרו ערוצים, או הפצת חום על פני שטח גדול עם סיבים תרמיים.

בדיקות ואימות

בדיקות חריפות של לביבש שונות מזו של שיטות אלקטרוניקה גדולות יותר כוללות:

  • חישוב המכשיר על משטח עור מדמה עם טמפרטורה מבוקרת והתנגדות תרמית (ISO 13732 עבור מגע פנים חם).
  • שימוש בתרמוגרפיה אינפרא אדום כדי למפות טמפרטורות פני השטח במהלך תרחישים הגרועים ביותר.
  • טמפרטורות פנימיות עם thermocouples מוטבעות במהלך prototyping.
  • סימולציות CFD לנבא התנהגות תרמית ואופטימיזציה של מיקום לפני בניית חומרה.

מבט קדימה: הדור הבא של עונדים

כמו טכנולוגיה לבישה מתפתחת לחוויות יותר ממושכות – כגון ראשי מציאות מורחבים, צג גלוקוז מתמשך, וטקסטיל חכם כי כפול כמו חיישני בריאות - המגבלות התרמיות יהפכו אפילו יותר הדוקים. AR משקפיים, למשל, חייב לנהל חום ממצלמות מרובות, תצוגה של פתרונות ברזולוציה גבוהה, מעבד חזק, וסטרימינג אלחוטי, ללא מתפעל למשתמש.

בגדים חכמים מציגים את מערך האתגרים שלו: שחיקה, גמישות ושטחי פני השטח גדולים.ניהול תרמי מבוסס טקסטיל באמצעות סיבים מתכתיים, סיבים ממוזגים PCM, או אפילו מרקי קירור רדיואקטיביים (שמשקפים קרינה אינפרא אדום מהגוף) הוא שדה פעיל.עבור עונדים רפואיים מושתלים, חום חייב להיות מנוהל על ממשק המכשיר-לא-מחץ כדי למנוע רשלציה; חומרים ביולוגיים ונמוכים הם עיצובים נמוכים.

מסקנה

ניהול תרמי כבר לא מחשבה מאוחרת באלקטרוניקה לבישת - זה מארגן הגדרה עיצוב המכשיר, ביצועים וקבלת משתמשים. הפתרונות הטובים ביותר מעסיקים שילוב של חומרים מתקדמים, פריסה חכמה, ולפעמים רכיבים פעילים, המותאם למקרה השימוש הספציפי וגורם הצורה.ממפיצים גרפין למזער צינורות חום וקירור מוטיב, תיק הכלים של המשך כדי להרחיב את המהנדסים החדשים ולהפחית את החומרים המזינים תמיד, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים העתידיים, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים, תוך כדי לחץ על ידי מנועי ביצועים קצרים יותר, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים, תוך כדי לספק את החומרים המשתנים, תוך כדי , תוך כדי , תוך כדי ציפייה לחוויות מתמריצים מתקדמים יותר, תמיד לצפות שמשתמשים תמיד לצפות שמשתמשים תמיד לצפות לחוויות מתמריצים מתקדמים יותר, בעוד שתמיד לצפות שמשתמשים מתקדמים יותר, תוך כדי , 000 של חומרים מתקדמים יותר, 000 של חומרים מתקדמים, תוך כדי , תוך כדי לחץ על ידי שימוש חוזר על ידי שימוש חוזר על ידי מנועי ניקוי גבוה יותר, בעוד משתמשים חדשים של חומרים מתקדמים, בעוד שתמיד צפויים להפעיל את החומרים המשתנים, בעוד שמשתנים, בעוד שתמיד לצפות לחוויות מתמריצים, בעוד משתמשים חדשים של חומרים מתקדמים,