Uzay tarafından kullanılan Giyime Dayanıklılık Yönetimi
Table of Contents
Kompakt Giyimables'daki Heat Challenge'ı Anlayın
Daha fazla sensör, işleme gücü ekleyerek, yıpranmış sürücüyü daraltmak için sürekli olarak çalışır: daha küçük muhafazalar ısı reddedilmesi için mevcut yüzey alanını azaltır, daha yüksek güç kesintileri birim hacmine daha fazla ısı üretirken. mühendisler için, bu, termal yönetim artık kullanıcı güvenliğini etkileyen temel bir tasarım kısıtlaması değildir, batarya hayatı, sinyal bütünlüğü ve düzenleyici uyumluluk anlamına gelir.
Akıllı gözlemler, sürekli glukoz monitörleri, duyumsal gözlükler, ve artırılmış-reality bardaklar deri ile doğrudan temas halinde çalışır.40-42°C üzerindeki yüzeyler rahatsızlıklara, yanıplara veya olumsuz biyolojik etkilere neden olabilir. Ek olarak, 85°C'nin üzerindeki iç sıcaklıklar batarya performansına, hasar yarı iletkenlerine güvenebilir veya yapıştırıcı bağı başarısızlığına hızlanır.
Endüstri standartları:0)IEC 62368-1 ses / video ve IT ekipmanları ve [[Dönetici:2)ISO 1373[2-1) için yüzey sıcaklığı limitleri temel güvenlik eşleri sağlar, ancak her cihaz çalışma ortamı - yaz aylarında 0.10C'nin hava durumu için kullanımı - termal tasarım zarfında dikkate alınmalıdır.
Pasif Termal Tasarım Prensipleri
Çoğu giyilebilir, aktif soğutmayı ortadan kaldırır, tasarım ekibi, üç bağımsız ilkeye odaklanmalıdır: Kaynakta ısı üretimi, cihaz içinde yayılan ısı verimliliğini maksimize etmek ve kullanıcının derisi veya ortamı havası arasındaki ısı arayüzü optimize etmek.
Minim Sıcaklık
Sıcaklık yönetmek için en etkili yol ilk etapta üretmek değildir. Bu, bileşen seçimi ile başlar: düşük güç mikrokontrolleri (örneğin, kablosuz küme ile birlikte, verimli güç yönetimi ICs ve düşük parlaklık RF cephesi gibi) sabit hız ve frekans ölçeklendirme (DVFS) aynı zamanda düşük seviyeli mikro kontrol sistemleri seçmek için güç tüketimi azaltır. Aynı şekilde, üst düzey optimizasyonlar - örneğin, kablosuz çatıdaki şarj cihazı veya ekran yenileme oranları - 30-50 azaltılabilir.
Enhancing Heat spreading and Plantion
Bir kez ısı oluşturulursa, toplandığından önce sıcak noktalardan uzak yapılmalıdır. Bu, yüksek termal iletkenlik (k) ile entegre edilebilir, eğri geometriler tipik aşınmaz. Ortak seçimler içerir:
- [FONT:0]Graphite çarşafları [Döntilmiş: 1] ( 1500 W /m·K'ya kadar) - esnek, hafif ve büyük bir alana yayılan ısı için etkili.
- [FONT:0) Katı iletken polimerler [[Dönemli 1] (k 1-20 W/m·K) - Ödevler veya iç para kazanılabilir, genellikle seramik veya karbon katkılarıyla dolu.
- [0]Copper veya alüminyum folyo [[Döntilmiş: 1) · ucuz ama kilo ekleyin ve elektrik izolasyonu gerektirebilir.
- [FONT=0]Graphene filmleri[Dönemli filmler[Dönetici:0)[Döneticileri ile ultra-thin alternatifi olarak ortaya çıktı.
Sıcaklık yayılımı katmanları, ısı kaynağı için mümkün olduğunca yakın olmalıdır (örneğin, doğrudan işlemcinin üst kısmında) ve batarya şasi veya metal orta büyüklükteki boşluklar gibi daha büyük bir termal kütleye bağlı olmalıdır.
Ortam için optimize ısı rejeksiyonu
Mükemmel içsel yayılma ile bile, ısı cihazı terk etmelidir. Giyilebilir, birincil ısı reddedilme yolları şunlardır:
- [FONT:0]Yeryüzü havasına [Dönüşüküme: 0:1) - doğal konveksiyon (fins, dokulu yüzeyler) veya nadiren, yüksek performanslı cihazlardaki mikro-miniature hayranlar tarafından geliştirilir.
- [FONT:0]Radiation[[[Dönetici:0)[[Dönetici:0)[[Döneticileri yüksek izinli kaplamalarla boyamak veya matt-kara muhafazaları kullanmak.
- [[Düzg:0) Kullanıcının derisine Giriş[Dönetici: 0,8-0.5 W/m·K) ve kan perfüzyonu, büyük bir cilt alanı ile temasa geçen bir ısı batağı olarak hareket eder, ancak iletişim basıncı ve nez (bizat) büyük ölçüde etkiler.
Tasarımcılar genellikle bu yolları hesaplamalı akışkan dinamikleri (CFD) ve sonlu uygulama analizi (FEA) ilk olarak şişeleri tanımlamak ve fiziksel prototipler inşa etmeden test etmek için konsept aşamasındadır.
Ultra-Compact Enclosures için tasarım stratejileri
Her metre milimetresi sayıldığında, mühendisler, artan cihaz ayak izi olmadan termal performansı korumak için birkaç kanıtlanmış taktike güveniyor.
Gömülü Heat Pipes ve Vapor Chambers
Geleneksel ısı boruları çoğu aşınma için çok kalın ([Dönetici:0)Fujikura) ve [[Dönetici:2)Laird Performans Malzemeleri) 40 ×40 mm'nin üzerindeki küçük bir yerden ısıyı mümkün olduğunca ince sunar. Bu cihazlar, ısının geç ısısını kullanır (genellikle su) ısının diğer bir şekilde, 10.000- 20,000-000-000-000-000-x aralığında etkili ısı iletkenliği elde eder.
Akıllı bir saatin metal orta boyutuyla bütünleşik olarak, ince bir buhar odası işlemci sıcaklığı 10-15°C aynı kalınlıktan sağlam bir bakır yayıcısından daha düşük tutabilir.
Faz Değiştiri Malzemeleri (PCMs)
PCMs sabit bir sıcaklıkta (örneğin, 35-45 °C) biyolojik uyumlu paraffin balmumu veya tuz hidratlar için) bir aşınmada (yaklaşık% 10-20) gecikmeli bir şekilde, küçük bir PCM paketi (yaklaşık% 10-20), kısa vadede sıcaklık artışına hizmet edebilir - GPS-tracking aralığı veya video işleme gibi. PCM sızıntılarını önlemek için enkapsöre edilebilir.
Araştırma, esnek PCM-embedded kumaşlar ve jeller geliştirmek için devam ediyor, doğrudan grup veya arka plakaları izlemek, hem konfor hem de termal düzenleme sağlamak.
Yapısal ısı Lavaboları
Otomatik bir ısı batağına ekstra hacmi göstermek yerine, tasarımcılar cihazın mevcut metal bileşenlerini kullanabilir - batarya kalkanı, şasi veya çöp buckle - örneğin, paslanmaz çelik arka plakası, deriyi temasa geçiren akıllı bir gözlem için, bu yaklaşım kısa devreleri önlemek için dikkatli elektrik izolasyonu gerektirir ve galvanik korozyon için kontakt metaller için hesap gerekir. Örneğin, paslanmaz çelik arka plaka.
Bir saat muhafazasının alt tarafında Fin yapıları (grup tarafından saklanan) görünür toplu eklemeden% 30-50 oranında konvektif yüzey alanını artırabilir. Yasal olarak, bu tür kullanıcı olmayan fins pro Attacks olarak kabul edilmez ve böylece endüstriyel tasarım gereksinimleri ihlal edilmez.
Micro-Jet Soğutmayı Etkiliyor
Yüksek güç, artırılmış gerçeklik kafaları gibi giyilebilir ürünler için, bu da 5-10 W'yi bir kafa üstü formda bir form faktöründe ayırabilir, sadece pasif soğutma yetersiz olabilir. Micro-jet impingement - küçük hava jetleri (0.2-0.5 mm çapında) sıcak noktalarda yönlendirilebilir - yüksek ısı transferlerini elde edebilir (200-500 W/m2·K) çok düşük akış oranları ile birlikte.
Tasarımda Termal Simülasyon ve Test
Isı performansı, ürün geliştirmenin birçok aşamasında doğrulanmalıdır. Tasarım aşamasında, ısı simülasyon modelleri cihazı ücretsiz hava ve onküm koşullarda.T:0IEC 623681[FLT: 1) standart, insan vücudunun termal olarak imkansızlığıdır: her biri, elvez, ya da kulak pinna sahiptir.
Fiziksel bir prototip var olduktan sonra, mühendisler 45°C çevresindeki en kötü görüntü testlerini gerçekleştirirler. TIM bozulması, yapıştırıcı yumuşatma veya pil şişme iç ısı inşa edilmesi nedeniyle.İnsan-subject testleri (Dönetici) küçük bir panel ile tasarımdaki uygun fiyatlı yaşam testleri 45°C ortamının gerçek dünya kabul edilebilirliği ile doğrulanabilir.
180 mm grafikli ped ile akıllı bir gözlemin ve bir faz değiştirmiş malzeme cebi 30 dakikalık bir GPS izleme oturumu sırasında cilt arayüzü ısısını tuttu, bir temel tasarım (özel soğutma) aynı testte 42°C'ye ulaştı - klinik olarak anlamlı 4°C azaltımı.
Gelişen malzemeler ve teknolojileri
Bir sonraki uzay destekli giyilebilir nesil, şu anda araştırma veya erken ticarileşmede birkaç yenilikden faydalanacaktır.
Termoelektrik Soğutma (TEC) Micropatches
Mikro boyutlu sağlam termoelektrik soğutucuları (örneğin, www.g., [[0)Phononic[D:0) veya [[Dönetici:2)Marlow Industries) şu anda elektrik kullanan bir yerden ısınabiliyorlar (örneğin, bir PCM ile bir TEC ısıtılabilir ve 1-2 mm kalınlığı gerektirir, ancak incefilm TECs (0.1 mm kalın) şu anda kullanılabilir.
Sıvı Metal TIMs
Gallium bazlı sıvı metaller (örneğin, Galinstan) son derece yüksek termal iletkenlik (~30 W/m·K) ve oda sıcaklığında sıvı oldukları için, onları kaba yüzeylere mükemmel bir şekilde uygun hale getirirler.
Esnek Graphite Köpük
Komedilen exfoliated grafiklerite köpükler (örneğin, NeografTM) termal iletkenliği birleştiren açık hücreli bir yapı sunar (~100 W /m·K) sıkıştırılabilirlik ile, düzensiz boşlukları doldurmalarına ve şok etmelerine izin verir.
Güvenlik, Düzenleme ve Kullanıcı-Örnek Tahminleri
Saf termal performansın ötesinde, tasarımcılar güvenlik standartlarına uymalı ve rahat bir kullanıcı deneyimi sunmalıdır.En sıkı sınırlar tıbbi giyilebilir cihazlardan gelir (örneğin, sürekli glukoz monitörleri veya insülin pompaları), tıbbi giyilebilir cihazlar için uygundur.
Tüketici giyilebilirler için, sıcaklık öznel hissi sadece mutlak sıcaklık kadar önemlidir. 15 dakikalık bir egzersiz sırasında 0.10C'ye ulaşan bir cihaz, ısının kademeli ve konut materyalinin düşük ısıtıcılığı (örneğin, metal, bir silikon grubu) için kabul edilebilir olabilir.
Battery Termal Güvenlik
Kurunlu bataryalar genellikle şarj ve yüksek ücretli olaylar sırasında en sıcak bileşendir. Termal runaway 60°C (tipik güvenli limit) altındaki hücre sıcaklıklarını korumak ve herhangi bir batarya ventingin kullanıcının tarafından yönlendirilmesini sağlamak.Intumsan materyalinin bir katmanı eklemek veya batarya terminallerinin yakınında bir ısı temizleme tedbiri sertifikalı aşınmalarda ortak bir güvenlik önlemidir.
Vaka Çalışması: Modern Akıllı Bir İzlemenin Termal Tasarımı
Sürekli bir kalp-düşük ve GPS-küresel bir uygulama çalıştırın tipik 45mm akıllı bir gözlem düşünün. Sistem-on-çip (SoC) aktif GPS sırasında ~2.5 W, 1C (0.5 W ısı) ve ekran 0,8 W'yi ısıtır, SoC'nin altındaki yer hala havadaki 95°C'ye ulaşabilir.
- 0.5 mm grafikli bir sayfa doğrudan SoC'ye bağlanır ve metal şasiye uzatılır.
- 10 mm kalın faz değiştir malzeme pedi (melting point 42°C) bataryanın altında ısıyı şarj etmek için.
- Saatte gömülü 4mm-diameter bakır ısı boru, vücudundan bir yanan metal boğale'ye ısı transfer, ki bu bir ortam radyatör olarak hareket eder.
- Üç noktada (SoC, batarya, cilt arayüzü) herhangi bir 80°C'yi aşıyorsa throttling'i tetikler.
Test, deri temasını asla 25 °C ortamında bir saat boyunca 39°C'yi aşmadığını ve SoC 72°C'de zirveye ulaştı - sadece pasif bir temelle kıyasla 23°C azaltımı.
Future Outlook ve Design Önerileri
Giyim edilebilir cihazlar incelenir, daha güçlü ve giderek tıbbi bir şekilde, termal yönetim kritik bir farklılaştırıcı kalacaktır. Tasarımcılar bir projenin başlangıçından aşağıdaki en iyi uygulamaları benimsemeli:
- Endüstriyel tasarım ile paralel olarak termal simülasyonlar gerçekleştirin - muhafaza kararlarından sonraya kadar termal analiz ertelemeyin.
- Malzeme tedarikçileri ile ortak, TIMs, grafikene filmleri ve PCM'ler için doğru termal özellikleri ve yaşlanma verileri elde etmek için erken.
- Son kullanıcı iklimini düşünün: sıtma bölgelerinde iyi çalışan bir cihaz, tropikal veya çöl koşullarından yoksun başarısız olabilir.
- Her zaman bir donanım ısıtıcı mekanizması bir güvenlik ağı olarak içerir, hatta simülasyonlar yeterli marj gösterirse.
- Gerçek kullanım senaryoları altında canlı insan konuları ile test edin (örneğin, terli deri, çeşitli duruş) konforunu doğrulamak için.
En erken konsept çizerlerine termal tasarımı entegre ederek ve ince buhar odaları, esnek PCMs ve sıvı-metal TIMs gibi gelişen malzemeleri atlayarak, mühendisler sadece kompakt ve özel-zengin olmayan cihazlar yaratabilirler.