Puettaviin ja mobiileihin tuotteisiin liittyy useita haasteita lämpötilan hallinnassa ja mukavuuslämpötilatavoitteen saavuttamisessa. Seuraavassa tekstissä pureudutaan siihen, miten lämpösimuloinnin havainnot konkretisoituvat suunnitteluratkaisuiksi ja lopulta jalostuvat käyttäjäkokemukseltaan laadukkaammiksi tuotteiksi.
Puettavien ja mobiilien laitteiden normaali käyttötapa on pitää niitä pitkiä aikoja ihoa vasten. Metalliset ulko-osat tuntuvat kuumemmilta kuin muoviset osat paremman lämmönjohtavuutensa ansiosta. Langattomat latausalustat saattavat puolestaan tarpeettomasti kuumentaa laitetta. Laitteiden kompakti koko ja tehotiheys nostavat osaltaan suunnittelun rimaa. Simuloimalla voidaan mallintaa lämpökäyttäytymistä komponentin sisuskalujen tarkkuudelle asti.
Turvallisuus ja käyttömukavuus ovat tuotesuunnittelun lähtökohdat
Peruslähtökohtana tuotesuunnittelulle on, että tuotteista pyritään suunnittelemaan käyttäjälle turvallisiksi ja käyttömukavuudeltan laadukkaiksi. Mobiilissa kuluttajaelektroniikassa, kuten tabletit, älypuhelimet ja älyrannekkeet, lämpötilan käyttöalueet ovat normaalissa käytössä melko suppeita 0 - 35°C.
Laitteiden pintalämmöissä ei yleensä määritetä alarajaa, mutta maksimi arvona usein pidetään +48°C (IEC 62368-1:2020), mutta laitteiden yleisimmät käyttötapaukset halutaan pysyvän ns. mukavuuslämpörajoissa. Nämä mukavuuslämpörajat vaihtelevat laitteen pintamateriaalien ja kehon osan mukaan. Esimerkiksi korva on herkempi lämmölle kuin kämmen. Meiltä löytyy tutkimustietoa yleisistä käytetyistä rajoista ja käyttäjäkyselyiden mukaan tehdyistä tutkimuksista.
Lämpösuunnittelun tavoitteet
Lähtökohtaisesti lämpösimuloinnissa seurannan kohteena on eri komponenttien ja materiaalien pintalämmöt. Lämpösimuloinnilla on kaksi tavoitetta:
- Saavuttaa käyttäjälle miellyttävät pintalämpötilat (thermal comfort) yleisimmissä käyttötapauksissa.
- Varmistaa, että laitteen lämpötilat pysyvät alle standardien määräämien turvallisuusrajojen.
Kiinnostuitko lämpösimulaatioista? Lataa oppaamme ja lue tarkemmin, mitä hyötyä lämoösimuloinnit tuovat tuotekehitysprojektiisi!
Väärät käyttölämpötilat lisäävät laitteiden häiriöitä
Jos tarkastellaan jonkin verran mukavuuslämpötiloja korkeampia lämpötiloja, havaitaan kuinka eri elektroniikkakomponentit alkavat lämpötilan noustessa saamaan häiriötä.
Esimerkiksi mobiililaitteissa käytetyt prosessorit alkavat pudottaa tehoja +80°C lämpötilassa ja voivat joutua sammuttamaan itsensä +95°C lämpötilassa. DDR4-muistit voivat alkaa tuottaa virheitä, kun ylitetään +75°C lämpötilaraja. Viat ilmenevät esimerkiksi virheinä muistiin kirjoituksessa, eli vaikkapa videota kuvatessa muistiin kirjoitetaan virheellistä tietoa tai koko käsittelyssä oleva tiedosto voi korruptoitua.
Akkuteknologioiden välillä on pieniä eroja lämpötilarajoissa, mutta esimerkiksi yleisesti mobiililaitteissa käytettyä Li-ion akkua ei sallita ladattavan yli +60°C:en lämpötilassa ja eikä sitä saa purkaa yli +70°C lämpötilassa. Liiallinen lämpö kuluttaa akun kapasiteettia ja lyhentää sen käyttöikää, eli akkujen käyttölämmöt on hyvä pitää alle +50°C.
Tietyt näyttötyypit ja kamerasensorit tuottavat kohinaa kuvaan +60°C lämpötilassa ja ovat herkkiä isolle lämpöjakaumalle. Piirilevymateriaalit yleensä spesifioidaan +85°C suoritusmaksimiin, vaikka niiden todellinen sietokyky liikkuu vaihteluvälillä 100-135°C, riippuen käytetystä eristemateriaalista.
Puettavien ja mobiilien laitteiden mukavuuslämpötilat rajataan välille 21-41°C. Kaaviosta näkyvät yleiset raja-arvot keskeisten komponenttien toiminnalle.
Herkkiä komponentteja voidaan lämmittää kylmissä olosuhteissa. Mobiililaitteiden kohdalla tämä on kuitenkin harvinaista, koska lämmittäminen kuluttaa akkua. Kylmässä lämpötilassa akun kapasiteetista ei saada käyttöön kuin pieni osa tai turvapiiri estää akun käytön kokonaan. Tietyt näyttöteknologiat eivät toimi hyvin kylmänä.
Monet yleiset tekniikat voivat kärsiä lämpöongelmista
Moniin mobiileissa ja puettavissa laitteissa käytettyihin tekniikoihin saattaa tulla lämpöongelmia. Mahdolliset laitteiden sulamiset tai käryämiset ovat usein seurausta huonosta suunnittelusta, valmistusvirheistä tai käytön aikana tapahtuvasta vikaantumisesta.
Esimerkiksi langaton lataus tapahtuu kuparikierukan välityksellä ja kierukka kuumenee latauksen aikana induktiivisesti. Kierukan kuumetessa myös sen ympärillä olevat osat ja komponentit saattavat kuumentua. Tyypillinen haaste on, että latauskierukka on akun lähellä ja se kuumentaa turhaa muutenkin latausvirrasta kuumentavaa kennoa.
Mobiilien laitteiden kokoonpanoissa hyödynnetään nykyisin hyvin paljon liima-aineita ja teippejä. Nämä eivät yleensä vaurioidu laitteen oman lämmöntuoton takia, mutta niiden vikaantuminen saattaa olla seurausta ulkoisesta lähteistä tulevasta raja-arvon ylittävästä lämmöstä, kuten auringonpaisteesta. Voimme simuloida tilanteen, jossa esimerkiksi puhelin on unohtunut suoraan voimakkaaseen auringonpaisteeseen auton kojelaudalle.
Ohuet laitteet ovat haasteellisia lämpötilan hallinnan kannalta
Kovin ohuisiin laitteisiin on hankala löytää hyviä lämpötilan hallintaan liittyviä ratkaisuja. Kun laite on ohut, lämpö pääsee helposti laitteen pintaan. Siinä vaiheessa käyttäjä tuntee kuumuuden ja lämmön levittäminen on jo myöhäistä.
Väljemmässä kokoonpanossa lämpö pyritään levittämään mahdollisimman laajalle alueelle, josta se pääsee konvektiolla (eli lämmön siirto kaasussa tai nesteessä lämmön aiheuttamien virtausten mukana) tai säteilyllä pois laitteesta. Käytännössä mobiililaitteissa lämpöä siirretään myös käyttäjään, mutta kun lämpö levitetään laajalle alueelle, ei käyttäjä aisti sitä enää yhtä kuumana. Tasalämpöinen tuote on mukavampi kuin jostain kohdasta kuuma laite.
Vinkkejä lämpösuunnitteluun
Lopuksi tarjoamme lämpösimuloijan näkökulmasta muutaman vinkin elektroniikka- ja mekaniikkasuunnittelijoille sekä teollisille muotoilijoille:
- Sijoita komponentit mahdollisimman laajalle alueelle. Se helpottaa tilannetta paikallisten hot spottien osalta.
- Sijoita lämpöherkät komponentit kauemmas kuumista komponenteista.
- Selvitä komponenttien spesifikaatioista, toteutetaanko komponentin jäähdytys katon kautta vai piirilevyn lävitse.
- Metalliset pintamateriaalit tuntuvat iholle kuumemmilta kuin muoviset/puiset, mutta ne myös levittävät lämpöä tehokkaammin.
- Lämmön levittäminen mahdollisimman lähellä lämmönlähdettä on tehokkain tapa saada mahdollisimman pieni lämpötilaero pintalämpöjen välille.
- Tarkemmat tiedot standardien määräämistä lämpötilojen raja-arvoista löytyvät standardista SFS-EN IEC 62368-1:2020:en Audio/video, information and communication technology equipment - Part 1: Safety requirements
