Optimising thermal management in UAVs and RAS
Unbemannte Luftfahrzeuge (Unmanned Aerial Vehicles, UAVs) sowie Robotik- und autonome Systeme (Robotics-and Autonomous-Systems, RAS) verfügen über leistungsstarke Elektronik auf engstem Raum und die Kühlung dieser Systeme in rauen Umgebungen stellt eine zunehmend wichtige technische Herausforderung dar.
UAVs und autonome Roboter benötigen Prozessoren, Sensoren und Leistungselektronik, um effektiv zu arbeiten, aber die Rechenleistung, die in Drohnen oder Robotern steckt, erzeugt intensive Wärme. Die hohe Packungsdichte der Elektronik macht das Wärmemanagement zu einer entscheidenden Voraussetzung für den Einsatz, denn bei einer Überhitzung der Komponenten sind die Fahrzeuge nicht mehr einsatzfähig.
UAVs bewegen sich häufig auch in extremen Umgebungen – von heißen Wüsten bis hin zu kalter Höhenluft –, sodass ihre thermischen Designs auf diese Bandbreite abgestimmt sein müssen. Matt Tarney, Global Vertical Growth Leader für Luft- und Raumfahrt und Verteidigungstechnik bei nVent SCHROFF sagt: „Hohe Außentemperaturen können zusätzlich zur inneren Wärme beitragen, die Verschlechterung der Batterien beschleunigen und zu Komponentenausfällen führen, während extreme Kälte ebenfalls die Effizienz der Batterien und die Leistung anderer mechanischer Komponenten verringern kann.“
Die Höhe ist ein weiterer Faktor, denn in großen Höhen bietet die dünnere Luft weniger konvektive Kühlung, wodurch die Elektronik bei gleicher Leistungsaufnahme heißer läuft. Bei Einsätzen in großer Höhe führt die geringere Luftdichte zu einem weniger effizienten Wärmetransport, was zu höheren Temperaturen innerhalb der Geräte führt. Ingenieure müssen dies berücksichtigen, indem sie die Leistung von Komponenten reduzieren oder andere Kühlmethoden einsetzen, wenn UAVs hoch fliegen.
Neben der Temperatur stellen Verunreinigungen zusätzliche Herausforderungen dar. Staub, Sand und Feuchtigkeit können in Kühlwege eindringen. Tarney merkt an: „Feuchtigkeit und Schmutz können die Elektronik beschädigen, wenn für die Kühlung offene oder belüftete Gehäuse benötigt werden – hier dringt vermehrt Staub und Feuchtigkeit ein.“ Das bedeutet, dass zum Schutz empfindlicher Stromkreise häufig abgedichtete Gehäuse und Filter erforderlich sind.
Robuste Konstruktionen: MIL-Spezifikationen und SWaP-C
Für das Wärmemanagement von UAVs/RAS müssen Schocks, Vibrationen und andere Umweltbelastungen berücksichtigt werden, die in militärischen oder industriellen Anwendungen üblich sind.
„Wärmemanagementsysteme sollten gemäß MIL-DTL-901E für Schock- und thermische Robustheit und MIL-STD-810F auf Vibrationsfestigkeit ausgelegt sein“, erklärt Tarney. Die Einhaltung dieser MIL-Spezifikationen stellt sicher, dass Kühlkörper, Kühlplatten und Gehäuse auch bei Stößen, g-Kraft und konstanter Vibration effektiv bleiben.
„Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) müssen ebenfalls in das Produktdesign einbezogen werden, da UAV-Anwendungen aufgrund des kompakten Layouts und der Lastkapazität des Systems zusätzlichen Einschränkungen unterliegen.“ Dies führt häufig dazu, dass Konstrukteure passive Kühlung bevorzugen, die das Gewicht nur minimal erhöht und keinen Strom erfordert, und dass sie sorgfältig Materialien auswählen, welche die Wärmeübertragung pro Masseneinheit maximieren. SWaP ist eine treibende Kraft hinter Innovationen bei hocheffizienten Wärmeverteilern, leichten Wärmetauschern und multifunktionalen Strukturen, die Gewicht reduzieren.
Die Materialauswahl ist eine Möglichkeit, sowohl MIL-Standards als auch SWaP-Ziele zu erfüllen. Beispielsweise können Beschichtungen oder Legierungen mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie z. B. chemisch beschichtetes Aluminium, die Wärmeableitung ohne sperrige Teile verbessern. Passive Lösungen, wie die Wärme- oder Strahlungsableitung zur Flugzeugstruktur, werden bevorzugt, da sie Einfachheit bieten und keinen Strom verbrauchen. Aktive Lösungen werden nur dann eingesetzt, wenn es bei Geräten mit hohen Temperaturen erforderlich ist.
Anpassung an unterschiedliche Kühlanforderungen
Kühlstrategien müssen an die Anforderungen der jeweiligen Komponente angepasst werden. Leistungsstarke Prozessoren und KI-Rechenmodule können Hunderte von Watt verbrauchen, sodass sie oft aktivere Kühltechniken wie Zwangslüftung oder Flüssigkeitskühlung erfordern. Ingenieure können Kühlkörper mit Lüftern, Heatpipes oder Miniatur-Flüssigkeitskühlkreisläufen verwenden, um die Wärme unter hohen Rechenlasten vom zentralen Prozessor eines UAS abzuleiten.
Im Gegensatz dazu erzeugen viele Sensoren und Flugzeugmodule weniger Wärme, was die passive Kühlung bewältigen kann, reagieren aber empfindlicher auf Umgebungsbedingungen. Dies könnte bedeuten, dass Sensoren nicht in der Nähe heißer Elektronik montiert werden, dass thermische Schnittstellenmaterialien verwendet werden, um Temperaturschwankungen zu minimieren, oder dass der Sensor thermisch vom Rest des Systems isoliert wird. Sensorelemente müssen in ihrem optimalen Temperaturbereich bleiben, um Genauigkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten. Das bedeutet, dass diese Elemente gegebenenfalls ein eigenes, von Hochleistungsprozessoren getrenntes Kühlkonzept benötigen.
Innovative Lösungen: Das HTS Card-Lok
Das Card-Lok (Keilschloss) ist eine Klemme, die eine Leiterplatte in einem Gehäuse sichert und den Wärmefluss in die Seitenwand/Kaltwand des Gehäuses erleichtert. Die HTS-Serie bietet eine Konstruktion der nächsten Generation, die die Leiterplatte in rauen Umgebungen mit starken Schocks und Vibrationen sicher an Ort und Stelle hält und gleichzeitig die SWaP-C-Anforderungen erfüllt.
Das HTS Card-Lok zeichnet sich durch sein sägezahnförmiges Profil aus, das den thermischen Kontakt verbessert. Dieses gezahnte Profil bietet eine durchgehende und gleichmäßige Kontaktfläche entlang der Leiterplatte/des Wärmerahmens und der Kaltwand, sodass die Wärme fast direkt aus der Leiterplatte in die Gehäusewand fließen kann. Durch die Reduzierung von Lücken und Wärmewiderstand erreicht das HTS Card-Lok eine um bis zu 15 % verbesserte thermische Leistung im Vergleich zu herkömmlichen Keilschlössern ähnlicher Größe.
Fazit
Wärmemanagement-Ingenieure stehen vor vielen Herausforderungen. Ihre Aufgabe besteht darin, Lösungen zu bieten, die große Wärmelasten in engen Räumen ableiten, extremen Umgebungen standhalten, Robustheit gewährleisten und dabei gleichzeitig die SWaP-C-Anforderungen erfüllen.
Um dies erfolgreich umzusetzen, ist ein ganzheitlicher Ansatz gefragt, der robuste Konstruktionen, intelligente, auf jede Komponente zugeschnittene Kühlkonzepte und proaktive Maßnahmen wie Simulationen und optimierte Layouts kombiniert. Durch den Fokus auf Effizienz können Konstrukteure die Einsatzdauer und die Lebensdauer des Geräts verlängern.
Innovative Lösungen wie das HTS Card-Lok verbessern die thermische Leistung in SWaP-freundlichen Designs. Mit diesen bewährten Methoden und neuen Technologien sind Ingenieure besser ausgestattet, um thermische Herausforderungen zu überwinden und unbemannte Systeme zuverlässig in jeder Umgebung zu betreiben.