Optimising thermal management in UAVs and RAS
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV) y la robótica y los sistemas autónomos (RAS) incorporan una electrónica potente en espacios reducidos, y mantener estos sistemas frescos en entornos hostiles es un desafío de ingeniería cada vez más crítico.
Los UAV y los robots autónomos requieren procesadores, sensores y electrónica de potencia para operar eficazmente, pero toda esa potencia de cómputo empaquetada en drones o robots produce calor intenso. Este embalaje de alta densidad de la electrónica significa que la gestión térmica es crítica, ya que los vehículos se volverán inútiles si los componentes se sobrecalientan.
Los UAV también suelen aventurarse en entornos extremos, desde desiertos calientes hasta aire frío a gran altitud, por lo que sus diseños térmicos deben adaptarse a este rango. Según Matt Tarney, Líder de Crecimiento Vertical Global para Aeroespacial y Defensa en nVent SCHROFF: “Las altas temperaturas externas pueden contribuir aún más al calor interno, acelerando la degradación de la batería y causando fallas en los componentes, mientras que el frío extremo también puede reducir la eficiencia de la batería y el rendimiento de otros componentes mecánicos”.
La altitud es otro factor, ya que el aire a gran altura proporciona menos enfriamiento convectivo, lo que hace que la electrónica funcione más caliente para un nivel de potencia dado. En operaciones a gran altitud, la reducción de la densidad del aire resulta en una transferencia de calor menos eficiente, lo que lleva a temperaturas elevadas dentro del equipo. Los ingenieros deben tener en cuenta esto reduciendo los componentes o mejorando otros métodos de enfriamiento cuando los UAV vuelan alto.
Más allá de la temperatura, los contaminantes plantean desafíos adicionales. El polvo, la arena y la humedad pueden infiltrarse en las vías de enfriamiento. Tarney señala: “La humedad y los desechos pueden dañar la electrónica si el enfriamiento depende de recintos abiertos o ventilados a medida que aumenta la entrada de polvo y humedad”. Esto significa que los recintos y filtros sellados a menudo son necesarios para proteger los circuitos sensibles.
Diseño para la robustez: Especificaciones MIL y SWAP-C
La gestión térmica para UAV/RAS debe considerar los choques, vibraciones y otras tensiones ambientales comunes en aplicaciones militares o industriales.
“Los sistemas de gestión térmica deben diseñarse de acuerdo con MIL-DTL-901E (tratamiento de choques y robustez térmica) y MIL-STD-810F para la resistencia a las vibraciones”, explica Tarney. El cumplimiento de estas especificaciones MIL garantiza que los disipadores de calor, las placas frías y los recintos permanezcan efectivos bajo sacudidas, fuerzas G y vibraciones constantes.
“El tamaño, el peso, la potencia y el costo (SWAP-C) también deben tenerse en cuenta en el diseño del producto, ya que las aplicaciones UAV tendrán restricciones adicionales debido al diseño compacto y la capacidad de carga del sistema”. Esto a menudo resulta en que los diseñadores prefieran el enfriamiento pasivo, que agrega un peso mínimo y no requiere energía, y elijan cuidadosamente los materiales que maximizan la transferencia de calor por unidad de masa. Las consideraciones de intercambio son una fuerza impulsora detrás de la innovación en esparcidores de calor de alta eficiencia, intercambiadores de calor ligeros y estructuras multifunción que reducen el peso.
La selección de materiales es una forma de cumplir con los estándares MIL y los objetivos de intercambio. Por ejemplo, el uso de recubrimientos o aleaciones de alta conductividad térmica, como recubrimientos de película de chem en aluminio, puede mejorar la disipación de calor sin piezas voluminosas. Las soluciones pasivas, como la conducción al fuselaje o la radiación, se prefieren por su simplicidad y consumo de energía cero. Las soluciones activas solo se utilizan cuando es necesario para dispositivos de alta temperatura.
Adaptarse a las diferentes necesidades de refrigeración
Las estrategias de refrigeración deben adaptarse a las necesidades del componente. Los procesadores de alto rendimiento y los módulos informáticos de IA pueden extraer cientos de vatios, por lo que a menudo requieren técnicas de enfriamiento más activas, como el enfriamiento forzado por aire o líquido. Los ingenieros pueden usar disipadores de calor con ventiladores, tuberías de calor o bucles de refrigeración líquida en miniatura para extraer el calor del procesador central de un UAV bajo cargas computacionales pesadas.
Por el contrario, muchos sensores y módulos de aviónica generan menos calor, que la refrigeración pasiva puede manejar, pero son más sensibles a las condiciones ambientales. Esto podría significar el montaje de sensores lejos de la electrónica caliente, el uso de materiales de interfaz térmica para minimizar los cambios de temperatura, o el aislamiento térmico del sensor del resto del sistema. Los elementos de detección deben permanecer dentro de su rango de temperatura óptimo para mayor precisión y longevidad, incluso si esto significa darles su propia estrategia de enfriamiento dedicada separada de los procesadores de alta potencia.
Soluciones innovadoras: El Card-Lok
(bloqueo de cuña) es una abrazadera que asegura una placa de circuito dentro de un chasis y facilita el flujo de calor en la pared lateral del chasis / pared fría. La serie HTS es un diseño de próxima generación que mantiene de forma segura la PCB en su lugar en entornos resistentes, de choques pesados y de alta vibración, mientras que también está diseñada para cumplir con los requisitos de SWAP-C.
Lo que distingue al HTS Card-Lok es su perfil en forma de diente de sierra, que mejora el contacto térmico. Este perfil dentado proporciona una superficie continua y uniforme a lo largo del marco de PCB / calor y la pared fría, permitiendo que el calor fluya casi directamente fuera de la placa hacia la pared del chasis. Al reducir los huecos y la resistencia térmica, el HTS logra un rendimiento térmico mejorado hasta un 15% en comparación con las cerraduras de cuña tradicionales de tamaño similar.
Conclusión
Los ingenieros de gestión térmica enfrentan muchos desafíos. Deben disipar grandes cargas de calor en espacios confinados, soportar ambientes extremos, adherirse a los estándares de robustez y hacerlo todo bajo estrictas restricciones SWAP-C.
El éxito proviene de un enfoque holístico, que combina un diseño robusto, estrategias de refrigeración inteligentes adaptadas a cada componente y medidas proactivas como simulaciones y diseños optimizados. Al centrarse en la eficiencia, los diseñadores pueden extender la duración de la misión y la longevidad del dispositivo.
Soluciones innovadoras como la tarjeta HTS Card-Lok aceleran el rendimiento térmico dentro de diseños intercambiables. Equipados con estas mejores prácticas y nuevas tecnologías, los ingenieros están mejor equipados para superar los desafíos térmicos y mantener los sistemas no tripulados operando de manera confiable en cualquier entorno.