Optimising thermal management in UAVs and RAS
I veicoli aerei senza equipaggio (UAV) e la robotica e i sistemi autonomi (RAS) racchiudono potenti componenti elettronici in spazi ristretti e mantenere freddi questi sistemi in ambienti difficili rappresenta una sfida ingegneristica sempre più critica.
I droni e i robot autonomi richiedono processori, sensori e componenti elettronici di potenza per funzionare in modo efficace, ma tutta la potenza di elaborazione racchiusa in droni o robot produce calore intenso. Questo packaging ad alta densità di componenti elettronici significa che la gestione termica è di importanza critica, in quanto i veicoli saranno resi inutili in caso di surriscaldamento dei componenti.
I droni spesso si avventurano in ambienti estremi, dai deserti caldi all'aria fredda ad alta quota, quindi i loro progetti termici devono adattarsi a questa gamma. Secondo Matt Tarney, Global Vertical Growth leader per il settore aerospaziale e della difesa presso nVent SCHROFF: "Temperature esterne elevate possono contribuire ulteriormente al calore interno, accelerando la degradazione della batteria e causando guasti ai componenti, mentre il freddo estremo può anche ridurre l'efficienza della batteria e le prestazioni di altri componenti meccanici".
L'altitudine è un altro fattore, in quanto l'aria ad altitudini elevate fornisce un raffreddamento meno convettivo, provocando il surriscaldamento dei componenti elettronici per un determinato livello di potenza. Nelle operazioni ad altitudini elevate, la densità dell'aria ridotta si traduce in un trasferimento di calore meno efficiente, con conseguenti temperature elevate all'interno dell'apparecchiatura. Gli ingegneri devono tenere conto di ciò riducendo la potenza dei componenti o migliorando altri metodi di raffreddamento quando i droni volano in alto.
Oltre la temperatura, i contaminanti rappresentano ulteriori sfide. Polvere, sabbia e umidità possono infiltrarsi nei percorsi di raffreddamento. Tarney nota: "L'umidità e i detriti possono danneggiare i componenti elettronici se il raffreddamento si basa su contenitori aperti o ventilati man mano che aumenta l'ingresso di polvere e umidità." Ciò significa che spesso sono necessari contenitori e filtri sigillati per proteggere i circuiti sensibili.
Progettazione per la robustezza: Le specifiche MIL e la gestione termica swap-C
per UAV/RAS devono considerare urti, vibrazioni e altre sollecitazioni ambientali comuni nelle applicazioni militari o industriali.
"I sistemi di gestione termica devono essere progettati in conformità alla norma MIL-DTL-901E (per affrontare gli urti e la robustezza termica) e alla norma MIL-STD-810F per la resistenza alle vibrazioni", spiega Tarney." La conformità a queste specifiche MIL garantisce che i dissipatori di calore, le piastre di raffreddamento e i contenitori rimangano efficaci sotto scosse, forze G e vibrazioni costanti.
“Anche le dimensioni, il peso, la potenza e i costi (swap-C) devono essere inclusi nella progettazione del prodotto poiché le applicazioni UAV avranno ulteriori vincoli a causa della struttura compatta del sistema e della capacità di carico.” Ciò spesso porta i progettisti a preferire il raffreddamento passivo, che aggiunge un peso minimo e non richiede energia, e a scegliere con cura materiali che massimizzano il trasferimento di calore per unità di massa. Le considerazioni di swap sono una forza trainante all'innovazione in termini di diffusori di calore ad alta efficienza, scambiatori di calore leggeri e strutture multifunzione che riducono il peso.
La scelta dei materiali è uno dei modi per soddisfare sia gli standard MIL che gli obiettivi di scambio. Ad esempio, l'uso di rivestimenti o leghe ad alta conduttività termica, come i rivestimenti a film di chimica sull'alluminio, può migliorare la dissipazione del calore senza parti ingombranti. Le soluzioni passive, come la conduzione verso la cellula o la radiazione, sono preferite per la loro semplicità e l'assorbimento di energia zero. Le soluzioni attive vengono utilizzate solo quando necessario per i dispositivi ad alto calore.
Adattamento alle diverse esigenze di raffreddamento
le strategie di raffreddamento devono essere adattate alle esigenze del componente. I processori ad alte prestazioni e i moduli di elaborazione ai possono assorbire centinaia di watt, pertanto spesso richiedono tecniche di raffreddamento più attive, come il raffreddamento ad aria forzata o a liquido. Gli ingegneri possono utilizzare dissipatori di calore con ventole, tubi di calore o circuiti di raffreddamento a liquido miniaturizzati per allontanare il calore dal processore centrale di un UAV sotto carichi computazionali pesanti.
Al contrario, molti sensori e moduli avionici generano meno calore, che il raffreddamento passivo è in grado di gestire, ma sono più sensibili alle condizioni ambientali. Ciò potrebbe significare il montaggio dei sensori lontano dai componenti elettronici caldi, l'utilizzo di materiali di interfaccia termici per ridurre al minimo le oscillazioni di temperatura o l'isolamento termico del sensore dal resto del sistema. Gli elementi di rilevamento devono rimanere entro il loro intervallo di temperatura ottimale per garantire precisione e longevità, anche se ciò significa fornire loro una propria strategia di raffreddamento dedicata separata dai processori ad alta potenza.
Soluzioni innovative: Il Card-Lok HTS
il Card-Lok (blocco a cuneo) è un morsetto che fissa una scheda a circuito stampato all'interno di un telaio e facilita il flusso di calore nella parete laterale/parete fredda del telaio. La serie HTS è una struttura di nuova generazione che mantiene saldamente il circuito stampato in posizione in ambienti resistenti, con forti urti e forti vibrazioni, pur essendo progettata per soddisfare i requisiti swap-C.
Ciò che distingue HTS Card-Lok è il suo profilo a dente di sega, che migliora il contatto termico. Questo profilo seghettato fornisce una superficie continua e uniforme lungo il telaio del circuito stampato/termico e la parete fredda, consentendo al calore di fluire quasi direttamente dalla scheda nella parete del telaio. Riducendo i giochi e la resistenza termica, il sistema HTS raggiunge prestazioni termiche fino al 15% superiori rispetto alle serrature a cuneo tradizionali di dimensioni simili.
Conclusione
Gli ingegneri della gestione termica devono affrontare molte sfide. Devono dissipare grandi carichi di calore in spazi ristretti, resistere ad ambienti estremi, rispettare gli standard di robustezza e fare tutto in condizioni di swap-C.
Il successo deriva da un approccio olistico che combina design robusto, strategie di raffreddamento intelligenti su misura per ogni componente e misure proattive come simulazioni e layout ottimizzati. Concentrandosi sull'efficienza, i progettisti possono estendere la durata delle missioni e la durata dei dispositivi.
Soluzioni innovative come HTS Card-Lok accelerano le prestazioni termiche con design compatibili con lo swap. Grazie a queste BEST practice e alle nuove tecnologie, gli ingegneri sono in grado di affrontare le sfide termiche e di mantenere i sistemi senza equipaggio in grado di funzionare in modo affidabile in qualsiasi ambiente.