Optimising thermal management in UAVs and RAS
Onbemande luchtvaartuigen (UAV's) en robotica en autonome systemen (RAS) verpakken krachtige elektronica in krappe ruimtes. Het koel houden van deze systemen in zware omstandigheden is een steeds belangrijker technische uitdaging.
UAV's en autonome robots hebben processors, sensoren en vermogenselektronica nodig om effectief te kunnen werken, maar al die rekenkracht in drones of robots produceert intense warmte. Deze verpakking van elektronica met hoge dichtheid betekent dat thermisch beheer essentieel is, omdat voertuigen nutteloos worden als onderdelen oververhit raken.
UAV's wagen zich vaak ook in extreme omgevingen, van hete woestijnen tot koude lucht op grote hoogte, dus hun thermische ontwerp moet geschikt zijn voor dit bereik. Volgens Matt Tarney, Global Vertical Growth Leader voor lucht- en ruimtevaart en defensie bij nVent SCHROFF: "Hoge buitentemperaturen kunnen verder bijdragen aan de interne warmte, versnellen van de slijtage van de batterij en veroorzaken componentstoringen, terwijl extreme kou ook de efficiëntie van de batterij en andere mechanische componenten prestaties kan verminderen."
Hoogte is een andere factor, aangezien lucht op grote hoogte minder convectieve koeling biedt, waardoor elektronica warmer wordt voor een bepaald vermogensniveau. Bij werkzaamheden op grote hoogte leidt een lagere luchtdichtheid tot een minder efficiënte warmteoverdracht, wat leidt tot hogere temperaturen in de apparatuur. Ingenieurs moeten hier rekening mee houden door componenten te corrigeren of andere koelmethoden te verbeteren wanneer UAV's hoog vliegen.
Naast de temperatuur vormen verontreinigingen nog meer uitdagingen. Stof, zand en vocht kunnen koelroutes binnendringen. Tarney merkt op: “Vocht en vuil kunnen elektronica beschadigen als de koeling afhankelijk is van open of geventileerde behuizingen naarmate stof en vocht binnendringen.” Dit betekent dat afgedichte behuizingen en filters vaak nodig zijn om gevoelige circuits te beschermen.
Ontworpen voor robuustheid: MIL Specs en swap-C
Thermal Management voor UAV's/RAS moeten rekening houden met schokken, trillingen en andere omgevingsbelastingen die vaak voorkomen in militaire of industriële toepassingen.
"Thermisch management systemen moeten worden ontworpen volgens MIL-DTL-901E (omgaan met schokken en thermische robuustheid) en MIL-STD-810F voor trillingsbestendigheid," legt Tarney uit. Naleving van deze MIL-specificaties zorgt ervoor dat koellichamen, koelplaten en behuizingen effectief blijven bij schokken, G-krachten en constante trillingen.
“Ook grootte, gewicht, vermogen en kosten (swap-C) moeten in het productontwerp worden meegenomen, aangezien UAV-toepassingen extra beperkingen zullen hebben vanwege de compacte indeling en laadcapaciteit van het systeem.” Dit leidt er vaak toe dat ontwerpers de voorkeur geven aan passieve koeling, die een minimaal gewicht toevoegt en geen stroom nodig heeft, en zorgvuldig materialen kiezen die de warmteoverdracht per massa-eenheid maximaliseren. Swap-overwegingen zijn een drijvende kracht achter innovatie in hoogefficiënte warmteverspreiders, lichtgewicht warmtewisselaars en multifunctionele structuren die het gewicht verlagen.
Materiaalselectie is een manier om zowel de MIL-standaarden als de swap-doelen te bereiken. Het gebruik van coatings of legeringen met een hoog thermisch geleidingsvermogen, zoals chemische coatings op aluminium, kan bijvoorbeeld de warmteafvoer verbeteren zonder grote onderdelen. Passieve oplossingen, zoals geleiding naar het airframe of straling, hebben de voorkeur vanwege hun eenvoud en nulstroomverbruik. Actieve oplossingen worden alleen gebruikt wanneer dit nodig is voor apparaten met hoge temperaturen.
Aanpassing aan verschillende koelbehoeften
koelingsstrategieën moeten worden aangepast aan de behoeften van het onderdeel. High-performance processors en AI-computermodules kunnen honderden watt verbruiken, waardoor ze vaak actievere koeltechnieken nodig hebben, zoals geforceerde lucht of vloeistofkoeling. Ingenieurs kunnen koellichamen met ventilatoren, warmtepijpen of miniatuur vloeibare koellussen gebruiken om onder zware computerbelasting warmte af te voeren van de centrale processor van de UAV.
Veel sensoren en avionica-modules genereren daarentegen minder warmte, die passieve koeling aankan, maar gevoeliger is voor omgevingsomstandigheden. Dit kan betekenen dat sensoren uit de buurt van hete elektronica worden gemonteerd, dat thermische interfacematerialen worden gebruikt om temperatuurschommelingen te minimaliseren of dat de sensor thermisch wordt geïsoleerd van de rest van het systeem. Sensorelementen moeten binnen hun optimale temperatuurbereik blijven voor nauwkeurigheid en levensduur, zelfs als dit betekent dat ze hun eigen koelstrategie moeten krijgen die los staat van krachtige processors.
Innovatieve oplossingen: De HTS Card-Lok de
Card-Lok (wiglock) is een klem die een printplaat in een chassis vastzet en de warmtestroom in de zijwand/koude wand van het chassis vergemakkelijkt. De HTS-serie is een ontwerp van de volgende generatie dat de printplaat stevig op zijn plaats houdt in robuuste omgevingen met zware schokken en sterke trillingen, en tevens ontworpen is om te voldoen aan de swap-C-vereisten.
Wat de HTS Card-Lok onderscheidt, is het zaagvormige profiel, dat het thermisch contact verbetert. Dit gekartelde profiel zorgt voor een continu en uniform oppervlak langs het PCB/warmteframe en de koude wand, waardoor de warmte bijna direct uit de plaat in de chassiswand kan stromen. Door tussenruimten en thermische weerstand te verminderen, bereikt de HTS tot 15% betere thermische prestaties in vergelijking met traditionele wiggen van vergelijkbare grootte.
Conclusie
Technici voor thermisch management staan voor vele uitdagingen. Ze moeten grote warmtebelastingen afvoeren in krappe ruimten, bestand zijn tegen extreme omgevingen, voldoen aan de normen voor robuustheid en dit alles doen onder strikte wisselstroom-C-beperkingen.
Succes komt voort uit een holistische aanpak, waarbij robuust ontwerp, slimme koelstrategieën op maat van elk onderdeel en proactieve maatregelen zoals simulaties en geoptimaliseerde lay-outs worden gecombineerd. Door zich te richten op efficiëntie, kunnen ontwerpers de duur van missies en de levensduur van apparaten verlengen.
Innovatieve oplossingen zoals de HTS Card-Lok versnellen de thermische prestaties in verwisselbare ontwerpen. Gewapend met deze best practices en nieuwe technologieën zijn engineers beter uitgerust om thermische uitdagingen het hoofd te bieden en onbemande systemen betrouwbaar te laten werken in elke omgeving.