Optimising thermal management in UAVs and RAS
Ubemannede luftfartøyer (UAVs) og robotikk og autonome systemer (RAS) pakker kraftig elektronikk i trange rom, og holder disse systemene kule i tøffe miljøer er en stadig mer kritisk teknisk utfordring.
UAVer og autonome roboter krever prosessorer, sensorer og kraftelektronikk for å fungere effektivt, men alt som datakraft pakket inn i droner eller roboter produserer intens varme. Denne pakken med høy tetthet av elektronikk betyr at termisk styring er virksomhetskritisk, da kjøretøy vil bli ubrukelige hvis komponentene overopphetes.
UAVer også ofte våge inn i ekstreme miljøer, fra varme ørkener til høy høyde kald luft, så deres termiske design må imøtekomme dette området. Matt Tarney, global vertikal vekstleder for romfart og forsvar ved nVent SCHROFF: Høye eksterne temperaturer kan ytterligere bidra til intern varme, akselerere batteriforringelse og forårsake komponentfeil, mens ekstrem kulde også kan redusere batterieffektivitet og annen mekanisk komponentytelse.
Høyde er en annen faktor, da luft ved høy høyde gir mindre konvektiv kjøling, noe som fører til at elektronikk kjører varmere for et gitt effektnivå. I operasjoner i stor høyde resulterer redusert lufttetthet i mindre effektiv varmeoverføring, noe som fører til økte temperaturer i utstyret. Ingeniører må redegjøre for dette ved å redusere komponenter eller forbedre andre kjølemetoder når UAVer flyr høyt.
I tillegg til temperaturen, vil forurensninger utgjøre ytterligere utfordringer. Støv, sand og fuktighet kan infiltrere kjøleveier. Tarney bemerker: «Fuktighet og rusk kan skade elektronikk hvis kjøling er avhengig av åpne eller ventilerte kabinetter som støv- og fuktighetsinntrengning øker.» Dette betyr at forseglede skap og filtre ofte er nødvendige for å beskytte sensitive kretser.
Design for robusthet: MIL Specs og swap-C
termisk styring for UAVer / RAS må vurdere sjokk, vibrasjon og andre miljømessige påkjenninger som er vanlige i militære eller industrielle applikasjoner.
«Termiske styringssystemer bør utformes i henhold til mil-DTL-901E (Addressing Shock and Thermal robusthet) og mil-STD-810F for vibrasjonsmotstand», forklarer Tarney. Samsvar med disse mil-spesifikasjonene sikrer at kjøleribber, kjøleplater og kabinetter holder seg effektive under støt, G-krefter og konstant vibrasjon.
Størrelse, vekt, kraft og kostnad (swap-C) må også tas med i produktdesignen, da UAV-applikasjoner vil ha ytterligere begrensninger på grunn av systemets kompakte layout og lastekapasitet. Dette resulterer ofte i designere som foretrekker passiv kjøling, som legger til minimal vekt og krever ingen strøm, og nøye velge materialer som maksimerer varmeoverføringen per enhetsmasse. Swap-hensyn er en drivkraft bak innovasjon i høyeffektive varmespredere, lette varmevekslere og flerfunksjonsstrukturer som reduserer vekten.
Materialvalg er en måte å møte både mil-standarder og bytte mål. For eksempel kan bruk av belegg eller legeringer med høy termisk ledningsevne, for eksempel chem-filmbelegg på aluminium, forbedre varmespredning uten store deler. Passive løsninger, for eksempel ledning til flyskrog eller stråling, foretrekkes for enkelheten og null effekttrekk. Aktive løsninger brukes bare når det er nødvendig for høyvarme enheter.
Kjølestrategier må tilpasses til ulike kjølebehov
og må tilpasses komponentens behov. Prosessorer med høy ytelse og AI-databehandlingsmoduler kan trekke hundrevis av watt, så de krever ofte mer aktive kjøleteknikker som tvungen luft eller væskekjøling. Ingeniører kan bruke varmevasker med vifter, varmerør eller miniatyr flytende kjøleløkker for å trekke varme bort fra en UAV sentrale prosessor under tunge beregningsbelastninger.
I motsetning til dette genererer mange sensorer og avionikkmoduler mindre varme, noe som passiv kjøling kan håndtere, men er mer følsomme for miljøforhold. Dette kan bety montering av sensorer vekk fra varm elektronikk, ved hjelp av termisk grensesnitt materialer for å minimere temperatursvingninger, eller termisk isolasjon av sensoren fra resten av systemet. Sensorelementene må forbli innenfor sitt optimale temperaturområde for nøyaktighet og levetid, selv om det betyr å gi dem sin egen dedikerte kjølestrategi atskilt fra høyeffekts prosessorer.
Innovative løsninger: HTS Card-Lok Card-
Lok (kile lock) er en klemme som sikrer et kretskort inne i et chassis og letter varmestrømmen inn i chassiset sidevegg / kald vegg. HTS-serien er en neste generasjons design som holder PCB sikkert på plass i robuste, tunge støt og høye vibrasjonsmiljøer, samtidig som den er designet for å møte swap-C-krav.
Det som skiller HTS Card-Lok fra hverandre er den sagtannet-formede profilen, som forbedrer termisk kontakt. Denne serratede profilen gir en kontinuerlig og jevn overflate langs PCB / varmerammen og den kalde veggen, slik at varmen kan strømme nesten direkte ut av brettet og inn i chassisveggen. Ved å redusere hull og termisk motstand oppnår HTS opptil 15 % forbedret termisk ytelse sammenlignet med tradisjonelle kilelåser med lignende størrelse.
Konklusjon
Ingeniører innen termisk styring står overfor mange utfordringer. De må spre store varmebelastninger i trange rom, tåle ekstreme miljøer, følge standarder for robusthet, og gjøre alt under trange swap-C-begrensninger.
Suksess kommer fra en helhetlig tilnærming, som kombinerer robust design, smarte kjølestrategier skreddersydd for hver komponent, og proaktive tiltak som simuleringer og optimaliserte oppsett. Ved å fokusere på effektivitet, kan designere forlenge oppdragsvarigheter og enhetens levetid.
Innovative løsninger som HTS Card-Lok akselererer termisk ytelse i swap-vennlige design. Bevæpnet med disse beste praksis og nye teknologier, ingeniører er bedre rustet til å overvinne termiske utfordringer og holde ubemannede systemer opererer pålitelig i alle miljøer.