Optimising thermal management in UAVs and RAS
Bezzałogowe statki powietrzne (UAV) oraz robotyka i systemy autonomiczne (RAS) pakują potężną elektronikę w ciasne przestrzenie, a utrzymanie chłodu tych systemów w trudnych warunkach jest coraz bardziej krytycznym wyzwaniem inżynieryjnym.
UAV i autonomiczne roboty wymagają procesorów, czujników i elektroniki mocy, aby działać skutecznie, ale cała moc obliczeniowa zapakowana w drony lub roboty wytwarza intensywne ciepło. To opakowanie elektroniki o dużej gęstości oznacza, że zarządzanie ciepłem ma kluczowe znaczenie, ponieważ pojazdy staną się bezużyteczne, jeśli elementy się przegrzewają.
UAV często również udają się w ekstremalne środowiska, od gorących pustyń po zimne powietrze na dużej wysokości, więc ich projekty termiczne muszą uwzględniać ten zakres. Według Matta Tarneya, lidera globalnego rozwoju pionowego w dziedzinie lotnictwa i obrony w nVent SCHROFF: "Wysokie temperatury zewnętrzne mogą dodatkowo przyczynić się do wewnętrznego ciepła, przyspieszając degradację baterii i powodując awarie podzespołów, podczas gdy ekstremalne zimno może również zmniejszyć wydajność baterii i innych podzespołów mechanicznych."
Kolejnym czynnikiem jest wysokość nad poziomem morza, ponieważ powietrze na dużej wysokości zapewnia mniejsze chłodzenie konwekcyjne, co powoduje, że elektronika pracuje cieplej dla danego poziomu mocy. W przypadku pracy na dużych wysokościach zmniejszona gęstość powietrza powoduje mniej wydajny transfer ciepła, co prowadzi do podwyższonych temperatur wewnątrz urządzenia. Inżynierowie muszą wziąć to pod uwagę, obniżając parametry podzespołów lub ulepszając inne metody chłodzenia, gdy UAV latają wysoko.
Poza temperaturą zanieczyszczenia stanowią dodatkowe wyzwanie. Kurz, piasek i wilgoć mogą przenikać szlaki chłodzenia. Uwagi Tarney: Wilgoć i zanieczyszczenia mogą uszkodzić elektronikę, jeśli chłodzenie zależy od otwartych lub wentylowanych obudów, ponieważ zwiększa się wnikanie kurzu i wilgoci. Oznacza to, że zamknięte obudowy i filtry są często niezbędne do ochrony wrażliwych obwodów.
Projektowanie dla wytrzymałości: Specyfikacje mil i SWAP-C
Zarządzanie termiczne dla UAV/RAS muszą uwzględniać wstrząsy, wibracje i inne naprężenia środowiskowe typowe dla zastosowań wojskowych lub przemysłowych.
"Systemy zarządzania ciepłem powinny być zaprojektowane zgodnie z MIL-DTL-901E (adresowanie wstrząsów i odporności termicznej) i MIL-STD-810F dla odporności na wibracje", wyjaśnia Tarney. Zgodność z tymi specyfikacjami MIL zapewnia, że radiatory, płyty chłodzące i obudowy pozostają skuteczne pod wpływem wstrząsów, sił G i stałych wibracji.
Rozmiar, waga, moc i koszt (SWAP-C) muszą być również uwzględnione w projekcie produktu, ponieważ aplikacje UAV będą miały dodatkowe ograniczenia ze względu na kompaktowy układ systemu i ładowność. Często powoduje to, że projektanci preferują chłodzenie pasywne, które dodaje minimalną wagę i nie wymaga zasilania, a także starannie dobierają materiały, które maksymalizują transfer ciepła na jednostkę masy. Względy SWAP są siłą napędową innowacji w wysokowydajnych rozrzutnikach ciepła, lekkich wymiennikach ciepła i strukturach wielofunkcyjnych, które zmniejszają wagę.
Wybór materiału jest jednym ze sposobów spełnienia zarówno standardów MIL, jak i celów Swap. Na przykład stosowanie powłok o wysokiej przewodności cieplnej lub stopów, takich jak powłoki z folii chemicznej na aluminium, może poprawić rozpraszanie ciepła bez dużych części. Rozwiązania pasywne, takie jak przewodnictwo do płatowca lub promieniowanie, są preferowane ze względu na ich prostotę i zerowy pobór mocy. Aktywne rozwiązania są stosowane tylko wtedy, gdy jest to konieczne w przypadku urządzeń wysokotemperaturowych.
Dostosowanie do różnych potrzeb chłodzenia
Strategie chłodzenia muszą być dostosowane do potrzeb danego elementu. Wysokowydajne procesory i moduły obliczeniowe AI mogą pobierać setki watów, więc często wymagają bardziej aktywnych technik chłodzenia, takich jak wymuszone chłodzenie powietrzem lub cieczą. Inżynierowie mogą używać radiatorów z wentylatorami, rur cieplnych lub miniaturowych pętli chłodzenia cieczą, aby odciągnąć ciepło od centralnego procesora UAV pod dużymi obciążeniami obliczeniowymi.
W przeciwieństwie do tego wiele czujników i modułów awioniki generuje mniej ciepła, które może obsłużyć pasywne chłodzenie, ale są bardziej wrażliwe na warunki środowiskowe. Może to oznaczać zamontowanie czujników z dala od gorącej elektroniki, użycie materiałów interfejsu termicznego w celu zminimalizowania wahań temperatury lub izolację termiczną czujnika od reszty systemu. Elementy czujnikowe muszą pozostawać w optymalnym zakresie temperatur, aby zapewnić dokładność i trwałość, nawet jeśli oznacza to zapewnienie im własnej strategii chłodzenia niezależnie od procesorów o dużej mocy.
Innowacyjne rozwiązania: HTS Card-Lok
Karta-Lok (blokada klinowa) to zacisk mocujący płytkę drukowaną wewnątrz obudowy i ułatwiający przepływ ciepła do ściany bocznej podwozia/zimnej ściany. Seria HTS to konstrukcja nowej generacji, która bezpiecznie utrzymuje płytkę drukowaną na miejscu w wytrzymałych, ciężkich wstrząsach i środowiskach o wysokich wibracjach, a jednocześnie została zaprojektowana tak, aby spełniała wymagania SWAP-C.
Tym, co wyróżnia kartę HTS Card-Lok, jest jej profil w kształcie piły, który poprawia kontakt termiczny. Ten ząbkowany profil zapewnia ciągłą i jednolitą powierzchnię wzdłuż płytki PCB / ramy ciepła i zimnej ściany, umożliwiając przepływ ciepła prawie bezpośrednio z płyty do ściany podwozia. Redukując szczeliny i opór cieplny, HTS osiąga nawet o 15% lepszą wydajność cieplną w porównaniu z tradycyjnymi zamkami klinowymi o podobnej wielkości.
Wnioski
Inżynierowie zarządzania ciepłem stoją przed wieloma wyzwaniami. Muszą rozpraszać duże obciążenia cieplne w ograniczonych przestrzeniach, wytrzymać ekstremalne warunki, przestrzegać standardów wytrzymałości i robić to wszystko pod ścisłymi ograniczeniami SWAP-C.
Sukces pochodzi z holistycznego podejścia, łączącego solidną konstrukcję, inteligentne strategie chłodzenia dostosowane do każdego komponentu oraz proaktywne środki, takie jak symulacje i zoptymalizowane układy. Koncentrując się na wydajności, projektanci mogą wydłużyć czas trwania misji i długowieczność urządzenia.
Innowacyjne rozwiązania, takie jak HTS Card-Lok, przyspieszają wydajność cieplną w ramach konstrukcji przyjaznych dla Swap. Uzbrojeni w te najlepsze praktyki i nowe technologie, inżynierowie są lepiej przygotowani do pokonywania wyzwań termicznych i utrzymania niezawodnego działania systemów bezzałogowych w każdym środowisku.