Optimising thermal management in UAVs and RAS
Obemannade luftfartyg (UAV) och robotik och autonoma system (ras) packar kraftfull elektronik i trånga utrymmen, och att hålla dessa system svala i tuffa miljöer är en alltmer kritisk teknisk utmaning.
UAV och autonoma robotar kräver processorer, sensorer och kraftelektronik för att fungera effektivt, men all den datorkraft som packas i drönare eller robotar producerar intensiv värme. Denna högdensitetsförpackning av elektronik innebär att värmehantering är verksamhetskritisk, eftersom fordon kommer att bli värdelösa om komponenter överhettas.
UAV: S vågar också ofta in i extrema miljöer, från heta öknar till hög höjd kall luft, så deras termiska konstruktioner måste rymma detta intervall. Enligt Matt Tarney, global vertikal tillväxtledare för flyg- och försvarsindustrin på nVent SCHROFF: Höga externa temperaturer kan ytterligare bidra till intern värme, påskynda batteriets nedbrytning och orsaka komponentfel, medan extrem kyla också kan minska batteriets effektivitet och andra mekaniska komponenters prestanda.
Höjd är en annan faktor, eftersom luft på hög höjd ger mindre konvektiv kylning, vilket gör att elektroniken blir varmare för en given effektnivå. Vid drift på hög höjd resulterar minskad luftdensitet i mindre effektiv värmeöverföring, vilket leder till förhöjda temperaturer i utrustningen. Ingenjörer måste ta hänsyn till detta genom att nedgradera komponenter eller förbättra andra kylmetoder när UAV flyger högt.
Utöver temperaturen utgör föroreningar ytterligare utmaningar. Damm, sand och fukt kan infiltrera kylningsvägarna. Tarney anteckningar: Fukt och skräp kan skada elektroniken om kylningen är beroende av öppna eller ventilerade höljen, eftersom damm och fukt tränger in mer. Det innebär att slutna kapslingar och filter ofta är nödvändiga för att skydda känsliga kretsar.
Design för robusthet: Mil Specs och swap-C
termisk hantering för UAV / ras måste ta hänsyn till stötar, vibrationer och andra miljöpåfrestningar som är vanliga i militära eller industriella applikationer.
– Termiska hanteringssystem bör utformas enligt mil-DTL-901E (adressering av chock och termisk robusthet) och mil-STD-810F för vibrationstålighet, förklarar Tarney. Överensstämmelse med dessa mil-specifikationer säkerställer att kylflänsar, kalla plattor och höljen förblir effektiva under stötar, G-krafter och konstanta vibrationer.
Storlek, vikt, effekt och kostnad (swap-C) måste också beaktas i produktdesignen eftersom UAV-applikationer kommer att ha ytterligare begränsningar på grund av systemets kompakta layout och lastkapacitet. Detta resulterar ofta i att designers föredrar passiv kylning, vilket ger minimal vikt och kräver ingen ström, och noggrant väljer material som maximerar värmeöverföringen per massenhet. Swap överväganden är en drivkraft bakom innovation i högeffektiva värmespridare, lätta värmeväxlare och multifunktionella strukturer som minskar vikten.
Materialval är ett sätt att uppfylla både mil-standarder och swap-mål. Till exempel kan användning av beläggningar med hög värmeledningsförmåga eller legeringar, såsom chem filmbeläggningar på aluminium, förbättra värmeavledning utan skrymmande delar. Passiva lösningar, såsom ledning till flygplanskroppen eller strålning, föredras för sin enkelhet och noll strömförbrukning. Aktiva lösningar används endast när det är nödvändigt för enheter med hög värme.
Anpassning till olika kylbehov
Kylningsstrategierna måste anpassas till komponentens behov. Högpresterande processorer och AI-beräkningsmoduler kan dra hundratals watt, så de kräver ofta mer aktiva kyltekniker som forcerad luft- eller vätskekylning. Ingenjörer kan använda kylflänsar med fläktar, värmerör eller miniatyrvätskekylningsslingor för att dra värme bort från en UAV: S centrala processor under tunga beräkningsbelastningar.
Däremot genererar många sensorer och avionikmoduler mindre värme, vilket passiv kylning kan hantera, men är mer känsliga för miljöförhållanden. Det kan innebära att sensorer monteras bort från het elektronik, att termiska gränssnittsmaterial används för att minimera temperatursvängningar eller att sensorn isoleras från resten av systemet. Avkänningselement måste hålla sig inom sitt optimala temperaturområde för noggrannhet och livslängd, även om det innebär att de får en egen kylningsstrategi separat från processorer med hög effekt.
Innovativa lösningar: HTS Card-Lok Card-Lok Card-
Lok (killås) är en klämma som säkrar ett kretskort inuti chassit och underlättar värmeflödet till chassits sidovägg/kalla vägg. HTS-serien är en nästa generations design som säkert håller kretskortet på plats i robusta, kraftiga stötar och höga vibrationsmiljöer samtidigt som den är utformad för att uppfylla swap-C-kraven.
Det som skiljer HTS Card-Lok från mängden är den sågtandsformade profilen som förbättrar värmekontakten. Denna räfflade profil ger en kontinuerlig och enhetlig yta längs PCB/värmeramen och den kalla väggen, vilket gör att värmen kan strömma nästan direkt ut ur kortet in i chassiväggen. Genom att minska spalter och värmebeständighet uppnår HTS upp till 15 % förbättrad termisk prestanda jämfört med liknande stora traditionella killås.
Slutsats
Värmehanteringsingenjörer står inför många utmaningar. De måste avleda stora värmebelastningar i trånga utrymmen, tåla extrema miljöer, följa standarder för tålighet och göra allt under snäva swap-C-begränsningar.
Framgång kommer från en helhetssyn som kombinerar robust design, smarta kylstrategier skräddarsydda för varje komponent och proaktiva åtgärder som simuleringar och optimerade layouter. Genom att fokusera på effektivitet kan konstruktörer förlänga uppdragets varaktighet och enheternas livslängd.
Innovativa lösningar som HTS Card-Lok accelererar termisk prestanda inom swap-vänliga konstruktioner. Beväpnade med dessa bästa metoder och ny teknik är ingenjörer bättre rustade att övervinna termiska utmaningar och hålla obemannade system som fungerar tillförlitligt i alla miljöer.