ככל שטכנולוגיית המל"טים מתקדמת, הביקוש של מערכות אלקטרוניות קומפקטיות ויעילות גדל.לחלוק חום במכשירים הקטנים הללו הוא אתגר קריטי הדורש חומרים חדשניים ופתרונות.ניהול תרמי נכון מבטיח ביצועים אופטימליים, תוחלת חיים ובטיחות של אלקטרוניקה של מזל"טים.עם הגדלת מאגרי חשמל בקרים, ESCs, מצלמות, ומודולי תקשורת, מהנדסים חייבים לעבור מעבר לגישות קירור קונבנציונליות כדי לאמץ חומרים מתקדמים שמתאימים בגודל הדוק, משקל, כוח, כוח ועוצמה (SW) ותקציב.

אתגרים בניהול התרמומלי עבור קומפקטי ד"רונים

(הרכבים הקטנים ביותר לא מאוישים) התאספו מספר מרכיבים בעלי ביצועים גבוהים לנפח שנמדד לעתים קרובות בסנטימטרים מעוקבים.האתגר העיקרי מגיע מהשילוב של FLT:0 גבוה חום פלוקסל 1 ו-FLT:2 מוגבל משטח FLT 3 עבור convection טבעי מקורות חום כוללים:

  • (FLT:0) בקרים ומעבדים: FIRLT:1 , מודרני ARM Cortex ו- STM32 צ'יפס מתפזר כמה וואט, ועם טמפרטורות קירור פעיל יכול לעלות על גבולות בטוחים.
  • (ב) ,0) בקרים המהירים האלקטרומגנטיים (ESCsssuaFLT): 1 PWM מעבר להפסדים וחום התנגדות במעבורת מייצר מקומות חמים מרוכזים.
  • (ב) ,0) ערכות חומר: 1FLT:1 תאים Li-Po לייצר חום במהלך השחרור והטעינה, וטמפרטורות גבוהות מאיצות את ההידרדרות.
  • (FLT:0)Camera ומודולי חיישן:FLT:1, הדמיה גבוהה ברזולוציה גבוהה וחיישנים אינפרא אדום דורשים סביבות תרמיות יציבות עבור דיוק.

שיטות קירור מסורתיות כגון אוהדי אוויר מאולץ משמשים לעתים רחוקות כי הם מוסיפים משקל, לצרוך כוח, וסכן יעילות אווירודינמית. כי הרבה כיור חום מאולץ גם מפר את מגבלות החלל של מסגרת קומפקטית. וכתוצאה מכך, מהנדסים מסתמכים על קיבולת:0passive ניהול תרמיFLT:1 באמצעות חומרים שיכולים להפיץ, לנהל, או לאחסן מאלקטרוניקה רגישה.

מכשול נוסף הוא ה-(FLT:0) יעיל של התרחבות תרמית (CTE) אי-התאמה של FLT:1 (כאשר PCB מחמם, חומרים שונים מתרחבים בקצב שונה, גורם ללחץ מכני על מפרקי מכר ותמותה החזקות.חומרי ממשק תרמי חדשניים (TIM) חייבים להתאים את הזנים הללו תוך שמירה על התנגדות תרמית נמוכה.

חומרים חדשניים בשימוש

כמה חומרים מתקדמים מתעוררים כפתרונות מבטיחים לניהול תרמי באלקטרוניקה של המל"טים.כל אחד מציע תכונות ייחודיות שמטפלים צווארי בקבוק תרמיים ספציפיים.למטה הוא מבט מפורט על הקטגוריות המשפיעות ביותר.

Graphene ו- Carbon-based Materials

(ג'ופן, שכבת פחמן אטומית אחת, מתגאה במבנה התלת מימדי של 0.0) מוליכות תרמית של מעל 5000 W/mKearFLT:1 - יותר מעשר פעמים של נחושת.מבנה הדו-ממדי שלה הופך אותו לקל משקל מאוד, עם צפיפות של רק 0.77 מ"ג / 2 לאפליקציות של מזל"ט, גרפן משמש בדרך כלל בצורת LTF:2 מיוצרת סרטים מקבילים עד כדי לנפח במהירות של גרף חום (או גרף) או גרף גבוה יותר מטבולית (בדרך כלל) או מטבולית (בדרך כלל מטבולית) או מטבולית (או מטבולית) מטבולית של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף (או יותר מטבוליתולעת חום (בדרך כלל) עד לכדי גרף של גרף של גרף (בדרך כלל) עם גרף של גרף (בדרך כלל) עם גרף של גרף של גרף (בדרך כלל) או יותר מטבולית) באופן איטי יותר מטבולית) עם גרף של גרף (בדרך כלל) עם גרף של גרף של גרף של גרף (בדרך כלל) עם זאת, 000

חומר מבוסס פחמן נוסף הוא (FLT:0) nanotubes (CNTs) 1Feloph:1 [כאשר מוצמד אנכי, CNT מערךs יכול להשיג התנהגויות תרמיות של עד 3,000 W / mK בכיוון צירי, מה שהופך אותם מצוינים עבור יישומים ממשק תרמי. CNT מבוסס TIM נחקרים עבור מעבדי מל"טים, שבו הם מתאימים משטח ולהפחית את ההתנגדות העיקרית של אחידה.

מחקר שנערך ב-FLT:0 (NaturesFLT:1) הראה כי קצף גרפן יכול לשמש גם כשקעי חום קלים עם תמיכה מבנית משולבת.

שינוי חומרים (PCMs)

(ב) שינוי חומרים סופגים אנרגיה תרמית במהלך מעברי שלב - בדרך כלל מחוזק לנוזל - ללא עלייה משמעותית בטמפרטורה.הנכס הזה הופך אותם אידיאליים עבור FLT:0buffering תרמי TransientsFLT:1 במהלך התפרצויות בעוצמה גבוהה (למשל, האצה אגרסיבית או מרחף בסביבות חמות).

לדוגמה, שכבה דקה של PCM החל בין בקר טיסה לבין הצלחתו הגדלה יכול לספוג ספייק חום שנמשך כמה דקות. ברגע שהמל"ט חוזר למצבי חשמל נמוכים יותר, PCM מארגן ומשחרר חום מאוחסן למכשול.קיבולת החום המאוחרת של מחשב פרפין טיפוסי מבוסס על פני כ-200-250 kJ/kg. One Practical Limits הוא התנהגות תרמית יחסית (0.

חברות כמו FLT:0 (Phase Change Energy SolutionsFLT:1) מציעים לוחות PCM המיועדים לאלקטרוניקה, אבל יישומי מזל"טים דורשים הפחתה אישית של גורמי צורה קומפקטיים.

Metal Matrix Composites (MMCs)

מתכת ממטריקס מורכב משלב בסיס מתכתי - אלומיניום נפוץ או נחושת - עם חיזוק קרמיקה כגון סיליקון carbide (SiC), אלומיניום nitride (AlN), או חלקיקים יהלומים.התוצאה היא חומר עם FLT:0enhanced מוליכות תרמית FLT:1 ו-FLT:2tunable CTEFLT 3 שיכול להיות מתאים סיליקון או סיליקון;

  • (ב) ⁇ (אלס'י): הכחשה של סיליקון (אלסיום): 0.10.10.1 בערך 3.0 גרם/3, מוליכות תרמית -200 W/mK, ו- CTE ניתן להתאים בין 6-12 ppm/ ° C. אידיאלי עבור לוחות בסיס ומפיצים חום.
  • (ב) ,0) ,Copper-diamond מורכב:FreaLT:1 ; Achieve מוליכות תרמית מעל 600 W/mK עם CTE קרוב לזה של GaN ו- SiC Power Semiconductors.
  • (ב) [15] ,0 (ה-Copper-molybdenum (CuMoura): FLT) מציע ניהול תרמי טוב אך כבד יותר; נפוץ יותר במכ"מים אוויריים מאשר מל"טים צרכניים.

MMCs מיוצרים בדרך כלל באמצעות אבקה מתכתי או חדירה נוזלית, המאפשרת ייצור נטו-שאפ וצמצום המנצ'ינג.הכוח המכאני שלהם תורם גם לשלמות המבנית של מסגרת המל"טים, המאפשר עיצוב רב תפקודי - אותו מרכיב יכול לשמש כיור חום וחבר עומס.

פולימרים מוליכים

(הופנה מהדף ⁇ 0.2 W/mK), אך כאשר הם עמוסים בממלאי התנהגות כמו FLT:0boron nitride (BN) MPEGFLT:1,FLT:2alumina (Al2O3)FLT 3:0boron nitride (BN) {\displaystyle \"מתאים"ל-i"מ}},"ל="מ"מ"מ"מ"מ"ל, ו"מ"מ"מ"ל,"מ"מ"מ"ל,"מ"מ"מ"מ"מ) , ו"מ"מ"ל,"מ"ל,"מ"ל,"מ"מ"ל, ו"מ"מ"ל,"ל, ו"ל,"מ"מ"מ"מ"מ"מ"ל, ו"מ"מ"מ"מ"מ) , ו"מ) ,"מ"מ"מ[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[ה[[

אחד גרסאות מתקדמות משתמש בפולימרים קריסטל (LCPLAC)FLT:1 המורכב סיבים פחמן, השגת 7-10 W/mK. גישה נוספת היא לצרף פולימר מוליכים תרמי סביב הליבה נחושת, יצירת כיור חום היברידי.

חומרים מתעוררים אחרים

(ב) מעבר לארבע קטגוריות עיקריות, חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים את FLT:0 (0) מתכת TIMsFelosFelosFelod מתכת TIMsFelosFLT:1 ; ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

יתרונות השימוש בחומרים חדשניים

יישום חומרים אלה מציע כמה יתרונות המשפיעים ישירות על ביצועי הרחפנים ועל אמינותם.

גודל מופחת ומשקל

חומרים כמו סרטי גרפן ו- MMC בסיס לוחות מאפשרים למהנדסים להסיר כיור חום מסיבי, מלוטש. a גרפן חום מתפשט עם עובי של 50-100 מיקרומטר יכול להחליף צלחת 2 מ"מ אלומיניום, לחסוך גרם למרכיב.ב £ 500, כל גרם הציל להאריך את הזמן על ידי 1-2 שניות לדקה של מרחף.

גם חומרי שינוי שלב מבטלים את הצורך במערכות קירור פעילות כבדות.חבילה של מחשבי PCM במשקל 5 גרם יכולה לספוג דופק חום שווה ערך ל 10 גרם של כיור חום נחושת במצב יציב, אך רק במהלך הספיקים הטרנסנדנטליים – כך משקל ממוצע נמוך יותר.

יעילות וגמישות מוגברת

העברה טובה יותר של חום שומרת על טרנזירים ומעבדים הפועלים בטווח הטמפרטורה הדירוג שלהם, צמצום זרמי הדלפה ורעש אות.לדוגמה, התפשטות חום יעילה ב- ESC יכולה להוריד את התנגדות MOSFET (Rds(on) ב 10-20%, צמצום הפסדי I2R. Cooler גם מרחיב את חיי הציפוי אלקטרוליטי וצומתי למחצה - כלל של כל אגודל כפול של רכיבים אלקטרוניים.

במערכות מצלמה, תנאים תרמיים מייצבים מונעים סחף של חיישן תמונה ולהפחית רעש נוכחי כהה, המאפשרת photogrammetry באיכות גבוהה יותר ודימות תרמיות. ניהול תרמי אמין הוא קריטי במיוחד עבור מל"טים המשמשים בחיפוש והצלה, שבו ביצועים עקביים הם לא ניתן להשגה.

חיסכון באנרגיה ומבצע פסיבי

חומרים תרמיים פסיביים לצרוך אפס כוח נוסף.על ידי ניגודיות, אוהדים פעילים עשויים לצייר 0.5-2 W ולהגדיל את ניקוז הסוללה.בטיסה של 5 דקות, מעריץ קירור 1 W יהיה מרוקן בערך 83 mAh מסוללה טיפוסית 3000 mAh.מעל מחזורים רבים, כוח זה מוקצה טוב יותר להנעה או תשלום. PCMs וגמישות גבוהה לנהל חום ללא כל חלקי תנועה, לתרום יעילות כוללת עבור רחפן השמש.

יציבות והתנגדות סביבתית

חומרים מתקדמים הם לעתים קרובות יותר חזקים בסביבות קשות.ממטריקס מתכת ממתחרים נגד קורוזיה טוב יותר מאשר אלומיניום טהור.סרטים Graphene הם אינרטי כימית ויכולים לעמוד לחות גבוהה. PCMs, כאשר מבודד כראוי, לשרוד מחזורים תרמיים רבים ללא השפלה. , פולימרים מוליכים למחצה לא להפגין קורוזיציה גליונית כאשר במגע עם תכונות אלה להאריך את החיים התפעוליים של מזל"מים תפעוליים, או מצבי לחות גבוהה.

יתר על כן, רבים מהחומרים הללו תואמים ציפויים ותרכובות מתפתלות, ומאפשרים לרחפנים להיות חתומה נגד מים בתוקפנות, בעודם מתפזרים חום ביעילות.

דרישות יישום וסחר-offs

בעוד החומרים מציעים יתרונות ברורים, מהנדסים חייבים לשקול עלות, יכולת אדם, ומורכבות שילוב.סרטי Graphene עדיין יקרים לייצר באזורים גדולים - אחד-layer חום התפשטות עבור לוח רחפנים עשוי לעלות 1-3 דולר ליחידה, בהשוואה לעטים עבור חותמת אלומיניום. PCMs דורשים בחירה זהירה של נקודת נמס (בדרך כלל 45-65 מעלות עבור אלקטרוניקה) וכוללים כדי למנוע דליפות.

עוד סחר-off הוא מוליכות חשמלית. Graphene ו- CNTs הם מוליכים חשמלית, כך שהם חייבים להיות מבודדים מבחינה חשמלית מעגלים חיים אלא אם כן בשימוש במכוון כמו מטוסים קרקעיים תרמיים. פולימרים מוליכים למחצה המשמשים אלומיניום או ברון נשאר אינסטלטיבי, מה שהופך אותם בטוח יותר עבור מגע ישיר עם מפרקים מוכרים.

תוכנת סימולציה תרמית (למשל, ANSYS Icepak, COMSOL) חיונית כדי מודל מחסניות מרובות שכבות אלה ואופטימיזציה של מיקום חומרי. Prototyping עם כריות תרמיות מדף וסרטים יכול לאמת את העיצוב לפני השקעה במפרקים מותאם אישית.

פרספקטיבה עתידית

המחקר ממשיך להתקדם בתחום של חומרי ניהול תרמיים.שלב חומרים חדשניים רבים במערכות היברידיות עשוי להציע ביצועים טובים יותר.כפי שיישומים של מזל"ט מתרחבים למשלוח, מעקב ובקרה סביבתיים, החשיבות של פתרונות ניהול תרמי יעיל רק יגדל.

מבנים רב-תפקודיים היברידיים

אחד הכיוונים המבטיחים הוא (FLT:0) ניהול תרמי של ניהול תרמיל אנדלוסית 1 (FLT:1), שבו מסגרת המל"ט עצמה הופכת להיות הכיור החום. לדוגמה, סיבים פחמן מוצצים עם סיבים בעלי ביצועים גבוהים יחסית יכול לנהל חום מאלקטרוניקה רכוב על המסגרת אל פני השטח האוויר כולו.

AI-Driven Thermal control

עם עליית AI קצה ברחפנים, ניהול תרמי יכול להיות הסתגלות.חיישנים יכולים לפקח על טמפרטורות צומת וחיזוי דפוסים עומס באמצעות למידת מכונה, ולאחר מכן להתאים באופן דינמי את הפרמטרים טיסה (למשל, צמצום כוח במערכות לא קריטיות) כדי להישאר בתוך גבולות תרמיים.חומרים כמו PCM מאפשר שינוי זמן של עומסי חום, ו- AI יכול לקבוע משימות אגרסיביות כדי למנוע לנטרל מתח תרמי.

חומרים בר קיימא

תעשיית המל"טים נעה גם כלפי פתרונות ירוקים יותר.חומרי שינוי בשלב הביולוגי (למשל שמן קוקוס, השעווה כף יד) נחקרים כתחליף לפריפין מבוסס נפט.מממחזרים סיבי פחמן וגרפן מגרף פסולת הם צוברים מתח.נמוך, ייצור מדרגי ביצועים תרמיים יהפוך את הגישה לדמוקרטית עבור יצרניות קטנות, אימוץ המוני.

לסיכום, חומרים חדשניים אינם רק הפסקת-החל אלא עמוד יסוד עבור המל"טים הדור הבא. Graphene, PCMs, MMCs, פולימרים מוליכים תרמיים כל מציעים יכולות ייחודיות, אשר, כאשר משולבים כראוי, לפתור את האתגרים התרמיים של אלקטרוניקה קומפקטית. כמו הטכנולוגיה הבוגרת, חומרים אלה יאפשרו מזל"טים עם צפיפות כוח גבוהה יותר, סיבולת טיסה ואמינות גדולה יותר - מאיץ את התפקיד של רחפנים החל מ- UAV"מ החל מ-בפיתוח של CMIBS.