基于相变材料 的核救灾机器人电子件热防护研究

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基于应急救援的机器人设计研究

基于应急救援的机器人设计研究

基于应急救援的机器人设计研究摘要:随着科技的不断进步和人们对生命安全的严重关注,援救机器人在应用领域方面也有了很大的发展空间。

援救机器人是一种能够在危险环境下执行任务,提供救援及支援服务的机器人。

本文所设计的应急救援机器人使用同轴麦轮作为机械的移动的底盘。

能适应绝大多数地形。

并且能够很好的通过较为狭小的过道。

自适应能力极强。

底盘采用高度结构化。

更易于维修和拆卸。

机器人采用ABBIRB460机械臂。

结构简单方便,工作效率高,采用快拆设计,通过两颗螺丝更换更多类型机械爪,实现更多功能。

机器人整体体积不大易于搬运且结构化易于拆卸和维修。

最后使用DR16作为接收器。

接受范围广。

可在一公里以外进行遥控,信号稳定且价格实惠。

关键词:结构化;救援;机器人;引言:目前,援救机器人广泛应用于自然灾害、人工灾害、救援等领域在现代社会发展的进程中,人们的生活方式、生存环境和风险事件变得越来越复杂和多元化,同时人类也缺少对应的应急救援技术和设备,如遭受自然灾害、肆意街头暴力、特大传染病、恐怖袭击等各种突发事件。

在应对这些突发事件时,应急救援机器人的角色变得越来越重要,但是当前市场上缺少满足应急救援的特种车辆,在这样的背景下,开发应急救援机器人项目势在必行。

一、应急救援机器人结构设计1.应急救援小车核心参数重量、尺寸等,其中尺寸和重心高度可参考1表。

表1应急救援机器人核心参数名称参数重量(kg)17.8长、宽、高(mm)810.510.430重心高度(mm)170机械臂自由度3移动速度(m/s)前进:3.9平移:3.2最大上坡度数(°)纵向:15横向:142.底盘部分小车底盘使用四麦克纳姆轮共轴结构,每个麦克纳姆轮由单独的3508电机进行驱动。

轮组形式为电机-联轴器-麦轮。

根据测量,单个轮组宽度约为130mm。

因此四麦轮并排排布所需宽度约为520mm,小于最大宽度 1200mm。

因此理论上可以使用普通麦轮进行设计。

航天器热防护材料研究现状与发展趋势

航天器热防护材料研究现状与发展趋势

*西北工业大学博士论文创新基金资助(CX200405)石振海:1960年生,博士研究生,主要从事热防护材料的研究 T el:029 ******** E mail:shizhenhai9307@航天器热防护材料研究现状与发展趋势*石振海,李克智,李贺军,田 卓(西北工业大学材料学院,西安710072)摘要 热防护系统中所采用的多层复合热防护材料的层间界面结合和小块材料之间的连接对航天器的可靠性有很大影响,目前二者都存在一定的缺陷。

依据功能梯度材料和C/C 复合材料的理论,将高导热率碳泡沫和低导热率碳微球设计成密度和热导率功能梯度热防护碳泡沫材料,使其具备组分之间无层间界面和小块材料间易于连接等特点。

关键词 热防护材料 碳泡沫 功能梯度材料 C/C 复合材料Research Status and Application Advance of Heat ResistantMaterials for Space VehiclesSH I Zhenhai,LI Kezhi,LI Hejun,T IAN Zhuo(Schoo l of M aterials Science,N o rthwester n P olytechnical U niver sity,Xi an 710072)Abstract T he reliability o f space v ehicles is much affected by the inter face bonding of multilayer heat resist ant mater ials and t he joining of smaller mater ials in the ther mal prot ection sy st em.Ho wev er,ther e ar e defect s in bothaspects.Based on the theo ries concerning funct ional g radient mater ials and C/C composit es,a way is desig ned to pre par e a functional gr adient carbon foam w ith density and heat conductiv ity for ther mal pr otection from the car bon foam with hig h heat conductivity and the carbon microsphere with low heat conductivity.T he advantag es of the newly designed material lie in that there are no interfaces between layers of materials and smaller pieces of materials ar e easy to join.Key words heat r esistant mater ial,carbon foam,functio nal gr adient mater ial,C/C composites1 航天器的热防护系统和热防护材料热防护系统(T her mal pr otectio n sy st em,简称T PS)是各国正在研制的可重复使用于航天(空天)飞行器上的关键部件之一[1,2]。

航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展

航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展

低密度烧蚀防热材料的制备方法 和技术
低密度烧蚀防热材料的制备方法主要包括液态金属制备、多相反应合成和原 位生长等。液态金属制备法是将金属溶液与基体混合,经过凝固、烧结等工序制 备得到低密度烧蚀防热材料;多相反应合成法是采用多种反应体系在一定条件下 进行反应,
形成具有优异防热性能的复合材料;原位生长法则是利用某些原材料在基体 中发生原位反应,形成具有特定结构和性能的烧蚀防热材料。
总之,航天飞行器热防护相变发汗冷却技术的研究取得了一系列重要进展, 但仍存在一些挑战和问题需要进一步解决。例如,对于相变材料的循环稳定性和 长期使用性能的研究尚不充分;冷却系统整体性能的提升也需要进一步优化设计。
未来,研究者们需要针对这些问题开展深入研究,推动相变发汗冷却技术的 进一步发展与应用。
航天飞行器热防护相变发汗冷 却研究进展
基本内容
随着航天技术的飞速发展,航天飞行器的性能和速度不断提升,但同时也面 临着更为严酷的热环境挑战。为了确保航天飞行器的安全可靠运行,热防护技术 成为了至关重要的一环。相变发汗冷却作为一种新型的热防护技术,近年来受到 了广泛。
本次演示将围绕航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展展开讨论。
发展趋势
随着科技的不断进步,航天飞行器热防护系统将迎来新的发展机遇。首先, 新型高温隔热材料的研究将取得重要进展,如具有抗氧化、耐高温、轻质等特点 的陶瓷隔热材料和金属基复合材料等。其次,多种热防护系统的组合使用将成为 一个重要趋势,
例如将隔热材料与辐射器、热管等联合使用,以提高整体防护效果。
低密度烧蚀防热材料的研究现状
低密度烧蚀防热材料是一种以烧蚀作用为主,具有较低密度的防热材料。随 着航天技术的快速发展,对航天飞行器的热防护系统提出了更高的要求,低密度 烧蚀防热材料的出现为解决这一问题提供了有效途径。

基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展

基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展

化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2022年第41卷第3期基于相变储热技术的电池热管理系统研究进展罗明昀1,凌子夜1,2,方晓明1,2,张正国1,2(1华南理工大学化学与化工学院,传热强化与过程节能教育部重点实验室,广东广州510640;2广东省热能高效储存与利用工程技术研究中心,广东广州510640)摘要:动力电池的最佳工作温度范围为20~50℃,因此热管理系统是其运行过程中不可分割的一部分。

相变储热材料在发生相变时可以吸收或释放大量的热量并且温度基本保持不变,在电池热管理中得到广泛应用。

本文综述了国内外基于相变储热技术的电池热管理系统的研究进展,主要介绍了基于相变材料的被动式热管理系统、主动式热管理系统以及主动式和被动相结合的耦合式热管理系统。

综合来看,复合相变材料形状稳定性好、热导率高,可以有效地降低电池组的温度,提高电池组的温度均匀性。

导电复合相变材料的电热转换特性还可用于低温下快速加热电池,实现加热-冷却一体化。

然而在相变材料被动式热管理系统中,相变材料吸收的热量无法及时释放出去,热量的堆积会造成系统失效。

将主动散热技术与相变材料耦合得到的耦合式热管理系统具有更好的控温性能、稳定性和安全性。

此外,相变乳液以及相变微胶囊浆液具有比热容大、可相变等优点,替代水作为电池热管理系统的冷却介质可以获得更好的温度均匀性和更低的功耗。

但相变乳液本身的稳定性差、过冷度大等问题亟需解决。

总之,电池在高温和低温下都需要进行有效地温控,相变材料如何解决电池全温度段的热管理还值得进一步研究。

关键词:复合相变材料;动力电池;热管理系统;微通道冷却;相变乳液中图分类号:TK02文献标志码:A文章编号:1000-6613(2022)03-1594-14Research progress of battery thermal management system based onphase change heat storage technologyLUO Mingyun 1,LING Ziye 1,2,FANG Xiaoming 1,2,ZHANG Zhengguo 1,2(1Key Laboratory of Enhanced Heat Transfer and Energy Conservation,The Ministry of Education,School of Chemistry and Chemical Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,Guangdong,China;2GuangdongEngineering Technology Research Center of Efficient Heat Storage and Application,Guangzhou 510640,Guangdong,China)Abstract:Thermal management system is essential for power batteries to ensure their optimal operation temperature range of 20—50℃.Phase change materials (PCM)can absorb or release a lot of heat while keep the temperature unchanged by phase change,and have been widely used in battery thermal management.This paper reviews the research progress of battery thermal management systems based on phase change heat storage technology,mainly introducing the passive thermal management system,active thermal management system,and thermal management system coupled with active heat dissipation and phase change.As a result,composite PCMs have good shape stability,high thermal conductivity that can特约评述DOI :10.16085/j.issn.1000-6613.2021-2278收稿日期:2021-11-08;修改稿日期:2021-12-25。

中国空间站相关零件对应的技术

中国空间站相关零件对应的技术

中国空间站相关零件对应的技术1、用于“天和”核心舱电推进系统霍尔推力器的氮化硼陶瓷基复合材料电推进系统。

氮化硼陶瓷基复合材料电推进系统又称电火箭发动机,是一种先进的空间推进技术,其中的霍尔推进器可以依靠强磁场和电场,利用离子流和电场形成了霍尔效应。

这种装置不需要使用燃料,仅利用电能喷出的离子流为核心舱提供动力。

而霍尔推力器中等离子体的电离、加速均在由氮化硼陶瓷基复合材料做成的放电腔中完成,因此放电腔可以比喻成霍尔推力器的“心脏”。

据报道,中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心陈继新副研究员团队通过研制具备高强度、抗热震、绝缘性能好等优点的氮化硼基复合材料,攻克了普通氮化硼陶瓷材料强度低和抗离子溅射能力差等缺点,使其能够广泛应用在重大航天计划中,满足了航天器对陶瓷腔体材料的高要求。

更多精彩内容请关注公众号前沿材料。

2、用于空间站太阳翼伸展机构关键部件的高性能碳化硅颗粒增强铝基复合材料。

我国的空间站有两对单翼翼展约30米的柔性太阳翼。

它们与双轴对日定向机构、高效能锂离子电池等一起,构成了空间站的电源系统,能够为空间站提供可靠、充足的不间断供电。

据报道,“天和”核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼,双翼展开面积可达134平方米。

与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比,柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高,单翼即可为空间站提供9千瓦的电能,在满足舱内所有设备正常运转的同时,也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。

据报道,中科院金属所师昌绪先进材料创新中心马宗义团队研制的高性能碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiC/Al)成功应用于空间站太阳翼伸展机构关键部件,为太阳翼的顺利展开保驾护航。

目前该团队已为空间站电源系统提供了十余批次产品。

此外,马宗义团队所制备的铝基碳化硅复合材料已多次应用于我国各项航天任务中,包括:嫦娥五号月球钻取采样机构中的关键部件—钻杆及其结构件、“天问一号”火星探测器和“祝融号”火星车的关键结构材料(来源:新华社、中科院金属所官网、金属所金属基复合材料&特种焊接与加工研究团队官网)3、用于“天和”核心舱推进系统热控的多种铠装热控器件空间站热控系统。

基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究共3篇

基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究共3篇

基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究共3篇基于相变材料的锂离子电池热管理系统研究1锂离子电池是目前应用最广的可充电电池之一,本身具有高能量密度、长周期寿命、绿色环保等优点,因此被广泛应用在手机、笔记本电脑、电动汽车等领域。

然而,锂离子电池在使用过程中会产生热量,一旦过热将直接导致电化学反应速率快速增加,进而引起电池失效或火灾等严重后果。

如何对锂离子电池的热管理进行合理优化,成为当前研究的热点问题之一。

相变材料是一种新型的热管理材料,具有显著的热稳定性和储热性能,适用于锂离子电池热管理。

相变材料能够在磁或热作用下发生相变,从而在物理上处于一个不稳定的状态,由于外部环境情况发生变化,相变材料产生的温度变化将能够对系统进行热稳定化和温度均衡调节,从而达到锂离子电池热管理的目的。

相变材料的热管理应用在锂离子电池研究中被广泛关注。

研究表明,利用相变材料作为热管理材料,能够对锂离子电池的热稳定性能进行有效提升,在实验室条件下,通过采用相变材料进行电池热管理,电池的温度变化范围被有效限制。

同时,通过控制相变材料的种类、组织形态等参数,进一步实现了热量的实时调节。

相比于传统的热管理材料,相变材料具有更为优越的性能,可以大幅度改善锂离子电池的安全性和性能稳定性。

然而,目前还存在一些需要解决的问题。

相变材料的热设计和热能储存效率仍有待进一步提高。

同时,相变材料的选择应该根据不同类型锂离子电池的特点进行定制化设计,以此达到最佳的热管理效果。

综上所述,基于相变材料的锂离子电池热管理系统具有很大的应用前景,能够提高锂离子电池的热稳定性和安全性。

随着人工智能、新能源、新兴材料等技术的不断发展,锂离子电池的应用领域将进一步扩大,相变材料在锂离子电池领域的应用将更加广阔和深入基于相变材料的锂离子电池热管理系统是提高锂离子电池热稳定性和安全性的有效途径。

尽管仍存在问题,例如热设计和储能效率需要提高,选择应根据不同类型电池特点进行定制化设计等,但是相变材料在锂离子电池领域的应用潜力巨大。

锂离子动力电池系统热失控抑制技术和热防护设计综述

锂离子动力电池系统热失控抑制技术和热防护设计综述

工艺设计改造及检测检修China Science & Technology Overview0.引言安全性是电动汽车动力电池设计的核心性能之一,随着电动汽车保有量的快速增长,电池安全事故明显增加,成为社会关注热点。

中国电动汽车百人会(China EV100)研究统计结果-《2019电动汽车安全报告》、中国新能源汽车评价规程(CEVE)发布的《2019年动力电池安全性研究报告》以及新能源汽车国家大数据联盟(NDANEV)发布的《新能源汽车国家监管平台大数据安全监管成果报告》均指出由动力电池热失效造成的烧车事故呈连年上升趋势,电池安全问题成为制约新能源汽车产业发展的关键因素[1-3]。

国标《电动汽车用动力蓄电池安全要求》也对动力电池热安全防护提出了强制要求[4]。

当前电动汽车动力电池系统持续向高比能量和集成化发展为电池安全设计带来挑战。

当前电池材料体系无重大突破,即电池本征安全短时间内无法明显改善,为满足电池安全性能要求必须对电池系统进行合理的热防护设计或应用热失控抑制手段。

本文通过总结梳理现有电池系统热防护设计思路,针对不同电芯热扩散路径和热失控特点,从电芯间热防护、模组间热防护和电池系统整包热防护3个层面解析了热防护材料和热设计方案。

此外还综合评估了紧急冷却、全氟己酮喷射、气溶胶和冷媒直冷等热失控抑制技术在电池系统上的应用。

1.电池系统热防护设计1.1电芯间热防护设计如图1所示目前消费类锂离子电芯主要有扣式、圆柱形、薄板型(软包)、方形4种形式,其中电动汽车主要用到的是圆柱形、薄板型(软包)、方形电芯,根据电芯形式不同,需针对性设计电芯间热防护方案。

圆柱电池一般采用极片卷绕方式,由于体表面积较大,散热性能要优于方型电池[5]。

此外,圆柱形电池可依据具体需求而进行多种形式的组合,便于电池包空间的充分布局。

圆柱形电池的电芯间热防护方案一般采用灌封胶或结构胶如图2(a)中灰色部分所示。

每个电芯周围使用阻燃结构胶材料进行填充,当某个电芯发生热失控后热量被约束在热失控电芯内,避免扩散至周围电芯从而阻断热失控连锁反应。

国内外相变储能材料技术现状及应用情况研究综述

国内外相变储能材料技术现状及应用情况研究综述

0 引言能源是社会发展的重要物质基础,是经济的主要驱动力之一[1]。

不可再生资源的不断枯竭和全球变暖的不断升级,迫使趋势转向使用可持续能源[2,3]。

因此,进行可再生能源开发势在必行。

研究充放效率高的储热、储电系统是推动可再生能源普及应用的必经环节[4,5]。

据统计,目前全球18%以上的能源消耗来自可再生能源[6]。

长远看来,可再生能源由于其可持续性、环境友好性而比传统化石能源更具应用前景[7]。

然而,可再生能源也面临亟待解决的问题,特别是以风光为主的间歇性能源,其自然脉动性与人类社会活动的24小时能源供应需求相违背,需配置储能手段来平抑能源供给侧与需求侧的波动[8]。

在热能制取与利用领域,通过将热能储存(Thermal Energy Storage,TES)应用于高效和清洁的能源系统,可以最大限度地减少对二次能源/化石燃料的依赖,从而提高可再生能源热能的可靠性[12,13]。

此外,TES系统可以储存多余的能源,并通过在电力需求高峰期间交付来弥补供需缺口[14,15]。

国内外能源技术领域正在努力从可再生能源中获得更稳定、更高效、全天候的能源供给[16]。

1 热能储存TES通过Web of Science对TES相变材料进行了全面的文献调查,在过去的30年里,共统计出4300多篇关于材料、组件、系统、应用、发展等基础科学/化学的研究论文。

如图1(a)所示,近10多年来,TES材料的研究非常活跃。

此外,TES 材料也获得了市场认可,一些组织对相关技术申请了专利保护[见图1(b)],从文献和专利增长情况来看,储热行业发展增速较为迅猛[17-18]。

用于潜热储热(LHTES)的材料称为相变材料(Phase Change Materials,PCM)[19],在相变过程中具有恒定温度进行吸收和释放热量的能力[20]。

PCM的分类和相关应用情况如图2所示,组成成分多样,可以是有机、无机或共晶混合物。

通过将PCM配置进TES系统,可有效地利用其相变过程进行热量储存与馈出,通过控制系统的运行参数可以满足热负荷。

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华东理工大学博士学位论文第I页基于相变材料的核救灾机器人电子器件热防护研究摘要核电站事故现场除了出现大量射线外,还会伴随高温、高湿、粉尘、酸性等恶劣条件,核救灾机器人是能代替人类进入事故现场实施紧急任务的唯一选择。

核救灾机器人除了要有极高的耐辐射性能,对热防护也提出了很高的要求。

机器人需要携带大量的电子器件,为了减轻本体重量,其内部空间极为紧凑,器件还会受到高温和金属辐照热效应的影响,导致电子器件温度过高使系统过早失效。

因此建立可靠有效的热防护系统是核救灾机器人进入现场开展工作的前提。

本论文针对核事故环境下的特殊温度条件,以伺服电机驱动器为例,提出一种基于相变材料被动吸热的核救灾机器人电子器件热防护方法,考察了基于相变材料的电子器件热防护系统中相变材料、系统相关尺寸、器件发热功率等参数,探讨了纳米掺杂对相变材料热物性的影响,分别针对常温和高温两种情况进行了系统防护方案的考察与评估。

论文主要研究内容与结论如下:(1)常温环境双驱动器热防护系统设计、实验与数值模拟研究针对双驱动器的热防护要求,设计了由金属支架和填装相变材料的散热器组成,采用滑槽式安装方式的热防护系统。

通过对相变温度、潜热、耐辐射性能的考察,确定选用44#相变材料作为实验用相变材料的方案。

对防护系统结构参数与热控时间关系的考察发现,与在散热器中添加翅片相比,基于相变材料的无翅片散热器在热防护过程中能使器件保持更低温度,保证器件在最佳工作温度范围保持最长时间(延长12倍工作时长)。

系统的热控时间随相变材料质量的增加基本呈线性增长趋势。

器件的安全工作时长与发热输出功率(5.57 W、6.28 W、7.04 W、7.85 W和8.7 W)呈线性递减关系。

通过热阻模型分析以及Fluent软件模拟相变系统固-液熔化过程,发现空气层的存在延缓了相变材料的熔化,阻碍了相变材料的吸热,通过相变材料导热增强可以弥补空气层的传热抑制作用。

(2)热防护系统导热增强对热控效果的研究对比三种孔隙率相似、孔密度不同(5 PPI、10 PPI、20 PPI)的铜泡沫金属的添加效果,发现在散热器中的泡沫金属强化了传热,并且泡沫金属孔密度越大传热增强效果越明显,但是热防护效果较差。

孔密度为5 PPI的泡沫金属系统拥有长于只有相变材料的散热器的温控时间,而20 PPI的泡沫金属系统温控时间短于相变材料散热器的温控时间。

此外,实验对比了多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料(质量分数为0%、0.08%、2%和5%)对系统的热控效果,发现添加2%碳纳米管的相变材料热控结果最好,可使安全工作时间控制在97 min,比未添加碳纳米管的相变材料系统延长了30 min。

由于碳纳米管质量更轻,所占体积更小,因此,对于设计的双驱动器热防护系统,碳纳米掺杂的导热增强方式优于添加泡沫金属的方式。

第II页华东理工大学博士学位论文(3)高温环境热防护系统设计与实验研究针对高温环境下驱动器的热防护需求,以隔热和吸热双重防护的思路设计了驱动器的热防护系统,并对多驱动器温度均匀性、发热功率、环境温度等参数进行考察。

该热防护系统可以使驱动器的发热表面温差控制在1 o C以内,器件最佳工作时长和相变时长均随输入功率增加而呈下降趋势。

实验结果表明,相比单纯使用铝合金支撑架结构,实验环境温度为100 o C时,填装相变材料使双驱动器的工作时间有效延长了34 min,6驱动器的工作时间可达164.3 min。

当环境温度小于50 o C时,可以保证驱动器工作长达180 min以上。

热量评估计算发现,相变材料在180 min内在热防护系统中起决定性作用,可以吸收系统内总热量的56%。

而通过隔热层进入到系统内的热量会随着时间的增加逐渐积累,传入系统的热量达63%。

因此隔热层的绝热特性提升将使热控系统的温控效果更佳。

(4)多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料性能研究采用两步法制备了不同质量分数(0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%)多壁碳纳米管复合的44#相变材料,沉降实验、DSC曲线和温度—时间曲线测试评定表明该多壁碳纳米管掺杂的复合相变材料热稳定性和热分散性良好。

不同的碳纳米管掺杂量对复合相变材料的相变温度影响不大,相变潜热值则随碳纳米管质量分数的增加而线性减小,在0.1%处出现潜热增强现象。

固体复合相变材料的导热系数随着掺杂量的提高而逐渐上升,较纯相变材料导热系数最多提高了61.7%。

复合相变材料的液态导热系数要低于固态时,但当温度在35 o C和45 o C时材料出现导热系数增高的现象,最高值相对固体导热系数分别增长了104.8%和49.0%。

(5)被动热防护系统的应用评估针对多驱动器高温热防护系统开展了应用评估。

针对隔热材料在高温环境下对热防护系统的重要性,从导热系数、使用温度、材料密度、抗辐照性等角度分析说明材料选用原则。

此外,由于重金属屏蔽层在伽马射线辐照条件下的热效应,确定将隔热材料安装在射线屏蔽层内部以减少对电子器件带来的额外的热负担。

根据常温下机器人各部分电子器件的实际发热规律,提出相应的整机热防护对策,并对6足机器人的被动热防护系统的质量和价格评估表明,热控制系统的相变材料和隔热材料重量轻,材料和加工费用低。

为了满足更长时间的任务需求,提出了恢复性任务方案和自适应环境方案两种增加被动热防护系统工作效率的策略。

本论文针对核灾变现场恶劣环境提出了由隔热和吸热结构组成的核救灾机器人的热防护方案,实现了高温(100o C)环境下多驱动器安全工作的目标,且该热防护系统可以在核环境和高温环境多场耦合的条件下实现热控功能。

除了针对在核救灾方面的应用,本研究还可以对核电站日常维护机器人、焊接机器人及消防救灾机器人实施热保护,为恶劣环境工作对象的温度防护研究提供了理论依据和解决方法。

关键词:核救灾机器人;电子器件;热防护;相变材料华东理工大学博士学位论文第III页Phase Change Material based Thermal Management for Electronic Deviceson Nuclear Rescue RobotAbstractThere are a plenty of radiation in the scene of the nuclear accident. Besides, high ambient temperature, high humidity, dust and boracic acid would also accompany with the disaster. The nuclear rescue robot is the only choice to replace the human being for entering the scene of the accident to execute disaster relief missions. Therefore, the robot should not only have a high radiation resistance, but also own a good heat – resistant quality. The inner space of the robot is generally compact for reducing body weight. The thermal problems, which were caused by high temperature environment and radiant heat effect of the metal, would lead to premature failure of electronic devices on nuclear rescue robot. Therefore, developing a reliable thermal protection system is the prerequisite of the normal operation of robot. In view of the special temperature condition in the nuclear accident environment, a thermal control design for electronics on nuclear rescue robot was proposed based on passive energy storage. The parameters of the thermal control system such as types of PCM, size of the heat sink, input power levels were studied. The effect of nanoparticle doping on the thermophysical property of the PCM was researched. Investigation and evaluation on the thermal management scheme were conducted in the cases of room temperature and elevated temperature environment. The main research contents and achieved results are stated as follows:(1) Design, experiments and numerical simulation for the thermal control system of double drivers in room temperatureFor the purpose of safe working, a thermal management system, which was composed of metal support and PCM based heat sink, was put forward. The system was packaged with a chute –form. 44# PCM was selected as the PCM used in experiments after investigating parameters like phase change temperature, latent heat and radiation resistance. It was found that, lower temperature would be acquired by PCM based heat sink without fins compared with the PCM based heat sink with fins, which resulted in extending the safe working time by 12 times. The operating time of electronics increased linearly with the growth of PCM weight, and was a linear decreasing function of input power. The melting process of the PCM system was investigated using thermal resistance model analysis combined with numerical simulation. It was found that the existence of the air layer in the system delayed the melting of the PCM and hindered the heat absorption. The enhancement of thermal conductivity could make up the defects of the air layer.(2) Study on the effect of thermal conductivity enhancement on thermal controlThree kinds of copper metal foams with similar porosity and different pore density of 5 PPI, 10 PPI and 20PPI were adopted to enhance the thermal conductivity of the PCM based heat sink. It can be concluded that better heat conduction would be obtained when a bigger pore density was chosen. However, good heat conduction in the heat sink resulted in a bad thermal protective effect. The metal foam system with copper metal foam of 5 PPI got a slightly better performance than the system used PCM only. The effect of the multi-walled carbon nanotubes (CNTs) doped composite PCMs (mass fraction of 0%, 0.08%, 2% and第IV页华东理工大学博士学位论文0.08%) on the thermal control system was also studied. The thermal control system with 2% CNTs doped PCM got the best results, and made the drivers safely work for 97 min, which was 30 min longer than the system without CNTs. Because the CNTs are much lighter and smaller than the metal foams, it was a better solution for the thermal control system of double drivers to employ CNTs in the thermal management system.(3) System design and experimental study for the thermal control system in high temperature environmentAccording to the idea of double insulation and heat absorption, a thermal management system was designed for high temperature application. The temperature uniformity, heating power and the ambient temperature were studied for an overall understand of the system. Results showed that the temperature difference among each driver could be controlled within 1 o C. The best working hours and phase transition time both got a downward trend with the increase of input power. Compared with the support frame of aluminium alloy, filling PCM in the fame could prolong operating time by 34 min for double drivers, and make six drivers safely work for 164.3 min in experimental environment of 100 o C. When the environment temperature was lower than 50 o C, the drivers were able to operate more than 180 min. According to the heat calculation of system, it can be seen that PCM absorbed 56% of total heat, and played an indispensable role in thermal control. Enhancing the heat-shielding performance is supposed to further improve the thermal control ability of the airtight thermal controller.(4) Performance study of multiwall CNTs doped composite PCMsMultiwall CNTs doped composite PCMs with different mass fraction (0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%) were prepared by two-step method. The thermal stability and dispersion of the composite PCMs were evaluated by sedimentation test, DSC measurement and temperature - time curve test. The amount of carbon nanotubes doped in 44# PCM had little influence on the phase change temperature of the composite materials. The latent heat value decreased linearly with the mass fraction increasing of carbon nanotubes. A latent heat enhancement phenomenon was found at the mass fraction of 0.1%. The heat conductivity coefficient of composite PCMs grew up gradually with the increase of doping amount. It increased by 61.7% when CNTs occupied 5% in composite PCMs. The thermal conductivity of liquid composite PCM was lower than the solid state. Higher heat conductivity coefficient appeared at 35 o C and 45 o C, which increased by 104.8% and 49.0% relative to the solid thermal conductivity.(5) The application evaluation of passive thermal protection systemThe application evaluation was conducted for high temperature thermal protection system of multiple drivers. The thermal insulation material was important to the system. Hence, the principles of material selection were stated from the points of heat conductivity coefficient, operating temperature and radiation resistance. In consideration of irradiation heating effect caused by heavy metal shielding layer, the insulation needs to install inside the heavy metal shielding box. The overall unit thermal protection scheme was put forward after a temperature test of the robot. Weight and price assessments were also conducted for a hexapod robot, which showed that the suggested scheme owed advantages of light weight and low cost. In order to meet the task requirements of longer operating time, a restorative solution and an adaptive environmental solution were proposed to enhance the work efficiency of the passive thermal protection system.A thermal management scheme for electronics on nuclear rescue robot was proposed华东理工大学博士学位论文第V页with the idea of combining heat insulation with heat absorption structure. It realized the thermal protection for multiple drivers in high temperature (100 o C) environment. The designed system could implement its thermal control function in multi –field coupling environment with nuclear and high temperature conditions. In addition to the nuclear disaster relief applications, the scheme can also protect the electronics on nuclear power plant maintenance robot, welding robot and fire –fighting robot. The achievement can be the theoretical basis and solutions to thermal management of electronics working in harsh environment.Keywords: Nuclear rescue robot; electronic devices; thermal control; phase change material第VI页华东理工大学博士学位论文目录摘要 (I)Abstract (III)目录 ..................................................................................................................... V I 第1章绪论. (1)1.1 课题背景 (1)1.1.1 课题来源 (1)1.1.2 研究背景与意义 (1)1.2 核救灾机器人工况 (2)1.3 电子器件的热防护 (3)1.3.1 电子器件的发展趋势 (3)1.3.2 电子器件的热安全与温度特性 (4)1.3.3 电子器件热防护国内外研究进展 (6)1.4 基于相变传热的热控技术 (14)1.4.1 相变材料及其表征 (14)1.4.2 有机相变材料导热增强 (17)1.4.3 相变材料的封装技术 (19)1.4.4 相变储能的应用 (20)1.5 机器人电子器件热防护研究 (20)1.6 论文主要研究内容 (21)第2章基于相变储能材料热防护系统设计与材料测试 (24)2.1 伺服电机驱动器发热情况 (25)2.2 驱动器热防护实验装置与实验流程 (27)2.2.1 单个驱动器热防护实验系统 (27)2.2.2 双驱动器热防护实验系统 (28)2.2.3 多驱动器热防护实验系统 (29)2.3 相变材料性能测试 (32)2.3.1 相变温度与潜热 (32)2.3.2 伽马射线辐照测试 (33)2.3.3 中子辐照测试 (35)2.4 本章小结 (36)华东理工大学博士学位论文第VII页第3章常温环境热防护研究 (37)3.1 单个驱动器常温环境热防护 (37)3.1.1 散热形式考察 (38)3.1.2 相变材料质量的影响 (40)3.1.3 热管对散热效果的影响 (40)3.2 双驱动器常温环境热防护 (44)3.2.1 基于相变材料的矩形散热器参数考察 (44)3.2.2 相变过程散热器内部温度与热量耗散考察 (50)3.2.3 泡沫金属增强传热研究 (53)3.3 热防护系统模型与数值分析 (55)3.3.1 模型建立 (55)3.3.2 系统传热与相变材料熔化分析 (56)3.4 多驱动器常温环境热防护 (58)3.5 本章小结 (59)第4章高温环境热防护实验研究 (61)4.1 双驱动器高温环境热防护 (61)4.2 六驱动器高温环境热防护 (64)4.2.1 系统的温度分布与隔热效果 (64)4.2.2 输入功率对热控时间的影响 (65)4.2.3 中高温环境下的热防护实验 (67)4.3 防护系统的热评估计算 (69)4.4 本章小结 (71)第5章相变材料改性研究 (73)5.1 碳纳米管掺杂复合相变材料的制备 (73)5.1.1 材料选用 (73)5.1.2 制备方法 (75)5.1.3 复合相变材料稳定性研究 (75)5.2 质量分数对相变材料改性的影响 (77)5.2.1 相变温度与潜热 (77)5.2.2 导热系数 (80)5.3 参比温度曲线法测量热物性 (82)5.3.1 参比温度曲线法介绍 (82)5.3.2 基于参比温度法对热物性计算结果 (84)5.4 复合相变材料的热防护系统实验 (85)第VIII页华东理工大学博士学位论文5.5 本章小结 (86)第6章热防护系统适用性评估 (87)6.1 隔热层设计考虑 (87)6.1.1 隔热材料基本参数 (87)6.1.2 隔热设计计算 (89)6.1.3 隔热安装设计 (91)6.2 系统使用评估 (92)6.2.1 循环使用评估 (92)6.2.2 工作时间评估 (93)6.2.3 质量与价格估算 (94)6.3 实际方案实施设计 (94)6.3.1 整机热防护对策 (94)6.3.2 恢复性任务方案 (97)6.3.3 自适应环境方案 (98)6.4 本章小结 (99)第7章结论与展望 (101)7.1 主要结论 (101)7.2 本文创新点 (102)7.3 展望 (103)参考文献 (104)致谢 (115)博士学位期间获得的成果 (116)第1章绪论1.1 课题背景1.1.1 课题来源本课题来源于国家重点基础研究计划(973计划)项目“核电站紧急救灾机器人的基础科学问题”(项目编号:2013CB035500)。

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