四足机器人密封舱散热：烟囱效应风井与热管导热设计-北京尧图网络

简介这份PDF是一份围绕四足机器人、四轮足机器人及机器人散热结构的发明专利申请文献公布号为CN117769181A面向机器人整机设计、热管理与结构工程方向的研究者、工程师及学生。文献针对密闭机舱内计算单元散热差的问题具体展开机舱上下开口、贯通风井、导热块与热管、散热鳍片、防水风扇组件及支撑脚等结构并给出权利要求书、说明书和附图可用于理解四足/轮足机器人密封、导热与主动散热方案的实现逻辑。资源包共1个PDF文件大小约1.5MB内含权利要求书4页、说明书12页、附图14页便于按章节检索和对照阅读。已有173人学习适合作为机器人热管理结构设计、专利撰写与方案调研的参考材料。1. 密封机舱里的过热瓶颈为什么四足机器人跑热了会“腿软”去年夏天跟一个做四足机器人的小团队蹲现场机器人在低温实验室跑一整天没事搬到户外水泥地跑四十分钟机舱里的计算单元开始降频腿一软直接跪下去。拆开看机舱为了防水防潮做成了全密封计算单元的热量出不去内腔空气不流通热量在里头自己循环越跑越热。这份公开的专利申请文本给了一个不太一样的思路不往舱壁上贴散热片而是在机舱里竖一根上下贯通的风井内腔照样密封热量从风井侧壁辐射到中空腔里靠热空气上升、冷空气从高压区补入形成气流带走。四足机器人、四轮足机器人和同类的机器人平台都能套这套结构。做机器人结构、热设计、密封舱体的人值得看一遍尤其是被“又要防水又要散热”卡过的那批人。它把承力件和换热面合成一个零件重量代价小这是它和加散热片、加风扇两条老路最大的差别。2. 热路径拆成四段从功率元件到中空腔哪一段最容易堵2.1 三段热阻串联最贵的那一段在舱内密封舱散热的本质是热阻串联结到壳、壳到侧壁、侧壁到环境。前两段是接触热阻和材料热阻能靠导热硅脂、导热垫、加大接触面积去压第三段在密封舱里几乎是无穷大——舱内空气不流动自然对流被摁在几厘米的边界层里热量只能顺着舱壁往外爬而舱壁为了结构强度通常是薄壁加加强筋导热路径又长又窄。所以往密封舱里贴散热片、加均热板本质是在给第二段减阻第三段没动热量还是堆在舱里。液冷能解决第三段但要泵、要管路、要二次换热器重量和可靠性都要重新算账四足机器人这种要跳要摔的平台不太划算。风井动的是第三段。它把“侧壁→舱内空气→舱壁→外界”这条路径改成“侧壁→中空腔空气→外界”。中空腔和外界贯通空气可以自由进出等于把散热器的翅片伸到了舱外而密封面还留在机舱壁上。这是整个方案真正值钱的地方也是看这份文本时最该盯住的一句话。2.2 烟囱效应要成立三个条件缺一不可热空气上升、冷空气从高压区往低压区补这个原理谁都知道但落到结构上要满足三个条件缺一个就不成立。第一通道上下都得有开口而且高度差要够。对应到结构上就是风井两端必须分别和机舱的上开口、下开口密封连接不能随便在侧壁上开个洞了事。上开口在背部、下开口在腹部风井高度等于机舱高度这是整机内部能拿到的最长竖直通道。第二通道内要有温差。温差来自功率元件所以风井必须贴着计算单元布置中间隔着空气或者隔着一层没贴合的壁板烟囱就起不来。第三通道不能太细。通道越细粘性阻力越容易压过浮升力气流走不动换热系数掉得很快。这一条直接决定了后面的长宽比约束。反过来看横放的风井为什么不行热空气上升的方向被堵死通道里只能靠外界气流硬灌机器人一停或者慢走气流就断散热回到密封舱的水平。专利里写“风井的开口方向与行进方向大致相垂直”本质是在约束风井轴线顺着重力而不是顺着行走方向。行进是水平的垂直就是竖直的这句话翻译过来就是“风井得竖着放”。2.3 三个硬参数占宽 50%~90%、长宽比 5:1、鳍片贯通机舱是个长方体有长度方向和行走方向一致和宽度方向靠地一侧叫腹部、背地一侧叫背部。风井的侧壁由两个长侧壁和两个短侧壁围成长侧壁沿宽度方向布置短侧壁沿长度方向布置。这几个参数不是拍脑袋定的每一条都对应一个工程取舍。参数取值约束工程含义越界的后果长侧壁长度大于内腔宽度的 50%小于 90%保证和计算单元的接触面积同时给内腔留布板和走线空间小于 50% 接触面积不够大于 90% 内腔被挤成薄壳结构刚度和装配空间都没了长侧壁与短侧壁长度比不小于 5:1中空腔呈扁长形换热周长与截面积之比高比例接近方形时通道中心出现气流死区有效换热面积打折长侧壁与半圆侧壁直径比不小于 5:1跑道形截面的等效约束同上鳍片从风井一端开口延伸到另一端用有限体积换更大换热面积只做局部鳍片效果接近没有占宽上限 90% 这条容易被忽略。做样机时经常想把风井做到最宽接触面积最大结果内腔剩下的空间放不下其他控制器件走线只能从风井外侧绕装配顺序直接死锁。50% 是下限低于这个数长侧壁和功率元件的接触面不够导热块再厚也补不回来。长宽比 5:1 是个经验值目的是让中空腔的截面呈扁长形。扁长截面的换热周长和截面积之比高同样的体积能换更多热但窄到一定程度两侧壁面的边界层会在中间合并通道中心反而没有新鲜空气进来。5:1 大概是这两者的平衡点往下走死区变大往上走通道太窄、阻力太大。鳍片从一端开口延伸到另一端是为了让气流全程都有换热面可碰。常见做法是把鳍片做在长侧壁内侧从风井上端一直排到下端间距按通道高度和预期流速定。被动散热一般 4~6mm加了风扇可以收到 2~3mm。间距太小边界层合并换热系数掉得比面积涨得快这是仿真里最容易高估的地方。提示侧壁表面处理在文本里没写但辐射换热在自然对流里占三到四成不能忽略。侧壁做阳极氧化或者发黑处理对总散热量有实际帮助成本几乎为零。3. 风井的结构实现基座加分件的六个密封节点怎么排3.1 矩形和跑道形两种侧壁构型怎么选侧壁围合方式有两种两个长侧壁加两个短侧壁四个角是直角或者两个长侧壁加两个半圆形侧壁截面是跑道形。矩形构型的优势在加工。型材下料加机加工就能做四个角用密封胶或者密封垫对接成本低尺寸链好控。缺点是直角处气流容易形成涡低速工况下积尘时间长了换热面被灰糊住。被动散热、风井高度不高、维护周期长的机型矩形够用。跑道形构型的圆角过渡平顺气流分离少中高流速下压损小。加了风扇、通道风速上到 1.5 m/s 以上的机型跑道形的收益才明显。代价是半圆侧壁的加工要么开模、要么数控铣单件成本高。还有一个很实用的取舍长侧壁贴功率元件用高导热材料铝或者铜短侧壁不直接接触热源只承担围合和密封可以用导热系数低一档的材料。文本里明确写了这种混搭是允许的目的是在保散热的同时把材料成本压下来。做样机时如果全用同一种高导热材料重量和成本都会超。3.2 基座和围板为什么必须分件一体成型的风井看起来最干净密封节点最少但装配顺序会死锁。计算单元、导热块、热管要先贴到长侧壁上再紧固风井如果是一体的手伸不进去螺丝刀也进不去导热块压不紧热阻全废。分件方案把风井拆成基座和围板。基座构造出第一长侧壁、第一短侧壁、第二短侧壁呈 U 形围板就是第二长侧壁一块板。装配时先把第一功率元件、第一导热件装到基座的第一长侧壁上第二功率元件、第二导热件装到围板的第二长侧壁上两条长侧壁各自独立作业看得见、够得着、扭矩扳手能进去。然后把围板扣上去用紧固件把第二长侧壁的两侧分别锁到第一、第二短侧壁上接缝处打密封。这个顺序的价值不在省模具在于把“热界面装配”和“密封装配”拆成两道工序。热界面要求压紧、对中、扭矩一致密封要求接缝干净、密封垫不被剪切。混在一起做两个都做不好。基座底部还要向外延伸一圈支撑座。作用有两个把散热组件固定到机舱底部让风井的重量传到机舱壳体上而不是全部压在上、下开口那两圈密封面上同时给风扇仓留出安装基准。3.3 密封节点清单风井嵌入机舱之后内腔仍然是全封闭的这意味着每一个穿过密封面的零件都得单独交代。下面这张表是按装配顺序排的做样机时可以直接拿去当检查表用。序号密封节点做法检查方法1风井上端与机舱上开口侧壁上端做安装边安装边底面贴密封垫紧固件压紧或用导热密封硅胶填塞缝隙单件压差保压2风井下端与机舱下开口同上注意下端可能还要接风扇仓尺寸链要留余量单件压差保压3基座与围板接缝接缝处放密封垫紧固件按对角顺序分两次拧总装后保压4导热块与侧壁缺口缺口是贯通的导热块嵌入后必须单独打密封胶不能只靠压紧局部涂皂液查漏5热管穿壁处管壁与壁板之间做两道密封O 圈加密封胶局部涂皂液查漏6风扇仓与下开口或风井下端密封垫加压紧风扇仓单独做气密单件压差保压7腿足组件、外置构件、摄像头与机舱沿用原机型方案但要复核风井开孔后周边刚度整机淋雨第 4 和第 5 个节点是最容易漏的。导热块嵌入贯通缺口之后缺口本身就是一条从内腔直通中空腔的缝不打胶就是明漏。热管穿壁更麻烦管壁是圆的壁板是平的配合面天生不贴合只压密封垫很难做到零泄漏。3.4 装配顺序按下面的顺序走能把返工率压下来。每一步之后都有对应的检查动作不要跳。基座单独做气密确认 U 形体本身没有砂眼和焊缝缺陷。第一功率元件固定到第一屏蔽罩屏蔽罩固定到基座第一长侧壁的凸台上扭矩按对角分两次拧。第一导热块嵌入第一缺口打密封胶等固化。第一、第二热管插入导热块两端反向折弯管身贴第一散热面。第二功率元件、第二导热件在围板上重复步骤 2 到 3。围板扣到基座上紧固件锁两侧接缝放密封垫。装配好的散热组件做整体气密这一步能拦住九成的接缝漏点。散热组件从机舱下方装入风井上端对准背部上开口下端对准腹部下开口压密封垫、上紧固件。装风扇仓接风井下端或者机舱下开口。装腿足组件和外置构件复核所有穿越密封面的紧固件扭矩。整机气密加淋雨跑一遍动作测试看密封面有没有相对位移。第 6 步单独做气密是关键。总装之后再查漏漏点在风井里还是在内腔里分不清拆一次等于重来。4. 导热件与热管把热量搬上侧壁的四种接法怎么选4.1 导热块嵌缺口还是坐凹腔导热块和侧壁的结合方式有两种侧壁上开一个贯通的缺口导热块部分嵌进去背面和中空腔内壁平齐或者往腔内伸出一截或者侧壁上做凹腔壁厚减薄但不打通导热块坐在凹腔里背面还留一层壁板。缺口的换热最好。导热块背面直接暴露在中空腔的空气里等于在风道里多了一块肋热量不用再过一层壁板。代价是密封面从“一整块壁板”变成“导热块和缺口之间的环形缝”这条缝必须打胶或者加密封垫而且导热块尺寸公差要控否则缝隙宽度不均胶层厚薄不一热阻反而上去了。凹腔的密封最稳壁板没被打穿导热块只是贴在一块减薄的壁上。代价是多一层壁厚热阻减薄到多少要算太薄结构强度不够太厚热阻下不来。判断方法很直接样机验证阶段先用凹腔把热路径走通确认散热方案本身成立量产评估时再上缺口配合自动化点胶把密封一致性做起来。如果计算单元功耗高、风井截面又偏小缺口的收益才明显因为那时候每一度温差都要抢。还有一条文本里写得很清楚但容易被略过导热块靠计算单元那一侧的贴合面要按元件外形做仿形。不是一块平板压上去就行元件表面有高低差、有屏蔽罩台阶平板压上去只有几个点接触热阻大得离谱。仿形面加导热垫接触热阻能降一个量级。4.2 热管插入式和穿壁式的取舍热管把热量从导热块沿长侧壁摊开解决的是“导热块局部热流密度太高、侧壁来不及摊平”的问题。走法有两种。插入式热管两端插入导热块向相互背离的方向折弯延伸管身和散热面贴合。整根热管都在内腔里不碰密封面密封风险为零。缺点是热管只贴着壁板内侧传热中间隔一层板。穿壁式热管两端穿过长侧壁管口和壁板密封连接热管在中空腔旁边形成一条和中空腔连通的通道管壁延伸时贴着侧壁。热管直接暴露在风道旁换热路径最短。代价是穿壁处两个密封点以及折弯半径受限。对比项插入式穿壁式密封风险无热管全在内腔两个穿壁点需两道密封换热路径热管→壁板→中空腔热管→中空腔少一层折弯半径相对自由受壁厚和密封结构限制适用场景密封可靠性优先中低功耗高功耗、风井截面受限选型时先算要搬多少热。单根 6mm 热管的传热能力在几十瓦量级具体数值随长度、温差、放置姿态变化很大必须查供应商的实测曲线不能拍脑袋。超过单根能力就多根并联并联还压不住再考虑穿壁式。穿壁式有一个硬约束折弯半径不能太小。常见做法是不小于三倍管径小于这个值折弯处管壁会扁蒸汽通道变窄等效导热系数断崖式下跌而且这种衰减在装配完成时看不出来跑一段时间才暴露。4.3 装配链屏蔽罩、凸台、紧固件功率元件的固定链是三层元件先固定到屏蔽罩上屏蔽罩再固定到长侧壁的凸台上。屏蔽罩兼做电磁屏蔽和结构保护凸台解决两个问题——给紧固件留出螺纹深度把屏蔽罩和壁面之间撑出导热块的厚度空间。紧固顺序有讲究对角、分两次。第一次用三成扭矩定位让导热块和贴合面自然找正第二次加到规定扭矩。一次性拧死导热块会被压偏一侧翘起接触面从“面接触”退化成“线接触”热阻不降反升。导热界面材料的厚度控制在 0.2~0.5mm压缩率两到三成。太厚热阻大太薄填不满微观间隙。装配前用塞尺或者压敏纸检查贴合面积低于七成就要修贴合面不要靠加厚导热垫硬凑。4.4 主动风路什么时候必须加风扇被动烟囱的驱动力是浮升压差正比于通道高度和温差。机舱高度在 100mm 量级时能产生的压差很小对应的通道风速在 0.1~0.3 m/s 量级换热量有上限。三种情况要加风扇计算单元持续功耗超过被动能力环境温度高温差被压缩机舱本身扁风井高度不够。风扇组件的结构是风扇仓加防水风扇。风扇仓设在风井下方和风井下端或者机舱下开口密封连接防水风扇装在仓内。气路有两个方向约束进气方向平行于机舱长度方向也就是从侧面吸出气方向顺着风井从下往上。进气为什么要横向而不是朝下朝下吸会把地面扬尘和积水直接卷进来防水风扇扛得住溅水扛不住持续粉尘。横向进气可以利用腿足组件之间的空间不增加整机高度。风扇仓下端两侧各做一个支撑脚支撑脚底部高出风扇仓下沿。这句话看着像细节实际是功能性的支撑脚承重时风扇仓下沿和地面之间留一道缝进气不被堵死。样机上经常出现“装了风扇反而更热”十有八九是风扇仓下沿贴地了风扇在负压下空转。5. 避坑与排查五个从图纸到样机才会暴露的问题5.1 气密测试保不住压漏点找不到现象散热组件单件气密能过装到机舱上之后整机保压掉得很快涂皂液找不到冒泡点。原因基座和围板的接缝处密封垫被紧固件剪切压偏。分件方案里这条接缝最长紧固件数量多如果按顺序一个一个拧先拧的先把垫压死后拧的把垫往外挤接缝中段就出现一条没压实的通道。另一个常见原因是导热块嵌入贯通缺口后没做单独密封缺口本身就是直通内腔的缝。解决紧固件按对角、分两次拧第一次三成扭矩第二次到规定值密封垫选带定位孔的让紧固件穿过垫子而不是压在垫子边缘导热块嵌入缺口后单独点胶胶固化前不要做整机保压。装配工艺上把接缝气密做成独立工位不通不往下走。5.2 实测散热比仿真差三成以上现象热仿真显示温升可控样机跑起来计算单元还是降频实测温度和仿真差三成以上。原因两个地方最容易出问题。一是鳍片间距按仿真最优值取实际加工出来毛刺没清或者跑一段时间积尘边界层合并有效换热面积打折。二是风井上端出口被背部结构件挡住出口背压高气流排不出去烟囱效应被憋死。解决鳍片间距按通道高度和实际流速定被动散热不小于 4~6mm给积尘留余量风井上端开口周围留出不小于开口短边的净空背部的外置构件、摄像头支架不要压在出口正上方。仿真结果打个七折再当设计输入这个系数在密封舱自然对流里比较稳。5.3 热管跑一段时间后导热性能下降现象新装样机散热正常跑了几十个小时之后同工况温度往上爬拆开看热管外观没异常。原因三个可能。穿壁式热管折弯半径太小管壁压扁蒸汽通道变窄热管在装配时被紧固件或者屏蔽罩压到局部凹陷热管工作温度超出设计区间低于工质冻结温度或者高到触达毛细极限。解决折弯半径做到三倍管径以上热管走向避开紧固件压紧区需要固定的位置用导热胶加卡扣不要用螺丝直接压管身选型时把机器人实际工况的温度区间列出来和供应商的等温曲线对一遍不要只看常温那一段。5.4 翻转跳跃之后计算单元移位、接口松动现象静态测试一切正常整机跑完翻转、跳跃动作测试计算单元位置偏了排线接口有松动。原因计算单元只靠屏蔽罩固定屏蔽罩刚度不够或者导热块只承担导热没做定位冲击载荷全落在紧固件上几次冲击之后螺纹副松动。解决把计算单元直接固定到长侧壁的凸台上凸台做定位销或者定位台阶让剪切载荷由结构承担而不是由螺丝承担导热块贴合面按元件外形仿形兼顾定位。文本里提到侧壁在传热之外还能给计算单元提供安装点和侧向支承冲击时起减震作用这一条在样机阶段就要验证不要等到整机测试才发现。5.5 加了风扇噪声大、功耗涨散热没改善现象被动方案温升压不住加了风扇之后噪声明显整机功耗上去一截计算单元温度只降了两三度。原因气路冲突。风扇从侧面进气、向上出气如果风扇仓和下开口之间密封不好气流从缝隙短路回流真正穿过风井的流量很少。另一种情况是风扇选型偏大通道截面跟不上风扇工作在失速区风量上不去、噪声先上来。解决风扇仓和下开口之间用密封垫装配后单独做气密风扇转速按风井截面风速 1.5~3 m/s 反推不要按风扇标称最大风量选进气和出气之间用风扇仓隔开避免刚吹上去的风从旁边又吸回来。风扇选防水型防护等级和整机一致。6. 多管阵列与台架验证把散热效果量出来的三个步骤单风井受长宽比约束换热周长有上限。文本里给了另一条路风井不做成一个大的做成多个规则或者不规则排列的圆形管、方形管、长方形管每个管的管壁两端分别和机舱上开口、下开口密封连接计算单元直接抵接管壁外侧或者通过导热件把热传到管壁。管的顶部还可以做锥形导风口作用是降低出口局部阻力把气流导到背部上方避开结构件造成的背压。多管的价值在布置灵活性。内腔里如果有器件挡在中间单风井绕不过去多管可以拆成两簇一左一右。同样占位下多管的换热周长比单风井大但密封节点从两个变成 2N 个装配和检测工作量翻倍。适合计算单元分散布置、或者机舱形状不规则的机型。验证不要靠感觉按三步走。第一步加热块模拟。用铜块加加热棒模拟计算单元功率按实测功耗设定热电偶布在热源表面、侧壁中部、风井进口和出口四个位置。热源和侧壁之间按实际方案加导热块或者导热垫不要直接压。第二步算换热量。出口截面多点测风速取平均换算质量流量用 Q ṁ·cp·ΔT 算实际带走的热量和加热功率对比差多少就是侧壁和舱壁漏掉的部分。# 风井自然对流换热量粗估用于方案横向对比不作为定稿依据 import math def stack_flow(H, A, dT, Ta25.0): g 9.81 # 重力加速度 m/s2 cp 1005.0 # 空气定压比热 J/(kg·K) rho 1.18 # 空气密度 kg/m3按 25C 取值 Cd 0.6 # 通道流量系数直角进出口取 0.5~0.7 # 浮升压差正比于通道高度和相对温差 dp rho * g * H * (dT / (Ta 273.15)) # 由压差反算流速这里忽略了沿程阻力和鳍片阻力 v Cd * math.sqrt(2 * dp / rho) Qv v * A # 体积流量 m3/s Qm Qv * rho # 质量流量 kg/s Q Qm * cp * dT # 换热量 W return v, Qv, Qm, Q # 通道高 120mm截面积 60mm x 100mm进出口温差 20K v, Qv, Qm, Q stack_flow(H0.12, A0.006, dT20) print(f流速 {v:.3f} m/s, 体积流量 {Qv*1000:.2f} L/s, 换热量 {Q:.1f} W)这段脚本只算浮升压差驱动的理想流量沿程阻力和鳍片阻力都没算结果是个上限实际值大概打五到七折。它的用途是比较方案换一个通道高度、换一个截面积、换一个鳍片间距看趋势往哪走比拍脑袋强。参数里 H 是风井上下开口之间的净高度A 是扣除鳍片占位之后的有效流通面积dT 是出口和进口的温差不是壁温和气温的差。第三步整机工况。把散热组件装回整机跑爬坡、跑连续跳跃、跑高温环境舱看计算单元什么时候触到降频阈值记下时间和环境温度。台架数据好看、整机拉胯的情况很常见原因多半在风井出口被挡、或者腿足组件的运动扰动了出口流场。从那以后我每次看这类密封舱散热方案都先把风井的进出口净空、鳍片间距、导热块贴合面积这三个数拿出来对一遍对不上就不看后面的仿真曲线。这三个数决定了方案的上限剩下的都是在这个上限下面做优化。希望帮到你。本文还有配套的精品资源点击获取

四足机器人密封舱散热：烟囱效应风井与热管导热设计

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