【摘要】：核電站事故現(xiàn)場除了出現(xiàn)大量射線外,還會伴隨高溫、高濕、粉塵、酸性等惡劣條件,核救災機器人是能代替人類進入事故現(xiàn)場實施緊急任務的唯一選擇。核救災機器人除了要有極高的耐輻射性能,對熱防護也提出了很高的要求。機器人需要攜帶大量的電子器件,為了減輕本體重量,其內(nèi)部空間極為緊湊,器件還會受到高溫和金屬輻照熱效應的影響,導致電子器件溫度過高使系統(tǒng)過早失效。因此建立可靠有效的熱防護系統(tǒng)是核救災機器人進入現(xiàn)場開展工作的前提。本論文針對核事故環(huán)境下的特殊溫度條件,以伺服電機驅(qū)動器為例,提出一種基于相變材料被動吸熱的核救災機器人電子器件熱防護方法,考察了基于相變材料的電子器件熱防護系統(tǒng)中相變材料、系統(tǒng)相關尺寸、器件發(fā)熱功率等參數(shù),探討了納米摻雜對相變材料熱物性的影響,分別針對常溫和高溫兩種情況進行了系統(tǒng)防護方案的考察與評估。論文主要研究內(nèi)容與結論如下：(1)常溫環(huán)境雙驅(qū)動器熱防護系統(tǒng)設計、實驗與數(shù)值模擬研究針對雙驅(qū)動器的熱防護要求,設計了由金屬支架和填裝相變材料的散熱器組成,采用滑槽式安裝方式的熱防護系統(tǒng)。通過對相變溫度、潛熱、耐輻射性能的考察,確定選用44#相變材料作為實驗用相變材料的方案。對防護系統(tǒng)結構參數(shù)與熱控時間關系的考察發(fā)現(xiàn),與在散熱器中添加翅片相比,基于相變材料的無翅片散熱器在熱防護過程中能使器件保持更低溫度,保證器件在最佳工作溫度范圍保持最長時間(延長12倍工作時長)。系統(tǒng)的熱控時間隨相變材料質(zhì)量的增加基本呈線性增長趨勢。器件的安全工作時長與發(fā)熱輸出功率(5.57 W、6.28 W、7.04 W、7.85 W和8.7 W)呈線性遞減關系。通過熱阻模型分析以及Fluent軟件模擬相變系統(tǒng)固-液熔化過程,發(fā)現(xiàn)空氣層的存在延緩了相變材料的熔化,阻礙了相變材料的吸熱,通過相變材料導熱增強可以彌補空氣層的傳熱抑制作用。(2)熱防護系統(tǒng)導熱增強對熱控效果的研究對比三種孔隙率相似、孔密度不同(5 PPI、10 PPI、20 PPI)的銅泡沫金屬的添加效果,發(fā)現(xiàn)在散熱器中的泡沫金屬強化了傳熱,并且泡沫金屬孔密度越大傳熱增強效果越明顯,但是熱防護效果較差�？酌芏葹�5 PPI的泡沫金屬系統(tǒng)擁有長于只有相變材料的散熱器的溫控時間,而20 PPI的泡沫金屬系統(tǒng)溫控時間短于相變材料散熱器的溫控時間。此外,實驗對比了多壁碳納米管摻雜的復合相變材料(質(zhì)量分數(shù)為0%、0.08%、2%和5%)對系統(tǒng)的熱控效果,發(fā)現(xiàn)添加2%碳納米管的相變材料熱控結果最好,可使安全工作時間控制在97 min,比未添加碳納米管的相變材料系統(tǒng)延長了30 min。由于碳納米管質(zhì)量更輕,所占體積更小,因此,對于設計的雙驅(qū)動器熱防護系統(tǒng),碳納米摻雜的導熱增強方式優(yōu)于添加泡沫金屬的方式。(3)高溫環(huán)境熱防護系統(tǒng)設計與實驗研究針對高溫環(huán)境下驅(qū)動器的熱防護需求,以隔熱和吸熱雙重防護的思路設計了驅(qū)動器的熱防護系統(tǒng),并對多驅(qū)動器溫度均勻性、發(fā)熱功率、環(huán)境溫度等參數(shù)進行考察。該熱防護系統(tǒng)可以使驅(qū)動器的發(fā)熱表面溫差控制在1℃以內(nèi),器件最佳工作時長和相變時長均隨輸入功率增加而呈下降趨勢。實驗結果表明,相比單純使用鋁合金支撐架結構,實驗環(huán)境溫度為100℃時,填裝相變材料使雙驅(qū)動器的工作時間有效延長了34 min,6驅(qū)動器的工作時間可達164.3 min。當環(huán)境溫度小于50℃時,可以保證驅(qū)動器工作長達180 min以上。熱量評估計算發(fā)現(xiàn),相變材料在180 mmin內(nèi)在熱防護系統(tǒng)中起決定性作用,可以吸收系統(tǒng)內(nèi)總熱量的56%。而通過隔熱層進入到系統(tǒng)內(nèi)的熱量會隨著時間的增加逐漸積累,傳入系統(tǒng)的熱量達63%。因此隔熱層的絕熱特性提升將使熱控系統(tǒng)的溫控效果更佳。(4)多壁碳納米管摻雜的復合相變材料性能研究采用兩步法制備了不同質(zhì)量分數(shù)(0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%)多壁碳納米管復合的44#相變材料,沉降實驗、DSC曲線和溫度—時間曲線測試評定表明該多壁碳納米管摻雜的復合相變材料熱穩(wěn)定性和熱分散性良好。不同的碳納米管摻雜量對復合相變材料的相變溫度影響不大,相變潛熱值則隨碳納米管質(zhì)量分數(shù)的增加而線性減小,在0.1%處出現(xiàn)潛熱增強現(xiàn)象。固體復合相變材料的導熱系數(shù)隨著摻雜量的提高而逐漸上升,較純相變材料導熱系數(shù)最多提高了61.7%。復合相變材料的液態(tài)導熱系數(shù)要低于固態(tài)時,但當溫度在3℃和45℃時材料出現(xiàn)導熱系數(shù)增高的現(xiàn)象,最高值相對固體導熱系數(shù)分別增長了104.8%和49.0%。(5)被動熱防護系統(tǒng)的應用評估針對多驅(qū)動器高溫熱防護系統(tǒng)開展了應用評估。針對隔熱材料在高溫環(huán)境下對熱防護系統(tǒng)的重要性,從導熱系數(shù)、使用溫度、材料密度、抗輻照性等角度分析說明材料選用原則。此外,由于重金屬屏蔽層在伽馬射線輻照條件下的熱效應,確定將隔熱材料安裝在射線屏蔽層內(nèi)部以減少對電子器件帶來的額外的熱負擔。根據(jù)常溫下機器人各部分電子器件的實際發(fā)熱規(guī)律,提出相應的整機熱防護對策,并對6足機器人的被動熱防護系統(tǒng)的質(zhì)量和價格評估表明,熱控制系統(tǒng)的相變材料和隔熱材料重量輕,材料和加工費用低。為了滿足更長時間的任務需求,提出了恢復性任務方案和自適應環(huán)境方案兩種增加被動熱防護系統(tǒng)工作效率的策略。本論文針對核災變現(xiàn)場惡劣環(huán)境提出了由隔熱和吸熱結構組成的核救災機器人的熱防護方案,實現(xiàn)了高溫(100℃)環(huán)境下多驅(qū)動器安全工作的目標,且該熱防護系統(tǒng)可以在核環(huán)境和高溫環(huán)境多場耦合的條件下實現(xiàn)熱控功能。除了針對在核救災方面的應用,本研究還可以對核電站日常維護機器人、焊接機器人及消防救災機器人實施熱保護,為惡劣環(huán)境工作對象的溫度防護研究提供了理論依據(jù)和解決方法。
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【學位授予單位】：華東理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242;TM623

【參考文獻】

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本文編號：2261152