【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(zāi)機器人是能代替人類進(jìn)入事故現(xiàn)場實施緊急任務(wù)的唯一選擇。核救災(zāi)機器人除了要有極高的耐輻射性能,對熱防護(hù)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(yīng)的影響,導(dǎo)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(hù)系統(tǒng)是核救災(zāi)機器人進(jìn)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(zāi)機器人電子器件熱防護(hù)方法,考察了基于相變材料的電子器件熱防護(hù)系統(tǒng)中相變材料、系統(tǒng)相關(guān)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(jìn)行了系統(tǒng)防護(hù)方案的考察與評估。論文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下：(1)常溫環(huán)境雙驅(qū)動器熱防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計、實驗與數(shù)值模擬研究針對雙驅(qū)動器的熱防護(hù)要求,設(shè)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(hù)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(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)與熱控時間關(guān)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(hù)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(guān)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(dǎo)熱增強可以彌補空氣層的傳熱抑制作用。(2)熱防護(hù)系統(tǒng)導(dǎo)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(hù)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(fù)合相變材料(質(zhì)量分?jǐn)?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(jié)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(shè)計的雙驅(qū)動器熱防護(hù)系統(tǒng),碳納米摻雜的導(dǎo)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(hù)系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究針對高溫環(huán)境下驅(qū)動器的熱防護(hù)需求,以隔熱和吸熱雙重防護(hù)的思路設(shè)計了驅(qū)動器的熱防護(hù)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(jìn)行考察。該熱防護(hù)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(jié)果表明,相比單純使用鋁合金支撐架結(jié)構(gòu),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(dá)164.3 min。當(dāng)環(huán)境溫度小于50℃時,可以保證驅(qū)動器工作長達(dá)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(hù)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(jìn)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(dá)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(fù)合相變材料性能研究采用兩步法制備了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.1%、0.2%、0.5%、1%、2%、5%)多壁碳納米管復(fù)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(fù)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(fù)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?jǐn)?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(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著摻雜量的提高而逐漸上升,較純相變材料導(dǎo)熱系數(shù)最多提高了61.7%。復(fù)合相變材料的液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù)要低于固態(tài)時,但當(dāng)溫度在3℃和45℃時材料出現(xiàn)導(dǎo)熱系數(shù)增高的現(xiàn)象,最高值相對固體導(dǎo)熱系數(shù)分別增長了104.8%和49.0%。(5)被動熱防護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用評估針對多驅(qū)動器高溫?zé)岱雷o(hù)系統(tǒng)開展了應(yīng)用評估。針對隔熱材料在高溫環(huán)境下對熱防護(hù)系統(tǒng)的重要性,從導(dǎo)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(yīng),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(fù)擔(dān)。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(yīng)的整機熱防護(hù)對策,并對6足機器人的被動熱防護(hù)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(wù)需求,提出了恢復(fù)性任務(wù)方案和自適應(yīng)環(huán)境方案兩種增加被動熱防護(hù)系統(tǒng)工作效率的策略。本論文針對核災(zāi)變現(xiàn)場惡劣環(huán)境提出了由隔熱和吸熱結(jié)構(gòu)組成的核救災(zāi)機器人的熱防護(hù)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(biāo),且該熱防護(hù)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(zāi)方面的應(yīng)用,本研究還可以對核電站日常維護(hù)機器人、焊接機器人及消防救災(zāi)機器人實施熱保護(hù),為惡劣環(huán)境工作對象的溫度防護(hù)研究提供了理論依據(jù)和解決方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242;TM623

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2261152