一种集成于机电设备的控制装置的散热方法与流程

1.本发明涉及机电设备散热技术领域，特别涉及航空机电设备散热技术领域，具体而言，涉及一种散热方法、控制装置及机电设备。


背景技术：

2.航空领域的机电设备与信号检测装置、数据处理装置和无线通讯装置等控制装置均独立设置，其相互之间为有线连接。有线连接集成度低，空间利用率低，通讯线缆布局复杂，无法直接在机电产品本体上实现实时数据采集及信号监测，一般用于地面试验，有必要研制信号检测装置、数据处理装置和无线通讯装置等控制装置与机电设备高度集成的智能航空机电产品，从而取代地面大型数据采集系统和数据处理系统。
3.直接将控制装置与机电设备融合集成，无法满足工作环境的要求，这是因为机电设备与控制装置在各自设计过程中所考虑的环境影响有较大区别。机电设备通常处于较为恶劣的工作环境中，工作环境温度通常达到上百摄氏度，其设计过程中要求较高。而控制装置通常按照电子舱环境进行设计，其正常工作的温度通常不超过一百摄氏度，其设计过程中要求较低。因此，直接将机电设备与控制装置集成融合，控制装置会面临温度过高等问题，导致故障频发，同时，不同机电设备的结构不同、运行工况不同，设备与控制装置集成融合时，也会面对不同的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述技术存在的不足，为解决集成于机电设备后的控制装置的散热问题，本发明提供了一种控制装置的散热方法和一种集成有控制装置的机电设备。
5.第一方面，本发明提供了一种散热方法，散热方法用于对控制装置进行散热，控制装置集成于机电设备上，散热方法包括以下步骤：s1，判断控制装置运行环境的温度是否高于控制装置的最高承受温度，如果控制装置运行环境的温度高于控制装置的最高承受温度，则采用隔热手段，否则，不采用隔热手段；s2，判断机电设备是否有可用流体，如果机电设备有可用流体，则进行s3，否则，采用相变蓄热手段；s3，判断可用流体的温度是否高于控制装置的最高承受温度，如果可用流体的温度高于控制装置的最高承受温度，则采用半导体制冷手段或相变蓄热手段，否则采用主动冷却手段；s4，计算步骤s3中半导体制冷手段和相变蓄热手段的性能代偿损失，如果相变蓄热手段的性能代偿损失大于半导体制冷手段的性能代偿损失，则采用半导体制冷手段，否则，采用相变蓄热手段。
6.在一些实施例中，散热方法包括以下六种散热方案：散热方案一，包括：隔热手段、
相变蓄热手段；散热方案二，包括：相变蓄热手段；散热方案三，包括：隔热手段、半导体制冷手段；散热方案四，包括：半导体制冷手段；散热方案五，包括：隔热手段、主动冷却手段；散热方案六，包括：主动冷却手段。
7.在一些实施例中，主动冷却手段包括：将控制装置设于壳体内；控制装置一侧或两侧设置冷流体管路；控制装置和冷流体管路之间填充导热材料。
8.在一些实施例中，相变蓄热手段包括：将控制装置设于壳体内；控制装置一侧或两侧设置相变蓄热材料；控制装置与相变蓄热材料之间填充导热材料。
9.在一些实施例中，半导体制冷手段包括：将控制装置设于壳体内，壳体上设有供电接口；控制装置一侧或两侧设置半导体制冷片，半导体制冷片一侧设置热流体管路；控制装置与半导体制冷片之间填充导热材料；半导体制冷片和热流体管路之间填充导热材料。
10.在一些实施例中，隔热手段，包括：在壳体的内壁设置隔热层。
11.在一些实施例中，冷流体管路中管道与控制装置的换热面积a1通过以下公式计算得出：其中，q1为控制装置的发热功率，h1为冷流体管路中流体的表面传热系数，t1为控制装置的表面温度，t2为流体温度。
12.在一些实施例中，相变蓄热材料的体积v通过以下公式计算得出：其中，q1为控制装置的发热功率，t为蓄热时间，l为相变蓄热材料的相变潜热，ρ为相变蓄热材料的密度。
13.在一些实施例中，半导体制冷所需的电功率w通过以下公式计算得出：其中，q1为控制装置的发热功率，η为半导体制冷片的效率。
14.在一些实施例中，隔热层的厚度h通过以下公式计算得出：其中，λ为隔热层所用材料的热导率，a2为控制装置与隔热层的接触面积，q2为环境热源的发热功率，t3为环境温度，t1为控制装置的表面温度。
15.第二方面，本发明还提供了一种控制装置，控制装置采用第一方面的散热方法进行散热。
16.第三方面，本发明还提供了一种机电设备，机电设备集成有第二方面的控制装置。
17.本发明具有以下有益效果：本发明通过判断控制装置运行环境的温度是否高于控制装置的最高承受温度，判断机电设备是否有可用流体，判断可用流体的温度是否高于控制装置最高承受温度，计算半导体制冷手段和相变蓄热手段的性能代偿损失等多项判别标准，针对不同的机电设备采用不同的散热方案，可以满足不同机电设备集成控制装置后，控制装置的散热需要，针对机电设备安装位置不同，工作状况不同给出了不同的散热方案，并
且通过计算公式，给出每个散热方案的关键技术参数，在结构设计和生产制造难度小的基础上，保证了控制装置的散热效率，避免了舱室内的环境温度、机电设备的本体温度以及控制装置自身产热对控制装置工作的影响，保证控制装置正常稳定地运行。
18.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
19.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
20.图1示出了一种控制装置的散热方法的流程示意图；图2示出了一种采用隔热手段和主动冷却手段的控制装置的结构示意图；图3示出了另一种采用隔热手段和主动冷却手段的控制装置的结构示意图；图4示出了一种采用主动冷却手段的控制装置的结构示意图；图5示出了另一种采用主动冷却手段的控制装置的结构示意图；图6示出了一种采用隔热手段和相变蓄热手段的控制装置的结构示意图；图7示出了另一种采用隔热手段和相变蓄热手段的控制装置的结构示意图；图8示出了一种采用相变蓄热手段的控制装置的结构示意图；图9示出了另一种采用相变蓄热手段的控制装置的结构示意图；图10示出了一种采用隔热手段和半导体制冷手段的控制装置的结构示意图；图11示出了另一种采用隔热手段和半导体制冷手段的控制装置的结构示意图；图12示出了一种采用半导体制冷手段的控制装置的结构示意图；图13示出了另一种采用半导体制冷手段的控制装置的结构示意图。
具体实施方式
21.现在将参照若干示例性实施例来论述本公开的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本公开的内容，而不是暗示对本公开的范围的任何限制。
22.如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
23.目前用于航空领域的机电设备与信号检测装置、数据处理装置和无线通讯装置等控制装置为各自独立的装置，其相互之间为有线连接，集成度低，空间利用率低，通讯线缆布局复杂，无法直接在机电设备上实现实时数据采集及信号监测，一般只能适用于地面试验，有必要进一步研究信号检测装置、数据处理装置和无线通讯装置等控制装置和航空机电智能化产品的融合技术，例如：信号检测装置、数据处理装置与液压泵高度集成的航空智能液压泵，从而取代原有的地面大型数据采集系统和数据处理系统，但是在融合设计中，直接将控制装置融合集成于机电产品本体无法满足工作环境的要求，因为机电设备与控制装置在各自设计过程中所考虑的环境影响有较大区别，机电设备本体通常处于较为恶劣的工作环境中，工作温度通常达到上百摄氏度，其设计要求较高，而控制装置通常按照电子舱环
境进行设计，其正常工作的温度通常不超过一百摄氏度，其设计要求较低。因此，直接将机电产品本体与控制装置进行融合集成，会使控制装置面临温度过高等问题，导致控制装置故障频发，无法正常工作。
24.将机电设备与控制装置集成为一体，控制装置将长期工作于较为恶劣的机载环境中，若不采取必要的冷却措施，控制装置可能达到上百摄氏度，远远超过其耐受温度，因此，必须为控制装置设计散热方案，控制其温度从而保证其正常工作。
25.为解决上述技术问题，本发明实施例公开了一种散热方法，如图1所示，散热方法用于对控制装置进行散热，控制装置集成于机电设备上，散热方法包括以下步骤：s1，判断控制装置运行环境的温度是否高于控制装置的最高承受温度，如果控制装置运行环境的温度高于控制装置的最高承受温度，则采用隔热手段，否则，不采用隔热手段；s2，判断机电设备是否有可用流体，如果机电设备有可用流体，则进行s3，否则，采用相变蓄热手段；s3，判断可用流体的温度是否高于控制装置最高承受温度，如果可用流体的温度高于控制装置的最高承受温度，则采用半导体制冷手段或相变蓄热手段，否则采用主动冷却手段；s4，计算步骤s3中半导体制冷手段和相变蓄热手段的性能代偿损失，如果相变蓄热手段的性能代偿损失大于半导体制冷手段的性能代偿损失，则采用半导体制冷手段，否则，采用相变蓄热手段，其中，性能代偿损失为评价航空器设备使用方案优劣的一项主要指标，是由于安装设备对航空器性能产生不利影响而引起的航空器性能附加损失。
26.导致机电设备集成融合控制装置后强烈温升的热源通常有两个，一个热源是控制装置自身运行过程中产生的热量，通常控制装置在整个飞行过程中都处于工作状态，若不能及时将热量带走，其发出的热量会不断累积，导致温度不断升高，这一热源是必然存在的；另一个热源是外界环境产生的热量，包括舱室内高温空气和机电设备本身产生的热量，舱室内空气温度可能高达上百摄氏度，而机电设备本体温度也可能较高，在控制装置与机电设备集成融合后，热量会通过热传导进入控制装置，导致控制装置的温度上升，但是，这一热源不是必然存在的，并且这一热源所造成的温度影响不同，取决于集成有控制装置的机电设备所处的位置。因此，不同的机电设备应合理设计不同的散热方法，以提高散热效率，节约成本。
27.在一些实施例中，散热方法包括以下六种散热方案：散热方案一，包括：隔热手段、相变蓄热手段；散热方案二，包括：相变蓄热手段；散热方案三，包括：隔热手段、半导体制冷手段；散热方案四，包括：半导体制冷手段；散热方案五，包括：隔热手段、主动冷却手段；散热方案六，包括：主动冷却手段。其中，隔热手段是基于控制装置运行环境的温度是否高于控制装置的最高承受温度进行判断，隔热手段的主要作用在于，将控制装置与外界环境隔绝，使外界环境热源产生的热量尽可能少地进入控制装置中，而控制装置产生的热量由主动冷却手段、相变蓄热手段或半导体制冷手段带走。在一些情况下，当主动冷却手段或半导体制冷手段的效率很高时，主动冷却手段或半导体制冷手段不仅可以解决控制装置产生的热量，其也可以进一步解决外界环境热源产生的热量，当机电设备所处的环境温度不是十分恶劣时，即使控制装置运行环境的温度高于控制装置的最高承受温度也可以不进行隔热，此时，可以将判断标准修改，例如，控制装置运行环境的温度高于1.5倍的控制装置的最高承受温度时，使用隔热手段，可以进一步优化散热方法，使集成后的机电设备结构上更简单，生产制造效率更高。
28.在一些实施例中，机电设备的工作可能是不连续的，导致冷流体或热流体的供应也是不连续的，最终造成散热也是不连续的。基于以上情况，散热手段也可以包括主动冷却手段和相变蓄热手段结合，半导体制冷手段和相变蓄热手段结合，隔热手段、主动冷却手段和相变蓄热手段结合，隔热手段、半导体制冷手段和相变蓄热手段结合等四种散热方式。
29.在一些实施例中，如图2-5所示，主动冷却手段包括：将控制装置3设于壳体1内，控制装置3为n个，其中n≥1；冷流体管路5设置大于等于1个；控制装置3和冷流体管路5之间填充导热材料4，当冷流体管路5设置大于1个时，可以将冷流体管路5设于控制装置3的一侧或两侧，并且，根据判断控制装置3运行环境的温度是否高于控制装置3的最高承受温度的结果，选择是否在壳体1内壁设置隔热层2；例如：a、当控制装置3设置为1个时，冷流体管路5可以设为1个，将冷流体管路5设于控制装置3的一侧；b、当控制装置3设置为1个时，冷流体管路5可以设为5个，可以将冷流体管路5设于控制装置3的一侧；c、当控制装置3设置为1个时，冷流体管路5可以设为10个，可以将其中5个冷流体管路5设于控制装置3的一侧，另5个冷流体管路5设于控制装置3的另一侧；d、当控制装置3设置为2个时，冷流体管路5可以设为1个，冷流体管路5设于控制装置3之间或冷流体管路5设于并排布置的两个控制装置3的一侧。
30.在本实施例中，冷流体管路5的横截面可以为正三角形、正方形、正六边形、长方形、圆形或椭圆形。
31.在本实施例中，当控制装置3有冷流体可以利用时，在控制装置3表面周围设置冷流体管路5，使冷流体从管路中流通，并且在控制装置3和冷流体管路5之间填充导热材料4，一方面，导热材料4可以起到支撑作用，另一方面，控制装置3运行时产生的热量可以通过导热材料4传递给冷流体管路5中的冷流体，使热量随着冷流体的流动离开控制装置3所在区域，从而避免控制装置3运行时自身产生的热量的积累。
32.在一些实施例中，如图6-9所示，相变蓄热手段包括：将控制装置3设于壳体1内；控制装置3为n个，其中n≥1；相变蓄热材料6设置大于等于1个；控制装置3和相变蓄热材料6之间填充导热材料4，当相变蓄热材料6设置大于1个时，可以将冷流体管路5设于控制装置3的一侧或两侧，并且，根据判断控制装置3运行环境的温度是否高于控制装置3的最高承受温度的结果，选择是否在壳体1内壁设置隔热层2；例如：a、当控制装置3设置为1个时，可以将相变蓄热材料6设为1个，将相变蓄热材料6设于控制装置3的一侧，也可以将相变蓄热材料6设置为包裹控制装置3的方式；b、当控制装置3设置为1个时，可以将相变蓄热材料6设为2个，可以将相变蓄热材料6设于控制装置3的两侧；c、当控制装置3设置为2个时，相变蓄热材料6可以设为1个，设于控制装置3之间或相变蓄热材料6设于并排布置的两个控制装置3的一侧。
33.在本实施例中，当控制装置3没有可用冷流体时，或者当控制装置3有可以利用的热流体，但是半导体制冷的性能代偿损失大于相变蓄热时，可以将相变蓄热材料6设于控制装置3一侧或两侧，也可以将相变蓄热材料6包裹控制装置3，并且在控制装置3和相变蓄热材料6之间填充导热材料4，控制装置3运行时，自身产生的热量通过导热材料4传递至相变蓄热材料6中，用于将相变蓄热材料6从固态转化为液态，从而避免控制装置3运行时自身产生热量的积累。
34.在一些实施例中，如图10-13所示，半导体制冷手段包括：将控制装置3设于壳体1内，壳体1设有供电接口9，控制装置3为n个，其中n≥1；半导体制冷片8设置大于等于1个，热
流体管路7设置大于等于1个；控制装置3和热流体管路7之间填充导热材料4，半导体制冷片8和热流体管路7之间填充导热材料4，当热流体管路7设置大于1个时，可以将热流体管路7和半导体制冷片8设于控制装置3的一侧或两侧，并且，根据判断控制装置3运行环境的温度是否高于控制装置3的最高承受温度的结果，选择是否在壳体1内壁设置隔热层2；例如：a、当控制装置3设置为1个时，热流体管路7和半导体制冷片8可以均设为1个，将热流体管路7和半导体制冷片8设于控制装置3的一侧；b、当控制装置3设置为1个时，热流体管路7可以设为5个且半导体制冷片8设为1个，可以将半导体制冷片8和热流体管路7设于控制装置3的一侧；c、当控制装置3设置为1个时，热流体管路7可以设为10个且半导体制冷片8设为2个，可以将其中5个热流体管路7和1个半导体制冷片8设于控制装置3的一侧，另5个热流体管路7和另一个半导体制冷片8设于控制装置3的另一侧；d、当控制装置3设置为2个时，热流体管路7和半导体制冷片8可以均设为1个，将热流体管路7和半导体制冷片8设于并排布置的两个控制装置3的一侧。
35.在本实施例中，热流体管路7的横截面可以为正三角形、正方形、正六边形、长方形、圆形或椭圆形。
36.在本实施例中，当控制装置3有可用热流体，并且半导体制冷性能代偿损失比相变蓄热更小时，在控制装置3一侧或两侧设置半导体制冷片8，并且控制装置3和半导体制冷片8之间填充导热材料4，在半导体制冷片8装置设置热流体管路7，半导体制冷片8和热流体管路7之间填充导热材料4，半导体制冷片8的工作需要消耗电能，因此，需要设置供电接口，半导体制冷片8在消耗电能的同时，能够将热量从低温区转移至高温区，因此，控制装置3运行时自身产生的热量能够转移至温度更高的热流体中，并随着热流体的流动离开控制装置3所在区域，从而避免控制装置3运行时自身产生热量的累积。
37.在一些实施例中，隔热手段包括：在壳体1的内壁设置隔热层2。在壳体1内布置包裹控制装置3的隔热层2，将控制装置3与外界环境温度隔离，尽量隔绝了外界环境产生的热量对控制装置3的影响。
38.在一些实施例中，冷流体管路中管道与控制装置的换热面积a1通过以下公式计算得出：，其中，q1为控制装置的发热功率，h1为冷流体管路中流体的表面传热系数，t1为控制装置的表面温度，t2为流体温度。设置合适的冷流体管路与控制装置的换热面积可以在保证冷流体带走控制装置产生的热量的情况下，减小冷流体管路的体积，减小了控制装置的体积和重量。
39.在一些实施例中，相变蓄热材料的体积v通过以下公式计算得出：，其中，q1为控制装置的发热功率，t为蓄热时间，l为相变蓄热材料的相变潜热，ρ为相变蓄热材料的密度，设置合适的相变蓄热材料体积可以在保证相变蓄热材料能够完全吸收控制装置产生的热量的情况下,减小控制装置的体积和重量。
40.在一些实施例中，半导体制冷所需的电功率w通过以下公式计算得出：，其中，q1为控制装置的发热功率，η为半导体制冷片的效率，设置合适的电功率可以在保证半导体制冷手段带走控制装置产生的热量的情况下,减小控制装置的电能消耗。
41.在一些实施例中，隔热层的厚度h通过以下公式计算得出：，其中，λ为隔
热层所用材料的热导率，a2为控制装置与隔热层的接触面积，q2为环境热源的发热功率，t3为环境温度，t1为控制装置的表面温度，设置合适的隔热层厚度可以在保证外界环境温度不影响控制装置运行的情况下，减小了控制装置的体积和重量。
42.在一些实施例中，控制装置为信号检测装置、数据处理装置或无线通讯装置等。
43.基于同一发明构思，本发明还公开了一种控制装置，控制装置采用前述实施例的散热方法进行散热，可以保证控制装置在进行最小的结构改进的基础上，得到有效的散热，保证其稳定有效地运行。
44.基于同一发明构思，本发明还公开了一种机电设备，机电设备集成有前述控制装置，集成有控制装置后，机电设备得到大幅智能化提升，可以减少故障的发生，提高使用寿命，保证运行的安全性。
45.可以理解的是，本公开中“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。单数形式的“一种”、
“”
和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
46.进一步可以理解的是，术语“第一”、“第二”等用于描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开，并不表示特定的顺序或者重要程度。实际上，“第一”、“第二”等表述完全可以互换使用。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。
47.进一步可以理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。
48.进一步可以理解的是，除非有特殊说明，“连接”包括两者之间不存在其他构件的直接连接，也包括两者之间存在其他元件的间接连接。
49.进一步可以理解的是，本公开实施例中尽管在附图中以特定的顺序描述操作，但是不应将其理解为要求按照所示的特定顺序或是串行顺序来执行这些操作，或是要求执行全部所示的操作以得到期望的结果。在特定环境中，多任务和并行处理可能是有利的。
50.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本公开旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
51.应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。