《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Design, analysis and experimental validation of an annular flow channel liquid cooling ring for high-performance humanoid robots
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•本文提出了一种带有环形流道的集成式液冷环（LCR）。•该系统可将温度降至85℃以下，而无需液冷方案时温度可达380℃。•研究建立了努塞尔数与雷诺数之间的关联关系，用以评估传热性能。引言近年来，人形机器人发展迅速，人们越来越重视其高动态性能、敏捷性以及执行重负荷任务的能力[1]、
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本文提出了一种带有环形流道的集成式液冷环（LCR）。
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该系统可将温度降至85℃以下，而无需液冷方案时温度可达380℃。
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研究建立了努塞尔数与雷诺数之间的关联关系，用以评估传热性能。
引言
近年来，人形机器人发展迅速，人们越来越重视其高动态性能、敏捷性以及执行重负荷任务的能力[1]、[2]、[3]、[4]。先进的人形机器人平台需要能够完成跑步、跳跃、举重以及持续操作等复杂动作，这些都对关节执行器提出了严格的要求[5]。由于仿人结构设计对执行器体积有所限制，电机必须在极为紧凑的空间内输出高功率，这就带来了严峻的热管理挑战[6]。Lee等人发现，关节执行器内部（如电机和减速器）的热积累已成为限制性能提升的主要瓶颈之一，如图1所示。过高的温度会导致永磁体退磁、绝缘材料老化、润滑剂性能下降，进而降低整体效率[8]。
由于CPU、GPU、电源模块以及高性能传感器等设备的功率密度不断上升，其产生的热流强度在现代应用中可超过100 W/cm2，因此高效的热管理方法受到了广泛研究[9]。常见的冷却方式包括带散热片的空气冷却，以及冷板、微通道散热片、喷射冷却和喷雾冷却等液冷技术[10]。这些方法在电子系统中效果显著，因为它们能够依靠稳定的安装条件以及良好的热界面，从而在稳态工作条件下实现有效的热量扩散和排出。
然而，由于高功率密度、有限的安装空间以及紧凑型机电系统中的结构要求，将这些冷却技术直接应用于机器人关节执行器仍然面临诸多挑战。与固定式的电子元件不同，关节执行器位于空间极为狭窄的旋转壳体内部，电机、齿轮减速器、传感器以及电力电子设备都密集地集成在一个紧凑的装置中。这些几何上的限制严重阻碍了气流的流动，降低了对流换热的效果，使得空气冷却方式在这种环境中难以发挥作用。
为了解决过热问题，有必要在人形机器人关节的紧凑空间内采用集成式液冷方案来实现有效的散热[11]、[12]、[13]。正如Calvo等人所研究的那样，空气冷却等传统冷却方式在机器人关节及柔性部件的狭小空间中效率较低[14]、[15]。已有研究展示了用于人形机器人柔性冷却的创新微流体技术，这类技术能够将热阻降低至0.089 cm2·K/W，并且在运动过程中仍能保持稳定性[16]。Saysroy等人证明，多通道和分层流结构通过增大有效换热面积并改善温度均匀性，能够显著提升传热性能[17]。此外，Feng等人研究了平行微通道和分段流路，这类设计有助于减少局部热点并降低温度梯度[18]、[19]。Hung等人也表明，分层通道结构能够进一步改善轴向热量扩散并降低热阻。这一切都凸显出，为了确保人形机器人的可靠持续运行，亟需高效且灵活的热管理解决方案。
在人形机器人关节的热管理研究中，尚未充分探索将轴向分层结构与环形闭合流道相结合的集成设计。这一研究空白促使了本项研究的开展，也为本研究奠定了核心技术基础。
在本研究中，我们提出了一种集成式液冷环（LCR），它具有四大关键结构特点：轴向多层结构、环形流道、靠近热源的布局，以及合理的进出液歧管设计。叠加的轴向层结构增加了有效换热面积，提升了在有限关节空间内的三维散热能力。环形闭合流道则与圆柱形的执行器结构相匹配，有助于实现均匀的径向热量抽出，而同心的结构设计则确保了与产热部件的紧密热接触。此外，分区的进出液歧管能够将冷却液均匀分配到各个环形流道中，从而提高流量均匀性并降低压力损失。因此，本研究的创新之处在于将轴向多层环形流道与环形流动结构巧妙结合在紧凑的架构中，专门为人形机器人关节执行器设计了高效、均匀且适应空间限制的热管理方案。
此外，本研究还分析了影响热传递性能的关键参数——冷却液流量和进口温度，这些参数均属于实际机器人冷却系统中的可行操作范围，确保所提出的方案在实施时不会带来过高的系统复杂性或能耗。同时，本研究还提出了单相状态下的努塞尔数与雷诺数关联公式，可为未来人形机器人执行器热管理方案的优化提供有用的设计参考。
章节摘要
系统描述
液冷环（LCR）的设计主要取决于目标人形机器人关节执行器的热学、空间、液压以及轻量化等方面的需求。
如图2所示，机器人关节的几何形状决定了LCR允许的内径、外径和厚度，具体数值如表1所示。LCR必须与关节执行器组件相适配，其内径为120毫米，外径为126毫米，厚度为3毫米，高度为
结果与讨论
本研究通过分析不同流量和进口温度对液冷环（LCR）热性能及流动特性的影响，建立了用于性能预测和验证的理论传热模型。
结论
本研究通过实验和仿真手段，评估了一种用于高性能人形机器人关节的环形液冷环（LCR）的性能。仿真结果表明，所设计的LCR能够有效防止热故障，在最大功率耗散为250瓦（115.04 W/cm2）时，仍能将电机温度控制在85℃以下，而无需液冷时温度几乎可达380℃。对流换热特性分析表明，冷却效率在很大程度上取决于冷却液的流量
作者贡献说明
钟新勇：撰写原始稿件、方法设计、实验研究、正式分析、概念构思。韩家成：验证工作、正式分析、数据整理。薛松：正式分析、数据整理。吴瑞康：监督指导、实验研究、数据整理、概念构思。罗晓兵：撰写审稿与编辑稿件、监督指导、资金申请、概念构思。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国教育部的“基础学科拔尖计划”（项目编号：JYB2025XDXM203）以及科学挑战计划（项目编号：TZ2025004）的支持。
Zhong Xin Yong|Jiacheng Han|Song Xue|Ruikang Wu|Xiaobing Luo
