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简介：面向四足机器人、四轮足机器人整机结构与热管理方向的一份发明专利申请全文，申请人为深圳逐际动力科技有限公司，公布号CN 117769181 A，适合机器人结构设计、密封与散热岗位的工程师及高年级学生研读。

专利正文针对密闭机舱内计算单元散热不佳的痛点，给出以机舱内腔、计算单元和嵌入式散热组件为核心的方案：散热组件用环绕侧壁限定上下贯通的风井，风井开口方向与行进方向大致垂直，在保持内腔封闭的同时形成对外直通的通风通道；计算单元经直接抵接或导热件将热量传至侧壁，再由侧壁辐射到风井空气，借助热空气上升、冷空气由高压区向低压区扩散形成加速上升气流。文中进一步展开鳍片布置、基座与围板的可拆密封结构、导热块与热管组合、防水风扇仓及支撑脚等实施例，并附权利要求书4页、说明书12页、附图14页。

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1. 密封机舱的问题：为什么越防水的四足机器人越容易被热拖垮

四足机器人把防护做到能淋雨、能踩水之后，最先出问题的往往不是进水，而是过热。机舱一封，内腔里那点空气就成了保温层：算力板卡持续输出几十瓦，热量出不去，只能在内腔里反复循环，结温一路升到降频线以上。这是结构性矛盾：防水靠封闭，散热靠开放，两个方向正好相反。有一份 2023 年底提交、2024 年公开的发明专利申请，解法很干脆：不打破密封，而是在机舱里竖向设置一根上下通透的风井，让空气从腹部进、从背部出，井壁同时充当散热器。它把“对外开口”和“对内密封”这两件看似互斥的事，拆到了两个不同的面上。值得拆开看一遍：一根竖管为什么能把密闭舱体里的热量带出去，以及它在结构、工艺、公差上付出了什么代价。

2. 风井：把散热面从舱内空气挪到一根贯通大气的竖管里

理解这套结构的第一步，是先把热量的“目的地”换掉。传统做法是让热量在内腔空气里扩散，再靠外壳慢慢往外渗；内腔空气不流动，热阻极高。这套结构改为直接给热量指定一个对外开放的去处：一根贯穿机身的竖井，井里的空气和外界连通，井壁把井内的气液和内腔隔开。热从芯片走到井壁，再由井壁交给井里不断更新的空气。路径短了一截，可控环节也少了一截。

2.1 结构拓扑：密封面被搬到了哪里

整套结构由三部分组成：机舱、计算单元、散热组件。机舱是壳体结构，内部形成内腔，壳体在靠近地面的腹部开下开口、在背离地面的背部开上开口。散热组件竖向嵌入机舱并贯穿，核心是风井，由环绕设置的侧壁围出一个上下贯通的中空腔。装配完成后，风井的上端与背部上开口密封连接，下端与腹部下开口密封连接，腿足组件、外置构件、摄像头、走线固定件这些与机舱关联的结构件也各自与机舱密封连接。

于是出现了两层密封界面。第一层是机舱与传统结构件之间原有界面，负责挡住外部的水汽杂质；第二层是风井两端与上下开口之间的接缝，负责在不破坏第一层的前提下，让一根管子穿过机舱。这道接缝的工艺在两处有说明：一是用导热性能的密封硅胶填塞接缝缝隙，兼具密封与传热；二是在侧壁上端做安装边，安装边底部垫密封垫，再用紧固件压紧。后一种更适合量产装配，因为压紧力可测、可复现，密封垫压缩量能通过紧固件扭矩间接控制。

关键在于理解“隔离”的范围：侧壁隔离的是风井内外两侧的气液流通，也就是井里的水和气不能横穿井壁进入内腔；井本身和外界是通的。空气在井里自由上下，水汽同样能进井里，只是进不了舱。这条边界一旦画清，后面所有设计取舍都能对上号：凡是要穿过井壁的东西，都必须自带密封。

2.2 有关烟囱效应压差的计算：十几帕能带走多少瓦

说明书里给出的驱动机制是热空气上升、冷空气从高压区向低压区扩散，在井内形成向上加速的气流。这就是烟囱效应，物理量是浮升压差，量级必须算一遍，否则容易对它期待过高。

import math def stack_pressure(h, t_amb_c, t_well_c): """竖井自然对流的浮升压差，单位 Pa。h 为井高，两侧取温差""" T_amb = t_amb_c + 273.15 T_well = t_well_c + 273.15 rho_amb = 353.0 / T_amb # 干空气密度近似式 kg/m3 rho_well = 353.0 / T_well return (rho_amb - rho_well) * 9.81 * h def flow_from_dp(dp, rho, zeta, area): """把压差折算成流道平均流速与质量流量，zeta 是综合阻力系数""" v = math.sqrt(2 * dp / (rho * zeta)) # 进出口突变 + 沿程 + 鳍片全算进 zeta return v, v * area * rho h, A = 0.16, 0.0048 # 井高 160 mm，流通截面约 160mm x 30mm for zeta in (3.0, 10.0): # 3 约等于光壁，10 约等于鳍片密布 dp = stack_pressure(h, 25, 50) v, mdot = flow_from_dp(dp, 1.0924, zeta, A) q = mdot * 1005 * (50 - 25) # 空气带走的热量 W print(f"zeta={zeta:>4}: dp={dp:.3f} Pa, v={v:.2f} m/s, " f"mdot={mdot*1000:.2f} g/s, 散热上限约 {q:.1f} W")

跑出来浮升压差只有 0.14 Pa 量级，两个阻力系数下分别是 40 W 和 21 W 的散热上限，还要再打个折扣，因为真实机舱内外温差未必有 25 K。这说明两件事：第一，纯自然对流在紧凑风井里是“保底”，撑得住一颗中低功耗的计算模块，撑不住高算力板卡；第二，井的价值不只是对流，更在于它把一大片金属侧壁直接暴露在流动空气里，侧壁的导热和辐射面积才是主力。

主动风扇的账就好看得多。按 30 W 热耗、允许空气温升 15 K 估算，所需质量流量约 2 g/s，折算体积流量不到 2 L/s，也就是几个 CFM 的量级，一颗小尺寸防水风扇绰绰有余。所以说明书里把风扇写成可选加强项，而不是必需品，这个定位是准确的。

2.3 尺寸约束：50%~90% 与 5:1 是怎么定出来的

权利要求里出现了几个颇有“血泪经验”味道的数字，它们不是随手写的：

5:1 这个比例最值得琢磨。换热面积和流道体积的比值随缝隙变窄而升高，压到 10:1 似乎更划算，但流道阻力与水力直径成反比，窄到一定程度就变成粘性主导，自然对流基本停摆，只能靠风扇硬吹，噪声和功耗都上来了。5:1 是在“面积”和“能自己流起来”之间取的平衡点。另一个细节是长侧壁沿宽度方向布置、短侧壁沿长度方向布置，这与机舱的长方体形状配合，让最有价值的那一面正对计算单元，而不是让热源去贴一个边角。

风井的形状也不必是矩形，说明书里给了半圆形侧壁的变体，还给了多个规则或不规则排列的圆形管、方形管、长方形管方案：每个管子的管壁就是环形的侧壁，两端分别与上下开口密封连接，管壁上贴导热件。这种“多井并联”更适合把多个分散热源各自就近接出去，代价是密封界面数量随井数线性增加。

3. 从结温到大气：导热块、热管与鳍片的串联热路

井壁再大，热得先走到井壁上。这一段是整个方案里最容易被低估的部分：计算单元是点状热源，长侧壁是面状散热面，中间如果只靠一层导热垫，扩散热阻会把前面省下来的余量全吃掉。

3.1 三级接力：功率元件到长侧壁的路径

散热组件被拆成基座与围板两件。基座构造出第一长侧壁、第一短侧壁、第二短侧壁，围板构造出第二长侧壁，围板两侧用紧固件接到两个短侧壁上，各连接处密封，合围出的中空腔就是风井。两个长侧壁相对设置，各自对应一组功率元件：第一功率元件先用紧固件固定在第一屏蔽罩上，第一屏蔽罩再固定到第一长侧壁的第一凸台上；第二功率元件同理固定到第二长侧壁的第二凸台上。热路和结构固定共用同一套紧固件，这是很务实的一步，省掉独立支架，也省掉支架引入的额外接触热阻。

真正的导热接力是三段：

1. 功率元件贴合第一导热件，第一导热件贴合第一长侧壁的第一散热面，导热件夹在两者之间；
2. 第一导热件由第一导热块加两根热管组成。第一散热面中心区域开第一缺口或第一凹腔，导热块部分嵌入其中，朝向功率元件的一侧凸出散热面与元件贴合，第一、第二热管分别插入导热块两端，向相互背离的方向折弯延伸，管壁与散热面贴合；
3. 热量最终进侧壁，再由侧壁辐射到中空腔的空气，鳍片接手做最后一段对流换热。

为什么中间非要塞热管？因为侧壁是一整面，热源只占其中一个不大的区域。热量从一个小接触面进入一大片金属，扩散热阻正比于接触面积的开方倒数，光靠加厚侧壁没用。热管把热量沿侧壁方向快速摊开，等效于把点热源拉成一条线热源，把侧壁中远离热源的那部分面积激活。这一点在参数上很直观：

def junction_temp(q_w, t_amb, r_jc, r_tim, r_block, r_wall): """串联热路：结->壳->界面->导热块->侧壁与鳍片->空气""" r_total = r_jc + r_tim + r_block + r_wall return t_amb + q_w * r_total, r_total # 25 W 计算模块，40 度环境；前四项单位 K/W t, r = junction_temp(25, 40, 0.35, 0.20, 0.15, 1.30) print(f"总热阻 {r:.2f} K/W，结温约 {t:.1f} °C")

25 W 下总热阻 2.0 K/W，结温就顶到 90 ℃，环境再热一点直接进降频区。四个环节里最贵的是最后一段——侧壁到空气的对流热阻 1.3 K/W，占了六成以上。这也解释了为什么整个方案的重心放在“增大侧壁面积 + 加鳍片 + 让空气真的流动”，而不是一味优化界面材料：界面那 0.2 K/W 就算优化到 0.1，总量也只降 5%。

3.2 缺口还是凹腔：一个通孔方案的密封代价

导热块嵌进长侧壁的方式有两个选项，权利要求里写得很清楚，两者差别不小。

缺口是真正开穿的孔。导热块部分嵌入后必须与缺口密封连接，否则内腔就不再是封闭结构。好处是导热块背向功率元件的那一面可以与中空腔内壁持平，甚至向腔内延伸，直接和井里的冷空气接触——相当于给这颗功率元件单独开了一个外露冷面，热阻最低。代价是每一处缺口都是一个需要单独做密封的界面，而且导热块和侧壁往往是异种材料，热膨胀系数不同，反复热循环之后密封胶的界面会疲劳。

凹腔只是减薄壁厚、压出一个腔，不穿透。不需要额外密封，装配简单，可靠性高。代价是导热块到井内空气之间还留着一层薄壁，多了一段固体导热热阻，散热效果打折。说明书里那个“薄壁区域”的标注，就是这条路径的痕迹。

我的理解是：功率密度不高、环境温差不大的机型走凹腔，把可靠性放在第一位；高算力、宽温域作业的机型走缺口，用密封工艺的复杂度换十几度的结温余量。这个选择没有统一答案，但必须先摆到台面上，而不是等样机做过温升测试才发现导热块根本贴不到底。

3.3 鳍片与锥形导风口：把有限的截面用满

鳍片从风井一端开口处向另一端开口延伸，排列在中空腔内，两个长侧壁相对的一侧都设。这个方向性很关键：如果鳍片横着排，等于在流道里放了一串挡板，自然对流那点浮升压差根本推不动；顺着轴向排，鳍片才是延伸的换热面而不是阻力源。代价也真实存在，密集鳍片会把综合阻力系数从 3 推到 10 这个量级，自然对流风量掉一半，所以鳍片密度和前面 5:1 的窄缝比例是同一道账的两面。

至于圆形管或方形管方案，顶部还可以加一个锥形导风口。扩口的物理作用是降低出口动压损失、抑制出口处的回流：环境风从背部掠过时，平口容易在出口形成局部正压把热空气顶回去，锥形口相当于给气流一个渐扩的过渡。副作用是它在雨天会变成一个漏斗，所以实际产品里通常会配带网孔的盖板，盖板用紧固件压在风井顶部，既挡异物也不明显增加阻力。

4. 基座加围板：散热件为什么要拆成两半再密封拼回去

一体成型的方管当然更简单，密封界面也最少。这套结构偏偏选择了基座 + 围板的分体方案，理由是装配可达性，而可达性直接决定了这个东西能不能量产。

4.1 分体式风井的装配顺序与密封界面

一体式风井只能沿竖直方向整体穿入机舱，要求机舱在上方或下方有完整的净空，而且必须先装风井、再装计算单元，最后装盖板。计算单元被风井围在中间，装配空间极其狭窄，屏蔽罩的紧固件几乎伸不进工具。

分体方案把顺序倒了过来：先把基座固定在内腔里，基座自带上第一长侧壁和两个短侧壁，形成一个三面围合的结构，此时第一散热面朝上敞开；接着把带第一功率元件的第一屏蔽罩锁到第一长侧壁的第一凸台上，把带第二功率元件的第二屏蔽罩锁到第二长侧壁的第二凸台上；然后盖上围板，围板两侧用紧固件接到两个短侧壁的另一侧，各连接处做密封；最后整体嵌入机舱，上下两端与上下开口密封。

代价要算清楚。风井的密封界面从“一体管 + 两端接缝”变成了“两端接缝 + 两条长边接缝”，接缝数量翻倍，每条接缝都是一处漏水风险点，而且两条长边接缝正好在竖直方向上，水一旦从背部渗入会顺着接缝往下走。所以围板的紧固件需要按顺序和扭矩拧紧，密封垫要有足够的压缩余量，接缝处最好再加一道密封胶做冗余。这也是分体方案真正考验工艺水平的地方，设计上并不省钱。

4.2 侧壁当承力件：计算单元为什么直接锁在散热面上

计算单元固定在长侧壁上，屏蔽罩通过紧固件锁到长侧壁的凸台上。这个动作同时完成了三件事：机械定位、热路连接、结构支承。

四足机器人在翻转、跳跃、跌落时，机舱内承受的是多方向的惯性载荷。计算单元如果是悬空固定在一块独立支架上，冲击下会窜动，轻则导热界面被搓开、接触热阻跳变，重则元件或连接器受损。把计算单元直接锁在风井侧壁上，侧壁本身就是贯穿机舱的箱型结构，刚度高，等于给计算单元加了一道侧向支承和止挡。说明书中把这一点写成“减震、吸收冲击”，用词不夸张：真正起作用的是限制位移，而不是吸收能量。

需要注意这里有一个容易被忽略的耦合：紧固件把屏蔽罩压在凸台上，压紧力既决定接触热阻，也决定抗振能力。热循环会让材料反复膨胀收缩，预紧力缓慢衰减，接触热阻随之上升。工程上通常用螺纹胶或防松垫圈，导热界面在长期振动场景下改用相变材料而不是硅脂，因为硅脂会被泵出。

除了从基座底部向外延伸的支撑座，风井四周还有安装边，用来与机舱的上开口、下开口对接并压紧密封垫，这些结构共同把风井“挂”在机舱上，避免整根井的重量和惯性载荷全部压在下端接缝上。

4.3 风扇仓与支撑脚：进气为什么要拐九十度

需要主动散热时，风扇组件的做法很讲究。风扇仓设置在风井下方，与风井下端密封连接，或者直接与机舱下开口密封连接；防水风扇装在风扇仓之内，风扇仓上开风孔，通过风扇安装板与风扇安装壳配合形成一条主动气路。这条气路的进气方向与机舱长度方向相互平行，出气方向顺着风井的下端到上端。

进气拐九十度不是随手画的。如果风扇直接朝下吸，机器人踩水、过沙地时，水和粉尘会正面被吸进风道，滤网很快堵死，堵了之后风扇反而变成热源。改成侧向进气，气流要先在风扇仓里拐一个弯，重颗粒和液滴在拐角处因惯性沉降分离，进入风井的那部分空气干净得多，这是一种典型的惯性分离思路，成本几乎为零。

风扇仓下端两侧各有一个支撑脚，把风扇仓固定在机舱底部并支撑机舱，支撑脚的底部高出风扇仓的下沿。这条“高出”是关键：机器人趴低或者通过积水路面时，风扇仓下沿先接触地面或水面，支撑脚仍然悬空，进气口不会被地面直接封死，也不会被积水淹没。风扇本身也要选防水型号，因为它在气路最下游，实际上承受的是最恶劣的工况。

5. 避坑与排查：这类密封散热结构最常见的五个翻车点

5.1 侧壁结露：密封做对了，防潮还是翻车

现象：整机淋雨测试通过，但低温环境运行一段时间后，内腔底部出现水珠，计算单元附近的接插件发霉、绝缘电阻下降。

原因：风井侧壁一侧是井内流动的冷空气，另一侧是内腔相对温暖潮湿的空气，侧壁温度长期低于内腔露点，水汽就在内腔这一侧凝结。密封只挡住了外部液态水，挡不住内腔自身水汽在冷面上析出，这是一个内部结露问题，不是密封失效。

解决：内腔装透气阀做压力与湿度平衡，关键区域放干燥剂并留观察窗；侧壁在内腔一侧做隔热处理，避免把冷面直接暴露给内腔空气；结构上尽量让内腔空气与侧壁的接触面积小、流动少。别忘了在设计阶段就算一遍露点，而不是等凝露出现再去堵。

5.2 导热块缺口渗水：通孔方案的密封没做够

现象：IP 测试后，拆开发现导热块与缺口交界处有渗水痕迹，内腔侧壁有水线。

原因：缺口是真正开穿的孔，导热块只是“贴合”进去，四周没有连续的密封胶或密封圈。金属件与导热块的热膨胀系数不同，几次高低温循环之后，界面出现微缝隙。

解决：缺口方案必须把密封当成一道独立工序设计，导热块与缺口之间用结构胶连续打胶，胶层要有足够厚度吸收热膨胀；或者干脆退回凹腔方案，用一段薄壁换掉整个密封界面。这里没有“贴得够紧就没事”这回事。

5.3 加了风扇反而更热：气路被自己堵住了

现象：装上风扇组件后，稳态结温不但没降，局部还升高了几度，风扇噪声明显变大。

原因：出风口被背部的外置构件、走线或盖板遮挡，形成回流；或者风扇转向装反，与风井的“下进上出”方向冲突；也可能是风扇仓进气口离腿足组件的运动包络太近，被结构挡住一半。

解决：出风口上方留出至少一个当量直径的净空；装配后做一次烟雾或纸条流向验证，确认气流方向确实是下进上出；风扇仓的进气口位置在整机姿态变化时都不能被遮挡。风扇不是装上就行的配件，它属于气路的一部分。

5.4 窄缝做到 10:1，风量反而掉了

现象：为了增加散热面积，把风井的长宽比从 5:1 做到 10:1，鳍片也加密，结果自然对流工况下温升更差。

原因：流道阻力随水力直径减小而急剧上升，窄缝内变成粘性主导，浮升压差那零点几帕推不动气流，井里的空气几乎是静止的，鳍片再密也只是在静止空气里做无效扩展。

解决：把比例守在 5:1 附近，靠鳍片的合理片距增加面积而不是靠压窄缝隙；如果真的需要更高散热能力，就上主动风扇，用压头去克服阻力，而不是继续牺牲自然对流。

5.5 跳跃测试后接触热阻变大：预紧力衰减了

现象：新机结温正常，跑完一轮跌落与跳跃测试后，同一工况下结温上升 8~10 ℃，拆机发现屏蔽罩的紧固件有轻微松动，导热界面材料被挤到边缘。

原因：屏蔽罩的紧固件同时承担结构固定和热连接，振动加反复热循环让预紧力衰减，界面材料在压力脉动下被泵出，接触面积和有效厚度都变差。

解决：紧固件加螺纹胶或防松垫圈，并按扭矩表复紧；导热界面在振动场景下改用相变材料或导热垫，减少泵出；在样机阶段把“振动后温升”作为一项固定测试项，不要只测新机。

6. 设计取舍：把“对外开口”塞进“对内密封”的边界

这套结构最值得学的不是某个零件，而是它做取舍的方式：把“需要开放的东西”和“需要密封的东西”放到两个不重叠的面上，而不是在同一条边界上互相妥协。想清楚这条原则，就能判断它的适用边界在哪里。

它也有明确的软肋。密封界面从两处变成四处甚至更多，每多一处就多一个装配一致性要求；窄缝风井的散热能力天生受限于浮升压差，遇到五十度环境温度时，自然对流那点余量会被环境吃掉大半，必须靠主动风扇兜底；侧壁兼作承力件意味着振动、热应力、密封压缩量三者耦合在一起，任何一个出问题都会以“温度异常”的形式表现出来，排查时容易误判方向。所以在整机层面，风井的位置安排不能只看散热，还要看背部有没有遮挡、腿部运动包络会不会挡住下开口、整机重心会不会因为一段空腔而偏移。

我印象最深的一次教训，是早期做一个密闭舱体的散热验证，把侧壁面积算得很漂亮，结果样机一上振动台，紧固件松了半圈，结温直接涨了十度，前面所有面积优化都被一个预紧力抵消掉。从那以后我每次画密封舱的热路，都强制先画一条从结温到自由空气的完整路径，标出每一段的热阻和每一个需要密封的界面，再去谈面积和鳍片——路径上任何一段断掉，后面的计算都是纸面数字。这份说明书里从机舱开口、风井侧壁、导热块缺口到风扇仓支撑脚的完整推演，正好是这样一条路径的范本，附图和权利要求对照着读，比自己从零画一遍快得多，需要的话可以取来存一份。希望帮到你。

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