太阳辐射对不同表面处理散热器的影响

江宏玲， 周 成(1.安徽省·水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 合肥 20088；2.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 20088； .安徽国际商务职业学院，安徽 合肥 2111)

小功率自然对流散热逆变器产品都是户外型，在高强度、长时间的太阳辐射下，逆变器要能够保证正常运行，散热器需要准确而精细的设计，在自然对流散热方式中，辐射散热约占10%，因此在小功率产品热设计过程产品的辐射特性不可忽视。保证产品质量的前提下，增加公司效益，需要对产品的细节、设计余量要有准确而清晰的认识，为此对逆变器散热器辐射特性进行研究及实验。

1 理论分析

热辐射是物质在一定温度下发射的能量，辐射场的能量是通过电磁波传播的。热量通过导热或对流的方式传输时必须有物质介质，但辐射传播不需要介质，事实上，在真空中热辐射传输是最有效的。

图1为表面的辐射传输过程。图1(a)表示单位面积单位时间内发射的辐射能量(W/m2)称为发射功率E，发射功率的大小有一个上限，它可由斯蒂芬-波尔兹曼定律(Stefan Boltzmann law)定律给出：

(1)

其中，Ts是表面的热力学温度，σ为斯蒂芬-波尔兹曼常数，σ=5.67 10-8W/(m2·K4)。这种表面称为理想辐射体或黑体。

在同一温度下，实际表面辐射的辐射功率密度小于黑体辐射功率，辐射功率的大小由式(2)给出：

(2)

其中，ε为发射率，表示物体表面的辐射性质。发射率ε的范围在0～1之间，代表了实际表面与黑体辐射的差异程度。

经常会遇到的一种特殊情况：一个温度为Ts的小表面被一个面积远大于它的等温表面包围，需要求二者之间的辐射换热量，如图1(b)所示。周围的环境可以是房间，车间等其它墙面，它们与被包围表面的温度不同(Ts≠Tsur)。这种情形下，单位时间离开单位表面的净辐射换热量qrad计算式为：

(3)

式(3)给出了表面自身释放的辐射热与吸收得到的辐射热之间的差值。对于逆变器放在机房内或者放在大气环境中，其与环境之间的净辐射换热量可用式(3)表示。由式(3)可见，影响辐射换热的因素有3个：发射率ε、表面温度Ts、环境温度Tsur。环境温度Tsur是外界条件，因此，辐射散热性能决定于物体表面发射率ε和表面温度Ts。对于散热器而言，散热表面的处理形式，以及表面温度成为影响散热器辐射换热的关键参数。

2 实验研究

实验对比散热器四种不同的表面处理方式对散热器散热性能的影响，包括黑色氧化、本色氧化、辐射涂层、无氧化处理四种散热器，红外发射率如表1所列。实验数据如图2～图4所示。

表1 四种散热器红外发射率

图2为本色氧化散热器与无氧化处理散热器在不同加热功率下温升变化趋势。图中，加热功率低于150W时，本色氧化与无氧化处理散热器温升差别很小，本色氧化散热器温升只比无氧化散热器低1.5℃以内，当加热功率大于150W时，两者之间差别开始逐渐增大，最大可达3℃。根据式(3)可知，当散热器表面温度Ts与环境温度Tsur之间差别较小，净辐射换热量qrad则较小，对整个散热器散热性能的影响小，因此，在低温差时，本色氧化散热器与无氧化处理散热器温升差别很小；随着加热功率的增加，Ts与Tsur之间差别逐渐增大，红外发射率大的散热器温度降低幅度比发射率小的散热器大，因此，本色氧化散热器与无氧化散热器之间温度差别增加。实际上，无氧化的散热器与本色氧化散热器温升差别比测试结果更大，理论评估的差别为5℃以上。实验测试结果最大差别只有3℃。经与厂家沟通得知，实验用的所谓无氧化处理的散热器，实际上出厂的最后一道工序是酸洗处理，酸洗也会在表面形成极薄的氧化膜，存在一定的发射率，但比本色氧化散热器低。

图3为本色氧化散热器与黑色氧化散热器温升对比。由于黑色氧化表面的红外发射率与本色氧化红外发射率相差不大，因此，在低温时，二者散热性能一致，即使在高温时(加热功率大时)，两者也只有1℃的差别。因此，黑色氧化与本色氧化散热器的辐射散换热相当。黑色氧化散热器的可见光吸收系数(太阳辐射吸收系数)较大，用在室外时，由于太阳辐射的影响，会增加散热器的散热负担。因此，在设计时，推荐使用本色氧化散热器，以降低室外太阳辐射的影响，提高散热器稳定性和可靠性。

图2 本色氧化散热器与无氧化散热器实验数据

图3 本色氧化散热器与黑色氧化散热器实验数据

图4 本色氧化散热器与涂层散热器实验数据

图4为本色氧化散热器与辐射涂层散热器温升对比。根据式(3)，辐射涂层的红外发射率比本色氧化红外发射率高，因此，辐射涂层散热器温升比本色氧化散热器温升低，散热效果更好。在低功率时，两者差距较小，如在150W时，两者相差1.5℃；在200W时，两者相差2.5℃；在300W时，两者相差达到4℃。250W时温度曲线有一定的下降，主要原因是实验过程中，天气转多云并伴有大风，增加了散热器的对流换热能力，造成温升曲线斜率突降，但两种散热器的差异并未明显减少，约为2℃。

3 结 论

无表面处理散热器进行酸洗工序后，表面会产生极薄的氧化层，增加了表面红外发射率，所以在低功率工况下，其与本色氧化处理散热器的区别不明显，功率为300W时，本色氧化散热器才逐渐体现，约为1.5℃。考虑到酸洗处理产生的氧化层非常薄，易破损，且防腐蚀、耐磨性等不足，所以正常使用较少。

由于黑色氧化和本色氧化的红外发射率相近，两者散热性能相当，考虑到户外太阳辐射对散热器的影响，黑色氧化对可见光的吸收率较高，所以在室内场合下，两者都可以，在户外场合下，建议采用本色。辐射涂层的红外发射率较高，在热耗为150W时，两者相差1.5℃，在300W时，差距达到4℃。其散热效果较为明显。在低于150W功耗情况下，可直接采用本色氧化，在高功率情况下，可依据具体情况采用辐射涂层方式。