太阳辐射对户外密闭箱体热影响的试验研究

陈彦，李晓峰，刘剑，邓环宇

（北京无线电测量研究所，北京 100854）

引言

太阳辐射由紫外线、可见光和红外线组成，以电磁波的形式传输到地球上，可使地球表面的各种气候因素等发生变化，包括温度、湿度、气压等，并对环境中的各种设备产生一定的影响。比如在强烈的日光照射下，电子设备表面和内部温升将会明显提高，其中表面温度可达80 ℃以上，内部温度也可升高（10~20）℃，将严重影响和破坏内部电子元器件的正常工作。

太阳辐射对电子产品的影响主要是加热效应和光化学效应。红外光谱部分会产生加热效应，引起产品短时高温和局部过热，造成运动零件的卡死或松动，结构件及相关焊缝的强度降低，聚合物和合成橡胶的性能发生变化，以及涂层和其他保护层气泡和剥落等；紫外光谱部分会产生光化学效应，由于紫外线的作用，叠加高温作用，电子设备结构的密封圈和塑料制品等会逐渐老化、变色、发粘和龟裂，密封性能变差，天然和合成橡胶及聚合物破坏，油漆涂层变色、粉化、起泡、开裂、剥落，加速金属表面锈蚀，降低电子设备的工作寿命及可靠性。

本文将主要针对加热效应进行试验研究和仿真验证。

1 试验研究方法

如图1 所示，箱体不透明，根据箱体热平衡原理，热量来源主要是箱体表面接收到的太阳辐射Q，一部分热量Q2 被箱体表面反射回环境，另一部分热量Q1 被箱体表面吸收，箱体表面温度升高；由传热学原理可知，箱体表面吸收的热量Q1 一部分q’通过对流方式传递至外环境，另一部分q 通过导热+对流的方式传递至箱内环境，引起箱内空气温度的升高。

图1 箱体传热路径示意图

若箱体结构尺寸相同，接收到的太阳辐射Q 相等，但箱体表面颜色不同，太阳辐射吸收率不同，因此吸收热量Q1 不同，导致箱体表面温度和箱体向箱内传递的热量q 也不同，由q=cmΔt 可知，箱内空气温度也存在差异。

结合工程实际，为了研究太阳辐射对户外密闭箱体的热影响，选用三种不同颜色的密闭箱体，放置于户外太阳辐射环境下，分别采集机箱表面、箱内环境以及箱外环境的温度数据，分析太阳辐射对箱体的温升情况，并在此基础上综合研究不同季节、颜色、是否遮阳等对箱体热影响的差异性。

三种颜色分别为深绿色、沙漠黄色和白色；箱体为空箱体，内部无发热设备；为消除太阳方位角、高度角对机箱的影响，三个机箱南北放置，且放置的距离足够远，如图2 所示。

图2 试验箱体放置图

2 试验测试系统

2.1 温度采集系统

温度采集仪器设备如表1 所示，在试验前均进行标定或者补偿。

表1 试验用仪器及功用

2.2 温度采集方案

试验前，将热电偶温度测点分别布置在三个机箱相应位置处，包括向阳面（顶面）的内外表面（测点1 和测点2），背阳面的内外表面（测点3 和测点4）、内部空间（测点5 和测点6）以及外环境，如图3 、表2所示。

表2 试验测点布置

图3 试验测点布置示意图

3 试验结果及分析

数据采集时间为2020 年8 月至2021 年9月。因数据量较大，每隔30 min 取一组数据。

3.1 环境温度变化

取每天14 ∶00 的环境温度值，得出环境温度随月份变化曲线，如图4、5 所示：6、7、8 和9 月的最高环境温度较高，分别为37.8 ℃、37.3 ℃、36.5 ℃和35.5 ℃；11、12 和1 月份最高环境温度较低，分别为19.5 ℃、7.1 ℃、8 ℃；最低温度和平均温度变化趋势与最高温度一致。

图4 环境温度随月份变化曲线

图5 箱内温度随时间变化曲线

以7 月2 号至7 月4 号的数据为例：箱内温度每天早上6 ∶00开始快速上升，至上午10 ∶00 左右升至较高水平，持续至下午16 ∶00 左右开始快速下降，即每天的10 ∶00~16 ∶00 时间段内，箱内环境温度处于较高水平（具体时间点跟日出日出时间相关）。

3.2 颜色影响

以7 月和9 月为例，取每月1 号至10 号的温度数据，箱内温度每天的变化曲线如图6、7 所示。

图6 箱内温度每天变化情况_7 月

图7 箱内温度每天变化情况_9 月

1）颜色对箱内温度影响较大，颜色越深、吸收率越高，箱内温度越高。

2）不同颜色之间的差异较大：白色吸收率小，箱内温升小，深绿色和沙漠黄色吸收率大，箱内温升大；深绿色和沙漠黄色差异较小。

3.3 箱内温升

1）绝对温度

如图8 所示，每年6、7、8、9 月份箱内最高温度较高（深绿色机箱54 ℃，沙漠黄色机箱52 ℃，白色机箱42 ℃），即户外密闭箱体在内部设备不工作的工况下，温度已经达到50 ℃以上。

图8 不同颜色箱内最高温度月度变化

2）相对温升

不同颜色箱体的箱内温度相对环境温升情况如图9、10 所示（取每月每天14 ∶00 时刻的平均温度）。

图9 箱内平均温升随月度变化

图10 箱内最高温升随月度变化

①9~12 月份箱内环境平均温升较高；

②三个机箱箱内平均温升排序为深绿色＞沙漠黄色＞白色，其中深绿色为（8，14）℃，沙漠黄色为（7，12）℃，白色为（2，4）℃；

③箱内最高温升全年变化不大，深绿色为（17，22）℃，沙漠黄色为（14，19）℃，白色为（5，7）℃。

3.4 箱体和箱内温度差异

以9 月份深绿色温度数据（图11）为例，箱体向阳面、背阳面、箱内温度随时间变化如下所示。

图11 深绿色箱体向阳面-背阳面-箱内温度随时间变化曲线

1）温度排序为向阳面＞箱内空气＞背阳面，太阳辐射较强时，向阳面比箱内高（5~15）℃；

2）在昼夜温差大的情况下，受太阳辐射影响，日落以后箱体及箱内温度快速降低，低于环境温度。

3.5 太阳直射影响

箱体可分为向阳面和背阳面，向阳面直接吸收辐射热量并转化为热量，背阳面热量来源于向阳面的热传导。以9 月份深绿色箱体温度数据为例，取箱体向阳面和背阳面的内表面温度（图12~15）：

图12 箱体背阳面温度随时间变化

图13 箱体向阳面温度随时间变化

图14 深绿色箱体向阳面-背阳面温度情况

图15 深绿色箱体向阳面-背阳面温差

1）不同颜色太阳辐射吸收率不同，受自然对流影响，深绿色和沙漠黄色背阳面表面温度基本一致，但比白色箱体表面温度高；深绿色和沙漠黄色向阳面表面温差较背阳面大；

2）太阳辐射较强时间段，向阳面表面温度比背阳面温度高（10~20）℃（深绿色箱体）；

3）晚上向阳面温度低于背阳面，可能原因为向阳面为顶面，背阳面为侧面，晚上环境温度低于箱内温度，且顶面对流换热强度强于侧面；

4）对于户外密闭箱体，采取一定的遮阳措施，将极大地降低箱体和箱内温度，改善内部电子设备工作环境。

4 仿真与试验对比

为充分验证太阳辐射热影响，取深绿色箱体进行太阳辐射热影响的仿真分析，校核仿真与试验对比情况，为后续太阳辐射热影响的计算提供支撑。

取20210902 的温度数据，绿色箱体表面的太阳辐射吸收率取0.6，地点为北京，晴朗天气（太阳辐射无遮挡），箱体表面风速取3 m/s，计算一天内（0 点到24 点）箱体向阳面（顶面）和箱内空气温度的变化。

环境温度仿真输入参考实测值的模拟曲线，如图16 所示。

图16 环境温度仿真输入

根据以上边界条件进行仿真分析，得出绿色箱体温度、箱内温度与实测值对比，分别如图17、18 所示。

图17 箱体表面温度仿真与实测对比

1）箱体表面及箱内空气温度仿真与实测值整体变化趋势一致；

2）受表面太阳辐射实际吸收率、表面对流情况及天气日照等影响，仿真与实测在具体数值上有一定的差异，后续需要进一步深入和细化的研究。

5 结束语

由测试结果可知，太阳辐射对户外密闭箱体（特别是深颜色）的热影响较为明显，以常用深绿色和沙漠黄色为例，箱内温升范围达到了（14~22）℃，在热设计时要给予重点考虑；对于户外密闭箱体，采取遮阳措施将极大地改善散热环境，降低箱体和箱内温度，提高内部电子设备的环境适应性；在昼夜温差大的情况下，晚上箱体及箱内温度低于环境温度，存在凝露的可能，要进行防凝露设计，避免凝露导致的电子设备寿命缩短、可靠性降低现象；由仿真与实测对比分析可知，两者较为符合，在后续工程设计和型号应用方面，可利用仿真手段对太阳辐射热影响进行充分的预测，并采取合适的手段，提高设计准确度和设备的使用寿命和可靠性。

图18 箱内空气温度仿真与实测对比