太陽輻射對不同表面處理散熱器的影響

江宏玲， 周 成(1.安徽省·水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 合肥 20088；2.安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽 合肥 20088； .安徽國際商務職業學院，安徽 合肥 2111)

小功率自然對流散熱逆變器產品都是戶外型，在高強度、長時間的太陽輻射下，逆變器要能夠保證正常運行，散熱器需要準確而精細的設計，在自然對流散熱方式中，輻射散熱約占10%，因此在小功率產品熱設計過程產品的輻射特性不可忽視。保證產品質量的前提下，增加公司效益，需要對產品的細節、設計余量要有準確而清晰的認識，為此對逆變器散熱器輻射特性進行研究及實驗。

1 理論分析

熱輻射是物質在一定溫度下發射的能量，輻射場的能量是通過電磁波傳播的。熱量通過導熱或對流的方式傳輸時必須有物質介質，但輻射傳播不需要介質，事實上，在真空中熱輻射傳輸是最有效的。

圖1為表面的輻射傳輸過程。圖1(a)表示單位面積單位時間內發射的輻射能量(W/m2)稱為發射功率E，發射功率的大小有一個上限，它可由斯蒂芬-波爾茲曼定律(Stefan Boltzmann law)定律給出：

(1)

其中，Ts是表面的熱力學溫度，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數，σ=5.67 10-8W/(m2·K4)。這種表面稱為理想輻射體或黑體。

在同一溫度下，實際表面輻射的輻射功率密度小于黑體輻射功率，輻射功率的大小由式(2)給出：

(2)

其中，ε為發射率，表示物體表面的輻射性質。發射率ε的范圍在0～1之間，代表了實際表面與黑體輻射的差異程度。

經常會遇到的一種特殊情況：一個溫度為Ts的小表面被一個面積遠大于它的等溫表面包圍，需要求二者之間的輻射換熱量，如圖1(b)所示。周圍的環境可以是房間，車間等其它墻面，它們與被包圍表面的溫度不同(Ts≠Tsur)。這種情形下，單位時間離開單位表面的凈輻射換熱量qrad計算式為：

(3)

式(3)給出了表面自身釋放的輻射熱與吸收得到的輻射熱之間的差值。對于逆變器放在機房內或者放在大氣環境中，其與環境之間的凈輻射換熱量可用式(3)表示。由式(3)可見，影響輻射換熱的因素有3個：發射率ε、表面溫度Ts、環境溫度Tsur。環境溫度Tsur是外界條件，因此，輻射散熱性能決定于物體表面發射率ε和表面溫度Ts。對于散熱器而言，散熱表面的處理形式，以及表面溫度成為影響散熱器輻射換熱的關鍵參數。

2 實驗研究

實驗對比散熱器四種不同的表面處理方式對散熱器散熱性能的影響，包括黑色氧化、本色氧化、輻射涂層、無氧化處理四種散熱器，紅外發射率如表1所列。實驗數據如圖2～圖4所示。

表1 四種散熱器紅外發射率

圖2為本色氧化散熱器與無氧化處理散熱器在不同加熱功率下溫升變化趨勢。圖中，加熱功率低于150W時，本色氧化與無氧化處理散熱器溫升差別很小，本色氧化散熱器溫升只比無氧化散熱器低1.5℃以內，當加熱功率大于150W時，兩者之間差別開始逐漸增大，最大可達3℃。根據式(3)可知，當散熱器表面溫度Ts與環境溫度Tsur之間差別較小，凈輻射換熱量qrad則較小，對整個散熱器散熱性能的影響小，因此，在低溫差時，本色氧化散熱器與無氧化處理散熱器溫升差別很小；隨著加熱功率的增加，Ts與Tsur之間差別逐漸增大，紅外發射率大的散熱器溫度降低幅度比發射率小的散熱器大，因此，本色氧化散熱器與無氧化散熱器之間溫度差別增加。實際上，無氧化的散熱器與本色氧化散熱器溫升差別比測試結果更大，理論評估的差別為5℃以上。實驗測試結果最大差別只有3℃。經與廠家溝通得知，實驗用的所謂無氧化處理的散熱器，實際上出廠的最后一道工序是酸洗處理，酸洗也會在表面形成極薄的氧化膜，存在一定的發射率，但比本色氧化散熱器低。

圖3為本色氧化散熱器與黑色氧化散熱器溫升對比。由于黑色氧化表面的紅外發射率與本色氧化紅外發射率相差不大，因此，在低溫時，二者散熱性能一致，即使在高溫時(加熱功率大時)，兩者也只有1℃的差別。因此，黑色氧化與本色氧化散熱器的輻射散換熱相當。黑色氧化散熱器的可見光吸收系數(太陽輻射吸收系數)較大，用在室外時，由于太陽輻射的影響，會增加散熱器的散熱負擔。因此，在設計時，推薦使用本色氧化散熱器，以降低室外太陽輻射的影響，提高散熱器穩定性和可靠性。

圖2 本色氧化散熱器與無氧化散熱器實驗數據

圖3 本色氧化散熱器與黑色氧化散熱器實驗數據

圖4 本色氧化散熱器與涂層散熱器實驗數據

圖4為本色氧化散熱器與輻射涂層散熱器溫升對比。根據式(3)，輻射涂層的紅外發射率比本色氧化紅外發射率高，因此，輻射涂層散熱器溫升比本色氧化散熱器溫升低，散熱效果更好。在低功率時，兩者差距較小，如在150W時，兩者相差1.5℃；在200W時，兩者相差2.5℃；在300W時，兩者相差達到4℃。250W時溫度曲線有一定的下降，主要原因是實驗過程中，天氣轉多云并伴有大風，增加了散熱器的對流換熱能力，造成溫升曲線斜率突降，但兩種散熱器的差異并未明顯減少，約為2℃。

3 結 論

無表面處理散熱器進行酸洗工序后，表面會產生極薄的氧化層，增加了表面紅外發射率，所以在低功率工況下，其與本色氧化處理散熱器的區別不明顯，功率為300W時，本色氧化散熱器才逐漸體現，約為1.5℃。考慮到酸洗處理產生的氧化層非常薄，易破損，且防腐蝕、耐磨性等不足，所以正常使用較少。

由于黑色氧化和本色氧化的紅外發射率相近，兩者散熱性能相當，考慮到戶外太陽輻射對散熱器的影響，黑色氧化對可見光的吸收率較高，所以在室內場合下，兩者都可以，在戶外場合下，建議采用本色。輻射涂層的紅外發射率較高，在熱耗為150W時，兩者相差1.5℃，在300W時，差距達到4℃。其散熱效果較為明顯。在低于150W功耗情況下，可直接采用本色氧化，在高功率情況下，可依據具體情況采用輻射涂層方式。