太陽(yáng)輻射對(duì)戶外密閉箱體熱影響的試驗(yàn)研究

陳彥，李曉峰，劉劍，鄧環(huán)宇

（北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京 100854）

引言

太陽(yáng)輻射由紫外線、可見(jiàn)光和紅外線組成，以電磁波的形式傳輸?shù)降厍蛏希墒沟厍虮砻娴母鞣N氣候因素等發(fā)生變化，包括溫度、濕度、氣壓等，并對(duì)環(huán)境中的各種設(shè)備產(chǎn)生一定的影響。比如在強(qiáng)烈的日光照射下，電子設(shè)備表面和內(nèi)部溫升將會(huì)明顯提高，其中表面溫度可達(dá)80 ℃以上，內(nèi)部溫度也可升高（10~20）℃，將嚴(yán)重影響和破壞內(nèi)部電子元器件的正常工作。

太陽(yáng)輻射對(duì)電子產(chǎn)品的影響主要是加熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)。紅外光譜部分會(huì)產(chǎn)生加熱效應(yīng)，引起產(chǎn)品短時(shí)高溫和局部過(guò)熱，造成運(yùn)動(dòng)零件的卡死或松動(dòng)，結(jié)構(gòu)件及相關(guān)焊縫的強(qiáng)度降低，聚合物和合成橡膠的性能發(fā)生變化，以及涂層和其他保護(hù)層氣泡和剝落等；紫外光譜部分會(huì)產(chǎn)生光化學(xué)效應(yīng)，由于紫外線的作用，疊加高溫作用，電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的密封圈和塑料制品等會(huì)逐漸老化、變色、發(fā)粘和龜裂，密封性能變差，天然和合成橡膠及聚合物破壞，油漆涂層變色、粉化、起泡、開(kāi)裂、剝落，加速金屬表面銹蝕，降低電子設(shè)備的工作壽命及可靠性。

本文將主要針對(duì)加熱效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究和仿真驗(yàn)證。

1 試驗(yàn)研究方法

如圖1 所示，箱體不透明，根據(jù)箱體熱平衡原理，熱量來(lái)源主要是箱體表面接收到的太陽(yáng)輻射Q，一部分熱量Q2 被箱體表面反射回環(huán)境，另一部分熱量Q1 被箱體表面吸收，箱體表面溫度升高；由傳熱學(xué)原理可知，箱體表面吸收的熱量Q1 一部分q’通過(guò)對(duì)流方式傳遞至外環(huán)境，另一部分q 通過(guò)導(dǎo)熱+對(duì)流的方式傳遞至箱內(nèi)環(huán)境，引起箱內(nèi)空氣溫度的升高。

圖1 箱體傳熱路徑示意圖

若箱體結(jié)構(gòu)尺寸相同，接收到的太陽(yáng)輻射Q 相等，但箱體表面顏色不同，太陽(yáng)輻射吸收率不同，因此吸收熱量Q1 不同，導(dǎo)致箱體表面溫度和箱體向箱內(nèi)傳遞的熱量q 也不同，由q=cmΔt 可知，箱內(nèi)空氣溫度也存在差異。

結(jié)合工程實(shí)際，為了研究太陽(yáng)輻射對(duì)戶外密閉箱體的熱影響，選用三種不同顏色的密閉箱體，放置于戶外太陽(yáng)輻射環(huán)境下，分別采集機(jī)箱表面、箱內(nèi)環(huán)境以及箱外環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)，分析太陽(yáng)輻射對(duì)箱體的溫升情況，并在此基礎(chǔ)上綜合研究不同季節(jié)、顏色、是否遮陽(yáng)等對(duì)箱體熱影響的差異性。

三種顏色分別為深綠色、沙漠黃色和白色；箱體為空箱體，內(nèi)部無(wú)發(fā)熱設(shè)備；為消除太陽(yáng)方位角、高度角對(duì)機(jī)箱的影響，三個(gè)機(jī)箱南北放置，且放置的距離足夠遠(yuǎn)，如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)箱體放置圖

2 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

2.1 溫度采集系統(tǒng)

溫度采集儀器設(shè)備如表1 所示，在試驗(yàn)前均進(jìn)行標(biāo)定或者補(bǔ)償。

表1 試驗(yàn)用儀器及功用

2.2 溫度采集方案

試驗(yàn)前，將熱電偶溫度測(cè)點(diǎn)分別布置在三個(gè)機(jī)箱相應(yīng)位置處，包括向陽(yáng)面（頂面）的內(nèi)外表面（測(cè)點(diǎn)1 和測(cè)點(diǎn)2），背陽(yáng)面的內(nèi)外表面（測(cè)點(diǎn)3 和測(cè)點(diǎn)4）、內(nèi)部空間（測(cè)點(diǎn)5 和測(cè)點(diǎn)6）以及外環(huán)境，如圖3 、表2所示。

表2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

圖3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2020 年8 月至2021 年9月。因數(shù)據(jù)量較大，每隔30 min 取一組數(shù)據(jù)。

3.1 環(huán)境溫度變化

取每天14 ∶00 的環(huán)境溫度值，得出環(huán)境溫度隨月份變化曲線，如圖4、5 所示：6、7、8 和9 月的最高環(huán)境溫度較高，分別為37.8 ℃、37.3 ℃、36.5 ℃和35.5 ℃；11、12 和1 月份最高環(huán)境溫度較低，分別為19.5 ℃、7.1 ℃、8 ℃；最低溫度和平均溫度變化趨勢(shì)與最高溫度一致。

圖4 環(huán)境溫度隨月份變化曲線

圖5 箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線

以7 月2 號(hào)至7 月4 號(hào)的數(shù)據(jù)為例：箱內(nèi)溫度每天早上6 ∶00開(kāi)始快速上升，至上午10 ∶00 左右升至較高水平，持續(xù)至下午16 ∶00 左右開(kāi)始快速下降，即每天的10 ∶00~16 ∶00 時(shí)間段內(nèi)，箱內(nèi)環(huán)境溫度處于較高水平（具體時(shí)間點(diǎn)跟日出日出時(shí)間相關(guān)）。

3.2 顏色影響

以7 月和9 月為例，取每月1 號(hào)至10 號(hào)的溫度數(shù)據(jù)，箱內(nèi)溫度每天的變化曲線如圖6、7 所示。

圖6 箱內(nèi)溫度每天變化情況_7 月

圖7 箱內(nèi)溫度每天變化情況_9 月

1）顏色對(duì)箱內(nèi)溫度影響較大，顏色越深、吸收率越高，箱內(nèi)溫度越高。

2）不同顏色之間的差異較大：白色吸收率小，箱內(nèi)溫升小，深綠色和沙漠黃色吸收率大，箱內(nèi)溫升大；深綠色和沙漠黃色差異較小。

3.3 箱內(nèi)溫升

1）絕對(duì)溫度

如圖8 所示，每年6、7、8、9 月份箱內(nèi)最高溫度較高（深綠色機(jī)箱54 ℃，沙漠黃色機(jī)箱52 ℃，白色機(jī)箱42 ℃），即戶外密閉箱體在內(nèi)部設(shè)備不工作的工況下，溫度已經(jīng)達(dá)到50 ℃以上。

圖8 不同顏色箱內(nèi)最高溫度月度變化

2）相對(duì)溫升

不同顏色箱體的箱內(nèi)溫度相對(duì)環(huán)境溫升情況如圖9、10 所示（取每月每天14 ∶00 時(shí)刻的平均溫度）。

圖9 箱內(nèi)平均溫升隨月度變化

圖10 箱內(nèi)最高溫升隨月度變化

①9~12 月份箱內(nèi)環(huán)境平均溫升較高；

②三個(gè)機(jī)箱箱內(nèi)平均溫升排序?yàn)樯罹G色＞沙漠黃色＞白色，其中深綠色為（8，14）℃，沙漠黃色為（7，12）℃，白色為（2，4）℃；

③箱內(nèi)最高溫升全年變化不大，深綠色為（17，22）℃，沙漠黃色為（14，19）℃，白色為（5，7）℃。

3.4 箱體和箱內(nèi)溫度差異

以9 月份深綠色溫度數(shù)據(jù)（圖11）為例，箱體向陽(yáng)面、背陽(yáng)面、箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化如下所示。

圖11 深綠色箱體向陽(yáng)面-背陽(yáng)面-箱內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線

1）溫度排序?yàn)橄蜿?yáng)面＞箱內(nèi)空氣＞背陽(yáng)面，太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)，向陽(yáng)面比箱內(nèi)高（5~15）℃；

2）在晝夜溫差大的情況下，受太陽(yáng)輻射影響，日落以后箱體及箱內(nèi)溫度快速降低，低于環(huán)境溫度。

3.5 太陽(yáng)直射影響

箱體可分為向陽(yáng)面和背陽(yáng)面，向陽(yáng)面直接吸收輻射熱量并轉(zhuǎn)化為熱量，背陽(yáng)面熱量來(lái)源于向陽(yáng)面的熱傳導(dǎo)。以9 月份深綠色箱體溫度數(shù)據(jù)為例，取箱體向陽(yáng)面和背陽(yáng)面的內(nèi)表面溫度（圖12~15）：

圖12 箱體背陽(yáng)面溫度隨時(shí)間變化

圖13 箱體向陽(yáng)面溫度隨時(shí)間變化

圖14 深綠色箱體向陽(yáng)面-背陽(yáng)面溫度情況

圖15 深綠色箱體向陽(yáng)面-背陽(yáng)面溫差

1）不同顏色太陽(yáng)輻射吸收率不同，受自然對(duì)流影響，深綠色和沙漠黃色背陽(yáng)面表面溫度基本一致，但比白色箱體表面溫度高；深綠色和沙漠黃色向陽(yáng)面表面溫差較背陽(yáng)面大；

2）太陽(yáng)輻射較強(qiáng)時(shí)間段，向陽(yáng)面表面溫度比背陽(yáng)面溫度高（10~20）℃（深綠色箱體）；

3）晚上向陽(yáng)面溫度低于背陽(yáng)面，可能原因?yàn)橄蜿?yáng)面為頂面，背陽(yáng)面為側(cè)面，晚上環(huán)境溫度低于箱內(nèi)溫度，且頂面對(duì)流換熱強(qiáng)度強(qiáng)于側(cè)面；

4）對(duì)于戶外密閉箱體，采取一定的遮陽(yáng)措施，將極大地降低箱體和箱內(nèi)溫度，改善內(nèi)部電子設(shè)備工作環(huán)境。

4 仿真與試驗(yàn)對(duì)比

為充分驗(yàn)證太陽(yáng)輻射熱影響，取深綠色箱體進(jìn)行太陽(yáng)輻射熱影響的仿真分析，校核仿真與試驗(yàn)對(duì)比情況，為后續(xù)太陽(yáng)輻射熱影響的計(jì)算提供支撐。

取20210902 的溫度數(shù)據(jù)，綠色箱體表面的太陽(yáng)輻射吸收率取0.6，地點(diǎn)為北京，晴朗天氣（太陽(yáng)輻射無(wú)遮擋），箱體表面風(fēng)速取3 m/s，計(jì)算一天內(nèi)（0 點(diǎn)到24 點(diǎn)）箱體向陽(yáng)面（頂面）和箱內(nèi)空氣溫度的變化。

環(huán)境溫度仿真輸入?yún)⒖紝?shí)測(cè)值的模擬曲線，如圖16 所示。

圖16 環(huán)境溫度仿真輸入

根據(jù)以上邊界條件進(jìn)行仿真分析，得出綠色箱體溫度、箱內(nèi)溫度與實(shí)測(cè)值對(duì)比，分別如圖17、18 所示。

圖17 箱體表面溫度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比

1）箱體表面及箱內(nèi)空氣溫度仿真與實(shí)測(cè)值整體變化趨勢(shì)一致；

2）受表面太陽(yáng)輻射實(shí)際吸收率、表面對(duì)流情況及天氣日照等影響，仿真與實(shí)測(cè)在具體數(shù)值上有一定的差異，后續(xù)需要進(jìn)一步深入和細(xì)化的研究。

5 結(jié)束語(yǔ)

由測(cè)試結(jié)果可知，太陽(yáng)輻射對(duì)戶外密閉箱體（特別是深顏色）的熱影響較為明顯，以常用深綠色和沙漠黃色為例，箱內(nèi)溫升范圍達(dá)到了（14~22）℃，在熱設(shè)計(jì)時(shí)要給予重點(diǎn)考慮；對(duì)于戶外密閉箱體，采取遮陽(yáng)措施將極大地改善散熱環(huán)境，降低箱體和箱內(nèi)溫度，提高內(nèi)部電子設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性；在晝夜溫差大的情況下，晚上箱體及箱內(nèi)溫度低于環(huán)境溫度，存在凝露的可能，要進(jìn)行防凝露設(shè)計(jì)，避免凝露導(dǎo)致的電子設(shè)備壽命縮短、可靠性降低現(xiàn)象；由仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比分析可知，兩者較為符合，在后續(xù)工程設(shè)計(jì)和型號(hào)應(yīng)用方面，可利用仿真手段對(duì)太陽(yáng)輻射熱影響進(jìn)行充分的預(yù)測(cè)，并采取合適的手段，提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度和設(shè)備的使用壽命和可靠性。

圖18 箱內(nèi)空氣溫度仿真與實(shí)測(cè)對(duì)比