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(xué)研究院，安徽 合肥 20088；2.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 20088； .安徽國際商務(wù)職業(yè)學(xué)院，安徽 合肥 2111)

小功率自然對流散熱逆變器產(chǎn)品都是戶外型，在高強(qiáng)度、長時(shí)間的太陽輻射下，逆變器要能夠保證正常運(yùn)行，散熱器需要準(zhǔn)確而精細(xì)的設(shè)計(jì)，在自然對流散熱方式中，輻射散熱約占10%，因此在小功率產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)過程產(chǎn)品的輻射特性不可忽視。保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，增加公司效益，需要對產(chǎn)品的細(xì)節(jié)、設(shè)計(jì)余量要有準(zhǔn)確而清晰的認(rèn)識，為此對逆變器散熱器輻射特性進(jìn)行研究及實(shí)驗(yàn)。

1 理論分析

熱輻射是物質(zhì)在一定溫度下發(fā)射的能量，輻射場的能量是通過電磁波傳播的。熱量通過導(dǎo)熱或?qū)α鞯姆绞絺鬏敃r(shí)必須有物質(zhì)介質(zhì)，但輻射傳播不需要介質(zhì)，事實(shí)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(shí)間內(nèi)發(fā)射的輻射能量(W/m2)稱為發(fā)射功率E，發(fā)射功率的大小有一個(gè)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(xué)溫度，σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)，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(shí)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(fā)射率，表示物體表面的輻射性質(zhì)。發(fā)射率ε的范圍在0～1之間，代表了實(shí)際表面與黑體輻射的差異程度。

經(jīng)常會遇到的一種特殊情況：一個(gè)溫度為Ts的小表面被一個(gè)面積遠(yuǎn)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(huán)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(shí)間離開單位表面的凈輻射換熱量qrad計(jì)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(jī)房內(nèi)或者放在大氣環(huán)境中，其與環(huán)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(gè)：發(fā)射率ε、表面溫度Ts、環(huán)境溫度Tsur。環(huán)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(fā)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(guān)鍵參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)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(fā)射率如表1所列。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2～圖4所示。

表1 四種散熱器紅外發(fā)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(shí)，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(nèi)，當(dāng)加熱功率大于150W時(shí)，兩者之間差別開始逐漸增大，最大可達(dá)3℃。根據(jù)式(3)可知，當(dāng)散熱器表面溫度Ts與環(huán)境溫度Tsur之間差別較小，凈輻射換熱量qrad則較小，對整個(gè)散熱器散熱性能的影響小，因此，在低溫差時(shí)，本色氧化散熱器與無氧化處理散熱器溫升差別很??；隨著加熱功率的增加，Ts與Tsur之間差別逐漸增大，紅外發(fā)射率大的散熱器溫度降低幅度比發(fā)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(shí)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(jié)果更大，理論評估的差別為5℃以上。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果最大差別只有3℃。經(jīng)與廠家溝通得知，實(shí)驗(yàn)用的所謂無氧化處理的散熱器，實(shí)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(fā)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(fā)射率與本色氧化紅外發(fā)射率相差不大，因此，在低溫時(shí)，二者散熱性能一致，即使在高溫時(shí)(加熱功率大時(shí))，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(dāng)。黑色氧化散熱器的可見光吸收系數(shù)(太陽輻射吸收系數(shù))較大，用在室外時(shí)，由于太陽輻射的影響，會增加散熱器的散熱負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(wěn)定性和可靠性。

圖2 本色氧化散熱器與無氧化散熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 本色氧化散熱器與黑色氧化散熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4 本色氧化散熱器與涂層散熱器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4為本色氧化散熱器與輻射涂層散熱器溫升對比。根據(jù)式(3)，輻射涂層的紅外發(fā)射率比本色氧化紅外發(fā)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(shí)，兩者差距較小，如在150W時(shí)，兩者相差1.5℃；在200W時(shí)，兩者相差2.5℃；在300W時(shí)，兩者相差達(dá)到4℃。250W時(shí)溫度曲線有一定的下降，主要原因是實(shí)驗(yàn)過程中，天氣轉(zhuǎn)多云并伴有大風(fēng)，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(jié) 論

無表面處理散熱器進(jìn)行酸洗工序后，表面會產(chǎn)生極薄的氧化層，增加了表面紅外發(fā)射率，所以在低功率工況下，其與本色氧化處理散熱器的區(qū)別不明顯，功率為300W時(shí)，本色氧化散熱器才逐漸體現(xiàn)，約為1.5℃?？紤]到酸洗處理產(chǎn)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(fā)射率相近，兩者散熱性能相當(dāng)，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(nèi)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(fā)射率較高，在熱耗為150W時(shí)，兩者相差1.5℃，在300W時(shí)，差距達(dá)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(jù)具體情況采用輻射涂層方式。