辐射传热的强化及热辐射涂料
1. 辐射传热的强化
对于自然对流冷却的电子产品,辐射传热量占电子产品发热量的一定比例,强化辐射传热能对改善产品散热有一定的作用。
强化辐射传热有两条途径,一是增大有效热辐射面积,一是提高的表面热辐射率。由于前者受结构设计的制约(结构设计首先要满足产品功能及对流传热的要求),所以后面一种方法更为常用。
提高物体表面热辐射率的方法主要有铝表面阳极氧化、喷漆以及喷涂辐射散热涂料(因为一般油漆的表面热辐射率已经接近1,所以单从强化热辐射的角度,热辐射涂料不会比油漆的散热效果好很多)等。
通过提高表面的热辐射率来改善热辐射须考虑以下几个因素:
(1)热源表面的温度:如表1所示,热源表面温度越高,提高表面热辐射率降低温度的幅值越大;
表1 北京志盛威华科技:ZS-411辐射散热涂料降温幅值表(常温测试)
热源表面温度(℃) | 40 | 60 | 80 | 100 | 200 | 300 | 400 |
降温幅值(℃) | 6 | 15 | 23 | 30 | 50 | 70 | 85 |
(2)热源表面的状况:热源表面的热辐射率都在1.0以内,其数值越小,提高表面热辐射率后降温越明显;
(3)热源表面的结构:热源表面是凸表面(图1a),提高表面辐射率降温效果比较明显;热源表面是凹表面(如图1b所示,带有翅片的散热器都可以看作是凹表面),提高表面热辐射率降温效果会打折扣,因为凹表面大部分的热辐射是内向的,其热辐射不能直接到达外部环境空间。
图1a 凸表面 | 图1b 凹表面 |
只有同时满足表面温度较高、表面的热辐射率较低、表面结构较简单(如凸表面)等三个条件,提高表面热辐射率后才能较明显地改善辐射散热的效果。
2. 热辐射涂料
表1 常见物体表面的发射率
材料类别和表面状况 | 温度 (C) | 法向发射率 |
磨光的铜 | 20 | 0.03 |
氧化的铜 | 50 | 0.6~0.7 |
磨光的铝 | 50~500 | 0.04~0.06 |
严重氧化的铝 | 50~500 | 0.2~0.3 |
玻璃 | 38,85 | 0.94 |
碳化硅涂料 | 1010~1400 | 0.82~0.92 |
各种颜色的油漆 | 100 | 0.92~0.96 |
(1)油漆
油漆的表面发射率较高,可以用来喷涂于散热器表面,增强辐射换热,不过油漆导热系数较低,所以要控制油漆喷涂的厚度。
(2)碳化硅
碳化硅(SiC)具有较高的导热系数,以及较高的表面辐射率(0.82~0.92),常被用作增大物体表面发射率的涂料成分。
台湾凯乐士股份有限公司(http://www.kallex.com.tw/)碳化硅材料开发的散热涂料已应用于铝合金散热鳍片表面之喷涂。其碳化硅辐射涂料导热系数130~160 W/K-m,辐射率约0.9。
(3)纳米碳球
纳米碳球是纳米碳材料的一种(纳米碳材料主要包括三种类型:碳纳米管,碳纳米纤维,纳米碳球),碳簇材料(黑体)辐射冷却效果佳,辐射率达98%,纳米碳涂层具有很好的辐射散热效果。
厦门宇晶电子科技开发有限公司(http://www.actwinworld.com/)利用纳米碳球与氮化硼涂料技术,开发的辐射散热涂料有良好的导热(导热系数:500W/m.k)与辐射散热效果(发射率:0.98)。
(4)ZS-411型辐射散热涂料
北京志盛威华科技发展有限公司(http://www.zswhua.com/)开发的ZS-411型辐射散热涂料(双组分液体),可以直接喷涂在物体表面,涂料发射率约为0.90,并且涂料固化后可以形成良好的热反射表面,其膜面热吸收比仅为0.10~0.40,所以该材料表面热发射强于热吸收(一般材料吸收比等于发射率),更有利于散热。不过该涂料导热系数较低(0.031 W/K-m)。
定义:
角系数 AngleFactor
表面1发出的辐射能中落到表面2的百分数称为表面1对表面2的角系数。
凸表面(非凹表面)non-reentrant Surface
表面对本身的角系数为 0。
凹表面 ReentrantSurface
表面对本身的角系数为不为 0。