热辐射在散热器设计中的重要性

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热辐射在散热器设计中的作用常常被忽视。有许多参考资料都说明了散热器散热量的百分比值。与物理学和工程学中的大多数现象一样，辐射的影响不能用一个常数来概括。 热辐射对散热器性能的影响由几个因素决定。在研究这些因素之前，有必要简要介绍一下热辐射。 热辐射是温度高于 0 K（绝对零度）的所有物质发出的电磁波。辐射可从表面释放的最大热量（W）由以下公式给出： 这里： 这种表面被认为是理想的辐射体或黑体。在相同温度下，不是理想辐射体的表面辐射的能量比黑体少。这些表面的辐射特性称为发射率。发射率的值介于 0 和 1 之间，是衡量表面与黑体相比散热效果的标准。常见散热器表面处理和材料的值如表 1 所示： 表 1.常见散热器材料和表面处理的发射率 当涉及两个或多个表面时，每个表面都会吸收和释放辐射能。最简单的辐射交换形式之一是在一个大得多的外壳中的一个表面。表面的温度比外壳高，表面积为 A，辐射率为ε 。在这种情况下，辐射导致的净能量交换率由公式 1 得出。见图 1： 图 1.小型受热表面与大型外壳内部之间的辐射换热 由于散热器由多个表面组成，这些表面相互之间以及与外壳之间吸收和发射辐射，因此表示这些相互作用的方程不像方程 1 那样简单明了。但等式 1 所代表的一般原理仍然适用。有关板翅式散热器的辐射计算和相应方程的详尽解释，请参阅 [1]。 [1]中的计算需要使用多个方程，计算起来可能比较繁琐。要合理估算板翅式散热器的辐射热量损失，仍可使用等式 2 计算表观辐射表面积。表观辐射表面积的计算方法是假设散热器是一个具有相同外部尺寸的实心块。然后使用公式 3 计算出图 2 所示的块体表面积，并将其用于公式 2。这种计算方法没有考虑到散热器底部和散热片顶端之间的温度变化，而这种温度变化在强制对流、长散热片、低传导性材料制成的散热器或上述几种情况的组合中可能非常明显。此外，使用表观辐射表面积并不能准确计算散热片的表面积。因此，如果需要非常精确的结果，则不应使用这种方法。 这里： 图 2.散热器尺寸 散热器向周围环境散热（功率）的方式有两种，即辐射和对流。对流散热的公式为 4： 这里： 空气中的对流系数 h 值范围为：自然对流 2 至 10 W/m2K，风扇强制对流 20 至 100 W/m2K。由于强制对流的 h 值要高得多，因此散热器的散热量中对流所占的比例通常要比强制对流下的辐射大得多。当散热器的温度低于 150°C 时，这一说法通常是正确的。从等式 1 和 2 中可以看出，通过辐射散热的热量与散热片的温度密切相关，因为辐射的热量被提高到四次方。 为了比较辐射对板翅式散热器性能的影响，我们使用 HeatSinkCalculator 分析了两个例子。第一个是通过强制对流冷却的散热器。如图 2 所示，热源覆盖散热器的整个底部。气流穿过散热片，与散热片和散热片底部平行。所有气流都通过散热器的散热片，没有空气旁路。表 2 列出了不同功率输入下的分析结果。下面列出了散热器的尺寸、散热器材料以及通过散热器的流速。 表 2.强制对流散热器分析结果 正如预期的那样，随着散热器温度的升高，通过辐射散热的比例也会增加。在较高温度下，通过辐射散失的热量超过总热量的 5%。在某些关键情况下，这可能意味着达到或未达到被冷却元件的额定温度之间的差别。 第二个例子是通过自然对流冷却的散热器，散热器底座和散热片垂直放置。如图 2 所示，热源覆盖散热器的整个底部。尺寸和散热器材料如下表所示。表 3 显示了在不同功率输入和表面发射率条件下的分析结果。 表 3.自然对流散热器分析结果 在自然对流中，通过辐射散热的比例要高得多。在本示例中，辐射散热的百分比接近或超过 30%。通过自然对流散失的热量也与散热器的表面温度密切相关。这就解释了为什么辐射耗散率会随着源温度的降低而上升。当表面辐射率降低到 0.09 时，对散热器温度的影响接近 30°C。 上述例子突出说明了辐射在散热器冷却过程中的重要性。虽然辐射对强制对流散热器冷却的影响较小，但如果需要额外的几度来确保产品符合规格书的要求，其影响仍然是重要的。显然，辐射对通过自然对流冷却的散热器的作用极为重要。只需对散热器表面进行阳极氧化或喷漆处理，提高表面辐射率值，即可显著降低温度。

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