手电筒热设计的定性分析

假风度

　　手电筒散热的最终目的是尽可能降低LED结温。手电筒散热的传热过程由灯珠向手电筒外壳导热、外壳和空气对流换热共同组成（手电筒外壳温度较低，辐射换热不明显，此处忽略）。根据傅里叶定律，热流量和温差（结温和气温）成正比，和系统热阻（导热热阻和对流换热热阻）成反比。
　　为便于分析，以下只考虑稳态导热的情况（手电长时间保持恒定功率点亮，温度场不再变化），把驱动的发热包含在灯珠中，同时忽略电池内阻发热，此时系统的热流量等于灯珠的热功率。
　　理想状态下，灯珠温度和气温相同，温差为零，系统热阻为零。由于实际系统的热阻不为零，因此温差要提高，和热阻成正比。传热过程的热阻可视为导热和对流换热串联，热流量处处相等。
　　导热环节的温差与外壳温度有关，而外壳温度受对流换热环节影响，故先分析对流换热环节。由于热流量等于灯珠热功率（常数），根据牛顿冷却定律，温差（外壳温度与气温）与对流换热系数（可以理解为热阻的倒数）、换热面积成反比。因此加强对流换热的常见手段分别是增加表面积（散热片）和提高对流换热系数（使用风扇、冷却液）。手电上主要采用增加表面积的方法，因此在灯珠和驱动相同时（热流量相同），大头手电的表面温度明显更低。
　　接着分析导热环节。同样地，温差（结温与外壳温度）与热阻成正比。由此我们可以发现，降低结温的手段有两个，分别是降低外壳温度和减小导热热阻。降低外壳温度的办法刚刚讨论过（增加表面积），剩下的就是减小导热热阻——这个我们十分在行，办法非常多，例如提高灯珠焊接质量、使用热导率更高的基板材料、在基板和电路仓之间涂导热硅脂、使用底板更厚的电路仓、使用热导率更高的电路仓材料、在电路仓螺纹涂导热硅脂或直接使用一体仓。
　　通过整个系统的分析，我得出几个结论：
　　在稳态导热（灯珠热功率一定且点亮足够久）的前提下，外壳温度和导热好坏没有任何关系，只与对流换热系数、表面积和气温有关。用外壳温度来判断散热好坏有很大的局限性（在非稳态导热中，用外壳升温速度判断散热好坏也不科学，因为厚实的材料有更大的热容量，升温会十分缓慢，而空心仓手电的外壳升温也很慢）；
　　如果底板没有明显的厚度优势，黄铜材质电路仓的散热效能不如6061铝材质的一体仓；
　　紫铜基板虽然贵，但由于灯珠和基板接触面积有限，相比铝基板提高一倍的热导率能起到很大作用。
　　最后是一点个人看法：我认为一把成熟的手电筒应该按照稳态导热进行热设计，符合小时级持续点亮的散热要求，而不是只满足于点亮两分钟就关掉的情形。
　　备注：6061铝的热导率为180W/(m·K)
　　我对黄铜不了解，百度查得热导率约为108W/(m·K)

fqc168

想说明什么？？

假风度

fqc168 发表于 2018-4-28 10:44
想说明什么？？

发着玩儿。反正论坛没什么人气=_=

风亲羊

技术贴，认真阅读

sdf123

技术分析贴！ 个人也觉得黄铜导热差，唯一好就是可以焊锡，重量也重。

wonbore

人气不行，技术来凑

MAGLITE

辐射散热还是有用的，黑色壳体辐射散热效果最佳

假风度

MAGLITE 发表于 2018-4-28 12:41
辐射散热还是有用的，黑色壳体辐射散热效果最佳

考虑辐射换热也不影响结论，他和对流换热都发生在表面，统称为表面换热。

luye_hd

技术小白顶技术贴

lcocktail

发热体功率为P，稳定时发热体、散热器、环境温度分别为T1、T2、T3，热阻分别为R1和R2
那么T2=R2P+T3
T1=R1P+T2=R1P+R2P+T3=（R1+R2）P+T3

手电中最主要的发热体就是灯珠，要控制的就是灯珠温度T1。
减小热阻R1，手段无非就是厚度较大的一体仓，铜基板，高质量焊接，更高导热系数的焊料
减小R2主要就是看筒壁厚度，灯头和筒身之间的螺纹质量，还有表面积。要更骚的话还可以做成手提灯加风扇主动散热

夏天和冬天温差超过30度，这个问题必须要考虑。
就比如前进家的C8，7135×7的电路。我夏天晚上用高亮档，温度稳定后我都不想握手里，太热。冬天的时候开高亮档，一节电池都没电了筒身都热不起来，结果还是不想握手里，太冻手

lonelywolf010

导热系数：W（M*K）
铝        204
紫铜        65
黄铜        93
铜        383
铅        35
只有电解铜才有383的导热系数，紫铜黄铜都不如铝。铜的电阻率比铝低而已，铜---1.72×10-8Ω·m；铝---2.8×10-8Ω·m。从换热角度讲铜不如铝。

yuyen_911

lonelywolf010 发表于 2018-4-29 01:57
导热系数：W（M*K）
铝        204
紫铜        65

你這資料是不對的,
紫銅就是純銅(近似),熱導率應該是386-400w（m•k）各家數據有差異,
*當然 它的純度還不是最高,因為它其中有含氧 以及一些雜質(鈦、磷、鐵、硅..等)

而真正的純度99.95%以上的經[電解提純]的純銅是無氧銅.
*不能單叫它為銅,因為銅(這字)概括了許多的各種銅.
熱導率稍為的比紫銅高一些而已.

假风度

“导热环节的温差与外壳温度有关”我这句话犯了一个错误，实际上此处的温差只和导热环节的热阻有关。和外壳温度有关的是结温（两者之差为导热温差）。
所以先分析哪个环节都可以。

假风度

lcocktail 发表于 2018-4-28 18:48
发热体功率为P，稳定时发热体、散热器、环境温度分别为T1、T2、T3，热阻分别为R1和R2
那么T2=R2P+T3
T1=R1P ...

赞。气温很关键。筒子造出来热阻就不变了，冬天和夏天的结温可以轻松差到30K，放东北可以差40-50K我认为手电应该至少按30℃气温来进行热设计。小直就算了，换热面积很难提高。不过，日用找东西照路等使用场景，小直也不需要大功率；骑行使用的小直，行车时对流换热系数较高，用2.1A驱动也没有任何问题。

riva

“降低结温的手段有两个，分别是降低外壳温度和减小导热热阻。”这句话说的严谨一点的话，应该把“降低外壳温度”改成“减小对流换热热阻”，因为前者是结果而后者才是手段，必须通过后者才能达到前者。
另外目前市面上主流的电筒设计大都考虑了短时亮骚需求，因为这样可以让参数更好看筒子更好卖，所以只考虑稳态恐怕还是不够。

假风度

riva 发表于 2018-5-1 23:57
“降低结温的手段有两个，分别是降低外壳温度和减小导热热阻。”这句话说的严谨一点的话，应该把“降低外壳 ...

赞。如果考虑暂态的话，需要用到热容，问题会复杂一些，我非稳态导热学得不好^_^有时间补习一下～
不过嘛，如果设计上（满载）能满足稳态的要求，暂态也是可以满足的，反过来就不行～能亮骚的筒子不一定能常开，能常开的筒子一定能亮骚:-)还有一种未知的设计思路，就是在体积有限、难以有效对流换热的小筒子上，把热容增加到极致，允许暂态过程持续几十分钟，甚至一直到换电池之前都不会达到稳态温度。当然，增加热容不应该使用比热容过低的金属材料，否则重量太大，违背了小筒子的设计初衷。

riva

假风度 发表于 2018-5-2 03:16
赞。如果考虑暂态的话，需要用到热容，问题会复杂一些，我非稳态导热学得不好^_^有时间补习一下～
不过嘛 ...

非稳态散热应当可以类比于电容一边充电一边放电但尚未达到平衡时的状态。
至于热容，增加的仅有方法就是把铝合金桶壁加厚，把小筒子变成大筒子。。。

lcocktail

假风度 发表于 2018-5-2 03:16
赞。如果考虑暂态的话，需要用到热容，问题会复杂一些，我非稳态导热学得不好^_^有时间补习一下～
不过嘛 ...

按照用料扎实的C8裸壳也不过150克，就算换成水也不过630KJ/°C，10W手电1秒10J功耗，其中热功耗一半的话就是5J/S，升温速度就是126 S/°C。这个是按照全筒身温度一致来计算（假设可以通过晃动让水流动来实现）
那么从热平衡的角度上看，电筒的10°C温升，填充的水可拖延21分钟

假风度

lcocktail 发表于 2018-5-11 17:29
按照用料扎实的C8裸壳也不过150克，就算换成水也不过630KJ/°C，10W手电1秒10J功耗，其中热功耗一半的话 ...

铝的比热容是0.88J/(g·K)，150g铝在5W热源下升温10K需要264秒，不到5分钟。所以只依靠结构材料吸热是行不通的。如果在高温处结构上设置空腔，充入相变材料或易分解物质，利用相变焓和反应热，结果就很有意思了。

duwei0331

技术帖子，做个记号了