详细八一八小铜铜和小铝铝的散热问题（申精）

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 15:47

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本帖最后由 yuzhenducky 于 2010-10-25 21:42 编辑

好多桐油都在争论铜和铝到底哪个散热好，偶闲来无事就详细八一八~
首先根据傅里叶定律Q = K*△t*S/h，Q是加热时的功率，K是导热率，△t是时间，S是面积，h是厚度，可以看出影响材料吸热的因素不止是导热率，表面积应该说是其中人为可以控制的最大变量，所以散热片都要做出很多薄片，表面积就增大了，并不是一个实心的铝块或者铜块散热效果就好，若是相同体积的铜块和铝块，因为铜的导热率比铝大，因此导热效果好。

注意，导热不等于散热，因为不同物质的比热容不同，说白了就是不同单位物质可以存储的总热量不一样多。根据热传递公式Q=mcΔt，Q是吸收或放出的热量，m是质量，c是比热，Δt温度变化。
纯铜的比热0.39kJ/(kg·℃)，H59黄铜的比热0.394kJ/(kg·℃)，纯铝的比热0.88kJ/(kg·℃)。
由此可见，相同体积的纯铝、纯铜及黄铜温度每上升1℃所吸收的热量分别是：
Q纯铝 = 0.88*V*2700（密度）*1 = 2376kJ/m^3
Q纯铜 = 0.39*V*8900（密度）*1 = 3471kJ/m^3
Q黄铜 = 0.394*V*8400（密度）*1 =3309.6kJ/m^3
相同体积的纯铜（紫铜）的吸热和散热能力是纯铝的3471/2376 = 1.46倍，相同体积的黄铜的吸热和散热能力是纯铝的3309.6/2376 = 1.39倍，所以不论是黄铜还是紫铜都比纯铝吸热或散热的能力要好（都相对空气作为散热传递介质），换种说法就是相同体积的紫铜、黄铜和纯铝吸收相同的热量上升的温度比是0.68:0.72:1，自然是铜做的比铝做的摸起来更冰凉了，吸收相同热量上升的温度更低了
作为手电的筒身材料，我们希望降低LED和电路的温度延长其寿命，用相同体积的铜和铝做筒身和电路仓，最终结果就是用铜做的手电温度上升的比用铝做的手电温度上升更少，这不就达到了我们想要的散热的目的么（不要只想着筒身的温度变化，重点其实是LED和电路部分的温度，只有源源不断把热量传递给筒身才能降低其温度）

但是用纯铜做散热材料有两个劣势：一是成本比纯铝贵很多；一是密度比铝大3.3倍，即相同体积的铜比铝重3.3倍，这对日常使用非常不方便的；此外由于纯铜的硬度高于铝，加工难度及费用也大于铝。
总结：在不考虑成本和便携性的前提下，当然是纯铜做的手电散热能力更强了。考虑到实际生产效率、成本和便携性，当然是铝做的手电更符合大众的要求；黄铜做电路仓是可行的，散热效果理论上比铝仓好。

PS：纯铜期货价CU1101 64200元/吨，纯铝期货价AL1101 16755元/吨，黄铜的最新价格暂时查不到。纯铜的密度：8900kg/m^3；H59黄铜的密度：8400kg/m^3；纯铝的密度：2700kg/m^3。

xtwwz提出的问题：“同样条件下，铝上升的温度更高-->铝与周围的温差越大，这种温差对于散热会不会有影响”的解答在9楼
jjliuzhao提出的问题：“大块铝跟小块铜谁的散热好”的解答在12楼
ak47fans提出问题：“为啥黄铜电路仓比铝仓散热效果好”的解答在13楼

以上都是错的。。呵呵。。放着就是为了避免再有人走歪路，要特别感谢ak47fans和ycg9603童鞋对我的不吝赐教！
由于我没学过热流学，不懂热流密强度这个概念，于是虚心学了下
热流强度也可以称为热流通量，其定义为单位时间内通过单位面积的热流量。
材料热流强度q=K（t1-t2）/d K表示材料导热系数 t1表示热表面的温度 t1表示冷表面的温度 d表示材料厚度
又q=Q/(S*t) Q为热量 t为时间 S为截面面积
联立两式得Q = K（t1-t2）S*t/d = K*Δt*S*t/d
假设给定Q总、K铜、K铝、S、d之后，得到Q总 = K铜*Δt铜*S*t铜 = K铝*Δt铝*S*t铝，相同规格的筒身S和d相等约去，得：
t铜/t铝 = 3Δt铝/5Δt铜（K铜=401、K铝=240代入）
如果考虑在相同时间内则铜铝的温升Δt之比是3:5，如果考虑升高相同温度的时间 t铜：t铝 = 3:5，
即相同横截面积和厚度的铜比铝温升小，吸热快，散热慢
确实和质量m没关系，只和导热系数K有关系。

我能想到的提高手电散热的办法：1.增加螺纹的咬合精密度，减少螺纹间的空气；2.在电路仓外的筒身上增加鳍型散热片（这个已经很多手电有做了），增加筒身的表面积，也就是增加沟壑；3.尽量减少灯头里的空气，反光杯和灯头的间隙最好能填充导热物质。暂时想到这些

最后，我不是砖家叫兽，有错误的地方大家踊跃指出来啊

阿罗 · 发表于 2010-10-25 15:51

技术贴，要顶。

xtwwz · 发表于 2010-10-25 16:00

铜做的比铝做的摸起来更冰凉，吸收相同热量上升的温度更低

有没有考虑过另一个方面：同样条件下，铝上升的温度更高-->铝与周围的温差越大，这种温差对于散热会不会有影响？

Flyin · 发表于 2010-10-25 16:10

顶,学习啦

gwq2204 · 发表于 2010-10-25 16:16

辛苦啦,科普贴,顶一个.

88星座 · 发表于 2010-10-25 16:27

学习了

a1018sc · 发表于 2010-10-25 16:30

学到知识了

a1018sc · 发表于 2010-10-25 16:30

学到知识了

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 16:40

本帖最后由 yuzhenducky 于 2010-10-25 20:05 编辑

3# xtwwz
回3楼，这个问题我确实没仔细考虑，谢谢提醒~
看似相同体积的铜和铝做的筒身吸收相同的热量，铝做的筒身由于质量小升温要更多，但是我们本意是想让筒身帮助散热以降低LED和电路的温度，简单点我们将手电作为封闭环境来考虑（实际情况是LED和电路不断产生热量，筒身不断和周围空气发生热传递，是永远也达不到热平衡的），最后热平衡的时候理论上筒身和LED的温度是相同的，那你认为这个温度是高好还是低好呢？自然是越低越好了，能够无限接近环境温度不就是散热目的么。这也是为什么铜块摸起来冰冰凉，铝块摸起来就有点温温的了。
那为啥保温材料热量损失得慢呢，那是因为保温材料大多数是多孔发泡材料或者抽真空的，以泡沫为例，泡沫的表面积其实是非常大的，内部充满了N多空气小泡，这使得热量在传递过程中无法对流，本身聚氨酯导热率也非常低，因此大部分热量无法和外界空气进行热传递，热量损失比较慢；至于真空环境是不发生任何热传递和热对流的，只能以热辐射的形式进行热量转移，因此热量损失也极缓慢，真空保温瓶就是运用这个原理。
其实要讲得详细点就涉及到热量传递的三种方式，分别是：1.热传递；2.热对流；3.热辐射。我在帖子里考虑的最多的是热传递，因为只是针对手电或者电路仓这个简单形体的金属器件和空气以及人体之间的热传递，几乎无热对流热辐射，所以给忽略了。其实如果是鳍型散热片那就要涉及到不同鳍片之间的温差和周遭空气发生的热对流了。至于热辐射是物体以电磁波形式传播热量，需要物体本身温度极高，比如太阳（恒星）和烧红的铁块等等，这里就不讨论了。
对热力学感兴趣的童鞋可以看下《化工原理》里的热力学部分。。偶承认偶学的非常差。。有点班门弄斧的感觉。。还望不吝赐教和批评。。谢了

jjliuzhao · 发表于 2010-10-25 16:41

技术帖，顶！高中物理其实很详细得诠释了，对比要在两个完全相同的环境下才有意义，大块铝跟小块铜谁的散热好呢？没法说，呵呵！

ak47fans · 发表于 2010-10-25 16:44

...
黄铜做电路仓是可行的，散热效果理论上比铝仓好。...
yuzhenducky 发表于 2010-10-25 15:47

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这结论是怎样来的呢？
能量传递的算式上,找不出你说的结论

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 16:48

本帖最后由 yuzhenducky 于 2010-10-25 16:50 编辑

回10楼，如果单纯比大块铝跟小块铜，那就有个零界值，0.88*V铝*2.7（密度）*1 = 0.394*V铜*8400（密度）*1，当V铝：V铜 = 139：100时，他们两个的吸热能力是一样的，但是散热能力因为铝的体积大表面积也大，所以此时铝的散热比铜好

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 16:53

11# ak47fans
回11楼，因为不管铜仓铝仓体积是相同的啊，我刚上面已经算出了，相同体积的黄铜和纯铝的热传递能力是1.39:1，电路仓只吸收电路板及LED发出的热量并传递给筒身，这里只单独比较电路仓的材质，其他部分都假设相同的条件的

ak47fans · 发表于 2010-10-25 17:03

本帖最后由 ak47fans 于 2010-10-25 17:04 编辑

11# ak47fans
回11楼，因为不管铜仓铝仓体积是相同的啊，我刚上面已经算出了，相同体积的黄铜和纯铝的热传递能力是1.39:1，电路仓只吸收电路板及LED发出的热量并传递给筒身，这里只单独比较电路仓的材质，其他部 ...
yuzhenducky 发表于 2010-10-25 16:53

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热容量又怎么会变成热传递能力{:1_236:}

热传递能力就是导热率 !

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 17:06

本帖最后由 yuzhenducky 于 2010-10-25 17:14 编辑

回ls，对的，相同条件下的导热效果好坏是导热率决定的，但散热效果好坏和比热容有很大关系，热传递Q=mcΔt定义的不仅仅是吸热，同样也是放热，但都是高温物质传递热量到低温物质，其中的C比热容才是物质热容量的大小，由材料本身决定的，是常数，常见物质中水的比热容最大为4.2

ak47fans · 发表于 2010-10-25 17:15

回ls，热传递Q=mcΔt定义的不仅仅是吸热，同样也是放热啊，但都是高温物质传递热量到低温物质，其中的C比热容才是物质热容量的大小，由材料本身决定的，是常数，常见物质中水的比热容最大为4.2 ...
yuzhenducky 发表于 2010-10-25 17:06

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筒壳只是个介质，热量要送到空气才算完成散热，因此筒壳热容量完全没有意义.

jlum · 发表于 2010-10-25 17:21

根本不用这么比.1.可以把电桶看成一个整体,散热介质就是空气. 现在单纯看这个公式,起到决定做用的是什么?K,S,桶身定下来了,就剩个K了. 2.这个K就是热导率啊.单纯的铝(认为铝仓和桶体结合很好,整体).铜仓铝桶,你说哪种热导率高啊??明显的东西.
所以有的桶友提到电路仓和桶体的配合度,其实是很重要的.空气是很好的绝热介质哦

jlum · 发表于 2010-10-25 17:26

估计你自己都被这些个公式搞的头晕了吧?? 先把公式放一边,再想一想吧,K,热导率,和其它没有关系(暂时,导热体温升带来的热导率变化不算),只和物质性有关.

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 17:27

哈哈，ak47兄跟我耗上了，完整的手电的散热从LED及电路的发热开始传递到电路仓，再传递到筒身，最后传递给空气和人的手，和筒壳材料、质量以及形状都关系极大啊，具体的计算我就不算了，帖子里都有，相同体积的纯铜做的筒身导热能力和散热能力都要比纯铝来的好，导热能力（关系到整个筒身的温度均衡）散热能力（关系到整个筒身和空气的热传递）。
记得之前有人发帖子用红外线温度探测仪探测钛合金和纯铝的手电的散热情况，结果也是如此。因为钛合金的导热率比铝低，比热容也比铝高，因此导热性能散热性能都不如铝。图上看得很明显，钛筒身的温度都限于头部，筒身到尾部这段都没能发挥散热的作用

yuzhenducky · 发表于 2010-10-25 17:29

对的，螺纹处导热能力会变差，因为不是完全贴合，有空气

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