[Virgo_Style]

Перенос тепла осуществляется тремя путями.


Наименее интересный для нас - это излучение . При наших 300-400 градусах по Кельвину этот процесс (интенсивность которого пропорциональна четвертой степени температуры) не оказывает сколько-нибудь заметного влияния. Ну разве что фонарь на солнце и рядом с костром класть не стоит, но это и так ясно.


Перенос тепла теплоотдачей идет в жидкостях и газах. В этой области все очень эмпирически и причудливо, но в нашем случае все в основном сводится к тому, что перенос тепла прямо пропорционален разности температур.


Перенос тепла теплопроводностью, за счет теплового движения молекул - самый интересный для нас. Перенос тепла прямо пропорционален разности температур и обратно пропорционален тепловому сопротивлению. Для плоской стенки тепловое сопротивление равно толщине стенки, деленой на теплопроводность материала. В первом приближении этого достаточно.


Как распределена температура внутри материала?

Вот распределение для плоской стенки, нагреваемой слева


В материале температура линейно падает, температура воздуха непосредственно у стенки примерно равна температуре материала, а затем быстро падает до температуры окружающей среды.

При принудительном обдуве этот пограничный слой будет сдут, более холодный воздух получит доступ к стенке и температура внутри нее "сползет" вниз.
Принудительная конвекция рулит! Если нет теплопроводности, конечно.

Что, если стенка состоит из разных материалов?

Менее теплопроводный материал требует бОльшего температурного напора (перепада температур) для переноса того же количества тепла (а оно у нас, заметим, в установившемся режиме везде одинаково). Т.е., в менее теплопроводном материале температура растет быстрее.
Разумеется, это не повод обдирать анодирование и даже краску - толщины-то несравнимые.

А давайте теперь между гильзой и подложкой диода сделаем проставку из меди с примесью золота и алмазной крошкой! У нее ведь теплопроводность высокая, средняя теплопроводность вырастет.

Ну давайте...


Опаньки... Да, средняя теплопроводность выросла - но выросла и толщина материала, а следовательно - и температурное сопротивление. И температура диода (источника тепла) выросла, а вовсе не упала. Облом.
Тут есть тонкость, о которой в конце.

Дополнительный даже более теплопроводный материал дает ухудшение, что уж говорить о зазорах между модулем типа D26 и тушкой...

Вы любите шоколад? А придется.
С масштабом я тут накосячил, но идея ясна.

И напоследок немного ближе к реальности.

Так распределена температура внутри стенки цилиндрической (слева).


До сих пор мы не учитывали изменение площади - стенка-то плоской была. А в цилиндре все интереснее - площадь боковой поверхности неравномерна по радиусу, поэтому чем ближе к центру - тем бОльший температурный напор нужен для переноса того же количества тепла.

Справа показан эффект оребрения: на небольшом участке мы существенно увеличиваем площадь, и, поскольку это "узкое место", существенно выигрываем.

Наконец, обещанная тонкость.

Типичное устройство гильзы:


И вот в чем штука: любая промежуточная подложка ухудшила бы перенос тепла, если бы оно распространялось в направлении, показанным зачеркнутой стрелкой.
Но ведь оно распространяется вбок, по площадке гильзы до ее стенок! А толщина площадки обычно невелика, соответственно невелика и площадь, через которую передается тепло.
И это в самом узком месте (вспоминаем то, о чем писалось чуть выше, про площадь боковой поверхности цилиндра).

Поэтому, при тонкой площадке и диаметре звезды заметно меньше диаметра площадки, "лишняя" проставка вполне может иметь смысл.

Латунную гильзу одного из фонарей я просто нагрел и залил с обратной (внутренней) стороны припоем, увеличив толщину площадки раза в два. Тоже вариант.
А уж если получится заменить звезду на подлоджку максимально возможного диаметра и заметной толщины - будет совсем хорошо. Но это муторно.

И самое последнее.
Оптимизировать надо там, где плохо, а не там, "где светло". Или красиво.

Банальная фольга из-под шоколадки может сделать больше цельнолитого из какого-нибудь бескислородного золота drop-in'а, если он установлен с тем же зазором, что и обычный.

[Virgo_Style]

И еще один момент.

Доводилось встречать мнение, что главное - отвести тепло от диода, а дальше уж оно как-нибудь само.

В значении "проще" - могу согласиться, в значении "не важно" - нет.
Ну или как вариант - в динамике, но это должен быть довольно специфический вариант использования. Подствольники? Может быть, не знаю.

При длительном же использовании - извините, законы сохранения никто не отменял. Если отводимое от корпуса тепло меньше, чем выделяемое диодом - корпус будет нагреваться, соответственно будет расти температура диода, пока не будет-таки достигнуто равновесие.

[Virgo_Style]

Собственно формулы:

Излучение q = εσT^4, где ε - степень черноты (теория считается для абсолютно черного тела, а это "коэффициент неидеальности", так сказать), σ - постоянная.
подробнее и еще здесь.

Теплоотдача: q=a(T2-T1), где a - коэффициент, определяемый по очень эмпирическим формулам и зависящий от уймы вещей.

Теплопроводность (в интегральной форме) q=l*(T2-T1)/h, где l -к-т теплопроводности, h - толщина стенки.


Это для удельных потоков тепла [Вт/м2], чтобы получить тепловой поток - множим на площадь: Q=q*F. Тепловой поток в установившихся режимах для нас величина постоянная.

[ites]

Это всё очень классный конетент, здорово! Но хотелось бы рассмотреть ещё один случай: теплопроводность боковых стенок. Т.е. в случе, где нарисована "тонкость", хотелось бы понять как расчитывать длину боковых стенок, толщину, увидеть примеры, рассмотреть случай с рёбрами. Просто цены не было бы.

[Virgo_Style]

Мне бы тоже хотелось бы его рассмотреть... :-)))

В общем виде такое едва ли решается.

А численно - я бы делал как-то так...

Берем разрез фонаря и бьем его на элементарные "псевдокубики"-объемчики, чем больше - тем лучше. Задаемся углом, пусть это будет 1 градус, и считаем площади поверхностей объемчиков (не забывая, что при увеличении радиуса увеличится и площадь, это ведь не настоящие кубики, а вот такая фиговина как на рисунке внизу)

Как-то в таком ключе:

Tx-температуры кубиков, Qx - получаемое/отдаваемое кубиками тепло, Fxx - площади поверхностей. Это я упрощенно нарисовал, ведь сверху-снизу тоже есть кубики.

Тот кубик, где сидит диод, получит от него тепло, равное (общее тепло, выделяемое диодом)/360 (у нас ведь шаг в один градус, поэтому 360).

Задаемся температурами "кубиков". Ну например, в первом приближении допустим, что это равномерное распределение.

И считаем, какую теплоту каждый кубик получит и какую отдаст.
простая теплопроводность Q=F*l*(deltaT), как уже говорилось.
Если сумма полученного/отданного тепла не равна нулю - кубик нагреется на deltaT=суммаQ/(теплоемкость*масса кубика).

Ну и повторяем расчет с новыми температурами, пока температуры не перестанут меняться. Через каждый "вертикальный слой" кубиков в этот момент должно проходить одинаковое количество тепла.

И вот в этот светлый момент мы получим картину температурного поля в фонаре.


Вероятно (вероятно) для решения таких задач есть специальные пакеты ПО.
А может и нет.

[ites]

Прежде чем тепло дойдёт до стенок фонаря, надо расчитать как распространится тепло по поверхности пилюли от диода до стенок. Мне что-то сразу так не очевидно как оно распространяется от центра к краю.

[Virgo_Style]

А какие еще есть варианты?


Вот в центре сидит диод, выделяет тепло. Куда ему деваться? Вниз? Ну вообще да, через воздух в сторону драйвера, есть такое дело. Но это копейки.

Вверх? Через изолятор на рефлектор (если повезло) или вообще через воздух на стекло и рефлектор? Обратно мизер, особенно во втором случае.

Ну и что у нас остается? Только вбок, а это сначала звезда, а потом площадка гильзы.

[ites]

 Сообщение от Virgo_Style :

Ну и что у нас остается? Только вбок, а это сначала звезда, а потом площадка гильзы.

Я говорю конкретно о распределении тепла по полщадке гильзы. Тепло распространяется не совсем линейно как у тебя нарисовано. (опираясь на картинки из "Как распределена температура внутри материала?")

[Virgo_Style]

А как?

[Virgo_Style]

Поделюсь парой небольших хитростей



О (2) я уже писал - это припой, которым залита гильза изнутри. Тут два момента - надо не залить отверстия под провода и не стоит увлекаться, а то для драйвера места не останется :-)

(1) вряд ли вызовет существенный эффект, но все лучше, чем ничего - кольцо между рефлектором и гильзой передает тепло на рефлектор (а также, при необходимости, позволит подправить фокусировку).
Использовал в клоне Raidfire Spear - там такой раскрасивый рефлектор с оребрением и окнами в корпусе, который реально висит в воздухе и тепла почти не получает.
Но надо сказать, что существенного эффекта от этого я не заметил.

[ites]

 Сообщение от Virgo_Style :

А как?

Ну на картинках у тебя используется упрощённая модель распространения тепла вдоль одной оси. Но реально в материале, если считать, что источник тепла точечный, то тепло распространяется во все стороны. Конкретно площадка гильзы упрощённо имеет две размерности, и чем дальше от источника, тем как бы шире фронт. И я никак не могу сообразить, влияет ли это или нет.

[Virgo_Style]

Площадь изменяется.

[ites]

 Сообщение от Virgo_Style :

Площадь изменяется.

Я понимаю. Но итоговое тепло не отдаётся сразу наружу, оно передаётся стенкам фонарика. Блин, без Solid Works не разобраться

[Virgo_Style]

Вообще тепловой поток направлен противоположно градиенту температурного поля. Градиент, если кто не помнит :o) - это вектор, направленный в сторону наибыстрейшего возрастания величины.

Если картинкой, то вот как-то так.

Красные линии - изотермы, черные стрелки - направление теплового потока в этом месте.

Все как в жизни, в общем-то: вылили ведро воды на горку - она и течет себе в каждой точке вниз.

[ites]

Ещё интересный вопрос про радиаторы. Не знаю, к этому ли топику относится. Меня интересует, есть ли разница в эффективности радиатора, когда он установлен вертикально и горизонтально для случая комнатного стоячего воздуха. Т.е. создаёт ли в вертикальном случае нагрев воздуха рёбрами радиатора конвекцию и играет ли она роль?

[Virgo_Style]

Ну, нагретый воздух в любом случае потечет вверх.

Если на его пути будут горизонтальные ребра, то сделать это ему будет сложнее.

[ites]

 Сообщение от Virgo_Style :

Ну, нагретый воздух в любом случае потечет вверх.

Если на его пути будут горизонтальные ребра, то сделать это ему будет сложнее.

Я имел в виду расположение радиатора горизонтальное/вертикальное. В вертикальном случае рёбра тоже вертикально направлены, понятно. Вопрос в количественных характеристиках.

[Virgo_Style]

Ну. Чтобы получить количественные характеристики, надо расчет делать :-)

В принципе, я и качественую оценку не возьмусь дать. В случае вертикального радиатора мы теряем температурный напор, но, возможно, получим несколько бОльшую скорость потока в верхней части.

А если размер горизонтального радиатора достаточно велик, то в центре получится зона, куда не попадает свежий воздух и опять же получим уменьшение температурного напора.

Надо считать (а лучше - экспериментировать).

[Virgo_Style]

Результаты тестов термопаст, не помню откуда

отлично	очень хорошо	хорошо	"бонус"

Все термопасты на одной диаграмме

[Rus 36]

Глупый вопрос, но интересны мнения - корпус фонаря из пластин (примерно 4мм толщиной) хорошо подогнанных и стянутых шпильками, площадь радиатора будет даже немного избыточной, как думаете будут проблемы из за переходов алюминий\алюминий? Сделать цельным не смогу, цена фрезеровки будет космической, планирую велофару на следующий сезон новую построить.