LED導(dǎo)熱塑料和鋁材散熱比較

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-07-16

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 一、引言 

關(guān)于導(dǎo)熱塑料的散熱能力問題，近期有網(wǎng)友翻炒一篇文章——"用于LED的塑料散熱器"，文中引 用一個(gè)圖表來說明導(dǎo)熱塑料散熱器可以比鋁散熱器更好。對(duì)此本人完全不能予以茍同。 

為了有的放矢，節(jié)能與環(huán)保，這里先摘引原文及圖表如下（斜體字部分）： 

那么為什么導(dǎo)熱塑料還可以做成散熱器呢？它的散熱性能能和傳統(tǒng)的鋁散熱器比美嗎？完全可以，甚至更好！你能相信嗎？ 

我們知道，任何散熱器，除了要能快速地把熱量從發(fā)熱源傳導(dǎo)出到散熱器的表面，最后還是 要靠對(duì)流和輻射把熱量散到空氣中。導(dǎo)熱系數(shù)高，只解決了傳熱快的問題，而散熱則主要由散熱面積、形狀、自然對(duì)流和熱輻射的能力決定，這些幾乎和材料的導(dǎo)熱性無關(guān)。所以只要有一定的熱傳導(dǎo)能力，戶外照明，塑料散熱器照樣可以成為良好的散熱器！

一般來說，如果熱量從熱源到散熱器表面的距離小于 5mm 【問題 1】，LED天花燈，那么只要導(dǎo)熱系數(shù)大于 5 時(shí)，其散熱就是由對(duì)流主導(dǎo)的了，這時(shí)候傳導(dǎo)散熱就已經(jīng)不起什么作用了。這可以從下面的曲線看出來。

圖1. 導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)對(duì)流散熱的關(guān)系

圖1中給出了導(dǎo)熱系數(shù)和傳導(dǎo)對(duì)流散熱的關(guān)系。圖中橫坐標(biāo)是導(dǎo)熱系數(shù)，酒店led照明，縱坐標(biāo)是熱源和環(huán)境的溫差。各種顏色的曲線是熱源和散熱器表面的距離。如果距離小于5mm（綠色曲線），那么只要導(dǎo)熱系數(shù)大于5，其散熱能力就完全由對(duì)流決定了。溫差越小、距離越小，導(dǎo)熱系數(shù)就越不重要。

而且對(duì)于理想的好散熱器來說，大約7成的熱是靠對(duì)流散熱，而3成的熱是靠輻射散熱【問題 2】。而導(dǎo)熱塑料的輻射散熱能力一點(diǎn)也不遜色。

在上述內(nèi)容中，我將關(guān)鍵處用【問題1】和【問題2】做了標(biāo)識(shí)。下面來分別分析。

二、對(duì)問題1的討論

說熱源到散熱器的距離小于5mm，導(dǎo)熱系數(shù)只要大于5，散熱就有完全由對(duì)流決定了。不禁要問，實(shí)際應(yīng)用的情況能否保證熱源到散熱器的各處表面都保持小于5mm？在這種情況下，建筑照明，每個(gè)LED的間距不能大于10mm，恒光，這樣的情況又是否滿足散熱所需的面積呢？這樣的話，每個(gè)LED的散熱面積只有1平方厘米。如果按照某些人的經(jīng)驗(yàn)，每瓦散熱需要50平方厘米，1平方厘米面積只適合0.02W的LED，連一個(gè)普通的20mA工作的LED散熱都不夠用（約0.06W）。這樣還有什么實(shí)用意義？要是散熱是常規(guī)的翅片散熱器，以及LED是集成光源，熱源的距離到達(dá)散熱器表面的距離都會(huì)大于5mm，那么，顯然導(dǎo)熱塑料散熱器就失靈了。實(shí)際使用LED時(shí)，CE認(rèn)證，往往不能保證熱源到散熱器的表面距離小于5mm，如果用這個(gè)基本不能實(shí)現(xiàn)的條件來對(duì)比，是沒有實(shí)際意義的。但導(dǎo)熱塑料并非完全不能用，在某些情況下，由于某些條件、要求的限制，犧牲一些參數(shù)和性能，導(dǎo)熱塑料還是可以用的。比如，對(duì)于小型的球泡燈，由于絕緣的需要，導(dǎo)熱塑料的絕緣性相對(duì)采用鋁材就容易解決。相對(duì)同樣功率的熱源、同樣結(jié)構(gòu)的鋁材散熱器，用導(dǎo)熱塑料來做散熱器，就要犧牲LED的壽命。因?yàn)椴捎猛瑯咏Y(jié)構(gòu)尺寸的導(dǎo)熱塑料散熱器時(shí)，LED的結(jié)溫要高于采用鋁材散熱器的情況。上面都是定性地說明。下面用試驗(yàn)測(cè)試和模擬計(jì)算的結(jié)果來說明。

（1）試驗(yàn)測(cè)試的情況

做對(duì)比的兩款導(dǎo)熱塑料散熱器和鋁材散熱器見圖2。從這種導(dǎo)熱塑料的規(guī)格書上看，其導(dǎo)熱系數(shù)是15W/(m ℃)。 

圖 2 中 1#塑料杯是標(biāo)稱 6W 的散熱器，2#塑料杯是標(biāo)稱 3W 的散熱器。因此也用標(biāo)稱 3W 的鋁散熱器來做測(cè)試對(duì)比。（因手頭沒有與 1#塑料杯對(duì)應(yīng)的鋁散熱器，3c認(rèn)證，所以沒有做對(duì)比試驗(yàn)。） 測(cè)試結(jié)溫是采用電壓法及該封裝 LED 的電壓溫度系數(shù)計(jì)算的。 

測(cè)試數(shù)據(jù)見表 1。 

從這個(gè)對(duì)比試驗(yàn)可以看到，導(dǎo)熱塑料散熱器要達(dá)到和鋁材散熱器相同的散熱器效果，體積要大接近一倍。

（2）模擬計(jì)算的情況

模擬的模型見圖3。圖3中，熱源的直徑是10mm，厚度1mm，假設(shè)為銅材，熱源設(shè)置在表面。熱功率設(shè)為1W。散熱器的直徑和厚度做不同尺寸調(diào)整來模擬。模擬時(shí)，鋁材選6061型。

先看散熱片厚度為1.5mm時(shí)，直徑改變時(shí)，導(dǎo)熱塑料和鋁材的散熱比較。熱源的底部到散熱器縱向的距離小于5mm，而熱源到邊緣到散熱器的橫向邊緣距離從5mm開始增加。

表2是模擬計(jì)算的結(jié)果。

先對(duì)鋁材表面狀況做個(gè)說明。氧化發(fā)黑處理，這個(gè)不用多說。高氧化情況一般是氧化不加填料，并且氧化層較薄。輕氧化而是鋁材在自然條件下的氧化。拋光，這個(gè)大家也都知道。實(shí)際在做散熱設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)，很少用到拋光表面的。這里只是為了比較才將這類表面也拿來計(jì)算。

從計(jì)算結(jié)果可以看到，散熱器的直徑為20mm，即熱源邊緣到散熱器橫向邊緣為5mm時(shí)，用導(dǎo)熱塑料散熱器時(shí)，最高溫度高于100度。且不說和鋁材比較了，這樣的溫度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不符合控制LED結(jié)溫小于70度的要求了。這樣的散熱設(shè)計(jì)是非常糟糕的，實(shí)在無需談什么材料優(yōu)越性了！當(dāng)散熱器直徑為40mm時(shí)，可以看到，鋁材經(jīng)過陽極氧化后，散熱器能力會(huì)比導(dǎo)熱塑料強(qiáng)。尤其是氧化發(fā)黑處理，導(dǎo)熱塑料就沒法比了。如果散熱器再增大，超市照明，就連拋光表面的鋁散熱器，其散熱能力也超過導(dǎo)熱塑料。

下面再來看看散熱器厚度的影響。表3是散熱器直徑不變，厚度改變的模擬計(jì)算結(jié)果。