LED導熱塑料和鋁材散熱比較

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-07-16

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 一、引言 

關于導熱塑料的散熱能力問題，近期有網友翻炒一篇文章——"用于LED的塑料散熱器"，文中引 用一個圖表來說明導熱塑料散熱器可以比鋁散熱器更好。對此本人完全不能予以茍同。 

為了有的放矢，節能與環保，這里先摘引原文及圖表如下（斜體字部分）： 

那么為什么導熱塑料還可以做成散熱器呢？它的散熱性能能和傳統的鋁散熱器比美嗎？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熱源傳導出到散熱器的表面，最后還是 要靠對流和輻射把熱量散到空氣中。導熱系數高，只解決了傳熱快的問題，而散熱則主要由散熱面積、形狀、自然對流和熱輻射的能力決定，這些幾乎和材料的導熱性無關。所以只要有一定的熱傳導能力，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，那么只要導熱系數大于 5 時，其散熱就是由對流主導的了，這時候傳導散熱就已經不起什么作用了。這可以從下面的曲線看出來。

圖1. 導熱系數和傳導對流散熱的關系

圖1中給出了導熱系數和傳導對流散熱的關系。圖中橫坐標是導熱系數，酒店led照明，縱坐標是熱源和環境的溫差。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），那么只要導熱系數大于5，其散熱能力就完全由對流決定了。溫差越小、距離越小，導熱系數就越不重要。

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

在上述內容中，我將關鍵處用【問題1】和【問題2】做了標識。下面來分別分析。

二、對問題1的討論

說熱源到散熱器的距離小于5mm，導熱系數只要大于5，散熱就有完全由對流決定了。不禁要問，實際應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LED的散熱面積只有1平方厘米。如果按照某些人的經驗，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，連一個普通的20mA工作的LED散熱都不夠用（約0.06W）。這樣還有什么實用意義？要是散熱是常規的翅片散熱器，以及LED是集成光源，熱源的距離到達散熱器表面的距離都會大于5mm，那么，顯然導熱塑料散熱器就失靈了。實際使用LED時，CE認證，往往不能保證熱源到散熱器的表面距離小于5mm，如果用這個基本不能實現的條件來對比，是沒有實際意義的。但導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，犧牲一些參數和性能，導熱塑料還是可以用的。比如，對于小型的球泡燈，由于絕緣的需要，導熱塑料的絕緣性相對采用鋁材就容易解決。相對同樣功率的熱源、同樣結構的鋁材散熱器，用導熱塑料來做散熱器，就要犧牲LED的壽命。因為采用同樣結構尺寸的導熱塑料散熱器時，LED的結溫要高于采用鋁材散熱器的情況。上面都是定性地說明。下面用試驗測試和模擬計算的結果來說明。

（1）試驗測試的情況

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

圖 2 中 1#塑料杯是標稱 6W 的散熱器，2#塑料杯是標稱 3W 的散熱器。因此也用標稱 3W 的鋁散熱器來做測試對比。（因手頭沒有與 1#塑料杯對應的鋁散熱器，3c認證，所以沒有做對比試驗。） 測試結溫是采用電壓法及該封裝 LED 的電壓溫度系數計算的。 

測試數據見表 1。 

從這個對比試驗可以看到，導熱塑料散熱器要達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，假設為銅材，熱源設置在表面。熱功率設為1W。散熱器的直徑和厚度做不同尺寸調整來模擬。模擬時，鋁材選6061型。

先看散熱片厚度為1.5mm時，直徑改變時，導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是模擬計算的結果。

先對鋁材表面狀況做個說明。氧化發黑處理，這個不用多說。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，這個大家也都知道。實際在做散熱設計時，設計，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算。

從計算結果可以看到，散熱器的直徑為20mm，即熱源邊緣到散熱器橫向邊緣為5mm時，用導熱塑料散熱器時，最高溫度高于100度。且不說和鋁材比較了，這樣的溫度已經遠遠不符合控制LED結溫小于70度的要求了。這樣的散熱設計是非常糟糕的，實在無需談什么材料優越性了！當散熱器直徑為40mm時，可以看到，鋁材經過陽極氧化后，散熱器能力會比導熱塑料強。尤其是氧化發黑處理，導熱塑料就沒法比了。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，厚度改變的模擬計算結果。