LED塑料散热器的最新发展
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LED塑铝散热器的最新进展
2014/7
一．散热器发展过程
在电子产品上使用铝散热器，起始于上世纪50年代，晶体管发明之时。到白光大功率LED诞生用于照明，灯具散热器自然而然也使用了铝。传热有三种方式，传导、对流、辐射。那么理想的散热器应该同时具有这三种功能，内部导热系数高，外部对流、辐射同时散热，才能达到散热器的最高散热效率。但是从事LED灯具行业的人都知道，铝几乎没有辐射散热功能。实际上人们对铝散热器并不满意，有两个缺点，一是重，二是导电。所以人们一直在寻找更轻并且绝缘的材料做散热器。化工行业试图用高分子材料做散热器，于是试制导热塑料。导热塑料试制成功，但是导热系数一般只能达到10-20W/m.k，散热器内部热传导不畅。如果用铝导热，用导热塑料散热会怎么样呢？
复合材料散热效果实测
下面左照片中间是直径9cm基板，焊有6颗1W灯珠。左边是直流功率计，右边是热电偶温度计。通电1小时温度稳定后，基板温度67℃。当时室温31℃，基板温升36℃。
上面右照片是基板背面贴了导热塑料片之后，基板温度53℃。室温31℃，基板温升22℃。仅仅贴了几片导热塑料，竟然降温14℃，散热效率提高50%！
铝基板贴了导热塑料片，就不再是铝散热器；导热塑料贴在铝基板上，就不再是塑料散热器。两者结合成为具有高导热系数与高辐射系数的复合散热器，成为理想散热器，这是结构最简单的散热器。已经成为商品的塑铝散热器球泡灯，是由铝制导热芯和导热塑料散热壳组合而成。高导热系数的导热芯，迅速将灯珠发出的热量传导至散热壳，散热壳具有高辐射系数，在对流散热的同时，还辐射散热，使得散热器散热效率提高50%。上面的测试照片，温升下降1/3多，就是证明。
二．散热器标准
比较散热器的功能差异，需要设立指标：
1. 功率：灯具的功耗，也是散热器散发的热量功率；
2. 尺寸：散热器的尺寸；
3. 绝缘耐压：大于4000V;
4. 阻燃性：UL94标准，V-0级；
5. 重量：散热器的重量；
6. 热阻：散热器内部热流的阻力，是温升与功率之比；
7. 温升标准值：设定一个温度，在散热器温升达到这个温度值时记录此时功率，通过比较散热功率大小，判定散热器性能优劣。目前各种塑料球泡灯工作在额定功率时，温升超过50℃，姑且用50℃作为温升标准值。
8. 质量功率比：散热器质量与散热功率的比值，表示散发1W热量需要的散热器质量，用来比较散热效率。如果把质量计算为价格，就直接表示每W价格，变成成本指标。
以上标准仅仅为了比较散热器散热性能而立，对于塑料灯具而言，还有更多的指标，这里不赘述。
三．散热性能比较
下面列出几种散热器各项指标，比较性能高低。
LED球泡灯塑铝复合散热器性能比较
各种散热器 铝 塑铝1 塑铝2 塑铝3 塑铝4 塑铝5
1 功率 W 15 9 9 12 12 15
2 体积 mm ф78*100 ф65*75 ф60*70 ф70*90 ф60*70 ф60*70
3 质量 g 180 90 80 102 70 80
4 绝缘耐压 V 导电 ＞4000 ＞4000 ＞4000 ＞4000 ＞4000
5 阻燃标准 UL94 不燃烧 V-0 V-0 V-0 V-0 V-0
6 热阻 ℃/W 2.7 6.1 4.7 3.9 4.0 3.5
7 50℃温升散热功率 18.5 8.2 10.6 12.8 12.5 14.5
8 质量功率比 g/w 9.73 7.87 7.52 7.96 5.6 4.83
首先看铝散热器。这是一个巨无霸球泡灯，加上灯罩体积大如高压汞灯。与塑铝散热器球泡灯相比没有任何优势，不用多说了。
再看塑铝散热器，列出5种，塑铝1是2013年初上市的商品；2、3是2013年底上市的商品；塑铝4、5是今年设计的最新方案。塑铝1是一代设计，2、3是二代设计，4、5是三代设计。1与2、4，体积、重量相仿，但2比1功率提高29%；4比1提高52%，4比2提高18%。足以显示三代方案之间的差距很大。塑铝2、3是2代同系列产品，功率相差3W，是因为3的体积和重量比2大造成的。4、5同是第三代，但属于结构不同的两个系列，5的结构更合理，所以功率大了2W，每W耗材反而下降。
三代方案越做越好的原因是导热系数提高和结构设计更合理，散热效率得以大幅度提高。今后还会有所提高，但发展的空间不多了，也就是说塑铝散热器的技术趋于成熟，可以大范围投入使用了。塑铝散热器比铝散热器，除去重量轻，绝缘，加工方便以外，更为有利的是成本下降60%以上。
四．塑铝散热器促进LED灯具创新
到目前为止，LED灯具基本沿袭传统灯具造型，把传统光源换成LED。球泡灯仿自白炽灯，LED管灯仿自T8荧光灯，LED帕灯、斗胆灯、轨道灯、射灯仿自金卤灯。就连新颖的面板灯也是仿自液晶屏的背光灯。如此一来，LED光源的优势被生硬模仿抹煞不少，还造就不少昂贵的LED怪胎灯具。最典型的怪胎是LED工矿灯，采用COB，散热困难，不得不背上一个巨大的宝塔式散热器，还不如用原来的节能灯作光源。白炽灯、日光灯、帕灯和斗胆灯等等，是在历史上的技术条件下发明的灯具，今天还在模仿，只是为了利用接口，使得LED灯具得到使用的机会，所以目前的LED灯具大多数只是过渡品。要实现真正的照明革命，LED灯具必须创新。
塑铝复合散热器的出现，为设计创新LED灯具创造了条件。以球泡灯为例，仿自白炽灯，但是球泡形状并不适合LED。上面列出的塑铝4、5，4是球泡形状，5是圆柱形状，仅仅改变造型，功率提高3W，而成本没有增加。这个事实说明，LED灯具的造型应该符合LED光源散热的特点，而不应该模仿传统灯具造型。根据这个指导思想，已经初步设计了LED的E27球泡灯，E27蘑菇灯，E27反照蘑菇灯，E27圆柱灯，E40强光灯，轨道灯，碟灯(取代筒灯)，投光灯，组合式路灯等等。塑铝散热器的基本结构设计目前已有平板、圆锥、圆柱、圆盘和各种特殊形状，总之可以适应各种灯具散热需要。
五． 塑铝散热器实例：
下面列举两种塑铝散热器的参数，供参考。
1． 球泡灯系列塑铝散热器技术参数：
球泡灯型号 4W 6W 8W 10W 12W
1 散热功率 W 4 6 8 10 12
2 体积 mm ф40*50 ф45*55 ф50*60 ф55*65 ф60*65
3 重量 g 24 36 48 60 90
4 绝缘耐压 V 导电 ＞4000 ＞4000 ＞4000 ＞4000
5 阻燃标准 UL94 不燃烧 V-0 V-0 V-0
V-0
2． 圆柱灯系列塑铝散热器技术参数：
圆柱灯型号 5W 7W 9W 12W 15W
1 散热功率 W 5 7 9 12 15
2 体积 mm ф60*35 ф60*41 ф60*48 ф60*55 ф60*60
3 重量 g 28 42 55 73 96
4 绝缘耐压 V 导电 ＞4000 ＞4000 ＞4000 ＞4000
5 阻燃标准 UL94 不燃烧 V-0 V-0 V-0 V-0
圆柱灯是对球泡灯的改进，把球泡灯的圆锥散热器改成圆柱，增加了散热面积，增加了散热功率，由于节省加工费，成本反而下降。
六． 关于塑铝散热器手板
塑料散热器是注塑件，要开模。设计各种各样的散热器没有把握不可能贸然开模，那就需要打手板，以便测试，仍然要开试模。有没有办法不用注塑工艺打手板呢？有。我们已经找到简便打手板的办法，只需要3天时间，几十元钱，可以满足测试需要。这对开发塑铝散热器进度很有好处。塑铝4、塑铝5，就是用这种方法完成测试的。
以上是我们开发塑铝散热器的进展，望同行不吝赐教，评头品足。
QQ:834223944
2014/7
