Przewodność cieplna aluminium: dane dotyczące stopów, efekty hartowania i dlaczego to ma znaczenie

Praktyczny punkt wyjścia: przewodność cieplna aluminium

Jeśli określasz aluminiowy radiator dla konwertera mocy, sterownika LED lub zespołu grzejnika, zwykle jako pierwsza pojawia się jedna liczba: przewodność cieplna aluminium. Czyste aluminium jest blisko 237 W/m·K , ale wytłaczany stop na twoim rysunku prawie na pewno będzie niższy. Ta różnica nie jest szczegółem laboratoryjnym; zmienia grubość żebra, powierzchnię płyty podstawy i koszt montażu.

W przypadku większości wytłaczanych części rozpraszających ciepło opcjami domyślnymi są 6063-T5 i 6061-T6. 6063-T5 oferuje około 209 W/m·K, natomiast 6061-T6 jest bliższe 167 W/m·K. Ta przerwa wynosząca 42 W/m·K określa, ile żeberek potrzebujesz i jak szybko dana część odprowadza ciepło ze źródła.

Miedź znacznie lepiej przewodzi ciepło, ale aluminium pozostaje praktycznym wyborem w przypadku wielu radiatorów, profili grzejników i części konstrukcyjnych, ponieważ waży około jedną trzecią masy miedzi i kosztuje mniej w przeliczeniu na część. Porównując wydajność cieplną na kilogram, aluminium jest trudne do pokonania.

Co mierzy przewodność cieplną i dlaczego jednostki mają znaczenie

Przewodność cieplna (k) określa ilościowo, jak szybko ciepło przepływa przez materiał pod gradientem temperatury. Wyrażony w watach na metr kelwina (W/m·K), mówi, ile watów przechodzi przez sześcian o boku 1 m, gdy jedna ściana jest o 1 K gorętsza niż ściana przeciwna. Wyższe k oznacza niższy opór wewnętrzny przepływu ciepła.

Jak to się mierzy

W przypadku produktów aluminiowych luzem producenci stosują takie metody, jak technika błysku lasera w przypadku małych próbek i osłoniona płyta grzejna lub metody pomiaru przepływu ciepła w przypadku większych przekrojów. Temperatura pomiaru ma znaczenie, ponieważ przewodność aluminium maleje wraz ze wzrostem temperatury powyżej temperatury pokojowej. Arkusz danych zawierający tylko jedną liczbę może nie odzwierciedlać rzeczywistego zasięgu działania.

Co oznacza zakres przewodności aluminium w praktyce

Wartość taka jak 167 W/m·K wydaje się abstrakcyjna, dopóki nie porówna się profilu o długości 100 mm z przekrojem poprzecznym 1000 mm². Przy różnicy temperatur wynoszącej 20 K element ten przewodzi około 33 W, jeśli jest wykonany z 6061-T6 i około 42 W, jeśli jest wykonany z 6063-T5. W prawdziwym radiatorze różnica ta przekłada się na krótsze żebra, niższy opór przepływu powietrza lub mniejszą całkowitą obwiednię.

Przewodność cieplna stopów aluminium: typowe wartości

Czyste aluminium ma najwyższą przewodność w rodzinie aluminium, ale czysty metal jest zbyt miękki dla większości profili konstrukcyjnych i odprowadzających ciepło. Pierwiastki stopowe, takie jak krzem, magnez, miedź i cynk, rozpraszają elektrony i zmniejszają przewodność. Obróbka cieplna następnie porządkuje te pierwiastki w cząstki, dlatego ten sam stop może wykazywać różne wartości k w różnych temperaturach.

Dlaczego modele 6063-T5 i 6061-T6 dominują w wytłaczanych radiatorach

6063 jest często nazywany stopem do wytłaczania, ponieważ łączy w sobie dobrą jakość powierzchni, umiarkowaną wytrzymałość i stan T5 o wysokiej przewodności. 6061 jest mocniejszy i łatwiejszy w obróbce, ale jego przewodność jest niższa. Gdy projekt wymaga żeberek i płyty montażowej, 6063-T5 zwykle zapewnia lepszą wydajność cieplną przy tej samej wadze. 6061-T6 ma sens, gdy część przenosi również obciążenia mechaniczne. A niestandardowy profil wytłaczany z aluminium można kształtować tak, aby wykorzystać mocne strony każdego stopu, zachowując jednocześnie niski opór cieplny.

Obróbka powierzchni nieznacznie zmienia obraz. Powłoki anodowane poprawiają odporność na zużycie i korozję, ale sama warstwa tlenku ma niską przewodność. W cienkich warstwach anodowanych dodatkowy opór cieplny jest niewielki; jednakże grube, twarde anodowanie może zmniejszyć przepływ ciepła. W przypadku części wymagających zarówno ochrony, jak i przewodzenia, profile wytłaczane z anodyzowanego aluminium pozostają powszechnym wyborem, pod warunkiem, że grubość powłoki jest kontrolowana w celu dopasowania do projektu termicznego.

Czynniki obniżające przewodność cieplną aluminium

Skład stopu

Każdy pierwiastek stopowy zachowuje się inaczej. Magnez i krzem w stopach 6xxx umiarkowanie obniżają przewodność. Miedź, podobnie jak stopy 2xxx, powoduje większy spadek. Cynk w stopach 7xxx mieści się pomiędzy. Wybór gatunku jest zatem kompromisem pomiędzy przewodnością, wytrzymałością i reakcją na wykończenie powierzchni.

Hartowanie i obróbka cieplna

W stopach 6xxx stan T5 ma tendencję do zachowywania większej części przewodności wytłoczki w stanie uformowanym, jednocześnie zapewniając wystarczającą wytrzymałość do wielu zastosowań związanych z rozpraszaniem ciepła. Temperament T6 może być silniejszy, ale często ma niższe k. Jeśli Twoim głównym wymaganiem jest przenoszenie ciepła, zapytaj, czy T5 jest akceptowalny dla obciążeń konstrukcyjnych Twojej części.

Temperatura i zanieczyszczenia

Wraz ze wzrostem temperatury wibracje sieci silniej rozpraszają elektrony, więc k spada. Zanieczyszczenia żelazem i krzemem w stopach do obróbki plastycznej tworzą cząstki międzymetaliczne, które również obniżają przewodność. Gdy wymagane jest maksymalne przewodnictwo, dostępne są warianty stopów 1xxx i 6xxx o niskiej zawartości żelaza, chociaż mogą one być droższe.

Stosowanie danych dotyczących przewodności cieplnej w profilach radiatorów i grzejników

Najlepszy stop aluminium na radiator to nie tylko ten o najwyższym współczynniku k. Potrzebna jest także geometria profilu, przepływ powietrza, powierzchnia i metoda montażu. Wytłaczane profile umieszczają materiał dokładnie tam, gdzie rozprzestrzenia się ciepło i gdzie lamele je odprowadzają. Punktem wyjścia jest zrozumienie, w jaki sposób wybór stopu i konstrukcja matrycy współdziałają ze sobą; nasz stopy aluminium do wyciskania i przewodnik projektowy omawia to bardziej szczegółowo.

Wytłoczki radiatora

W przypadku energoelektroniki, sterowników LED i sterowników silników często wystarcza wytłaczany radiator z kontrolowanym rozstawem żeberek. Stop o wysokiej przewodności poprawia równomierność temperatury, dzięki czemu gorące punkty nie tworzą się bezpośrednio pod obszarem montażu komponentu. W przypadku części produkcyjnych nasze profile radiatora z anodyzowanego aluminium o wysokiej przewodności cieplnej zostały stworzone z myślą o tym wymogu.

Profile radiatora z anodyzowanego aluminium o wysokiej przewodności cieplnej Dostawcy, Compan Tablica Zobacz produkt →

Profile grzejników

Obudowy nagrzewnic i nagrzewnice kanałowe wymagają jednakowej temperatury powierzchni, aby strumień powietrza nie uległ przegrzaniu w jednym miejscu. Niewielka waga i dobra przewodność aluminium szybko rozprowadzają ciepło wzdłuż profilu. Nasz grzejniki o wysokiej przewodności cieplnej z profili aluminiowych są rozwiązaniem wytłaczanym do tego właśnie zadania.

Profile aluminiowe do grzejników o wysokiej przewodności cieplnej Dostawcy, firma - Huzhou Tablica Zobacz produkt →

Co zrobić z tymi danymi

Zacznij od wymaganej odporności termicznej, a następnie wybierz stop, temperament i geometrię profilu, które ją spełniają. Jeśli budżet na to pozwala, wykonaj prototyp ze stopu 6063-T5 lub stopu 6xxx o niskiej zawartości żelaza i zmierz rzeczywiste temperatury. Nie polegaj wyłącznie na wartościach podręcznikowych; dane dostawcy, wykończenie powierzchni i materiały interfejsu mają znaczenie.

W przypadku części wytłaczanych, takich jak radiatory i profile grzejników, kontrola procesu producenta jest równie ważna jak stop. Dostawca, który rozumie przepływ matrycy, obróbkę cieplną i wykończenie, może zapewnić stałą wydajność cieplną. Dlatego też przewodność cieplną należy omawiać już na etapie projektowania, a nie po zamrożeniu rysunku.