Termisk ledningsevne av aluminium: Legeringsdata, tempereringseffekter og hvorfor det betyr noe

Et praktisk utgangspunkt: Den termiske ledningsevnen til aluminium

Hvis du spesifiserer en kjøleribbe av aluminium for en strømomformer, en LED-driver eller en varmeenhet, kommer vanligvis ett tall først: den termiske ledningsevnen til aluminium. Rent aluminium sitter i nærheten 237 W/m·K , men den ekstruderte legeringen i tegningen din vil nesten helt sikkert være lavere. Den forskjellen er ikke en laboratoriedetalj; den endrer finnetykkelse, bunnplateareal og kostnaden for monteringen.

For de fleste ekstruderte varmeavledningsdeler er 6063-T5 og 6061-T6 standardalternativene. 6063-T5 tilbyr rundt 209 W/m·K, mens 6061-T6 er nærmere 167 W/m·K. Det 42 W/m·K gapet avgjør hvor mange finner du trenger og hvor raskt delen flytter varmen bort fra kilden.

Kobber leder varmen mye bedre, men aluminium er fortsatt det praktiske valget for mange varmeavledere, varmeprofiler og konstruksjonsdeler fordi det veier omtrent en tredjedel så mye som kobber og koster mindre per del. Når du sammenligner termisk ytelse per kilo, er aluminium vanskelig å slå.

Hva måler termisk ledningsevne og hvorfor enheter betyr noe

Termisk ledningsevne (k) kvantifiserer hvor raskt varme strømmer gjennom et materiale under en temperaturgradient. Uttrykt i watt per meter-kelvin (W/m·K), forteller den deg hvor mange watt som går gjennom en 1 m terning når en flate er 1 K varmere enn den motsatte flaten. En høyere k betyr lavere indre motstand mot varmestrøm.

Hvordan det måles

For bulk aluminiumsprodukter bruker produsenter metoder som laserblitsteknikk for små prøver og bevoktet varmeplate eller varmestrømningsmålermetoder for større seksjoner. Måletemperatur har betydning fordi aluminiums ledningsevne synker når temperaturen stiger over romtemperatur. Et dataark som bare rapporterer ett tall, gjenspeiler kanskje ikke ditt faktiske driftsområde.

Hva aluminiums konduktivitetsområde betyr i praksis

En verdi som 167 W/m·K høres abstrakt ut helt til du sammenligner en 100 mm lang profil med et 1000 mm² tverrsnitt. Ved en temperaturforskjell på 20 K leder det stykket omtrent 33 W hvis laget av 6061-T6 og omtrent 42 W hvis det er laget av 6063-T5. I en ekte kjøleribbe oversetter den forskjellen seg til kortere finner, lavere luftstrømmotstand eller en mindre total konvolutt.

Termisk ledningsevne av aluminiumslegeringer: Typiske verdier

Rent aluminium har den høyeste ledningsevnen i aluminiumsfamilien, men rent metall er for mykt for de fleste strukturelle og varmeavledende profiler. Legeringselementer som silisium, magnesium, kobber og sink sprer elektroner og reduserer ledningsevnen. Varmebehandling omorganiserer deretter disse elementene til partikler, og det er grunnen til at den samme legeringen kan vise forskjellig k i forskjellige temperamenter.

Hvorfor 6063-T5 og 6061-T6 dominerer ekstruderte kjøleribber

6063 kalles ofte ekstruderingslegeringen fordi den kombinerer god overflatekvalitet, moderat styrke og et T5-temperering med høy ledningsevne. 6061 er sterkere og lettere å bearbeide, men ledningsevnen er lavere. Når designet trenger finner pluss en monteringsplate, gir 6063-T5 vanligvis bedre termisk ytelse ved samme vekt. 6061-T6 gir mening når delen også bærer mekaniske belastninger. A tilpasset ekstruderingsprofil i aluminium kan formes for å bruke hver legerings styrke samtidig som den holder termisk motstand lav.

Overflatebehandling endrer bildet litt. Anodiserte belegg forbedrer slitasje og korrosjonsbestandighet, men selve oksidlaget har lav ledningsevne. I tynne anodiserte lag er den ekstra termiske motstanden liten; tykk hard anodisering kan imidlertid redusere varmestrømmen. For deler som trenger både beskyttelse og ledning, anodiserte aluminiumsekstruderingsprofiler forbli et vanlig valg, forutsatt at beleggtykkelsen kontrolleres for å passe til den termiske utformingen.

Faktorer som senker den termiske ledningsevnen til aluminium

Legeringssammensetning

Hvert legeringselement oppfører seg forskjellig. Magnesium og silisium i 6xxx-legeringer senker konduktiviteten moderat. Kobber, som i 2xxx-legeringer, forårsaker et større fall. Sink i 7xxx legeringer faller i mellom. Å velge en karakter er derfor en avveining mellom ledningsevne, styrke og respons på overflatebehandling.

Temperering og varmebehandling

I 6xxx-legeringer har en T5-temperering en tendens til å bevare mer av ekstruderingens ledningsevne slik den er dannet, samtidig som den gir nok styrke for mange varmeavledningsapplikasjoner. Et T6-temperament kan være sterkere, men kommer ofte med en lavere k. Hvis hovedkravet ditt er å bevege varme, spør om T5 er akseptabelt for de strukturelle belastningene i din del.

Temperatur og urenheter

Når temperaturen øker, sprer gittervibrasjoner elektronene sterkere, så k synker. Jern- og silisiumurenheter i smide legeringer danner intermetalliske partikler som også senker ledningsevnen. Varianter med lavt jern av 1xxx og 6xxx legeringer er tilgjengelige når maksimal ledning er nødvendig, selv om de kan koste mer.

Bruk av termisk konduktivitetsdata i kjøleribbe- og varmeelementprofiler

Den beste aluminiumslegeringen for en kjøleribbe er ikke bare den med høyest k. Du trenger også profilgeometri, luftstrøm, overflateareal og monteringsmetode. Ekstruderte profiler plasserer materialet nøyaktig der varme sprer seg og hvor finner avgir det. Utgangspunktet er å forstå hvordan legeringsvalg og formdesign samhandler; vår aluminium ekstruderingslegeringer og designguide dekker det mer detaljert.

Ekstrudering av varmeavledere

For kraftelektronikk, LED-drivere og motorkontrollere er en ekstrudert kjøleribbe med kontrollert finneavstand ofte nok. En legering med høy ledningsevne forbedrer temperaturens jevnhet slik at varme flekker ikke dannes direkte under komponentens monteringsområde. For produksjonsdeler, vår høy termisk ledningsevne anodisert aluminium kjøleribbe profiler er laget med tanke på dette kravet.

Høy varmeledningsevne anodisert aluminium kjøleribbe profiler Leverandører, Compan Array Se produkt →

Varmeelementprofiler

Varmekabinetter og kanalvarmere trenger jevn overflatetemperatur slik at luftstrømmen ikke overopphetes på ett sted. Aluminiums lette vekt og gode ledningsevne sprer varme raskt langs profilen. Vår høy termisk ledningsevne varmeovner aluminiumsprofiler er en ekstrudert løsning for akkurat den oppgaven.

Varmeovner med høy varmeledningsevne aluminiumsprofiler Leverandører, Company - Huzhou Array Se produkt →

Hva du skal gjøre med disse dataene

Start med den nødvendige termiske motstanden, velg deretter en legering, temperament og profilgeometri som oppfyller den. Hvis budsjettet tillater det, prototyp med 6063-T5 eller en 6xxx-legering med lavt jern og mål faktiske temperaturer. Ikke stol bare på lærebokverdier; leverandørdata, overflatefinish og grensesnittmaterialer har betydning.

For ekstruderte deler som kjøleribber og varmeprofiler er produsentens prosesskontroll like viktig som legeringen. En leverandør som forstår dyseflyt, varmebehandling og etterbehandling kan levere jevn termisk ytelse. Derfor bør termisk ledningsevne diskuteres under designfasen, ikke etter at tegningen er frosset.