Материал радиатора — медь или алюминий?

Как говорится: «Медь быстро проводит тепло, алюминий быстро рассеивает тепло». Споры о том, какие из ребер лучше — медные или алюминиевые, не прекращаются уже долгое время.

Лучше медные или алюминиевые ребра? Почему радиаторы ноутбуков в основном сделаны из чистой меди, в то время как радиаторы настольных компьютеров часто имеют алюминиевые ребра?

В этой статье я начну с характеристик материалов из меди и алюминия, в сочетании с примером конструкции радиатора, и проведу анализ конкретных преимуществ и недостатков.

Анализ характеристик материалов:

Теплопроводность

Наиболее характерной особенностью меди является ее высокая теплопроводность. Теплопроводность чистой меди достигает 401 Вт/м*К, что является вторым показателем среди распространенных металлов после серебра (429 Вт/м*К) и значительно выше, чем у алюминия (240 Вт/м*К).

Медь — отличный проводник тепла. Поэтому на основании и тепловых трубках, непосредственно передающих тепло от радиатора, медь с более высокой теплопроводностью значительно превосходит алюминий, что неудивительно. Но играет ли параметр теплопроводности такую ​​важную роль на ребрах, отвечающих за рассеивание тепла?

Плотность и стоимость

Медь значительно плотнее алюминия. Плотность чистой меди достигает 8,9 г/см³, что в 3,3 раза выше плотности алюминия. Поэтому использование ребер из чистой меди значительно увеличит вес радиатора.

Взяв в качестве примера классический кулер Limin U120E, после замены алюминиевых ребер радиатора на медные, его общий вес увеличился с 780 г до 1,9 кг! На фоне растущего объема воздушного охлаждения, чрезмерно массивный радиатор создает огромную нагрузку на материнскую плату.

В то же время цена меди в три раза выше, чем у алюминия. Если добавленный к материнской плате вес «не ощущается сильно», то цена в 50% действительно «неприятна». Это также важная причина, по которой радиаторы обычно изготавливаются из алюминия.

Теплоемкость

Алюминий обладает большей удельной теплоемкостью. Удельная теплоемкость чистого алюминия достигает 0,88×10^3 Дж/(кг·°C), что в 2,25 раза больше, чем у меди. Но означает ли большая удельная теплоемкость обязательно большую теплоемкость?

Радиатор не является изделием, объем которого можно бесконечно увеличивать, и в реальных сравнениях постоянной величиной часто является не вес ребер, а их объем. Вопреки выводу, основанному на удельной теплоемкости, медный радиатор может поглощать больше тепла при том же объеме ребер.

Как уже упоминалось, удельная теплоемкость алюминия в 2,25 раза выше, чем у меди. Однако чистая медь в 3,3 раза плотнее алюминия! После некоторых пересчетов мы можем узнать, что тот же объем меди может поглотить примерно на 30-40% больше тепла.

Большая теплоемкость означает, что радиатор нагревается медленнее, эффективно снижая скорость накопления тепла в процессоре. В случае недостаточной эффективности рассеивания тепла, радиатор из чистой меди также может отсрочить перегрев процессора.

Но это не означает, что алюминиевые радиаторы не имеют преимуществ. Здесь необходимо ввести понятие «тепловая конвекция». Теплоотвод радиатора осуществляется за счет конвекции жидкости (то есть воздуха) согласно формуле, используемой для оценки тепловой конвекции:

Скорость теплового потока = коэффициент конвективной теплопередачи × площадь поверхности × (разность температур между поверхностью и жидкостью)

Видно, что при одинаковом коэффициенте конвективной теплопередачи (который можно просто представить как ветер), чем больше разница температур между поверхностью и жидкостью, тем больше тепловой поток и тем лучше эффект теплоотвода. Хотя теплоемкость алюминиевого радиатора меньше, он имеет преимущество в скорости теплоотвода, поскольку нагревается быстрее, а больший температурный градиент приводит к большему тепловому потоку.

Производственные сложности

Часто упускается из виду тот факт, что сварка между различными материалами сопряжена с немалыми трудностями. Приварка медной тепловой трубки радиатора к алюминиевому ребру часто требует использования переходного слоя — обычно никеля — для облегчения пайки оплавлением. Сам никель — металл с низкой теплопроводностью, а тепловое сопротивление припоя (олова) также высокое.

Из-за наличия нескольких слоев веществ с низкой теплопроводностью недостатки низкой теплопроводности алюминия еще больше усугубляются. При использовании технологии Fin после длительной эксплуатации возникнут такие проблемы, как ослабление ребер и снижение производительности из-за различий в коэффициентах теплового расширения меди и алюминия.

Поскольку они изготовлены из одного и того же материала, сварка между тепловыми трубками и медными ребрами значительно упрощается. Радиаторы из чистой меди часто привариваются методом оплавления, что не вызывает опасений.

Конечно, по сравнению с мягкой медью, из алюминия проще изготавливать ребра. Но преимущества меди заключаются в более прочной сварке и отсутствии промежуточных слоев с низкой теплопроводностью. Поэтому радиатор из чистой меди обладает лучшей теплопроводностью и надежностью.

Пример применения

Из предыдущей статьи мы уже знаем, что ребра из чистой меди нагреваются медленнее и проводят тепло быстрее. Но с точки зрения тепловой конвекции они не так быстры, как алюминиевые ребра.

Характеристики теплоотвода меди и алюминия не одинаковы, поэтому нет абсолютных преимуществ или недостатков. Только выбирая разные материалы в соответствии с потребностями каждой детали в теплоотводе, можно достичь баланса между стоимостью и весом, одновременно максимизируя эффективность.

В блокноте

На площади ноутбука зачастую невозможно разместить слишком много охлаждающих ребер. Площадь их ребер, как правило, относительно невелика или даже крайне недостаточна.

На рабочем столе

В настольных системах охлаждения площадь ребер больше не является главным ограничивающим фактором. Узким местом стало смещение акцента с «теплопроводности» на «тепловую конвекцию». На этом основании системы делятся на системы охлаждения башенного типа и системы охлаждения напорного типа.

Поскольку радиаторы башенного типа обычно имеют большие размеры, замена их на радиаторы из чистой меди приведет к резкому увеличению веса и стоимости. Поэтому, учитывая стоимость и удобство использования, радиаторы башенного типа часто изготавливаются с алюминиевыми ребрами.

Лишь в немногих высококачественных радиаторах используется чистая медь или гибридные медно-алюминиевые радиаторы, и их характеристики не улучшились, чтобы соответствовать значительному увеличению стоимости и веса.

Для того чтобы максимально повысить эффективность алюминиевых ребер и компенсировать недостаток их теплопроводности, тепловые трубки башенного радиатора часто располагаются рассеянно, обеспечивая максимально равномерный нагрев ребер и повышая эффективность теплопередачи тепловых трубок.

В то же время, поскольку алюминий нагревается быстрее и создает большую разницу температур, алюминиевые ребра обеспечивают лучшую тепловую конвекцию, когда поток воздуха недостаточен для быстрого отвода тепла от ребер. Поэтому на больших пассивных радиаторах часто используются большие алюминиевые ребра, при этом увеличивается зазор, а отверстие делается таким образом, чтобы обеспечить лучший циркуляционный поток тепла внутри корпуса через радиатор.

При проектировании радиаторов с низким давлением часто возникает ситуация, схожая с той, что наблюдается в ноутбуках: недостаточно места и недостаточная площадь ребер. Поэтому принятая схема проектирования также относительно схожа.

Так называемая «вторичная сварка» позволяет избежать проблемы неравномерного нагрева ребер, максимально увеличивая площадь контакта между тепловой трубкой и ребрами. Этот процесс значительно улучшает характеристики радиаторов с алюминиевыми ребрами.

В то же время, поскольку корпус радиатора низкого давления относительно мал и легок, для повышения эффективности рассеивания тепла в ограниченной площади теплоотвода появились также модели из чистой меди. Хотя вес и цена корпуса значительно возросли, они все еще находятся в приемлемом диапазоне.

Подведем итоги

Вкратце, медь нагревается медленнее и проводит тепло быстрее, но тепловая конвекция происходит не так быстро, как в случае с алюминием. В результате для быстрого отвода тепла от медных ребер требуется более мощный вентилятор.

Алюминий нагревается быстрее, создавая большую разницу температур, что обеспечивает максимальное рассеивание тепла, когда поток воздуха не может проникать сквозь радиатор.

Если узким местом являются теплоемкость, размер ребер и эффективность теплопроводности, то медь превосходит алюминий, поскольку обладает большой теплоемкостью и позволяет максимально эффективно использовать площадь ребер.

Если узким местом является отвод тепла ветром, то алюминий превосходит медь, поскольку эффективность конвекции тепла у алюминия выше. В результате алюминиевые ребра требуют большей площади, в то время как медные ребра зависят от большей силы ветра.

Что касается конструкции радиатора, то при недостаточной производительности вентилятора алюминий предпочтительнее меди. При недостаточной производительности тепловых трубок или недостаточном размере ребер радиатора медь предпочтительнее алюминия.

Конечно, чистая медь неизбежно будет дорогой. Однако, чтобы обеспечить эффективное рассеивание тепла, а также контролировать вес в приемлемых пределах, даже алюминий требует огромных затрат на обработку.