Conductividad térmica del aluminio: datos de aleación, efectos del temple y por qué es importante

Un punto de partida práctico: la conductividad térmica del aluminio

Si está especificando un disipador de calor de aluminio para un convertidor de potencia, un controlador LED o un conjunto de calentador, generalmente aparece primero un número: la conductividad térmica del aluminio. El aluminio puro se encuentra cerca 237 W/m·K , pero es casi seguro que la aleación extruida en su dibujo será menor. Esa diferencia no es un detalle de laboratorio; cambia el espesor de las aletas, el área de la placa base y el costo del ensamblaje.

Para la mayoría de las piezas extruidas de disipación de calor, 6063-T5 y 6061-T6 son las opciones predeterminadas. 6063-T5 ofrece alrededor de 209 W/m·K, mientras que 6061-T6 está más cerca de 167 W/m·K. Esa brecha de 42 W/m·K determina cuántas aletas necesita y qué tan rápido la pieza aleja el calor de la fuente.

El cobre conduce el calor mucho mejor, pero el aluminio sigue siendo la opción práctica para muchos disipadores de calor, perfiles de calentadores y piezas estructurales porque pesa aproximadamente un tercio más que el cobre y cuesta menos por pieza. Cuando se compara el rendimiento térmico por kilogramo, el aluminio es difícil de superar.

Qué mide la conductividad térmica y por qué son importantes las unidades

La conductividad térmica (k) cuantifica la rapidez con la que fluye el calor a través de un material bajo un gradiente de temperatura. Expresado en vatios por metro-kelvin (W/m·K), indica cuántos vatios pasan a través de un cubo de 1 m cuando una cara está 1 K más caliente que la cara opuesta. Una k más alta significa una menor resistencia interna al flujo de calor.

Cómo se mide

Para productos de aluminio a granel, los fabricantes utilizan métodos como la técnica de flash láser para muestras pequeñas y métodos de placa caliente protegida o medidor de flujo de calor para secciones más grandes. La medición de la temperatura es importante porque la conductividad del aluminio disminuye a medida que la temperatura aumenta por encima de la temperatura ambiente. Es posible que una hoja de datos que informe solo un número no refleje su rango operativo real.

Qué significa en la práctica el rango de conductividad del aluminio

Un valor como 167 W/m·K suena abstracto hasta que se compara una extrusión de 100 mm de largo con una sección transversal de 1000 mm². Con una diferencia de temperatura de 20 K, esa pieza conduce aproximadamente 33 W si está hecha de 6061-T6 y aproximadamente 42 W si está hecha de 6063-T5. En un disipador de calor real, esa diferencia se traduce en aletas más cortas, menor resistencia al flujo de aire o una envoltura general más pequeña.

Conductividad térmica de aleaciones de aluminio: valores típicos

El aluminio puro tiene la conductividad más alta de la familia del aluminio, pero el metal puro es demasiado blando para la mayoría de los perfiles estructurales y de disipación de calor. Los elementos de aleación como el silicio, el magnesio, el cobre y el zinc dispersan los electrones y reducen la conductividad. Luego, el tratamiento térmico reorganiza esos elementos en partículas, razón por la cual la misma aleación puede mostrar diferentes k en diferentes estados de ánimo.

Por qué 6063-T5 y 6061-T6 dominan los disipadores de calor extruidos

6063 a menudo se denomina aleación de extrusión porque combina buena calidad de superficie, resistencia moderada y un temple T5 de alta conductividad. 6061 es más fuerte y más fácil de mecanizar, pero su conductividad es menor. Cuando el diseño necesita aletas más una placa de montaje, el 6063-T5 suele ofrecer un mejor rendimiento térmico con el mismo peso. 6061-T6 tiene sentido cuando la pieza también soporta cargas mecánicas. un perfil de extrusión de aluminio personalizado Se puede moldear para utilizar las fortalezas de cada aleación manteniendo baja la resistencia térmica.

El tratamiento de la superficie cambia ligeramente la imagen. Los recubrimientos anodizados mejoran la resistencia al desgaste y a la corrosión, pero la propia capa de óxido tiene baja conductividad. En capas finas anodizadas, la resistencia térmica añadida es pequeña; sin embargo, el anodizado duro y grueso puede reducir el flujo de calor. Para piezas que necesitan protección y conducción, perfiles de extrusión de aluminio anodizado siguen siendo una opción común, siempre que el espesor del recubrimiento se controle para adaptarse al diseño térmico.

Factores que reducen la conductividad térmica del aluminio

Composición de la aleación

Cada elemento de aleación se comporta de manera diferente. El magnesio y el silicio en las aleaciones 6xxx reducen moderadamente la conductividad. El cobre, como en las aleaciones 2xxx, provoca una caída mayor. El zinc en aleaciones 7xxx se encuentra en el medio. Por lo tanto, seleccionar un grado es un equilibrio entre conductividad, resistencia y respuesta al acabado de la superficie.

Tratamiento térmico y templado

En las aleaciones 6xxx, un templado T5 tiende a preservar una mayor conductividad de la extrusión tal como se formó y, al mismo tiempo, proporciona suficiente resistencia para muchas aplicaciones de disipación de calor. Un temperamento T6 puede ser más fuerte pero a menudo viene con un k más bajo. Si su principal requisito es el calor en movimiento, pregunte si T5 es aceptable para las cargas estructurales de su pieza.

Temperatura e impurezas

A medida que aumenta la temperatura, las vibraciones de la red dispersan los electrones con más fuerza, por lo que k disminuye. Las impurezas de hierro y silicio en las aleaciones forjadas forman partículas intermetálicas que también reducen la conductividad. Cuando se necesita la máxima conducción, se encuentran disponibles variantes bajas en hierro de las aleaciones 1xxx y 6xxx, aunque pueden costar más.

Aplicación de datos de conductividad térmica en perfiles de calentadores y disipadores de calor

La mejor aleación de aluminio para un disipador de calor no es simplemente la que tiene el k más alto. También necesita la geometría del perfil, el flujo de aire, el área de superficie y el método de ensamblaje. Los perfiles extruidos colocan el material exactamente donde se propaga el calor y donde las aletas lo desprenden. El punto de partida es comprender cómo interactúan la elección de la aleación y el diseño del troquel; nuestro aleaciones de extrusión de aluminio y guía de diseño cubre eso con más detalle.

Extrusiones de disipadores de calor

Para la electrónica de potencia, controladores de LED y controladores de motores, suele ser suficiente un disipador de calor extruido con espacio controlado entre aletas. Una aleación de alta conductividad mejora la uniformidad de la temperatura para que no se formen puntos calientes directamente debajo del área de montaje del componente. Para piezas de producción, nuestro Perfiles de disipador de calor de aluminio anodizado de alta conductividad térmica. se hacen teniendo en cuenta este requisito.

Proveedores de perfiles de disipador de calor de aluminio anodizado de alta conductividad térmica, Compan matriz Ver producto →

Perfiles de calentador

Los gabinetes de calentadores y los calentadores de conductos necesitan una temperatura superficial uniforme para que la corriente de aire no se sobrecaliente en un solo lugar. El peso ligero y la buena conductividad del aluminio distribuyen el calor rápidamente a lo largo del perfil. Nuestro Calentadores de alta conductividad térmica perfiles de aluminio. son una solución extruida para esa tarea exacta.

Calentadores de alta conductividad térmica perfiles de aluminio Proveedores, Empresa - Huzhou matriz Ver producto →

Qué hacer con estos datos

Comience con la resistencia térmica requerida y luego elija una aleación, un temple y una geometría de perfil que la cumplan. Si el presupuesto lo permite, cree un prototipo con 6063-T5 o una aleación 6xxx con bajo contenido de hierro y mida las temperaturas reales. No confíe únicamente en los valores de los libros de texto; Los datos del proveedor, el acabado de la superficie y los materiales de la interfaz son importantes.

Para piezas extruidas como disipadores de calor y perfiles de calentadores, el control del proceso por parte del fabricante es tan importante como la aleación. Un proveedor que comprende el flujo de matrices, el tratamiento térmico y el acabado puede ofrecer un rendimiento térmico constante. Es por eso que la conductividad térmica debe discutirse durante la fase de diseño, no después de que el dibujo esté congelado.