Conductivité thermique de l'aluminium : données sur les alliages, effets de trempe et pourquoi c'est important

Un point de départ pratique : la conductivité thermique de l’aluminium

Si vous spécifiez un dissipateur thermique en aluminium pour un convertisseur de puissance, un pilote de LED ou un ensemble chauffant, un chiffre apparaît généralement en premier : la conductivité thermique de l'aluminium. L'aluminium pur se trouve à proximité 237 W/m·K , mais l'alliage extrudé dans votre dessin sera presque certainement inférieur. Cette différence n’est pas un détail de laboratoire ; cela modifie l'épaisseur des ailettes, la surface de la plaque de base et le coût de l'assemblage.

Pour la plupart des pièces extrudées de dissipation thermique, 6063-T5 et 6061-T6 sont les options par défaut. Le 6063-T5 offre environ 209 W/m·K, tandis que le 6061-T6 est plus proche de 167 W/m·K. That 42 W/m·K gap determines how many fins you need and how quickly the part moves heat away from the source.

Le cuivre conduit beaucoup mieux la chaleur, mais l'aluminium reste le choix pratique pour de nombreux dissipateurs thermiques, profilés chauffants et pièces structurelles, car il pèse environ un tiers du cuivre et coûte moins cher par pièce. Lorsque l’on compare les performances thermiques par kilogramme, l’aluminium est difficile à battre.

Quelles mesures de conductivité thermique et pourquoi les unités sont importantes

La conductivité thermique (k) quantifie la vitesse à laquelle la chaleur circule à travers un matériau sous un gradient de température. Exprimé en watts par mètre-kelvin (W/m·K), il vous indique combien de watts traversent un cube de 1 m lorsqu'une face est 1 K plus chaude que la face opposée. A higher k means lower internal resistance to heat flow.

Comment il est mesuré

Pour les produits en aluminium en vrac, les fabricants utilisent des méthodes telles que la technique du flash laser pour les petits échantillons et la méthode de la plaque chauffante protégée ou du débitmètre thermique pour les sections plus grandes. La température de mesure est importante car la conductivité de l'aluminium diminue à mesure que la température dépasse la température ambiante. Une fiche technique qui ne rapporte qu’un seul chiffre peut ne pas refléter votre plage de fonctionnement réelle.

What Aluminum's Conductivity Range Means in Practice

Une valeur telle que 167 W/m·K semble abstraite jusqu'à ce que vous compariez une extrusion de 100 mm de long avec une section transversale de 1 000 mm². À une différence de température de 20 K, cette pièce conduit environ 33 W si elle est fabriquée en 6061-T6 et environ 42 W si elle est fabriquée en 6063-T5. Dans un véritable dissipateur thermique, cette différence se traduit par des ailettes plus courtes, une résistance au flux d'air plus faible ou une enveloppe globale plus petite.

Thermal Conductivity of Aluminum Alloys: Typical Values

L'aluminium pur a la conductivité la plus élevée de la famille de l'aluminium, mais le métal pur est trop mou pour la plupart des profils structurels et de dissipation thermique. Alloying elements such as silicon, magnesium, copper, and zinc scatter electrons and reduce conductivity. Le traitement thermique réorganise ensuite ces éléments en particules, c'est pourquoi le même alliage peut présenter différents k selon différents états.

Pourquoi les dissipateurs thermiques extrudés 6063-T5 et 6061-T6 dominent

Le 6063 est souvent appelé alliage d'extrusion car il combine une bonne qualité de surface, une résistance modérée et un état T5 à haute conductivité. 6061 is stronger and easier to machine, but its conductivity is lower. Lorsque la conception nécessite des ailettes et une plaque de montage, le 6063-T5 offre généralement de meilleures performances thermiques pour le même poids. Le 6061-T6 est judicieux lorsque la pièce supporte également des charges mécaniques. Un profil d'extrusion d'aluminium sur mesure can be shaped to use each alloy's strengths while keeping thermal resistance low.

Le traitement de surface change légèrement le tableau. Les revêtements anodisés améliorent la résistance à l'usure et à la corrosion, mais la couche d'oxyde elle-même a une faible conductivité. In thin anodized layers, the added thermal resistance is small; however, thick hard anodizing can reduce heat flow. Pour les pièces nécessitant à la fois protection et conduction, profils d'extrusion d'aluminium anodisé restent un choix courant, à condition que l’épaisseur du revêtement soit contrôlée en fonction de la conception thermique.

Facteurs qui réduisent la conductivité thermique de l'aluminium

Composition de l'alliage

Chaque élément d'alliage se comporte différemment. Le magnésium et le silicium dans les alliages 6xxx diminuent modérément la conductivité. Le cuivre, comme dans les alliages 2xxx, provoque une chute plus importante. Le zinc dans les alliages 7xxx se situe entre les deux. Selecting a grade is therefore a tradeoff between conductivity, strength, and response to surface finishing.

Trempe et traitement thermique

Dans les alliages 6xxx, un état T5 a tendance à préserver davantage la conductivité telle que formée de l'extrusion tout en offrant suffisamment de résistance pour de nombreuses applications de dissipation thermique. A T6 temper can be stronger but often comes with a lower k. Si votre principale exigence est le déplacement de chaleur, demandez si T5 est acceptable pour les charges structurelles de votre pièce.

Température et impuretés

À mesure que la température augmente, les vibrations du réseau dispersent les électrons plus fortement, donc k diminue. Iron and silicon impurities in wrought alloys form intermetallic particles that also lower conductivity. Low-iron variants of 1xxx and 6xxx alloys are available when maximum conduction is needed, although they may cost more.

Application des données de conductivité thermique dans les profils de dissipateur thermique et de chauffage

Le meilleur alliage d’aluminium pour un dissipateur thermique n’est pas simplement celui avec le k le plus élevé. Vous avez également besoin de la géométrie du profil, du flux d’air, de la surface et de la méthode d’assemblage. Extruded profiles place material exactly where heat spreads and where fins shed it. Le point de départ est de comprendre comment le choix de l’alliage et la conception de la matrice interagissent ; notre alliages d'aluminium extrudés et guide de conception couvre cela plus en détail.

Extrusions de dissipateur thermique

Pour l'électronique de puissance, les pilotes de LED et les contrôleurs de moteur, un dissipateur thermique extrudé avec un espacement contrôlé des ailettes suffit souvent. A high-conductivity alloy improves temperature uniformity so that hot spots do not form directly under the component mounting area. Pour les pièces de production, notre profils de dissipateur thermique en aluminium anodisé à haute conductivité thermique sont élaborés en tenant compte de cette exigence.

Profilés de dissipateur thermique en aluminium anodisé à haute conductivité thermique Fournisseurs, Compan Tableau Voir le produit →

Profils de chauffage

Les boîtiers de chauffage et les radiateurs à conduits nécessitent une température de surface uniforme afin que le flux d'air ne soit pas surchauffé à un endroit. La légèreté et la bonne conductivité de l'aluminium diffusent rapidement la chaleur le long du profilé. Notre profilés en aluminium pour radiateurs à haute conductivité thermique sont une solution extrudée pour cette tâche précise.

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Que faire avec ces données

Commencez par la résistance thermique requise, puis choisissez un alliage, un état et une géométrie de profil qui y répondent. Si le budget le permet, faites un prototype avec du 6063-T5 ou un alliage 6xxx à faible teneur en fer et mesurez les températures réelles. Ne vous fiez pas uniquement aux valeurs des manuels ; les données des fournisseurs, la finition de surface et les matériaux d’interface sont tous importants.

Pour les pièces extrudées telles que les dissipateurs thermiques et les profilés chauffants, le contrôle du processus par le fabricant est aussi important que l'alliage. Un fournisseur qui comprend le flux de filière, le traitement thermique et la finition peut fournir des performances thermiques constantes. C'est pourquoi la conductivité thermique doit être discutée pendant la phase de conception, et non après le gel du dessin.