Kupfer- oder Aluminiumkühlkörper?

Was wäre ein besserer Kühlkörper, um Kupfer oder Aluminium zu kaufen? Was macht Kupfer, was Aluminium nicht? Ich weiß, dass es teurer und schwerer ist. Was ist also der Vorteil von Kupfer?

EDIT: Weitere Details zur Anwendung. Ich brauche einen Kühlkörper für ein TEG-Peltier-Modul, die kühle Seite. Die Kraftquelle ist einfach die Hitze deiner Hand, die von der heißen Seite kommt. Um zu verhindern, dass es beide Seiten des Peltiers neutralisiert, benutze ich Kühlkörper, um die andere Seite zu kühlen. Daher benötige ich den leistungsstärksten verfügbaren Kühlkörper, damit der Peltier länger Spannung erzeugt.

Sie haben viele gute Informationen von den oben genannten Benutzern! Bitte halten Sie meine Antwort für wichtig und ergänzend zu den Ratschlägen, die Sie bereits haben:

Das Material der thermischen Grenzfläche (TIM) kann genauso viel und einfach mehr ausmachen als das Material, das Sie für Ihren Kühlkörper auswählen! Ich sage dies aus Erfahrung und teste persönlich Dutzende Arten und Sorten von Schnittstellenmaterial. Ihr Budget, Ihre Anbringungsmethoden und andere Konstruktionsparameter werden Ihre Auswahl wahrscheinlich auf einen bestimmten TIM-Typ beschränken. Beispiel: Für eine Paste muss der Kühlkörper mechanisch befestigt werden, für einen Klebstoff nicht. Einige Materialien sind unordentlich und schwierig zu verwenden, funktionieren aber gut, und einige Materialien sind in ihrer Leistung fast wertlos und können leicht zu verwenden sein oder auch nicht.

Ich würde mit großer Zuversicht sagen, dass die TIM, die Sie verwenden, eine viel größere Rolle spielen kann, als wenn Sie Kupfer oder Aluminium verwenden. Nicht in jedem Fall, aber die Leistungsunterschiede können überraschend sein.

Wenn Sie nach beliebten und gut bewerteten Materialien für CPU / Kühlkörper suchen, haben Sie einige gute Optionen zur Auswahl.

Viel Glück!

Kupfer hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit.

Aluminium - $\mathrm{ 200 \frac {W} {m\cdot K} }$
Kupfer -$\mathrm{ 400 \frac {W} {m\cdot K} }$
(vonhierauchhier)

Die Wärmeleitfähigkeit im festen Material ist jedoch nur ein Teil der Geschichte. Der Rest der Geschichte hängt davon ab, wohin man die Wärme abgeben möchte.

Flüssiges Kühlmittel

Kupferkühlkörper (man kann es auch als Wärmeübertragungsblock bezeichnen) haben eine bessere Leistung als Aluminium.

Luft mit Zwangskonvektion

Mit anderen Worten, auf dem Kühlkörper weht ein Lüfter. Kupferkühlkörper haben eine bessere Leistung als Aluminium.

Luft mit natürlicher Konvektion

Ich habe das Beste zum Schluss gespart. Es sieht auch so aus, als wäre es auch beim OP der Fall.

Bei natürlicher Konvektionsluft leistet der Kupferkühlkörper nur geringfügig ¹ besser (in ° C / W) als Aluminium. Dies liegt daran, dass der Engpass nicht in der Übertragung mit Metall liegt. Wenn Sie Luft mit natürlicher Konvektion haben, besteht der Engpass in der Übertragung zwischen Metall und Luft, und dies gilt auch für Al und Cu.

¹ _{Ich möchte hinzufügen, dass der marginale Anstieg die Kosten für Cu oft nicht wert ist.}

Diese Kurve zeigt die nichtlineare Beziehung zwischen Wärmeübertragung und Wärmeleitfähigkeit des Materials. Die Kurve ist generisch. Sie gilt für jede Anwendung, die sowohl Leitungs- als auch Konvektionskomponenten für den gesamten Wärmeübergang aufweist. [Strahlung ist normalerweise klein und wird bei dieser Berechnung ignoriert.] Die Form der Kurve ist unabhängig von der Anwendung dieselbe. Die quantitativen Werte auf den Achsen werden nicht angezeigt, da sie von der Leistung, der Teilegröße und den Bedingungen der konvektiven Kühlung abhängen. Sie werden für jede gegebene Anwendung und jeden Satz von Bedingungen festgelegt. Aus der Form der Kurve geht hervor, dass die Wärmeübertragung von der Wärmeleitfähigkeit des Materials abhängt, aber es gibt auch einen Punkt, ein Knie in der Kurve, an dem eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit eine vernachlässigbare Verbesserung der Wärmeübertragung bewirkt .
( Quelle , Schwerpunkt Mine NA)

$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$

E2 ist der Kunststoff ( Quelle )

Es ist eine komplexe Frage mit vielen Faktoren. Schauen wir uns einige physikalische Eigenschaften an:

• $\mathrm{W \over m\cdot K}$
  • Kupfer: 400
  • Aluminium: 235
• $\mathrm{J \over cm^3 \cdot K }$
  • Kupfer: 3,45
  • Aluminium: 2,42
• $\mathrm{g \over cm^3}$
  • Kupfer: 8,96
  • Aluminium: 2,7
• $\mathrm V$
  • Kupfer: -0,35
  • Aluminium: -0,95

Was bedeuten diese Eigenschaften? Berücksichtigen Sie für alle folgenden Vergleiche zwei Materialien mit identischer Geometrie.

Durch die höhere Wärmeleitfähigkeit von Kupfer wird die Temperatur über dem Kühlkörper gleichmäßiger. Dies kann vorteilhaft sein, da die Enden des Kühlkörpers wärmer sind (und somit effektiver abstrahlen) und der an der thermischen Last angebrachte Hot Spot kühler ist.

Aufgrund der höheren volumetrischen Wärmekapazität von Kupfer wird eine größere Energiemenge benötigt, um die Temperatur des Kühlkörpers zu erhöhen. Dies bedeutet, dass Kupfer die Wärmebelastung effektiver "glätten" kann. Dies kann bedeuten, dass kurze thermische Belastungsperioden zu einer niedrigeren Spitzentemperatur führen.

Die höhere Dichte von Kupfer macht es offensichtlich schwerer.

Der unterschiedliche Anodenindex der Materialien kann ein Material günstiger machen, wenn galvanische Korrosion ein Problem darstellt. Was günstiger ist, hängt davon ab, welche anderen Metalle mit dem Kühlkörper in Kontakt kommen.

Aufgrund dieser physikalischen Eigenschaften scheint Kupfer in jedem Fall eine überlegene Wärmeleistung zu haben. Aber wie übersetzt sich das in echte Leistung? Wir müssen nicht nur das Kühlkörpermaterial berücksichtigen, sondern auch, wie dieses Material mit der Umgebung interagiert. Die Grenzfläche zwischen dem Kühlkörper und seiner Umgebung (normalerweise Luft) ist sehr bedeutend. Darüber hinaus ist auch die spezielle Geometrie des Kühlkörpers von Bedeutung. Wir müssen all diese Dinge berücksichtigen.

Eine Studie von Michael Haskell zum Vergleich der Auswirkungen verschiedener Kühlkörpermaterialien auf die Kühlleistung führte einige empirische und rechnerische Tests an Aluminium-, Kupfer- und Graphitschaumkühlkörpern mit identischer Geometrie durch. Ich kann die Ergebnisse grob vereinfachen: (und ich werde den Graphitschaumkühlkörper ignorieren)

Für die getestete Geometrie zeigten Aluminium und Kupfer eine sehr ähnliche Leistung, wobei Kupfer nur ein bisschen besser war. Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Bei einem Luftstrom von 1,5 m / s betrug der Wärmewiderstand von Kupfer vom Heizgerät zur Luft 1,637 K / W, während Aluminium 1,677 betrug. Diese Zahlen liegen so nahe beieinander, dass es schwierig wäre, die zusätzlichen Kosten und das Gewicht von Kupfer zu rechtfertigen.

Wenn der Kühlkörper im Vergleich zu dem zu kühlenden Gegenstand groß wird, gewinnt Kupfer aufgrund seiner höheren Wärmeleitfähigkeit einen Vorteil gegenüber Aluminium. Dies liegt daran, dass das Kupfer in der Lage ist, eine gleichmäßigere Wärmeverteilung aufrechtzuerhalten, die Wärme effektiver an die Extremitäten abzuleiten und den gesamten Strahlungsbereich effektiver auszunutzen. Dieselbe Studie führte eine Rechenstudie für einen großen CPU-Kühler durch und berechnete Wärmewiderstände von 0,57 K / W für Kupfer und 0,69 K / W für Aluminium.

Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer ist fast 60% höher als die von Aluminium. Dies bedeutet, dass ein Kupferkühlkörper die Wärme wesentlich wirksamer abführt als ein Aluminiumkühlkörper.

Die Wahl ist ein Kompromiss: Alumimium-Kühlkörper sind billiger und leichter und daher die erste Wahl für allgemeine Zwecke. Wenn Sie jedoch große Wärmemengen auf engstem Raum abführen müssen, ist Kupfer möglicherweise vorzuziehen.

Es ist jedoch nicht möglich, einen absoluten Vergleich zwischen den beiden Materialien vorzunehmen, ohne die spezifische Anwendung und die anderen Einschränkungen der spezifischen Konstruktion zu kennen, an die der Kühlkörper angepasst werden muss.

Es sind andere Faktoren zu beachten (einschließlich der Umgebung, in der der Kühlkörper "leben" muss).

Kupfer kann Wärme besser leiten als Aluminium, jedoch sollte die Wärmekopplung zwischen Wärmequelle und Wärmesenke sowie zwischen Wärmesenke und "Außenwelt" berücksichtigt werden.

Ist der Kühlkörper beispielsweise über kleine Lamellen mit freier Luft verbunden? Oder ist es an eine Art flüssiges Kühlmittel gekoppelt, das in einem Rohr fließt? Ist die Konvektion am Wärmeabfuhrprozess beteiligt oder ist die Wärmestrahlung der Hauptmechanismus (denken Sie an Raumsonden als Extremfall). Ist es wahrscheinlich, dass die Umgebung Korrosion verursacht (Unterwassergeräte; Geräte in einem chemischen Reaktor)? Einige Legierungen sind gegen bestimmte Arten von Korrosion beständiger als andere.

Kupfer hat je nach Legierung eine Wärmeleitfähigkeit zwischen 50% und dem Doppelten von Aluminium. Für eine bestimmte Leistung kann ein Kupferkühlkörper also "halb so groß" sein wie ein Aluminiumkühlkörper.

Kupfer ist jedoch viel teurer als Aluminium und etwas schwieriger herzustellen, so dass die Herstellung teurer ist. In einigen Fällen lohnt sich die geringe Größe zu bezahlen.