銅またはアルミニウムのヒートシンク？

銅またはアルミニウムを購入するのに最適なヒートシンクは何でしょうか？銅はアルミニウムとは何が違うのですか？私はそれがより高価で重いことを知っているので、銅の利点は何ですか？

編集：アプリケーションの詳細。TEGペルチェモジュール用のヒートシンクが必要です。動力源は、高温側から来る手の熱だけです。ペルチェの両側を中和しないように、ヒートシンクを使用して反対側を冷却しています。したがって、ペルチェがより長い電圧を生成できるように、最も強力なヒートシンクが必要です。

上記のユーザーから多くの良い情報があります！私の答えは、あなたがすでに持っているアドバイスを補足するものであり、重要であると考えてください。

サーマルインターフェースマテリアル（TIM）は、ヒートシンク用に選択したマテリアルよりもはるかに重要です。私はこれを、経験と何十種類ものインターフェース素材の個人的なテストから言っています。予算、取り付け方法、その他の設計パラメータは、おそらく特定の種類のTIMの選択を絞り込みます。たとえば、ペーストではヒートシンクを機械的に固定する必要がありますが、接着剤では必要ありません。いくつかの材料は乱雑で使いにくいですが、うまく機能し、そこにあるものはそのパフォーマンスにほとんど価値がなく、使いやすいかもしれません。

使用するTIMは、銅やアルミニウムを使用する場合よりも簡単に重要になる可能性が高いと確信しています。すべての場合においてではありませんが、パフォーマンスの違いは驚くべきものです。

CPU /ヒートシンクに関する人気のあるよくレビューされた資料を探すと、いくつかの良い選択肢が得られます。

幸運を！

銅の熱伝導率が向上しています。

アルミニウム$\mathrm{ 200 \frac {W} {m\cdot K} }$
銅-$\mathrm{ 400 \frac {W} {m\cdot K} }$
（からここでも、ここに）

しかし、固体材料内の熱伝導率は物語の一部にすぎません。ストーリーの残りは、熱をどこに捨てたいかによって異なります。

液体クーラント

銅製ヒートシンク（熱伝達ブロックとも呼ばれます）は、アルミニウムよりも優れた性能を発揮します。

強制対流のある空気

言い換えると、ヒートシンクにファンが吹いています。銅製ヒートシンクは、アルミニウムよりも優れた性能を発揮します。

自然対流のある空気

最後にベストを保存しました。また、OPの場合も同様です。

自然対流空気、銅ヒートシンクはわずか行う¹アルミニウムより（℃/ W）でより良いです。これは、ボトルネックが金属を除去する転送にないためです。自然対流の空気がある場合、ボトルネックは金属と空気の間の移動にあり、AlとCuでも同じです。

¹ _{わずかな増加はCuのコストに見合わないことが多いと付け加えます。}

この曲線は、熱伝達と材料の熱伝導率の非線形関係を示しています。曲線は一般的です。これは、総熱伝達に対する伝導成分と対流成分の両方を持つすべてのアプリケーションに適用されます。[放射は通常小さく、この計算では無視されます。]曲線の形状は、アプリケーションに関係なく同じです。軸上の定量値は、電力、部品サイズ、および対流冷却条件に依存するため、表示されません。これらは、特定のアプリケーションおよび一連の条件に対して修正されます。曲線の形状から明らかなように、熱伝達は材料の熱伝導率に依存しますが、熱伝導率の増加が熱伝達の無視できる改善をもたらすポイント、曲線の膝もあります。
（ソース、強調鉱山NA）

フィルは、空気中のアルミニウムと銅を自然対流と比較するECNの記事をすでにリンクしています。ここで別の考え方があります：アルミニウムを熱伝導率の低い材料（銅とは異なります）と比較したらどうでしょう。熱伝導性プラスチックを製造している会社があります。それは持っている$\mathrm{20 \frac {W} {m\cdot K} }$ 導電率は、それはプラスチックのためにたくさんあります。彼らは、空気中のアルミニウムに対して自然対流でそれをベンチマークしました。

E2はプラスチック（ソース）

それは複雑な質問であり、多くの要因があります。いくつかの物理的特性を見てみましょう。

• $\mathrm{W \over m\cdot K}$
  • 銅：400
  • アルミニウム：235
• $\mathrm{J \over cm^3 \cdot K }$
  • 銅：3.45
  • アルミニウム：2.42
• $\mathrm{g \over cm^3}$
  • 銅：8.96
  • アルミニウム：2.7
• $\mathrm V$
  • 銅：-0.35
  • アルミニウム：-0.95

これらのプロパティはどういう意味ですか？以降のすべての比較では、同一のジオメトリの2つの材料を検討します。

銅の高い熱伝導率は、ヒートシンク全体の温度がより均一になることを意味します。これは、ヒートシンクの先端がより暖かくなり（したがって、より効果的に放射する）、熱負荷に接続されたホットスポットがより低温になるため、有利です。

銅のより高い体積熱容量は、ヒートシンクの温度を上げるためにより多くのエネルギーを必要とすることを意味します。これは、銅が熱負荷をより効果的に「平滑化」できることを意味します。つまり、熱負荷が短時間続くとピーク温度が低くなる可能性があります。

銅の密度が高いほど、明らかに重くなります。

電解腐食が懸念される場合、材料の異なる陽極指数により、1つの材料がより有利になる可能性があります。どちらがより好ましいかは、他の金属がヒートシンクと接触していることに依存します。

これらの物理的特性に基づいて、銅はどの場合でも優れた熱性能を持っているように思われます。しかし、これは実際のパフォーマンスにどのように変換されますか？ヒートシンク材料だけでなく、この材料が周囲環境とどのように相互作用するかを考慮する必要があります。ヒートシンクとその周囲（通常は空気）の間のインターフェースは非常に重要です。さらに、ヒートシンクの特定の形状も重要です。これらすべてを考慮する必要があります。

Michael Haskellによる、異なるヒートシンク材料が冷却性能に与える影響の比較研究では、同一形状のアルミニウム、銅、およびグラファイトのフォームヒートシンクに関するいくつかの経験的および計算的なテストが行​​われました。調査結果を大幅に簡素化できます：（そして、グラファイトフォームヒートシンクは無視します）

テストした特定のジオメトリでは、アルミニウムと銅のパフォーマンスは非常によく似ていて、銅の方が少しだけ優れていました。考えてみると、1.5 m / sの気流では、ヒーターから空気までの銅の熱抵抗は1.637 K / Wで、アルミニウムは1.677でした。これらの数値は非常に近いため、銅の追加コストと重量を正当化することは困難です。

ヒートシンクが冷却対象物と比較して大きくなると、銅は熱伝導率が高いため、アルミニウムよりも優位になります。これは、銅がより均一な熱分布を維持し、より効果的に四肢に熱を放出し、放射領域全体をより効果的に利用できるためです。同じ研究では、大型のCPUクーラーについて計算研究を行い、銅については0.57 K / W、アルミニウムについては0.69 K / Wの熱抵抗を計算しました。

銅の熱伝導率は、アルミニウムの熱伝導率よりもほぼ60％高くなっています。つまり、銅製のヒートシンクは、アルミニウム製のヒートシンクよりも熱を除去するのに非常に効果的です。

どちらを選択するかは妥協の問題です。アルミニウムヒートシンクは安価で軽量であるため、汎用設計の最初の選択肢です。ただし、小さなスペースで大量の熱を除去する必要がある場合は、銅が望ましい場合があります。

ただし、特定の用途と、ヒートシンクを適合させる必要のある特定の設計の他の制約を知らずに、2つの材料を絶対的に比較することはできません。

留意すべき他の要素があります（ヒートシンクが「住む」環境を含む）。

銅ができる行うより良いアルミニウムより熱が、熱源とヒートシンクの間の熱的結合、およびまたヒートシンクと「外界」との間に考慮されるべきです。

たとえば、ヒートシンクは小さなフィンを通して自由空気と結合していますか？または、チューブ内を流れるある種の液体冷却剤と結合していますか？対流は熱除去プロセスに関係するか、熱放射が主なメカニズムです（極端な場合として、宇宙探査機を考えてください）。環境は腐食を引き起こす可能性がありますか（水中デバイス、一部の化学反応器内のデバイス）？一部の合金は、特定のタイプの腐食に対して他の合金よりも耐性があります。

銅は、合金にもよりますが、アルミニウムの熱伝導率の約50％から2倍の間であるため、銅製ヒートシンクはアルミニウム製のものの「半分」のサイズになります。

ただし、銅はアルミニウムよりもはるかに高価であり、製造がやや困難であるため、製造するのによりコストがかかります。場合によっては、小さいサイズで支払う価値があります。