Varför koppar väljs för kylflänsar
Koppar kylflänsar väljs av en dominerande anledning: ingen vanlig teknisk metall flyttar värmen mer effektivt per tvärsnittsenhet. Ren koppar som C11000 har en värmeledningsförmåga på ungefär 385 till 400 W/(mK) vid rumstemperatur, mot ungefär 200 W/(mK) för en typisk extruderad aluminiumlegering som 6063 och runt 100 W/(mK) för vanliga formgjutna{10}}aluminiumlegeringar. Det gapet på två till fyra gånger översätts direkt till en mindre, lättare eller svalare termisk lösning för samma värmebelastning, vilket är anledningen till att koppar är det valda materialet där den termiska budgeten är knapp.
Koppar ger också en andra, mindre uppenbar fördel: dess låga termiska spridningsmotstånd. Där en värmekälla är liten i förhållande till plattytan är flaskhalsen inte fenytan utan basens förmåga att sprida värme i sidled. Hög konduktivitet minskar temperaturskillnaden över basen, så mer av fenområdet deltar faktiskt i kylningen.
Termiska och fysiska egenskaper
| Egendom | Koppar C11000 | Aluminium 6063-T5 | Formgjuten-aluminiumlegering |
|---|---|---|---|
| Värmeledningsförmåga | Cirka 390 W/(mK) | Cirka 200 W/(mK) | Cirka 100 W/(mK) |
| Densitet | 8,96 g/cm3 | 2,70 g/cm3 | 2,65 till 2,70 g/cm3 |
| Specifik värme | 0.385 J/(g.K) | 0.90 J/(g.K) | 0.90 J/(g.K) |
| Koefficient för termisk expansion | Cirka 17,0 um/(mK) | Cirka 23,1 um/(mK) | Cirka 21 till 23 um/(mK) |
| Elektrisk ledningsförmåga | Cirka 100 procent IACS vid glödgning | Cirka 53 procent IACS | Cirka 25 till 30 procent IACS |
Jämförelsen visar också avvägningen-: koppar är ungefär 3,3 gånger så tät som aluminium, så en kopparkylfläns med identisk geometri är tyngre och dyrare per ytenhet. Designpraxis reagerar med att använda koppar sparsamt och intelligent, till exempel som en kopparbas eller en kopparsnigel under en hot spot med aluminiumflänsar bundna ovanpå, så den höga ledningsförmågan distribueras exakt där värmeflödet är högst.
Korrosionsbeständighet och miljöbeteende
Koppar bildar ett stabilt, vidhäftande oxidskikt som bromsar ytterligare attack i normala inomhusatmosfärer, och den motstår sötvatten, havsvatten och många neutrala och milt alkaliska medier mycket bättre än kolstål. Detta gör kopparkylflänsar och koppar-kylrör som är lämpliga för marinelektronik, offshore-skåp, HVAC-kondensatorer och dricksvattensystem, där en stål- eller obehandlad aluminiumdel skulle korrodera snabbt.
Motståndet är inte obegränsat. Koppar angrips av oxiderande syror, ammoniak och ammoniumföreningar och av sulfid-bärande miljöer, och den är känslig för galvanisk korrosion när den kopplas till en mindre ädel metall i närvaro av en elektrolyt. Två designregler följer: undvik direkta aluminium-till-kopparfogar i våt eller salt-belagd användning om inte fogen är isolerad eller pläterad, och specificera en skyddande ytbehandling som nickel, tenn eller silverplätering där delen kommer att utsättas för aggressiv luft.
Tillverkningsvägar och former
Extruderade profiler i C11000 eller C10200 för raka fenor och enkla tvärsektioner, med skavning som används för att höja fendensiteten där extruderingen inte kan nå den önskade fenstigningen.
Bondade och lödda enheter, där kopparflänsar är förenade med en kopparbas eller till ett rör genom lödning eller återflödeslödning för att hålla den termiska vägen oavbruten.
Kopparrörsspolar i C12200, C44300, C68700 och C70600 för vätskekylplattor, kondensorer och värmeväxlare, med legeringen vald efter kylmediets aggressivitet.
Kalldragen och valsad remsa och plåt som kan stansas, vikas eller smidas till värmespridare, ångkammare och skärmdelar.
Maskinbearbetade och skurna block för hög-effektmoduler där ett platt, överlappat gränssnitt och en tjock bas behövs för att hantera ett koncentrerat värmeflöde.
Koppar är också lätt att sammanfoga genom lödning och hårdlödning, leder ström såväl som värmeledning och kan pläteras utan speciell förberedelse, vilket förenklar integreringen av termiska och elektriska funktioner i samma del.
Typiska applikationer
Processor, grafikkort och minneskylning i datorer och servrar, där kopparbaser, värmerör och ångkammare transporterar värme från en liten form till en större fenyta.
Kraftelektronik, inklusive växelriktare, omvandlare, motordrifter och dragmoduler i elfordon, där isolerade substrat är bundna till en kopparbottenplatta.
LED-belysning och lasermoduler, där hög flödestäthet och lång livslängd kräver låga korsningstemperaturer.
Telekommunikationsskåp, basstationsradio och radarenheter som måste hålla sig inom temperaturgränserna under utomhusförhållanden.
Värmeväxlare, kondensorer och förångare i kyl-, HVAC- och kraftverk som använder koppar- eller koppar-legeringar för sin kombination av konduktivitet och korrosionsbeständighet.
Urval och designchecklista
| Designpunkt | Praktisk vägledning |
|---|---|
| Värmeflöde vid källan | Använd koppar där flussmedlet är koncentrerat; aluminiumfenor förblir effektiva där värmen redan sprids |
| Vikt och kostnad | Begränsa koppar till basen, snigeln eller värmeröret och använd aluminium för fenstapeln |
| Materialkvalitet | C11000 för allmän ledning, C10200 där syrehalten måste vara låg för lödning, C12200 och koppar-nickelkvaliteter för rör som transporterar vatten eller havsvatten |
| Gränssnittskvalitet | Ytans planhet och ett kontrollerat lager av termiskt gränssnittsmaterial spelar lika stor roll som metallens ledningsförmåga |
| Korrosion och plätering | Ange nickel-, tenn- eller silverplätering för exponerade eller blandade-metallenheter |
| Sammanfogning | Anpassa tillsatsmetallen och processtemperaturen till kopparns utmatningstemperatur så att basen inte mjuknar för mycket |
FAQ
F: Är koppar bättre än aluminium för kylflänsar?
Koppar leder värme ungefär dubbelt så bra som extruderad aluminium och ungefär fyra gånger så bra som formgjuten-aluminium, men den är ungefär 3,3 gånger tätare och dyrare, så valet beror på värmeflödet och viktbudgeten.
F: Vad är värmeledningsförmågan för en kopparkylfläns?
Ren kopparkvalitet som C11000 når cirka 385 till 400 W/(mK) vid rumstemperatur, en siffra som plätering eller ett förbundet gränssnitt kan minska under drift.
F: Korroderar koppar i kylsystem?
Koppar står emot sötvatten och havsvatten väl och bildar en skyddande oxid, men den angrips av ammoniak, oxiderande syror och sulfidmiljöer och måste isoleras från aluminium vid våt drift.
F: Kan koppar och aluminium användas i samma kylfläns?
Ja, och kombinationen är vanlig, men fogen måste pläteras, isoleras eller hållas torr, annars kommer galvanisk korrosion att angripa aluminiumet vid kontaktpunkten.
F: Vilka kopparkvaliteter används för kylflänsar och kylrör?
C11000 och C10200 för plattor och fenmaterial, och C12200 eller koppar-nickelkvaliteter som C70600 för rör som hanterar vatten, kondensat eller havsvatten.
F: Hur tillverkas ett kylfläns av koppar?
De vanliga vägarna är extrudering och avskalning för flänsprofiler, lödning eller återflödeslödning för sammanfogade sammansättningar och kalldragning eller valsning för remsor, rör och värmespridare.
