Из какого материала делают радиаторы охлаждения

Если коротко ответить на вопрос, из какого материала делают радиаторы охлаждения, то это прежде всего алюминий (его деформируемые сплавы) и медь. Выбор между ними определяется балансом трёх свойств: теплопроводности, массы и технологичности изготовления. Медь проводит тепло лучше, но тяжелее и сложнее в обработке; алюминий легче, дешевле в производстве и легко формуется в рёбра сложного профиля. Ниже разобраны теплофизические свойства этих металлов, применяемые марки и стандарты, способы изготовления радиаторов (экструзия, штамповка, литьё) и области применения.

Какие материалы применяют

Радиатор охлаждения (теплоотвод, теплоотводящий профиль) отводит тепло от нагретого элемента и рассеивает его в окружающую среду за счёт развитой поверхности рёбер. Поэтому материал радиатора должен прежде всего хорошо проводить тепло — от основания к рёбрам, откуда оно уходит конвекцией и излучением.

Практически весь рынок теплоотводов закрывают два металла:

Серебро обладает ещё более высокой теплопроводностью, но из-за стоимости в серийных теплоотводах не применяется. Поэтому выбор почти всегда сводится к паре алюминий — медь либо к их сочетанию в одной конструкции.

Теплопроводность и сравнение свойств

Главный параметр материала радиатора — коэффициент теплопроводности λ (Вт/(м·К)): чем он выше, тем меньше перепад температуры между основанием и рёбрами при той же геометрии. Значения для чистых металлов приведены ниже (при комнатной температуре, по справочным данным).

У меди теплопроводность примерно в 1,6–1,7 раза выше, чем у чистого алюминия, но и плотность примерно в 3 раза больше.

Роль теплопроводности удобно показать через закон теплопроводности Фурье для плоского слоя: при одной и той же геометрии тепловой поток прямо пропорционален λ.

Теплопроводность сплава всегда ниже, чем у чистого металла: легирующие элементы и примеси рассеивают носители тепла. Поэтому реальная теплопроводность конструкционного алюминиевого сплава ниже справочного значения для химически чистого алюминия, и это нужно учитывать при расчёте.

Алюминий и его сплавы

Алюминий — основной материал для массовых радиаторов. В чистом виде он мягок, поэтому в дело идут деформируемые алюминиевые сплавы, марки которых установлены ГОСТ 4784-2019. Для теплоотводов важны два направления: технически чистый алюминий (марки АД0, АД1) с максимальной теплопроводностью и сплавы системы алюминий-магний-кремний, которые хорошо прессуются.

Сплав АД31 (6063)

Для прессованных радиаторов с рёбрами наиболее характерен сплав АД31 системы Al-Mg-Si (международный аналог по системе обозначений — 6063/6060). Он сочетает хорошую прессуемость со сложным профилем сечения, достаточную прочность после термообработки (закалка и искусственное старение) и приемлемую теплопроводность. Прессованные профили из алюминия и алюминиевых сплавов выпускают по ГОСТ 8617-2018.

Дополнительный плюс алюминия — самопроизвольно образующаяся на воздухе оксидная плёнка, защищающая металл от дальнейшего окисления. Анодирование усиливает этот слой, повышает излучательную способность поверхности (что улучшает теплоотдачу излучением) и придаёт декоративный вид.

Медь

Медь применяют там, где нужно снять большой тепловой поток с малой площади и где масса вторична. Марки меди установлены ГОСТ 859-2014; для теплоотводов и токопроводящих элементов характерна медь высокой чистоты марки М1 (а также М0, М00). Раскисленные фосфором марки (например, М1р) лучше паяются и обрабатываются.

Сильные стороны меди — высокая теплопроводность и способность эффективно отводить тепло от компактных мощных источников. Ограничения тоже существенны:

Масса: почему чаще выбирают алюминий

Хотя медь проводит тепло лучше, в большинстве задач массовый выбор — алюминий. Причина в том, что при принудительном обдуве вентилятором узким местом становится не теплопроводность материала, а теплоотдача с поверхности рёбер в воздух. На этом этапе разница в теплопроводности между медью и алюминием во многом нивелируется, а выигрыш алюминия по массе (примерно втрое легче) и технологичности остаётся.

Поэтому в компьютерной и бытовой технике, светотехнике и многих промышленных применениях алюминий вытесняет медь там, где нет экстремальных удельных тепловых потоков. Медь оставляют для самых теплонагруженных узлов либо комбинируют оба металла.

Способы изготовления

Способ изготовления определяет форму рёбер, плотность их набора и итоговую площадь теплоотдачи. Основные технологии:

Экструзия удобна для алюминия и его пластичных сплавов (например, АД31). Медь прессуется хуже и чаще обрабатывается резанием, штамповкой и пайкой, поэтому медные теплоотводы технологически дороже алюминиевых при сопоставимой геометрии.

Комбинированные и биметаллические решения

Чтобы соединить достоинства обоих металлов, применяют комбинированные конструкции. Самый распространённый приём — медное основание и алюминиевые рёбра: медь быстро принимает тепло от источника и распределяет его, а лёгкие алюминиевые рёбра рассеивают его в воздух.

Близкое решение — тепловые трубки: запаянные медные трубки с рабочей жидкостью переносят тепло от основания к удалённому блоку алюминиевых рёбер за счёт испарения и конденсации. Это позволяет разнести зону нагрева и зону рассеивания, сохранив малую массу конструкции.

Применение по отраслям

Вопросы и ответы