¿Disipador de calor de cobre o aluminio?

¡Tienes mucha buena información de los usuarios de arriba! Por favor, considere mi respuesta significativa e importante, complementando los consejos que ya tiene:

¡El material de interfaz térmica (TIM) puede importar mucho y fácilmente incluso más que el material que elija para su disipador térmico! Digo esto por experiencia y personalmente probando docenas de tipos y variedades de material de interfaz. Su presupuesto, métodos de conexión y otros parámetros de diseño probablemente limitarán sus opciones a un tipo específico de TIM. Por ejemplo: una pasta requiere que el disipador térmico se asegure mecánicamente y un adhesivo no. Algunos materiales son desordenados y difíciles de usar, pero funcionan bien y algunas cosas por ahí casi no tienen valor en su rendimiento y pueden o no ser fáciles de usar.

Yo diría con mucha confianza que el TIM que usa puede importar mucho más que si usa cobre o aluminio. No en todos los casos, pero las diferencias de rendimiento pueden ser sorprendentes.

Buscar materiales populares y bien revisados para CPU / heatisinks puede darle algunas buenas opciones para elegir.

¡Buena suerte!

El cobre tiene mejor conductividad térmica.

Aluminio - \ $ \ mathrm {200 \ frac {W} {m \ cdot K}} \ $
Copper - \ $ \ mathrm {400 \ frac {W} {m \ cdot K}} \ $
(de aquí , también aquí )

Pero la conductividad térmica dentro del material sólido es solo una parte de la historia. El resto de la historia depende de dónde se quiere descargar el calor.

Líquido refrigerante

El disipador térmico de cobre (uno también puede llamarlo bloque de transferencia de calor) tendrá un mejor desempeño que el aluminio.

Aire con convección forzada

En otras palabras, hay un ventilador que sopla en el disipador de calor. El disipador térmico de cobre funcionará mejor que el aluminio.

Aire con convección natural

He guardado lo mejor para el final. También parece que es el caso de la O.P. también.

Con aire de convección natural , el disipador de calor de cobre tiene un rendimiento ligeramente superior a ¹ (en ° C / W) que el aluminio. Esto se debe a que el cuello de botella no está en la transferencia dentro del metal. Cuando tiene aire con convección natural, el cuello de botella se encuentra en la transferencia entre el metal y el aire, y es el mismo para Al y Cu.

¹ _{Podría agregar que el aumento marginal a menudo no vale la pena el costo de Cu.}

  

  Estacurvademuestralarelaciónnolinealentrelatransferenciadecalorylaconductividadtérmicadelmaterial.Lacurvaesgenérica.Seaplicaacualquieraplicaciónquetengacomponentesdeconducciónyconvecciónparalatransferenciadecalortotal.[Laradiaciónestípicamentepequeñayseignoraenestecálculo.]Laformadelacurvaeslamismaindependientementedelaaplicación.Losvalorescuantitativosenlosejesnosemuestranporquedependendelapotencia,eltamañodelapiezaylascondicionesdeenfriamientoporconvección.Sevuelvenfijosparacualquieraplicaciónyconjuntodecondiciones.Esobvioporlaformadelacurvaquelatransferenciadecalordependedelaconductividadtérmicadelmaterial,perotambiénhayunpunto,unarodillaenlacurva,dondeelaumentodelaconductividadtérmicaproduceunamejorainsignificanteenlatransferenciadecalor.
  ( fuente , énfasis mío N.A.)

Phil ya ha vinculado un Artículo de ECN que compara aluminio y cobre en aire con convección natural. Aquí hay otro punto de vista: qué pasa si comparamos el aluminio con un material con una conductividad térmica más baja (a diferencia del cobre). Hay una empresa que fabrica plásticos térmicamente conductores. Tiene conductividad \ $ \ mathrm {20 \ frac {W} {m \ cdot K}} \ $ , pero eso es mucho para un plástico. Lo han comparado con el aluminio en el aire con convección natural.

E2eselplástico( fuente )

Es una pregunta compleja, con muchos factores. Veamos algunas propiedades físicas:

• conductividad térmica (\ $ \ mathrm {W \ over m \ cdot K} \ $)
  • cobre: 400
  • aluminio: 235
• capacidad calorífica volumétrica (\ $ \ mathrm {J \ sobre cm ^ 3 \ cdot K} \ $)
  • cobre: 3,45
  • aluminio: 2.42
• densidad (\ $ \ mathrm {g \ sobre cm ^ 3} \ $)
  • cobre: 8.96
  • aluminio: 2.7
• índice anódico (\ $ \ mathrm V \ $)
  • cobre: -0.35
  • aluminio: -0.95

¿Qué significan estas propiedades? Para todas las comparaciones que siguen, considere dos materiales de geometría idéntica.

La mayor conductividad térmica del cobre significa que la temperatura en el disipador térmico será más uniforme. Esto puede ser aventurero ya que las extremidades del disipador de calor serán más cálidas (y por lo tanto se irradiarán de manera más efectiva), y el punto caliente unido a la carga térmica será más frío.

La mayor capacidad de calor volumétrico del cobre significa que se necesitará una mayor cantidad de energía para elevar la temperatura del disipador de calor. Esto significa que el cobre es capaz de "suavizar" la carga térmica de manera más efectiva. Eso podría significar que breves períodos de carga térmica resulten en una temperatura pico más baja.

La mayor densidad del cobre lo hace más pesado, obviamente.

El diferente índice anódico de los materiales puede hacer que un material sea más favorable si corrosión galvánica es una preocupación. Lo que es más favorable dependerá de qué otros metales estén en contacto con el disipador de calor.

Según estas propiedades físicas, el cobre parece tener un rendimiento térmico superior en todos los casos. Pero, ¿cómo se traduce esto al rendimiento real? Debemos tener en cuenta no solo el material del disipador de calor, sino también la forma en que este material interactúa con el entorno ambiental. La interfaz entre el disipador de calor y sus alrededores (aire, generalmente) es muy importante. Además, la geometría particular del disipador térmico también es significativa. Debemos considerar todas estas cosas.

Un estudio realizado por Michael Haskell, Comparando el impacto de diferentes materiales del disipador de calor en el rendimiento de refrigeración realizó algunas pruebas empíricas y computacionales en disipadores de calor de aluminio, cobre y espuma de grafito de geometría idéntica. Puedo simplificar enormemente los hallazgos: (e ignoraré el disipador térmico de espuma de grafito)

Para la geometría particular probada, el aluminio y el cobre tuvieron un rendimiento muy similar, y el cobre fue un poco mejor. Para darle una idea, a un flujo de aire de 1.5 m / s, la resistencia térmica del cobre del calentador al aire era de 1.637 K / W, mientras que el aluminio era de 1.677. Estas cifras son tan cercanas que sería difícil justificar el costo y el peso adicionales del cobre.

A medida que el disipador se vuelve grande en comparación con la cosa que se está enfriando, el cobre gana ventaja sobre el aluminio debido a su mayor conductividad térmica. Esto se debe a que el cobre es capaz de mantener una distribución de calor más uniforme, extrayendo el calor a las extremidades de manera más efectiva y utilizando de manera más efectiva toda el área de radiación. El mismo estudio realizó un estudio computacional para un gran enfriador de CPU y calculó resistencias térmicas de 0.57 K / W para cobre y 0.69 K / W para aluminio.

La conductividad térmica del cobre es casi un 60% más alta que la del aluminio. Esto significa que un disipador de calor de cobre será bastante más eficaz para eliminar el calor que uno de aluminio.

Lo que elija es una cuestión de compromiso: los disipadores de calor de aluminio son más baratos y livianos, y también lo son la primera opción para el diseño de uso general. Sin embargo, donde debe eliminar grandes cantidades de calor en poco espacio, el cobre podría ser preferible.

Sin embargo, no es posible realizar una comparación absoluta entre los dos materiales sin conocer la aplicación específica y las otras restricciones del diseño específico al que se debe adaptar el disipador de calor.

Hay otros factores que se deben tener en cuenta (incluido el entorno en el que el disipador de calor debe "vivir").

El cobre es capaz de conducir el calor mejor que el aluminio, pero se debe considerar el acoplamiento térmico entre la fuente de calor y el disipador de calor, y también entre el disipador de calor y el "mundo exterior".

Por ejemplo, ¿el disipador de calor está acoplado con aire libre a través de aletas pequeñas? ¿O está acoplado a algún tipo de líquido refrigerante que fluye en un tubo? La convección está involucrada en el proceso de remoción de calor, o la radiación de calor es el mecanismo principal (piense en las sondas espaciales, como un caso extremo). ¿Es probable que el ambiente cause corrosión (dispositivos subacuáticos; dispositivos dentro de algún reactor químico)? Algunas aleaciones son más resistentes a ciertos tipos de corrosión que otras.

El cobre tiene aproximadamente entre un 50% y duplica la conductividad térmica del aluminio dependiendo de la aleación, por lo que para un rendimiento dado, un disipador térmico de cobre puede ser "la mitad" del tamaño de un aluminio.

Sin embargo, el cobre es mucho más caro que el aluminio, y algo más difícil de fabricar, por lo que es más costoso producirlo. En algunos casos, vale la pena pagar por el pequeño tamaño.