Влияние теплоемкости материала радиатора на его характеристики.

В форумах, публикациях и просто в рассуждениях некоторых читателей часто мелькают рекомендации применять материалы радиаторов охлаждающих систем с максимальной теплоемкостью. Дескать, эти материалы эффективней работают в качестве радиаторов.

 

Попробуем разобраться, насколько важна теплопроводность, когда она важна и насколько она влияет на процессы теплообмена в цепочке "охлаждаемый объект" -> "теплообменник" -> "среда". Причем все это известно и рассматривается во множестве литературы, я только попытаюсь это изложить так чтобы было понятно не специалистам.

Тепловую модель цепи отвода мощности от кристалла процессора (как любого другого тепловыделяющего узла) к окружающей среде можно представить в виде:

Рис.1

Эта цепочка содержит множество последовательно включенных звеньев, но рассмотрим в качестве одного из них радиатор, как нас наиболее интересующий. Для примера за этот узел возьмем ячейку 12 (R₁₂: C₁₂). Из этой схемы видим, что каждая ступень цепочки представляет собой инерционный (интегрирующий) элемент, падение температуры на котором ΔT₂ определяется тепловым сопротивлением R₁₂. Она же имеет и инерционные характеристиками, которые определяются временем прогрева массы радиатора при изменении температуры охлаждаемого объекта. Это показано на рис.2 (Здесь, условно, не рассматривается влияние теплоотдачи)

Рис.2

Если температура процессора (верхний график) при увеличении загрузки за время "A" меняется с начального уровня до максимального, то температура радиатора увеличивается до максимальной только через время t_n. Оно определяется теплоемкостью и массой радиатора и поэтому оно больше времени разогрева процессора. Вы видите, что если интервал между периодами тепловыделения процессора меньше этого времени t_n то его (и радиатора в том числе) температура не снижается ниже некоторой T_ост.

Эта постоянная времени

t_n=R₁₂C₁₂

где: R₁₂ - тепловое сопротивление радиатора град/Вт; С₁₂ - теплоемкость металла радиатора дж/кг град или Вт сек/кг град; t_n - постоянная времени радиатора сек/кг.

Как мы видим размерность постоянной времени сек/кг, что говорит о ее зависимости от массы радиатора. Чем больше масса радиатора и теплоемкости его радиатора тем дольше он разогревается и охлаждается. Это полностью соответствует физическим законам.

Ниже, в таблице1, приведены теплофизические данные металлов.

Удельная теплопроводность, теплоемкость и плотность металлов
Металлы	Теплопроводность, Вт/м К	Теплоемкость, Дж/кг К
Серебро (Ag)	418,7	240
Медь (Cu)	398	385
Алюминий (Al)	238	880
Золото (Au)	322	130
Никель (Ni)	90,1	460
Железо (Fe)	75	457
Магний (Mg)	160	1300
Литий (Li)		4400
Чугун	63	500
Вольфрам (W)	200	127

Таблица 1.

Зависимость постоянной времени от массы радиатора, дает возможность желающему получить большую постоянную времени применением не специального материала с большой теплоемкостью, а просто увеличив массу радиатора.

Посмотрим внимательнее на характеристики металлов применяемых при изготовлении радиаторов в таблице 2.

Удельная теплопроводность, теплоемкость и плотность металлов. Масса радиатора объемом 0,1л, теплоемкость радиатора .
Металлы	Тепло- проводность,Вт/м К	Тепло- емкость,Дж/кг К	Плотность, кг/л	Масса радиатора объемом 0,1л, кг	Энергия необходимая для нагрева на 1°С,дж
Серебро (Ag)	418	240	10,5	1,05	252
Медь (Cu)	398	385	8,94	0,89	377
Алюминий (Al)	238	880	2,6	0,26	228
Золото (Au)	322	130	19,3	1,93	250

Таблица 2.

Из таблицы видим, что лучшим металлом для изготовления радиаторов является медь. Это не открытие, это общеизвестный факт.

Его постоянная времени (для условной ситуации без теплосъема и для объема 0,1л) 171 сек.

Это максимальная постоянная времени. При конвективном теплообмене (принудительном или естественном прохождении через радиатор теплоносителя, например - воздуха) она уменьшается. Причем тем меньше, чем эффективнее теплообмен. Здесь начинает работать теплопроводность.

Любителям высокой теплоемкости надо посмотреть на последний столбец, энергия необходимая для нагрева радиатора одинакового объема на 1 град.С наибольшая тоже у меди (Я бы назвал эту характеристику теплоемкостью радиатора). Это получается за счет большой плотности меди и поэтому большей массы.

Но у меди еще и высокая теплопроводность, что более важно для радиаторов.

Медь лучший материал для радиаторов, а алюминий это только его более дешевая замена.

 

Немаловажный фактор это более высокая средняя температура радиатора с высокой теплоемкостью, это имеет свои положительные и отрицательные стороны.

+ На высоких средних температурах получается более эффективный теплосъем с радиатора больше отводимая мощность.

- Более высокая средняя температура нежелательна для кристалла процессора поскольку ускоряет деградацию p-n переходов и легированных структур полупроводника.

Среднюю температуру понижает эффективная прокачка теплоносителя через радиатор.

 

Литература:

1. И.Ф.Николаевский, Д.В.Игумнов, Параметры и предельные режимы работы транзисторов. Москва, Советское радио,1971г.

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

| Процессор и его недокументированные свойства| Охлаждение ПК |Статьи | Полезные советы | Ссылки | Электроника для ПК |
| Linux | Список литературы по вопросам освещенным на сайте | Проекты, идеи | Обои |