Влияние теплоемкости материала радиатора на его характеристики

на страницах сайта

www.electrosad.ru

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 tn. 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 tn то его (и радиатора в том числе) температура не снижается ниже некоторой Tост.

Эта постоянная времени

 

tn=R12C12

 

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

Подготовил А.Сорокин

Яндекс.Метрика

<<назад>><<в начало>> <<на главную>>

Попасть прямо в разделы сайта можно здесь:

/Неизвестный процессор/Охлаждение ПК/Электроника для ПК/Linux/Проекты, идеи/Полезные советы/Разное/
/
Карта сайта/Скачать/Ссылки/Обои/Форум/Каталог/

При полном или частичном использовании материалов ссылка на "www.electrosad.ru" обязательна.
Ваши замечания, предложения, вопросы можно отправить автору через 
гостевую книгу или почтой.
.

Copyright © Sorokin A.D.

2002 - 2012