Tepelné vlastnosti hliníku: vodivost, roztažnost, přenos tepla a teplotní limity

Proč hliník tak efektivně přenáší teplo

Hliník kombinuje tepelnou vodivost zhruba 235 W/m·K s hustotou pouhých 2,70 g/cm³, a proto dominuje chladičům, jádrům radiátorů a rozvaděčům tepla. Volné elektrony přenášejí většinu energie, zatímco vibrace mřížky neboli fonony zvládají zbytek, takže teplo se šíří pevnou částí místo toho, aby se hromadilo v jednom horkém místě. Měď stále vede lépe při přibližně 401 W/m·K, ale je více než třikrát těžší, takže na základě vodivosti-k-hmotě hliníku uvnitř skříně obvykle vítězí.

Komerčně čisté třídy jako 1050, 1060 a 1100 poskytují nejvyšší vodivost. Legující prvky rozptylují elektrony a stahují číslo dolů, takže níže uvedené hodnoty jsou spíše vodítkem pro dimenzování než náhradou za certifikovaná zkušební data.

Tepelná expanze: Design Driver Nikdo nemůže ignorovat

Lineární koeficient tepelné roztažnosti hliníku je asi 23 × 10^-6na K, blízko dvojnásobku 12 × 10^-6na K konstrukční oceli. Hliníkový díl o tloušťce 1 m tedy naroste zhruba o 0,023 mm na každý 1 stupeň teplotní změny, proto se všude tam, kde je kov konstrukčně použit, objevují dilatační spáry, drážkové otvory pro šrouby a vyhovující lepicí vrstvy. Koeficient patří spíše hliníkové mřížce než temperaci, takže volba slitiny jej sotva posouvá a ověření následuje ASTM E228 push{6}}tyčová dilatometrie.

Tepelné výměníky, žebra a mikrokanálová geometrie

Poměr vodivosti-k-hmotnosti hliníku je zhruba patnáctkrát vyšší než u uhlíkové oceli, a proto jsou z něj vyrobeny HVAC cívky, automobilové chladiče a kondenzátory. Žebra o tloušťce asi 0,1 mm znásobují povrchovou plochu při zanedbatelné hmotnosti a mikrokanálové trubice zvyšují přenos dále tím, že tlačí chladivo mnoha malými paralelními kanály namísto několika velkých.

Fólie a žebra jsou dodávány převážně v 1100, 1200, 3003, 8011 a 8006, přičemž 8011 a 8006 se používají tam, kde je potřeba vyšší pevnost žeber.

Plátovaný pájecí plech nese vrstvu slitiny 4004 nebo 4045, takže jediný průchod pecí spojí kompletní jádro chladiče.

Desková{0}}jádra žeber jsou vhodná pro vzduchem-chlazenou elektroniku a sušičky stlačeného vzduchu-, kde na kompaktnosti záleží více než na jmenovitém tlaku.

Pevnost při vysokých a nízkých teplotách

Čistý hliník se taví asi při 660 stupních a tento strop utváří každé rozhodnutí o vysoké teplotě-. Mez kluzu prudce klesá zhruba nad 150 stupňů a nepřetržitý provoz nad 400 stupňů způsobuje difúzi-mezi zrn, kterou chlazení nemůže zvrátit, zatímco krátká odchylka na 300 stupňů stojí asi polovinu pevnosti při pokojové teplotě pouze do doby, než se součást vrátí do okolní teploty. Kmenem-tvrzené 3003, 3004, 5052 a 5083 vyhovují teplému provozu a na studeném konci získává kov tažnost a vrubovou houževnatost, což staví 5083, 5052 a 6061 do nádrží na zkapalněný-plyn a kryogenních potrubí absorbujících kontrakci s expanzí.

Nátěry, spoje a praktická omezení

Eloxování, lakování a práškové lakování snižují vodivost povrchu, protože vrstva oxidu nebo polymeru izoluje, takže oblasti tepelného rozhraní jsou před dokončením maskovány. Tam, kde se hliník setkává s ocelí nebo mědí ve vlhkém a teplém prostředí, galvanická koroze řídí design a vyžaduje izolované podložky nebo obětovaný povlak. Hliník také toleruje méně vysokých-tepelných cyklů namáhání než slitiny na bázi titanu nebo niklu-, takže cyklované spoje potřebují vyhovující geometrii. Pájení s hliníkovou-silikonovou výplní udržuje teplotu spoje pod rozsahem tavení základního kovu a třecí spoje s mícháním omezují poréznost spojů tlustých -profilů.

Často kladené otázky

Otázka: Jaká je tepelná vodivost hliníku?
Čistý hliník vede při pokojové teplotě asi 235 W/m·K, zatímco běžné slitiny jako 3003, 6061 a 5052 se pohybují mezi zhruba 120 a 195 W/m·K.

Otázka: Je měď lepší tepelný vodič než hliník?
Měď vede asi 401 W/m·K oproti 235 W/m·K pro hliník, ale hliník váží asi třetinu tolik, takže poměr jeho vodivosti-k-hmotnosti je obvykle užitečnější údaj.

Otázka: Jak moc se hliník roztáhne při zahřátí?
Lineární koeficient je asi 23 × 10^-6na K, takže 1 m hliníková tyč naroste zhruba o 0,023 mm na 1 stupeň a asi 0,23 mm při nárůstu o 10 stupňů.

Otázka: Může být hliník použit nad 300 stupňů?
Krátké výkyvy jsou tolerovatelné, protože pevnost ztracená ohřevem se po ochlazení vrací, ale nepřetržitý provoz nad 400 stupňů trvale zhoršuje hranice zrn.

Otázka: Proč jsou hliníková žebra silná jen asi 0,1 mm?
Tenká žebra zvyšují povrchovou plochu na jednotku objemu a zároveň udržují nízkou hmotnost a náklady na materiál a vodivost je dostatečně vysoká, že žebro zůstává po své délce téměř izotermické.