Tubes Enfoncés sur une Face
Tubes en cuivre, aluminium ou acier inoxydable enfoncés d'un côté pour des pertes de puissance élevées. (...)
Conductivité thermique des métaux et matériaux de refroidissement : valeurs, tableau et formule
La conductivité thermique λ détermine la capacité d'un matériau à évacuer la chaleur. Cette vue d'ensemble fournit la définition, la formule et un tableau de valeurs λ pour la technique de refroidissement.
Qu'est-ce que la conductivité thermique ? Définition
La conductivité thermique indique la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Son symbole est λ (lambda), l'unité est le watt par mètre et kelvin, W/(m·K). Une valeur λ élevée signifie un bon transport de chaleur, par exemple le cuivre à environ 400 W/(m·K). Une valeur faible signifie une bonne isolation, par exemple l'air à environ 0,026 W/(m·K).
- Symbole : λ (lambda). Les synonymes courants sont coefficient de conductivité thermique et conductibilité thermique.
- Unité : W/(m·K), soit le flux thermique à travers 1 m d'épaisseur de matériau pour une différence de température de 1 K.
- Règle empirique : une valeur λ élevée signifie un bon conducteur (métaux), une valeur λ faible un bon isolant (air, mousse).
- Distinction : λ est une constante du matériau. Le coefficient de transmission thermique (valeur U) et la résistance thermique dépendent en plus de la géométrie et de l'épaisseur.
Calculer la conductivité thermique : formule et exemple de calcul
La conductivité thermique découle de la loi de Fourier. À partir d'un flux thermique mesuré, λ se détermine ainsi :
λ = (Q̇ · d) / (A · ΔT) - Q̇ : flux thermique [W]
- d : épaisseur du matériau [m]
- A : section traversée [m²]
- ΔT : différence de température [K]
Exemple : une plaque d'aluminium de 10 mm d'épaisseur (λ = 200 W/(m·K)) de 0,01 m² de surface pour une différence de 5 K transmet Q̇ = λ · A · ΔT / d = 200 · 0,01 · 5 / 0,01 = 1000 W.
La résistance thermique d'une couche en découle : R_th = d / (λ · A) en K/W. Contrairement à λ, R_th et la valeur U dépendent en plus de la géométrie et de l'épaisseur.
Tableau de conductivité thermique : valeurs des matériaux importants
Le tableau liste les valeurs λ typiques à environ 20 °C, triées par ordre décroissant et centrées sur les métaux et matériaux de refroidissement. Les valeurs du rapport et les constantes physiques générales sont indiquées.
| Matériau | Conductivité thermique λ (W/(m·K)) | Importance pour le refroidissement |
|---|---|---|
| Argent | ~429 | Conductivité la plus élevée de tous les métaux, trop chère pour la série et donc seulement une valeur de référence. |
| Cuivre (pur) | ~400 (398-401) | Meilleur conducteur thermique utilisable en pratique, idéal pour les points chauds, les inserts en cuivre et les répartiteurs de chaleur. Lourd et coûteux. |
| Alliages de cuivre à haute conductivité (p. ex. CuCrZr, CuAg) | 305-394 | À peine sous le cuivre pur, utilisés là où haute conductivité et résistance mécanique élevée sont nécessaires ensemble. |
| Aluminium (pur) | ~235 | Très bon conducteur pour un faible poids, base de la plupart des dissipateurs. |
| Alliages d'aluminium (dissipateur) | 125-210 (typ. 150-200) | Matériau standard des dissipateurs et plaques froides : léger, économique, extrudable et usinable. |
| Graphite | 130-160 tech. (jusqu'à 2000 dans le plan) | Anisotrope et léger, forte conduction dans le plan pour la répartition de la chaleur. |
| Céramique frittée (AlN, BN) | 100-200 | Conduit la chaleur et isole électriquement en même temps, idéal près des circuits sensibles. Le SiC, en revanche, est un semi-conducteur. |
| Laiton | ~110 (env. 80-120) | Conductivité moyenne, plutôt pour raccords et connexions. Fortement dépendant de l'alliage. |
| Acier (non allié) | ~50 | Nettement mauvais conducteur, utilisé de façon structurelle et non thermique. |
| Cupronickel (CuNi) | ~20-50 | Conductivité nettement plus faible que le cuivre pur, choisi pour sa résistance à la corrosion dans les tubes et les fluides corrosifs. |
| Acier inoxydable (V2A/V4A, austénitique) | ~15-16 | Mauvais conducteur thermique mais très résistant à la corrosion, pour canaux et tubes combinés à un corps de base en aluminium. |
| Pâte/pad thermique (TIM) | ~1-12 | Comble les micro-interstices aux surfaces de contact et abaisse la résistance de contact. Dépend du produit, vérifier la valeur du fabricant. |
| Eau (fluide caloporteur) | ~0,6 | Transporte la chaleur par convection, non par conduction. Référence pour le refroidissement liquide. |
| Air | ~0,026 | Très mauvais conducteur, c'est pourquoi la chaleur doit être évacuée activement. |
Conductivité thermique du cuivre (env. 400 W/(m·K))
- Le cuivre pur conduit à environ 398 à 401 W/(m·K) et est, après l'argent, le meilleur conducteur thermique utilisable en pratique.
- COOLTEC utilise le cuivre de manière ciblée comme insert et répartiteur de chaleur pour désamorcer les points chauds.
- Les inconvénients sont son poids élevé et le coût du matériau, c'est pourquoi le cuivre est le plus souvent utilisé de façon ponctuelle plutôt que sur toute la surface.
Conductivité thermique de l'aluminium (env. 235 W/(m·K))
- L'aluminium pur atteint environ 235 W/(m·K). Les alliages pour dissipateurs se situent entre 125 et 210 W/(m·K) selon l'alliage, typiquement 150 à 200.
- L'aluminium est le matériau standard des dissipateurs et plaques froides : léger, économique, extrudable et facile à usiner.
- L'anodisation protège la surface contre la corrosion sans réduire notablement la conduction thermique.
Cuivre ou aluminium ? Comparaison des matériaux pour dissipateurs
Les deux matériaux dominent la construction de dissipateurs. Le tableau compare les propriétés déterminantes.
| Critère | Cuivre | Aluminium |
|---|---|---|
| Conductivité thermique | ~400 W/(m·K) | ~200 W/(m·K) |
| Poids | élevé (matériau dense) | faible |
| Coût du matériau | plus élevé | plus économique |
| Corrosion | résistant, s'oxyde lentement | très résistant avec une couche anodisée |
| Fabrication | plus exigeant à usiner | facile à usiner et à extruder |
Le cuivre l'emporte en cas de forte densité de chaleur et d'espace restreint, l'aluminium sur le poids et le coût. COOLTEC combine les deux via des inserts en cuivre dans un corps de base en aluminium : une conductivité élevée exactement là où la charge thermique est la plus forte.
Acier inoxydable, laiton et autres matériaux
Même les mauvais conducteurs thermiques ont leur place dans un système de refroidissement lorsque d'autres propriétés comptent.
- L'acier inoxydable (V2A/V4A) ne conduit qu'à environ 15 à 16 W/(m·K), mais il est très résistant à la corrosion et convient aux canaux et tubes véhiculant un fluide.
- Combinés à un corps de base en aluminium, les canaux en acier inoxydable réunissent résistance et évacuation de la chaleur.
- Le laiton et l'acier servent plutôt de matériaux de raccordement et de structure, non à l'évacuation de la chaleur.
- Le graphite conduit jusqu'à 2000 W/(m·K) dans le plan et convient à la répartition de la chaleur. Les céramiques frittées comme AlN et BN conduisent la chaleur et isolent électriquement en même temps, tandis que le SiC est un semi-conducteur.
Conductivité thermique élevée ou faible : laquelle est préférable ?
- Il n'y a pas de bon ou mauvais absolu. L'arbitrage est entre évacuer la chaleur et isoler la chaleur.
- Pour le refroidissement et l'électronique, une valeur λ élevée est souhaitable.
- Pour l'isolation, une valeur λ faible est requise.
- Pour les métaux purs, λ diminue légèrement à mesure que la température augmente. Pour les gaz et les solides amorphes elle augmente, pour les céramiques cristallines elle diminue le plus souvent.
Le bon choix de matériau pour votre refroidissement
En pratique, λ seul ne décide pas, mais l'interaction de plusieurs exigences.
- Outre la conductivité thermique, la résistance à la corrosion, le poids, le coût et la fabricabilité comptent.
- Les matériaux d'interface thermique (TIM) comme la pâte et les pads thermiques comblent les micro-interstices aux surfaces de contact et abaissent la résistance de contact thermique.
- COOLTEC fabrique des plaques froides, des dissipateurs en aluminium extrudé et des solutions à insert en cuivre, et les dimensionne pour votre application.
Calculateurs et thèmes complémentaires
Questions fréquentes sur la conductivité thermique
La conductivité thermique indique la capacité d'un matériau à conduire la chaleur. Son symbole est λ (lambda), l'unité W/(m·K). Les métaux comme le cuivre ont des valeurs élevées (~400 W/(m·K)), les isolants et l'air (~0,026 W/(m·K)) des valeurs très faibles.
L'unité SI est le watt par mètre et kelvin : W/(m·K). Elle décrit le flux thermique à travers 1 m d'épaisseur de matériau pour une différence de température de 1 K. Les synonymes sont coefficient de conductivité thermique ou conductibilité thermique.
L'argent conduit le mieux à ~429 W/(m·K), mais il est trop cher pour la série. En pratique, le cuivre à ~400 W/(m·K) est le meilleur conducteur utilisable, suivi de l'aluminium (~235 W/(m·K)).
Le cuivre pur est à environ 398 à 401 W/(m·K), généralement indiqué à ~400 W/(m·K). Cela fait du cuivre, après l'argent, le meilleur conducteur thermique utilisable en pratique, idéal pour les points chauds, les inserts en cuivre et les répartiteurs de chaleur.
L'aluminium pur atteint ~235 W/(m·K). Les alliages pour dissipateurs se situent entre 125 et 210 W/(m·K) selon l'alliage, typiquement 150 à 200. L'aluminium est le matériau standard des dissipateurs car il est léger, économique et extrudable.
Le cuivre conduit environ deux fois mieux, mais il est plus lourd et plus cher. L'aluminium est plus léger, moins cher et plus simple à fabriquer. En cas de forte densité de chaleur et d'espace restreint, le cuivre l'emporte, sinon l'aluminium. COOLTEC combine les deux via des inserts en cuivre dans un corps de base en aluminium.
Par la formule λ = (Q̇ · d) / (A · ΔT) : flux thermique Q̇ [W] multiplié par l'épaisseur d [m], divisé par la surface A [m²] et la différence de température ΔT [K]. En isolant, Q̇ = λ · A · ΔT / d donne le flux thermique à travers un composant.
Cela dépend de l'objectif : pour le refroidissement et l'électronique une valeur λ élevée est souhaitable, pour l'isolation une valeur faible. Il n'y a pas de bon ou mauvais absolu, ce qui compte est d'évacuer la chaleur ou de l'isoler.
Les éléments d'alliage chrome et nickel perturbent la structure du réseau et gênent le transport des électrons, d'où seulement ~15 à 16 W/(m·K). En contrepartie, l'acier inoxydable est très résistant à la corrosion et convient aux canaux et tubes véhiculant un fluide, souvent combiné à un corps de base en aluminium.
λ est une propriété pure du matériau en W/(m·K). La valeur U en W/(m²·K) décrit un composant entier et dépend en plus de l'épaisseur et de la géométrie. λ est donc la grandeur de base d'où sont dérivées la valeur U et la résistance thermique.
Pour les métaux purs, λ diminue légèrement à mesure que la température augmente. Pour les gaz et les solides amorphes elle augmente, pour les céramiques cristallines elle diminue le plus souvent. Pour le dimensionnement, une valeur de référence à 20 °C suffit donc généralement.
λ est le symbole de la conductivité thermique en W/(m·K). Une valeur λ élevée signifie un bon transport de chaleur (métaux), une valeur faible une bonne isolation. En technique de refroidissement : plus λ du matériau est élevé, meilleure est l'évacuation de la chaleur.
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