مروری کوتاه بر طراحی و ساخت هیت سینک

آخرین به روز رسانی: 09/01;زمان مطالعه: 6 دقیقه

سینک حرارتی

هیت سینک وسیله ای ترمودینامیکی است که گرما را از سیستم های مکانیکی، الکتریکی و الکترونیکی حذف می کند.در دستگاه ها و ماشین های مختلف، برای حفظ عملکرد آن دستگاه یا ماشین، حفظ محدوده دما در یک محدوده خاص ضروری است.در اینجا نقش هیت سینک ها مشخص می شود.به عنوان مثال، ماشین آلات سنگین لپ تاپ شما در صنایع مختلف باید گرمای خود را از بین ببرد.بنابراین فکر کنید که چقدر در دنیای تکنولوژی امروزی مورد استفاده قرار می گیرد.هیت سینک ها با انتقال آن به یک محیط تنظیم شده مانند هوا یا مایع، گرما را از بین می برند و سپس از دستگاه و محیط انتقال خارج می کنند.

این مقاله به اختصار به بررسی خواهد شدکار هیت سینک، مراحل طراحی و رویکردهای ساخت.

کارکردن هیت سینک

قانون فوریه انتقال حرارت، که بیان می کند که گرما همیشه از یک دمای بالا به یک محیط با دمای پایین جریان می یابد، پایه و اساس عملکرد یک هیت سینک را فراهم می کند.در حالی که دستگاه‌ها گرما تولید می‌کنند که گرمتر از هوا یا مایع اطراف است، آن گرما را از طریق رسانش، همرفت یا گاهی اوقات تابش به یک تماس خنک‌تر منتقل می‌کنند.

بیایید به نمودار جریان زیر نگاه کنیم تا تصویر واضحی از عملکرد هیت سینک داشته باشیم.

نمودار جریان برای کار هیت سینک

·   هیت سینک های غیرفعال

هیت سینک های غیرفعال به طور طبیعی گرمای جذب شده را بدون جابجایی نیرو مانند یک فن یا گردش آب در اطراف خود به هوای محیط منتقل می کنند.اینها معمولاً شکل بزرگی دارند و دارای یک آرایه باله ای هستند که در معرض محیط بیرون قرار دارند.

·   هیت سینک فعال

هیت سینک فعال شامل فن یا دمنده اضافی و مایعی است که برای حذف گرما به غیر از روش طبیعی تنظیم شده است.این تنظیم اضافی فرآیند اتلاف گرما را با فرآیند همرفت اجباری افزایش می دهد.به عنوان مثال، هنگامی که فن کار می کند، سرعت هوا را افزایش می دهد و به سرعت گرما را از هیت سینک به محیط اطراف منتقل می کند.

محاسبه مقاومت حرارتی

در طول طراحی یک هیت سینک، محاسبه مقاومت حرارتی کل (R_hs) نقش حیاتی در درک عملکرد و کارایی بالقوه ایفا می کند، بنابراین بیایید ببینیم چگونه می توان آن را محاسبه کرد.

R_hs= (T_j-T_a/پ) - (ر_th-jc) – ر_I

P= کل گرمای دفع شده

T_I= حداکثر دمای اتصال دستگاه در 0C.

R_th-jc= اتصال به کیس مقاومت حرارتی

T_a= دمای هوای محیط در⁰C.

R_I= مقاومت مواد رابط

R_من= (t/L x W x K_I)

t = ضخامت ماده رابط

K_I= رسانایی حرارتی مواد رابط

L = طول منبع گرما

W = عرض منبع گرما

طراحی هیت سینک

مراحل مختلفی در طراحی وجود دارد.بیایید به طور خلاصه به هر یک از آنها نگاهی بیندازیم.

1.          انتخاب مواد

رسانایی حرارتی یکی از ویژگی های ضروری مواد هیت سینک است زیرا امکان انتقال سریع گرما از یک جزء دستگاه گرم شده به سینک و محیط را فراهم می کند.

دو ماده اولیه مورد استفاده برای ساخت سینک های حرارتی مس و آلیاژ آلومینیوم هستند.این به این دلیل است که آنها دارای کیفیت مکانیکی عالی مانند استحکام، مقاومت در برابر خوردگی، دوام و هدایت حرارتی بالا هستند.با این حال، اگرچه الماس بسیار گران است، اما الماس (2000 W/m/k) می‌تواند ماده ایده‌آلی برای هیت سینک در دستگاه‌های الکترونیکی با کارایی بالا و دقیق باشد.

علاوه بر قطعات الکترونیکی، باتری های لیتیوم یونی تولید گرما اتلاف لازم است.در چنین شرایطی، مس یا آلومینیوم ممکن است مواد بهینه برای هیت سینک نباشند.

راه حل صنعت خودرو برای مدیریت گرما، یک ماده فیبر کربن با رسانایی افسانه‌ای است.

2.          چیدمان باله ها و جریان هوا

عامل دیگری که بر عملکرد هیت سینک تأثیر می گذارد، محیط خنک کننده است که به طور قابل توجهی بر میزان اتلاف گرما تأثیر می گذارد.بنابراین، هنگام ساخت یک هیت سینک، شکل، اندازه و آرایش باله‌ها جنبه‌های مهمی هستند که باید در نظر گرفته شوند.استفاده از تکنیک بهینه سازی پارامتریک بهترین گزینه برای یافتن مقادیر پارامتر ایده آل برای مطابقت با محدودیت های اعلام شده و دستیابی به اهداف طراحی است.

• برای بهبود جریان هوا و کاهش مقاومت حرارتی، فضای بین باله ها را بهبود بخشید.

• از آنجایی که سطح بزرگتر باعث افزایش انتقال حرارت و انتقال حرارت می شود و به اتلاف گرما کمک می کند، افزایش ضخامت و ارتفاع را در نظر بگیرید.

• یک لایه مرزی حرارتی کوچک‌تر ایجاد کنید و جهت جریان هوا در یک زاویه ایده‌آل با هیت سینک طراحی شد تا کارایی باله افزایش یابد.

• پس از آماده سازی طرح پره ها با CAD، می توانید سناریوی انتقال حرارت را شبیه سازی کنید تا کارایی آن بهینه شود.

3.          اتصال هیت سینک

نحوه اتصال سینک به المنت حرارتی دستگاه نیز بر عملکرد آن تأثیر می گذارد.بهترین روش اتصال را که نرخ انتقال حرارت را به حداکثر می‌رساند از میان گزینه‌های جداکننده، گیره‌های فنری تخت، اپوکسی و نوار حرارتی انتخاب کنید.

4.          رابط حرارتی

عیوب و زبری سطح هیت سینک به دلیل کاهش سطح تماس حرارتی و فشار رابط در افزایش مقاومت حرارتی نقش دارد.برای غلبه بر این مشکل، مواد رابط حرارتی بهترین انتخاب هستند.استفاده از پلیمرهای مایع، موم، آلومینیوم، گرافیت و نوارها بر روی سطح هیت سینک و المنت حرارتی دستگاه ها مقاومت حرارتی را کاهش می دهد.

5.          شبیه سازی

شبیه سازی طراحی برای مشاهده عملکرد هیت سینک به صورت مجازی قابل توجه است.شبیه سازی کامپیوتری ایده بهبود را می دهد و طراحی را تایید می کند که آیا برای برنامه های مورد نیاز مناسب است یا نه.

فرآیند تولید هیت سینک

پس از شبیه سازی حرارتی طراحی هیت سینک ها، اکنون به تولید تبدیل شده است.بیایید فرآیندهای مختلف تولید را با جزئیات ببینیم.

1.          CNC-Machining

هیت سینک ساخته شده با ماشینکاری CNC

ماشینکاری CNCبهترین روش برای تولید هیت سینک برای اشکال پیچیده است.این رویکرد انعطاف پذیری زیادی به طراحان می دهد.یک بلوک کامل فلزی برای ایجاد سینک استفاده می شود که در آن پره های مورد نیاز با دستگاه های CNC بریده شده و از پایه بلوک خم می شوند.با این حال، روشی زمان بر و پرهزینه است.

2.          اکستروژن

یکی از رایج ترین فرآیندهای تولید هیت سینک می باشداکستروژنکه شامل فشار دادن بیلت های داغ از مواد انعطاف پذیر به قالب فولادی با استحکام بالا برای ایجاد پره های صفحه ای است.آنها برای اکثر برنامه های خنک کننده شامل هیت سینک های آلومینیومی استفاده می شوند.البته آلومینیوم پرکاربردترین ماده برای تولید هیت سینک است.

هیت سینک ساخته شده با اکستروژن 

این یک روش ارزان و ساده است.هیت سینک ها را می توان در محیط های مختلف عملیاتی استفاده کرد.اما به دلیل حداکثر محدودیت عرض اکستروژن، نمی توان آن را با هیت سینک هایی که باله های پهن دارند استفاده کرد.

3.          ریخته گری

هیت سینک ساخته شده با ریخته گری

درریخته گریاز هیت سینک،آلومینیوممس یا روی مواد رایج هستند.در این فرآیند ابتدا شمش های مواد انتخابی ذوب شده و با مقداری فشار به داخل قالب هیت سینک تزریق می شود.پس از اینکه ماده مایع تزریق شده در قالب جامد شد، آزاد می شود و حداقل ماشینکاری بیشتر برای از بین بردن هرگونه نقص سطح انجام می شود.بهتر است اشکال پیچیده را با دقت بالایی بدست آورید.

4.          آهنگری سرد

سینک حرارتی ساخته شده با آهنگری سرد

این یکی دیگر از روش های ساخت با دقت بالا برای هیت سینک های مناسب برای آلومینیوم و آلیاژهای آن است.اگرچه برای مس و برنز نیز قابل استفاده است.آهنگری سرد از فشار شدید استفاده می کند و شکل فلز را در دمای اتاق تغییر شکل می دهد تا پین های گرد و بیضوی برای هیت سینک ایجاد شود.علاوه بر این، از آن برای تولید پره هایی با چگالی بالا استفاده می شود که باعث افزایش انتقال حرارت در شرایط جریان هوا با سرعت بالا می شود.

5.          پرینت سه بعدی

هیت سینک پرینت سه بعدی

توسعه چاپ سه بعدی به عنوان روشی برای تولید هیت سینک ناشی از پیشرفت تکنولوژی است.فناوری های همجوشی بستر پودری و رسوب انرژی هدایت شده دو روش محبوب در چاپ سینک حرارتی هستند.

6.          مهر زدن

سینک حرارتی ساخته شده با مهر زنی سرد 

رامهر زدناین روش در مواردی استفاده می شود که نیاز به ساخت لوله های حرارتی در داخل پره ها باشد.سپس با فشار دادن نوارهای فلزی، باله ها تولید می شوند.در مواردی که از فناوری مهر زنی با سرعت بالا استفاده می شود، به ویژه برای تولید انبوه موثر است.با این حال، قیمت بالا است.

نتیجه

سینک های حرارتی در دستگاه های مکانیکی، الکتریکی و الکترونیکی ضروری هستند.در این مقاله، من روند طراحی دقیق و ساخت با تمرکز بر دستگاه های الکترونیکی را مرور کرده ام.طراحی هیت سینک ها به شدت بر میزان اتلاف گرما تأثیر می گذارد، بنابراین هر مرحله طراحی برای بهینه سازی عملکرد بسیار مهم است.علاوه بر این، شبیه سازی حرارتی پس از طراحی به درک سناریوی کاری عملی و بهبود طراحی کمک می کند.

در اینجا در ProleanHub، ما طراحانی با بیش از یک دهه تجربه و واحدهای تولیدی پیشرفته داریم.ما خدمات طراحی و ساخت هیت سینک درجه یک را ارائه می دهیم.علاوه بر این، مهندسان مکانیک ما طراحی را برای بهبود عملکرد و عملکرد شبیه‌سازی می‌کنند.در نهایت، بخش کنترل کیفیت ما بر هر مرحله تولید نظارت می‌کند، بنابراین مجبور نیستید کیفیت خدمات ما را به خطر بیندازید، اگر به تولید هیت سینک نیاز دارید، فقطبا ما تماس بگیرید.

سوالات متداول

چگونه می توانم کارایی هیت سینک ها را افزایش دهم؟

راندمان را می توان به روش های مختلفی افزایش داد، از جمله کاهش مقاومت در برابر حرارت، بهینه سازی اندازه، شکل و آرایش باله، و بهبود رابط باله.

بهترین ماده برای هیت سینک چیست؟

بهترین مواد برای هیت سینک ها مس و آلیاژهای آلومینیوم هستند.با این حال، باز هم، نرخ انتقال حرارت به طراحی هیت سینک بستگی دارد.

هیت سینک چگونه کار می کند؟

هیت سینک ها از مواد رسانایی حرارتی بالا مانند مس و آلومینیوم با پره ساخته می شوند.به اجزای گرم شده متصل می شود و گرما را جذب می کند.سپس گرمای جذب شده از طریق رسانایی، همرفت یا تابش در محیط اطراف پخش می شود.

مراحل طراحی هیت سینک چیست؟

در اینجا مراحل وجود دارد؛

1. انتخاب مواد
2. تثبیت شکل، اندازه و چینش باله ها
3. تعمیر ضمیمه (هیت سینک و جزء دستگاه)
4. رابط حرارتی باله ها
5. شبیه سازی حرارتی طراحی CAD

روش های رایج تولید برای هیت سینک چیست؟

ماشینکاری CNC، ریخته گری، آهنگری، مهر زنی و چاپ سه بعدی رویکردهای رایج هستند.