هیت سینک چیست ؟
هیت سینک یا همان HEATSINK از دو کلمه HEAT به معنی حرارت و SINK که در اینجا به معنی پایین آورنده هست ، تشکیل شده . در داخل کشور عزیزمون هیت سینک رو به عناوین دیگه مثل رادیاتور هم می شناسند . به نظر بنده خنک کننده میتونه معادل فارسی مناسبی برای هیت سینک باشه.
بطور کلی هیت سینک به دلیل متریال یا همون جنسی که داره باید ویژگی هایی داشته باشه که بارزترین این ویژگی ها همون خاصیت خنک کنندگی یا دفع حرارته . در کل میشه اینطور عنوان کرد که هیت سینک در کنار هر منبع حرارتی که قرار بگیره به شرط مچ شدن یا اتصال مناسب با اون منبع ، میتونه حرارت تولید شده رو از منبع بگیره ، جذب بدنه خودش بکنه و با توجه به شکلی که داره و تعاملی که با هوای جاری یا حتی مایعاتی مثل آب برقرار میکنه این حرارت رو از سیستم خارج کنه .همونطور که میدونید حرارت مخصوصا اگه زیاد باشه بعنوان یه عامل مخرب در قطعات و سیستمهای برقی و الکترونیک به حساب میاد و موجب اصطحلاک بالای دستگاه و اجزای اون میشه .
این حرارت ناخواسته حتی ممکنه باعث سوختن یک قطعه از دستگاهمون بشه که با سوختن اون قطعه احتمالا تمام دستگاهمون از کار میافته . قطعات زیادی در دستگاه های مختلف الکتریکی ، الکترونیکی و مخابراتی و روشنایی استفاده میشن که در اثر فعالیت تولید حرارت میکنن . قطعاتی مثل انواع ترانزیستورها ، تریستور ها ، دیود ها و همینطور ال ای دی LED وجود دارن که اگه حرارت تولید شده در اونها رو بطور مناسب و مستمر دفع نکنیم باعث کم شدن عمر مفید اونها میشه .
دلایل استفاده از هیت سینک :
یه مثال راجع به ترانزیستور براتون میزنم . فرض کنید میخاهید یک منبع ولتاژ ثابت طراحی کنید که مثلا ولتاژ 20 رو به 5 تبدیل کنه و بتونه 5 آمپر جریان در خروجی ایجاد کنه . خوب باید اول از همه میزان توان تلفاتی رو در این مثال محاسبه کنیم . اختلاف ولتاژ ورودی و خروجیمون 15 هست ، که اگه این عدد رو در 5 آمپر جریان خروجی ضرب کنیم نتیجه عدد 75 وات بدست میاد که توان تلفاتی رو برامون مشخص میکنه. خوب حالا میریم و از روی کاتالوگ ترانزیستور ها که ما لینک دانلودش رو هم در اخر مطلب براتون گذاشتیم یه بررسی ساده میکنیم و مثلا ترانزیستور 2N3055 معروف رو که توان تلفات قابل تحملش تو کاتالوگ 115 اعلام شده رو انتخاب میکنیم و با خیال راحت و بدون هیچ نگرانی ازش استفاده میکنیم . اما چیزی طول نمیکشه که ترانزیستورمون میسوزه . چرا ؟
چون توان حرارتی این ترانزیستور در دمای 25 درجه 115 وات هست . وقتی دما بالاتر از 25 درجه میره توان توان تلفاتی پایین میادکه این امر باعث سوختن ترانزیستور شده . اگه شما نتونید دمای ترانزیستورتونو کمتر یا مساوی 25 درجه نگه دارید خیلی سریع ترازیستورتونو از دست میدید . برای پاین نگه داشتن دما راه های مختلفی هست که ارزانترین و مطمئن ترین روش استفاده از هیت سینکه . مثال ساده ای بود ولی فکر کنم منو به هدفم رسوند و هممون متوجه شدیم که هیت سینک چقدر اهمیت داره .
جنس هیت سینک :
هیت سینک رو از مواد مختلفی میسازن . بستگی داره به میزان توان حرارتی که از هیت سینک انتظار دارن و هزینه ای که میخان واسه تهیه هیت سینک بپردازند . فلزات هادی خوبی برای حرارت و الکتریسته هستن . ولی ما از هر فلزی نمیتونیم بعنوان هیت سینک استفاده کنیم .
طلا بهترین متریال رو برای دفع حرارت داره ولی خوب خیلی گرونه . شاید فقط در صنعت هوا فضا ازش استفاده بشه . مس هم خیلی هدایتگر مناسبی برای حرارته ولی خوب مس هم گرونه خیلی هم سنگینه . سنگین بودن مس ، به دلیل چگالی بالایی که داره ، میتونه یه نقطه ضعف تو ساخت هیت سینک براش به حساب بیاد .
امروزه در تمام دنیا از فلز آلومینیوم با عدد اتمی 13 در ساخت هیت سینک استفاده میشه . آلومینیوم فلزیه که هم نسبتا ارزونه ، هم تقریبا همه جا به وفور یافت میشه ، سبکه و خیلی راحت میشه با آلیاژهای دیگه ترکیبش کرد و بهش شکل داد .
در مورد آلومینیوم (AL) جالب است بدانیم که :
- آلومينيوم داراي چگالي حدود 2.7 گرم بر سانتي متر مکعب ، يعني حدود يک سوم چگالي فولاد میباشد .
- آلومينيوم در صنعت بوسيله الکتروليز اکسيد آلومينيوم مذاب تهيه مي‌شود ، براي جداسازي آلومينيوم از سود سوزآوراستفاده مي‌کنند .
- استحکام آلياژهاي آلومينيوم را نيز مي توان با انتخاب آلياژ مناسب و گاه با انجام عمليات حرارتي خاص به حد استحکام فولاد رساند .
- آلومينيوم در دمای 650 درجه سانتي گراد ذوب مي شود که تا رسيدن به اين دما به زمان نسبتاً زيادي نياز است .
- آلومينيوم در حين گرم شدن و حتي ذوب شدن هيچ نوع گاز و دود خطرناک و سمي توليد نمي کند .
- آلومينيوم رطوبت را جذب نمي کند ، متورم نمي شود ، ترک نمي خورد ، شکافته و پاره نمي شود ، منقبض نمي شود و قابل فاسد شدن نيست .
- آلومينيوم در مقابل اشعه ماوراء بنفش به هيچ گونه پوششي نياز ندارد .
- یکي ديگر از خواص فوق العاده آلومبنبوم مقاومت به خوردگيه. اکسيد طبيعي که همواره در سطح آلومينيوم وجود دارد مانع و سد بزرگي در برابر انواع مواد خورنده محسوب مي شود .
- آلومينيوم فلزي است که آندايز مي شود، يعني آلومينيوم به عنوان آند قرار گرفته با اعمال جريان الکتريکي ، يک لايه اکسيد بر سطح آن ايجاد مي کنند که ضخامت اين لايه بيشتر از لايه اکسيد طبيعي است و در ضمن به آلومينيوم قابليت رنگ پذيري مي دهد .
- طي پروسه آندايزينگ مي توان آلومينيوم را به رنگهاي زيبايي در آورد و به آن زيبايي و استحکام بخشيد ، در نتيجه طرحي زيبا و جذاب توليد مي شود که سطح آن به آساني با آب گرم قابل شتشو است و نياز به هيچ تميزکاري و نگهداري ندارد و به طور طبيعي مقاوم به خوردگي است .
- جالبه است بدانید که : روشهاي آبکاري آلومينيوم به اين مفهوم است که با استفاده از يک فرايند کاتدي بتوان يک فلز ديگر مانند مس ، قلع ، نيکل ، نقره ، طلا و … را روي آلومينيوم ترسيب کرد تا خواص جديد به فلز پايه داد مانند افزايش هدايت الکتريکي ، خاصيت لحيم پذيري ، مقاومت به خوردگي ، مقاومت به سايش و …
موسسه صنعتی هیتالوم سالهاست که بعنوان اولین تولید کننده هیت سینک در داخل کشور فلز آلومینیوم رو بعنوان متریال مناسب جهت ساخت هیت سینک به کار گرفته و طی قریب به 20 سال فعالیت مستمر تونسته غالب بر 150 کیس اکسترود از این فلز جهت استفاده بعنوان هیت سینک در صنایع مختلف تولید کنه .
اشاره شد که به غیر از ارزان و در دسترس بودن ، ویژگی شکل پذیری آسان رو هم به خصوصیات آلومینیوم اضافه کنیم . واسه بالا بردن توان دفع حرارت هیت سینک متخصصین در سراسر دنیا سعی کردن با طراحی اشکالی که بتونن تعامل مناسبی با هوا داشته باشن ، دمای هیت سینک رو از طریق برخورد هوا یا مایعات خنک با سطح هیت سینک پایین بیارن . واسه رسیدن به این هدف باید هیت سینک رو تا جای ممکن در طرح هایی با سطح تماس زیاد تولید کنن . به زبان ساده تر هیت سینک هارو با تعداد پره های زیاد و البته بلند طراحی میکنن و حتی روی پره هارو هم تا حد امکان بصورت آج دار تولید میکنن تا با افزایش سطح تماس هیت سینک با هوا بتونن دمای اون روپایین نگه دارن .
در بعضی هیت سینک ها سعی شده فضایی ایجاد بشه تا این امکان رو به هیت سینک بده که روش یک فن فشار مثبت یا منفی جهت ایجاد جریان هوایی منظم و مداوم ، به منظور کاهش دمای هیت سینک نصب بشه . مثل شکل زیر که مربوط میشه به کد 39HS موسسه صنعتی هیتالوم . روی این پروفیل فن 8*8 نصب شده .
نمونه های دیگه ای که این قابلیت رو دارن هم در هیتالوم طراحی و ساخته شده . میتونید به محصولات و کدهای HS39 , HS47 , HS82 , HS88 , HS98-8 , HS95-12 , HS114 , HS115 , HS137 مراجعه کنید .
بعضی از هیت سینک ها هم برای خنک شدن از مایعاتی مثل آب کمک میگیرن . واسه رسیدن به این منظور باید در ساخت قالب به ایجاد کانالهایی جهت عبور جریان آب دقت کرد . نمونه ای از این دست هیت سینک ها کد HS47 است . که در شکل زیر این هیت سینک رو میبینید که هم فابلیت رادیاتور شدن رو داره و هم قابلیت نصب فن 12*12 . این دست هیت سینک ها به هیت سینک آب سردی هم معروفن .
روشهای ساخت هیت سینک :
قبل از ساخت دستگاه های مدرن برای تولید هیت سینک در سطح صنعتی و تولید انبوه ، تولید کنندگاه دستگاه های مختلف اگر در مراحل ساخت دستگاهشون نیاز به وجود هیت سینک رو احساس میکردن ، بصورت دستی یک فلز مثل مس یا آلومینیوم رو که بیشتر از ورق یا شمش این فلزات بود انتخاب میکردن و شکل خیلی ساده از هیت سینک رو طراحی میکردن . در اینجا فقط ویژگی دفع حرارتی خود فلز بود که نقش خنک کننده رو بازی میکرد . و از کانال های هوایی یا آبی برای خنک کردن هیت سینک استفاده نمیشد.
با گذشت زمان و پیشرفت صنعت روش های جدیدی جهت ساخت پروفیل در اشکال مختلف بوجود اومد . روش هایی مثل دایکاست و اکستروژن یا همون اکسترود که بهش اینجکشن هم گفته میشد .
-
فرایند دایکاست :
در روش دایکاست با ساخت یک قالب در ابعاد دقیق و طبق نقشه مورد نیاز جهت هیت ، سینک مثل روش های ریخته گری عمل میکنند . فلز آلومینیوم را تا حد ذوب حرارت داده و داخل قالب میریزند . این فرایند تحت فشار پمپ ها یا پرس های هیدرولیکی انجام میپذیرد .
در سطح وسیع بهترین روش ، اکسترود Extrude است . در این روش میتوان پروفیل را در طول 3 تا 9 متر یا حتی بلند تر تولید کرد . و در مراحل بعد با استفاده از دستگاه های مختلف پروفیل را به اندازه دلخواه برش داد .
-
فرایند اکسترود :
شکل دادن فلزاتی از قبیل آلومینیوم فرآیند مشخصی است که بوسیله نیروی هیدرولیکی بیلت با فشار وارد قالب می گردد و به عنوان محصولات اکسترودی در شکلهای متفاوت از قالب خارج می گردد.
پرسهای اکستروژن در اندازه های معینی ساخته می شوند و اندازه آنها ارتباط مستقیم با اندازه شمشی یا بیلتی دارد که باید اکسترود شود.
در این روش بیلت ابتدا وارد کوره میشود و به دمای تقریبی 450 درجه سانتیگراد ( بین 426 تا 496 درجه سانتیگراد ) میرسد . بعد بیلت حرارت یافته را به داخل رام هدایت میکنند و به روغن آغشته میسازند تا در هنگام عبور از قالب به آن نچسبد و باعث شکستن قالب نشود روغن همچنین نقش روان کننده را نیز بازی میکند.
ناگفته نماند که جنس قالب از فولاد میباشد که معمولا با کیفیت ترین فولاد را جهت ساخت قالب به کار میگیرند .
سپس رام بیلت را وارد کانتینر میکند. فشار ادامه پیدا میکند تا بیلت از داخل قالب گذشته و شکل قالب را به خود بگیرد . اصولا باید در هنگام اکسترود نیتروژن مایع از اطراف قالب عبور داده میشود که موجب افزایش طول عمر قالب میشود. حرارت خروجی اکستروژن با توجه به آلیاژ آن متفاوت است بعنوان مثال حرارت مناسب جهت آلیاژ 6063 برابر حداقل 498 درجه سانتیگراد است . هنگامی که طول پروفیل اکسترود شده به اندازه دلخواه رسید پروفیل بریده میشود . محصول برش خورده به میز خنک کننده منتقل میشود . بعد از خنک شدن محصولات ، آنها را به روی میز مخصوصی(استریج) هدایت می کنند تا در این مرحله آنها تابگیری شوند . این عمل باعث می شود که پروفیلها به صورت صاف و یکنواخت و طبق استاندارد های مورد نظر در آیند .
قسمتهای تشکیل دهنده پرس یا دستگاه اکستروژن :
*. دستگاه پرس اکستروژن از دو قسمت اصلی جلویی و عقبی تشکیل شده که بوسیله چهار میله نگهدارنده این دو قسمت را به همدیگر متصل می کند. اجزای تشکیل دهنده پرس به شرح زیر می باشد :
*. سیلندر اصلی(Main cylinder) : محفظه و سیلندر پرس که روغن هیدرولیکی پمپ شده و باعث ایجاد فشار و پیشروی رام می شود.
فشار هیدرولیکی (Hydraulic pressure): فشار هیدرولیکی توسط پمپ هیرولیکی ایجاد شده و بر حسب نیوتون بر متر مربع اندازه گیری می شود .
*. رام (چکش میله ای Ram) : یک میله فولادی می باشد که به سیلندر اصلی متصل شده و به وسیله بلوک فولادی که به انتهای آن بسته شده وارد کانتینر شده و به بیلت فشار وارد می آورد .
*. بلوک محافظ (Dummy block): یک بلوک فولادی محکم وآلیاژی است که مابین بیلت و رام قرار داده می شود که نتنها از چسبیدن بیلت به رام جلوگیری می کند بلکه از عقب راندگی بیلت نیز جلوگیری می کند .
*. شمش (بیلتBillet) : شمشهای آلومینیوم در اندازه های مشخصی طبق استانداردهای خاص خود تهیه می شوند.
*. کانتینر : (Container) محفظه ای است در پرس اکستروژن که بیلت را نگه می دارد وباعث انتقال بیلت به درون قالب شده و تا زمانی که بیلت تا آخر از قالب خارج شود (کانتینر ثابت بوده و فقط به عنوان لوله قطور که درونش بیلت قراردارد نقش هدایت بیلت را تا قالب دارد).
اجزای تشکیل دهنده قالب :
قالب توپر: تغذیه کننده، رینگ، قالب، نگهدارنده قالب، پشتی
قالب تو خالی: رینگ، محور قالب(مرغک)، کلاهک، پشتی
عوامل موثر در عملیات اکستروژن :
اندازه و شکل قالب یکی ازعوامل تعیین کننده است، فشار، سرعت، درجه حرارت بیلت در هنگام عملیات، کیفت آلیاژ،تلرانس مورد نیاز و دیگر عوامل.
در کل سرعت اکستروژن رابطه مستقیم دارد با درجه حرارت شمش و میزان فشار موجود در داخل کانتینر، درجه حرارت و فشار به نوبه خود به جنس آلیاژ و شکل قالب وابسته است.
با توجه به مطالب ارائه شده با فرایند اکسترود آشنا شدید . در مورد ساخت قالبها نیز باید گفته شود که ساخت قالب ها امروزه با استفاده از پیشرفته ترین دستگاه های قالب سازی انجام میشود . البته با توجه به دستگاه های اکستروژن موجود داخل کشور نمیتوان هر قالبی را به تولید رساند و از این بابت میتوان گفت که محدودیت وجود دارد .
شرکت هیتالوم توانسته با طراحی و ساخت قالبهایی در بزرگترین ابعاد ممکن ، توان خود را در تولید مقاطع خاص نشان دهد .برای دیدن این محصولات به قالبهای HS61 , HS82 , HS95 , HS101 , HS113 , HS136 در قسمت محصولات مراجه کنید .
طراحی هیت سینک جهت کاربری خاص :
برای طراحی هیت سینک جهت مصارف خاص و اتصال به قطعات خاص باید نکات زیادی را مدنظر قرار داد ، تا محصول نهایی را بتوان به راحتی به کار برد . بعنوان مثال اگر قرار است هیت سینک به انواع مختلف رله ، نظیر SSR و یا IGBT متصل شود و بطور همزمان قابلیت نصب فن را نیز در خود داشته باشد ، برای طراحی چنین قالبی باید تحقیقات جامعی صورت پذیرد تا ابعاد سطح تماس هیت سینک با قطعه به درستی محاسبه و طراحی شود . فضای مناسب جهت اتصال فن روی هیت سینک در نظر گرفته شود و حتی الامکان محل پیچ شدن هم روی سطح مقطع هیت سینک تعبیه گردد تا در مراحل استفاده به ماشین کاری کمتری نیاز باشد .
بعنوان مثال در مورد SSR در انواع تک فاز و سه فاز قالبهای HS137 , HS138 طراحی طراحی شده اند . با توجه به اینکه این قالبها معمولا در تابلوها مورد استفاده قرار میگیرند و روی ریل نصب میشوند ، شرکت هیتالوم با بهره گیری از دانش و تجربه توانسته مقطعی را طراحی نماید که علاوه بر دارا بودن سطح تماس مناسب با SSR و قابلیت نصب فن ، میتواند به راحتی و بدون نیاز به سوراخکاری روی ریل ها ی استاندارد موجود در تابلوها سوار شود ، با استفاده از سیستم ریل و فنر ، که در قسمت تحتانی این پروفیل قرار گرفته به سرعت قابل نصب روی تابلوها میباشد .
انتخاب هیت سینک مناسب :
روشهای زیادی جهت انتخاب هیت سینک مناسب وجود دارد ، میتوان با مراجه به سایت ها یا نرم افزارهایی که بدین منظور ساخته شده اند هیت سینک مناسبی را با توجه به نیاز انتخاب کرد . اما مطمئن ترین راه مشاهده نمودار حرارتی هیت سینک هاست ، تا با مطابقت دادن اطلاعات این نمودار با داده های قطعات الکترونیکی خود هیت سینک مناسب را جهت نیاز خود انتخاب و تهیه نمایید . متاسفانه نمودار حرارتی دقیق و قابل اعتماد هیت سینک در هیچ سایت داخلی وجود ندارد که بتوان با اتکا به آن هیت سینک مناسبی را انتخاب نمود .
بنابراین پیشنهاد ما به شما عزیزان این است که تا دسترسی به نمودار حرارتی فابل اعتماد ، از روش آزمون و خطا استفاده نموده و با تست کردن هیت سینک ، قبل از استفاده دائم ، از مناسب بودن آن جهت دستگاه خود مطمئن شوید .
آندایز :
آلومينيوم فلزي است که آندايز مي شود، يعني آلومينيوم به عنوان آند قرار گرفته با اعمال جريان الکتريکي ، يک لايه اکسيد بر سطح آن ايجاد مي کنند که ضخامت اين لايه بيشتر از لايه اکسيد طبيعي است و در ضمن به آلومينيوم قابليت رنگ پذيري مي دهد . این عمل در بسیاری از موارد جنبه ظاهری داشته و به سبب زیبا نمودن هیت سینک انجام میشود . اما تحقیقات نشان داده که اگر فرایند آندایز در شرایط مناسب انجام شود میتواند تا 20 درصد توان دفع حرارت هیت سینک را افزایش دهد ، که این مطلب از اهمیت فراوانی برخوردار است و نظر بسیاری از مصرف کنندگان هیت سینک را به خود جذب کرده است .
طي پروسه آندايزينگ مي توان آلومينيوم را به رنگهاي زيبايي در آورد و به آن زيبايي و استحکام بخشيد ، در نتيجه طرحي زيبا و جذاب توليد مي شود که سطح آن به آساني با آب گرم قابل شتشو است و نياز به هيچ تميزکاري و نگهداري ندارد و به طور طبيعي مقاوم به خوردگي است .روشهاي آبکاري آلومينيوم به اين مفهوم است که با استفاده از يک فرايند کاتدي بتوان يک فلز ديگر مانند مس ، قلع ، نيکل ، نقره ، طلا و … را روي آلومينيوم ترسيب کرد تا خواص جديد به فلز پايه داد . مانند افزايش هدايت الکتريکي ، خاصيت لحيم پذيري ، مقاومت به خوردگي ، مقاومت به سايش و … در شرکت هیتالوم آبکاری قطعات به بیش از 20 رنگ مختلف انجام میپذیرد .
ماشینکاری هیت سینک :
بعد از تولید پروفیل در شکل های مختلف ، این پروفیل ها در سایزهای بلند ، معمولا 3 متری ، در انبار نگهداری میشوند . با توجه به نیاز مشتری باید این شاخه ها با دستگاه های برش دقیق به سایز مورد نیاز بریده شوند . و بعد از انجام سوراخکاری و قلاویزکاری روی سطح و دیواره هیت سینک جهت نصب قطعات ، باید سطح تماس هیت سینک و منبع حرارت به خوب صاف و سیقلی گردد . به این حالت فلت گفته میشود .
در صورتی که سطح هیت سینک ناصاف بوده یا حتی دارای خط و خش باشد انتقال حرارت از منبع حرارتی به هیت سینک به خوبی صورت نپذیرفته و ممکن است به علت افزایش دما در منبع تولید حرارت ، این قطعه آسیب دیده و عمر مفیدش کاهش یابد .
برای تبادل بهتر حرارت بین هیت سینک و منبع حرارت ساز ، گاهی از خمیر سیلیکون بعنوان واسط بین این دو استفاده میشود . در نهایت بهترین حالت ممکن برای سطح هیت سینک حالتی است که سطح قطعه کف تراشی شده و سپس با دستگاه های مخصوص چند مرحله سمباده کاری شود تا در نهایت با دستگاه پرداخت سطح هیت سینک آینه کاری شود . در چنین حالتی بهترین وضعیت تبادل حرارت بین هیت سینک و منبع حرارت به وجود می آید .