هیت سینک چیست ؟

680

 

هیت سینک ( HEAT SINK ) از دو کلمه HEAT به معنی حرارت و SINK به معنی پایین آورنده است تشکیل شده است.

مبدل حرارت Heat exchangers میتواند معادل مناسبی برای هیت سینک باشد.
بطور کلی هیت سینک باید ویژگی هایی داشته باشد که بارز ترین این ویژگی ها خاصیت خنک کنندگی یا دفع حرارت است.

میتوان اینگونه عنوان کرد که هیت سینک در کنار هر منبع حرارتی که قرار بگیرد به شرط اتصال مناسب با آن منبع، میتواند حرارت تولید شده را از منبع گرفته، جذب بدنه خود کند و این حرارت را به تدریج از خود تخلیه کند.

هیت سینک با توجه به شکل و تعاملی که با هوای جاری یا حتی مایعاتی مثل آب برقرار می کند این حرارت را از سیستم خارج میکند.

حرارت بخصوص اگر زیاد باشد یک عامل مخرب در قطعات و سیستمهای برقی و الکترونیک به حساب می آید و موجب اصطحلاک بالای دستگاه و اجزای آن می شود.  قطعات زیادی در دستگاه های مختلف الکتریکی، الکترونیکی و مخابراتی و روشنایی استفاده می شوند که در اثر فعالیت تولید حرارت میکنند.  قطعاتی نظیر انواع مختلف ترانزیستورها، تریستور ها، دیود ها IGBT ها و POWER MOS FET ها و همینطور  POWER LED ها وجود دارند که در اثر فعالیت تولید حرارت میکنند.  حال اگر حرارت تولید شده در این قطعات را بطور مناسب و مستمر دفع نکنیم باعث کم شدن عمر مفید این قطعات می شویم.

 

دلایل استفاده از هیت سینک: 

در اینجا سعی می کنیم با یک مثال ساده اهمیت استفاده از هیت سینک را برای شما روشن سازیم.

فرض کنید می خواهید یک منبع ولتاژ ثابت طراحی کنید که ولتاژ ۲۰ را به ۵ تبدیل کند و بتواند ۵ آمپر جریان در خروجی ایجاد کند. در اینجا باید اول از همه میزان توان تلفاتی را در این مثال محاسبه کنیم. اختلاف ولتاژ ورودی و خروجی ۱۵ است، که اگر این عدد را در ۵ آمپر که جریان خروجی است ضرب کنیم نتیجه عدد ۷۵ وات بدست می آید که توان تلفاتی را برایمان مشخص می کند. حال اگر از روی کاتالوگ ترانزیستور ها یه بررسی ساده انجام دهیم و مثلا ترانزیستور ۲N3055 معروف که توان تلفات قابل تحملش در کاتالوگ ۱۱۵ اعلام شده است را انتخاب کنیم و بدون هیچ نگرانی از آن استفاده کنیم چیزی طول نخواهد کشید که ترانزیستور می سوزد. به این علت که توان حرارتی این ترانزیستور در دمای ۲۵ درجه ۱۱۵ وات است. وقتی دما بالاتر از ۲۵ درجه میرود توان تلفاتی پایین می آید که این امر باعث سوختن ترانزیستور می شود. اگر شما نتوانید دمای ترانزیستور تان را کمتر یا مساوی ۲۵ درجه نگه دارید خیلی سریع آن را از دست خواهید داد. برای پایین نگه داشتن دما راه های مختلفی وجود دارد که ارزان ترین و مطمئن ترین این روشها استفاده از هیت سینک مناسب است.  این مثال ساده اهمیت استفاده از هیت سینک را تا حدود زیادی مشخص کرد.

 

جنس هیت سینک :

هیت سینک را از مواد مختلفی میسازند. بستگی دارد به میزان توان دفع حرارتی که از هیت سینک انتظار دارند و هزینه ای که میخواهند برای تهیه هیت سینک بپردازند.
فلزات هادی خوبی برای حرارت و الکتریسته هستند، ولی ما از هر فلزی نمی توانیم به عنوان هیت سینک استفاده کنیم. طلا بهترین شرایط را برای دفع حرارت دارد ولی به دلیل بالا بودن نرخ جهانی این فلز گرانبها نمی توان از آن به عنوان ماده مناسب در ساخت هیت سینک یاد کرد و فقط در صنایع خاص آن هم به طور بسیار محدود از این فلز جهت ساخت هیت سینک استفاده می شود.

مس هم هدایت گر مناسبی برای حرارت است، ولی فلز مس هم به دلیل چگالی بالایی که دارد خیلی سنگین است که این امر موجب بالا رفتن هزینه تولید هیت سینک بر پایه مس می شود و این یک نقطه ضعف برای مس به حساب می آید و باعث محدود شدن استفاده از این ماده در تولید هیت سینک شده است.  علاوه بر بالا بودن جرم حجمی مس می توان قابلیت شکل پذیری کم این فلز را نیز بعنوان نقطه ضعفی دیگر برای آن در نظر گرفت.

امروز در تمام دنیا از فلز آلومینیوم با عدد اتمی ۱۳ در ساخت هیت سینک استفاده میشود.  آلومینیوم فلزی است که هم نسبتا ارزان است، هم تقریبا همه جا به وفور یافت میشود.  امتیاز دیگر آلومینیوم این است که به راحتی میتوان آن را با آلیاژ های دیگه ترکیب کرد.  خاصیت شکل پذیری بالا نیز یک امتیاز برای آلومینیوم به حساب می آید.

آلومينيوم داراي چگالي حدود ۲٫۷ گرم بر سانتي متر مکعب، يعني حدود يک سوم چگالي فولاد  می باشد.  آلومينيوم در صنعت بوسيله‌ الکتروليز اکسيد آلومينيوم مذاب تهيه مي‌شود، و براي جداسازي آلومينيوم  از سود سوز آور استفاده مي‌کنند.  استحکام آلياژ هاي آلومينيوم را نيز مي توان با انتخاب آلياژ مناسب و گاه با انجام عمليات حرارتي خاص به حد استحکام فولاد رساند.  آلومينيوم در دمای ۶۵۰ 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 خوردگي است. 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 آنودايز 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 رنگ هاي زيبايي دراورد 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 …

 

شکل پذیری:

اشاره شد که به غیر از ارزان و در دسترس بودن می توان ویژگی شکل پذیری آسان را نیز به خصوصیات آلومینیوم اضافه کرد. به منظور بالا بردن توان دفع حرارت هیت سینک، متخصصین  در سراسر دنیا سعی کرده اند با طراحی شکل های مختلف که بتواند تعامل مناسبی با هوا داشته باشد، دمای هیت سینک را از طریق برخورد هوا یا مایعات خنک با سطح هیت سینک پایین آورند.  برای رسیدن به این هدف باید هیت سینک را تا جای ممکن در طرح هایی با سطح تماس زیاد تولید کرد. به زبان ساده تر هیت سینک را با تعداد پره های زیاد و البته بلند طراحی می کنند و حتی روی پره ها را هم تا حد امکان بصورت آج دار تولید می کنند تا با افزایش سطح تماس هیت سینک با هوا بتوانند دمای آن را پایین نگه دارند.
در طراحی بعضی از هیت سینک های خاص سعی شده است فضایی ایجاد شود تا این امکان را به هیت سینک بدهد که روی آن یک فن فشار مثبت یا منفی جهت ایجاد جریان هوایی منظم و مداوم، به منظور کاهش دما نصب شود.

 

روشهای ساخت هیت سینک:
قبل از ساخت دستگاه های مدرن ساخت هیت سینک، تولید کنندگان دستگاه های مختلف در صنایع برق، الکترونیک و مخابرات اگر در مراحل ساخت دستگاه خود نیاز به وجود هیت سینک را احساس میکردند، به صورت دستی یک فلز مثل مس یا آلومینیوم را که بیشتر از ورق یا شمش این فلزات بود انتخاب میکردند و شکل خیلی ساده از هیت سینک را طراحی میکردند.  در اینجا فقط ویژگی دفع حرارتی خود فلز بود که نقش خنک کننده را بازی میکرد، و از کانال های هوایی یا آبی برای خنک کردن هیت سینک استفاده نمی شد.
با گذشت زمان و پیشرفت صنعت روش های جدیدی جهت ساخت پروفیل در اشکال مختلف بوجود آمد. روش هایی مثل دایکاست و اکستروژن یا همان اکسترود که به آن INJECTION یا تزریقی هم گفته می شد.

 

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 می کنند. فلز آلومینیوم را تا حد ذوب حرارت داده و بعد با فشار 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 ۳ تا ۹ 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 به وسیله نیروی هیدرولیکی بیلت با فشار وارد قالب می گردد و به عنوان محصولات اکسترودی در شکل های متفاوت از قالب خارج می گردد.
پرس های اکستروژن در اندازه های معینی ساخته می شوند و اندازه آنها ارتباط مستقیم با اندازه بیلتی دارد که باید اکسترود شود .
در این روش بیلت ابتدا وارد کوره می شود و به دمای تقریبی ۴۵۰ درجه سانتیگراد ( بین ۴۲۶ تا ۴۹۶ درجه سانتیگراد) می رسد. بعد بیلت حرارت یافته را به داخل رام هدایت میکنند و به روغن آغشته می سازند تا در هنگام عبور از قالب به آن نچسبد و باعث شکستن قالب نشود روغن همچنین نقش روان کننده را نیز بازی می کند.
ناگفته نماند که جنس قالب از فولاد می باشد که معمولا با کیفیت ترین فولاد را جهت ساخت قالب به کار می گیرند.
سپس رام بیلت را وارد کانتینر می کند. فشار ادامه پیدا می کند 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 شود که این امر موجب افزایش طول عمر قالب می شود.

حرارت خروجی اکستروژن با توجه به آلیاژ آن متفاوت است. به عنوان مثال حرارت مناسب جهت آلیاژ ۶۰۶۳برابر حداقل ۴۹۸ 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 مخصوص (استریج) هدایت می کنند تا در این مرحله پروفیل تولیدی تابگیری شود. این عمل باعث می شود که پروفیل ها 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 است،که بوسیله چهار میله نگهدارنده این دو قسمت را به همدیگر متصل می کند.

اجزای تشکیل دهنده پرس به شرح زیر می باشد:
۱- سیلندر اصلی Main cylinder: محفظه و سیلندر پرس که روغن هیدرولیکی پمپ شده و باعث ایجاد فشار و پیشروی رام می شود.
۲- فشار هیدرولیکی Hydraulic pressure: فشار هیدرولیکی توسط پمپ هیرولیکی ایجاد شده و بر حسب نیوتون بر متر مربع اندازه گیری می شود.
۳- 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.
۴- بلوک محافظ Dummy block: یک بلوک فولادی محکم و آلیاژی است که ما بین بیلت و رام قرار داده می شود که نه تنها از چسبیدن بیلت به رام جلوگیری می کند بلکه از عقب راندگی بیلت نیز جلوگیری می کند.
۵- شمش بیلت Billet: شمش های آلومینیوم در اندازه های مشخصی طبق استانداردهای خاص خود تهیه می شوند.
۶- کانتینر Container: محفظه ای است در پرس اکستروژن که بیلت را نگه می دارد و باعث 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 قرار دارد 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 قالب ها نیز باید گفت که ساخت قالب ها امروزه با استفاده از پیشرفته ترین دستگاه های قالب سازی، و به روش CAD_CAM انجام می شود. (Computer Aided Design / Computer Aided Manufacturing)

البته با توجه به دستگاه های اکستروژن موجود داخل کشور نمیتوان هر قالبی را به تولید رساند و از این بابت می توان گفت که محدودیت هایی وجود دارد.

شرکت قالب سازان بهفرد توانسته با طراحی و ساخت قالب هایی در بزرگترین ابعاد ممکن، توان خود را در تولید مقاطع خاص نشان دهد.برای دیدن این محصولات 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 ، 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 .

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  این است که توان قابل تحمل تلفات قطعات از کاتالوگ آنها استخراج شده و با استفاده از نرم افزار GSH توان تلفاتی هیت سینک محاسبه گردیده و با یک ضریب اطمینان ۲۰٪ برای قطعه مورد نظر استفاده گردد ،

آنودایز 
آلومينيوم فلزي است که آنودايز 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 آنودایز مشکی در شرایط مناسب انجام شود میتواند تا ۲۰ 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 ترکيب کرد تا خواص جديد به فلز پايه داد . مانند افزايش هدايت الکتريکي ، خاصيت لحيم پذيري ، مقاومت به خوردگي ، مقاومت به سايش و …

ماشینکاری هیت سینک
بعد از تولید پروفیل در شکل های مختلف ، این پروفیل ها در سایزهای بلند ، معمولا ۳ 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 .