مسکن هیت سینک: مواد، طراحی و راهنمای ساخت

a چیست مسکن هیت سینک ?

محفظه هیت سینک یک محفظه ساختاری است که مدیریت حرارتی را مستقیماً در خود محفظه قطعه ادغام می کند. به جای اتصال یک هیت سینک جداگانه به یک شاسی موجود، محفظه با باله ها، کانال ها یا جرم به طور خاص برای هدایت و دفع گرما از اجزای داخلی طراحی و ساخته شده است. این رویکرد به طور گسترده در ماژول های روشنایی LED، الکترونیک قدرت، درایوهای موتور و تجهیزات کنترل صنعتی استفاده می شود که در آن فضا، وزن و عملکرد حرارتی باید به طور همزمان بهینه شوند.

مشخصه تعیین کننده عملکرد دوگانه است: همان قسمتی که از الکترونیک داخلی محافظت و نصب می کند به عنوان مسیر حرارتی اولیه نیز عمل می کند. گرمای تولید شده توسط نیمه هادی ها، خازن ها یا سایر عناصر مولد گرما از طریق رسانایی از طریق دیواره محفظه منتقل می شود و سپس توسط همرفت به هوای اطراف پخش می شود. - یا به یک خنک کننده در انواع خنک شونده با مایع. این مقاومت رابط حرارتی ایجاد شده توسط مجموعه های هیت سینک پیچ و مهره ای را حذف می کند و تعداد کلی قطعات را کاهش می دهد.

مواد و خواص حرارتی آنها

انتخاب متریال تنها مهم ترین تصمیم در طراحی محفظه هیت سینک است. رایج ترین گزینه ها آلیاژهای آلومینیوم، آلیاژهای مس و پلیمرهای رسانای حرارتی هستند که هر کدام تعادل متمایز رسانایی، وزن، هزینه و قابلیت ساخت را ارائه می دهند.

آلیاژهای آلومینیوم

آلومینیوم انتخاب غالب در اکثر صنایع است. آلیاژهایی مانند 6061 و 6063 هدایت حرارتی را در محدوده ای از 150-200 W/m·K همراه با چگالی کم (2.7 گرم بر سانتی‌متر مربع)، مقاومت در برابر خوردگی عالی و سازگاری با اکستروژن، ریخته‌گری قالب و ماشینکاری CNC. محفظه های هیت سینک آلومینیومی اکسترود شده به ویژه در حجم های بالا مقرون به صرفه هستند و اجازه می دهند پروفیل های باله پیچیده در یک پاس بدون عملیات ثانویه تولید شوند.

آلیاژهای مس

مس رسانایی حرارتی تقریباً ارائه می دهد 385–400 W/m·K -تقریباً دو برابر آلومینیوم- که آن را به ماده ای ترجیحی تبدیل می کند که چگالی شار گرمایی شدید باید در حجم فشرده مدیریت شود. مبادله چگالی (8.9 گرم بر سانتی متر مکعب) و هزینه است. محفظه‌های سینک حرارتی مسی معمولاً در تقویت‌کننده‌های قدرت RF، منابع تغذیه با جریان بالا و سیستم‌های لیزری دقیق یافت می‌شوند که در آن‌ها بودجه مقاومت حرارتی بسیار کم است.

پلیمرهای رسانای حرارتی

پلیمرهای رسانای حرارتی قالب‌گیری تزریقی معمولاً رسانایی بین 1 تا 20 W/m·K - بسیار کمتر از فلزات - دارند، اما مزایای قابل توجهی در عایق الکتریکی، آزادی طراحی و وزن دارند. آنها در لوازم الکترونیکی مصرفی، محفظه باتری EV، و چراغ های LED استفاده می شوند که در آن بارهای حرارتی کمتر به رسانایی فلزی نیاز ندارند و هندسه های سه بعدی پیچیده برای ماشین کاری گران هستند.

فرآیندهای تولید

مسیر تولید هندسه باله قابل دستیابی، تحمل ابعادی، پرداخت سطح و اقتصاد واحد را تعیین می کند. سه فرآیند اکثریت قریب به اتفاق تولید مسکن حرارتی را تشکیل می دهند.

اکستروژن

اکستروژن آلومینیومی بالاترین حجم برای محفظه های هیت سینک مورد استفاده در روشنایی و الکترونیک قدرت است. یک شمش آلومینیومی گرم شده از طریق یک قالب شکل‌دار عبور داده می‌شود و یک پروفیل پیوسته ایجاد می‌کند که سپس به طول بریده می‌شود و در صورت نیاز، بیشتر ماشین‌کاری می‌شود. باله های اکسترود شده می توانند به نازکی 1.2 میلی متر با نسبت ابعاد بیش از 10:1 باشند. ، به حداکثر رساندن سطح بدون جریمه وزن قابل توجه. هزینه‌های ابزارآلات نسبت به ریخته‌گری با قالب پایین است، و زمانی که یک قالب واجد شرایط باشد، زمان‌های تولید کوتاه می‌شود.

دایکستینگ

ریخته‌گری فشار بالا به هندسه‌های سه‌بعدی اجازه می‌دهد که اکستروژن نمی‌تواند ایجاد کند - باس‌های یکپارچه، فلنج‌های نصب، جیب‌های رابط و کانال‌های جریان داخلی همگی می‌توانند در یک شات شکل بگیرند. آلیاژهای ریخته گری آلومینیومی مانند ADC12 به دلیل محتوای سیلیکون بالاتر، رسانایی حرارتی کمی پایین تری (~96 W/m·K) نسبت به آلیاژهای فرفورژه دارند، که باید در مدل سازی حرارتی لحاظ شود. ریخته گری قالب زمانی ترجیح داده می شود که محفظه علاوه بر عملکرد حرارتی، نقش مکانیکی پیچیده ای را نیز ایفا کند.

ماشینکاری CNC

ماشینکاری از آلومینیوم بیلت یا مس برای نمونه های اولیه، محصولات تخصصی کم حجم و کاربردهایی که نیاز به تلرانس های تنگ (0.01± میلی متر یا بهتر) دارند که ریخته گری و اکستروژن نمی توانند به طور قابل اعتماد به آن دست یابند استفاده می شود. ماشین‌کاری باله‌های چوبی - که در آن باله‌ها به معنای واقعی کلمه از یک بلوک جامد تراشیده می‌شوند - می‌تواند گام‌های باله‌ای کمتر از 0.5 میلی‌متر و سطح سطحی در واحد حجم تولید کند که فراتر از آنچه هر فرآیند دیگری می‌تواند ارائه دهد، ایجاد می‌کند، و آن را به رویکرد ترجیحی برای محاسبات با کارایی بالا و مدیریت حرارتی هوافضا تبدیل می‌کند.

ملاحظات طراحی باله و جریان هوا

هندسه آرایه باله بر چگونگی انتقال موثر محفظه گرما به هوای اطراف حاکم است. پارامترهای کلیدی شامل ارتفاع باله، ضخامت، گام (فاصله از مرکز به مرکز)، و جهت گیری باله ها نسبت به جریان هوای طبیعی یا اجباری است.

برای کاربردهای همرفت طبیعی - اکثر لامپ های LED و محفظه های برق در فضای باز - باله های عمودی هم تراز با مسیر جریان هوا اثر دودکش 20 تا 40 درصد از باله های افقی بهتر عمل می کنند. در ابعاد باله یکسان فاصله باله‌ها باید دو اثر متضاد را متعادل کند: فاصله نزدیک‌تر، سطح کل را افزایش می‌دهد اما سطح مقطع جریان را کاهش می‌دهد، مقاومت هوا را افزایش می‌دهد و به طور بالقوه باعث ادغام لایه‌های مرزی از باله‌های مجاور می‌شود و راندمان همرفتی را کاهش می‌دهد.

در طرح‌های همرفت اجباری که در آن یک فن یا دمنده وجود دارد، گام پره‌ها می‌تواند تنگ‌تر باشد زیرا جریان هوای تحت فشار بر مقاومتی که همرفت طبیعی را محدود می‌کند غلبه می‌کند. آرایه‌های باله‌های پین - پین‌های استوانه‌ای یا مربعی به جای باله‌های مسطح - گاهی اوقات زمانی استفاده می‌شوند که جهت جریان هوا نامشخص یا چند جهته باشد، زیرا بدون توجه به زاویه نزدیک، مقاومت مشابهی از خود نشان می‌دهند.

درمان های سطحی نیز نقش دارند. آنودایز کردن آلومینیوم به ضخامت 10 تا 25 میکرومتر، انتشار را از تقریباً 0.05 (آلومینیوم خالی) به 0.8-0.9 افزایش می دهد، به طور معنی داری اتلاف حرارت تشعشعی را در محیط های با دمای بالا بهبود می بخشد و محدوده عملکرد موثر محفظه را در وزن یا حجم اضافی صفر افزایش می دهد.

کاربردهای کلیدی در سراسر صنایع

هر جا که چگالی توان و قابلیت اطمینان حرارتی با هم تلاقی می کنند، محفظه های سینک حرارتی در طیف وسیعی از محصولات ظاهر می شوند.

• روشنایی LED: وسایل با ارتفاع بالا، چراغ‌های خیابان، چراغ‌های رشد و لامپ‌های معماری، همگی به محفظه‌های هیت سینک آلومینیومی اکسترود شده یا دایکاست برای حفظ دمای اتصال LED زیر 85 درجه سانتی‌گراد، یعنی آستانه‌ای که در بالای آن خروجی لومن و طول عمر به شدت کاهش می‌یابد، متکی هستند.
• الکترونیک قدرت: درایوهای فرکانس متغیر، شارژرهای روی برد برای خودروهای الکتریکی و اینورترهای خورشیدی IGBT و ماسفت را مستقیماً روی دیواره داخلی محفظه نصب می‌کنند و از کل شاسی به عنوان پخش کننده و رادیاتور استفاده می‌کنند.
• مخابرات: ایستگاه‌های پایه سلول کوچک در فضای باز و تقویت‌کننده‌های فیبر نوری از محفظه‌های مهر و موم شده و خنک‌شده غیرفعال استفاده می‌کنند که در آن پره‌ها مدیریت حرارتی را بدون هیچ قطعه متحرکی ارائه می‌دهند و حالت خرابی کلیدی را در تجهیزاتی که انتظار می‌رود به‌مدت 10 سال به طور مداوم کار کنند، حذف می‌کنند.
• اتوماسیون صنعتی: درایوهای سروو و کنترل‌کننده‌های حرکت در محیط‌های کارخانه از محفظه‌های آلومینیومی ناهمواری بهره می‌برند که به طور همزمان محافظ EMI، حفاظت از ورودی با رتبه IP و ظرفیت حرارتی کافی برای رسیدگی به رویدادهای چرخه‌ای با بار بالا بدون تجاوز از درجه‌بندی دمای اجزا را فراهم می‌کنند.
• تجهیزات پزشکی: تجهیزات تصویربرداری و ابزارهای جراحی از محفظه هایی با مدیریت حرارتی استفاده می کنند تا از رسیدن سطوح تماس بیمار به دمای ناخوشایند یا ناایمن در طول روش های طولانی جلوگیری کنند.

انتخاب محل مناسب هیت سینک برای برنامه شما

انتخاب موثر با بودجه حرارتی روشن شروع می شود: حداکثر دمای محل اتصال حساس ترین جزء، منهای دمای محیط مورد انتظار، کل مقاومت حرارتی مجاز را از محل اتصال به محیط تعیین می کند. سپس این مقاومت در سراسر مواد رابط حرارتی، دیواره محفظه و مرز همرفت پره به هوا اختصاص داده می شود.

فراتر از عملکرد حرارتی، انتخاب باید موارد زیر را در نظر بگیرد:

• الزامات رتبه بندی IP - محفظه های مهر و موم شده (IP65 و بالاتر) جریان هوا را محدود می کنند و از آلیاژهای با رسانایی بالاتر و مناطق باله خارجی بزرگتر برای جبران استفاده می کنند.
• جهت نصب - وقتی باله ها افقی هستند، راندمان همرفت طبیعی به طور قابل توجهی کاهش می یابد. محدودیت های طراحی یا جهت گیری باید در مراحل اولیه انتخاب علامت گذاری شوند.
• اهداف حجم و هزینه - اکستروژن بهترین نسبت هزینه به عملکرد را در حجم های متوسط به بالا ارائه می دهد. ریخته گری قالب انعطاف پذیری هندسی را با هزینه متوسط ​​اضافه می کند. ماشینکاری فقط برای حجم کم یا نیازهای حرارتی شدید قابل توجیه است.
• انطباق با مقررات - الزامات RoHS، REACH و UL ممکن است بر انتخاب آلیاژ و انتخاب درمان سطح تأثیر بگذارد، به ویژه در کاربردهای مصرف کننده و پزشکی.

شبیه سازی حرارتی با استفاده از ابزارهای CFD (دینامیک سیالات محاسباتی) قبل از نهایی کردن هندسه مسکن به شدت توصیه می شود. به ویژه برای طرح‌های همرفت طبیعی که در آن تغییرات کوچک در گام یا جهت باله می‌تواند ۱۵ تا ۳۰ درصد تفاوت در مقاومت حرارتی مؤثر ایجاد کند. نمونه‌سازی اولیه و آزمایش روی نیمکت در برابر مشخصات توان واقعی الکترونیک مورد نظر برای اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی قبل از تعهد به تولید ابزار ضروری است.