بهینه سازی طراحی سینک حرارتی: باله ها، جریان هوا و مقاومت حرارتی

مقدمه

سینک های حرارتی نقش بسیار مهمی در کارکرد نرم و روان وسایل الکترونیکی ما دارند. هر زمان که با پردازنده‌ها، پردازنده‌های گرافیکی، یا هر بخش{1}}پرقدرت سر و کار دارید، این بچه‌های کوچک وارد عمل می‌شوند تا تمام آن گرما را جذب کنند و از سرخ شدن چیزها جلوگیری کنند. اگر شما یک مهندس-یا فقط یک قلع و قمع کنجکاو هستید-داشتن اصول اولیه طراحی هیت سینک ضروری است.

بنابراین، یک هیت سینک از چه چیزی ساخته شده است؟ با پایه‌ای شروع می‌شود که درست روی جزء داغ قرار می‌گیرد و باله‌هایی که برای تقویت سطح به بیرون می‌چرخند، که به دفع سریع‌تر گرما کمک می‌کند. چالش بزرگ همیشه یکسان است: گرما را در اسرع وقت از منبع دور کنید، بدون اینکه کل تنظیمات را حجیم یا ناخوشایند کنید. این بدان معناست که مواد مناسب را انتخاب کنید و سینک را درست شکل دهید. آلومینیوم برای اکثر افراد مورد استفاده-است زیرا سبک و ارزان است، اما اگر می‌خواهید بهترین عملکرد را داشته باشید، مس دوست شماست-حتی اگر گران‌تر باشد.

اولین قدم در طراحی یک هیت سینک این است که بفهمید واقعاً با چه مقدار گرما مواجه هستید. به رایانه‌های بازی فکر کنید{1}}این پردازنده‌ها می‌توانند بیش از 100 وات را پمپاژ کنند. شما به یک هیت سینک نیاز دارید که بتواند این نوع بار را تحمل کند. به علاوه، محیط زیست مهم است. شاید دستگاه شما به سختی با جریان هوا بسته شده باشد، یا شاید فضای زیادی برای حرکت هوا وجود داشته باشد. در هر صورت، مهندسان به ابزارهای شبیه‌سازی مانند دینامیک سیالات محاسباتی برای ترسیم محل تجمع گرما و نحوه حرکت آن تکیه می‌کنند.

یک ترفند هوشمندانه این است که ضخامت پایه را-معمولاً بین 3 تا 5 میلی متر تغییر دهید. این کار را درست انجام دهید، و گرما را به طور یکنواخت پخش خواهید کرد، و آن نقاط داغ مزاحم را قبل از شروع آنها متوقف خواهید کرد. هنگامی که این اصول اولیه را به دست آوردید، می توانید جزئیات را بررسی کنید: شکل باله ها، مسیرهای جریان هوا، نحوه کاهش مقاومت حرارتی، و نحوه اطمینان از جا افتادن هیت سینک بدون اضافه کردن وزن یا صدای اضافی. در پایان، این فقط در مورد خنک کردن نیست- بلکه این است که مطمئن شوید همه چیز با هم، بی سر و صدا و کارآمد کار می کند.

بهینه سازی هندسه پره برای افزایش اتلاف گرما

طراحی باله واقعاً عملکرد سینک حرارتی را می‌سازد یا خراب می‌کند. باله ها سطح را افزایش می دهند و به گرما فرصت بیشتری برای فرار به هوا می دهند. هنگامی که مهندسان روی بهینه‌سازی هیت سینک کار می‌کنند، به مواردی مانند ارتفاع باله‌ها، ضخامت، میزان فاصله و شکل آنها نگاه می‌کنند. خیلی بلند شوید یا آنها را خیلی نزدیک ببندید، و در واقع اوضاع را بدتر می کنید-هوا نمی تواند حرکت کند و خنک شدن سریع کاهش می یابد. نقطه شیرین برای فاصله معمولاً بین 1 تا 3 میلی متر قرار دارد. این به هوا اجازه می دهد در حالی که تماس زیادی برقرار می کند جریان یابد.

شما نیز سبک های مختلفی دارید. باله‌های پین-فکر می‌کنند استوانه‌های کوچک-هنگامی که هوا می‌تواند از هر جهتی به داخل دمیده شود، بهترین عملکرد را دارند، مانند تنظیماتی که همرفت طبیعی و بدون فن دارند. از طرف دیگر، باله‌های صفحه‌ای، زمانی می‌درخشند که هوا را مستقیماً هوا را از بین می‌برند. و مواد را فراموش نکنیم: مس گرما را سریعتر منتقل می کند، اما باید آن را پوشش دهید تا خورده نشود.

تست بخش بزرگی از همه اینها است. مهندسان اصطلاحاتی مانند "بهینه سازی پره های سینک حرارتی" را مطرح می کنند، زیرا همه چیز در مورد آزمون، خطا و تغییرات دقیق است. آنها از دوربین های حرارتی استفاده می کنند تا در واقع ببینند که چگونه گرما در نمونه های اولیه آنها حرکت می کند. برخی از ترفندهای جدیدتر عبارتند از افزودن لبه های مواج یا دندانه دار به باله ها. این تلاطم ایجاد می کند، هوا را مخلوط می کند و انتقال حرارت را تا 20 درصد در مقایسه با باله های صاف و مستقیم افزایش می دهد.

در زندگی واقعی، مانند داخل رایانه‌های شخصی بازی، ممکن است باله‌هایی را ببینید که در ردیف‌های پلکانی چیده شده‌اند. این لایه مرزی{1}}لایه هوای ساکن را که به سطوح می‌چسبد و خنک شدن را کند می‌کند، می‌شکند. محاسبات فنی می شوند و مواردی مانند اعداد ناسلت به پیش بینی اینکه باله ها چقدر گرما را منتقل می کنند کمک می کند. همه چیز در مورد تعادل است: باله های بسیار کم، و شما فضا را هدر می دهید. بسیار زیاد است و هوا نمی تواند از آن عبور کند.

فضا همیشه در مواردی مانند نورپردازی LED برتر است، بنابراین طراحان باید آرایه‌های پره‌ای کارآمد را بدون اینکه کل چیز را حجیم کنند، جمع کنند. شماره گیری در این جزئیات می تواند خنک کننده را 15 تا 30٪ افزایش دهد. به همین دلیل است که طراحی مناسب باله تقریبا قلب مدیریت حرارتی مدرن است.

سینک های حرارتی آلومینیومی

تاثیر جریان هوا بر کارایی هیت سینک

جریان هوا در واقع قلب هر راه اندازی هیت سینک فعال است. این چیزی است که گرما را از باله‌ها دور می‌کند و به دنیا می‌آورد. هنگامی که مهندسان در مورد بهتر کارکردن هیت سینک ها صحبت می کنند، جریان هوا همیشه بالا می آید، به خصوص که فن های-محوری یا گریز از مرکز{3}}عضله پشت همه اینها هستند و هوا را درست در جایی که لازم است فشار می دهند یا می کشند. وقتی هوا را روی باله‌ها فشار می‌دهید، می‌توانید اتلاف گرما را ده برابر یا بیشتر در مقایسه با اجازه دهید که گرما به خودی خود از بین برود، افزایش دهید.

اما یک عمل متعادل کننده وجود دارد. سرعت فن (برحسب دور در دقیقه اندازه‌گیری می‌شود) و میزان هوایی که در حال حرکت هستید (فوت مکعب در دقیقه) هر دو مهم هستند، اما سر و صدا نیز{1}}هیچکس نمی‌خواهد یک موتور جت در رایانه شخصی خود داشته باشد. کانال‌ها و کفن‌ها نیز کمک می‌کنند و مطمئن می‌شوند که هوا به جای عبور از باله‌ها، در واقع از میان باله‌ها جریان می‌یابد.

در مراکز داده، حتی پیچیده تر می شود. با قفسه های پر از هیت سینک، شما باید جریان هوا را در کل ردیف مدیریت کنید تا از برگشت هوای گرم و خراب کردن تلاش های خنک کننده جلوگیری کنید. اینجاست که مدل‌های محاسباتی وارد عمل می‌شوند-آن‌ها نحوه حرکت هوا را پیش‌بینی می‌کنند، بنابراین شما می‌توانید مناطق مرده را شناسایی کرده و به خنک شدن یکنواخت ادامه دهید.

برخی از تنظیمات-به‌خصوص با آرایه‌های باله‌ای واقعاً متراکم-به فن‌هایی نیاز دارند که بتوانند مقاومت بیشتری را تحمل کنند. وقتی از تطبیق امپدانس صحبت می‌کنند، منظور مردم این است: انتخاب فن‌های فشار استاتیک بالا تا هوا در واقع از طریق هیت سینک عبور کند، نه فقط در اطراف آن. و بله، عبارت "جریان هوا در هیت سینک" به دلایلی در همه جا وجود دارد.

برای چیزهایی که خیلی گرم نمی‌شوند، مانند دستگاه‌های کم مصرف-، فقط اجازه دادن به هوای گرم به طور طبیعی بالا می‌آید (با تشکر، فیزیک) کافی است، اما معمولاً باید آن سینک‌های حرارتی را به صورت عمودی نصب کنید تا بهترین اثر را داشته باشید. گاهی اوقات مهندسان خلاق می شوند و باله های سوراخ دار یا مولدهای گردابی کوچک را برای تحریک هوا و شکستن جریان صاف (لامینار) اضافه می کنند. این به انتقال گرما کمک می کند، زیرا هوای مخلوط گرمای بیشتری می گیرد.

در اتومبیل ها و سایر محیط های ناهموار، شما باید مسیرهای جریان هوا را ببندید و فیلترهایی اضافه کنید تا گرد و غبار را مسدود کنید و از تمام لرزش های اطراف جان سالم به در ببرید. اگر جریان هوا را ثابت کنید، می توانید دمای بحرانی را بین 20 تا 40 درجه سانتیگراد کاهش دهید{3}}که برای اطمینان و برای هرکسی که به دنبال عملکرد بالاتر یا اورکلاک است، بسیار مهم است. جریان هوای خوب فقط چیزها را خنک نمی کند. وسایل الکترونیکی را برای مدت طولانی تری زنده نگه می دارد.

استراتژی هایی برای به حداقل رساندن مقاومت حرارتی

مقاومت حرارتی (R_th) اساساً به شما می گوید که یک هیت سینک چقدر در انتقال گرما از منبع خود به بیرون به هوای آزاد خوب است. اگر می خواهید هیت سینک شما به خوبی کار کند، واقعاً می خواهید این عدد را پایین نگه دارید. بر حسب درجه سانتیگراد بر وات اندازه گیری می شود، بنابراین هر چه کمتر، بهتر است. به عنوان مثال، هیت سینک‌های{4} سطح بالا می‌توانند چیزی در حدود 0.2 درجه بر وات داشته باشند، که بسیار چشمگیر است.

مقاومت حرارتی را از چند مکان دریافت می کنید: رابط بین منبع گرما و سینک، پایه سینک، پره ها، و فرآیند خروج گرما به هوا (همرفت). آن بیت اول-رابط-معمولاً دارای شکاف های کوچکی است که حتی نمی توانید آنها را ببینید، اما آنها تفاوت ایجاد می کنند. مردم برای پر کردن این شکاف ها از خمیر حرارتی یا پد استفاده می کنند و برخی از این مواد می توانند رسانایی تا 10 W/m·K داشته باشند.

پایه هیت سینک نیز مهم است. پایه های ضخیم تر گرما را به طور یکنواخت پخش می کنند، اما سنگین تر هستند. سپس باله ها وجود دارد. شما می خواهید آنها تا آنجا که ممکن است گرما را منتقل کنند، بنابراین مهندسین بازده باله نزدیک به 90 درصد را هدف قرار می دهند. ریاضی پشت همه اینها؟ یک معادله رایج R_th=1/(hAη) است، که در آن h ضریب همرفت، A مساحت سطح و η (eta) بازده باله است.

اگر به دنبال توصیه های عملی هستید، این چیزی است که به شما کمک می کند: سطوح تماس را صیقل دهید تا مقاومت را کاهش دهید، یا از لوله های حرارتی برای پخش یکنواخت گرما، به خصوص در سینک های بزرگتر استفاده کنید. برخی از طرح‌های پیشرفته، مانند اتاق‌های بخار، از تغییرات فاز برای انتقال حرارت استفاده می‌کنند که واقعاً مقاومت را کاهش می‌دهد.

برای آزمایش عملکرد یک هیت سینک، مهندسان معمولاً از ترموکوپل‌ها و اندازه‌گیری‌های{0} حالت ثابت استفاده می‌کنند و مطمئن می‌شوند که همه چیز مطابق با استانداردها باشد (مانند JEDEC، که برای نیمه‌رساناها رایج است). برای فضاهای تنگ، مانند لپ‌تاپ‌ها، مواد جدید-فکر می‌کنند کامپوزیت‌های گرافن-در حال ایجاد امواج بزرگ هستند و گاهی مقاومت را به نصف کاهش می‌دهند.

در پایان، اگر با هر قسمت از پازل مقاومت حرارتی مقابله کنید، سیستم خود را خنک نگه می‌دارید، از گاز گرفتگی جلوگیری می‌کنید و به سخت‌افزار خود کمک می‌کنید حتی زمانی که سخت کار می‌کند بهترین عملکرد را داشته باشد.

سینک های حرارتی مسی

ادغام فناوری های پیشرفته در طراحی هیت سینک

هنگامی که اصول اولیه را پشت سر گذاشتید، طراحی هیت سینک واقعاً با فناوری پیشرفته آغاز می شود. ما در حال صحبت از مواد هوشمند، سیستم های هیبریدی هوشمند، و انواع ترفندها برای افزایش عملکرد هستیم. به عنوان مثال، برخی از طراحان مواد را در فاز تغییر{2}}در باله ها بسته بندی می کنند. اینها درست زمانی گرما را جذب می‌کنند که همه چیز شدید می‌شود-به خودروهای الکتریکی فکر می‌کنید که به طور ناگهانی انرژی زیادی می‌کشند- و دما را ثابت نگه می‌دارند، حتی زمانی که محیط غیرقابل پیش‌بینی می‌شود.

تولید افزودنی (که اساساً چاپ سه بعدی است) راه را به روی اشکال جدید وحشی-مثل شبکه های پیچیده- که نمی توانید با اکستروژن مدرسه قدیمی- بسازید، باز می کند. این اشکال به شما مساحت سطح بیشتری را با وزن کمتر می دهد، بنابراین بدون حجیم خنک کننده بهتری خواهید داشت.

اکنون، به لطف فناوری اینترنت اشیا، سینک های حرارتی با حسگرهای داخلی-را تصور کنید. آنها دما را در زمان واقعی تماشا می کنند و سرعت فن را به طور خودکار تغییر می دهند تا در مصرف انرژی صرفه جویی کنند و کارها را به خوبی اجرا کنند. و در مکان‌هایی که خنک‌کننده هوای معمولی نمی‌تواند کار کند-مثل قفسه‌های پرجمعیت سرور-مهندسان پره‌های هوا را با میکروکانال‌های خنک‌شده مایع-ترکیب می‌کنند. این ترکیب، مقاومت حرارتی را کاهش می‌دهد و سرورهای با چگالی بالا را از داغ شدن بیش از حد محافظت می‌کند.

همچنین فشار زیادی برای پایداری وجود دارد. طراحان به آلیاژهای آلومینیوم قابل بازیافت روی می آورند و حتی ایده هایی را از طبیعت قرض می گیرند-مانند مدل سازی هیت سینک پس از تپه موریانه ها-برای افزایش جریان هوای غیرفعال. شرکت‌هایی مانند اینتل{4}}در دنیا ثابت می‌کنند که این بهینه‌سازی‌ها کار می‌کنند. برای مثال، پردازنده‌های زئون آنها 30 درصد خنک‌تر با پخش‌کننده‌های حرارتی ارتقا یافته کار می‌کنند.

با نگاهی به آینده، نانومواد قرار است بازی را تغییر دهند. آنها رسانایی را بدون حجیم تر کردن دستگاه ها افزایش می دهند، که این یک پیروزی بزرگ برای گجت های جمع و جور است. وقتی همه این فناوری‌ها را با هم ترکیب می‌کنید، مهندسان فقط مشکلات را حل نمی‌کنند-آنها استانداردهای جدیدی را برای قابلیت اطمینان در مواردی مانند سخت‌افزار هوش مصنوعی و تجهیزات 5G تعیین می‌کنند.

پاور وینکسیک تولید کننده هیت سینک حرفه ای و متخصص در راه حل های سینک حرارتی آلومینیوم و مس برای کاربردهای سخت است. PowerWinx با تخصص در باله های اسکیت دار، باله های مهر و موم شده، هیت سینک های لحیم کاری شده، و صفحات سرد مایع پیشرفته، راه حل های حرارتی قابل اعتماد را از طریق ساخت دقیق، کنترل کیفیت دقیق، و پشتیبانی مهندسی قوی برای مشتریان جهانی ارائه می دهد.

طراحی هیت سینک طراحی هیت سینک

طراحی هیت سینک طراحی هیت سینک