heatsink چیست؟ معرفی انواع هیت سینک و کاربردها

برخی از قطعات سخت‌افزاری همانند CPUها گرمای بسیار زیادی تولید می‌کنند. مخصوصاً زمانی که بیش از حد کار کنند و عملیات سنگین را اجرا کنند. گرمای قطعات می‌تواند خطرات زیادی برای دستگاه داشته باشد و حتی آن را از کار بیندازد. روش‌های مختلفی برای تنظیم دمای دستگاه وجود دارد. یکی از این روش‌ها استفاده از هیت‌سینک‌ها است. در این مقاله می‌خواهیم به چیستی heat sink بپردازیم و انواع آن را بررسی کنیم. با ادامه این مطلب ما را همراهی کنید. 

heat sink چیست؟

heat sink یا هیت سینک قطعه‌ای فلزی است که معمولاً روی یک تراشه کامپیوتری مانند CPU یا رم قرار می‌گیرد تا گرمای آن را بگیرد و به وسیله پره‌های موجود روی آن، از دستگاه خارج کند. هیت‌سینک‌ها به‌خودی‌خود غیرفعال هستند، به این معنی که هیچ قطعه متحرکی ندارند. با این حال، در بیشتر موارد، هیت سینک با یک فن که هوای گرم را به بیرون می‌دمد یا یک محلول خنک‌کننده مایع که گرما را از طریق لوله‌ها منتقل می‌کند، ترکیب می‌شود تا بهتر عمل کند. 

اجزای اصلی یک هیت سینک چیست؟

یک هیت سینک وسیله‌ای نسبتاً ساده است. در ادامه پنج جزء تشکیل‌دهنده یک هیت سینک معمولی را می‌آوریم:

• پایه

پایه هیت سینک معمولاً یک بلوک یا ورق مسطح از جنس ماده‌ای با رسانایی حرارتی عالی است. پایه به اشکال مختلفی تولید می‌شود و معمولاً آن بخش از هیت سینک است که با خمیر حرارتی و قطعه مخصوص به منبع حرارت متصل می‌شود.

• پره یا فین

پره‌ها مسئول انتقال گرما به سیال اطراف هستند. این پره‌ها سطح تماس هیت سینک با هوا یا مایع خنک‌کننده را افزایش می‌دهند و همین امر باعث افزایش سرعت اتلاف گرما می‌شود. پره‌ها یا به صورت یکپارچه به پایه متصل می‌شوند یا می‌توانند به صورت جداگانه با استفاده از تکنیک‌های مختلف، به عنوان مثال، از طریق فرایند فشرده‌سازی، متصل گردند. شکل و چیدمان پره‌ها می‌تواند به طور چشمگیری نرخ انتقال حرارت را بهبود بخشد.

• لوله‌های حرارتی

یک لوله حرارتی برای انتقال گرما در امتداد محور خود طراحی شده است. لوله‌های حرارتی را می‌توان از طریق اتصالات پرسی، لحیم‌کاری و اپوکسی رسانای حرارتی، درون هیت‌سینک‌های استاندارد و پخش‌کننده‌های گرما قرار داد تا راندمان انتقال حرارت آنها بهبود یابد.

• مواد رابط حرارتی

از مواد رابط حرارتی یا خمیرهای حرارتی برای پر کردن هرگونه فضای خالی بین منبع گرما و هیت سینک استفاده می‌شود. این بخش در جهت بهبود قابل توجه انتقال حرارت بین منبع گرما و پایه Heatsink استفاده می‌شود. هوا رسانای ضعیفی برای گرما است، بنابراین پر کردن شکاف‌های هوا با ماده‌ای با رسانایی حرارتی بیشتر، راندمان خنک‌سازی هیت سینک را افزایش می‌دهد. خمیرهای حرارتی می‌توانند سرامیکی، اکسید فلزی یا سیلیکونی باشند. خمیرهای حرارتی مبتنی بر فلز رسانایی حرارتی بالایی دارند؛ اما رسانای الکتریکی هستند و باید با احتیاط در نزدیکی اجزای حساس استفاده شوند.

• سخت‌افزار مونت

سخت‌افزارهای مونت همان اجزایی هستند که هیت سینک را به منبع حرارتی وصل می‌کنند. برای هیت‌سینک‌های کوچک‌تر، از چسبی با رسانایی حرارتی بالا استفاده می‌شود. برای هیت‌سینک‌های بزرگ‌تر، می‌توان از پیچ‌های معمولی استفاده کرد. پین‌های فشاری فنری هم گزینه مناسبی هستند. 

هدف از استفاده از هیت سینک چیست؟

یک قطعه مثل CPU مستعد تولید گرمای بیش از حد است. زیرا در حین کار برخی از اجزای آن گرمای زیادی تولید می‌کنند. بدون استفاده از heatsink این گرما در سخت‌افزار و دستگاه باقی می‌ماند و باعث خراب شدن آن می‌شود. از آنجا که اکثر قطعات از تراشه‌های الکترونیکی ساخته شده‌اند، به راحتی گرما را جذب می‌کنند. اگر گرمای زیادی دریافت کنند، آسیب می‌بینند و از کار می‌افتند و عملکرد کلی دستگاه را مختل می‌کنند. 

نحوه کار Heatsink چگونه است؟

هیت سینک برای دور کردن گرما از یک سخت‌افزار این 3 مرحله را اجرا می‌کند:

1. در ابتدا یک منبع گرما تولید می‌کند. حال هیت سینک باید این گرما را جذب کند و از دستگاه خارج کند. از آنجایی که هیت سینک از موادی ساخته می‌شود که رسانای حرارتی بالایی دارند، گرما را از منبع دریافت می‌کند.
2. سپس گرما در سراسر هیت سینک توزیع می‌گردد. گرما به طور طبیعی از طریق رسانش طبیعی و با حرکت در گرادیان حرارتی از یک محیط با دمای بالا به یک محیط با دمای پایین، از هیت سینک عبور می‌کند. در این زمان ویژگی‌های حرارتی هیت سینک در بخش‌های مختلف آن ثابت نمی‌ماند. بخشی که سمت منبع است، داغ‌تر و آن‌سوی دیگر آن خنک‌تر است. 
3. پس از آن، گرما از هیت سینک خارج می‌شود. این فرایند به گرادیان دمای هیت سینک و سیال عامل آن که معمولاً هوا یا یک مایع غیر رسانای الکتریکی است، متکی است. سیال عامل از سطح هیت سینک گرم عبور می‌کند و از انتشار حرارتی و همرفت برای حذف گرما از سطح و به محیط اطراف استفاده می‌کند. این مرحله نیز به یک گرادیان دما برای حذف گرما از هیت سینک متکی است؛ بنابراین، اگر دمای محیط خنک‌تر از هیت سینک نباشد، هیچ همرفت و حذف گرمای دیگری انجام نخواهد شد. میزان مساحت کل هیت سینک در این مرحله بسیار اهمیت دارد. زیرا هر چه مساحت سطح بزرگ‌تر باشد، فضای بیشتری برای انتشار حرارتی و همرفت وجود دارد. 

انواع heat sink با توجه به نحوه عملکرد

هیت‌سینک‌ها را با توجه به نوع عملکرد و حذف گرما می‌توان به 3 دسته تقسیم کرد:

هیت سینک اکتیو یا فعال

این نوع هیت سینک از جریان هوای متحرک که معمولاً توسط یک خنک‌کننده تولید می‌شود، برای افزایش جریان سیال در ناحیه گرم استفاده می‌کنند. این امر مانند روشن شدن فن در لپ‌تاپ پس از گرم شدن آن است. فن هوا را از روی هیت سینک عبور می‌دهد و این حرکت موجب می‌شود تا هوا گرم نشده بیشتری در سطح هیت سینک حرکت کند. این عمل باعث افزایش گرادیان حرارتی کل در سراسر هیت سینک می‌شود و امکان خروج گرمای بیشتری را فراهم می‌کند.

هیت سینک غیرفعال یا پسیو

این نوع heat sink به همرفت طبیعی متکی است. در واقع، همان هوای گرم شناور به تنهایی می‌تواند موجب ایجاد جریان هوا در سطح هیت سینک شود. در نتیجه، برای حذف گرما به سیستم‌های برق یا کنترل ثانویه نیاز نیست. این هیت‌سینک‌ها ضعیف‌تر از هیت‌سینک‌های فعال هستند. 

هیت‌سینک‌های هیبریدی

هیت‌سینک‌های هیبریدی ویژگی‌های هیت‌سینک‌های غیرفعال و فعال را با هم ترکیب می‌کنند. این پیکربندی‌ها زیاد رایج نیستند و اغلب بر اساس نیازهای دمایی دستگاه از سیستم‌های کنترلی برای خنک کردن سیستم استفاده می‌کنند. وقتی دمای سیستم نسبتاً خنک است، منبع هوای متحرک غیرفعال خواهد بود. پس تنها هیت سینک غیرفعال کار می‌کند. اما وقتی که منبع به دمای بالاتر برسد، مکانیسم خنک‌کننده فعال نیز برای افزایش ظرفیت خنک‌سازی هیت سینک به کار می‌افتد.

در جدول زیر می‌توانید تفاوت سینک پسیو و اکتیو را مشاهده کنید:

معیارها	هیت سینک غیرفعال	هیت سینک فعال
مکانیزم خنک‌کننده	بدون نیاز به کمک مکانیکی	استفاده از اجزای مکانیکی مثل فن یا پمپ
قطعات	اجزای پایه و اولیه هیت سینک	اجزای پایه به همراه فن، دمنده، پمپ و...
راندمان دفع حرارت	رفیت اتلاف حرارت محدود راندمان محدود به شرایط محیطی و جریان هوای طبیعی ظرفیت خنک‌کنندگی نسبتاً پایین‌تر.	کارآمدتر قادر به تحمل بار حرارتی بالاتر
اندازه و وزن	معمولاً بزرگ‌تر و حجیم‌تر	اندازه نسبتاً کوچک با این حال فضا برای بخش مکانیکی لازم است.
سروصدا و نگهداری	عملکرد بی‌صدا بدون قطعات متحرک و حداقل نیاز به نگهداری.	ایجاد سروصدا، نیاز به نگهداری بیشتر
قابلیت اطمینان	به دلیل عدم وجود قطعات متحرک و طراحی ساده‌تر، بسیار قابل اعتماد هستند.	افزایش احتمال خرابی به دلیل قطعات متحرک
کاربردها	معمولاً در دستگاه‌های کم‌مصرف	مناسب برای لوازم الکترونیکی پرقدرت مانند CPUها، GPUها، سرورها، LEDهای پرقدرت و لوازم الکترونیکی خودرو.
مصرف برق	بدون مصرف برق اضافی به دلیل نداشتن قطعه مکانیکی	مصرف برق اضافی برای کار با فن‌ها یا پمپ‌ها.
هزینه	هزینه کمتر به دلیل ساختار ساده‌تر و نداشتن اجزای فعال.	قیمت بالاتر
کنترل حرارتی	کنترل دما به شرایط محیطی بستگی دارد.	امکان کنترل دقیق دما

مزایای هیت سینک چیست؟

استفاده از Heatsink مزایای زیادی دارد، از جمله:

• بهبود عملکرد دستگاه
• افزایش طول عمر دستگاه
• کاهش نویز در صورت استفاده از هیست سینک غیرفعال و عدم استفاده از فن خنک‌کننده
• صرفه‌جویی در هزینه
• مدیریت حرارت دستگاه

معایب هیت سینک

هیت سینک معایب و محدودیت‌هایی هم دارد. از جمله:

• ظرفیت خنک‌کنندگی محدود
• محدودیت فضایی
• نیاز به تمیز کردن مداوم
• سر و صدای هیت سینک‌های فعال
• قیمت بالای برخی موارد مثل Heat sinkهای مسی

چه عواملی بر عملکرد هیت سینک تأثیر می‌گذارند؟

عملکرد یک هیت سینک می‌تواند به عوامل مختلفی بستگی داشته باشد که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم:

• رسانایی حرارتی: رسانایی حرارتی ماده‌‌ای که هیت سینک با آن ساخته شده است، یکی از مهم‌ترین عوامل مؤثر بر عملکرد آن است. موادی با رسانایی حرارتی بالاتر، مانند مس یا الماس، می‌توانند گرما را با کارایی بیشتری از قطعة الکترونیکی دور کنند.
• طراحی پره: افزایش تعداد پره‌ها عموماً با افزایش مساحت سطح همراه است و به همین دلیل، انتقال حرارت را بهبود می‌بخشد، اما پره‌های بیش از حد متراکم ممکن است مانع جریان هوا شده و عملکرد را کاهش دهند.
• جریان هوا: گرما از طریق همرفت طبیعی یا اجباری از هیت سینک خارج می‌شود. هرچه سرعت جریان هوا در اطراف پره‌های هیت سینک بیشتر باشد، سرعت انتقال حرارت نیز بیشتر می‌شود. 
• دمای محیط: دمای بالای محیط می‌تواند روی عملکرد هر سیستم خنک‌کننده‌ای اثر منفی بگذارد. 

کاربردهای هیت سینک چیست؟

هیت‌سینک‌ها در هر جایی که گرمای تلف شده پتانسیل آسیب رساندن به تجهیزات را داشته باشد، استفاده می‌شوند. معمولاً از Heat sinkها در موارد زیر استفاده می‌شود:

• پردازنده‌های کامپیوتر: پردازنده‌های کامپیوتر (CPU) در حین کار مقدار زیادی گرمای زائد تولید می‌کنند. اغلب از سیستم‌های خنک‌کننده فعال با هیت‌سینک‌های مسی برای مدیریت بارهای حرارتی بالا (در حین کار) استفاده می‌کنند. CPUهای خنک مؤثرتر عمل می‌کنند.
• LEDها: چراغ‌های LED مانند لامپ‌های رشته‌ای گرمای تابشی زیادی منتشر نمی‌کنند، اما خود محل اتصال LED در حین کار انرژی حرارتی قابل‌توجهی تولید می‌کند. این گرما باید از طریق هیت‌سینک‌های غیرفعال در LEDهای کوچک‌تر دفع شود.
• الکترونیک قدرت: قطعات الکترونیکی قدرت مانند مبدل‌های AC-DC به دلیل اجزایی مانند MOSFETها و تنظیم‌کننده‌های ولتاژ، گرمای زائد تولید می‌کنند. هیت‌سینک‌های آلومینیومی معمولاً در این کاربردها استفاده می‌شوند و گاهی اوقات برای بارهای حرارتی سنگین‌تر با فن‌های فعال ترکیب می‌شوند.
• صنعت خودرو: جدا از هیت‌سینک‌های مورد استفاده در مدار کنترل وسایل نقلیه، از هیت‌سینک‌ها برای خنک نگه داشتن موتورهای الکتریکی و خنک کردن شارژرهای داخلی وسایل نقلیه الکتریکی هم استفاده می‌شوند.
• صنعت هوافضا: سیستم‌های هوافضا از هیت‌سینک‌ها در مدارهای کنترل و قطعات الکترونیکی داخلی استفاده می‌کنند. در فضاپیماها، جایی که جوی برای همرفت وجود ندارد، هیت‌سینک‌های مخصوص با استفاده از سطوح با ضریب گسیل بالا، گرما را به فضا می‌تابانند و اغلب شامل لوله‌های حرارتی برای انتقال گرما به رادیاتورها هستند.

انواع Heatsink بر اساس مواد اولیه

انتخاب مواد نقش مهمی در راندمان هیت سینک ایفا می‌کند. انواع Heatsink بر اساس مواد اولیه عبارت‌اند از:

• هیست سینک آلومینیومی

سبک و مقرون به صرفه

ارائه هدایت حرارتی مناسب (~205 W/mK)

شکل‌دهی آسان

مناسب تولید انبوه

وزن پایین

هزینه پایین

• هیت سینک مسی

رسانایی حرارتی استثنایی (~385 W/mK)

سنگین‌تر از آلومینیوم

گران‌تر از آلومینیوم

اغلب در طرح‌های هیبریدی با پره‌های آلومینیومی و پایه مسی استفاده می‌شود

مناسب کاربری سنگین

• هیت سینک‌های ساخته شده از کامپوزیت‌های گرافیتی

بسیار سبک

در برخی پیکربندی‌های خاص رساناتر از مس است

رایج در هوافضا، تلفن‌های هوشمند و سایر کاربری‌های دارای محدودیت فضا

• هیت سینک الماسی

رسانایی حرارتی بسیار بالاتر نسبت به مس

استفاده در کاربردهای نیمه‌هادی تخصصی

قیمت بسیار بالا

استفاده محدود

چگونه هیت سینک مناسب را انتخاب کنیم؟

وقتی از خودتان می‌پرسید «چه نوع هیت‌سینکی باید بخرم؟»، پاسخ تقریباً همیشه به مشخصات سیستم و حرارتی که دستگاه شما تولید می‌کند، برمی‌گردد. برای خرید heat sink باید نکات مختلفی را در نظر بگیرید. ملاحظات کلیدی برای بهترین انتخاب هیت سینک عبارت‌اند از:

1. قطعه موردنظر از چه نوع توان مصرفی استفاده خواهد کرد؟ این مورد اغلب به عنوان TDP (توان طراحی گرمایی یا پروفایل طراحی حرارتی) شناخته می‌شود. TDP معمولاً به عنوان یک شاخص اساسی برای مصرف برق یک قطعه، به ویژه در CPUها (پردازنده‌ها) و GPUها (کارت‌های گرافیک) استفاده می‌شود. رتبه‌بندی TDP حداکثر گرمایی را که یک قطعه می‌تواند استفاده کند، بر حسب وات مشخص می‌کند. این مورد معمولاً شاخص خوبی از میزان پتانسیل داغ شدن یک قطعه خاص تحت بار است.
2. اینکه قطعه موردنظر در حالت ایدئال چقدر باید خنک نگه داشته شود تا عملکرد بهینه داشته باشد؟
3. چه میزان فضا برای نصب هیت سینک وجود دارد؟
4. کدام نوع طراحی یا چیدمان heatsink بهترین عملکرد حرارتی را برای مشخصات سیستم شما ارائه می‌دهد؟
5. بودجه شما چقدر است؟

سخن نهایی

در این مقاله به بررسی یکی از مهم‌ترین اجزا برای کنترل دمای سخت‌افزارها و قطعاتی که گرما تولید می‌کنند، پرداختیم. Heatsink قطعه مهمی است که موجب می‌شود گرمای دستگاه کاهش پیدا کند و در نتیجه، عملکرد بهتری ارائه دهد. هیت سینک انواع مختلفی دارد و انتخاب بهترین نوع آن به منبع تولید حرارت و نیازهای دستگاه و دمای مدنظر بستگی دارد. 

سوالات متداول