نقش هیت سینک در انواع روشنایی
در طراحی سیستم های روشنایی یکی از اتفاقات گریز ناپذیر، حرارت تولید شده توسط ساختار چراغ ها است. هیت سینک قطعه ای برای گردش این گرمای تولید شده می باشد تا عمر مفید سیستم بیشتر باشد. در این گفتار به بررسی هیت سینک در انواع روشنایی می پردازیم. مدیریت بهتر در راستای کنترل حرارت تولید شده توسط منابع نوری، باعث می شود که چراغ ها دارای راندمان نوری بالاتر، طیف نوری با کیفیت تر و طول عمر بیشتری باشند. نخست باید تعریفی درباره این قطعه و اجزای سازنده آن داشته باشیم.
هیت سینک چیست؟
همانطور که گفته شد اکثر خانواده چراغ ها در کنار تولید نور و ایجاد روشنایی، حرارت و گرما تولید می کنند. ایجاد این گرما می تواند دلایل متفاوتی داشته باشد. برای مثال در لامپ های رشته ای در اثر جریان برق عبوری از رشته تنگستن، این منبع روشنایی به شدت داغ می شود و حرارت تولید می کند. هیت سینک قطعه ای در بدنه چراغ است که وظیفه آن تعدیل و دفع این گرمی است. این جز انرژی حرارتی ایجاد شده بوسیله یک ماژول چراغ را به محیط پیرامونش انتقال دهد. این قسمت بیشتر در ساختار چراغ های نسل جدید یعنی خانواده LED ها گسترش پیدا کرده است.
مهمترین برآیند عملکرد هیت سینک در حقیقت باید شرایطی جهت ایجاد حداکثری پتانسیل ال ای دی ها باشد. گرچه با توجه به پیشرفت تکنولوژی، همچنان بخشی از انرژی در انواع چراغ به شکل های گوناگون هدر می رود. برای مثال در خانواده منابع نوری دیودی هر چه قدر دمای محل اتصال آنها بیشتر شود، مقدار نور ساطع شده توسط آنها کاهش می یابد. به عبارتی دچار افت نور می شوند. بر اساس نتایج تحقیقاتی، به ازای افزایش هر 10 درجه حرارت در محل اتصال در ساختار چراغ، کاهش تا 30 تا 50 درصدی روشنایی در طول پیش می آید.
نقش هیت سینک در راندمان چراغ
از آنجایی که ثابت شده است اکثریت خرابی ساختار چراغ ها و به صورت ویژه LED ها وابسته به افزایش حرارت است، دمای اتصال نیمه هادی ها باید پایین نگه داشته شوند. به صورت کلی در طراحی قالب چراغ و در قسمت سیستم حرارتی، در نظر گرفتن جریان درایور، شرایط محیط و مقاومت های حرارتی اجزا باید مورد توجه قرار گیرند. برای اینکه انتقال بیشترین حرارت به هیت سینک انجام شود، نیاز به یک ماده واسط حرارتی مثل گریس یا اپوکسی باشد. این مواد تمامی شکاف ها و فضاهای خالی را پر می کنند به طوری که تا حد امکان تجمع حرارتی در مجموعه چراغ LED وجود نداشته باشد.
انواع مکانیزم در عملکرد هیت سینک
یک هیت سینک به گونه ای طراحی شده است که ابتدا گرما را از محل اتصال LED خارج کرده و سپس گرما را به هوای محیط منتقل کرده و تابش می کند. هیت سینک چراغ برای ائتلاف انرژی حرارتی از سه مکانیسم استفاده می کند. هدایت، همرفت و تابش.
- هدایت حرارتی : این مفهوم به معنی توانایی یک ماده در عبور دادن حرارت است. در ساز و کار هدایت، میزان آن به هادی بودن ماده ای که قطعه هیت سینک از آن ساخته شده است و همچنین ساختار هندسی هیت سینک بستگی دارد. روند هدایت از محل اتصال نیمه هادی شروع می شود.
- هممرفت حرارتی : در این نوع فرآیند، انتقال حرارتی می تواند از طریق حرکت جرمی یک سیال یا هوا صورت می گیرد. در ساختار هیت سینک مقوله همرفت می تواند به صورت طبیعی و با حضور هوای اطراف آن انجام می شود. هرچه سطح هیت سینک بیشتر باشد، همرفت بیشتر رخ می دهد.
- تابش حرارتی : تابش حرارتی به انتقال گرما از طریق جذب و انتشار امواج الکترو مغناطیسی و بدون استفاده از یک محیط حامل اشاره دارد. تابش فلزات می تواند بین 02/0 (به عنوان مثال فویل آلومینیوم) و 9/0 (به عنوان مثال آلومینیوم آنودایز) بسته به آرایش هندسی و عملیات سطحی سطح فلز متفاوت باشد. سطوح فلزی صیقلی و براق، گرمای بسیار کمی از خود ساطع می کنند.
مزایای مکانیزم همرفت
در طراحی یک هیت سینک نکات گوناگونی مورد توجه قرار دارند. هزینه، محدودیت فضا، شکل چراغ، قابلیت ساخت و شرایط جانبی هوا، همگی نمونه هایی از پارامترهای موثر در طراحی و ساخت این قطعه هستند. با بررسی های انجام شده و با توجه به نکات گفته شده، روند همرفت یکی از مکانیسم های بسیار مفید در ساختار چراغ های LED است. ساختار ساده با هزینه کم، قابلیت اطمینان بالا، آکوستیک بی صدا بودن، و استفاده از خنک کننده طبیعی و غیرفعال همگی از نکات مثبت و قابل ترجیح برای انتقال انرژی حرارتی توسط مکانیسم همرفت در هیت سینک ها می باشد. گفتنی است که استفاده از سیستم گردش طبیعی هوا در تعدادی از چراغ ها موثر است، اما شاید در محصولاتی مثل چراغ های صنعتی ناکارآمد باشند. در این مواقع و برای افزایش ضریب انتقال حرارت همرفتی وابسته به جریان، باید از روش های خنک کننده فعال یا فن کمکی هم استفاده شود.
متریال ساخت هیت سینک
مواد سازنده قطعه هیت سینک و ناحیه رسانا، در انتقال حرارت تولید شده بسیار موثر هستند. فلزات، آلیاژهای فلزی، برخی اکسیدهای فلزی و سایر اشکال کربن رسانای حرارتی خوبی هستند. برای مثال فلز مس تقریبا دو برابر آلومینیوم انتقال حرارتی دارد، اما بسیار گران است. بنابراین انتخاب اکثر سازندگان برای ساخت هیت سینک، فلز آلومینیوم است. این ماده دارای انتقال حرارتی خوب، تولید مقرون به صرفه، مقاوم در برابر خوردگی، و قابلیت تولید انبوه با انواع روش های معمول می باشد. البته معمولا در این فرآیند از آلیاژ های این فلز استفاده می شود. نکته قابل توجه این است که مواد افزودنی اکثر در کنار ارزش افزوده، نکات منفی هم به همراه دارند. هیت سینک های آلومینیومی با روش هایی مثل ریخته گری، اکستروژن، ماشینکاری و … قابل تولید هستند. به غیر از این ماده، سرامیک و فولاد هم می توانند در ساخت هیت سینک مورد استفاده قرار گیرند. سرامیک رسانای حرارتی مشابهی با آلومینیوم دارد و هزینه ساخت پایینی دارد، اما بزرگترین مشکل این ماده شکنندگی بالای آن می باشد.
طراحی و روند تولید هیت سینک
هندسه این قطعه در اتلاف حرارت به صورت مستقیم تاثیرگذار است. این ساختار می تواند عوامل موثر بهتر و بیشتر خنک کردن چراغ را مدیریت می کند. برای مثال سرعت عبور جریان هوا کاملا تحت تاثیر طراحی شکل هیت سینک می باشد. همچنین اندازه این محصول ( سطح مفید) در عملکرد آن نتیجه بخش است. در نظر گرفتن پره ها ( بال) در اسکلت این محصول در راستای افزایش سطح تماس با جریان هوا می باشد. فرآیند تولید یکی از جنبه های ضروری برای انتخاب مواد سازنده این محصول حرارتی و کارساز در طراحی آن است. امکانات موجود در کارگاه های تولیدی مثل روش های تولید می توانند در تصمیم گیری طراحان برای طراحی فرم و شکل هیت سینک و انتخاب ماده مورد استفاده نقش ایفا کنند.
