Dasar-dasar Heat Sink:Bagaimana Cara Kerjanya?

Anda tidak perlu menjadi lulusan MIT untuk mengetahui bahwa perangkat dan mesin elektronik menghasilkan panas saat beroperasi. Ketika dibiarkan tanpa pengawasan, situasi ini dapat dengan cepat menyebabkan perangkat menjadi terlalu panas, menyebabkannya tidak berfungsi. Kemudian, kecuali jika Anda bereaksi cukup cepat, kerusakan ini dapat menyebabkan kerusakan permanen.

Untuk mencegah panas berlebih, sebagian besar perangkat dilengkapi heat sink, komponen yang bertanggung jawab untuk manajemen panas di dalam perangkat. Mereka bekerja dengan membuang panas dari area vital mesin atau perangkat, seperti unit pemrosesan pusat (CPU), menjaganya tetap dingin dan berfungsi.

Menariknya, saat memainkan peran penting dalam menjaga perangkat elektronik Anda beroperasi dengan benar, heat sink sering diabaikan, kemungkinan karena ukurannya yang agak kecil. Jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang komponen ajaib ini, panduan ini akan memberi Anda semua informasi penting yang Anda butuhkan untuk memahami apa itu heat sink dan cara kerjanya.

Mari kita tenggelam (pun intended).

Apa itu Pendingin?

Mari kita mulai dengan menjelaskan lebih detail apa itu heat sink. Secara sederhana, ini adalah komponen yang berfungsi sebagai penukar panas pasif, yang mengatur suhu perangkat mekanis atau elektronik.

Itu dilakukan dengan meningkatkan area permukaan kerja perangkat, mentransfer panas dari komponen penghasil panas ke cairan bersuhu rendah. Dengan cara ini, panas menghilang dari perangkat, memastikan perangkat beroperasi tanpa panas berlebih.

Karena sifat pendinginannya yang fantastis, heat sink digunakan di banyak industri, termasuk permesinan CNC. Biasanya, mereka digunakan untuk mendinginkan komponen komputer – biasanya, CPU dan GPU – dan transistor daya atau laser.

Bagaimana Heat Sink Dibangun?

Kebutuhan akan area permukaan yang lebih besar secara signifikan mempengaruhi bagaimana heat sink dibangun. Sebuah heat sink khas terdiri dari dasar yang terhubung ke sirip atau pin yang sangat sempit. Dengan begitu, heat sink dapat memuat sebanyak mungkin luas permukaan ke dalam volume tertentu.

Namun, ukuran dan bentuk sirip bervariasi antara heat sink yang berbeda. Terlebih lagi, mereka memiliki dampak signifikan pada kinerja heat sink. Kita dapat membedakan antara:

• Peredam panas pin-fin. Heat sink semacam itu memiliki pin yang memanjang dari alasnya. Mereka datang dengan luas permukaan terbesar di antara berbagai jenis heat sink dan bekerja paling baik dalam kasus aliran udara rendah. Pin biasanya berbentuk silinder, elips, atau persegi.
• Peredam panas sirip pelat. Sebuah heat sink pelat sirip memiliki sirip persegi panjang yang memanjang dari dasarnya. Heat sink semacam itu lebih umum daripada sistem pin-fin dan bekerja paling baik dengan aliran udara searah.
• Peredam panas sirip melebar. Sistem sirip berkobar adalah variasi dari heat sink sirip pelat. Mereka memiliki susunan sirip yang melebar (karena itu namanya) yang mengurangi hambatan aliran.

Beberapa heat sink juga memiliki kipas dan blower yang terpasang. Ini disebut heat sink aktif. Kami akan membicarakannya lebih lanjut nanti di artikel.

Bagaimana Cara Kerja Heat Sink?

Heat sink menggunakan konduktor termal yang mengambil panas dari sumber panas dan menariknya ke arah luas permukaannya, yang kemudian membuat kontak dengan udara atau cairan pendingin. Seluruh proses melibatkan empat langkah dasar:

1. Sumbernya menghasilkan panas. Sumbernya dapat berupa sistem apa pun yang menghasilkan panas saat beroperasi dan memerlukan pendinginan agar berfungsi dengan baik. Ini bisa berupa sistem mekanik, listrik, kimia, nuklir, surya, atau gesekan.
2. Perpindahan panas dari sumbernya. Melalui konduksi alami, panas berpindah ke heat sink dan menjauh dari sumbernya. Proses ini secara langsung terkait dengan konduktivitas termal bahan heat sink. Itulah alasan mengapa bahan seperti aluminium atau tembaga sering digunakan untuk membuat heat sink. Mereka memiliki sifat konduktivitas termal yang tinggi.
3. Panas didistribusikan ke seluruh unit pendingin. Panas kemudian akan melakukan perjalanan melalui heat sink, bergerak dari suhu tinggi ke lingkungan suhu rendah. Apa artinya untuk heat sink adalah bahwa profil panasnya tidak akan konsisten. Oleh karena itu, heat sink biasanya lebih panas ke arah sumbernya dan lebih dingin ke arah ujungnya.
4. Heat sink memindahkan panas. Langkah terakhir melibatkan perpindahan panas dari unit pendingin. Ini sangat bergantung pada gradien suhu wastafel dan cairan pendinginnya (biasanya udara atau cairan konduktif listrik). Cairan melewati permukaan heat sink dan menghilangkan panas ke lingkungan sekitarnya dengan menggunakan difusi dan konveksi termal. Yang penting untuk diperhatikan di sini adalah jika suhu di sekitarnya tidak lebih dingin dari unit pendingin, wastafel tidak akan menghilangkan panas.

Berbagai Jenis Heat Sink

Saat berbicara tentang heat sink, kami membedakan tiga tipe dasar heat sink – pasif, aktif, dan hybrid. Selengkapnya tentang mereka di bawah ini.

Peredam Panas Pasif

Heat sink pasif mengandalkan konveksi alami. Itu berarti bahwa hanya daya apung udara panas yang menghasilkan aliran udara melintasi permukaan heat sink. Karena itu, heat sink pasif tidak memerlukan daya sekunder atau sistem kontrol saat mengeluarkan panas. Di sisi lain, mereka tidak seefisien dan seefektif mungkin dalam mentransfer panas dari sistem seperti heat sink aktif.

Peredam Panas Aktif

Berlawanan dengan heat sink pasif, heat sink aktif tidak hanya mengandalkan konveksi alami. Mereka menggunakan udara paksa untuk meningkatkan aliran fluida melintasi area yang dipanaskan. Mereka melakukannya dengan menggunakan kipas, peniup, atau seluruh gerakan objek.

Contoh tipikal cara kerja heat sink aktif adalah kipas di PC Anda menyala saat komputer mulai panas. Kipas memaksa udara mengalir melintasi heat sink, memungkinkan udara yang tidak dipanaskan bergerak melintasi permukaannya. Karena itu, gradien termal total di seluruh sistem pendingin meningkat, menghilangkan lebih banyak panas dari perangkat.

Hybrid Heat Sink

Seperti namanya, heat sink hybrid menggabungkan sifat-sifat sistem heat sink pasif dan aktif. Menariknya, sistem hybrid tidak sepopuler heat sink pasif atau aktif. Mereka juga sering mengandalkan sistem kontrol khusus untuk mendinginkan perangkat berdasarkan persyaratan suhu tertentu.

Ketika sistem beroperasi pada tingkat suhu yang lebih dingin, sumber udara paksa (kipas atau blower) tetap tidak aktif, mendinginkan sistem secara pasif. Sistem aktif mulai bekerja hanya saat perangkat mulai mencapai suhu yang lebih tinggi, sehingga meningkatkan kapasitas pendinginan unit pendingin dalam prosesnya.

Bahan Apa yang Digunakan untuk Membuat Heat Sink?

Seperti yang dikatakan, bahan heat sink perlu memberikan konduktivitas termal alami. Itulah sebabnya heat sink biasanya diproduksi menggunakan aluminium atau tembaga, dengan bahan yang ditentukan oleh aplikasi, intensitas panas, metode produksi, dan anggaran.

• Aluminium. Biasanya, produsen heat sink menggunakan aluminium 1050, 6060, 6061, atau 6063. Yang pertama sangat kondusif secara termal tetapi kurang kuat, sedangkan tiga sisanya kurang kondusif tetapi menawarkan sifat mekanik yang lebih kuat. Untuk efisiensi biaya, heat sink yang paling terjangkau diproduksi menggunakan paduan aluminium.
• Tembaga. Tembaga memberikan konduktivitas termal yang sangat baik. Memang, ini dua kali lebih kondusif dari aluminium. Selain itu, tahan korosi, tahan antimikroba, dan menawarkan sifat lain yang diinginkan. Itulah sebabnya heat sink tembaga dianggap kelas atas, lebih mahal daripada heat sink aluminium dan umumnya lebih sulit untuk diproduksi.

Bagaimana Heat Sink Dibuat?

Pembuatan heat sink melibatkan beberapa proses dan teknologi produksi, seperti ekstrusi aluminium, die casting, atau penggilingan CNC. Mereka biasanya diproduksi menggunakan:

• Penggilingan. Penggilingan adalah proses pengurangan bahan dari benda kerja kosong. Ini juga merupakan cara yang terjangkau untuk menghasilkan heat sink lebih cepat.
• Ekstrusi. Ini adalah proses memaksa billet logam panas melalui die baja. Ekstrusi adalah cara paling umum saat membuat heat sink, karena dianggap cepat, efektif, dan, karenanya, lebih ekonomis.
• Mentransmisi. Pengecoran melibatkan penuangan logam cair ke dalam cetakan, dan merupakan cara populer lainnya untuk membuat heat sink tembaga dan aluminium. Heat sink semacam itu memiliki tingkat kerumitan yang lebih tinggi dan memberikan sifat mekanik yang lebih baik.
• Meluncur. Atau dikenal sebagai scarfing, skiving adalah proses memotong bahan menjadi irisan. Skiving biasanya digunakan saat memproduksi heat sink sirip pelat dan sirip melebar, menawarkan penempatan sirip yang lebih tipis dan lebih presisi.
• Pencetakan 3D. Heat sink cetak 3D telah menjadi alternatif yang layak untuk rekan-rekan mereka yang diproduksi secara tradisional. Alasan utamanya adalah kemajuan terbaru dalam pembuatan aditif tembaga, yang membuat pencetakan 3D menjadi metode yang lebih terjangkau saat membuat heat sink.

Faktor Apa yang Mempengaruhi Kinerja Heat Sink?

Beberapa faktor dapat memengaruhi kinerja heat sink dan apakah heat sink dapat secara efektif menghilangkan panas dari komponen tertentu (misalnya, CPU atau GPU). Variabel tersebut adalah:

• Ukuran unit pendingin,
• Konduktivitas termal bahan unit pendingin (aluminium vs. tembaga),
• Bentuk, volume, dan susunan sirip,
• Kecepatan aliran udara,
• Ukuran saluran antar sirip.

Performanya juga dapat bergantung pada jenis heat sink. Heat sink aktif dianggap lebih efektif, oleh karena itu biasanya digunakan pada perangkat yang membutuhkan pendinginan lebih cepat.

Pengambilan Penting

Semoga, setelah membaca panduan kami, Anda memiliki pemahaman yang lebih baik tentang betapa pentingnya heat sink dan cara kerjanya. Ukurannya mungkin kecil, tetapi dampaknya terhadap kinerja perangkat listrik atau mekanis luar biasa, mencegahnya dari panas berlebih dan memastikan kinerjanya setinggi mungkin.