Dasar-dasar Pendingin:Pengertian, Pengoperasian, Komponen, Jenis, dan Aplikasi

Heat sink adalah alat yang digunakan untuk memindahkan panas dari sumber panas ke lingkungan sekitar. Perpindahan panas dicapai melalui kombinasi konduksi, konveksi, dan, pada tingkat lebih rendah, radiasi. Unit pendingin biasanya memiliki alas dengan banyak sirip di atasnya, yang dirancang untuk meningkatkan luas permukaan perpindahan panas ke cairan di sekitarnya. Pendinginan dapat dilakukan secara pasif (menggunakan konveksi alami) atau secara aktif (dengan konveksi paksa dari kipas atau pompa).

Artikel ini akan menjelaskan apa itu heat sink, cara kerjanya, berbagai komponen yang membentuk heat sink, dan beberapa aplikasi umum heat sink.

Apa itu Pendingin?

Heat sink adalah jenis penukar panas yang digunakan untuk mentransfer panas dari perangkat penghasil panas atau sumber panas ke cairan di sekitarnya. Fluida ini biasanya berupa udara, namun bisa juga berupa air dalam loop tertutup atau fluida transfer termal non-konduktif khusus, seperti campuran glikol atau minyak dielektrik. Pendinginan dapat terjadi secara pasif melalui konveksi alami atau secara aktif melalui aliran udara paksa, biasanya dari kipas angin. Heat sink umumnya terbuat dari tembaga atau aluminium.

Seperti Apa Bentuk Unit Pendingin?

Jenis heat sink yang umum ditunjukkan pada Gambar 1 di bawah:

Ilustrasi yang menunjukkan cara kerja unit pendingin

Bagaimana Cara Kerja Unit Pendingin?

Unit pendingin menggunakan prinsip perpindahan panas konduktif, konvektif, dan radiasi untuk memindahkan panas dari sumber yang lebih panas ke cairan bersuhu lebih rendah. Panas dialirkan dari sumber ini ke dalam bak cuci. Unit pendingin terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi, seperti tembaga atau aluminium, sehingga dapat dengan cepat menghantarkan panas keluar dari sumbernya. Panas ini kemudian berpindah dari wastafel ke fluida sekitarnya melalui konveksi dan radiasi. Laju perpindahan panas meningkat dengan adanya luas permukaan yang besar yang bersentuhan dengan fluida penukar panas. Luas permukaan dapat ditingkatkan secara signifikan dengan memotong sirip pada bahan dasar unit pendingin.

Bergantung pada kebutuhan pendinginan, unit pendingin berfungsi melalui konveksi alami (pendinginan pasif) atau konveksi paksa yang disediakan oleh kipas atau pompa cairan (pendinginan aktif).

Apa Tujuan dari Pendingin?

Unit pendingin dirancang untuk membuang panas terbuang yang disebabkan oleh pengoperasian perangkat listrik atau mekanis. Limbah panas ini dapat terakumulasi dan menyebabkan kegagalan atau menurunkan kinerja jika tidak dihilangkan.

Apa Saja Komponen Utama Unit Pendingin?

Unit pendingin adalah perangkat yang relatif sederhana. Di bawah ini tercantum lima komponen yang membentuk unit pendingin pada umumnya:

1. Dasar

Basis heat sink biasanya berupa blok datar atau lembaran material dengan konduktivitas termal yang sangat baik. Basis biasanya memiliki ketebalan penampang yang konsisten, namun juga dapat dirancang untuk memiliki profil penampang yang mengoptimalkan perpindahan panas untuk geometri spesifik sumber panas. Basis biasanya dipasang ke sumber panas dengan perangkat keras pemasangan dan pasta termal.

2. Sirip

Sirip yang menonjol dari dasar unit pendingin bertanggung jawab atas perpindahan panas ke cairan di sekitarnya. Sirip ini meningkatkan luas permukaan unit pendingin yang bersentuhan dengan udara atau cairan pendingin, sehingga meningkatkan laju pembuangan panas.

Sirip dapat menjadi bagian integral dari alasnya atau dapat dipasang secara terpisah menggunakan berbagai teknik, misalnya melalui proses kompresi. Bentuk dan susunan sirip dapat meningkatkan laju perpindahan panas secara signifikan.

3. Pipa Panas

Pipa panas dirancang untuk memindahkan panas sepanjang porosnya. Pipa panas dapat dimasukkan ke dalam unit pendingin standar dan penyebar panas melalui pemasangan tekan, penyolderan, dan epoksi konduktif termal untuk meningkatkan efisiensi perpindahan panasnya. Mereka bekerja dengan mentransfer panas melalui mekanisme perubahan fasa yang menyebabkan cairan menguap di sumber panas, kemudian bergerak sepanjang sumbu pipa panas ke titik di mana cairan tersebut mendingin dan berubah kembali menjadi cairan melalui kondensasi.

4. Bahan Antarmuka Termal

Bahan antarmuka termal, atau pasta termal, digunakan untuk meningkatkan perpindahan panas secara signifikan antara sumber panas dan dasar unit pendingin dengan mengisi rongga udara antara sumber panas dan unit pendingin. Udara merupakan konduktor panas yang buruk, sehingga mengisi celah udara dengan bahan yang lebih konduktif termal akan meningkatkan efisiensi pendinginan heat sink. Pasta termal dapat berbahan dasar keramik, oksida logam, atau silikon. Pasta termal berbahan dasar logam menawarkan konduktivitas termal yang tinggi namun bersifat konduktif secara elektrik dan harus digunakan dengan hati-hati di dekat komponen sensitif.

5. Memasang Perangkat Keras

Unit pendingin dapat dipasang dengan aman ke sumber panas targetnya menggunakan sejumlah metode pemasangan berbeda. Untuk unit pendingin yang lebih kecil, perekat dengan konduktivitas termal tinggi digunakan untuk menempelkan unit pendingin secara langsung ke sumber panas. Metode ini biasanya digunakan pada komponen PCB yang lebih kecil. Untuk unit pendingin yang lebih besar, sekrup biasa dapat digunakan, atau sebagai alternatif, pin penekan pegas digunakan untuk mengoptimalkan tekanan kontak antara sumber panas dan unit pendingin.

Terbuat dari Bahan Apa Heat Sink?

Unit pendingin terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi. Yang paling umum tercantum di bawah ini.

1. Aluminium:Aluminium adalah bahan ringan dan murah dengan konduktivitas termal yang baik. Biasanya digunakan pada unit pendingin perangkat elektronik, seperti komputer dan lampu LED.
2. Tembaga:Tembaga memiliki konduktivitas termal yang sangat baik dan dapat digunakan pada komponen yang lebih sensitif seperti CPU komputer.
3. Paduan Aluminium:Aluminium murni lunak dan sulit dikerjakan, sehingga paduan aluminium sering digunakan. Paduan dengan kemurnian tinggi seperti 1050 mempertahankan konduktivitas termal yang sangat baik, sedangkan paduan yang lebih kuat seperti 6061 menawarkan kekuatan mekanik yang lebih baik dengan mengorbankan konduktivitas termal yang lebih rendah.
4. Grafit:Bentuk grafit rekayasa tertentu, seperti grafit pirolitik, memiliki konduktivitas termal dalam bidang yang sangat tinggi, menyaingi atau melampaui tembaga, dan jauh lebih ringan. Namun, grafit curah atau isotropik memiliki kinerja termal yang lebih rendah.
5. Berlian:Berlian memiliki konduktivitas termal yang jauh lebih tinggi dibandingkan tembaga dan digunakan dalam aplikasi semikonduktor khusus. Namun, biayanya yang tinggi membatasi penggunaan khusus seperti penyebar panas berperforma tinggi atau pendingin dioda laser.

Apa saja Jenis Unit Pendingin?

Ada tiga tipe dasar heat sink. Hal tersebut dijelaskan secara lebih rinci di bawah ini:

1. Heat Sink Pasif

Heat sink pasif adalah jenis heat sink yang paling sederhana. Ini hanyalah alas dengan sirip. Panas berpindah terutama melalui konveksi alami. Saat udara di sekitar sirip memanas melalui konduksi, udara panas naik, menyebabkan udara dingin menggantikannya. Ini adalah proses yang berkesinambungan. Jenis heat sink ini bukan yang paling efektif.

2. Pendingin Hibrida

Unit pendingin hibrid menggunakan sistem kontrol untuk memutuskan kapan menggunakan perilaku pasif atau aktif. Ketika sumber panas menghasilkan tingkat panas yang rendah, kipas atau pompa tidak dihidupkan, karena konveksi alami cukup untuk memindahkan jumlah panas yang diperlukan dari sumber panas. Jika konveksi alami tidak mencukupi, kipas akan diaktifkan, dan konveksi paksa membantu meningkatkan jumlah panas yang dipindahkan dari sumbernya.

3. Pendingin Aktif

Unit pendingin aktif memanfaatkan konveksi paksa untuk memindahkan panas. Ketika kipas atau pompa menyebabkan aliran fluida di atas unit pendingin, aliran konstan ini terus menggantikan fluida panas di sekitar unit pendingin dengan fluida yang lebih dingin. Semakin tinggi laju aliran, semakin tinggi laju perpindahan panas. Heat sink aktif lebih efektif dibandingkan heat sink pasif.

Apa Saja Aplikasi Pendingin?

Unit pendingin digunakan di mana pun limbah panas berpotensi merusak peralatan. Beberapa contoh tercantum di bawah ini:

1. Prosesor Komputer

Prosesor komputer (CPU) menghasilkan limbah panas dalam jumlah besar selama pengoperasian. CPU sering kali menggunakan sistem pendingin aktif dengan heat sink tembaga untuk mengatur beban panas yang tinggi selama pengoperasian. CPU keren dapat beroperasi lebih efektif.

2. Pencahayaan LED

Lampu LED tidak mengeluarkan banyak pancaran panas seperti lampu pijar, namun sambungan LED itu sendiri menghasilkan energi panas yang signifikan selama pengoperasian. Panas ini harus dibuang, biasanya melalui heat sink pasif pada LED yang lebih kecil.

3. Elektronika Daya

Elektronika daya seperti konverter AC-DC menghasilkan limbah panas dari komponen seperti MOSFET dan pengatur tegangan. Unit pendingin aluminium biasanya digunakan dalam aplikasi ini, terkadang dikombinasikan dengan kipas aktif untuk beban termal yang lebih berat.

4. Industri Otomotif

Selain heat sink yang digunakan pada sirkuit kendali kendaraan, heat sink juga digunakan untuk menjaga motor listrik tetap dingin selama pengoperasian serta untuk mendinginkan pengisi daya di dalam kendaraan listrik.

5. Industri Dirgantara

Sistem dirgantara menggunakan heat sink di sirkuit kontrol dan elektronik di dalam pesawat. Di pesawat ruang angkasa, yang tidak memiliki atmosfer untuk konveksi, unit pendingin khusus memancarkan panas ke ruang angkasa menggunakan permukaan dengan emisivitas tinggi dan sering kali menyertakan pipa panas untuk mengangkut panas ke radiator.

6. Elektronik Konsumen

Barang elektronik konsumen memanfaatkan heat sink secara ekstensif untuk menjaga perangkat tetap dingin dan beroperasi secara efisien. Contoh umum termasuk unit pendingin di komputer dan ponsel.

Perangkat Apa di Komputer yang Menggunakan Pendingin?

Banyak komponen di dalam komputer yang menggunakan heat sink. Misalnya, CPU (unit pemrosesan pusat) dan GPU (unit pemrosesan grafis) biasanya menggunakan heat sink untuk meningkatkan efisiensi dan masa pengoperasian. Modul RAM berkinerja tinggi dan komponen internal PSU juga dapat dilengkapi heat sink, tergantung pada kebutuhan termal. Masing-masing SMD (perangkat yang dipasang di permukaan) pada motherboard juga dapat menggunakan unit pendingin kecil agar tetap dingin.

Bagaimana Saya Memilih Unit Pendingin yang Tepat untuk Aplikasi Saya?

Untuk memilih unit pendingin yang tepat untuk aplikasi Anda, penting untuk memahami berapa banyak panas yang akan dihasilkan perangkat Anda, serta lingkungan di mana perangkat akan beroperasi. Setelah hal ini diketahui, unit pendingin dapat dirancang dengan menghitung laju perpindahan panas yang diperlukan untuk menjaga perangkat Anda pada suhu optimal, lalu merancang konfigurasi unit pendingin untuk mencapai suhu tersebut.

Apa Manfaat Heat Sink?

Di bawah ini tercantum beberapa manfaat umum menggunakan unit pendingin:

1. Peningkatan Keandalan:Unit pendingin membantu menjaga suhu pengoperasian tetap konsisten, sehingga membantu meningkatkan keandalan perangkat.
2. Masa Pakai yang Diperpanjang:Unit pendingin menghilangkan limbah panas dari perangkat yang dapat mengurangi masa pakainya.
3. Peningkatan Kinerja:Perangkat seperti CPU, misalnya, beroperasi paling efektif saat dingin. Unit pendingin yang efektif dapat meningkatkan kinerja perangkat.
4. Pengurangan Kebisingan:Jika unit pendingin pasif dapat digunakan, kipas pendingin mungkin tidak diperlukan. Hal ini pada akhirnya akan mengurangi kebisingan perangkat.
5. Penghematan Biaya:Unit pendingin meningkatkan manajemen termal, yang dapat memperpanjang masa pakai komponen dan mengurangi kebutuhan sistem pendingin tambahan, sehingga berkontribusi terhadap potensi penghematan dalam desain sistem dan biaya pemeliharaan.

Apa Batasan Heat Sink?

Di bawah ini tercantum beberapa batasan umum penggunaan unit pendingin:

1. Kapasitas Pendinginan Terbatas:Karena keterbatasan ruang dan material, unit pendingin hanya dapat menghilangkan panas pada laju tertentu. Mencoba membuat heat sink yang akan menghilangkan lebih banyak panas dengan lebih cepat menjadi tidak praktis dan tidak ekonomis.
2. Keterbatasan Ruang:Dalam beberapa kasus, ruang yang dibutuhkan untuk unit pendingin yang sesuai bisa lebih besar dari ruang yang tersedia.
3. Persyaratan Perawatan:Unit pendingin, terutama di bagian dalam PC, sering kali mengumpulkan debu. Mereka harus dibersihkan secara teratur untuk mencegah penurunan laju perpindahan panas.
4. Kebisingan:Unit pendingin aktif mungkin memerlukan kipas yang berisik agar dapat beroperasi secara efektif. Bahkan kipas yang senyap pun akan menambah tingkat kebisingan.
5. Biaya:Unit pendingin tembaga efektif namun mahal dan mungkin tidak layak secara ekonomi untuk perangkat tersebut. Tersedia material yang lebih murah seperti aluminium, tetapi mungkin tidak memiliki performa yang sama seperti tembaga.

Apa Saja Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Unit Pendingin?

Performa unit pendingin dapat bergantung pada sejumlah faktor, seperti dijelaskan di bawah:

1. Konduktivitas Termal:Konduktivitas termal bahan pendingin adalah salah satu faktor terpenting yang memengaruhi kinerja. Bahan dengan konduktivitas termal lebih tinggi, seperti tembaga atau berlian, dapat memindahkan panas dari komponen elektronik dengan lebih efisien.
2. Desain Sirip:Peningkatan jumlah sirip umumnya meningkatkan perpindahan panas dengan meningkatkan luas permukaan, namun sirip yang terlalu padat dapat menghambat aliran udara dan mengurangi kinerja.
3. Aliran Udara:Panas dikeluarkan dari unit pendingin melalui aksi konveksi alami atau paksa. Semakin tinggi laju aliran udara di sekitar sirip unit pendingin, semakin tinggi pula laju perpindahan panas.
4. Ketahanan Termal:Ketahanan terhadap perpindahan panas pada antarmuka antara sumber panas dan unit pendinginnya dapat disebabkan oleh adanya celah udara antar komponen. Penggunaan pasta termal pada antarmuka membantu mengurangi hambatan termal dengan menghilangkan kantong udara isolasi.
5. Suhu Sekitar:Suhu lingkungan yang lebih tinggi akan menghasilkan gradien suhu yang lebih kecil antara sumber panas dan fluida di sekitarnya. Hal ini akan menurunkan kinerja unit pendingin.

Pertanyaan Umum Tentang Unit Pendingin

Apakah Heat Sink Menyebabkan Panas Merambat pada Pencetakan 3D?

Tidak, unit pendingin dirancang untuk menghilangkan panas yang merambat dalam pencetakan 3D. Ini memindahkan panas dari ujung panas ke udara sekitar dan mencegahnya merambat ke rakitan ekstruder.

Apa Perbedaan Antara Unit Pendingin dan Penyebar Panas?

Unit pendingin biasanya mencakup alas dan sirip serta membuang panas ke cairan di sekitarnya, sering kali dibantu oleh konveksi. Sebaliknya, penyebar panas tidak menghilangkan panas secara signifikan namun mendistribusikannya kembali ke area permukaan yang lebih besar untuk mengurangi titik panas lokal dan memfasilitasi perpindahan ke komponen pendingin lainnya, seperti unit pendingin, pelat dingin, atau sasis sistem.

Ringkasan

Artikel ini menyajikan heat sink, menjelaskan apa itu heat sink, dan membahas cara kerjanya. Untuk mempelajari lebih lanjut tentang unit pendingin, hubungi perwakilan Xometry.

Xometry menyediakan berbagai kemampuan manufaktur, termasuk pencetakan 3D dan layanan bernilai tambah lainnya untuk semua kebutuhan pembuatan prototipe dan produksi Anda. Kunjungi situs web kami untuk mempelajari lebih lanjut atau meminta penawaran gratis tanpa kewajiban.

Penafian

Konten yang muncul di halaman web ini hanya untuk tujuan informasi. Xometry tidak membuat pernyataan atau jaminan apa pun, baik tersurat maupun tersirat, mengenai keakuratan, kelengkapan, atau validitas informasi. Parameter kinerja apa pun, toleransi geometrik, fitur desain spesifik, kualitas dan jenis bahan, atau proses tidak boleh dianggap mewakili apa yang akan dikirimkan oleh pemasok atau produsen pihak ketiga melalui jaringan Xometry. Pembeli yang mencari penawaran suku cadang bertanggung jawab untuk menentukan persyaratan khusus untuk suku cadang tersebut. Silakan lihat syarat dan ketentuan kami untuk informasi lebih lanjut.

Dekan McClements

Dean McClements adalah lulusan B.Eng Honors di bidang Teknik Mesin dengan pengalaman lebih dari dua dekade di industri manufaktur. Perjalanan profesionalnya mencakup peran penting di perusahaan terkemuka seperti Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace, dan Hyster-Yale, tempat ia mengembangkan pemahaman mendalam tentang proses teknik dan inovasi.

Baca lebih banyak artikel oleh Dean McClements