Berechnungen zum thermischen Widerstand verstehen

Ich habe zuvor verschiedene Gründe diskutiert, warum thermische Überlegungen zu einem Gerät nicht von zweitrangiger Bedeutung sind. Es gibt verschiedene Methoden für die Bearbeitung der thermischen Anforderungen eines Geräts, bevor es zu einem Problem wird. Einer meiner bekannten Kollegen, Ross Wilcoxon, leitender Maschinenbauingenieur bei Rockwell Collins, weiss viel darüber. Sein Artikel  „Eine auf Kalkulationstabellen basierende Matrix -Lösung für ein thermisches Widerstandsnetzwerk: Teil 1" wurde im Electronics Cooling, Herbst 2010 hervorgehoben und er beschreibt eine Methode mit Excel zur Modellbildung eines thermischen Widerstands. 

Meine neugierige Natur konnte es nicht lassen, den Artikel in Ruhe zu lassen.  Ich hatte dabei ein paar weitere Fragen. Ross war freundlich genug, um mir zu helfen.  

[Amanda Hartnett] Warum ist die Charakterisierung des thermischen Widerstands von jedem Material, das in einem Gerät verwendet wird, wichtig?   
 

[Ross Wilcoxon] Vielleicht ist es das nicht- manchmal bestimmt die beste Lektion aus der Analyse eines Widerstandsnetzwerkes  (oder aus jedem Modellbildungsversuch dafür) ,welche Dinge wirklich sehr wichtig für die endgültigen Ergebnisse sind (Komponententemperatur, Zuverlässigkeit, etc.) und die Dinge, die  nicht wichtig sind.  Zum Beispiel, wenn das Aluminiumchassis in einem System eine entscheidende Rolle beim gesamten thermischen Widerstand spielt und es einen großen Temperaturgradienten hat, dann ist es ziemlich wichtig, zu wissen, welche Legierung es ist, sodass man die Wärmeleitfähigkeit besser schätzen kann.  Auf der anderen Seite, wenn das Chassis sich ziemlich einheitlich bei der Temperatur verhält, dann weiss man genau, dass seine Wärmeleitfähigkeit wahrscheinlich nicht so wichtg ist.
 

[Amanda Hartnett] Welche Informationen werden vom Anbieter des Materials benötigt, um eine Analyse des Widerstandsnetzwerkes abzuschließen?
 

[Ross Wilcoxon] Natürlich ist die thermische Leitfähigkeit ein guter Anfang und wenn Sie eine Übergangsanalyse durchführen (ich plane, im Teil 3 der Serie darüber zu reden, was ich für Elektronikkühlung tun möchte), sind Informationen zur spezifischen Wärme und Dichte ziemlich wichtig. Für Interface-Materialien benötigt der gesamte Interface-Widerstand mehr als die Wärmeleitfähigkeit. In vielen Fällen wäre es wirklich schön, Daten nicht nur für nominale Werte, sondern auch für bestimmte Anzeichen von Unsicherheit zu erhalten.  Die Widerstände in einem thermischen Netzwerk können mithilfe der Zahlen des besten oder schlimmsten Falles genauso leicht berechnet werden wie sie mit nominalen Materialeigenschaften es können.  Es ist ziemlich einfach zwischen diesen Werten in der Tabelle zu wechseln und es ist ein guter Weg, um ein Gefühl dafür zu bekommen, wie wichtig die Kenntnis des genauen Wertes wirklich ist durch die Prüfung, wie Unterschiede zwischen den besten und schlechtesten Werten Auswirkungen auf die globalen Temperaturen haben.  Ich habe auch einige Monte Carlo- Simulationen, basierend auf einer Kalkulationstabelle ausgeführt, um die kumulativen Auswirkungen von Unsicherheit bei thermischen Lückenfüllern und einem thermischen Prüfstand zu erfahren. Für diese Art der Analyse braucht man einige Kenntnisse der Unsicherheit sowie der nominalen Werte.
 

[Amanda Hartnett] Könnte ein Modell wie dieses verwendet werden, um die Wirkung des Abbaus in einer einzigen Schicht zu charakterisieren?   

[Ross Wilcoxon] Ich denke, ich bin nicht sicher, was Sie meinen.  Wenn die Wirkung der einzelnen Schicht (ich nehme an, Sie meinen eine Wärmeleitpaste) in die Berechnung des thermische Widerstands einfließt, sicher - Sie können nur einen Faktor in der Gleichung anwenden, um etwas wie die Verwerfung zu erklären, und sagen, dass die effektive thermische Leitfähigkeit des Interface-Materials sich um X % verringert zur Bewertung der Auswirkungen auf die Gesamtwirkung.  Ich nehme an, es geht nur darum, wie kompliziert es ist, Material- und Geometrieparameter zum thermischen Widerstand umzuwandeln.
 

[Amanda Hartnett] Haben Sie bei einer typischen Kühlung festgestellt, dass eine Begrenzung wichtiger war als eine andere? 
 

[Ross Wilcoxon] In vielen Fällen ist die thermische Schlacht in den ersten mm des thermischen Pfads verloren (das Interface zwischen einer Komponente und was auch immer  ihm anhaftet - ich wette, Sie mögen die Antwort, huh?!), aber in vielen unserer Systeme befindet sich der Choke Point in den letzten mm (und bewegt die Wärme aus dem System heraus an die Umgebung).  Einer der großen Vorteile der Analyse des Netzwerkwiderstands ist die Tatsache, dass man die Widerstände sehr leicht einstellen kann, einschließlich dieser Randbedingungen, einfach indem man ein paar Zellen in der Tabellenkalkulation ändert. Dadurch kann ein gutes Gefühl dafür entstehen, welche Parameter die kritischsten sind und was besser verstanden werden muss.  Zum Beispiel im nächsten Artikel für Electronics Cooling (vorausgesetzt, dass ich ihn schreibe), plane ich, ein wenig von einer Analyse zu berichten, die ich für einige unserer Geräte durchgeführt habe, welche sich gemeinsam mit Geräten aus einer Reihe von anderen Anbietern im Missile Pod befanden.  Zum Zeitpunkt der Analyse wussten wir bestimmte Einzelheiten über Dinge wie die Oberflächenausführung, mit der wir unser Modul verbanden, die spezifische Legierungen des Missile Pods, etc. Ein Quick-look Analyse-Tool half uns zu bestimmen, welche Unbekannten wirklich entscheidend für die thermische Analyse waren, und wir konnten uns auf die Jagd nach den Informationen konzentrieren.
 

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Ross - Ich danke Ihnen für Ihre Zeit und für den Austausch von Wissen und Erfahrung !