Entender los cálculos de resistencia térmica

Anteriormente, discutí diversas razones por las cuales las consideraciones térmicas en un dispositivo no puede ser cosa de último minuto. Existen diversos métodos para manejar las necesidades térmicas de un dispositivo antes que se convierta en un problema. Uno de mis reconocidos colegas, Ross Wilcoxon, Ingeniero mecánico principal en Rockwell Collins, sabe mucho sobre eso. Su artículo, "una solución matricial basada en una hoja de cálculo para una red de resistencia térmica: parte 1" se destacó en Electronics Cooling, otoño 2010, y allí él discute un método mediante el uso de Excel para hacer modelado de resistencia térmica. 

Mi naturaleza inquisitiva no dejó que el artículo se destacara por si mismo. Tuve que añadir un par de preguntas más. Ross fue lo suficientemente amable como para ayudarme.  

[Amanda Hartnett] ¿Por qué es ta importante caracterizar la resistencia térmica de cada material utilizado en un dispositivo?  

[Ross Wilcoxon] Puede que no sea - a veces la mejor lección aprendida de un análisis de red de resistencia (o de cualquier esfuerzo de modelado para tal caso) es determinar qué cosas son realmente importantes para los resultados finales (temperatura de los componentes, fiabilidad, etc.) y cuales no lo son.  Por ejemplo, si el chasis de aluminio en un sistema juega un papel crítico en la resistencia térmica global y tiene un gradiente de temperatura grande, entonces es muy importante saber de qué aleación se trata para poder estimar mejor su conductividad térmica.  Por otro lado, si el chasis es más o menos uniforme en cuanto a temperatura, entonces, saber exactamente cuál es su conductividad térmica probablemente no importa tanto.

[Amanda Hartnett] ¿Qué información se necesita de los proveedores de los materiales para poder completar un análisis de red de resistencia?

[Amanda Hartnett] Obviamente, la conductividad térmica es un buen comienzo y si está haciendo un análisis transitorio (Espero hablar sobre eso en la parte 3 de la serie que haré sobre Enfriamiento de dispositivos electrónicos), la información sobre el calor específico y la densidad son bastante importantes.  Para los materiales de interfaz, la resistencia general de interfaz se necesita más que la conductividad térmica.  En muchos casos, sería muy bueno tener datos no solo para los valores nominales, sino también alguna indicación de incertidumbre.  Las resistencias en una red térmica se pueden calcular mediante el uso de cifras de mejor y peor tan fácil como se pueden calcular con las propiedades nominales del material.  Es bastante fácil cambiar entre esos valores dentro de la hoja de cálculo, además, es una buena manera de obtener un vistazo de la importancia de saber cuál es el valor preciso, mediante una mirada a la forma en que variar entre el mejor y el peor valor causa un impacto sobre las temperaturas en general.  Además, he generado unas cuantas simulaciones Monte Carlo basadas en hojas de cálculo para inmiscuirme en los efectos acumulativos de la incertidumbre sobre cosas como los rellenos de brechas y el banco de pruebas térmicas.  Para ese tipo de análisis, es necesario cierto entendimiento sobre la incertidumbre y los valores nominales.

[Amanda Hartnett] ¿Es posible utilizar un modelo como este para caracterizar el efecto de la degradación en una sola capa?

[Ross Wilcoxon] Supongo, no estoy seguro de lo que quiere decir con esto.  Si el efecto de una sola capa (supongo que quiere decir un material de interfaz térmica) se tiene en cuenta para el cálculo de la resistencia térmica, seguro, solo tiene que aplicar un factor en la ecuación que represente algo como el vaciado para decir que la conductividad térmica efectiva del material de interfaz disminuye en X% para evaluar cuánto impacta eso el efecto general.  Supongo que todo se trata de qué tan complicado es convertir los parámetros de material y de geometría en resistencia térmica.

[Amanda Hartnett] En una solución típica de enfriamiento, ¿ha encontrado que un limitante era más importante que otro?

[Ross Wilcoxon] En muchos casos, la batalla térmica se pierde en los primeros milímetros de la ruta térmica (la interfaz entre un componente y cualquier cosa que tenga adherida, apuesto que le gusta esa respuesta, ¿hum?) pero en una gran cantidad de nuestros sistemas el cuello de botella está en los últimos milímetros (mover el calor desde el sistema a los alrededores).  Uno de los grandes beneficios del análisis de resistencia en red es el echo de que se pueden ajustar con facilidad las resistencias, incluidas las condiciones limitantes, simplemente al cambiar un par de celdas en la hoja de cálculo. Esto puede dar una buena idea de cuales parámetros son los más críticos y que es necesario entender mejor.  Por ejemplo, en el próximo artículo para Electronics Cooling (asumiendo que lo escriba), pienso hablar un poco sobre un análisis que hice para algunos de nuestros equipos destinado a un silo de misiles con equipo de una cantidad de otros proveedores.  Al momento del análisis, no sabíamos ciertos detalles sobre cosas como el acabado de la superficie al cual estábamos adhiriendo nuestro módulo, las aleaciones específicas en el silo de misiles, etc.  Tener una herramienta de análisis rápido nos ayudó a determinar que aspectos desconocidos eran realmente críticos para el análisis térmico y poder concentrarnos en obtener dicha información.

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Ross - Gracias por tu tiempo y por compartir tu conocimiento y experiencia.