Comprendre les calculs de résistance thermique

J'ai déjà abordé les diverses raisons pour lesquelles les considérations thermiques dans un dispositif ne peuvent pas être des réflexions après coup. Il existe différentes méthodes pour manipuler les besoins thermiques d'un dispositif avant qu'il ne devienne un problème. Un de mes collègues bien connus, Ross Wilcoxon, ingénieur en mécanique principal chez Rockwell Collins, en sait beaucoup sur ce sujet. Son article, “ a spreadsheet based matrix solution for a thermal resistance network : partie 1 ” a été mis en évidence dans Electronics Cooling Fall 2010 et il a discuté d'un procédé utilisant Excel pour modéliser la résistance thermique.

Ma nature curieuse ne pouvait pas laisser l'article rester ainsi. Je devais aborder un peu plus de questions. Ross était assez accommodant pour me dépanner. 

[Amanda Hartnett] Pourquoi est-il important de caractériser la résistance thermique de chaque matériau utilisé dans un dispositif ?​

[Ross Wilcoxon] Ce n'est parfois pas nécessaire - parfois la meilleure leçon apprise à partir d'une analyse d'un réseau de résistances (ou de tout effort de modélisation, d'ailleurs) est de déterminer quelles choses sont vraiment importantes pour les résultats définitifs (température des composants, fiabilité, etc.) et qui choses ne le sont pas. Par exemple, si le châssis en aluminium dans un système joue un rôle critique dans la résistance thermique globale et a un grand gradient de température, alors il est très important de savoir de quel alliage il s'agit de sorte que vous pouvez mieux estimer sa conductivité thermique. D'un autre côté, si la température du châssis est à peu près uniforme, alors connaître exactement sa conductivité thermique est probablement de peu d'importance.

[Amanda Hartnett] Quelles sont les informations nécessaires à demander aux vendeurs de matériaux pour accomplir une analyse de réseau de résistances ? ​

Ross Wilcoxon] Évidemment, la conductivité thermique est un bon début et si vous faites une analyse transitoire (je prévois d'en parler dans la partie 3 de la série que je voudrais faire sur le refroidissement des composants électroniques), des informations sur la chaleur et la densité relatives sont assez importantes. Pour les matériaux d'interface, la résistance d'interface globale est plus utile que la conductivité thermique. Dans de nombreux cas, il serait vraiment agréable d'avoir des données non seulement pour les valeurs nominales, mais aussi une certaine indication de l'incertitude. Les résistances dans un réseau thermique peuvent être calculées en utilisant les meilleures ou les pires valeurs aussi facilement qu'avec les propriétés nominales des matériaux. Il est assez facile de basculer entre ces valeurs dans la feuille de calcul et on a un bon moyen d'avoir une idée de l'importance de connaître la valeur exacte en regardant comment les variations entre les meilleures et les pires valeurs ont des effets sur les températures globales. Aussi, j'ai fait quelques feuilles de calcul basées sur des simulations Monte Carlo pour prendre en compte les effets cumulatifs de l'incertitude dans des notions comme les remplisseurs thermiques de vides et un banc d'essai thermique. Pour ce type d'analyse, vous devez avoir une certaine compréhension de l'incertitude ainsi que des valeurs nominales.

[Amanda Hartnett] Un modèle comme celui-ci pourrait-il être utilisé pour caractériser l'effet de la dégradation dans le cas d'une couche unique ? ​

Ross Wilcoxon] Je ne suis pas certain de voir ce que vous voulez dire à ce sujet. Si l'effet de la couche unique (je suppose que vous voulez dire un matériau d'interface thermique) est pris en compte dans le calcul de la résistance thermique, alors vous pouvez simplement appliquer un facteur dans l'équation pour tenir compte de quelque chose comme une annulation pour dire que la conductivité thermique efficace du matériau d'interface diminue de X % pour évaluer son impact sur l'effet global. Je suppose que cela rend compte de la complexité que vous obtenez en convertissant les paramètres des matériaux et de la géométrie dans le calcul de la résistance thermique.

[Amanda Hartnett] Dans une solution de refroidissement typique, avez-vous trouvé qu'une des limites était plus critique que l'autre ?​

[Ross Wilcoxon] Dans beaucoup de cas, la bataille thermique est perdue dans le premier mm du chemin thermique (l'interface entre un composant et tout ce qui est en contact avec lui - Je vous parie que vous aimez cette réponse, hein ?!) mais dans un grand nombre de nos systèmes, le goulet d'étranglement est dans le dernier mm (déplacement de la chaleur du système à l'environnement). Un des grands avantages de l'analyse de la résistance d'un réseau est le fait que vous pouvez très facilement ajuster les résistances, y compris ces conditions aux limites, en changeant juste quelques cellules dans la feuille de calcul. Cela peut donner une bonne idée sur quels paramètres sont les plus critiques et sur ce qui doit être mieux compris. Par exemple, dans le prochain article sur le refroidissement des composants électroniques (en supposant que je vais l'écrire), je prévois de parler de l'analyse que j'ai faite sur certains de nos équipements destinés à une unité de missiles comparés avec l'équipement d'un certain nombre d'autres fournisseurs. Au moment de l'analyse, nous ne connaissions pas certains détails comme la finition de la surface sur laquelle nous allions fixer notre module, les alliages particuliers dans l'unité de missiles, etc. Disposer d'un outil d'analyse rapide nous a aidé à déterminer quelles inconnues étaient vraiment critiques pour l'analyse thermique et nous pouvions nous concentrer pour obtenir cette information.

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Ross - Je vous remercie de votre temps et de partager vos connaissances et votre expérience !