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¿Cuál es la resistencia térmica de contacto?
La resistencia térmica de contacto caracteriza la transferencia de calor en la interfase entre dos sólidos.
Debido a los procesos de fabricación y mecanizado, pero también a la propiedad intrínseca del material, la rugosidad en la superficie es inevitable. Como resultado, no toda la superficie de los dos sólidos está en contacto directo, sino sólo una fracción y, en consecuencia, no interviene en el transporte de calor.
Los huecos resultantes entre los sólidos suelen estar llenos de aire, un mal conductor del calor.[1,2] El resultado es un salto de temperatura en la interfase.
Para la resistencia térmica específica de contacto se aplica lo siguiente:[1]
Su valor recíproco también se denomina coeficiente de contacto térmico. El cociente de la resistencia térmica de contacto específica rk y el área de contacto macroscópica A se denomina resistencia térmica de contacto:
La unidad de resistencia térmica de contacto es □(K/W).
¿Qué puede influir en la resistencia térmica de contacto?
- Rugosidad superficial de los sólidos
- Presión de contacto en la superficie de contacto entre los dos sólidos
- Rellenar los huecos entre las superficies de contacto con mejores materiales conductores térmicos, como:
- geles, pastas, materiales de cambio de fase, láminas, adhesivos, materiales de interfaz térmica, etc.
- En general, la combinación de los dos sólidos determina la resistencia térmica de contacto
Se puede establecer un modelo muy simplificado para calcular la resistencia térmica de contacto utilizando un modelo de resistencia. El flujo de calor se divide en componentes sólido y fluido y se trata por separado. En la trayectoria sólida hay dos resistencias conectadas en serie. La parte que atraviesa el fluido está formada por el aire encerrado. El transporte de calor tiene lugar en paralelo a través de ambos canales, por lo que puede representarse como un circuito paralelo en el diagrama del circuito equivalente. (cf. Figura 1)
Con ayuda del esquema del circuito equivalente y de las reglas conocidas para calcular la resistencia en conexión serie y paralelo, se obtiene la siguiente fórmula [1]:
con
Resistencia térmica de los materiales 1,2 o del aire en K/W
Es válido:
El modelo tiene algunos puntos débiles.
En primer lugar, no tiene en cuenta la transferencia de calor en forma de radiación y, en segundo lugar, el espesor de la capa límite δ y la parte del área nominal que participa en la transferencia de calor φ sólo se conocen en los casos más raros.
¿Cómo se mide la resistencia térmica de contacto?
La resistencia térmica de contacto puede determinarse, por ejemplo, con ayuda de un «Comprobador de materiales de interfaz térmica» (comprobador TIM).
Un comprobador TIM mide la impedancia térmica de un material para distintos grosores aplicando un flujo de calor a través de la muestra.
Se puede determinar una línea recta creciente a partir de los puntos de medición mediante una regresión lineal, y la conductividad térmica se puede determinar a partir de su pendiente.
La intersección de la línea recta corresponde a la resistencia térmica de contacto entre el material y el bloque de medición.
Por ejemplo, la barra de medición puede ser de latón o de una aleación de cobre o aluminio.
En la figura 2 se muestra un ejemplo de dicha medición.
Se trata de una medición de la impedancia térmica de una muestra de VespelTM con un tamaño de 25 mm x 25 mm y una presión de contacto aplicada de 1 MPa.
En el ejemplo, se midieron muestras con un grosor de entre 1,1 mm y 3,08 mm.
Literatura:
[1] Griesinger, Andreas. Wärmemanagement in der Elektronik, Springer Berlin Heidelberg, 2019.
[2] Incropera, DeWitt, Bergmann, Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer.pdf», John Wiley & Sons, 2017.
