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• Saahian Lopez

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Resistencia De Contacto Con Interfaz Imagine dos barras sólidas en contacto como se indica en la Fig. 2-14, con sus lados aislados de manera que el calor sólo fluye en la dirección axil. Los materiales pueden tener conductividad térmica diferente, pero si los lados se encuentran aislados, el flujo de calor debe ser el mismo a través de los dos materiales bajo condiciones de estado estacionario. La experiencia demuestra que el perfil de temperatura real a través de los dos materiales varía aproximadamente como se muestra en la Fig. 2-14b. Se dice que la caída de temperatura en el plano 2, el plano de contacto entre los dos materiales, es el resultado de una resistencia térmica de contacto. Realizando un balance de energía sobre los dos materiales obtenemos

Fig. 2-14 Ilustraciones del efecto de la resistencia térmica de contacto: (a) situación física; (b) perfil de temperatura.

En donde a la cantidad l/hcA se le llama resistencia térmica de contacto y a hc, se le llama coeficiente de contacto. Este factor puede ser muy importante en numerosas aplicaciones, debido a la cantidad de situaciones de transferencia de calor que involucran la unión mecánica de dos materiales. El mecanismo físico de la resistencia de contacto se puede entender mejor examinando con mayor detalle una unión, tal como se muestra en la Fig. 2-15. Para llevar a cabo el estudio se ha exagerado la rugosidad real de la superficie. Ninguna superficie real es completamente lisa, y se cree que la rugosidad real de una superficie desempeña un papel fundamental en la determinación de la resistencia de contacto. Existen dos contribuciones importantes a la transferencia de calor en la unión: 1 La conducción de sólido a sólido en los puntos de contacto. 2 La conducción a través de gases atrapados en los espacios vacíos creados por el contacto.

Se cree que el segundo factor representa la mayor resistencia al flujo de calor, ya que la conductividad térmica del gas es bastante pequeña en comparación con la de los sólidos. Designando con A, el área de contacto y con A, el área vacía, podemos escribir para el flujo de calor a través de la unión

En donde Lg es el espesor del espacio vacío y kf la conductividad térmica del fluido que ocupa el espacio hueco. El área de sección transversal total de las barras es A. Resolviendo para hc, el coeficiente de contacto, obtenemos Fig. 2-15 Modelo de unión rugosa Para el análisis de resistencia térmica De contacto.

En la mayor parte de los casos, el fluido que llena los espacios vacíos es aire y k, es pequeña comparada con kA y kB. Si el área de contacto es pequeña, la mayor resistencia térmica resulta de los espacios vacíos. El principal problema en esta teoría simple está en que la determinación de los valores efectivos de Ac, Ar, y Lg para las superficies en contacto es extremadamente difícil. Del modelo precedente, podemos sacar como conclusiones tentativas: 1 La resistencia de contacto debería aumentar con una reducción en la presión del gas ambiente, cuando la presión disminuye por debajo del valor en el que la trayectoria libre media es grande, comparada con una dimensión característica del espacio vacío, ya que en esta condición la conductancia del gas atrapado disminuirá 2 La resistencia de contacto debería reducirse con un incremento en la presión de la unión, ya que esto da por resultado una deformación de los puntos importantes de las superficies en contacto, creando así un área de contacto mayor entre los sólidos.

Resistencia de Contacto. Cuando dos diferentes superficies conductoras se ponen en contacto (fig.3), se presenta una resistencia adicional: la resistencia de contacto. Como las superficies no son perfectamente pulidas, en medio de capa de aire que provoca una caída de la temperatura adicional. Esa caída de temperatura se representa, también como una nueva resistencia en el circuito térmico. Ellas siempre existirá una pequeña Suponga que el sistema de la figura 3 representa las distintas etapas de disipación de potencia de un circuito electrónico (chip) cuya temperatura de operación está representada por T2. Si la temperatura T1 es fija y se conoce la cantidad de calor qk que disipa el chip, la existencia de una resistencia de contacto, provoca el aumento de la resistencia térmica del sistema y por lo tanto el aumento de la temperatura T2. Para evitar este inconveniente, entre el chip y el disipador, entre las diferentes etapas de disipación, se coloca una resina conductora que disminuye la resistencia de contacto y por lo tanto la caída de temperatura (T2’ – T1’) que ella produce.

La resistencia de contacto se considera como dos resistencias paralelas: la que se debe a los puntos de contacto y la de los huecos. El área de contacto es normalmente

pequeña y, en especial para superficies rugosas, la contribución principal a la resistencia la realizan los huecos. Para solidos cuyas conductividades térmicas exceden la del fluido de la interfaz, la resistencia de contacto también se reduce con la selección de un fluido en la interfaz de conductividad térmica grande. A este respecto, quita el fluido (interfaz al vacío) elimina la conducción a través del hueco, con lo que aumenta la resistencia de contacto. Aunque existen teorías para predecir R’’ t.e los resultados más confiables son los que se han obtenido de manera experimental. El efecto de presionar interfaces metálicas se ve en la tabla 3. 1ª, que presenta un rango aproximado de resistencias térmicas en condiciones de vacío. El efecto del fluido de interfaz sobre la resistencia térmica de interfaz de aluminio se muestra en la tabla 3.1b Contrariamente a los resultados de la tabla 3.1 muchas aplicaciones implican contacto entre solidos diferentes y/o una amplia gama de posibles materiales intersticiales.

Cual sustancia intersticial que llene el hueco entre superficies en contacto, y cuya conductividad térmica exceda la del aire, hará disminuir la resistencia de contacto. Dos clases de materiales adecuados para este propósito son los metales suaves y las grasas térmicas. Los metales, que incluyen indio, plomo, estaño y plata, se insertan como una hoja delgada o aplican a modo de recubrimiento delgado a unos de los materiales base. La grasa térmicas basadas en silicio son atractivas porque tienen la capacidad de llenar por completo los intersticios con un material cuya conductividad térmica es 50 veces la del aire.

A diferencia de las interfaces precedentes, que no son permanentes, muchas interfaces implican uniones permanentes. La unión podría formarse con una de aleación oro/estaño. Debido a las resistencias del interfaz entre los materiales base y de unión, la resistencia térmica real de la unión excede el valor teórico (L/k) calculando a partir del espesor L y la conductividad térmica k del material del unión. La resistencia térmica de las uniones epoxicas y soldadas también resulta afectada de forma adversa por vacíos y grietas, que se forman durante la fabricación o como resultado de ciclos térmicos durante la operación normal.

BIBLIOGRAFÍA

1. Principios

de transferencia de calor - F. Kreith & M.S. Bohn - Thomson Learning - ISBN: 970-686-063-0 - 6ta edición

2. Fundamentos de transferencia de calor y masa - F.P. Incropera & D.P. de Witt - John Wyley & Sons - ISBN: 0-471-51729-1 - 3era edición

3. Transferencia

De Calor J. P. Holman Décima Reimpresión México, 1999 Compañía Editorial Continental, S.A. De C.V. México.

4. Departamento De Ingeniería Eléctrica Y Energética Universidad De Cantabria Ingeniería Térmica Y De Fluidos Pedro Fernández Díez

5. Universidad Nacional Experimental “Francisco De Miranda” Departamento De Energética Fenómenos De Transporte Fundamentos De Transferencia De Calor Realizado Por: Prof. Pedro Vargas Disponible En: Www.Fenomenosdetransporte.Wordpress.Com