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Resistência térmica de contacto

Qual é a resistência térmica de contacto?

A resistência térmica de contacto caracteriza a transferência de calor na interface entre dois sólidos.

A rugosidade da superfície é inevitável devido aos processos de fabrico e maquinagem, mas também devido às propriedades intrínsecas do material. Como resultado, nem toda a superfície dos dois sólidos está em contacto direto, mas apenas uma fração e, portanto, não está envolvida na transferência de calor.

As cavidades resultantes entre os sólidos são normalmente preenchidas com ar, um mau condutor de calor [1,2]. [1,2] Isto resulta num salto de temperatura na interface.

O seguinte aplica-se à resistência térmica de contacto específica:[1]

O seu valor recíproco é também referido como o coeficiente de contacto térmico. O quociente entre a resistência térmica de contacto específica rk e a área de contacto macroscópica A é designado por resistência térmica de contacto:

A unidade de resistência térmica de contacto é (K/W).

O que pode influenciar a resistência térmica de contacto?

Rugosidade da superfície dos sólidos
Pressão de contacto na superfície de contacto entre os dois sólidos
Preencher as cavidades entre as superfícies de contacto com melhores materiais condutores de calor, por exemplo:
- Géis, pastas, materiais de mudança de fase, películas, adesivos, materiais de interface térmica, etc.
Em geral, a combinação dos dois sólidos determina a resistência térmica de contacto

Um modelo altamente simplificado para o cálculo da resistência térmica de contacto pode ser configurado utilizando um modelo de resistência. O fluxo de calor é dividido em componentes sólidos e fluidos e tratado separadamente. Existem duas resistências ligadas em série no percurso sólido. A parte através do fluido é formada pelo ar fechado. O calor é transportado em paralelo através de ambos os canais, razão pela qual pode ser representado como um circuito paralelo no diagrama de circuito equivalente. (ver Figura 1)

Usando o diagrama do circuito equivalente e as regras conhecidas para calcular a resistência em circuitos em série e em paralelo, resulta a seguinte fórmula [1]:

com

Resistência térmica dos materiais 1.2 ou do ar em K/W

Aplica-se:

O modelo tem alguns pontos fracos. Em primeiro lugar, não tem em conta a transferência de calor sob a forma de radiação e, em segundo lugar, a espessura da camada limite δ e a parte da superfície nominal que participa na transferência de calor φ só são conhecidas nos casos mais raros.

Como posso medir a resistência térmica de contacto?

A resistência térmica de contacto pode ser medida, por exemplo, utilizando um “ Testador de Material de Interface Térmica ” (testador TIM), por exemplo. Se for utilizado um testador TIM para medir a impedância térmica de um material para diferentes espessuras, aplicando um fluxo de calor através da amostra.

A partir dos pontos de medição, pode ser calculada uma reta crescente através de uma regressão linear e a condutividade térmica pode ser determinada. A interceção da linha reta corresponde à resistência térmica de contacto entre o material e o bloco de medição. O bloco de medição pode, por exemplo, ser feito de latão ou de uma liga de cobre ou de alumínio liga de alumínio.

A Figura 2 apresenta um exemplo de uma medição deste tipo. Trata-se de uma medição da impedância térmica de uma amostra de VespelTM com uma dimensão de 25 mm x 25 mm e uma pressão de contacto aplicada de 1 MPa.
Neste exemplo, foram medidas amostras com uma espessura entre 1,1 mm e 3,08 mm.

Literatura:

[1] Griesinger, Andreas. Gestão térmica em eletrónica, Springer Berlin Heidelberg, 2019.

[2] Incropera, DeWitt, Bergmann, Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer.pdf”, John Wiley & Sons, 2017.

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