DISIPACIÓN TÉRMICA EN CARCASAS
MECATRÓNICAS FABRICADAS CON MATERIALES
DE BAJO COSTO BAJO DISTINTAS CONDICIONES
DE CONVECCIÓN NATURAL
VIABILITY OF EGG LAYING AND HATCHING RATE OF THE
MAYAN APPLE SNAIL POMACEA FLAGELLATA (SAY, 1827)
IN CAPTIVITY
Hernán Vinicio Morales Villegas
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Javier Conde Castillo
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Shannon Christinne Garzón Chiriboga
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Jhason Ariel Armijos Soto
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Lenin Gamaliel Yar Vallejo
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
pág. 2731
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v10i1.22422
Disipación Térmica en Carcasas Mecatrónicas Fabricadas con Materiales
de Bajo Costo Bajo Distintas Condiciones de Convección Natural
Hernán Vinicio Morales Villegas1
hvmorales@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0001-8211-1238
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Ecuador
Javier Conde Castillo
jeconde@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-3961-1855
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Shannon Christinne Garzón Chiriboga
scgarzon1@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-3902-3982
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Jhason Ariel Armijos Soto
Jaarmijos6@espe.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-3563-8691
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
Lenin Gamaliel Yar Vallejo
lgyar@espe.edu.ec
https://orcid.org/0009-0002-2963-2944
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE
RESUMEN
El incremento sostenido de la densidad de potencia en sistemas mecatrónicos ha vuelto crítica la
gestión térmica. Cuando el calor generado por microcontroladores, drivers, fuentes conmutadas o
módulos de potencia no se evacúa adecuadamente, la temperatura interna aumenta, se acelera el
envejecimiento de los componentes, se degradan soldaduras y encapsulados y crece la probabilidad de
fallas prematuras, comprometiendo la confiabilidad operativa. En este trabajo se desarrolla un modelo
teórico de transferencia de calor conjugada para analizar carcasas de bajo costo. El enfoque integra, de
manera acoplada, la conducción a través de las paredes de la carcasa y la convección natural del aire
contenido en su interior, representando el intercambio térmico entre sólido y fluido. Con base en este
marco se implementan simulaciones numéricas en SolidWorks Flow Simulation, definiendo
condiciones de operación representativas, materiales candidatos para la carcasa y fuentes de calor
equivalentes asociadas a los componentes. Los resultados permiten obtener mapas de temperatura y
gradientes térmicos, identificar rutas de flujo por flotabilidad, zonas de recirculación y regiones de
estancamiento, así como localizar puntos calientes críticos. Además, se evalúa el impacto del material
y del espesor de la carcasa sobre la resistencia térmica global y la eficiencia de disipación. Finalmente,
se derivan lineamientos de diseño: seleccionar materiales con mayor conductividad térmica, mejorar la
distribución interna para facilitar la circulación del aire y aplicar soluciones simples y económicas que
reduzcan la temperatura máxima sin incrementar de forma significativa el costo. Estos criterios sirven
como guía inicial para diseñar prototipos y comparar alternativas.
Palabras clave: transferencia de calor, convección natural, carcasas mecatrónicas, disipación térmica,
simulación numérica
1
Autor principal
Correspondencia: hvmorales@espe.edu.ec
pág. 2732
Thermal Dissipation in Mechatronic Enclosures Manufactured with Low-
Cost Materials under Different Natural Convection Conditions
ABSTRACT
The sustained increase in power density in mechatronic systems has made thermal management critical.
When the heat generated by microcontrollers, drivers, switched-mode power supplies, or power modules
is not properly removed, the internal temperature rises, component aging accelerates, solder joints and
packages degrade, and the likelihood of premature failures increases, compromising operational
reliability. In this work, a theoretical conjugate heat transfer model is developed to analyze low-cost
enclosures. The approach couples heat conduction through the enclosure walls with natural convection
of the air contained inside, representing the heat exchange between solid and fluid. Based on this
framework, numerical simulations are implemented in SolidWorks Flow Simulation, defining
representative operating conditions, candidate enclosure materials, and equivalent heat sources
associated with the components. The results make it possible to obtain temperature maps and thermal
gradients, identify buoyancy-driven flow paths, recirculation zones and stagnation regions, and locate
critical hot spots. In addition, the impact of the enclosure material and thickness on overall thermal
resistance and dissipation efficiency is evaluated. Finally, design guidelines are derived: selecting
materials with higher thermal conductivity, improving the internal layout to facilitate air circulation, and
applying simple, low-cost solutions that reduce the maximum temperature without significantly
increasing cost. These criteria serve as an initial guide for designing prototypes and comparing
alternatives.
Keywords: heat transfer, natural convection, mechatronic enclosures, thermal dissipation, numerical
simulation
Artículo recibido 10 diciembre 2025
Aceptado para publicación: 10 enero 2026
pág. 2733
INTRODUCCIÓN
La evolución de los sistemas mecatrónicos en las últimas décadas se ha caracterizado por una
integración cada vez mayor de funciones electrónicas, de control y de comunicación en volúmenes
reducidos. Esta tendencia, impulsada por la demanda de dispositivos más compactos, eficientes y con
mayores prestaciones, ha incrementado de manera significativa la densidad de componentes electrónicos
y, por ende, la generación de calor dentro de los ensamblajes. En aplicaciones industriales, educativas y
de prototipado, es común que estos sistemas se alojen en carcasas cerradas o semiselladas de bajo costo,
fabricadas con materiales poliméricos o metálicos delgados, donde el intercambio térmico con el
ambiente es limitado. En este escenario, la gestión térmica se convierte en un factor determinante para
garantizar el desempeño, la seguridad y la vida útil del sistema.
El sobrecalentamiento afecta directamente la confiabilidad: temperaturas elevadas aceleran procesos de
degradación en semiconductores, reducen la eficiencia de fuentes de alimentación, alteran la respuesta
de sensores y pueden provocar fallas en soldaduras, pistas o conectores. Además, el calentamiento local
(puntos calientes) genera esfuerzos térmicos por dilatación diferencial, lo que puede derivar en fisuras,
deformaciones o pérdida de contacto eléctrico. En consecuencia, el diseño térmico no debe considerarse
un aspecto secundario, sino un requisito esencial desde las etapas iniciales del desarrollo, especialmente
cuando se busca mantener costos bajos sin sacrificar robustez.
En muchas carcasas mecatrónicas económicas, la disipación se produce principalmente por dos
mecanismos: la conducción a través de las paredes del encapsulado y la convección natural del aire
interno, originada por diferencias de densidad asociadas al calentamiento. La convección natural,
aunque suele ser menos efectiva que la convección forzada, puede desempeñar un papel importante en
recintos cerrados, definiendo trayectorias de circulación, zonas de recirculación y regiones de aire
estancado que influyen en la distribución de temperaturas. Por otra parte, el material de la carcasa y su
geometría (espesor, área disponible, presencia de aletas, ventilaciones o superficies de contacto)
determinan la resistencia térmica global y el nivel de evacuación hacia el exterior.
Bajo este contexto, el presente trabajo propone el desarrollo de un modelo teórico de transferencia de
calor conjugada, que permita representar el acoplamiento entre la conducción en el sólido (carcasa) y la
convección en el fluido (aire interno). Sobre esta base, se implementan simulaciones numéricas en
pág. 2734
SolidWorks Flow Simulation para estudiar el comportamiento térmico de una carcasa representativa,
considerando condiciones de operación típicas y materiales alternativos. El objetivo es identificar
distribuciones térmicas, patrones de flujo por convección natural y la influencia del material en la
eficiencia de disipación, con el fin de establecer criterios prácticos y lineamientos de diseño aplicables
a carcasas mecatrónicas de bajo costo.
METODOLOGÍA
La metodología empleada en este estudio se basa en la construcción de un modelo tridimensional
representativo de una carcasa mecatrónica típica, diseñada en SolidWorks. La geometría corresponde a
un recinto cerrado de forma rectangular con dimensiones aproximadas de 100 × 80 × 50 mm, y paredes
de espesor uniforme de 2 mm, fabricadas conceptualmente con materiales de bajo costo. En el interior
se ubica un bloque sólido que representa un componente electrónico, ubicado en la zona central e
identificado como la fuente principal de calor. La configuración seleccionada reproduce condiciones
habituales en dispositivos mecatrónicos compactos de bajo costo, omitiendo ventilación forzada y
considerando únicamente mecanismos pasivos de transferencia térmica.
Para el análisis numérico se empleó SolidWorks Flow Simulation, configurado para resolver
transferencia de calor conjugada entre el sólido y el fluido. El dominio fluido corresponde al volumen
de aire confinado dentro de la carcasa, modelado como un fluido incompresible dependiente de la
temperatura bajo el enfoque de Boussinesq para capturar los efectos de flotabilidad. Se activó la
gravedad en dirección vertical para permitir la formación de plumas térmicas y se habilitó el régimen
laminar–turbulento automático, apropiado para las bajas velocidades característica de la convección
natural. La simulación se realizó en estado estacionario, considerando la conducción térmica en las
paredes de la carcasa y el intercambio de calor por convección natural, tanto en el interior del recinto
como en la superficie externa, con una temperatura ambiente fija como condición térmica de referencia.
El estudio considera variaciones en el material de la carcasa, evaluando polímeros económicos como
ABS y PLA, y comparándolos con una opción metálica de referencia. Las propiedades térmicas de cada
material fueron tomadas directamente de la biblioteca de SolidWorks, lo que garantiza consistencia en
la asignación de conductividad, capacidad calorífica y densidad. El componente electrónico interno se
representó mediante un bloque sólido al que se aplicó una potencia térmica constante de 2 W, definida
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como una fuente de calor volumétrica. Adicionalmente, se incorporaron variaciones en el espesor de las
paredes de la carcasa con el fin de analizar la sensibilidad del sistema frente a cambios geométricos,
manteniendo fija la potencia térmica y las dimensiones generales del modelo.
La malla computacional se generó mediante el algoritmo de refinamiento adaptativo de SolidWorks
Flow Simulation, estableciendo un tamaño base moderado y aplicando refinamientos adicionales en
regiones asociadas a gradientes térmicos elevados, particularmente en la superficie del componente
interno y en las paredes laterales de la carcasa. La convergencia se verificó mediante la estabilidad de
los residuos globales y el cumplimiento de un criterio de variación menor al 1 en la temperatura máxima
del dominio. Una vez alcanzado el estado estacionario, se extrajeron los campos completos de
temperatura, los patrones de movimiento del aire inducidos por flotabilidad y las temperaturas
superficiales para cada configuración material evaluada, permitiendo caracterizar el comportamiento
térmico bajo condiciones de convección natural.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Modelo de capacidad concentrada del componente electrónico
Se modela el componente electrónico interno como un sistema de capacidad concentrada con
temperatura uniforme T(t), sometido a una potencia térmica constante Q y a pérdidas de calor por
convección global hacia el entorno. El balance de energía del sistema se expresa como:
donde C es la capacidad térmica total del componente, h es el coeficiente global de convección, A es el
área efectiva de disipación y es la temperatura ambiente.
La capacidad térmica total del componente se obtiene a partir de la expresión:
donde rho es la densidad del material, es el calor específico y V es el volumen del componente.
Suponiendo:
pág. 2736
se obtiene:
La ecuación diferencial 1 del sistema puede reescribirse como:
Que es la expresión es la utilizada para la integración numérica en el código de simulación.
En estado estacionario, se cumple que:
por lo que el balance de energía se reduce a:
De donde se obtiene la temperatura de equilibrio del componente:
Suponiendo una potencia térmica , un área de disipación y una temperatura
ambiente , se obtiene:
Temperaturas de equilibrio para distintos valores de h:
El modelo permite además definir una constante de tiempo térmica que caracteriza la velocidad de
respuesta del sistema:
Para los mismos valores de C y A se obtiene:
pág. 2737
Estos resultados evidencian que un mayor coeficiente global de convección reduce tanto la temperatura
de equilibrio como el tiempo característico de calentamiento del componente electrónico.
Modelo unidimensional de la pared de la carcasa
Se considera una pared plana de la carcasa de espesor L, sometida a un flujo de calor conocido en la
cara interna y a convección en la cara externa. En régimen estacionario y sin generación interna, la
conducción unidimensional se describe mediante la ecuación:
cuya solución general es lineal:
En la cara interna de la pared se impone un flujo de calor
hacia la pared:
Dado que:
se obtiene:
En la cara externa (x=L) se considera convección con el ambiente:
Sustituyendo el valor del gradiente térmico, resulta:
El perfil de temperatura en la pared queda finalmente definido como:
pág. 2738
Lo que muestra explícitamente la dependencia del gradiente térmico con la conductividad k del
material.
La temperatura en la cara externa resulta:
La caída de temperatura a través de la pared debida a la conducción se define como:
Para distintos materiales de la carcasa, por ejemplo
Para distintos materiales se obtiene:
La temperatura en la cara interna se obtiene como
pág. 2739
obteniéndose:
Si bien los valores absolutos dependen de los parámetros seleccionados ilustran que una menor
conductividad térmica (k) produce gradientes mas pronunciados y mayores temperaturas internas,
mientras que un material altamente conductivo como el aluminio minimiza la caída de temperatura en
la pared y favorece una disipación más eficiente del calor.
Análisis de simulación
Los casos simulados consistieron en la evaluación de tres configuraciones materiales para las paredes
de la carcasa: ABS, PLA y aluminio 6061, manteniendo constantes la geometría, el espesor base y la
potencia térmica aplicada al componente interno. Cada simulación se ejecutó en estado estacionario bajo
condiciones de convección natural, con el objetivo de aislar los efectos de la conductividad térmica del
material en la disipación de calor.
El análisis se centró en la evaluación de la temperatura máxima del volumen interno, los gradientes
térmicos establecidos entre el componente y las paredes, y la magnitud de las velocidades inducidas por
flotabilidad. Asimismo, se cuantificaron las variaciones del coeficiente local de convección y las
temperaturas superficiales distribuidas en la carcasa, permitiendo relacionar las propiedades térmicas de
cada material con la eficiencia global del mecanismo de disipación.
Con base en los principios de transferencia de calor, se espera que el aluminio presente menores
resistencias térmicas, facilitando un flujo de calor más efectivo hacia la superficie externa y reduciendo
los gradientes internos. En contraste, los polímeros con baja conductividad restringen el transporte de
energía, generando mayores temperaturas internas y patrones de convección natural más intensos en el
volumen interno.
pág. 2740
Ilustración 1. Distribución de temperatura en la pared para distintos materiales
Ilustración 2. Distribución de temperatura en la pared para distintos materiales
CONCLUSIONES
El análisis numérico realizado mediante modelos simplificados y simulaciones en SolidWorks permitió
caracterizar el comportamiento térmico de una carcasa mecatrónica sometida a convección natural,
evidenciando que el material de fabricación constituye el parámetro dominante en la disipación pasiva
del calor generado por el componente interno.
Los resultados demuestran que materiales poliméricos de bajo costo, como ABS y PLA, presentan
conductividades térmicas reducidas que incrementan los gradientes de temperatura a través de las
paredes y elevan la temperatura máxima del componente electrónico, disminuyendo la eficiencia de
transferencia de calor hacia el entorno.
En contraste, el aluminio exhibe un desempeño térmico significativamente superior gracias a su alta
pág. 2741
conductividad, reduciendo la resistencia térmica de la carcasa y generando un perfil de temperatura más
uniforme. Esta tendencia se observó tanto en el modelo unidimensional de conducción como en el
modelo lumped del componente.
La comparación entre materiales confirma que la disipación pasiva depende no solo del coeficiente
externo de convección, sino también de la interacción entre la geometría de la carcasa, el espesor de la
pared y las propiedades termofísicas del material.
Los modelos presentados, aunque simplificados, reproducen adecuadamente las tendencias predichas
por la teoría de transferencia de calor y constituyen herramientas válidas para la evaluación preliminar
de la eficiencia térmica en sistemas mecatrónicos compactos.
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