تعزيز أنظمة تبريد LED الحراري باستخدام صمامات تسلا السلبية للحمل الحراري الناتج عن الاضطراب

ملخص

يقدم هذا العمل بروتوكولا تجريبيا لتقييم السلوك الحراري لمصابيح LED عالية الطاقة باستخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء. تم اختبار جهاز تبريد بالحمل الحراري القسري المدمج تحت طاقة وتدفق هواء متغيرين، مما أظهر تبديد حرارة فعال ودرجات حرارة وصلات آمنة للتطبيقات المدمجة مثل الإضاءة الذكية والإلكترونيات المدمجة.

الملخص

تقدم هذه الدراسة منهجية تجريبية لتقييم السلوك الحراري لصمامات الليزر الصادرة للضوء عالية الطاقة باستخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء، مدمجة مع جهاز تبريد مدمج بحمل حراري قسري. تم تقييم الأداء الحراري تحت مدخلات الطاقة ومعدلات التدفق المتغيرة، مما كشف عن قدرة النظام على الحفاظ على درجات حرارة وصلات LED تحت العتبات الحرجة. مكن التصوير الحراري من تحليل درجة الحرارة المكانية لسطح LED تحت كل من الحمل الحراري الطبيعي والقسري. تم تصميم جهاز التبريد المقترح خصيصا للتكامل المدمج، حيث يتميز بتكوين مدخل/مخرج شعاعي يقلل المساحة مع تعظيم كفاءة تبديد الحرارة. تم التحقق من صحة نتائج المحاكاة الناتجة مقابل البيانات التجريبية، مما يضمن موثوقية طريقة التبريد المقترحة. يظهر هذا العمل طريقة قابلة للتنفيذ وقابلة للتكرار لتوصيف إدارة الحرارة في تطبيقات الإضاءة الصلبة، حيث يوفر حلا قابلا للتوسع للدمج في البيئات الضيقة، مثل مصابيح LED، وأنظمة الإضاءة الذكية، أو الوحدات الإلكترونية المدمجة.

المقدمة

أدى الطلب المتزايد على حلول الإضاءة عالية القدرة إلى دفع صمامات الإضاءة البيضاء (LEDs) ذات الشريحة على اللوحة (COB) إلى طليعة تقنيات الإضاءة الحديثة. تتميز مصابيح COB LED، التي تتميز بعدة شرائح LED مثبتة مباشرة على ركيزة موصلة حراريا، فعالية إضاءة وضغط فائق. ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة العالية وشكل الشكل المدمج لديهم يشكلان تحديات كبيرة في إدارة الحرارة. يعد التبديد الفعال للحرارة أمرا بالغ الأهمية للحفاظ على الأداء والموثوقية وطول عمر هذه الأجهزة¹.

في مصابيح COB، يتحول جزء كبير من الطاقة الكهربائية إلى حرارة بدلا من الضوء، مما يتطلب استراتيجيات فعالة لإدارة الحرارة لمنع تدهور الأداء وضمان عمر الجهاز². طرق التبريد السلبي التقليدية، مثل المشتتات الحرارية ومواد الواجهة الحرارية، غالبا ما تفشل في تبديد الحرارة الشديدة الناتجة عن مصابيح COB عالية الطاقة³. وبالتالي، هناك حاجة ملحة لحلول تبريد مبتكرة يمكنها إدارة الأحمال الحرارية بكفاءة دون المساس بصعوبة وكفاءة أنظمة الإضاءة.

تتكون جودة إضاءة LED من معايير مختلفة: مؤشر عرض الألوان (CRI)⁴، التدفق الضوئي، درجة الحرارة اللون، وطول العمر. المعلمات المذكورة حساسة للحرارة؛ أفادت بعض الأعمال أن التدفق الضوئي يقلل من قيمته بمقدار 0.108 متر لكل درجة مئوية⁵. ^{يظهر عبد} الملك وآخرون ارتباطا يقدر عمر مصابيح COB كدالة لدرجة الحرارة، والتي تتضمن تقاطع درجة الحرارة لضوء LED. أدت التطورات الحديثة في الإلكترونيات الدقيقة إلى زيادة مستمرة في ترددات تشغيل الأجهزة وتصغير المكونات الإلكترونية بشكل تدريجي. تؤدي هذه الاتجاهات إلى زيادة كبيرة في كثافات الطاقة وتدفقات حرارية تتحدى استراتيجيات الإدارة الحرارية التقليدية^7،8. مثل هذه الأحمال الحرارية، إذا لم تدار بشكل كاف، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على موثوقية الجهاز وأداءه.

لتحسين تبديد الحرارة على مصابيح COB، صمم بعض الباحثين مشتتات حرارة بهندسات وتكوينات معينة تسمح بتحسين انتقال الحرارة من LED إلى المحيط عبر الحمل الحراري^الحر 9,10,11,12,13,14. تعد هذه الأنواع من مشتتات الحرارة خيارا فعالا لتقليل استهلاك الطاقة أثناء تشغيلها، لكن كميات الحرارة محدودة بالمساحة السطحية، مما يزيد حجمها إذا زادت الحرارة، مما يؤدي إلى أجهزة أكبر إذا كانت هناك تدفقات حرارية عالية. تجمع مصابيح LED عالية الطاقة ذات الشريحة المدمجة (COB) بين عدة قوالب على ركيزة مدمجة، مما يتيح فعالية إضاءة عالية ولكن أيضا يولد كثافات تدفق حرارة كبيرة تهدد موثوقية الجهاز. لذلك، فإن الإدارة الحرارية الفعالة ضرورية للحفاظ على درجات حرارة الوصلات تحت الحدود الحرجة. تقليديا، تم استخدام أساليب سلبية مثل مشتتات الحرارة ذات الزعانف والحمل الحراري الطبيعي؛ ومع ذلك، فإن أدائها محدود بسبب مساحة السطح المحدودة ومعاملات الحمل الحراري المنخفضة نسبيا التي يمكن تحقيقها تحت تدفق الطفو. لتجاوز هذه القيود، تم دراسة الحلول النشطة بما في ذلك مشتتات الحرارة بالهواء القسري، وأنابيب الحرارة، والتبريد بالرش، والقنوات الدقيقة المبردة بالسائل على نطاق واسع، مما يوفر مقاومات حرارية أقل وتوزيعات درجات حرارة أكثر انتظاما. استنادا إلى هذا التطور، يستكشف عملنا استراتيجية بديلة: دمج القنوات الدقيقة المعززة بصمامات تسلا كصفيحة باردة مدمجة. يستفيد هذا التصميم من الثنائيات السلبية وخصائص خلط التدفق في هندسات تسلا لتكثيف الحمل الحراري المحلي مع تجنب الحاجة إلى أجزاء متحركة أو مجمعات معقدة، مما يجسر الفجوة بين القنوات الدقيقة التقليدية وأنظمة التبريد النشطة الأكثر تعقيدا.

لإدارة تدفقات الحرارة العالية في هذه التطبيقات، تعد أنظمة التبريد السائل خيارا جيدا لأنها قادرة على زيادة معامل نقل الحرارة وتحسين نقل الحرارة في المساحات المنخفضة أكثر من أنظمة التبريد السلبي. هناك بعض الأعمال التي تشير إلى استخدام سائل التبريد السائل، مثل الألواح الباردة ذات تكوينات قنوات مختلفة^{15، 16، 17، 18}.

أحد الأساليب الواعدة يتضمن دمج مشتتات الحرارة الميكروقنالية، التي تعزز نقل الحرارة من خلال زيادة مساحة السطح عند ملامسة وسط التبريد. من بين تصاميم القنوات الدقيقة المختلفة، حظي صمام تسلا - وهو جهاز سلبي لا يتحرك للأجزاء - بالانتباه لقدرته على التحكم في تدفق السوائل اتجاهيا، مما يحسن انتقال الحرارة ويقلل من التدفق العكسي. تسهل الهندسة الفريدة لصمامات تسلا التدفق أحادي الاتجاه، وهو ما يمكن أن يكون مفيدا في تطبيقات إدارة الحرارة من خلال تعزيز دوران المبرد الفعال وتعزيز تبديد الحرارة بشكل عام. لزيادة معامل نقل الحرارة، أدرج الباحثون هندسات تعبث بخطوط مسار السائل. صمام تسلا هو تكوين هندسي من القنوات يسمح للسائل بالتحرك في اتجاه واحد؛ يعمل كصمام ثنائي الاتجاه (صمام أحادي الاتجاه). عندما يتم إدخال تدفق في الاتجاه المعاكس، يزداد الضغط والاضطراب داخل النظام بشكل ملحوظ. تستخدم بعض الأعمال صمام تسلا لزيادة الاضطراب، نتيجة زيادة معامل نقل الحرارة. استخدم بعض الباحثين نماذج بارامترية لتحديد أنماط تدفق السوائل في صمامات تسلا لاستخدامها كنظام تبريد^19,20. أكثر تطبيقات صمامات تسلا شيوعا في نظام التبريد هي من خلال الألواح الباردة 21,22,23. على سبيل المثال، أظهرت الأبحاث أن دمج هياكل صمامات تسلا في مشتتات الحرارة الميكروقنالية يمكن أن يعزز الأداء الحراري من خلال تعزيز التدفق الاضطرابي وزيادة معامل نقل الحرارة الحمل الحراري²⁴. تشير هذه النتائج إلى أن مشتتات الحرارة الدقيقة المعتمدة على صمامات تسلا قد تكون حلا قابلا للتطبيق لإدارة التحديات الحرارية المرتبطة بمصابيح COB عالية الطاقة.

تناولت عدة دراسات الإدارة الحرارية لمصابيح COB عالية الطاقة من خلال تقنيات التبريد المعتمدة على السائل. على سبيل المثال، أظهرت طرق الاصطدام النفاثة وتبريد الرش معاملات نقل حرارة تتراوح بين 104-105 واط·^م-2· ^K-1، مما حافظ فعليا على درجات حرارة الوصلات تحت عتبة 120 درجة مئوية الحرجة مع قوة ضخ منخفضة^{نسبيا 25,26}. وبالمثل، حققت ألواح الباردة الميكروقنالية المصنعة تحت مصفوفات COB مقاومات حرارية منخفضة تصل إلى 0.019 °C/W عند تدوير الماء بسرعات معتدلة، مما يبرز الإمكانات القوية لتصغير القنوات لتعزيز كفاءة التبريد^27,28. تشمل الاستراتيجيات الأخرى مشتتات حرارة محسنة بالفيروفلويد²⁹ ووحدات أنابيب حرارة مدمجة مصممة حول حزم COB^{رقم 30}، وكلاهما يظهر تحسنا في الانتشار الحراري وتقليل المقاومة الحرارية مقارنة بالمصارف المعدنية الصلبة التقليدية.

مقارنة بهذه الأساليب، تقدم لوحة التبريد المقترحة المعتمدة على صمامات تسلا آلية سلبية جديدة تعزز الخلط وتوليد الاضطرابات دون الحاجة إلى أجزاء متحركة أو مشعبات معقدة. بينما تم دراسة صمامات تسلا في الإلكترونيات وأنظمة الطاقة من حيث ثنائية الديودية^{وقدراتها} في التحكم في التدفق، لم يتم الإبلاغ بشكل موسع عن تطبيقها على تبريد COB LED في الأدبيات. لذلك، يوفر هذا العمل مساهمة أصلية من خلال تكييف شبكات تدفق صمامات تسلا مع المتطلبات الخاصة بإدارة الحرارة في LED. تشير نتائجنا إلى أنه تحت الحمل الحراري القسري، تحقق صفيحة صمام تسلا انخفاضات تنافسية في درجة حرارة السطح مقارنة باستراتيجيات التبريد السائل المعتمدة، مع ميزة إضافية تتمثل في الهندسة المبسطة والمتانة ضد الانسداد أو الأعطال الميكانيكية.

في هذه الدراسة، نبحث في فعالية مشتت حرارة ميكرو تجاري من الألمنيوم المصنوع من الأنابيب المركزية (CNC) ويدمج هياكل صمامات تسلا للإدارة الحرارية لمصباح LED بقوة 30 واط. يهدف التصميم إلى الاستفادة من التحكم في تدفق الاتجاهات في صمامات تسلا لتعزيز دوران سائل التبريد وتبديد الحرارة. من خلال إجراء التقييمات التجريبية، نقوم بتقييم الأداء الحراري لنظام التبريد المقترح، ونحلل معايير مثل توزيع درجة الحرارة، والمقاومة الحرارية، وكفاءة التبريد العامة. يمكن أن تساعد نتائج هذا البحث في تطوير حلول تبريد سلبي متقدمة لتطبيقات LED عالية الطاقة، مما يساهم في تحسين استراتيجيات إدارة الحرارة في الأجهزة الإلكترونية المدمجة. كان تحدي هذا المشروع هو تنفيذ صمام تسلا فوق مشتت حرارة موجود. مع هذا الترتيب، يكون استهلاك الطاقة كبيرا، مما يسمح باستخدام أجهزة ذات طاقة عالية في نظام تبريد مدمج.

يقدم الشكل 1 تمثيلا تخطيطيا للمنهجية المتبعة في هذه الدراسة. تبدأ العملية بإنشاء هندسة جهاز تبريد LED باستخدام برنامج CAD. ثم يتم استيراد الهندسة إلى محلل CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent)، حيث يتم تطبيق توليد الشبكات وشروط الحدود لإجراء محاكاة السائل الحراري. بالتوازي، تم تنفيذ الإعداد التجريبي، بما في ذلك التركيبات الحرارية وكاميرا بالأشعة تحت الحمراء لقياس درجة الحرارة. وأخيرا، يتم التحقق من نتائج المحاكاة مقابل البيانات التجريبية، مما يضمن موثوقية طريقة التبريد المقترحة.

الشكل 1: مخطط سير العمل التجريبي: (1) إنشاء الهندسة، (2) محاكاة CFD، (3) التصنيع للنموذج الأولي، (4) القياسات الحرارية، و(5) التحقق. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

البروتوكول

هندسة جهاز التبريد
الغرض من المشروع هو الحفاظ على LED بقوة 50 واط تحت درجة حرارة مسموح بها مع تنفيذ صمام تسلا. يظهر COB المستخدم كمصدر حرارة في الشكل 2A، بينما يظهر الشكل 2B 50 شريحة قالب مفعلة، مما يشير إلى أن كل شريحة لديها 1 واط من الطاقة.

الشكل 2: COB LED وعدد شرائح القوالب. (A) COB LED المستخدم في التجربة (B) عرض عدد شرائح القوالب المستخدمة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

في الأدبيات، أبلغ أن بعض صمامات تسلا تحتوي على مصدر حرارة مثبت فوق الأجهزة التي تحتوي على صمام تسلا، ولهذا في هذه الورقة، فإن LED جزء من الجهاز لأنه يوضع فوق قنوات صمامات تسلا في تماس مباشر مع سائل التبريد لتحسين انتقال الحرارة من LED إلى السائل مما يقلل من المقاومة الحرارية. يوضح الشكل 3A هندسة الجهاز. على السطح العلوي مع شفافية، يظهر المكان الذي وضع فيه مصباح LED. من ناحية أخرى، يوضح الشكل 3B التجميع المقترح لجهاز التبريد.

الشكل 3: الهندسة والتجميع المقترح لجهاز التبريد. (أ) جهاز تبريد مقترح عرض قنوات صمامات تسلا. (ب) تم تجميع جهاز التبريد المقترح. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

بهدف وضع LED على اتصال مباشر مع السائل، تم تصميم مدخل ومخرج السائل فوق السطح العلوي، كما هو موضح في الشكل 4A. يتم نقل السائل من المضخة إلى قنوات تسلا عبر طرف المدخل. ثم يملأ السائل غرفة المدخل، ويدفع السائل إلى القنوات التي تحتوي على قنوات السحب الموضحة في الشكل 4B. في الشكل 4B، تظهر الصورة السطحية أعلاه غرف السوائل في الجهاز بدون أي وصلات، بما في ذلك الغطاء العلوي.

الشكل 4: الرؤية المتساوية القياس خلف رؤية الجهاز. (أ) رؤية إيزومترية لجهاز التبريد السطحي أعلاه. (ب) غرف السوائل في الجهاز. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

المواد والإكسسوارات
المواد والإكسسوارات المستخدمة في التجربة موضحة في الجدول 1. تم استخدام قضيب مسطح من الألمنيوم لطحن قنوات تسلا باستخدام آلة CNC. تم اختيار الألمنيوم بسبب توازنه بين التوصيل الحراري والتكلفة. علاوة على ذلك، فإن تصنيع الألمنيوم أسهل وأسرع من المكونات الأخرى مثل الفولاذ أو المواد الأكثر صلابة. الغطاء العلوي الموضح في الشكل 4A كان مصمما أيضا من الألمنيوم. أطراف المدخل والمخرج مصنوعة من النحاس الأصفر وتتصل عبر فتحات ملولبة في الغطاء العلوي. تم تصنيع نواة معدنية COB من سبيكة الألمنيوم لتحسين نقل الحرارة.

بند	مادي	التوصيل الحراري بطول2ميكرومتر
بار مسطح	الومينيوم	160
ميتال-كور	الومينيوم	160
الغطاء العلوي	الومينيوم	160
التركيبات الهوائية	نحاس	110

الجدول 1: الإكسسوارات والمواد المستخدمة في النموذج الأولي الذي تم تصنيعه.

تم استخدام الماء كسائل عامل بسبب سعته الحرارية النوعية العالية وتوفره على نطاق واسع؛ علاوة على ذلك، بسبب انخفاض خطر توليد اللهب والسمية الصفرية. كان التدفق عبر القناة يدفع بواسطة مضخة، والتي تم تحديدها لتحديد معدل التدفق كدالة للجهد الكهربائي.

شروط الحدود
تم تحديد معدل تدفق المضخة لتحديد حالة حدود المدخل إلى النظام. يتم تعريف حالة حدود المدخل بواسطة سرعة مدخل يتم حسابها باستخدام معدل التدفق والمقطع العرضي للمدخل. يعرض سلوك معدل التدفق للمضخة في الشكل 5.

الشكل 5: معدل تدفق المضخة وسرعة المدخل. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يوضح الشكل 5 العلاقة بين الجهد المطبق ومعاملتين هيدروليكتين رئيسيتين: معدل التدفق الحجمي المتوسط ومتوسط سرعة السائل . تمثل كل نقطة بيانات القيمة المتوسطة المحسوبة من خمسة قياسات مستقلة لكل مستوى جهد، مما يضمن تفسيرا إحصائيا متينا.

اتجاه معدل التدفق الحجمي
يلاحظ اتجاه تصاعدي واضح في معدل التدفق المتوسط مع زيادة الجهد. عند أدنى مستوى جهد (4 فولت)، يكون معدل التدفق المتوسط حوالي 1.63 × ^10-5 م³/ث، بينما عند 12 فولت يرتفع إلى ما يقارب 3.49 × ^10-5 م³/ث، مما يمثل زيادة بنسبة 110٪ من الجهد الزائد. يمكن عزو هذا السلوك إلى تأثير الجهد على المشغل الكهروميكانيكي الذي يدفع التدفق.

مع زيادة الجهد، ترتفع سرعة المشغل، مما يزيد من الحجم المحرر لكل وحدة زمنية.

سلوك السرعة المتوسطة
تتبع سرعة السائل اتجاها تصاعدييا مشابها، وهو ما يتوافق مع العلاقة الأساسية بين معدل التدفق والسرعة:

ق = أ • ف (1)

حيث A هي مساحة المقطع العرضي للقناة وv هي السرعة المتوسطة. وبما أن المساحة تبقى ثابتة، فإن التغيرات في Q تترجم مباشرة إلى تغيرات نسبية في v. في هذه التجربة، ارتفعت السرعة المتوسطة من حوالي 6.5 ×^10-3 م·ثانية ^{في الثانية (} عند 4 فولت) إلى 1.41 ×^10-2 م·ثانية ⁽ عند 12 فولت)

مقارنة بين المنحنيات
كل من منحنيات معدل التدفق والسرعة تظهر علاقة شبه خطية مع الجهد. قد توجد بعض اللاخطيات الطفيفة ويمكن عزوها إلى عوامل مثل عدم الاستقرار المؤقتة في مصدر الطاقة، والتغيرات الصغيرة في زمن استجابة المستشعرات، والاحتكاك الداخلي أو فقدان الرأس عند أنظمة التدفق الأعلى. على الرغم من أن هذه التأثيرات ليست ذات دلالة كبيرة ضمن نطاق الدراسة الحالية، إلا أنه يمكن استكشافها بشكل أعمق باستخدام الانحدار غير الخطي أو نمذجة الأنظمة الديناميكية في أعمال مستقبلية.

الآثار العملية
من منظور هندسي، يوفر الرسم البياني ارتباطا مفيدا بين معامل التحكم القابل للوصول (الجهد) والمتغيرات الحرجة للجريان. وهذا مهم بشكل خاص في تطبيقات الموائع الدقيقة، الجرعات الدقيقة، أنظمة التبريد بالحمل القسري، أو هياكل التدفق المبنية على العناصر السلبية مثل صمامات تسلا. كما يتيح السلوك الرتيب والقابل للتنبؤ لمعدل التدفق معايرة النظام بدقة، مما يضمن الاستقرار التشغيلي والتكرار في الإعدادات التجريبية أو الآلية.

النموذج الرياضي لديناميكا الموائع في صمام تسلا
ديناميكا السوائل الداخلية لجهاز التبريد غير مفهومة بوضوح من الناحية الفيزيائية. لذلك، تم إجراء محاكاة لديناميكا الموائع الحاسوبية (CFD) لتحليل سلوك التدفق، وتصور الاضطراب الذي يعزز معامل نقل الحرارة، وتحديد مناطق السوائل الراكدة التي يمكن تحسينها في قنوات صمام تسلا.

لمحاكاة سلوك تدفق السوائل داخل صمام تسلا، نستخدم معادلات نافير-ستوكس التي تم قياسها بمعدل رينولدز بالتزامن مع نموذج اضطراب K-إبسيلون القياسي. يوفر هذا النهج توازنا بين التكلفة الحسابية والدقة في التقاط تأثيرات الاضطراب داخل ممرات التدفق الداخلية مع إعادة تدوير ودوامات غير متجانسة، كما يلاحظ عادة في صمامات تسلا.

المعادلات الحاكمة
السائل المستخدم هو الماء، الذي يعتبر غير قابل للانضغاط ونيوتوني، ويفترض أن التدفق في الحالة المستقرة. المعادلات الحاكمة هي كما يلي:

  (2)

حيث  هو متجه السرعة المتوسط زمنيا.

     (3)

أين:

ρ [كجم/م³] هي كثافة السائل،
p [Pa] هو الضغط،
μ [Pa • s] هي اللزوجة الديناميكية،
μ_t [Pa • s] هو اللزوجة الدوامية المضطربة، وتعرف بالتالي:

     (4)

ε تحكمها معادلات النقل التالية: الطاقة الحركية للاضطراب k ومعدل تبديدها

الطاقة الحركية المضطربة (k):

     (5)

معدل التبدد المضطرب (ε):

   (6)

هنا:

k [m²/s²] هي الطاقة الحركية للاضطراب،
ε [m²/s³] هو معدل تبديد الاضطراب،
P_k [كجم/(م •^{s 3})] هو إنتاج طاقة حركية اضطرابية، وتعرف بأنها:

   (7)

σ_k و_{σ ε} هما أعداد برانتل المضطربة ل k و ε على التوالي،

C_μ، C_1ε ، و C_2ε هي ثوابت تجريبية.

الثوابت المستخدمة في نموذج k - ε القياسي هي:
C_μ = 0.09، (معاير لطبقات القص والاضطراب الحر التيار)
σ_k = 1.00، (يضمن انتشارا واقعيا ل k)
σ_ε = 1.30، (يتحكم في انتشار ε)
C_1ε = 1.44، (يوازن الإنتاج والتدمير ε)
C_2ε = 1.92. (يضمن معدل تبديد الطاقة المناسب)

تستمد هذه القيم من التحقق التجريبي في تدفقات الطبقات الحدودية المضطربة، وقد استخدمت على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية بدقة موثوقة 32,33,34,35.

يقدم صمام تسلا ظروف تدفق داخلية تتميز بفصل طبقة الحدود، ومناطق إعادة التدوير، ومقاومة اتجاهية. هذه الظواهر بطبيعتها مضطربة، وطرق المحاكاة الرقمية المباشرة (DNS) أو محاكاة الدوامات الكبيرة (LES) تعتبر مبالغ حسابية للتصاميم العملية.

نموذج k-ε مخصص لهذه الدراسة لأنه يوفر توقعات موثوقة لمتوسط مجال التدفق وكميات الاضطراب في التدفقات الداخلية ذات الأرقام العالية من رينولدز. تلتقط بفعالية تأثيرات الاضطراب غير المتجانس الناتج عن قنوات الدوران ومناطق الركود في صمام تسلا، مما يضمن تمثيلا دقيقا لسلوك التدفق المعقد. علاوة على ذلك، فإن هذا النموذج قوي وقد تم التحقق منه على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية التي تشمل الاصطدام النفاث، وفصل التدفق، والتدفقات المعقدة المحدودة بالجدار.

في هذا العمل، تشمل ظروف الحدود ملف سرعة مدخل مضطرب متطور بالكامل، وجدران بدون انزلاق، ومخرج ضغط. يتوافق مجال المحاكاة مع هندسة صمام تسلا متعددة المراحل، والتي يتم دمجها باستخدام شبكة هجينة منظمة وغير منظمة مع تحسين طبقة الحدود لحل تأثيرات الجدار القريب باستخدام دوال الجدار المناسبة.

شروط الحدود والنقاش
لضمان محاكاة تدفق واقعية ضمن هندسة صمام تسلا، تم تحديد شروط حدودية مناسبة لجميع المتغيرات ذات الصلة: السرعة، الضغط، الطاقة الحركية المضطربة (k)، ومعدل تبديد الاضطراب (ε). تم فرض الشروط التالية:

المدخل (مدخل السرعة):

تم تحديد ملف سرعة موحد عند المدخل، بافتراض وجود تدفق متطور بالكامل وغير قابل للانضغاط ومضطرب. تم تهيئة الكميات المضطربة k و ε بناء على شدة الاضطراب I والقطر الهيدروليكي D_h، باستخدام العلاقات التجريبية المقابلة.

(8)

يضمن هذا النهج الاتساق مع نماذج توليد الاضطراب التجريبي ويحافظ على التوافق مع الصياغة القياسية ل k-ε.

المخرج (مخرج الضغط):
تم ضبط ضغط ثابت ثابت (عادة 0 باسكال مقياس) عند المخرج للسماح بتدفق مخرج متطور. تم تطبيق شروط التدرج الصفري (نيومان) على جميع المتغيرات المنقولة (السرعة، k، و ε) لمنع تأثيرات التدفق العكسي الاصطناعية وضمان الاستقرار العددي عند حدود المجال.

الجدران (بحالة عدم الانزلاق):
تم ضبط السرعة عند جميع الحدود الصلبة على الصفر، مطبقا شرط عدم الانزلاق. في نمذجة الاضطراب، استخدمت دوال الجدار القياسية لتمثيل سلوك الجدار القريب. تم ضبط الطاقة الحركية المضطربة (k) على الصفر عند الجدار، بينما تم حساب معدل التبدد (ε) باستخدام تقريبات دالة الجدار القياسية المشتقة من قانون الجدار. تلغي هذه الدوال الحاجة إلى حل الطبقة الفرعية اللزجة، وبالتالي تقلل من التكلفة الحسابية، على افتراض أن التدفق يبقى ضمن المنطقة اللوغاريتمية (y⁺ > 30).

يلتقط هذا التكوين الحدودي بشكل فعال الميزات الرئيسية للتدفق داخل صمام تسلا، بما في ذلك فصل التدفق، ومناطق إعادة الدوران، وتكثيف الاضطرابات على طول الممرات المنحنية.

اعتبارات التقاط الصور الحرارية والقياسات
لتقييم الأداء الحراري لنظام التبريد ووحدة LED من نوع COB، أجريت قياسات حرارية باستخدام كاميرا تحت الحمراء غير مبردة تعمل في نطاق طيفي 8-14 ميكرومتر. كان هدف الفحص الحراري هو توصيف توزيع درجة حرارة السطح تحت ظروف التشغيل المستقرة. تم إيلاء اهتمام خاص لتقليل الشكوك المرتبطة عادة بالتصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء.

كان من أهم الجوانب ضبط قيم انبعاثية السطح لاسترجاع درجة الحرارة بدقة. كان نظام التبريد يتكون من صفائح ألمنيوم مصنوعة من CNC مع تشطيب مصقول، والتي تشكل انبعاثها المنخفض والمعتمد على الزاوية تحديا كبيرا لقياسات الأشعة تحت الحمراء. لمعالجة ذلك، تم طلاء أسطح الألمنيوم بطلاء أسود غير لامع عالي الانبعاثية (ε ≈ 0.95)، تم معايرته سابقا باستخدام الازدواجات الحرارية التلامسية ومواد مرجعية تحت الحمراء. ضمن هذا العلاج انبعاثية منتظمة وقضى على الانعكاسات المرآتية التي قد تضر بدقة القياسات.

بالنسبة لوحدة COB LED، التي تكون مادة التغليف عادة من سيليكون مطليا بالفوسفور مع انبعاثية أعلى (ε ≈ 0.92)، لم تكن هناك حاجة لطلاء إضافي. ومع ذلك، تم اتخاذ حرص على تجنب التدرجات الحرارية أثناء إعداد الكاميرا من خلال السماح لمصباح LED بالوصول إلى التوازن الحراري قبل التقاط الصور. تم فرض فترة انتظار لا تقل عن 60 دقيقة بعد تشغيل LED لضمان استقرار الظروف.

تم التحكم في الظروف المحيطة خلال التجارب. أجريت القياسات في مختبر مغلق بدرجة حرارة محيطة مستقرة (25 ± 1 درجة مئوية) وتيارات هوائية ضئيلة.

تم تقدير درجة الحرارة الظاهرية المنعكسة باستخدام طريقة رقائق الألمنيوم المجعدة وضبطها يدويا في كاميرا الأشعة تحت الحمراء (IR). لم تؤخذ الرطوبة النسبية في الاعتبار أثناء القياسات. تم تركيب الكاميرا على حامل ثلاثي خال من الاهتزاز بزاوية عمودية على سطح الاهتمام، مما يضمن هندسة مشاهدة متسقة. تم الحفاظ على المسافة بين الكاميرا والهدف ثابتة (حوالي 0.5 متر)، وتم تعديل مجال الرؤية لتعظيم الدقة المكانية دون حدوث أخطاء في اختلاف المنظر. تم إجراء المعايرة قبل كل جلسة باستخدام مصدر مرجعي للجسم الأسود للتحقق من استجابة الكاميرا. يوضح الشكل 6 الإعداد التجريبي المستخدم أثناء الاستحواذ الحراري. يلخص الجدول 2 المعايير والإجراءات الرئيسية المطبقة لضمان قياسات دقيقة وقابلة للتكرار في درجات الحرارة.

الشكل 6: أجهزة النظام وطلاء العينة. (أ) أجهزة النظام لقياسات الثنائي الحراري. (ب) عينة مغطاة بالطلاء الأسود لقياسات التصوير الحراري. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

البارامتر	القيمة/الوصف
كاميرا الأشعة تحت الحمراء	موجة طويلة الأشعة تحت الحمراء (8–14 ميكرومتر)، غير مبردة
الانبعاثية (سطح الألمنيوم)	مطلية بدرجة ε = 0.95 (أسود غير لامع)
الانبعاثية (سطح LED COB)	ε = 0.92 (الأصلي)
درجة الحرارة المحيطة	25±1 درجة مئوية
مسافة المشاهدة	~ 0.5 م
زاوية الرؤية	عمودي (الحدوث الطبيعي)
زمن التوازن الحراري	بعد 60 دقيقة من تشغيل ال LED
درجة الحرارة الظاهرية المنعكسة	التقدير باستخدام طريقة رقائق الألمنيوم المجعدة
معالجة السطح	طلاء أسود غير لامع يطبق على ألواح الألمنيوم
المعايره	مصدر الجسم الأسود قبل كل قياس

الجدول 2: معلمات وإجراءات التصوير الحراري المستخدمة لتقليل الأخطاء.

المعاملات المستخدمة في قياسات التصوير الحراري مدرجة في الجدول 2.

إجراء التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء وتحليل عدم اليقين
تم استخدام التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء (IR) لرسم خريطة غير جراحية لمجال درجة حرارة سطح تجميع LED بقوة 30 واط من نوع COB تم تبرده بواسطة لوحة باردة ميكروقنالية من صمام تسلا. كانت الكاميرا تعمل في نطاق الموجة الطويلة (LWIR)، مثبتة على حامل ثلاثي صلب، عمودي على السطح المعني لتقليل تأثيرات زاوية الرؤية. تم تنفيذ جميع عمليات الاستحواذ بعد أن وصل النظام إلى حالة مستقرة. تم اختيار مسافة تصوير ثابتة بحيث يكون حجم بقعة مجال الرؤية الفوري (IFOV) أصغر ب 3× على الأقل من أصغر منطقة محل اهتمام (ROI)، مما يضمن أخذ عينات مكانية كافية عبر تدرجات الحرارة الحادة الناتجة عن ميزات صمام تسلا.

لتقليل الآثار الحرارية الشائعة، تم اتخاذ عدة احتياطات طوال عملية التجربة. تم تنظيف العدسات بعناية، وتم تركيز العدسة يدويا على منطقة الاهتمام (ROI) باستخدام معيار التدرج الأقصى، بينما تم تنفيذ تصحيح عدم التجانس (NUC) قبل كل عملية اقتناء. للتحكم في الانبعاثية، تم طلاء جميع الأسطح المعدنية العارية، مثل الألمنيوم والنحاس - التي تتميز بطبيعتها بانخفاض الانبعاثية وعاكسة في نطاق الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة (LWIR) - بطلاء أسود غير لامع عالي الانبعاثية (ε ≈ اسمي 0.95) أو تغطيتها بشريط انبعاثية معاير. تم تعريف العائد على المؤشرات الحرارية حصريا على هذه المناطق المعالجة. تم قياس درجة الحرارة المنعكسة الظاهرية (T₍ref₎) باستخدام طريقة رقائق الألمنيوم المجعدة ودمجمة في نموذج الكاميرا الإشعاعي؛ تم حماية الأسطح اللامعة أو المائلة من مصادر الإشعاع الخارجية لمنع ظهور النقاط الساخنة الزائفة. تم إجراء القياسات داخل حاوية منخفضة الغاطف، مع وضع المشغل خلف شاشة ومصادر حرارة خارجية مثل مزودات الطاقة أو المصابيح تبقى خارج مجال الرؤية لتقليل الانعكاسات الطفيلية. تم الحفاظ على المحور البصري قريبا من المعدل الطبيعي للحد من تأثيرات الانبعاثية الاتجاهية وأخطاء اختلاف المنظر. تم الحفاظ على نفس تعريفات مسافة الكاميرا وعائد الاستثمار طوال جميع الاختبارات لضمان التكرار.

تم تعيين انبعاثات السطح كما يلي لاسترجاع درجة الحرارة الإشعاعية، واستخدمت فقط المناطق المعالجة (المطلية أو الملصقة) للإبلاغ الكمي: مشتت حرارة ألمنيوم/صمام تسلا/مطلية باللون الأسود، ε = 0.95 ± 0.02؛ قناع اللحام على MCPCB (الأبيض)، ε ≈ 0.90 ± 0.03؛ وغلف السيليكون ε ≈ 0.94 ± 0.03. ومع ذلك، لم تستخدم المناطق المغلفة لعائد الاستثمارات الكمي لتجنب تأثيرات شبه الشفافية في نطاق LWIR.

تم تكوين الكاميرا بانبعاثية عائد الاستثمارات المحددة (عادة ε = 0.95) ومع_المرجع T المقاس ودرجة حرارة الهواء المحيطة T_∞. كل مخطط حراري كان يتكون من N ≥ 10 إطارات بمتوسط لتقليل الضوضاء العشوائية. لكل عائد على الاستثمار (مثل منطقة الاقتراب من الوصلة على ركيزة COB والنقاط الممثلة على الصفيحة الباردة)، تم تسجيل متوسط درجة الحرارة والانحراف المعياري_T (T). تم استخدام الخريطة الحرارية الناتجة لحساب ارتفاع درجة الحرارة لتحليلات المقاومة الحرارية وانتقال الحرارة اللاحقة.

لتكن درجة حرارة سطح LED المبلغ عنها هي T_IR. تم تقدير عدم اليقين المعياري المدمج u_c(TIR) باستخدام قانون انتشار عدم اليقين، مع افتراض وجود مدخلات غير مرتبطة:

= (9)

حيث: (1) U_ACC يأخذ في الاعتبار دقة الكاميرا الإشعاعية (مواصفات الشركة المصنعة، محولة إلى k=1)، (2)_{u T، ε} يلتقط الحساسية للانبعاثية، (3)_{u التركيز} يمثل عدم تطابق التركيز/IFOV، (4) u_NUC يغطي بقايا عدم التوحيد في الكاشف، (v) u_ref يمثل عدم اليقين في درجة الحرارة الظاهرية المنعكسة، و(vi)_{u rep} هو التكرار (من إطار إلى إطار ومن التشغيل).

بالنسبة لحساسية الانبعاثية، فإن خطية انعكاس ستيفان-بولتزمان حول (T,ε) تعطي التقريب المستخدم على نطاق واسع:

(10)

مع T في الكلفن. تم الإبلاغ عن عدم اليقين المتزايد عند ~ 95٪ كU(_{T IR}) ≈ 2uc(_{T IR}).

القيم التمثيلية التالية تتوافق مع القياسات التي أجريت على المناطق المطلية بالأسود بالقرب من 65 درجة مئوية (T ≈ 338 K). تتميز الكاميرا بدقة تبلغ ±2 درجة مئوية أو ±2٪ من القراءة، وتعتبر k = 2. تم ضبط الانبعاثية على ε = 0.95 ± 0.02، مع بصريات مركزة جيدا وانعكاسات محكمة. كانت مساهمات عدم اليقين الفردية كما يلي: دقة الكاميرا (k = 1) تعطي u_acc = 1.0 K; مساهمة الانبعاثية، المقدرة من المعادلة (10)، هي u₍T,ε₎≈ (338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 كلفن; تأثير التركيز أو IFOV يعطي u_focus = 0.3 K; بقايا تصحيح عدم التجانس u_NUC = 0.2 كلفن؛ درجة الحرارة الظاهرية المنعكسة u_ref = 0.4 كلفن؛ وتكرار التكرار بين الإطارات أو المقاطع u_rep = 0.2 K.

هكذا

= 

تظهر نتائج عدم اليقين في الجدول 3.

مصدر	رمز	الصف العمومي. (k=1)	تلاحظ
دقة الراديومترية بالكاميرا	u_acc	1.0 K	المواصفة ±2K تعامل ك k=2
الانبعاثية (مرسومة، ε = 0.95 ± 0.02)	u_{T,ε}	1.78 K	المعادلة (10)، T = 338 K
عدم تطابق التركيز / IFOV	u_focus	0.3 كيلوباينت	حجم النقطة ≈ عائد الاستثمار
عدم تجانس الكاشف	u_NUC	0.2 كيلوباي	بقايا ما بعد NUC
درجة الحرارة الظاهرية المنعكسة	u_ref	0.4 كيلوباي	طريقة ورق الألمنيوم T_ref
التكرار	u_rep	0.2 كيلوباي	متوسط الإطار/الجولة
الجمع (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 كيلو	المعادلة (9)
التوسيع (k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

الجدول 3: ميزانية عدم اليقين لدرجة حرارة الأشعة تحت الحمراء على عائد الاستثمارات المطلي بالأسود (توضيح).

يمكن قياس السلوك الحراري العام لمجموعة LED COB المبردة بواسطة لوحة ميكروقنالية صمامات تسلا من خلال مفهوم المقاومة الحرارية. مماثل لقانون أوم في الدوائر الكهربائية، تربط المقاومة الحرارية R_θ ارتفاع درجة حرارة LED بالطاقة الداخلة التي تبتتد على شكل حرارة:

(11)

حيث T_LED هي درجة حرارة سطح حزمة LED، وT_∞ هي درجة حرارة الهواء المحيط، وP هي الطاقة الكهربائية التي تزود LED (بافتراض أن معظمها يتحول إلى حرارة). القيمة المنخفضة ل R_θ تشير إلى إزالة الحرارة بكفاءة، وهو أمر حاسم للحفاظ على فعالية الضوء وضمان موثوقية مصابيح LED عالية الطاقة على المدى الطويل.

تتبع الحرارة الناتجة عند تقاطع LED مسار توصيل-حمل حراري. في البداية، تتدفق الحرارة عن طريق التوصيل عبر ركيزة LED، وواجهة اللحام، ومادة صمام تسلا. بمجرد نقلها إلى القنوات الدقيقة، يتم إزالة الحرارة عن طريق الحمل الحراري إلى سائل التبريد المتدفق. تساهم كل واجهة في المجموع الكلي_{ل R θ}:

(12)

مع مقاومة الحمل الحراري R_θ، التي تهيمن عادة في أنظمة LED المدمجة عالية التدفق. مخطط المقاومة موضح في الشكل 7.

الشكل 7: شبكة المقاومة الحرارية لوحدة COB LED المرتبطة بقناة تسلا-صمام الميكرو. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تتدفق الحرارة من وصلة LED عبر مسارات التوصيل إلى سائل التبريد عبر الحمل الحراري، حيث تمثل كل مرحلة كمقاومة حرارية (R_js،_{R cond}، R_conv).

تعمل قنوات صمام تسلا الدقيقة كمنشط اضطراب سلبي، حيث تزيد من معامل نقل الحرارة الحمل الحراري المحلي h دون الحاجة إلى أجزاء متحركة. على عكس القنوات الدقيقة المستقيمة، يقدم تصميم تسلا مناطق انحناء وإعادة تدوير تعزز الخلط، مما يعزز التبريد الحراري. يمكن التعبير عن المقاومة الفعالة للحمل الحراري كما يلي:

(13)

حيث A هي مساحة انتقال الحرارة الفعلي. القيم الأعلى للحرارة التي تتحقق من خلال تأثير صمام تسلا تقلل مباشرة من R_θ، مما يؤدي إلى انخفاض درجات حرارة تشغيل LED. ومع ذلك، يأتي هذا التحسين على حساب انخفاض ضغط إضافي، والذي يجب موازنته مع متطلبات قوة الضخ.

بالنسبة لمعادلة COB LED بقوة 30 واط تم اختبارها، أظهرت القياسات النموذجية ارتفاعا في درجة حرارة السطح بمقدار ΔT ≈ 40 كلفن فوق المحيط، مع قدرة فعالة مشتتة تبلغ P ≈ 29.9 واط. وعند استبداله في المعادلة (11)، كانت المقاومة الحرارية الكلية كما يلي:

هذه القيمة أقل بشكل ملحوظ من تلك الخاصة بالمصارف السلبية التقليدية ذات البصمة المشابهة، مما يبرز التأثير المفيد للوحة الميكروقناة الصمامات تسلا. علاوة على ذلك، أكد توزيع درجة الحرارة المكاني الذي تم الحصول عليه عبر التصوير الحراري بالأشعة تحت الحمراء أن المناطق المرتبطة مباشرة بقنوات تسلا أظهرت مجالات حرارة أكثر انتظاما، مما يدل على تحسين الأداء الحراري.

الاثار
انخفاض المقاومة الحرارية يترجم إلى انخفاض درجة حرارة وصلة LED، مما يقلل مباشرة من انخفاض اللومين وتغير اللون، وكلاهما يعتمد على درجة الحرارة.

لذلك، يوفر نهج القناة الدقيقة بصمامات تسلا تحسينا سلبيا عمليا لأنظمة التبريد المدمجة LED المدمجة، حيث يدمج قابلية التصنيع مع الأداء الحراري-الهيدروليكي. ومع ذلك، يجب أخذ المقاومة الهيدروليكية المتزايدة التي تسببها هندسة تسلا في الاعتبار في اختيار المضخات وتحليلات كفاءة الطاقة على مستوى النظام.

النتائج

تصنيع النماذج الأولية

تم تصنيع النموذج الأولي باستخدام التفريز CNC لإنشاء قنوات تسلا والغرف. تظهر قنوات تسلا المعدلة في الشكل 8A، بينما تعرض الغرف المصنعة في الشكل 8A. بعد ذلك، تم إجراء عملية حفر لتشكيل منافذ الدخول والخروج في الغرف.

الشكل 8

المناقشة

على عكس المبددات الحرارية التقليدية 9,10,11,12,13,14، يدمج النظام آلية حمل حراري قسري ضمن تكوين مضغوط يعزز بشكل كبير تبديد الحرارة. ومن المهم أن دمج منافذ المدخل والمخرج في تكوين شعاعي يسمح للنظام باحتلال مساحة قليلة، مما يجعله مثاليا للتركيبات المحصورة.

هذه هي الم...

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة

الاسم	الشركة	رقم فهرسي	التعليقات
برنامج فري كاد	مجتمع فري كاد	https://forum.freecad.org/	برمجيات مفتوحة المصدر تستخدم لإنشاء الهندسات والتجميعات (RRID:SCR_066611).
التفريز CNC العام 3018 Pro Max	جنيريك (ساينسمارت/موستريبراب)	3018 برو ماكس	آلة تشكيل CNC مكتبية تستخدم لتصنيع صمام تسلا.
كاميرا الأشعة تحت الحمراء	الوحدة-T	سلسلة UTi260B / UTi720	كاميرا بالأشعة تحت الحمراء تستخدم لالتقاط توزيع درجة الحرارة في الجهاز.
أوكتاف سوفتوير	مشروع جنو	https://octave.org/	برمجيات مفتوحة المصدر تستخدم لمعالجة البيانات وتوليد المخططات (RRID:SCR_014398).
أوبن فوم	OpenCFD Ltd (مجموعة ESI)	برنامج CFD مفتوح المصدر يستخدم لحل النموذج العددي (RRID:SCR_014876).
برنامج بارافيو	شركة كيتوير	https://www.paraview.org/	برمجيات مفتوحة المصدر تستخدم لمعالجة الحل الرقمي لاحقا (RRID:SCR_002516).
الترموكوبلز	الوحدة-T	سلسلة UT325/UT320	كانت التركيبات الحرارية تستخدم لالتقاط السلوك الحراري.