利用被动式特斯拉阀增强LED散热系统热性能以实现湍流诱导对流

摘要

本研究提出了一种利用红外热成像技术评估大功率板上芯片（COB）LED热性能的实验方案。在可变功率和气流条件下测试了一种紧凑型强制对流散热装置，结果表明该装置具有高效的散热能力，能够在智能照明和嵌入式电子设备等紧凑型应用中维持安全的结温。

摘要

本研究提出了一种利用红外热成像技术评估高功率板上芯片（COB）发光二极管（LED）热行为的实验方法，并结合一种新型紧凑型强制对流冷却装置。通过在不同功率输入和流量条件下进行测试，评估了系统的热性能，结果表明该系统能够将LED结温维持在关键阈值以下。热成像技术实现了在自然对流和强制对流条件下对LED表面温度的空间分辨分析。所提出的冷却装置专为紧凑集成而设计，采用径向进出风口结构，在减小占用空间的同时最大化散热效率。通过实验数据对仿真结果进行了验证，确保了该冷却方案的可靠性。本研究展示了一种可行且可重复的固态照明应用中热管理表征方法，为在LED灯具、智能照明系统或嵌入式电子模块等受限环境中的集成提供了可扩展的解决方案。

引言

随着对高功率照明解决方案需求的不断增长，板上芯片（Chip-on-Board, COB）发光二极管（LED）已成为现代照明技术的主流。COB LED通过将多个LED芯片直接安装在导热基板上，具有更高的发光效率和更紧凑的结构。然而，其高功率密度和紧凑的外形带来了显著的热管理挑战。高效散热对于维持这些器件的性能、可靠性和使用寿命至关重要¹。

在COB LED中，大部分电能被转化为热能而非光能，因此需要有效的热管理策略来防止性能下降并确保器件的使用寿命²。传统的被动散热方法（如散热器和导热界面材料）通常难以有效耗散高功率COB LED产生的大量热量³。因此，迫切需要开发新型散热解决方案，以在不牺牲照明系统紧凑性和效率的前提下，高效管理热负荷。

LED照明灯具的质量由多个参数构成：显色指数（CRI）⁴、光通量、色温以及使用寿命。上述参数对热量敏感；一些研究报道，光通量每升高1摄氏度便下降0.108 lm⁵。Abdelmlek 等人⁶提出了一种相关性模型，用于估算COB LED的使用寿命与温度之间的关系，其中涉及LED的结温。微电子技术的最新进展导致器件工作频率持续提高，电子元件不断微型化。这些趋势导致功率密度和热流显著增加，对传统的热管理策略提出了挑战^7,8。若不能有效管理此类热负荷，将严重降低器件的可靠性与性能。

为了改善COB LED上的散热性能，一些研究人员设计了具有特定几何形状和结构的散热器，通过自然对流增强LED向周围环境的热量传递^{9,10,11,12,13,14}。这类散热器在运行过程中可有效降低能耗，但其散热能力受限于表面积；当发热量增加时，散热器尺寸也随之增大，导致在高热流密度条件下设备体积更大。高功率板上芯片（COB）LED将多个芯片集成于紧凑的基板上，实现了高光效，但同时也产生显著的热流密度，威胁器件可靠性。因此，有效的热管理对于将结温维持在临界值以下至关重要。传统上采用被动式散热方法，如翅片散热器和自然对流；然而，这些方法的性能受限于有限的表面积以及浮力驱动流动下相对较低的对流换热系数。为克服这些局限，研究人员已广泛探索主动式散热方案，包括强制风冷散热器、热管、喷雾冷却和液冷微通道，这些方法可提供更低的热阻和更均匀的温度分布。在此研究基础上，本工作探索了一种替代策略：将增强型特斯拉阀微通道集成作为紧凑型冷板。该设计利用特斯拉结构的被动单向导通特性和流动混合特性，强化局部对流换热，同时无需运动部件或复杂的流道结构，从而在传统微通道与更复杂的主动冷却系统之间架起桥梁。

在这些应用中，为了管理高热流密度，液体冷却系统是一个理想的选择，因为它们能够提高传热系数，并在比被动冷却系统更紧凑的空间内改善传热效果。已有部分研究报道了液体冷却介质的应用，例如采用不同流道结构的冷板^15,16,17,18。

一种有前景的方法是集成微通道散热器，通过增加与冷却介质接触的表面积来增强传热效果。在各种微通道设计中，特斯拉阀——一种无活动部件的被动式装置——因其能够定向控制流体流动而受到关注，从而优化传热并最小化回流。特斯拉阀独特的几何结构有助于实现单向流动，在热管理应用中具有优势，可促进冷却剂高效循环并增强整体散热性能。为了提高传热系数，研究人员引入了扰动流体流线的几何结构。特斯拉阀是一种通道的几何构型，允许流体沿一个方向通过，其作用类似于二极管阀（单向阀）。当流体从相反方向流入时，系统内部的压力和湍流显著增加。一些研究利用特斯拉阀来增强湍流，从而提高传热系数。部分研究人员已采用参数化模型来确定特斯拉阀内的流体流动模式，以将其应用于冷却系统^19,20。特斯拉阀在冷却系统中最常见的应用形式是通过冷板实现的^21,22,23。例如，研究表明，将特斯拉阀结构集成到微通道散热器中，可通过促进湍流并提高对流传热系数来增强热性能²⁴。这些发现表明，基于特斯拉阀的微通道散热器可能是应对高功率COB LED热挑战的一种可行解决方案。

已有若干研究通过基于液体的冷却技术来解决高功率COB LED的热管理问题。例如，射流冲击和喷雾冷却方法展现出数量级为104–105 W·m^-2·K^-1的传热系数，能够在相对较低的泵功耗下有效将结温维持在关键阈值120 °C以下^25,26。同样，在COB阵列下方制造的微通道冷板，当水以中等流速循环时，可实现低至0.019 °C/W的热阻，凸显了通道微型化在提升冷却效率方面的巨大潜力^27,28。其他策略包括采用铁磁流体增强的散热器²⁹以及围绕COB封装设计的紧凑型热管模块³⁰，这两者相较于传统的实心金属散热器均表现出更优的热扩散性能和更低的热阻。

与这些方法相比，本文提出的基于特斯拉阀的冷却板引入了一种新颖的被动式机制，可在无需活动部件或复杂流道结构的情况下增强流体混合与湍流生成。尽管特斯拉阀因其单向导通特性和流动控制能力已在电子器件和能源系统中得到研究³¹，但其在COB LED散热中的应用在现有文献中尚未被广泛报道。因此，本研究通过将特斯拉阀流道网络适配于LED热管理的具体需求，做出了原创性贡献。实验结果表明，在强制对流条件下，特斯拉阀冷却板相较于成熟的液冷策略可实现相当的表面温降效果，同时具备结构更简化、抗堵塞以及抗机械故障能力强的优势。

本研究探讨了一种采用特斯拉阀结构的数控加工铝制微通道散热器在30 W COB LED热管理中的有效性。该设计旨在利用特斯拉阀的方向性流动控制特性，以增强冷却剂的循环和散热性能。通过开展实验评估，我们分析了所提出的冷却系统的热性能，包括温度分布、热阻和整体冷却效率等参数。本研究的结果可为高功率LED应用的先进被动冷却解决方案的开发提供参考，有助于优化紧凑型电子设备中的热管理策略。该项目的挑战在于将特斯拉阀结构集成到现有散热器上。通过这种设计，系统能够耗散较大的功率，从而可在紧凑的冷却系统中使用高功率器件。

图1 展示了本研究中所采用方法的示意图。该过程首先使用CAD软件创建LED散热装置的几何模型。随后将该几何模型导入CFD求解器（OpenFOAM/ANSYS Fluent），在其中进行网格划分并设置边界条件，以开展热-流体仿真。与此同时，搭建实验装置，包括用于温度测量的热电偶和红外相机。最后，将仿真结果与实验数据进行对比验证，以确保所提出的散热方案的可靠性。

图1：实验工作流程示意图：（1）几何结构创建，（2）CFD模拟，（3）原型制造，（4）热测量，以及（5）验证。 请点击此处查看此图的放大版本。

方案

冷却装置的几何结构
本项目旨在通过采用特斯拉阀，使50 W的COB LED保持在允许温度以下。作为热源使用的COB如图2A所示，而图2B显示了50个点亮的芯片，表明每个芯片的功率为1 W。

图2：LED COB及其芯片数量。（A）实验中使用的LED COB；（B）所用芯片数量的示意图。请点击此处查看此图的放大版本。

在文献中，曾有研究报道在包含特斯拉阀的装置上方安装热源，因此，本文中的LED是装置的一部分，因为它被放置在特斯拉阀的通道上方，并与冷却流体直接接触，以增强从LED向流体的传热，从而最大限度地降低热阻。图3A展示了该装置的几何结构。在上表面的透明区域，标示出了LED的安装位置。另一方面，图3B展示了所提出的冷却装置的组装方式。

图3：冷却装置的结构设计及建议组装方式。（A）所示为包含特斯拉阀通道结构的冷却装置设计方案。（B）为建议组装完成后的冷却装置示意图。请点击此处查看此图的放大版本。

为了使LED与流体直接接触，流体的入口和出口被设计在上表面，如图4A所示。流体从泵经由入口端口导入特斯拉通道。随后，流体充满入口腔室，并被驱动进入通道，入口通道的结构如图4B所示。在图4B中，上方的表面视图显示了该装置的流体腔室，未包含任何连接部分，包括上层盖板。

图4：装置的等距后视图。（A）上述表面冷却装置的等距视图。（B）装置的流体腔室。请点击此处查看此图的放大版本。

材料与配件
实验中使用的材料与配件见表1。使用铝制扁条通过数控机床研磨特斯拉通道。选择铝材是因为其在导热性能与成本之间具有良好的平衡。此外，与钢或其他更硬的材料相比，铝材更易于加工且加工速度更快。如图4A所示的上盖也采用铝材制造。入口和出口接头由黄铜制成，并通过上盖上的螺纹孔进行连接。COB金属基板采用铝合金制造，以增强热传导性能。

项目	材料	导热系数 w/m2κ
扁条	铝	160
金属芯	铝	160
上盖	铝	160
气动接头	黄铜	110

表1：所制造原型中使用的配件和材料。

由于水具有较高的比热容、广泛可得、产生火焰的风险低且无毒性，因此被用作工作流体。通道中的流动由一台泵驱动，通过表征该泵以确定流量与电压之间的函数关系。

边界条件
通过表征泵的流速来确定系统的入口边界条件。入口边界条件由入口速度定义，该速度根据流速和入口横截面积计算得出。泵的流速特性如图5所示。

图 5：泵的流速与入口流速。 请点击此处查看此图的放大版本。

图5展示了施加电压与两个关键水力参数之间的关系：平均体积流量 和平均流体流速 。每个数据点代表在每个电压水平下进行五次独立测量所得结果的平均值，以确保统计解释的可靠性。

体积流量的变化趋势
随着电压的升高，平均流量呈现出明显的上升趋势。在最低电压水平（4 V）时，平均流量约为 1.63 × 10^-5 m³/s，而在 12 V 时上升至近 3.49 × 10^-5 m³/s，增幅超过 110%。这种行为可归因于电压对驱动流体的机电执行器的影响。

随着电压的增加，驱动器速度上升，从而提高了单位时间内排出的体积。

平均速度的行为
流体速度呈现出类似的上升趋势，这与流量和速度之间的基本关系一致：

Q = A • v     (1)

其中 A 为管道的横截面积，v 为平均流速。由于横截面积保持不变，Q 的变化将直接转化为与之成正比的 v 的变化。在本实验中，平均流速从约 6.5 ×10^-3 m·s^-1 （在 4 V 时）增加至 1.41 ×10^-2 m·s^-1 （在 12 V 时）

曲线之间的比较
流速和速度曲线均表现出与电压近乎线性的关系。可能存在轻微的非线性，这可归因于电源的瞬态不稳定性、传感器响应时间的微小变化以及在较高流动状态下的内部摩擦或压头损失等因素。尽管这些效应在本研究范围内并不显著，但在未来的工作中可通过非线性回归或动态系统建模进一步探讨。

实际意义
从工程学角度来看，该曲线图提供了一个可在实际控制参数（电压）与关键流动变量之间进行有效关联的依据。这对于微流控、精确给药、强制对流冷却系统，或基于特斯拉阀等无源元件的流动结构具有重要意义。流量的单调性和可预测性行为还能够实现系统的精确校准，确保在实验或自动化装置中运行的稳定性与可重复性。

特斯拉阀中流体动力学的数学模型
从物理角度而言，冷却装置内部的流体动力学特性尚不明确。因此，开展了一项计算流体动力学（CFD）模拟，以分析流动行为，可视化增强传热系数的湍流，并识别特斯拉阀通道中可优化的流体滞留区域。

为了模拟特斯拉阀内的流体流动行为，我们采用雷诺平均纳维-斯托克斯方程，并结合标准K-epsilon湍流模型。该方法在计算成本与准确性之间取得了平衡，能够有效捕捉特斯拉阀内部流动通道中常见的回流和各向异性涡流等湍流效应。

控制方程
所用流体为水，视为不可压缩牛顿流体，且流动为稳态。控制方程如下：

  (2)

其中 为时间平均速度矢量。

     (3)

其中：

 ρ [kg/m³] 为流体密度，
 p [Pa] 为压力，
μ [Pa • s] 为动力黏度，
μ_t  [Pa • s] 为湍流涡黏度，定义如下：

     (4)

湍流动能 k 及其耗散率 ε 由以下输运方程控制：

湍流动能（k）：

     (5)

湍流耗散率（ε）：

   (6)

此处：

 k [m²/s²] 是湍流动能，
ε [m²/s³] 是湍流耗散率，
P_k [kg/(m • s³)] 是湍流动能的产生项，定义如下：

(7)

σ_k 和 σ_ε 分别是 k 和 ε 的湍流普朗特数，

C_μ、C_1ε 和 C_2ε 是经验常数。

标准 k-ε 模型中使用的常数为：
C_μ = 0.09，（针对剪切层和自由流湍流校准）
σ_k = 1.00，（确保 k 的扩散具有合理性）
σ_ε = 1.30，（控制 ε 的扩散）
C_1ε = 1.44，（平衡 ε 的生成与耗散）
C_2ε = 1.92。（确保适当的能量耗散率）

这些数值源自湍流边界层流动中的实验验证，并已在工程应用中广泛使用，具有可靠的准确性^32,33,34,35。

特斯拉阀内部流动具有边界层分离、回流区和方向性阻力的特征。这些现象本质上是湍流，对于实际设计而言，直接数值模拟（DNS）或大涡模拟（LES）在计算上是不可行的。

本研究采用k-ε模型，因其在内部高雷诺数流动中能够可靠地预测平均流场和湍流量。该模型能有效捕捉由特斯拉阀的转弯通道和滞止区域所引发的各向异性湍流效应，从而准确表征复杂的流动行为。此外，该模型具有良好的鲁棒性，并已在涉及射流冲击、流动分离以及复杂壁面约束流动的工程应用中得到广泛验证。

本研究中的边界条件包括充分发展的湍流入口速度分布、无滑移壁面以及压力出口。模拟域对应于多级特斯拉阀结构，采用混合的结构化-非结构化网格进行网格划分，并对边界层进行加密，以通过合适的壁面函数解析近壁面效应。

边界条件与讨论
为确保在特斯拉阀几何结构内实现真实的流动模拟，针对所有相关变量定义了适当的边界条件：速度、压力、湍流动能（k）和湍流耗散率（ε）。施加了以下条件：

入口（速度入口）：

在入口处设定均匀的速度分布，假设流动为充分发展、不可压缩且湍流。湍流参数 k 和 ε 根据湍流强度 I 和水力直径 D_h，利用相应的经验关系式进行初始化。

     (8)

该方法确保了与经验湍流生成模型的一致性，并保持了与标准 k-ε 模型的兼容性。

出口（压力出口）：
在出口处设定固定的静压（通常为表压 0 Pa），以实现充分发展的流出。对所有传输变量（速度、k 和 ε）应用零梯度（Neumann）条件，以防止产生非物理的回流效应，并确保计算域边界的数值稳定性。

壁面（无滑移条件）：
所有固体边界的流速均设为零，以施加无滑移条件。在湍流建模中，采用标准壁面函数来描述近壁区域的流动行为。湍流动能（k）在壁面处设为零，而耗散率（ε）则通过基于壁面律推导出的标准壁面函数近似计算得到。这些函数避免了对黏性底层进行精细求解，从而降低了计算成本，但前提是流动保持在对数区范围内（y⁺ > 30）。

该边界配置有效捕捉了特斯拉阀内的主要流动特征，包括流动分离、回流区以及沿弯曲通道的湍流增强现象。

热成像图像采集与测量注意事项
为评估冷却系统及COB型LED模块的热性能，采用工作在8–14 µm光谱范围内的非制冷红外相机进行了热成像测量。热成像检测旨在表征稳态运行条件下的表面温度分布。特别关注了尽量减少与红外热成像通常相关的不确定性。

最关键的方面之一是调整表面发射率值，以实现准确的温度反演。冷却系统由经过数控加工并抛光处理的铝板构成，其较低且与角度相关的发射率给红外测温带来了显著挑战。为解决这一问题，铝表面涂覆了一层高发射率的哑光黑漆（ε ≈ 0.95），该涂层此前已使用接触式热电偶和红外参考材料进行过校准。该处理确保了发射率的均匀性，并消除了可能影响测量准确性的镜面反射。

对于LED COB模块，其封装材料通常为涂覆荧光粉的硅胶，具有较高的发射率（ε ≈ 0.92），因此无需额外涂覆。然而，在相机设置过程中需注意避免热梯度的影响，应在LED达到热平衡后再进行图像采集。为确保稳态条件建立，LED通电后需至少等待60分钟。

实验期间环境条件受控。测量在封闭的实验室中进行，环境温度稳定（25 ± 1 °C），空气流动可忽略不计。

使用揉皱的铝箔法估算反射的表观温度，并在红外（IR）相机中手动设置。测量过程中未考虑相对湿度。相机安装在无振动的三脚架上，与目标表面呈垂直角度，以确保一致的观测几何条件。相机与目标之间的距离保持恒定（约0.5 m），并调整视场以在不引入视差误差的前提下最大化空间分辨率。每次实验前均使用黑体参考源进行校准，以验证相机的辐射响应。图6展示了热成像采集过程中所用的实验装置。表2总结了为确保温度测量准确性和可重复性而实施的关键参数和操作步骤。

图6：系统仪器装置与样品涂覆。（A）用于热电偶测量的系统仪器装置。（B）涂覆黑色涂料以进行热成像测量的样品。请点击此处查看该图的放大版本。

参数	数值/描述
红外相机	长波红外（8–14 μm），非制冷型
发射率（铝表面）	涂覆至 ε = 0.95（哑光黑色）
发射率（COB LED 表面）	ε = 0.92（原始表面）
环境温度	25±1 °C
观测距离	约 0.5 m
观测角度	垂直（法向入射）
热平衡时间	LED 通电后 60 分钟
反射表观温度	采用揉皱铝箔法估算
表面处理	在铝板上涂覆哑光黑色油漆
校准	每次测量前使用黑体源校准

表2：用于最小化误差的热成像参数和操作步骤。

热成像测量中使用的参数列于表2中。

红外热成像实验步骤与不确定度分析
采用红外（IR）热成像技术非侵入式地测量由特斯拉阀微通道冷板冷却的30 W COB LED组件表面温度场。相机工作于长波红外波段（LWIR），安装在刚性三脚架上，与目标表面垂直，以最小化视角效应。所有图像均在系统达到稳态后采集。选择固定的成像距离，使瞬时视场（IFOV）的光斑尺寸至少比最小感兴趣区域（ROI）小3倍，从而确保在特斯拉阀结构引起的陡峭温度梯度区域内具有足够的空间采样精度。

为尽量减少常见的热成像伪影，在整个实验过程中采取了多项预防措施。光学元件经过仔细清洁，镜头通过最大梯度准则手动对准感兴趣区域（ROI），并在每次采集前执行非均匀性校正（NUC）。为控制发射率，所有裸露的金属表面（如铝和铜）——这些材料在长波红外（LWIR）波段具有固有的低发射率和高反射性——均涂覆哑光黑色高发射率涂料（标称ε≈0.95）或覆盖经校准的高发射率胶带。热成像的感兴趣区域（ROI）仅定义在这些经过处理的区域上。采用揉皱铝箔法测量表观反射温度（T₍ref₎），并将其纳入相机的辐射度量模型中；同时，对光亮或倾斜的表面采取屏蔽措施，避免其受到外部辐射源影响而产生虚假热点。测量在尽量减少气流干扰的封闭环境中进行，操作人员位于屏蔽屏后方，外部热源（如电源或灯具）保持在视场之外，以降低寄生反射。光轴始终保持接近垂直入射，以减小方向性发射率效应和视差误差。所有测试过程中均保持相同的相机距离和ROI定义，以确保可重复性。

在辐射测温中，表面发射率按如下方式设定，且仅使用经过处理（涂漆或贴胶带）的区域进行定量报告：黑色涂漆的铝制散热器/特斯拉阀，ε = 0.95 ± 0.02；金属基板上的阻焊层（白色），ε ≈ 0.90 ± 0.03；以及硅胶封装材料，ε ≈ 0.94 ± 0.03。然而，为避免长波红外（LWIR）范围内的半透明效应，未将封装材料区域用于定量分析的感兴趣区域（ROI）。

相机根据特定感兴趣区域的发射率（通常 ε = 0.95）以及测得的参考温度 T_ref 和环境空气温度 T_∞ 进行设置。每幅热成像图均由 N ≥ 10 帧图像取平均值构成，以降低随机噪声。针对每个感兴趣区域（例如 COB 基板上的焊点附近区域以及冷板上的代表性点位），记录其平均温度 和标准差 s_T。所得的热图用于计算温升 ，以用于后续的热阻和传热分析。

设报道的LED表面温度为T_IR。假设输入量相互独立，采用不确定度传播定律估算合成标准不确定度u_c(TIR)：

 =     (9)

其中：(i) u_acc 表示相机的辐射测温精度（制造商提供的技术指标，已转换为 k=1）；(ii) u_T,ε 反映对发射率的敏感性；(iii) u_focus 表示离焦/瞬时视场（IFOV）不匹配的影响；(iv) u_NUC 涵盖探测器非均匀性校正后的残余误差；(v) u_ref 描述反射表观温度的不确定度；(vi) u_rep 为重复性（帧间及运行间重复性）。

对于发射率敏感性，对 (T,ε) 处的斯特藩-玻尔兹曼反演进行线性化可得到广泛使用的近似公式：

    (10)

其中 T 的单位为开尔文（kelvin）。在约 95% 置信水平下的扩展不确定度表示为 U(T_IR) ≈ 2uc(T_IR)。

以下代表性数值对应于在约 65 °C（T ≈ 338 K）附近的黑色涂覆区域测得的数据。相机的精度指标为 ±2 °C 或读数的 ±2%，按 k = 2 考虑。发射率设定为 ε = 0.95 ± 0.02，并采用良好聚焦的光学系统且控制了反射干扰。各项不确定度分量如下：相机精度（k = 1）导致的不确定度 u_acc = 1.0 K；根据公式（10）估算的发射率贡献项 u₍T,ε₎ ≈ (338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 K；聚焦或瞬时视场（IFOV）效应引起的不确定度 u_focus = 0.3 K；非均匀性校正残差 u_NUC = 0.2 K；反射表观温度引起的不确定度 u_ref = 0.4 K；以及帧间或多次运行间的重复性不确定度 u_rep = 0.2 K。

因此，

 =  

不确定性结果如表3所示。

来源	符号	标准不确定度 (k=1)	备注
相机辐射测温精度	u_acc	1.0 K	技术规格 ±2K，按 k=2 处理
发射率（涂漆，ε = 0.95 ± 0.02）	u_{T,ε}	1.78 K	公式 (10)，T = 338 K
聚焦/瞬时视场不匹配	u_focus	0.3 K	光斑尺寸 ≈ 感兴趣区域
探测器非均匀性	u_NUC	0.2 K	非均匀性校正后残差
反射的表观温度	u_ref	0.4 K	采用箔片法测定 T_ref
重复性	u_rep	0.2 K	帧/运行平均
合成不确定度 (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	公式 (9)
扩展不确定度 (k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

表3：黑漆涂覆区域红外温度测量的不确定度预算（示例）。

通过热阻的概念，可以量化特斯拉阀微通道板冷却的COB LED组件的整体热行为。类似于电路中的欧姆定律，热阻 R_θ 描述了LED的温升与其以热量形式耗散的输入功率之间的关系：

     (11)

其中，T_LED 表示 LED 封装的表面温度，T_∞ 表示环境空气温度，P 表示供给 LED 的电功率（假设几乎全部转化为热量）。R_θ 值越低，表明散热效率越高，这对于维持高功率 LED 的光效和确保其长期可靠性至关重要。

LED结点处产生的热量通过传导-对流路径传递。最初，热量通过LED基板、焊料界面以及特斯拉阀材料以热传导方式传递。一旦传至微通道，热量便通过对流被通道内部流动的冷却液带走。每个界面均对总热阻R_θ有贡献：

     (12)

其中对流热阻 R_{θ,convective} 通常在紧凑型高通量 LED 系统中占主导地位。热阻示意图如图7所示。

图7：与特斯拉阀微通道耦合的COB LED的热阻网络。 请点击此处查看此图的放大版本。

热量通过传导路径从LED结传递，并通过对流进入冷却剂，每一阶段均用热阻表示（R_js, R_cond, R_conv）。

特斯拉阀微通道作为一种被动式湍流促进结构，可在无需活动部件的情况下提高局部对流换热系数 h。与直微通道不同，特斯拉结构通过引入弯曲形状和回流区域来增强流体混合，从而提升对流冷却效果。有效对流热阻可表示为：

     (13)

其中 A 为有效传热面积。通过特斯拉阀效应实现的较高 h 值可直接降低 R_θ，从而导致 LED 工作温度更低。然而，这种增强是以增加压降为代价的，必须权衡其与泵送功率需求之间的关系。

对于测试的30 W COB LED，典型测量结果显示其表面温度比环境温度升高了ΔT ≈ 40 K，有效耗散功率为P ≈ 29.9 W。代入公式(11)可得，总热阻为：

该值明显低于具有相似占地面积的传统被动散热器，凸显了特斯拉阀微通道板的有益效果。此外，通过红外热成像获得的空间温度分布表明，与特斯拉通道直接耦合的区域表现出更均匀的温度场，证明了对流性能的提升。

意义
热阻的降低意味着LED结温的下降，从而直接减缓光通量衰减和色偏，这两者均与温度相关。

因此，特斯拉阀微通道方法为紧凑型LED冷却系统提供了一种实用的被动强化方案，兼具可制造性与热-水力性能。然而，在泵的选型及系统级能效分析中，必须考虑特斯拉结构引入的水力阻力增加问题。

结果

原型制造

采用数控铣削加工制造了原型，以同时制备特斯拉通道和腔室。加工完成的特斯拉通道如图8A所示，而制备好的腔室也在图8A中展示。随后，通过钻孔工艺在腔室上加工出入口和出口通道。

图 8：制造的特斯拉阀。（A）顶视图。（B）底视图。

讨论

与传统的散热器^{9,10,11,12,13,14}不同，该系统在紧凑结构内集成了强制对流机制，显著增强了散热性能。重要的是，进出口端口采用径向布局，使系统占用空间极小，非常适合在空间受限的环境中安装。

这是首次将这种经过热优化的紧凑型装置应用于LED照明系统。该应用为在小型灯具中实施先进的冷却策略开辟了路径，既能实现热保护，又可提供设计灵活性。

实验与数值结果表明，基于特斯拉阀的冷却系统在散热性能上相较于传统冷却方式具有显著提升。速度场中清晰可见的涡流和回流区域的形成增强了混合效果以及局部对流换热，有助于降低结温。压力降分布验证了特斯拉通道...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
FreeCad 软件	FreeCAD 社区	https://forum.freecad.org/	用于创建几何体和装配体的开源软件（RRID:SCR_066611）。
通用 CNC 铣床 3018 Pro Max	通用（Sainsmart/Mostreprap）	3018 Pro Max	用于制造特斯拉阀的台式 CNC 铣床。
红外热像仪	Unit-T	UTi260B / UTi720 系列	用于捕捉设备内温度分布的红外热像仪。
Octave 软件	GNU 项目	https://octave.org/	用于数据处理和绘图生成的开源软件（RRID:SCR_014398）。
OpenFoam	OpenCFD Ltd (ESI 集团)	开源 CFD 软件，用于求解数值模型（RRID:SCR_014876）。
Paraview 软件	Kitware 公司	https://www.paraview.org/	用于数值解后处理的开源软件（RRID:SCR_002516）。
热电偶	Unit-T	UT325/UT320 系列	用于捕捉热行为的热电偶。