Thermische Verbesserung von LED-Kühlsystemen mit passiven Tesla-Ventilen für turbulenzinduzierte Konvektion

Zusammenfassung

Diese Arbeit stellt ein experimentelles Protokoll zur Bewertung des thermischen Verhaltens von leistungsstarken Chip-on-Board-LEDs (COB) mittels Infrarot-Thermografie vor. Ein kompaktes Erzwungen-Konvektionskühlgerät wurde unter variabler Leistung und Luftstrom getestet und demonstrierte effiziente Wärmeableitung und sichere Übergangstemperaturen für kompakte Anwendungen wie intelligente Beleuchtung und eingebettete Elektronik.

Zusammenfassung

Diese Studie präsentiert eine experimentelle Methodik zur Bewertung des thermischen Verhaltens von leistungsstarken Chip-On-Board (COB) Leuchtdioden (LEDs) mittels Infrarot-Thermographie, integriert in ein neuartiges kompaktes Kühlgerät mit Zwangskonvektion. Die thermische Leistung wurde unter unterschiedlichen Leistungseingängen und Durchflussraten bewertet, was die Fähigkeit des Systems zeigte, LED-Übergangstemperaturen unter kritischen Schwellenwerten zu halten. Die thermographische Bildgebung ermöglichte die räumlich aufgelöste Temperaturanalyse der LED-Oberfläche sowohl unter natürlichen als auch im erzwungenen Konvektionsregime. Das vorgeschlagene Kühlgerät wurde speziell für eine kompakte Integration konzipiert und verfügt über eine radiale Ein- und Auslasskonfiguration, die den Platz minimiert und gleichzeitig die Wärmeabfuhr maximiert. Die erzeugten Simulationsergebnisse wurden anhand experimenteller Daten validiert, um die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Kühlansatzes sicherzustellen. Diese Arbeit demonstriert eine praktikable und replizierbare Methode zur Charakterisierung des Wärmemanagements in Festkörperbeleuchtungsanwendungen und bietet eine skalierbare Lösung für die Integration in begrenzten Umgebungen, wie LED-Leuchten, intelligente Beleuchtungssysteme oder eingebettete elektronische Module.

Einleitung

Die steigende Nachfrage nach leistungsstarken Beleuchtungslösungen hat Chip-on-Board (COB) Light Emitting Diodes (LEDs) an die Spitze moderner Beleuchtungstechnologien gebracht. COB-LEDs, gekennzeichnet durch mehrere LED-Chips, die direkt auf einem thermisch leitfähigen Substrat montiert sind, bieten eine überlegene Lichtwirkung und Kompaktheit. Ihre hohe Leistungsdichte und kompakte Bauform stellen jedoch erhebliche Herausforderungen im Wärmemanagement dar. Eine effiziente Wärmeableitung ist von größter Bedeutung, um die Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer dieser Geräte^{aufrechtzuerhalten}.

Bei COB-LEDs wird ein erheblicher Teil der elektrischen Energie in Wärme statt in Licht umgewandelt, was effektive Thermalmanagementstrategien erfordert, um Leistungseinbußen zu verhindern und die Lebensdauer des Geräts^zu gewährleisten. Traditionelle passive Kühlmethoden, wie Kühlkörper und thermische Schnittstellenmaterialien, verfehlen oft die intensive Wärme, die von leistungsstarken COB-LEDs³ erzeugt wird. Daher besteht ein dringender Bedarf an innovativen Kühllösungen, die die thermischen Lasten effizient steuern können, ohne die Kompaktheit und Effizienz der Beleuchtungssysteme zu beeinträchtigen.

Die Qualität der LED-Beleuchtung setzt sich aus verschiedenen Parametern zusammen: Farbwiedergabeindex (CRI)⁴, Lichtfluss, Temperatur, Farbe und Lebensdauer. Die genannten Parameter sind hitzeempfindlich; einige Arbeiten berichteten, dass der Leuchtfluss seinen Wert um 0,108 lm pro Grad^{Celsius 5} verringert. Abdelmlek et ^al.6 zeigen eine Korrelation, die die Lebensdauer von COB-LEDs als Funktion der Temperatur schätzt, wobei die Temperaturverbindung der LED beteiligt ist. Jüngste Fortschritte in der Mikroelektronik haben zu kontinuierlichen Steigerungen der Betriebsfrequenzen der Geräte und einer fortschreitenden Miniaturisierung elektronischer Bauteile geführt. Diese Trends führen zu deutlich höheren Leistungsdichten und Wärmeströmen, die konventionelle Thermalmanagementstrategien^{herausfordern 7,8}. Solche thermischen Lasten können, wenn sie nicht ausreichend gehandhabt werden, die Zuverlässigkeit und Leistung des Geräts erheblich beeinträchtigen.

Um die Wärmeableitung bei COB-LEDs zu verbessern, haben einige Forscher Kühlkörper mit bestimmten Geometrien und Konfigurationen entwickelt, die es ermöglichen, den Wärmetransfer von der LED zur Umgebung durch freie Konvektion 9,10,11,12,13,14 zu verbessern. Solche Wärmekörper sind eine effektive Option, um den Energieverbrauch während ihres Betriebs zu senken, aber die Wärmemengen sind durch die oberflächliche Fläche begrenzt, wodurch sich ihre Größe vergrößert, wenn die Wärmemenge zunimmt, was bei hohen Wärmeströmen zu größeren Geräten führt. Hochleistungs-Chip-on-Board-LEDs (COB) kombinieren mehrere Chips auf einem kompakten Substrat, was eine hohe Lichtwirkung ermöglicht, aber auch erhebliche Wärmeflussdichten erzeugt, die die Zuverlässigkeit des Geräts gefährden. Ein effektives Wärmemanagement ist daher unerlässlich, um die Verbindungstemperaturen unter kritischen Grenzen zu halten. Traditionell wurden passive Ansätze wie Finnen-Wärmekörper und natürliche Konvektion eingesetzt; Ihre Leistung wird jedoch durch eine begrenzte Oberfläche und die relativ niedrigen konvektiven Koeffizienten, die unter auftriebsgetriebener Strömung erreichbar sind, eingeschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, wurden aktive Lösungen wie Zwangsluftkühlkörper, Wärmerohre, Sprühkühlung und flüssigkeitsgekühlte Mikrokanäle umfassend untersucht, die niedrigere Wärmewiderstande und gleichmäßigere Temperaturverteilungen bieten. Aufbauend auf diesem Fortschritt erforscht unsere Arbeit eine alternative Strategie: die Integration von Tesla-Ventil-verstärkten Mikrokanälen als kompakte Kaltplatte. Dieses Design nutzt die passiven Diodizitäts- und Strömungsmischungseigenschaften der Tesla-Geometrien, um die lokale Konvektion zu intensivieren und gleichzeitig die Notwendigkeit beweglicher Teile oder komplexer Mannigfaltigkeiten zu vermeiden und so die Lücke zwischen konventionellen Mikrokanälen und komplexeren aktiven Kühlsystemen zu überbrücken.

Um hohe Wärmeflüsse in diesen Anwendungen zu steuern, sind Flüssigkeitskühlsysteme eine gute Option, da sie den Wärmeübertragungskoeffizienten erhöhen und den Wärmetransport in weniger reduzierenden Räumen verbessern können als passive Kühlsysteme. Einige Werke berichten von der Verwendung von Flüssigkeitskühlungsflüssigkeit, wie zum Beispiel Kaltplatten mit unterschiedlichen Kanalkonfigurationen^{15, 16, 17, 18}.

Ein vielversprechender Ansatz ist die Integration von Mikrokanal-Wärmesenkern, die den Wärmetransport verbessern, indem sie die Oberfläche im Kontakt mit dem Kühlmedium erhöhen. Unter verschiedenen Mikrokanal-Designs hat das Tesla-Ventil – ein passives, teilefreies Gerät – Aufmerksamkeit erregt, da es den Flüssigkeitsfluss in Richtung steuern kann, wodurch der Wärmetransport optimiert und der Rückfluss minimiert wird. Die einzigartige Geometrie der Tesla-Ventile ermöglicht einen unidirektionalen Durchfluss, was im Wärmemanagement von Vorteil sein kann, da er eine effiziente Kühlmittelzirkulation fördert und die Gesamtwärmeableitung erhöht. Um den Wärmeübertragungskoeffizienten zu erhöhen, haben die Forscher Geometrien einbezogen, die die Bahnlinien der Flüssigkeit stören. Das Tesla-Ventil ist eine geometrische Anordnung von Kanälen, die es der Flüssigkeit erlaubt, in eine Richtung zu fließen; Es funktioniert als diodisches Ventil (unidirektionales Ventil). Wenn eine Strömung in die entgegengesetzte Richtung eingeführt wird, steigen Druck und Turbulenz im System deutlich an. Einige Werke verwenden das Tesla-Ventil, um die Turbulenz zu erhöhen, was eine Folge des erhöhten Wärmeübertragungskoeffizienten ist. Einige Forscher haben parametrische Modelle verwendet, um die Strömungsmuster in Tesla-Ventilen für den Einsatz als Kühlsystem^zu bestimmen^. Die häufigste Anwendung eines Tesla-Ventils im Kühlsystem erfolgt über die Kaltplatten^{21, 22, 23}. Beispielsweise haben Forschungen gezeigt, dass die Integration von Tesla-Ventilstrukturen in Mikrokanal-Wärmekörper die thermische Leistung verbessern kann, indem sie turbulente Strömungen fördert und den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten²⁴ erhöht. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Tesla-Ventil-basierte Mikrokanal-Kühlkörper eine praktikable Lösung zur Bewältigung der thermischen Herausforderungen bei leistungsstarken COB-LEDs sein könnten.

Mehrere Studien haben sich mit dem thermischen Management von leistungsstarken COB-LEDs durch flüssigkeitsbasierte Kühltechniken befasst. So haben beispielsweise Strahlimpingement- und Spritzkühlungsmethoden Wärmeübertragungskoeffizienten im Bereich von 104–105 W·m^–2· gezeigt ^K-1, wodurch die Junction-Temperaturen effektiv unterhalb der kritischen 120 °C-Schwelle mit relativ niedriger Pumpleistung^{von 25,26} gehalten werden. Ebenso haben Mikrokanal-Kaltplatten, die unter COB-Arrays gefertigt werden, thermische Beständigkeiten von bis zu 0,019 °C/W erreicht, wenn Wasser mit moderaten Geschwindigkeiten zirkuliert wird, was das starke Potenzial der Kanalminiaturisierung zur Verbesserung der Kühleffizienz^{von 27,28} unterstreicht. Weitere Strategien umfassen ferrofluid-verstärkte Wärmesenken²⁹ und kompakte Wärmerohrmodule rund um COB-Pakete³⁰, die beide eine verbesserte Wärmeverteilung und einen geringeren Wärmewiderstand im Vergleich zu herkömmlichen Festmetallsenken aufweisen.

Im Vergleich zu diesen Ansätzen führt die vorgeschlagene Tesla-Ventil-basierte Kühlplatte einen neuartigen passiven Mechanismus ein, der das Mischen und die Turbulenzerzeugung verbessert, ohne dass bewegliche Teile oder komplexe Verteiler benötigt werden. Während Tesla-Ventile in Elektronik und Energiesystemen hinsichtlich ihrer Diodizitäts- und Durchflusskontrollfähigkeiten^untersucht wurden, wurde ihre Anwendung auf die COB-LED-Kühlung in der Literatur nicht umfassend dokumentiert. Diese Arbeit leistet somit einen originellen Beitrag, indem sie Tesla-Ventil-Durchflussnetze an die spezifischen Anforderungen des LED-Wärmemanagements anpasst. Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Tesla-Ventilplatte unter erzwungener Konvektion wettbewerbsfähige Oberflächentemperaturreduktionen im Vergleich zu etablierten Flüssigkeitskühlstrategien erreicht, mit dem zusätzlichen Vorteil einer vereinfachten Geometrie und der Robustheit gegen Verstopfungen oder mechanische Ausfälle.

In dieser Studie untersuchen wir die Wirksamkeit eines CNC-bearbeiteten Aluminium-Mikrokanal-Wärmesenkers mit Tesla-Ventilstrukturen für das thermische Management einer 30-W-COB-LED. Das Design zielt darauf ab, die Richtungssteuerung der Tesla-Ventile zu nutzen, um die Kühlmittelzirkulation und Wärmeableitung zu verbessern. Durch experimentelle Bewertungen bewerten wir die thermische Leistung des vorgeschlagenen Kühlsystems und analysieren Parameter wie Temperaturverteilung, thermischen Widerstand und Gesamtkühleffizienz. Die Ergebnisse dieser Forschung könnten die Entwicklung fortschrittlicher passiver Kühllösungen für Hochleistungs-LED-Anwendungen unterstützen und zur Optimierung von Wärmemanagementstrategien in kompakten elektronischen Geräten beitragen. Die Herausforderung dieses Projekts war die Implementierung des Tesla-Ventils über einem bestehenden Wärmesenker. Bei dieser Anordnung ist die verbrauchte Leistung erheblich, was den Einsatz von leistungsstarken Geräten in einem kompakten Kühlsystem ermöglicht.

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung der in dieser Studie angewandten Methodik. Der Prozess beginnt mit der geometrischen Erstellung des LED-Kühlgeräts mittels CAD-Software. Die Geometrie wird dann in den CFD-Solver (OpenFOAM/ANSYS Fluent) importiert, wo Netzgenerierung und Randbedingungen angewendet werden, um die thermischen Flüssigkeitssimulationen durchzuführen. Parallel wird das experimentelle Setup implementiert, einschließlich Thermoelementen und einer Infrarotkamera für Temperaturmessungen. Abschließend werden die Simulationsergebnisse anhand experimenteller Daten validiert, um die Zuverlässigkeit des vorgeschlagenen Kühlansatzes sicherzustellen.

Abbildung 1: Schaltplan des experimentellen Arbeitsablaufs: (1) Geometrie-Erstellung, (2) CFD-Simulationen, (3) Herstellung des Prototyps, (4) thermische Messungen und (5) Validierung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Protokoll

Geometrie des Kühlvorrichtungs
Ziel des Projekts ist es, eine 50 W COB-LED unter zulässiger Temperatur mit der Tesla-Ventil-Implementierung aufrechtzuerhalten. Der als Wärmequelle verwendete COB ist in Abbildung 2A dargestellt, während Abbildung 2B 50 eingeschaltete Chips-Chips zeigt, was darauf hinweist, dass jeder Chip 1 W Leistung hat.

Abbildung 2: LED-COB und die Anzahl der Chips. (A) Im Experiment verwendete LED-COB (B) Demonstration der Anzahl der verwendeten Chips. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

In der Literatur wurde berichtet, dass einige Tesla-Ventile eine Wärmequelle über den Geräten haben, die das Tesla-Ventil enthalten; daher ist in diesem Artikel die LED Teil des Geräts, da sie über den Tesla-Ventilkanälen in direktem Kontakt mit der Kühlflüssigkeit platziert wird, um den Wärmetransfer von der LED zur Flüssigkeit zu verbessern und so den thermischen Widerstand zu minimieren. Abbildung 3A zeigt die Geometrie des Geräts. Auf der oberen Oberfläche mit Transparenz wird die Stelle angezeigt, an der die LED platziert ist. Abbildung 3B hingegen zeigt die vorgeschlagene Baugruppe für das Kühlgerät.

Abbildung 3: Geometrie und die vorgeschlagene Montage des Kühlgeräts. (A) Das Kühlgerät wurde vorgeschlagen, die Tesla-Ventilkanäle zu zeigen. (B) Kühlvorrichtung vorgeschlagen montiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Mit dem Ziel, die LED in direkten Kontakt mit der Flüssigkeit zu bringen, wurden der Ein- und Auslass des Fluids über der oberen Oberfläche entworfen, wie in Abbildung 4A dargestellt. Die Flüssigkeit wird von der Pumpe zu den Tesla-Kanälen durch den Einlassanschluss geleitet. Anschließend füllt die Flüssigkeit die Einlasskammer, und die Flüssigkeit wird zu den Kanälen mit den Einlasskanälen geleitet, die in Abbildung 4B dargestellt sind. In Abbildung 4B zeigt die obige Oberflächenansicht die Flüssigkeitskammern des Geräts ohne Verbindungen, einschließlich der oberen Abdeckung.

Abbildung 4: Isometrische Hinteransicht des Geräts. (A) Isometrische Ansicht des oberflächlichen Kühlgeräts. (B) Flüssigkeitskammern des Geräts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Materialien und Zubehör
Die im Experiment verwendeten Materialien und Zubehörteile sind in Tabelle 1 dargestellt. Ein Aluminium-Flachstab wurde verwendet, um die Tesla-Kanäle mit einer CNC-Maschine zu schleifen. Das Aluminium wurde aufgrund seines Gleichgewichts zwischen Wärmeleitfähigkeit und Kosten ausgewählt. Außerdem ist die Bearbeitung von Aluminium einfacher und schneller als andere Bauteile wie Stahl oder härtere Materialien. Das obere Cover in Abbildung 4A wurde ebenfalls aus Aluminium entworfen. Die Ein- und Auslassanschlüsse bestehen aus Messing und sind durch Gewindelöcher an der oberen Abdeckung verbunden. Der COB-Metallkern wurde aus Aluminiumlegierung hergestellt, um den Wärmetransport zu verbessern.

Artikel	Material	Wärmeleitfähigkeit w/m2κ
Bandstab	Aluminium	160
Metal-Core	Aluminium	160
Oberer Deckel	Aluminium	160
Pneumatische Anschlüsse	Messing	110

Tabelle 1: Zubehör und Materialien, die im hergestellten Prototyp verwendet wurden.

Wasser wurde aufgrund seiner hohen spezifischen Wärmekapazität und der weit verbreiteten Verfügbarkeit als Arbeitsflüssigkeit verwendet; Außerdem aufgrund des geringen Risikos, Flammen und Null-Toxizität zu erzeugen. Der Durchfluss durch den Kanal wurde von einer Pumpe angetrieben, die so charakterisiert wurde, dass sie die Durchflussmenge als Funktion der Spannung bestimmte.

Randbedingungen
Die Durchflussrate der Pumpe wurde charakterisiert, um die Einlassgrenze in das System zu bestimmen. Die Einlassgrenzbedingung wird durch eine Einlassgeschwindigkeit definiert, die mit der Durchflussrate und dem Querschnitt des Einlasss berechnet wurde. Das Durchflussverhalten der Pumpe ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Durchflussrate der Pumpe und Einlassgeschwindigkeit. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und zwei zentralen hydraulischen Parametern: der durchschnittlichen volumetrischen Durchflussrate und der durchschnittlichen Flüssigkeitsgeschwindigkeit . Jeder Datenpunkt stellt den Mittelwert dar, der aus fünf unabhängigen Messungen pro Spannungspegel berechnet wird, was eine statistisch robuste Interpretation gewährleistet.

Trend der volumetrischen Durchflussrate
Ein deutlicher steigender Trend ist in der durchschnittlichen Durchflussrate zu beobachten, wenn die Spannung steigt. Bei der niedrigsten Spannung (4 V) beträgt die durchschnittliche Durchflussrate etwa 1,63 × 10^–5 m³/s, während sie bei 12 V auf fast 3,49 × 10^–5 m³/s ansteigt, was einer Steigerung von über 110 % entspricht. Dieses Verhalten ist auf den Einfluss der Spannung auf den elektromechanischen Antrieb zurückzuführen, der den Durchfluss ansteuert.

Mit steigender Spannung steigt die Aktuatorgeschwindigkeit, wodurch das verdrängte Volumen pro Zeiteinheit steigt.

Verhalten der durchschnittlichen Geschwindigkeit
Die Flüssigkeitsgeschwindigkeit folgt einem ähnlich steigenden Trend, der mit der fundamentalen Beziehung zwischen Durchflussrate und Geschwindigkeit übereinstimmt:

Q = A • v (1)

wobei A die Querschnittsfläche des Rohrs und v die durchschnittliche Geschwindigkeit ist. Da die Fläche konstant bleibt, führen Veränderungen in Q direkt zu proportionalen Veränderungen in v. In diesem Experiment stieg die durchschnittliche Geschwindigkeit von etwa 6,5 ×10^–3 m·^s-1 (bei 4 V) auf 1,41 ×10^–2 m·^s-1 (bei 12 V)

Vergleich zwischen Kurven
Sowohl die Durchfluss- als auch die Geschwindigkeitskurve weisen eine nahezu lineare Beziehung zur Spannung auf. Geringfügige Nichtlinearitäten können vorhanden sein und auf Faktoren wie vorübergehende Instabilitäten in der Stromversorgung, kleine Variationen der Sensorreaktionszeit sowie interne Reibung oder Kopfverluste bei höheren Durchflussregimen zurückzuführen sein. Obwohl diese Effekte im Rahmen der aktuellen Studie nicht signifikant sind, könnten sie in zukünftigen Arbeiten mit nichtlinearer Regression oder dynamischer Systemmodellierung weiter untersucht werden.

Praktische Auswirkungen
Aus ingenieurtechnischer Sicht bietet der Graph eine nützliche Korrelation zwischen einem zugänglichen Steuerparameter (Spannung) und kritischen Flussvariablen. Dies ist besonders relevant für Anwendungen in der Mikrofluidik, Präzisionsdosierung, Zwangskonvektionskühlsystemen oder Strömungsstrukturen, die auf passiven Elementen wie Tesla-Ventilen basieren. Das monotone und vorhersehbare Verhalten der Durchflussrate ermöglicht zudem eine präzise Systemkalibrierung und gewährleistet so operative Stabilität und Wiederholbarkeit in experimentellen oder automatisierten Einrichtungen.

Mathematisches Modell für die Strömungsmechanik in einem Tesla-Ventil
Die interne Strömungsdynamik des Kühlgeräts ist aus physikalischer Sicht nicht klar verstanden. Daher wurde eine Simulation der Computerströmungsmechanik (CFD) durchgeführt, um das Strömungsverhalten zu analysieren, Turbulenzen zu visualisieren, die den Wärmeübertragungskoeffizienten erhöhen, und stagnierende Fluidzonen zu identifizieren, die in den Tesla-Ventilkanälen optimiert werden können.

Um das Fluidflussverhalten innerhalb des Tesla-Ventils zu simulieren, verwenden wir die Reynolds-gemittelten Navier-Stokes-Gleichungen in Verbindung mit dem Standard-K-Epsilon-Turbulenzmodell. Dieser Ansatz bietet ein Gleichgewicht zwischen Rechenkosten und Genauigkeit bei der Erfassung von Turbulenzeffekten in internen Strömungskanälen mit Umlauf- und anisotropen Wirbeln, wie typischerweise bei Tesla-Ventilen beobachtet.

Steuerungsgleichungen
Die verwendete Flüssigkeit ist Wasser, gilt als inkompressibel und newtonsch, und die Strömung wird als stationärer Zustand angenommen. Die leitenden Gleichungen sind wie folgt:

  (2)

wobei  der zeitgemittelte Geschwindigkeitsvektor ist.

     (3)

wo:

ρ [kg/m³] ist die Flüssigkeitsdichte,
p [Pa] ist der Druck,
μ [Pa • s] ist die dynamische Viskosität,
μ_t [Pa • s] ist die turbulente Wirbelviskosität, definiert als:

     (4)

Die kinetische Energie k der Turbulenz und ihre Dissipationsrate ε werden durch folgende Transportgleichungen bestimmt:

Turbulente kinetische Energie (k):

     (5)

Turbulente Dissipationsrate (ε):

   (6)

Hier:

k [m²/s²] ist die kinetische Energie der Turbulenz,
ε [m²/^{s 3}] ist die Turbulenzdissipationsrate,
P_k [kg/(m • s³)] ist die Erzeugung der kinetischen Energie der Turbulenz, definiert als:

   (7)

σ_k und σ_ε sind die turbulenten Prandtl-Zahlen für k bzw. ε,

C_μ, C_1ε und C_2ε sind empirische Konstanten.

Die im Standardmodell k-ε verwendeten Konstanten sind:
C_μ = 0,09 (kalibriert für Scherschichten und freiströmende Turbulenzen)
σ_k = 1,00 (gewährleistet eine realistische Diffusion von k)
σ_ε = 1,30 (steuert die Diffusion von ε)
C_1ε = 1,44 (balanciert Produktion und Vernichtung von ε)
C_2ε = 1,92. (gewährleistet die richtige Energiedissipationsrate)

Diese Werte stammen aus experimenteller Validierung in turbulenten Grenzschichtströmungen und wurden in technischen Anwendungen mit zuverlässiger^{Genauigkeit von} 32,33,34,35 weit verbreitet eingesetzt.

Das Tesla-Ventil weist interne Durchflussbedingungen auf, die durch Trennung der Grenzschicht, Umlaufzonen und Richtungswiderstand gekennzeichnet sind. Diese Phänomene sind von Natur aus turbulent, und direkte numerische Simulation (DNS) oder Large Eddy Simulation (LES) sind für praktische Entwürfe rechnerisch erschwerend.

Das k-ε-Modell ist für diese Studie vorgesehen, weil es zuverlässige Vorhersagen des mittleren Strömungsfeldes und der Turbulenzgrößen in internen, hoch-Reynolds-Strömungen liefert. Sie erfasst effektiv die anisotropen Turbulenzeffekte, die durch die Drehkanäle und Stagnationszonen des Tesla-Ventils verursacht werden, und gewährleistet so eine genaue Darstellung des komplexen Strömungsverhaltens. Darüber hinaus ist dieses Modell robust und wurde in ingenieurtechnischen Anwendungen wie Strahlimpingement, Strömungstrennung und komplexen wandbegrenzten Strömungen umfassend validiert.

Bei dieser Arbeit umfassen die Randbedingungen ein vollständig entwickeltes turbulentes Einlassgeschwindigkeitsprofil, rutschfreie Wände und einen Druckausgang. Die Simulationsdomäne entspricht einer mehrstufigen Tesla-Röhrengeometrie, die mit einem hybriden strukturiert-unstrukturierten Gitter mit Verfeinerung der Grenzschicht vernetzt wird, um Wandnahe-Effekte mit geeigneten Wandfunktionen zu lösen.

Randbedingungen und Diskussion
Um eine realistische Strömungssimulation innerhalb der Tesla-Ventilgeometrie zu gewährleisten, wurden geeignete Randbedingungen für alle relevanten Variablen definiert: Geschwindigkeit, Druck, turbulente kinetische Energie (k) und turbulente Dissipationsrate (ε). Folgende Bedingungen wurden auferlegt:

Einlass (Geschwindigkeitseinlass):

Am Einlass wurde ein einheitliches Geschwindigkeitsprofil vorgeschrieben, unter der Annahme einer vollständig entwickelten, nicht kompressiblen, turbulenten Strömung. Die turbulenten Größen k und ε wurden basierend auf der Turbulenzintensität I und dem hydraulischen Durchmesser D_h initialisiert, wobei die entsprechenden empirischen Beziehungen verwendet wurden.

(8)

Dieser Ansatz gewährleistet die Konsistenz mit empirischen Modellen zur Turbulenzerzeugung und bewahrt die Kompatibilität mit der Standard-k-ε-Formulierung.

Auslass (Druckausgang):
Am Ausgang wurde ein fester statischer Druck (typischerweise 0 Pa) eingestellt, um einen vollständig entwickelten Abfluss zu ermöglichen. Nullgradientenbedingungen (Neumann) wurden auf alle transportierten Variablen (Geschwindigkeit, k und ε) angewendet, um künstliche Rückflusseffekte zu verhindern und die numerische Stabilität an der Domänengrenze zu gewährleisten.

Wände (Rutschfestigkeit):
Die Geschwindigkeit an allen festen Rändern wurde auf null gesetzt, wobei die No-Slip-Bedingung angewendet wurde. Für die Turbulenzmodellierung wurden standardisierte Wandfunktionen verwendet, um das Verhalten nahe der Wand darzustellen. Die turbulente kinetische Energie (k) wurde an der Wand auf null gesetzt, während die Dissipationsrate (ε) mit Standard-Wandfunktionsapproximationen berechnet wurde, die aus dem Mauergesetz abgeleitet sind. Diese Funktionen überflüssig machen, die viskose Unterschicht aufzulösen, wodurch die Rechenkosten reduziert werden, unter der Annahme, dass die Strömung im logarithmischen Bereich (y⁺ > 30) bleibt.

Diese Grenzanordnung erfasst effektiv die Hauptströmungsmerkmale innerhalb des Tesla-Ventils, einschließlich Strömungstrennung, Umlaufzonen und Turbulenzverstärkung entlang der gekrümmten Kanäle.

Thermographische Bildaufnahme- und Messüberlegungen
Um die thermische Leistung des Kühlsystems und des COB-LED-Moduls zu bewerten, wurden thermographische Messungen mit einer ungekühlten Infrarotkamera durchgeführt, die im Spektralbereich von 8–14 μm arbeitete. Die thermografische Inspektion zielte darauf ab, die Oberflächentemperaturverteilung unter stationären Betriebsbedingungen zu charakterisieren. Besondere Aufmerksamkeit wurde darauf gelegt, Unsicherheiten, die üblicherweise mit der Infrarot-Thermografie verbunden sind, zu minimieren.

Einer der wichtigsten Aspekte war die Anpassung der Oberflächenemissivitätswerte für eine genaue Temperaturabfindung. Das Kühlsystem bestand aus CNC-gefrästen Aluminiumplatten mit polierter Oberfläche, deren niedrige und winkelabhängige Emissivität eine erhebliche Herausforderung für Infrarotmessungen darstellt. Um dies zu beheben, wurden die Aluminiumoberflächen mit einer hochemissivitätsfähigen mattschwarzen Farbe (ε ≈ 0,95) beschichtet, die zuvor mit Kontaktthermoelementen und Infrarot-Referenzmaterialien kalibriert wurde. Diese Behandlung gewährleistete eine gleichmäßige Emissivität und eliminierte spiegelnde Reflexionen, die sonst die Messgenauigkeit beeinträchtigt hätten.

Für das LED-COB-Modul, dessen Kapselmaterial typischerweise ein phosphorbeschichtetes Silikon mit höherer Emissivität (ε ≈ 0,92) ist, war keine zusätzliche Beschichtung erforderlich. Dabei wurde jedoch darauf geachtet, thermische Gradienten während der Kameraeinstellung zu vermeiden, indem die LED vor der Bildaufnahme das thermische Gleichgewicht erreichen konnte. Nach dem Einschalten der LED wurde eine Wartezeit von mindestens 60 Minuten verhängt, um einen stabilen Zustand zu gewährleisten.

Während der Experimente wurden die Umgebungsbedingungen kontrolliert. Die Messungen wurden in einem geschlossenen Labor mit stabiler Umgebungstemperatur (25 ± 1 °C) und vernachlässigbaren Luftströmen durchgeführt.

Die reflektierte scheinbare Temperatur wurde mit einer zerknitterten Alufolie-Methode geschätzt und manuell in der Infrarotkamera eingestellt. Die relative Luftfeuchtigkeit wurde bei den Messungen nicht berücksichtigt. Die Kamera war auf einem vibrationsfreien Stativ in senkrechtem Winkel zur interessanten Oberfläche montiert, was eine einheitliche Betrachtungsgeometrie gewährleistete. Der Abstand zwischen Kamera und Ziel wurde konstant gehalten (etwa 0,5 m), und das Sichtfeld wurde so angepasst, dass die räumliche Auflösung maximiert wurde, ohne Parallaxenfehler zu erzeugen. Vor jeder Sitzung wurde eine Kalibrierung mit einer Schwarzkörper-Referenzquelle durchgeführt, um die radiometrische Reaktion der Kamera zu validieren. Abbildung 6 zeigt das experimentelle Setup, das während der thermographischen Aufnahme verwendet wurde. Tabelle 2 fasst die wichtigsten Parameter und Verfahren zusammen, die angewendet wurden, um genaue und wiederholbare Temperaturmessungen sicherzustellen.

Abbildung 6: Systeminstrumentierung und Probebeschichtung. (A) Systeminstrumentierung für Thermoelementmessungen. (B) Probe mit schwarzer Farbe für thermografische Messungen beschichtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Parameter	Wert/Beschreibung
IR-Kamera	Langwellen-IR (8–14 μm), ungekühlt
Emissivität (Aluminiumoberfläche)	Lackiert auf ε = 0,95 (mattschwarz)
Emissivität (COB-LED-Oberfläche)	ε = 0,92 (Muttersprache)
Umgebungstemperatur	25±1 °C
Sichtweite	~ 0,5 m
Betrachtungswinkel	Senkrecht (normale Inzidenz)
Thermische Gleichgewichtszeit	60 Minuten nach dem Einschalten der LED
Reflektierte scheinbare Temperatur	Geschätzt mit der Methode der zerknitterten Folie
Oberflächenbehandlung	Matte schwarze Farbe auf Aluminiumplatten aufgetragen
Kalibrierung	Schwarzkörperquelle vor jeder Messung

Tabelle 2: Thermografieparameter und Verfahren zur Fehlerminimierung.

Die in den thermografischen Messungen verwendeten Parameter sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Infrarot-Thermographieverfahren und Unsicherheitsanalyse
Infrarot-(IR)-Thermographie wurde eingesetzt, um das Oberflächentemperaturfeld einer 30-W COB-LED-Baugruppe, die von einer Tesla-Ventil-Mikrokanal-Kaltplatte gekühlt wurde, nicht-invasiv zu kartieren. Die Kamera arbeitete im Langwellenband (LWIR), montiert auf einem starren Stativ, senkrecht zur interessanten Oberfläche, um Blickwinkeleffekte zu minimieren. Alle Erwerbungen erfolgten, nachdem das System stabile Bedingungen erreicht hatte. Eine feste Bildentfernung wurde gewählt, sodass die Größe des momentanen Sichtfelds (IFOV) mindestens 3 × kleiner als der kleinste Interessensbereich (ROI) war, was eine ausreichende räumliche Abtastung über die steilen Temperaturgradienten gewährleistete, die durch die Tesla-Ventilfunktionen induziert wurden.

Um häufige thermographische Artefakte zu minimieren, wurden während des experimentellen Verfahrens mehrere Vorsichtsmaßnahmen getroffen. Die Optik wurde sorgfältig gereinigt, und das Objektiv wurde manuell auf das Interessengebiet (ROI) unter Verwendung des Maximumgradientenkriteriums fokussiert, während vor jeder Aufnahme eine Non-Uniformitätskorrektur (NUC) durchgeführt wurde. Zur Steuerung der Emissivität wurden alle blanken Metalloberflächen wie Aluminium und Kupfer – die von Natur aus niedrig emissivisiert und im Langwellen-Infrarotbereich (LWIR) reflektierend sind – mit mattschwarzer Hochemissionsfarbe (nominal ε ≈ 0,95) beschichtet oder mit kalibriertem Emissivitätsband bedeckt. Thermographische ROIs wurden ausschließlich für diese behandelten Bereiche definiert. Die scheinbar reflektierte Temperatur (T₍ref₎) wurde mit der zerknitterten Aluminiumfolienmethode gemessen und in das radiometrische Modell der Kamera integriert; Glänzende oder geneigte Oberflächen wurden vor externen Strahlungsquellen abgeschirmt, um falsche Hotspots zu verhindern. Die Messungen wurden in einem zugminimierten Gehäuse durchgeführt, wobei der Bediener hinter einem Bildschirm positioniert war und externe Wärmequellen wie Netzteile oder Lampen außerhalb des Sichtfelds platziert wurden, um parasitäre Reflexionen zu reduzieren. Die optische Achse wurde nahe am normalen Einschlag gehalten, um Effekte der gerichteten Emissivität und Parallaxenfehler zu begrenzen. Die gleiche Kameradistanz und die gleiche ROI-Definitionen wurden bei allen Tests beibehalten, um die Wiederholbarkeit zu gewährleisten.

Oberflächenemissivitäten wurden für die radiometrische Temperaturrückgewinnung wie folgt zugewiesen, und für die quantitative Berichterstattung wurden nur behandelte (lackierte oder tapedierte) Bereiche verwendet: schwarz lackierter Aluminium-Wärmekörper/Tesla-Ventil, ε = 0,95 ± 0,02; Lötmaske auf MCPCB (weiß), ε ≈ 0,90 ± 0,03; und Silikonkapsel ε ≈ 0,94 ± 0,03. Für quantitative ROIs wurden jedoch keine Encapsulant-Regionen verwendet, um Halbtransparenzeffekte im LWIR-Bereich zu vermeiden.

Die Kamera wurde mit der Emissivität des spezifischen ROI konfiguriert (typischerweise ε = 0,95) sowie mit der gemessenen_T-Referenz und der Umgebungstemperatur T_∞. Jedes Thermogramm bestand aus N ≥ 10 Bildern, die gemittelt wurden, um zufälliges Rauschen zu reduzieren. Für jede ROI (z. B. nahe Übergangsfläche auf dem COB-Substrat und repräsentative Punkte auf der kalten Platte) wurden die mittlere Temperatur und Standardabweichungen s_T erfasst. Die resultierende thermische Karte wurde verwendet, um den Temperaturanstieg für nachfolgende thermische Widerstands- und Wärmeübertragungsanalysen zu berechnen.

Sei die angegebene LED-Oberflächentemperatur T_IR. Die kombinierte Standardunsicherheit u_c(TIR) wurde mit dem Gesetz der Ausbreitung der Unsicherheit geschätzt, unter der Annahme unkorrelierter Eingaben:

= (9)

wobei: (i) u_acc die radiometrische Genauigkeit der Kamera berücksichtigt (Herstellerspezifikation, umgerechnet in k=1), (ii) u_{T, ε} die Empfindlichkeit gegenüber Emissivität erfasst, (iii) u_Fokus Defokus/IFOV-Fehlanpassung darstellt, (iv) u_NUC die Nicht-Uniformitätsresiduen des Detektors abdeckt, (v) u_Referenz modelliert Unsicherheit bei reflektierter scheinbarer Temperatur und (vi) u_rep die Wiederholbarkeit (Bild-zu-Bild und Durchlauf-zu-Lauf).

Für die Emissivitätsempfindlichkeit ergibt die Linearisierung der Stefan-Boltzmann-Inversion um (T,ε) die weit verbreitete Näherung:

(10)

mit T in Kelvin. Die erweiterte Unsicherheit bei ~95 % Sicherheit wurde als U(T_IR) ≈ 2uc(T_IR) angegeben.

Die folgenden repräsentativen Werte entsprechen Messungen an schwarz gestrichenen Regionen bei 65 °C (T ≈ 338 K). Die Kamera hat eine Genauigkeitsspezifikation von ±2 °C oder ±2 % der Messung, behandelt als k = 2. Die Emissivität wurde auf ε = 0,95 ± 0,02 gesetzt, mit gut fokussierter Optik und kontrollierten Reflexionen. Die individuellen Unsicherheitsbeiträge waren wie folgt: Die Kameragenauigkeit (k = 1) ergibt u_acc = 1,0 K; der Emissivitätsbeitrag, geschätzt aus Gleichung (10), beträgt u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; der Fokus- oder IFOV-Effekt ergibt u_focus = 0,3 K; die Nicht-Uniformitätskorrektur-Residue u_NUC = 0,2 K; die reflektierte scheinbare Temperatur u_ref = 0,4 K; und die Wiederholbarkeit zwischen Frames oder Runs u_rep = 0,2 K.

So

= 

Die Unsicherheitsergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt.

Quelle	Symbol	Std. Unc. (k=1)	Notizen
Radiometrische Genauigkeit der Kamera	u_acc	1.0 K	Spec. ±2K behandelt als k=2
Emissivität (gemalt, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Gleichung (10), T = 338 K
Fokus/IFOV-Fehlanpassung	u_focus	0,3 K	Spotgröße ≈ ROI
Detektor-Gleichmäßigkeit	u_NUC	0,2 K	Post-NUC-Restzeit
Reflektierte scheinbare Temperatur	u_ref	0,4 K	Folienmethode für T_ref
Wiederholbarkeit	u_rep	0,2 K	Frame/Run-Durchschnitt
Kombiniert (k=1)	u_c(T_IR)	2,15 K	Gleichung (9)
Erweitert (k=2)	U(T_IR)	4,30 K	≈ 2u_c

Tabelle 3: Unsicherheitsbudget für IR-Temperatur bei schwarz lackiertem ROI (illustrativ).

Das gesamte thermische Verhalten der COB-LED-Baugruppe, die durch eine Tesla-Ventil-Mikrokanalplatte gekühlt wird, lässt sich durch das Konzept des thermischen Widerstands quantifizieren. Analog zum Ohmschen Gesetz in elektrischen Schaltungen setzt der thermische Widerstand R_θ den Temperaturanstieg der LED in Beziehung zur als Wärme verlorenen Eingangsleistung:

(11)

wobei die_T-LED die Oberflächentemperatur des LED-Gehäuses ist, T_∞ die Umgebungslufttemperatur und P die der LED zugeführte elektrische Energie (vorausgesetzt, fast alles wird in Wärme umgewandelt). Ein niedriger Wert von R_θ weist auf eine effiziente Wärmeentfernung hin, was entscheidend ist, um die Lichtwirkung zu erhalten und die langfristige Zuverlässigkeit von leistungsstarken LEDs zu gewährleisten.

Die am LED-Übergang erzeugte Wärme folgt einem Leitungs-Konvektionsweg. Anfangs fließt die Wärme durch Wärmeleitung durch das LED-Substrat, die Lötschnittstelle und das Material des Tesla-Ventils. Sobald sie in die Mikrokanäle übertragen ist, wird die Wärme durch Konvektion zum Kühlmittel, das im Inneren fließt, abgeführt. Jede Schnittstelle trägt zum Gesamt-R_θ bei:

(12)

mit dem konvektiven Widerstand R_{θ, konvektiv}, dominiert typischerweise in kompakten, hochstromigen LED-Systemen. Das Widerstandsdiagramm ist in Abbildung 7 dargestellt.

Abbildung 7: Thermisches Widerstandsnetzwerk der COB-LED, gekoppelt mit dem Tesla-Ventil-Mikrokanal. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Die Wärme fließt von der LED-Verbindung durch Leitungswege in das Kühlmittel über Konvektion, wobei jede Stufe als thermischer Widerstand (R_js, R_Leitung, R_konv) dargestellt wird.

Die Tesla-Ventil-Mikrokanäle wirken als passiver Turbulenzförderer und erhöhen den lokalen konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten h, ohne dass bewegliche Teile benötigt werden. Im Gegensatz zu geraden Mikrokanälen führt das Tesla-Design Krümmungs- und Umlaufzonen ein, die das Mischen intensivieren und so die konvektive Kühlung verbessern. Der effektive konvektive Widerstand kann wie folgt ausgedrückt werden:

(13)

wobei A die effektive Wärmeübertragungsfläche ist. Höhere h-Werte, die durch den Tesla-Ventileffekt erreicht werden, reduzieren direkt_R-θ, was zu niedrigeren LED-Betriebstemperaturen führt. Diese Verbesserung geht jedoch auf Kosten eines zusätzlichen Druckabfalls, der mit dem Pumpenleistungsbedarf ausgewogen werden muss.

Für die getesteten 30 W COB-LED ergaben typische Messungen einen Oberflächentemperaturanstieg von ΔT ≈ 40 K über dem Umgebungstemperatur, mit einer effektiven Dissipationsleistung von P ≈ 29,9 W. Ersetzt in Gleichung (11) war der Gesamtthermalwiderstand wie folgt:

Dieser Wert ist deutlich niedriger als der herkömmlicher passiver Senken mit ähnlichem Grundaufsatz und unterstreicht den positiven Effekt der Tesla-Ventil-Mikrokanalplatte. Darüber hinaus bestätigte die durch Infrarot-Thermographie gewonnene räumliche Temperaturverteilung, dass die direkt mit Tesla-Kanälen gekoppelten Regionen gleichmäßigere Temperaturfelder aufwiesen, was eine verbesserte konvektive Leistung zeigt.

Implikationen
Ein reduzierter thermischer Widerstand führt zu einer niedrigeren LED-Übergangstemperatur und mildert direkt Lumenabwertung und Farbverschiebung, die beide temperaturabhängig sind.

Der Tesla-Ventil-Mikrokanalansatz bietet daher eine praktische passive Verbesserung für kompakte LED-Kühlsysteme, indem Herstellbarkeit mit thermisch-hydraulischer Leistung verbunden wird. Dennoch muss der durch die Tesla-Geometrie eingeführte erhöhte hydraulische Widerstand bei der Pumpenauswahl und bei Systemanalysen der Energieeffizienz berücksichtigt werden.

Ergebnisse

Prototypenfertigung

Der Prototyp wurde mit CNC-Fräsen gefertigt, um sowohl die Tesla-Kanäle als auch die Kammern herzustellen. Die bearbeiteten Tesla-Kanäle sind in Abbildung 8A dargestellt, während die gefertigten Kammern in Abbildung 8A dargestellt sind. Anschließend wurde ein Bohrprozess durchgeführt, um die Ein- und Auslassöffnungen an den Kammern zu formen.

Diskussion

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kühlkörpern 9,10,11,12,13,14 integriert das System einen Zwangskonvektionsmechanismus in einer kompakten Konfiguration, der die Wärmeableitung deutlich verbessert. Wichtig ist, dass die Integration von Ein- und Auslassanschlüssen in einer radialen Konfiguration e...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
FreeCad-Software	FreeCAD-Community	https://forum.freecad.org/	Open-Source-Software zur Erstellung von Geometrien und Baugruppen (RRID:SCR_066611).
Generisches CNC-Fräsen 3018 Pro Max	Generisch (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Desktop-CNC-Fräsmaschine, die zur Herstellung des Tesla-Ventils verwendet wird.
Infrarotkamera	Einheit-T	UTi260B / UTi720 Serie	Infrarotkamera, die zur Erfassung der Temperaturverteilung im Gerät verwendet wird.
Octave Software	GNU-Projekt	https://octave.org/	Open-Source-Software zur Datenverarbeitung und Diagrammerstellung (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (ESI-Gruppe)	Open-Source-CFD-Software zur Lösung des numerischen Modells (RRID:SCR_014876).
Paraview-Software	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Open-Source-Software zur Nachbearbeitung der numerischen Lösung (RRID:SCR_002516).
Thermokoppel	Einheit-T	UT325/UT320-Serie	Thermoelemente, die verwendet werden, um das thermische Verhalten zu erfassen.