Mejora térmica de sistemas de refrigeración LED utilizando válvulas Tesla pasivas para convección inducida por turbulencias

Resumen

Este trabajo presenta un protocolo experimental para evaluar el comportamiento térmico de LEDs Chip-on-Board (COB) de alta potencia utilizando termografía infrarroja. Se probó un dispositivo compacto de refrigeración por convección forzada bajo potencia y flujo de aire variables, demostrando una disipación eficiente de calor y temperaturas seguras de unión para aplicaciones compactas como iluminación inteligente y electrónica embebida.

Resumen

Este estudio presenta una metodología experimental para evaluar el comportamiento térmico de diodos emisores de luz (LED) Chip-On-Board (COB) de alta potencia utilizando termografía infrarroja, integrada con un novedoso dispositivo compacto de refrigeración por convección forzada. El rendimiento térmico se evaluó bajo diferentes entradas de potencia y caudales, lo que reveló la capacidad del sistema para mantener las temperaturas de las uniones LED por debajo de umbrales críticos. La imagen termográfica permitió el análisis espacial de temperatura de la superficie LED bajo regímenes de convección natural y forzada. El dispositivo de refrigeración propuesto fue diseñado específicamente para una integración compacta, con una configuración radial de entrada/salida que minimiza el espacio y maximiza la eficiencia de disipación del calor. Los resultados de la simulación generados se validaron frente a datos experimentales, asegurando la fiabilidad del enfoque de refrigeración propuesto. Este trabajo demuestra un método factible y replicable para la caracterización de la gestión térmica en aplicaciones de iluminación de estado sólido, proporcionando una solución escalable para la integración en entornos confinados, como luminarias LED, sistemas de iluminación inteligente o módulos electrónicos empotrados.

Introducción

La creciente demanda de soluciones de iluminación de alta potencia ha impulsado los diodos emisores de luz (LED) Chip-on-Board (COB) a la vanguardia de las tecnologías modernas de iluminación. Los LEDs COB, caracterizados por múltiples chips LED montados directamente sobre un sustrato térmicamente conductor, ofrecen una eficacia luminosa y compacidad superiores. Sin embargo, su alta densidad de potencia y su formato compacto plantean importantes retos en la gestión térmica. La disipación eficiente del calor es fundamental para mantener el rendimiento, la fiabilidad y la longevidad de estos^{dispositivos 1}.

En los LEDs COB, una parte sustancial de la energía eléctrica se convierte en calor en lugar de luz, lo que requiere estrategias efectivas de gestión térmica para evitar la degradación del rendimiento y garantizar la longevidad del^{dispositivo 2}. Los métodos tradicionales de refrigeración pasiva, como los disipadores de calor y los materiales de interfaz térmica, a menudo no logran disipar el calor intenso generado por los LEDs COB^{de alta potencia 3}. Por ello, existe una necesidad urgente de soluciones innovadoras de refrigeración que puedan gestionar eficientemente las cargas térmicas sin comprometer la compacidad y eficiencia de los sistemas de iluminación.

La calidad de la luminaria LED se compone de diferentes parámetros: índice de reproducción del color (CRI⁾⁴, flujo luminoso, temperatura, color y vida útil. Los parámetros mencionados son sensibles al calor; algunos estudios informaron que el flujo luminoso disminuye su valor en 0,108 lm por grado^{Celsius 5}. Abdelmlek et ^al.6 muestran una correlación que estima la vida útil de los LEDs COB en función de la temperatura, que implica la unión de temperatura del LED. Los avances recientes en microelectrónica han llevado a un aumento continuo en las frecuencias de operación de los dispositivos y a una miniaturización progresiva de los componentes electrónicos. Estas tendencias resultan en densidades de potencia significativamente mayores y flujos de calor que desafían las estrategias convencionales de gestión^{térmica 7,8}. Estas cargas térmicas, si no se gestionan adecuadamente, pueden degradar gravemente la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo.

Para mejorar la disipación de calor en los LEDs COB, algunos investigadores han diseñado disipadores de calor con geometrías y configuraciones particulares que permiten mejorar la transferencia de calor del LED hacia el ambiente mediante convección^libre 9,10,11,12,13,14. Este tipo de disipadores de calor son una opción eficaz para reducir el consumo de energía durante su funcionamiento, pero las cantidades de calor están limitadas por la superficie superficial, aumentando su tamaño si la cantidad de calor aumenta, lo que resulta en dispositivos más grandes si se involucran altos flujos de calor. Los LED chip-onboard (COB) de alta potencia combinan múltiples chips sobre un sustrato compacto, lo que permite una alta eficacia luminosa pero también genera densidades significativas de flujo de calor que amenazan la fiabilidad del dispositivo. Por tanto, una gestión térmica eficaz es esencial para mantener las temperaturas de las uniones por debajo de los límites críticos. Tradicionalmente, se han empleado enfoques pasivos como disipadores de calor con aletas y convección natural; sin embargo, su rendimiento está limitado por la limitada superficie y los coeficientes convectivos relativamente bajos que se pueden lograr bajo flujo impulsado por la flotabilidad. Para superar estas limitaciones, se han investigado ampliamente soluciones activas como disipadores de calor de aire forzado, tuberías de calor, enfriamiento por pulverización y microcanales refrigerados por líquido, ofreciendo resistencias térmicas más bajas y distribuciones de temperatura más uniformes. A partir de esta evolución, nuestro trabajo explora una estrategia alternativa: integrar microcanales mejorados con válvulas Tesla como una placa fría compacta. Este diseño aprovecha la diodicidad pasiva y las propiedades de mezcla de flujo de las geometrías de Tesla para intensificar la convección local, evitando la necesidad de piezas móviles o colectores complejos, apontando así la brecha entre los microcanales convencionales y los sistemas de refrigeración activa más complejos.

Para gestionar altos flujos de calor en estas aplicaciones, los sistemas de refrigeración líquida son una buena opción porque pueden aumentar el coeficiente de transferencia de calor y mejorar la transferencia de calor en espacios más reductores que los sistemas de refrigeración pasiva. Algunos estudios informan del uso de fluido refrigerante líquido, como placas frías con diferentes configuraciones de canales^{15, 16, 17, 18}.

Un enfoque prometedor implica la integración de disipadores de calor microcanales, que mejoran la transferencia de calor aumentando la superficie en contacto con el medio de refrigeración. Entre varios diseños de microcanales, la válvula Tesla —un dispositivo pasivo y sin piezas móviles— ha llamado la atención por su capacidad para controlar el flujo de fluidos de forma direccional, optimizando así la transferencia de calor y minimizando el reflujo de combustible. La geometría única de las válvulas Tesla facilita el flujo unidireccional, lo que puede ser ventajoso en aplicaciones de gestión térmica al promover una circulación eficiente del refrigerante y mejorar la disipación total del calor. Para aumentar el coeficiente de transferencia de calor, los investigadores han incluido geometrías que perturbaban las líneas de trayectoria del fluido. La válvula de Tesla es una configuración geométrica de canales que permite que el fluido vaya en una sola dirección; Funciona como una válvula diódica (válvula unidireccional). Cuando se introduce un flujo en sentido contrario, la presión y la turbulencia dentro del sistema aumentan notablemente. Algunas obras utilizan la válvula de Tesla para aumentar la turbulencia, siendo consecuencia del aumento del coeficiente de transferencia de calor. Algunos investigadores han utilizado modelos paramétricos para determinar los patrones de flujo de fluidos en las válvulas Tesla para su uso como sistema de^{refrigeración 19,20}. La aplicación más común de la válvula Tesla implementada en el sistema de refrigeración es a través de las placas^{frías 21, 22 y 23}. Por ejemplo, investigaciones han demostrado que incorporar estructuras de válvulas Tesla en disipadores de calor de microcanal puede mejorar el rendimiento térmico al promover el flujo turbulento y aumentar el coeficiente de transferencia de calor^{convectiva 24}. Estos hallazgos sugieren que los disipadores de calor de microcanal basados en válvulas Tesla podrían ser una solución viable para gestionar los desafíos térmicos asociados a los LEDs COB de alta potencia.

Varios estudios han abordado la gestión térmica de LEDs COB de alta potencia mediante técnicas de refrigeración líquida. Por ejemplo, los enfoques de impactación por chorro y refrigeración por pulverización han demostrado coeficientes de transferencia de calor del orden de 104-105 W·^m-2· ^K-1, manteniendo efectivamente las temperaturas de la unión por debajo del umbral crítico de 120 °C con una potencia de bombeo relativamente^{baja de 25,26}. Del mismo modo, las placas frías de microcanal fabricadas bajo matrices COB han alcanzado resistencias térmicas tan bajas como 0,019 °C/W cuando el agua circula a velocidades moderadas, lo que pone de manifiesto el gran potencial de la miniaturización de canales para mejorar la eficiencia de^{refrigeración 27,28}. Otras estrategias incluyen disipadores de calor²⁹ mejorados con ferrofluidos y módulos compactos de tubos de calor diseñados alrededor de los paquetes^{COB 30}, ambos con una mejor dispersión térmica y una resistencia térmica reducida en comparación con los sumideros convencionales de metal sólido.

En comparación con estos enfoques, la placa de refrigeración propuesta basada en válvulas Tesla introduce un mecanismo pasivo novedoso que mejora la mezcla y la generación de turbulencias sin necesidad de piezas móviles ni colectores complejos. Aunque las válvulas Tesla han sido investigadas en electrónica y sistemas energéticos por sus capacidades de diodicidad y control^{de flujo,} su aplicación a la refrigeración por LED COB no ha sido ampliamente documentada en la literatura. Por tanto, este trabajo aporta una contribución original adaptando las redes de flujo de válvulas Tesla a los requisitos específicos de la gestión térmica de LEDs. Nuestros resultados indican que, bajo convección forzada, la placa de válvula Tesla logra reducciones competitivas de temperatura superficial en comparación con las estrategias establecidas de refrigeración líquida, con el beneficio añadido de una geometría simplificada y robustez frente a obstrucciones o fallos mecánicos.

En este estudio, investigamos la eficacia de un disipador de calor de microcanal de aluminio mecanizado por CNC que incorpora estructuras de válvulas Tesla para la gestión térmica de un led cob de 30 W. El diseño pretende aprovechar el control direccional del flujo de las válvulas Tesla para mejorar la circulación del refrigerante y la disipación de calor. Mediante evaluaciones experimentales, evaluamos el rendimiento térmico del sistema de refrigeración propuesto, analizando parámetros como la distribución de temperatura, la resistencia térmica y la eficiencia general de refrigeración. Los resultados de esta investigación podrían informar el desarrollo de soluciones avanzadas de refrigeración pasiva para aplicaciones LED de alta potencia, contribuyendo a la optimización de estrategias de gestión térmica en dispositivos electrónicos compactos. El reto de este proyecto fue la implementación de la válvula Tesla sobre un disipador de calor existente. Con este sistema, la potencia disipada es importante, lo que permite el uso de dispositivos de alta potencia en un sistema de refrigeración compacto.

La Figura 1 presenta una representación esquemática de la metodología seguida en este estudio. El proceso comienza con la creación geométrica del dispositivo de refrigeración LED mediante software CAD. La geometría se importa entonces al solucionador CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), donde se aplican la generación de mallas y las condiciones de contorno para realizar las simulaciones termofluidos. Paralelamente, se implementa el montaje experimental, que incluye termopares y una cámara infrarroja para mediciones de temperatura. Finalmente, los resultados de la simulación se validan con datos experimentales, asegurando la fiabilidad del enfoque de refrigeración propuesto.

Figura 1: Esquema del flujo de trabajo experimental: (1) creación de geometría, (2) simulaciones CFD, (3) fabricación para el prototipo, (4) mediciones térmicas y (5) validación. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Protocolo

Geometría del dispositivo de refrigeración
El objetivo del proyecto es mantener un LED COB de 50 W bajo una temperatura permitida con la implementación de la válvula Tesla. El COB utilizado como fuente de calor se muestra en la Figura 2A, mientras que la Figura 2B muestra 50 chips de chip encendidos, indicando que cada chip tiene 1 W de potencia.

Figura 2: COB LED y número de chips de chip. (A) COB LED usado en el experimento (B) Demostración del número de chips de chip utilizados. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

En la literatura, se informó que algunas válvulas Tesla tenían una fuente de calor montada sobre los dispositivos que contienen la válvula Tesla, por lo que, en este artículo, el LED forma parte del dispositivo porque se coloca sobre los canales de la válvula Tesla en contacto directo con el fluido de refrigeración para mejorar la transferencia de calor del LED hacia el fluido, minimizando así la resistencia térmica. La Figura 3A muestra la geometría del dispositivo. En la superficie superior, con transparencia, se muestra el lugar donde se coloca el LED. Por otro lado, la Figura 3B muestra el conjunto propuesto para el dispositivo de refrigeración.

Figura 3: Geometría y el conjunto propuesto del dispositivo de refrigeración. (A) Dispositivo de refrigeración propuesto mostrando los canales de válvulas de Tesla. (B) Dispositivo de refrigeración propuesto ensamblado. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Con el objetivo de colocar el LED en contacto directo con el fluido, la entrada y salida del fluido se diseñaron sobre la superficie superior, como se muestra en la Figura 4A. El fluido se conduce desde la bomba hasta los canales de Tesla a través del terminal de entrada. Luego, el fluido llena la cámara de entrada y se conduce hacia los canales con los canales de entrada mostrados en la Figura 4B. En la Figura 4B, la vista superficial anterior muestra las cámaras de fluido del dispositivo sin ninguna conexión, incluida la cubierta superior.

Figura 4: Vista isométrica detrás del dispositivo. (A) Vista isométrica del dispositivo de refrigeración superior a la superficie. (B) Cámaras de fluidos del dispositivo. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Materiales y accesorios
Los materiales y accesorios utilizados en el experimento se muestran en la Tabla 1. Se utilizaba una barra plana de aluminio para rectificar los canales de Tesla con una máquina CNC. El aluminio se eligió por su equilibrio entre conductividad térmica y coste. Además, el mecanizado del aluminio es más fácil y rápido que otros componentes, como el acero o materiales más duros. La cubierta superior mostrada en la Figura 4A también fue diseñada con aluminio. Los terminales de entrada y salida están fabricados en latón y están conectados a través de orificios roscados en la tapa superior. El núcleo metálico COB se fabricó en aleación de aluminio para mejorar la transferencia de calor.

Artículo	Material	Conductividad térmica w/m 2κ
Barra plana	Aluminio	160
Metal-Core	Aluminio	160
Cubierta superior	Aluminio	160
Accesorios neumáticos	Latón	110

Tabla 1: Accesorios y materiales utilizados en el prototipo fabricado.

Se utilizaba agua como fluido de trabajo debido a su alta capacidad calorífica específica y su amplia disponibilidad; Además, debido al bajo riesgo de generar llamas y toxicidad nula. El flujo a través del canal era impulsado por una bomba, que se caracterizaba para determinar el caudal en función del voltaje.

Condiciones de frontera
El caudal de la bomba se caracterizó para determinar la condición de contorno de entrada en el sistema. La condición de contorno de entrada se define por una velocidad de entrada calculada con el caudal y la sección transversal de la entrada. El comportamiento del caudal de la bomba se presenta en la Figura 5.

Figura 5: Caudal de la bomba y velocidad de entrada. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

La Figura 5 muestra la relación entre el voltaje aplicado y dos parámetros hidráulicos clave: el caudal volumétrico medio y la velocidad media del fluido. Cada punto de datos representa el valor medio calculado a partir de cinco mediciones independientes por nivel de voltaje, asegurando una interpretación estadísticamente robusta.

Tendencia del caudal volumétrico
Se observa una clara tendencia al alza en el caudal medio a medida que aumenta el voltaje. Al nivel de tensión más bajo (4 V), el caudal medio es aproximadamente 1,63 × ^{10-5 m 3}/s, mientras que a 12 V sube a casi 3,49 × 10-5^{m 3}/s, lo que representa un aumento del 110% de sobre. Este comportamiento puede atribuirse a la influencia del voltaje sobre el actuador electromecánico que impulsa el flujo.

A medida que aumenta la tensión, la velocidad del actuador aumenta, incrementando así el volumen desplazado por unidad de tiempo.

Comportamiento de la velocidad media
La velocidad del fluido sigue una tendencia ascendente similar, que es coherente con la relación fundamental entre caudal y velocidad:

Q = A • v (1)

donde A es el área de sección transversal del conducto y v es la velocidad media. Dado que el área permanece constante, los cambios en Q se traducen directamente en cambios proporcionales en v. En este experimento, la velocidad media aumentó de aproximadamente 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (a 4 V) a 1,41 ×^10-2 m·^s-1 (a 12 V)

Comparación entre curvas
Tanto la curva de caudal como la de velocidad presentan una relación casi lineal con el voltaje. Pueden existir pequeñas no linealidades que pueden atribuirse a factores como inestabilidades transitorias en la fuente de alimentación, pequeñas variaciones en el tiempo de respuesta del sensor y fricción interna o pérdidas de carga en regímenes de flujo más altos. Aunque estos efectos no son significativos dentro del ámbito del estudio actual, podrían explorarse más a fondo utilizando regresión no lineal o modelización de sistemas dinámicos en trabajos futuros.

Implicaciones prácticas
Desde una perspectiva de ingeniería, el gráfico proporciona una correlación útil entre un parámetro de control accesible (voltaje) y variables críticas de flujo. Esto es especialmente relevante para aplicaciones en microfluídica, dosificación de precisión, sistemas de refrigeración por convección forzada o estructuras de flujo basadas en elementos pasivos como válvulas de Tesla. El comportamiento monótono y predecible del caudal también permite una calibración precisa del sistema, asegurando estabilidad operativa y repetibilidad en configuraciones experimentales o automatizadas.

Modelo matemático para la dinámica de fluidos en una válvula de Tesla
La dinámica interna de fluidos del dispositivo de refrigeración no se entiende claramente desde un punto de vista físico. Por ello, se realizó una simulación de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar el comportamiento del flujo, visualizar la turbulencia que mejora el coeficiente de transferencia de calor e identificar zonas de fluidos estancados que puedan optimizarse en los canales de válvulas de Tesla.

Para simular el comportamiento del flujo de fluidos dentro de la válvula de Tesla, empleamos las ecuaciones de Navier-Stokes promediadas por Reynolds junto con el modelo estándar de turbulencia K-épsilon. Este enfoque proporciona un equilibrio entre coste computacional y precisión para capturar efectos de turbulencia dentro de los conductos internos de flujo con recirculación y remolinos anisotrópicos, como se observa típicamente en válvulas de Tesla.

Ecuaciones que gobernan
El fluido utilizado es agua, considerada incompresible y newtoniana, y se asume que el flujo es de estado estacionario. Las ecuaciones que rigen son las siguientes:

  (2)

donde  es el vector de velocidad promediado en el tiempo.

     (3)

Dónde:

ρ [kg/^{m 3}] es la densidad del fluido,
p [Pa] es la presión,
μ [Pa • s] es la viscosidad dinámica,
μ_t [Pa • s] es la viscosidad turbulenta del remolino, definida como:

     (4)

La energía cinética de turbulencia k y su tasa de disipación ε están gobernadas por las siguientes ecuaciones de transporte:

Energía cinética turbulenta (k):

     (5)

Tasa de disipación turbulenta (ε):

   (6)

Aquí:

k [m²/^{s 2}] es la energía cinética de turbulencia,
ε [m²/^{s 3}] es la tasa de disipación de turbulencia,
P_k [kg/(m •^{s 3})] es la producción de energía cinética de turbulencia, definida como:

   (7)

σ_k y σ_ε son los números de Prandtl turbulentos para k y ε, respectivamente,

C_μ, C_1ε y C_2ε son constantes empíricas.

Las constantes utilizadas en el modelo estándar k - ε son:
C_μ = 0,09, (calibrado para capas de cizallamiento y turbulencia de flujo libre)
σ_k = 1,00, (asegura una difusión realista de k)
σ_ε = 1,30, (controla la difusión de ε)
C_1ε = 1,44, (equilibra la producción y destrucción de ε)
C_2ε = 1,92. (asegura una tasa adecuada de disipación de energía)

Estos valores se derivan de la validación experimental en flujos turbulentos de la capa límite y se han utilizado ampliamente en aplicaciones de ingeniería con una precisión^fiable 32,33,34,35.

La válvula de Tesla presenta condiciones de flujo interno caracterizadas por la separación de la capa límite, zonas de recirculación y resistencia direccional. Estos fenómenos son inherentemente turbulentos, y los enfoques de simulación numérica directa (DNS) o simulación de remolinos grandes (LES) son computacionalmente prohibitivos para diseños prácticos.

El modelo k-ε es para este estudio porque proporciona predicciones fiables del campo medio de flujo y las cantidades de turbulencia en flujos internos de alto número de Reynolds. Captura eficazmente los efectos de turbulencia anisotrópica inducidos por los canales de giro y las zonas de estancamiento de la válvula de Tesla, asegurando una representación precisa del comportamiento complejo del flujo. Además, este modelo es robusto y ha sido ampliamente validado en aplicaciones de ingeniería que involucran impactamiento por chorro, separación de flujos y flujos complejos delimitados por paredes.

En este trabajo, las condiciones de contorno incluyen un perfil de velocidad de entrada turbulento completamente desarrollado, muros antideslizantes y una salida de presión. El dominio de simulación corresponde a una geometría de válvula Tesla de varias etapas, que se entabla mediante una cuadrícula híbrida estructurada-no estructurada con refinamiento de la capa límite para resolver efectos cercanos a la pared utilizando funciones de pared apropiadas.

Condiciones de contorno y debate
Para asegurar una simulación realista del flujo dentro de la geometría de la válvula Tesla, se definieron condiciones de contorno adecuadas para todas las variables relevantes: velocidad, presión, energía cinética turbulenta (k) y tasa de disipación turbulenta (ε). Se impusieron las siguientes condiciones:

Entrada (entrada de velocidad):

Se prescribía un perfil de velocidad uniforme en la entrada, asumiendo un flujo turbulento, incompresible y completamente desarrollado. Las cantidades turbulentas k y ε se inicializaron en función de la intensidad de turbulencia I y el diámetro hidráulico D_h, utilizando las relaciones empíricas correspondientes.

(8)

Este enfoque garantiza la coherencia con los modelos empíricos de generación de turbulencias y preserva la compatibilidad con la formulación estándar k-ε.

Salida (salida de presión):
Se estableció una presión estática fija (normalmente de 0 Pa de calibre) en la salida para permitir un flujo de salida completamente desarrollado. Se aplicaron condiciones de gradiente cero (Neumann) a todas las variables transportadas (velocidad, k y ε) para evitar efectos artificiales de retroceso y asegurar la estabilidad numérica en el límite del dominio.

Muros (condición antideslizante):
La velocidad en todos los límites sólidos se estableció en cero, aplicando la condición de no deslizamiento. Para el modelado de turbulencia, se usaron funciones estándar de pared para representar el comportamiento cercano a la pared. La energía cinética turbulenta (k) se ajustó a cero en la pared, mientras que la tasa de disipación (ε) se calculó usando aproximaciones estándar de función de pared derivadas de la ley de la pared. Estas funciones eliminan la necesidad de resolver la subcapa viscosa, reduciendo así el coste computacional, bajo la suposición de que el flujo permanece dentro de la región logarítmica (y⁺ > 30).

Esta configuración de límite captura eficazmente las principales características del flujo dentro de la válvula de Tesla, incluyendo la separación del flujo, las zonas de recirculación y la intensificación de la turbulencia a lo largo de los conductos curvos.

Consideraciones sobre adquisición y medición de imágenes termográficas
Para evaluar el rendimiento térmico del sistema de refrigeración y del módulo LED tipo COB, se realizaron mediciones termográficas utilizando una cámara infrarroja sin enfriar que operaba en el rango espectral de 8-14 μm. La inspección termográfica tenía como objetivo caracterizar la distribución de la temperatura superficial bajo condiciones de funcionamiento estable. Se prestó especial atención a minimizar las incertidumbres comúnmente asociadas a la termografía infrarroja.

Uno de los aspectos más críticos fue el ajuste de los valores de emisividad superficial para una recuperación precisa de la temperatura. El sistema de refrigeración estaba compuesto por placas de aluminio mecanizadas CNC con acabado pulido, cuya emisividad baja y dependiente del ángulo supone un desafío significativo para las mediciones infrarrojas. Para solucionar esto, las superficies de aluminio fueron recubiertas con una pintura negra mate de alta emisividad (ε ≈ 0,95), previamente calibrada usando termopares de contacto y materiales de referencia infrarrojos. Este tratamiento garantizaba una emisividad uniforme y eliminaba las reflexiones especulares que de otro modo comprometerían la precisión de las mediciones.

Para el módulo LED COB, cuyo material encapsulante suele ser una silicona recubierta de fósforo con mayor emisividad (ε ≈ 0,92), no fue necesario un recubrimiento adicional. Sin embargo, se tuvo cuidado de evitar gradientes térmicos durante la instalación de la cámara, permitiendo que el LED alcanzara el equilibrio térmico antes de capturar imágenes. Se impuso un periodo de espera de al menos 60 minutos tras encender el LED para asegurar que se establecieran condiciones de estado estacionario.

Las condiciones ambientales se controlaron durante los experimentos. Las mediciones se realizaron en un laboratorio cerrado con temperatura ambiente estable (25 ± 1 °C) y corrientes de aire insignificantes.

La temperatura aparente reflejada se estimaba usando un método de papel de aluminio arrugado y se ajustaba manualmente en la cámara infrarroja (IR). No se tuvo en cuenta la humedad relativa durante las mediciones. La cámara estaba montada sobre un trípode sin vibraciones, en un ángulo perpendicular a la superficie de interés, asegurando una geometría de visión consistente. La distancia entre la cámara y el objetivo se mantenía constante (aproximadamente 0,5 m), y el campo de visión se ajustaba para maximizar la resolución espacial sin introducir errores de paralaje. La calibración se realizaba antes de cada sesión utilizando una fuente de referencia de cuerpo negro para validar la respuesta radiométrica de la cámara. La Figura 6 ilustra el montaje experimental utilizado durante la adquisición termográfica. La Tabla 2 resume los parámetros y procedimientos clave implementados para garantizar mediciones de temperatura precisas y repetibles.

Figura 6: Instrumentación del sistema y recubrimiento de la muestra. (A) Instrumentación del sistema para mediciones de termopares. (B) Muestra recubierta con pintura negra para mediciones termográficas. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

Parámetro	Valor/Descripción
Cámara IR	IR de onda larga (8–14 μm), sin enfriar
Emisividad (superficie de aluminio)	Pintado a ε = 0,95 (negro mate)
Emisividad (superficie LED COB)	ε = 0,92 (nativo)
Temperatura ambiente	25±1 °C
Distancia de visualización	~ 0,5 m
Ángulo	Perpendicular (incidencia normal)
Tiempo de equilibrio térmico	60 minutos después de encender el LED
Temperatura aparente reflejada	Estimado usando el método del papel de aluminio arrugado
Tratamiento superficial	Pintura negra mate aplicada a placas de aluminio
Calibración	Fuente de cuerpo negro antes de cada medición

Tabla 2: Parámetros y procedimientos termográficos utilizados para minimizar errores.

Los parámetros utilizados en las mediciones termográficas se enumeran en la Tabla 2.

Procedimiento de termografía infrarroja y análisis de incertidumbre
Se empleó termografía infrarroja (IR) para mapear de forma no invasiva el campo de temperatura superficial de un conjunto de LED COB de 30 W refrigerado por una placa fría de microcanal tipo válvula Tesla. La cámara operaba en la banda de onda larga (LWIR), montada sobre un trípode rígido, normal a la superficie de interés para minimizar los efectos del ángulo de visión. Todas las adquisiciones se realizaron después de que el sistema alcanzó condiciones estables. Se seleccionó una distancia de imagen fija para que el tamaño instantáneo del campo de visión (IFOV) fuera al menos 3× menor que la región de interés (ROI) más pequeña, asegurando un muestreo espacial adecuado a través de los pronunciados gradientes de temperatura inducidos por las características de la válvula Tesla.

Para minimizar los artefactos termográficos comunes, se implementaron varias precauciones a lo largo del procedimiento experimental. La óptica se limpiaba cuidadosamente y la lente se enfocaba manualmente en la región de interés (ROI) usando el criterio de gradiente máximo, mientras que antes de cada adquisición se realizaba una corrección de no uniformidad (NUC). Para controlar la emisividad, todas las superficies metálicas desnudas, como el aluminio y el cobre —que son inherentemente de baja emisividad y reflejantes en el rango de infrarrojo de onda larga (LWIR)— fueron recubiertas con pintura negra mate de alta emisividad (nominal ε ≈ 0,95) o cubiertas con cinta de emisividad calibrada. Los ROI termográficos se definieron exclusivamente en estas áreas tratadas. La temperatura reflejada aparente (T₍ref₎) se medía mediante el método de lámina de aluminio arrugada e incorporada al modelo radiométrico de la cámara; las superficies brillantes o en ángulo estaban protegidas de fuentes externas de radiación para evitar puntos calientes falsos. Las mediciones se realizaban dentro de una carcasa con tiraje mínimo de aire, con el operador situado detrás de una pantalla y fuentes de calor externas como fuentes de alimentación o lámparas fuera del campo de visión para reducir las reflexiones parásitas. El eje óptico se mantuvo cerca de la incidencia normal para limitar los efectos de emisividad direccional y los errores de paralaje. Se mantuvieron las mismas definiciones de distancia de cámara y de retorno de inversión en todas las pruebas para garantizar la repetibilidad.

Las emisididades superficiales se asignaron de la siguiente manera para la recuperación de temperatura radiométrica, y solo se usaron regiones tratadas (pintadas o con cinta) para el reporte cuantitativo: disipador de calor de aluminio pintado de negro/válvula Tesla, ε = 0,95 ± 0,02; máscara de soldadura en MCPCB (blanco), ε ≈ 0,90 ± 0,03; y encapsulante de silicona, ε ≈ 0,94 ± 0,03. Sin embargo, no se utilizaron regiones encapsulantes para los ROI cuantitativos para evitar efectos de semitransparencia en el rango LWIR.

La cámara estaba configurada con la emisividad del ROI específico (típicamente ε = 0,95) y con la_referencia T medida y la temperatura ambiente del aire _T∞. Cada termograma consistía en N ≥ 10 fotogramas promediados para reducir el ruido aleatorio. Para cada ROI (por ejemplo, área cercana a la unión en el sustrato COB y puntos representativos en la placa fría), se registraron la temperatura media y la desviación estándar s_T . El mapa térmico resultante se utilizó para calcular el aumento de temperatura en análisis posteriores de resistencia térmica y transferencia de calor.

Pongamos la temperatura superficial del LED reportada como T_IR. La incertidumbre estándar combinada u_c(TIR) se estimó utilizando la ley de propagación de la incertidumbre, asumiendo entradas no correlacionadas:

= (9)

donde: (i) u_acc tiene en cuenta la precisión radiométrica de la cámara (especificación del fabricante, convertida a k=1), (ii) u_T,ε captura la sensibilidad a la emisividad, (iii)_{u focus} representa la descoordinación de desenfoque/IFOV, (iv) u_NUC cubre los residuos de no uniformidad del detector, (v_{) u} modela la incertidumbre en la temperatura aparente reflejada, y (vi) u_rep es la repetibilidad (fotograma a cuadro y run-to-run).

Para la sensibilidad a la emisividad, la linealización de la inversión de Stefan-Boltzmann alrededor de (T,ε) produce la aproximación ampliamente utilizada:

(10)

con T en kelvin. La incertidumbre ampliada con ~ 95% de confianza se reportó como U(_{T IR)} ≈ 2uc(_{T IR).}

Los siguientes valores representativos corresponden a mediciones tomadas en regiones pintadas de negro cerca de 65 °C (T ≈ 338 K). La cámara tiene una especificación de precisión de ±2 °C o ±2% de la lectura, tratada como k = 2. La emisividad se estableció en ε = 0,95 ± 0,02, con ópticas bien enfocadas y reflexiones controladas. Las contribuciones individuales a la incertidumbre fueron las siguientes: la precisión de la cámara (k = 1) da_{u a}cc = 1,0 K; la contribución de emisividad, estimada a partir de la Ecuación (10), es u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; el efecto de enfoque o IFOV da u_focus = 0,3 K; el residual de corrección por no uniformidad u_NUC = 0,2 K; la temperatura aparente reflejada u_ref = 0,4 K; y la repetibilidad entre fotogramas o ejecuciones u_rep = 0,2 K.

Así

= 

Los resultados de incertidumbre se muestran en la Tabla 3.

Fuente	Símbolo	Tío de Primaria. (k=1)	Notas
Precisión radiométrica de cámara	u_acc	1.0 K	Especificación ±2K tratada como k=2
Emisividad (pintado, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Ecuación (10), T = 338 K
Desajuste de enfoque/IFOV	u_focus	0,3 K	Tamaño del spot ≈ ROI
No uniformidad del detector	u_NUC	0,2 K	Residual posterior a la NUC
Temperatura aparente reflejada	u_ref	0,4 K	Método de aluminio para T_ref
Repetibilidad	u_rep	0,2 K	Promediado de frames/run
Combinado (k=1)	u_c(T_IR)	2,15 K	Ecuación (9)
Expandido (k=2)	U(T_IR)	4,30 K	≈ 2u_c

Tabla 3: Presupuesto de incertidumbre para la temperatura IR en ROI pintado de negro (ilustrativo).

El comportamiento térmico general del conjunto LED COB refrigerado por una placa de microcanal de válvula Tesla puede cuantificarse mediante el concepto de resistencia térmica. De forma análoga a la ley de Ohm en circuitos eléctricos, la resistencia térmica R_θ relaciona el aumento de temperatura del LED con la potencia de entrada disipada como calor:

(11)

donde T_LED es la temperatura superficial del paquete LED, T_∞ es la temperatura del aire ambiente y P es la energía eléctrica suministrada al LED (suponiendo que casi toda se convierta en calor). Un valor bajo de R_θ indica una eliminación eficiente del calor, lo cual es fundamental para mantener la eficacia luminosa y garantizar la fiabilidad a largo plazo de los LEDs de alta potencia.

El calor generado en la unión LED sigue un camino de conducción-convección. Inicialmente, el calor fluye por conducción a través del sustrato LED, la interfaz de soldadura y el material de la válvula Tesla. Una vez transferido a los microcanales, el calor se elimina por convección hacia el refrigerante que fluye hacia el interior. Cada interfaz contribuye al R_θ total:

(12)

con la resistencia convectiva R_{θ, convectiva}, que suele dominar en sistemas LED compactos y de alto flujo. El diagrama de resistencias se muestra en la Figura 7.

Figura 7: Red de resistencia térmica del LED COB acoplado al microcanal de la válvula Tesla. Por favor, haga clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.

El calor fluye desde la unión LED a través de caminos de conducción y hacia el refrigerante mediante convección, representando cada etapa como una resistencia térmica (_{R js},_{R cond},_{R conv}).

Los microcanales de la válvula de Tesla actúan como promotores pasivos de turbulencia, aumentando el coeficiente local de transferencia de calor convectiva h sin necesidad de partes móviles. A diferencia de los microcanales rectos, el diseño Tesla introduce zonas de curvatura y recirculación que intensifican la mezcla, mejorando así el enfriamiento por convección. La resistencia convectiva efectiva puede expresarse como:

(13)

donde A es el área efectiva de transferencia de calor. Valores más altos de h logrados mediante el efecto válvula de Tesla reducen directamente el_θ R, lo que conduce a temperaturas de funcionamiento más bajas de los LEDs. Sin embargo, esta mejora conlleva una caída de presión adicional, que debe equilibrarse con los requisitos de potencia de bombeo.

Para el LED COB de 30 W probado, las mediciones típicas arrojaron un aumento de la temperatura superficial de ΔT ≈ 40 K sobre la temperatura ambiente, con una potencia disipada efectiva de P ≈ 29,9 W. Sustituyendo en Ecuación (11), la resistencia térmica total fue:

Este valor es notablemente inferior al de los sumideros pasivos convencionales de huella similar, lo que destaca el efecto beneficioso de la placa de microcanal Tesla-válvula. Además, la distribución espacial de temperatura obtenida mediante termografía infrarroja confirmó que las regiones acopladas directamente a canales de Tesla exhibían campos de temperatura más uniformes, lo que evidenciaba un mejor rendimiento convectivo.

Implicaciones
Una resistencia térmica reducida se traduce en una temperatura de unión LED más baja, mitigando directamente la depreciación del lumen y el cambio de color, ambos dependientes de la temperatura.

El enfoque de microcanales de válvulas Tesla proporciona por tanto una mejora pasiva práctica para sistemas compactos de refrigeración LED, combinando la manufacturabilidad con el rendimiento termo-hidráulico. No obstante, el aumento de la resistencia hidráulica introducido por la geometría de Tesla debe considerarse en la selección de bombas y en los análisis de eficiencia energética a nivel de sistema.

Resultados

Fabricación de prototipos

El prototipo se fabricó mediante fresado CNC para crear tanto los canales de Tesla como las cámaras. Los canales de Tesla mecanizados se muestran en la Figura 8A, mientras que las cámaras fabricadas se presentan en la Figura 8A. Posteriormente, se realizó un proceso de perforación para formar los puertos de entrada y salida en las cámaras.

Discusión

A diferencia de los disipadores convencionales 9,10,11,12,13,14, el sistema integra un mecanismo de convección forzada dentro de una configuración compacta que mejora significativamente la disipación de calor. Es importante destacar que la integración de los puertos de entrada y salida en una...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
FreeCad Software	Comunidad FreeCAD	https://forum.freecad.org/	Software de código abierto utilizado para crear geometrías y ensamblajes (RRID:SCR_066611).
Fresado CNC genérico 3018 Pro Max	Genérico (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Máquina de fresado CNC de sobremesa utilizada para fabricar la válvula Tesla.
Cámara infrarroja	Unidad-T	Serie UTi260B / UTi720	Cámara infrarroja utilizada para capturar la distribución de temperatura en el dispositivo.
Software de octava	Proyecto GNU	https://octave.org/	Software de código abierto utilizado para el procesamiento de datos y la generación de gráficos (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (Grupo ESI)	Software CFD de código abierto utilizado para resolver el modelo numérico (RRID:SCR_014876).
Paraview Software	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Software de código abierto utilizado para el postprocesamiento de la solución numérica (RRID:SCR_002516).
Termopares	Unidad-T	Serie UT325/UT320	Termopares usados para capturar el comportamiento térmico.