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.
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Artículo de investigación
Mejora térmica de sistemas de refrigeración LED utilizando válvulas Tesla pasivas para convección inducida por turbulencias
En este artículo
Resumen
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 estosdispositivos 1.
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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
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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.
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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.......
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Divulgaciones
Los autores no declaran conflictos de interés relacionados con el contenido de este manuscrito.
Agradecimientos
Los autores agradecen el apoyo financiero proporcionado por el Tecnológico Nacional de México (TecNM) a través de la convocatoria de Proyectos de Investigación y Desarrollo Tecnológico, bajo el número de proyecto 22029.25-P. Este apoyo fue esencial para la exitosa finalización de esta investigación.
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Materiales
| 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. |
Referencias
- Alexeev, A., Onushkin, G., Linnartz, J. P., Martin, G. Multiple heat source thermal modeling and transient analysis of LEDs. Energies. 12 (10), 1860(2019).
- Deng, Y., Liu, J. A liquid metal cooling system for the thermal management of high power LEDs. In....
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