עבודה זו מציגה פרוטוקול ניסיוני להערכת ההתנהגות התרמית של נורות LED מסוג Chip-on-Board (COB) בעוצמה גבוהה באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדומה. מכשיר קירור קומפקטי בכפייה נבדק תחת הספק וזרימת אוויר משתנות, והדגים פיזור חום יעיל וטמפרטורות חיבור בטוחות ליישומים קומפקטיים כמו תאורה חכמה ואלקטרוניקה משובצת.
מאמר מחקר
שיפור תרמי של מערכות קירור LED באמצעות שסתומי טסלה פסיביים לצורך הסעה הנגרמת על ידי טורבולנציה
נפתח בלשונית חדשה
במאמר זה
סיכום
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
תקציר
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
מחקר זה מציג מתודולוגיה ניסיונית להערכת ההתנהגות התרמית של דיודות פולטות אור (LED) בעלות הספק גבוה מסוג Chip-On-Board (COB) באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדומה, המשולבת עם מכשיר קירור קומפקטי חדשני בכוח הסעה. הביצועים התרמיים הוערכו תחת קלטי הספק וקצבי זרימה משתנים, וחשפו את יכולת המערכת לשמור על טמפרטורות חיבורי LED מתחת לספים קריטיים. הדמיה תרמוגרפית אפשרה ניתוח טמפרטורה מרחב של פני ה-LED הן במשטרי הסעה טבעיים והן במשטרי הסעה כפויים. מכשיר הקירור המוצע תוכנן במיוחד לאינטגרציה קומפקטית, עם תצורת כניסה/יציאה רדיאלית שממזערת את המקום תוך מקסימום יעילות פיזור החום. תוצאות הסימולציה שנוצרו אומתו מול נתוני ניסוי, מה שהבטיח את אמינות גישת הקירור המוצעת. עבודה זו מדגימה שיטה ישימה וניתנת לשכפול לאפיון ניהול תרמי ביישומי תאורה במצב מוצק, ומספקת פתרון ניתן להרחבה לאינטגרציה בסביבות מוגבלות, כגון מנורות LED, מערכות תאורה חכמות או מודולים אלקטרוניים משובצים.
מבוא
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
הביקוש הגובר לפתרונות תאורה בעוצמה גבוהה דחף את דיודות הפולטות אור (LEDs) של שבב על לוח (COB) לחזית טכנולוגיות התאורה המודרניות. נורות LED של COB, המאופיינות במספר שבבי LED המותקנים ישירות על מצע מוליך תרמית, מציעות יעילות אור וקומפקטיות מעולות. עם זאת, צפיפות ההספק הגבוהה והצורה הקומפקטית שלהם מציבים אתגרים משמעותיים בניהול תרמי. פיזור חום יעיל הוא חיוני לשמירה על ביצועים, אמינות ואריכות ימים של מכשירים אלו1.
ב-COB LED, חלק ניכר מהאנרגיה החשמלית מומר לחום במקום לאור, מה שמחייב אסטרטגיות ניהול תרמי יעילות למניעת ירידה בביצועים ולהבטחת אריכות חיים של המכשיר2. שיטות קירור פסיביות מסורתיות, כגון גופרי קירור וחומרי ממשק תרמי, לעיתים קרובות לא מצליחות לפזר את החום העז שנוצר על ידי נורות LED COB בעוצמה גבוהה3. כתוצאה מכך, יש צורך דחוף בפתרונות קירור חדשניים שיכולים לנהל ביעילות את העומסים התרמיים מבלי לפגוע בקומפקטיות וביעילות של מערכות התאורה.
איכות תאורה ב-LED מורכבת מפרמטרים שונים: מדד רינדור צבע (CRI)4, זרימת אור, טמפרטורה צבע ותוחלת חיים. הפרמטרים שהוזכרו רגישים לחום; חלק מהעבודות דיווחו כי הזרם האורני מפחית את ערכו ב-0.108 לימטר לכל מעלות צלזיוס5. Abdelmlek ואחרים מראים מתאם שמעריך את אורך החיים של נורות COB כפונקציה של טמפרטורה, הכוללת את צומת הטמפרטורה של ה-LED. התקדמות אחרונה במיקרואלקטרוניקה הובילה לעלייה מתמשכת בתדרי תפעול המכשירים ולמיניאטוריזציה הדרגתית של רכיבים אלקטרוניים. מגמות אלו מובילות לצפיפות הספק גבוהה משמעותית ולזרמי חום שמאתגרים אסטרטגיות ניהול תרמי קונבנציונליות 7,8. עומסים תרמיים כאלה, אם לא מנוהלים כראוי, עלולים לפגוע קשות באמינות ובביצועים של המכשיר.
כדי לשפר את פיזור החום בנורות LED של COB, חוקרים מסוימים תכננו גופרי חום עם גיאומטריות ותצורות מסוימות שמאפשרות שיפור העברת החום מה-LED אל הסביבה באמצעות הסעה חופשית 9,10,11,12,13,14. סוגי גופי קירור מסוג זה הם אפשרות יעילה להפחתת צריכת האנרגיה במהלך הפעולה, אך כמויות החום מוגבלות על ידי השטח השטחי, מה שגדל בגודלם אם כמות החום עולה, מה שמוביל למכשירים גדולים יותר אם מעורבים זרמי חום גבוהים. נורות LED עם צ'יפ על הלוח (COB) בהספק גבוה משלבות מספר שבבים על מצע קומפקטי, מה שמאפשר יעילות אור גבוהה אך גם יוצר צפיפויות זרם חום משמעותיות המאיימות על אמינות המכשיר. לכן, ניהול תרמי יעיל חיוני לשמירה על טמפרטורות הצמתים מתחת לגבולות קריטיים. באופן מסורתי, נעשה שימוש בגישות פסיביות כמו גופי חום עם סנפירים והסעה טבעית; עם זאת, הביצועים שלהם מוגבלים על ידי שטח פנים מוגבל ומקדםי קונבקציה נמוכים יחסית שניתן להשיג בזרימה מונעת ציפה. כדי להתגבר על מגבלות אלו, נחקרו באופן נרחב פתרונות אקטיביים הכוללים גופי חום באוויר מאולץ, צינורות חום, קירור בהתזה וערוצים מיקרו-מקוררים בנוזל, המציעים עמידות תרמית נמוכה יותר והתפלגויות טמפרטורה אחידות יותר. בהתבסס על ההתקדמות הזו, עבודתנו בוחנת אסטרטגיה חלופית: שילוב מיקרו-תעלות משודרגות בשסתומי טסלה כפלטת קר קומפקטית. עיצוב זה מנצל את הדיודיות הפסיבית ותכונות ערבוב הזרימה של גיאומטריות טסלה כדי להעצים את ההסעה המקומית תוך הימנעות מהצורך בחלקים נעים או מניפולדים מורכבים, ובכך לגשר על הפער בין מיקרו-תעלות קונבנציונליות למערכות קירור אקטיביות מורכבות יותר.
כדי להתמודד עם שטפי חום גבוהים ביישומים אלו, מערכות קירור נוזלי הן אפשרות טובה כי הן מסוגלות להעלות את מקדם העברת החום ולשפר את העברת החום במרחבים מפחיתים יותר מאשר מערכות קירור פסיביות. ישנם עבודות המדווחות על שימוש בנוזל קירור נוזלי, כגון לוחות קרים עם תצורות תעלות שונות 15,16,17,18.
גישה מבטיחה כוללת שילוב גופי קירור מיקרו-ערוצים, שמגבירים את העברת החום על ידי הגדלת שטח הפנים במגע עם מדיום הקירור. מבין עיצובים שונים של מיקרו-ערוצים, שסתום טסלה – מכשיר פסיבי ללא חלקים זזים – זכה לתשומת לב בזכות יכולתו לשלוט בזרימת הנוזלים בכיוון השני, ובכך אופטימיזציה של העברת חום ומפחית זרימה חוזרת. הגיאומטריה הייחודית של שסתומי טסלה מאפשרת זרימה חד-כיוונית, שיכולה להיות יתרון ביישומי ניהול תרמי על ידי קידום סירקולציה יעילה של נוזל קירור והגברת פיזור החום הכולל. כדי להגדיל את מקדם העברת החום, החוקרים כללו גיאומטריות שהפריעו לקווי המסלול של הנוזל. שסתום טסלה הוא תצורה גאומטרית של ערוצים שמאפשרת לנוזל לנוע בכיוון אחד; הוא פועל כשסתום דיודי (שסתום חד-כיווני). כאשר זרימה מוכנסת בכיוון ההפוך, הלחץ והטורבולנציה בתוך המערכת עולים באופן ניכר. חלק מהעבודות משתמשות בשסתום טסלה כדי להגדיל את המערבולות, כתוצאה מהעלייה במקדם העברת החום. חלק מהחוקרים השתמשו במודלים פרמטריים לקביעת דפוסי זרימת הנוזלים בשסתומי טסלה לשימוש כמערכת קירור19,20. היישום הנפוץ ביותר של שסתום טסלה במערכת הקירור הוא דרך לוחות הקירור 21,22,23. לדוגמה, מחקרים הראו כי שילוב מבני שסתומי טסלה בגופי קירור מיקרו-תעלות יכול לשפר את הביצועים התרמיים על ידי קידום זרימה טורבולנטית והעלאת מקדם העברת החום הקונבקטיביתב-24. ממצאים אלו מצביעים על כך שגופרי חום מיקרו-ערוציים מבוססי שסתומי טסלה עשויים להיות פתרון ישים לניהול האתגרים התרמיים הקשורים לנורות LED COB בעוצמה גבוהה.
מספר מחקרים עסקו בניהול תרמי של נורות LED COB בעוצמה גבוהה באמצעות טכניקות קירור מבוססות נוזל. לדוגמה, גישות דחיפה של זרם וקירור בהתזה הראו מקדמי העברת חום בסדר גודל של 104-105 W·m-2· K-1, למעשה שומר על טמפרטורות הצומת מתחת לסף הקריטי של 120°C עם הספק שאיבה נמוךיחסית 25,26. באופן דומה, לוחות קירור מיקרו-תעלות שיוצרו מתחת למערכי COB השיגו התנגדויות תרמיות נמוכות עד 0.019 °C/W כאשר מים מוזרים במהירויות מתונות, מה שמדגיש את הפוטנציאל החזק של מיניאטוריזציה של תעלות לשיפור יעילות הקירור27,28. אסטרטגיות נוספות כוללות גופי חום משודרגים בנוזלפרו 29 ומודולים קומפקטיים לצינורות חום המתוכננים סביב חבילות COB30, ששניהם מראים התפשטות תרמית משופרת והתנגדות תרמית מופחתת בהשוואה לכיורי מתכת מוצקה קונבנציונליים.
בהשוואה לגישות אלו, לוח הקירור המוצע מבוסס שסתום טסלה מציג מנגנון פסיבי חדשני שמגביר ערבוב ויצירת מערבולות ללא צורך בחלקים נעים או מניפולדים מורכבים. בעוד ששסתומי טסלה נחקרו במערכות אלקטרוניקה ואנרגיה בשל דיודיות ויכולת בקרת זרימה31, יישומם לקירור COB LED לא דווח בהרחבה בספרות. לכן, עבודה זו מספקת תרומה מקורית על ידי התאמת רשתות זרימת שסתומי טסלה לדרישות הספציפיות של ניהול תרמי LED. תוצאותינו מצביעות על כך שתחת הסעה מאולצת, לוח שסתומי טסלה משיג הפחתות תחרותיות בטמפרטורת פני השטח יחסית לאסטרטגיות קירור נוזליות מבוססות, עם יתרון נוסף של גיאומטריה פשוטה יותר ועמידות נגד סתימות או כשל מכני.
במחקר זה, אנו בוחנים את היעילות של גוף חום מיקרו-ערוץ אלומיניום ממכונה CNC הכולל מבני שסתום טסלה לניהול תרמי של LED של 30 וואט. העיצוב נועד לנצל את בקרת הזרימה הכיוונית של שסתומי טסלה כדי לשפר את זרימת נוזל הקירור ופיזור החום. על ידי ביצוע הערכות ניסיוניות, אנו מעריכים את הביצועים התרמיים של מערכת הקירור המוצעת, ומנתחים פרמטרים כגון התפלגות טמפרטורה, עמידות תרמית ויעילות קירור כללית. תוצאות מחקר זה עשויות להנחות פיתוח פתרונות קירור פסיבי מתקדמים ליישומי LED בעוצמה גבוהה, ולתרום לאופטימיזציה של אסטרטגיות ניהול תרמי במכשירים אלקטרוניים קומפקטיים. האתגר של הפרויקט היה יישום שסתום טסלה מעל גוף חום קיים. בסידור זה, ההספק המפוזר הוא משמעותי, ומאפשר שימוש במכשירים בעלי הספק גבוה במערכת קירור קומפקטית.
איור 1 מציג ייצוג סכמטי של המתודולוגיה שננקטה במחקר זה. התהליך מתחיל ביצירת גיאומטריה של מכשיר קירור ה-LED באמצעות תוכנת CAD. הגאומטריה מיובאת לאחר מכן לפותר ה-CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), שם מיושמים יצירת רשתות ותנאי גבול לביצוע סימולציות הנוזל התרמי. במקביל, ההתקנה הניסיונית מיושמת, הכוללת תרמוקופלים ומצלמת אינפרא-אדום למדידות טמפרטורה. לבסוף, תוצאות הסימולציה מאומתות מול נתונים ניסיוניים, מה שמבטיח את אמינות הגישה המוצעת לקירור.
איור 1: סכמטי של זרימת העבודה הניסויית: (1) יצירת גיאומטריה, (2) סימולציות CFD, (3) ייצור לאב-טיפוס, (4) מדידות תרמיות, ו-(5) אימות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
פרוטוקול
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
גאומטריה של מכשיר הקירור
מטרת הפרויקט היא לשמור על LED של 50 וואט בטמפרטורה מותרת באמצעות יישום שסתומי טסלה. ה-COB המשמש כמקור חום מוצג באיור 2A, בעוד שאיור 2B מציג 50 שבבי שבב מופעלים, מה שמעיד שלכל שבב יש 1W הספק.
איור 2: COB של LED ומספר שבבי התבנית. (A) COB LED ששימש בניסוי (B) הדגמה של מספר שבבי השבבים שבהם השתמשו. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
בספרות, דווח שחלק משסתומי טסלה כוללים מקור חום מותקן מעל המכשירים המכילים את שסתום טסלה, ולכן במאמר זה, ה-LED הוא חלק מהמכשיר כי הוא ממוקם מעל ערוצי שסתומי טסלה במגע ישיר עם נוזל הקירור, במטרה לשפר את העברת החום מה-LED אל הנוזל ובכך למזער את ההתנגדות התרמית. איור 3A מציג את הגיאומטריה של המכשיר. על המשטח העליון עם שקיפות, מוצג המקום שבו מונח ה-LED. לעומת זאת, איור 3B מציג את ההרכבה המוצעת למכשיר הקירור.
איור 3: גאומטריה וההרכבה המוצעת של מכשיר הקירור. (א) מכשיר קירור שהוצע להצגת ערוצי השסתום של טסלה. (ב) התקן קירור מוצע מורכב. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
במטרה למקם את ה-LED במגע ישיר עם הנוזל, הכניסה והיציאה של הנוזל תוכננו מעל פני השטח העליון, כפי שמוצג באיור 4A. הנוזל מועבר מהמשאבה לתעלות טסלה דרך טרמינל הכניסה. לאחר מכן, הנוזל ממלא את תא הכניסה, והנוזל מונע אל התעלות עם תעלות הכניסה המוצגות באיור 4B. באיור 4B, תצוגת פני השטח למעלה מציגה את תאי הנוזל של המכשיר ללא חיבורים, כולל הכיסוי העליון.
איור 4: מבט איזומטרי מאחורי המכשיר. (A) תצוגה איזומטרית של מכשיר קירור פני השטח שמעל. (B) תאי נוזלים של המכשיר. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
חומרים ואביזרים
החומרים והאביזרים ששימשו בניסוי מוצגים בטבלה 1. מוט שטוח מאלומיניום שימש לטחינת ערוצי טסלה באמצעות מכונת CNC. האלומיניום נבחר בשל האיזון בין מוליכות תרמית לעלות. יתרה מזאת, עיבוד אלומיניום קל ומהיר יותר מרכיבים אחרים, כמו פלדה או חומרים קשים יותר. הכיסוי העליון המוצג באיור 4A עוצב גם הוא מאלומיניום. טרמינלי הכניסה והיציאה עשויים מפליז ומחוברים דרך חורים מושחלים בכיסוי העליון. ליבת המתכת COB יוצרה מסגסוגת אלומיניום לשיפור העברת החום.
| פריט | חומר | מוליכות תרמית ברוחב2κ | |
| מוט שטוח | אלומיניום | 160 | |
| מטאל-קור | אלומיניום | 160 | |
| כיסוי עליון | אלומיניום | 160 | |
| אביזרים פנאומטיים | פליז | 110 | |
טבלה 1: אביזרים וחומרים ששימשו באב-הטיפוס שיוצר.
המים שימשו כנוזל העבודה בשל קיבולת החום הסגולית הגבוהה שלהם וזמינותם הרחבה; יתרה מזאת, בשל הסיכון הנמוך ליצירת להבה ורעילות נולית. הזרימה דרך התעלה הונעה על ידי משאבה, שהתאפיינה בקביעת קצב הזרימה כפונקציה של המתח.
תנאי גבול
קצב הזרימה של המשאבה אופיין כדי לקבוע את תנאי גבול הכניסה למערכת. תנאי גבול הכניסה מוגדר על ידי מהירות הכניסה שחושבה באמצעות קצב הזרימה והחתך הטרנסוורסלי של הכניסה. התנהגות קצב הזרימה של המשאבה מוצגת באיור 5.
איור 5: קצב הזרימה של המשאבה ומהירות הכניסה. אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של האיור.
איור 5 מציג את הקשר בין המתח המופעל לשני פרמטרים הידראוליים מרכזיים: קצב 
הזרימה הנפחי הממוצע ומהירות 
הנוזל הממוצעת. כל נקודת נתונים מייצגת את הערך הממוצע המחושב מחמש מדידות בלתי תלויות לכל רמת מתח, ומבטיח פרשנות סטטיסטית יציבה.
מגמת קצב הזרימה הנפחית
מגמת עלייה ברורה נצפית בקצב הזרימה הממוצע ככל שהמתח עולה. ברמת המתח הנמוכה ביותר (4 וולט), קצב הזרימה הממוצע הוא כ-1.63 ×-10-5 מ' 3/שנייה, בעוד שב-12 וולט הוא עולה לכמעט 3.49 × 10-5 מ' 3/שנייה, מה שמייצג עלייה של 110% מעל המתח. התנהגות זו נובעת מהשפעת המתח על המפעיל האלקטרומכני שמניע את הזרימה.
ככל שהמתח עולה, מהירות המפעיל עולה, וכך גדלה הנפח המוזר ליחידת זמן.
התנהגות של מהירות ממוצעת
מהירות הנוזל עוקבת אחרי מגמת עלייה דומה, התואמת את הקשר הבסיסי בין קצב זרימה למהירות:
Q = A • v (1)
כאשר A הוא שטח החתך של התעלה ו-v היא המהירות הממוצעת. מכיוון שהשטח נשאר קבוע, שינויים ב-Q מתורגמים ישירות לשינויים פרופורציונליים ב-v. בניסוי זה, המהירות הממוצעת עלתה מכ-6.5 ×10-3 מ·שנייה-1 (ב-4 וולט) ל-1.41 ×10-2 מ·שנייה ל-1 (ב-12 וולט)
השוואה בין עקומות
גם עקומות קצב הזרימה וגם המהירות מציגות קשר כמעט ליניארי עם המתח. עשויות להיות אי-ליניאריות קלות וניתן לייחס אותן לגורמים כמו חוסר יציבות חולף באספקת הכוח, שינויים קטנים בזמן התגובה של החיישן, וחיכוך פנימי או הפסדי ראש במשטרי זרימה גבוהים. למרות שההשפעות הללו אינן משמעותיות בתחום המחקר הנוכחי, ניתן לחקור אותן לעומק באמצעות רגרסיה לא ליניארית או מידול מערכות דינמיות בעבודה עתידית.
השלכות מעשיות
מבחינה הנדסית, הגרף מספק מתאם שימושי בין פרמטר בקרה נגיש (מתח) לבין משתני זרימה קריטיים. זה רלוונטי במיוחד ליישומים במיקרופלואידיקה, מינון מדויק, מערכות קירור בכוח הסעה, או מבני זרימה המבוססים על אלמנטים פסיביים כמו שסתומי טסלה. ההתנהגות המונוטונית והצפויה של קצב הזרימה מאפשרת גם כיול מדויק של המערכת, ומבטיחה יציבות תפעולית וחזרתיות בהגדרות ניסיוניות או אוטומטיות.
מודל מתמטי לדינמיקת נוזלים בשסתום טסלה
הדינמיקה הפנימית של הנוזלים של מכשיר הקירור אינה מובנת היטב מבחינה פיזית. לכן, בוצעה סימולציית דינמיקת נוזלים חישובית (CFD) לניתוח התנהגות הזרימה, להמחיש טורבולנציה שמגבירה את מקדם העברת החום, ולזהות אזורי נוזלים עומדים שניתן לאופטם בערוצי שסתום טסלה.
כדי לדמות את התנהגות זרימת הנוזלים בתוך שסתום טסלה, אנו משתמשים במשוואות נבייר-סטוקס בממוצע ריינולדס בשילוב עם מודל הטורבולנציה הסטנדרטי K-epsilon. גישה זו מספקת איזון בין עלות חישובית לבין דיוק בלכידת השפעות טורבולנציה במעברי זרימה פנימיים עם סירקולציה ומערבולות אניזוטרופיות, כפי שנצפה בדרך כלל בשסתומי טסלה.
משוואות שולטות
הנוזל בו משתמשים הוא מים, הנחשב לבלתי דחיסה וניוטוני, והזרימה נחשבת למצב יציב. המשוואות השולטות הן כדלקמן:
(2)
כאשר 
הוא וקטור המהירות הממוצע בזמן.
(3)
איפה:
ρ [ק"ג/מ'3] היא צפיפות הנוזל,
p [Pa] הוא הלחץ,
μ [Pa • s] היא הצמיגות הדינמית,
μt [Pa • s] היא צמיגות מערבולת טורבולנטית, המוגדרת כך:
(4)
אנרגיית הטורבולנציה הקינטית k וקצב הפיזור שלה ε נשלטים על ידי משוואות ההעברה הבאות:
אנרגיה קינטית טורבולנטית (k):
(5)
קצב פיזור טורבולנטי (ε):
(6)
הנה:
k [m2/s2] היא האנרגיה הקינטית של הטורבולנציה,
ε [m2/s3] הוא קצב פיזור הטורבולנציה,
Pk [kg/(m •s 3)] הוא ייצור אנרגיה קינטית של טורבולנציה, המוגדרת כך:
(7)
σk ו-σ ε הם מספרי פרנדטל הסוערים עבור k ו-ε, בהתאמה,
Cμ,C 1ε ו-C2ε הם קבועים אמפיריים.
הקבועים המשמשים במודל הסטנדרטי k - ε הם:
Cμ = 0.09, (מכויל לשכבות גזירה ומערבולת זרם חופשי)
σk = 1.00, (מבטיח דיפוזיה ריאליסטית של k)
σε = 1.30, (שולט בדיפוזיה של ε)
C1ε = 1.44, (מאזן בין ייצור להשמדה של ε)
C2ε = 1.92. (מבטיח קצב פיזור אנרגיה נכון)
ערכים אלו נגזרים מאימות ניסויי בזרימות שכבת גבול טורבולנטיות והיו בשימוש נרחב ביישומים הנדסיים עם דיוק אמין 32,33,34,35.
שסתום טסלה מציג תנאי זרימה פנימיים המאופיינים בהפרדת שכבות הגבול, אזורי סירקולציה מחדש והתנגדות כיוונית. תופעות אלו הן מטבען טורבולנטיות, וגישות סימולציה נומרית ישירה (DNS) או סימולציית מערבולת גדולה (LES) הן חישובית בלתי אפשרית לעיצובים מעשיים.
מודל k-ε מיועד למחקר זה כי הוא מספק תחזיות אמינות של שדה הזרימה הממוצע וכמויות הטורבולנציה בזרימות פנימיות עם מספר ריינולדס גבוה. הוא לוכד ביעילות את השפעות הטורבולנציה האניזוטרופיות הנגרמות על ידי תעלות הסיבוב ואזורי הסטגנציה של שסתום טסלה, ומבטיח ייצוג מדויק של התנהגות הזרימה המורכבת. יתרה מזאת, מודל זה עמיד ואושר באופן נרחב ביישומים הנדסיים הכוללים פגיעת סילון, הפרדת זרימה וזרימות מורכבות עם גבולות קיר.
בעבודה זו, תנאי הגבול כוללים פרופיל מהירות כניסה טורבולנטי מפותח במלואו, קירות ללא החלקה, ויציאת לחץ. תחום הסימולציה מתאים לגאומטריית שסתום טסלה רב-שלבית, אשר משולבת באמצעות רשת היברידית מובנית-לא מובנית עם שיפור שכבת הגבול לפתרון אפקטים קרובים לקיר באמצעות פונקציות קיר מתאימות.
תנאי גבול ודיון
כדי להבטיח סימולציית זרימה ריאלית בתוך גאומטריית שסתום טסלה, הוגדרו תנאי גבול מתאימים לכל המשתנים הרלוונטיים: מהירות, לחץ, אנרגיה קינטית טורבולנטית (k) וקצב פיזור טורבולנטי (ε). הוטלו התנאים הבאים:
כניסה (כניסת מהירות):
נקבע פרופיל מהירות אחיד בכניסה, בהנחה שזרימה מפותחת, בלתי דחיסה וטורבולנטית. הכמויות הטורבולנטיות k ו-ε אותחלו בהתבסס על עוצמת הטורבולנציה I והקוטר ההידראולי Dh, תוך שימוש ביחסים האמפיריים המתאימים.
(8)
גישה זו מבטיחה עקביות עם מודלי יצירת טורבולנציה אמפיריים ושומרת על תאימות לניסוח הסטנדרטי k-ε.
שקע (יציאת לחץ):
לחץ סטטי קבוע (בדרך כלל 0 פסקול) הוגדר ביציאה כדי לאפשר זרימה מפותחת במלואה. תנאי אפס גרדיאנט (נוימן) יושמו על כל המשתנים המועברים (מהירות, k ו-ε) כדי למנוע השפעות זרימה חזרה מלאכותית ולהבטיח יציבות מספרית בגבול התחום.
קירות (תנאי ללא החלקה):
המהירות בכל הגבולות המוצקים הוגדרה לאפס, תוך יישום תנאי אי-החלקה. למידול טורבולנציה, פונקציות קיר סטנדרטיות שימשו לייצוג התנהגות קרובה לקיר. האנרגיה הקינטית הטורבולנטית (k) הוגדרה לאפס בקיר, בעוד שקצב הפיזור (ε) חושב באמצעות קירובים סטנדרטיים של פונקציית קיר שמקורם בחוק הקיר. פונקציות אלו מבטלות את הצורך לפתור את תת-השכבה הצמיגית, ובכך מפחיתות עלות חישובית, בהנחה שהזרימה נשארת בתוך האזור הלוגריתמי (y⁺ > 30).
תצורת גבול זו לוכדת ביעילות את מאפייני הזרימה המרכזיים בתוך שסתום טסלה, כולל הפרדת זרימה, אזורי סירקולציה מחדש והגברת טורבולנציה לאורך המעברים המעוקלים.
שיקולי רכישת תמונה תרמוגרפית ומדידה
כדי להעריך את ביצועי הטמפרטורה של מערכת הקירור ומודול ה-LED מסוג COB, בוצעו מדידות תרמוגרפיות באמצעות מצלמת אינפרא-אדום לא מקוררת הפועלת בטווח ספקטרלי של 8-14 מיקרון. הבדיקה התרמוגרפית נועדה לאפיין את התפלגות טמפרטורת פני השטח בתנאי פעולה יציבים. הושם דגש מיוחד על מזעור אי-הוודאויות המקושרות בדרך כלל לתרמוגרפיה אינפרא-אדומה.
אחד ההיבטים הקריטיים ביותר היה התאמת ערכי פליטת פני השטח לצורך שחזור טמפרטורה מדויק. מערכת הקירור הורכבה מלוחות אלומיניום מעובדי CNC עם גימור מלוטש, שפליטה נמוכה ותלויה בזווית מהווה אתגר משמעותי למדידות אינפרא-אדום. כדי להתמודד עם זה, משטחי האלומיניום צופו בצבע שחור מט בעל פליטה גבוהה (ε ≈ 0.95), שכויל קודם לכן באמצעות תרמוקופלים מגעים וחומרי ייחוס אינפרא-אדום. טיפול זה הבטיח פליטה אחידה והסיר השתקפויות ספקולריות שעלולות לפגוע בדיוק המדידות.
עבור מודול ה-LED COB, שחומר הכיסוי שלו הוא בדרך כלל סיליקון מצופה זרחן עם פליטה גבוהה יותר (ε ≈ 0.92), לא נדרשה ציפוי נוסף. עם זאת, ננקטה זהירות להימנע משיפועים תרמיים במהלך הגדרת המצלמה על ידי מתן אפשרות ל-LED להגיע לאיזון תרמי לפני צילום התמונות. הוטל זמן המתנה של לפחות 60 דקות לאחר הפעלת ה-LED כדי להבטיח תנאים יציבים.
התנאים הסביבתיים נשלטו במהלך הניסויים. המדידות בוצעו במעבדה סגורה עם טמפרטורת סביבה יציבה (25 ± 1 מעלות צלזיוס) וזרמי אוויר זניחים.
הטמפרטורה הנראית המוחזרת הוערכה בשיטת נייר אלומיניום מקומט ונקבעה ידנית במצלמת האינפרא-אדום (IR). הלחות היחסית לא נלקחה בחשבון במהלך המדידות. המצלמה הותקנה על חצובה ללא רעידות בזווית ניצבת לפני השטח, מה שמבטיח גאומטריית צפייה עקבית. המרחק בין המצלמה למטרה נשמר קבוע (כ-0.5 מטר), ושדה הראייה הותאם כדי למקסם את הרזולוציה המרחבית מבלי לגרום לשגיאות פרלקה. הכיול בוצע לפני כל מפגש באמצעות מקור ייחוס גוף שחור לאימות תגובת הרדיומטריה של המצלמה. איור 6 ממחיש את ההתקנה הניסויית ששימשה במהלך רכישת התרמוגרפיה. טבלה 2 מסכמת את הפרמטרים והנהלים המרכזיים שיושמו כדי להבטיח מדידות טמפרטורה מדויקות וניתנות לחזרה.
איור 6: מדידת מערכת וציפוי דגימה. (א) מדידת מערכת למדידות תרמוקפל. (B) דגימה מצופה בצבע שחור למדידות תרמוגרפיות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.
| פרמטר | ערך/תיאור |
| מצלמת אינפרא-אדום | IR גל ארוך (8–14 מיקרון), לא מקורר |
| אמיסטיות (משטח אלומיניום) | צבוע ל-ε = 0.95 (שחור מט) |
| פליטה (משטח LED COB) | ε = 0.92 (שפת אם) |
| טמפרטורת סביבה | 25±1 מעלות צלזיוס |
| מרחק צפייה | ~ 0.5 מ' |
| זווית צפייה | ניצב (שכיחות נורמלית) |
| זמן שיווי משקל תרמי | 60 דקות לאחר שהפעלתי את ה-LED |
| טמפרטורה נראית מוחזרת | הוערך באמצעות שיטת נייר כסף מקומט |
| טיפול שטחי | צבע שחור מט על לוחות אלומיניום |
| כיול | מקור גוף שחור לפני כל מדידה |
טבלה 2: פרמטרי תרמוגרפיה ונהלים המשמשים למזעור שגיאות.
הפרמטרים המשמשים במדידות התרמוגרפיה מפורטים בטבלה 2.
פרוצדורה תרמוגרפית אינפרא-אדומה וניתוח אי-ודאות
תרמוגרפיה אינפרא-אדום (IR) שימשה למיפוי לא פולשני של שדה טמפרטורת פני השטח של מכלול LED COB בהספק 30 וואט שקורר על ידי פלטת קיר מיקרו-ערוץ של שסתום טסלה. המצלמה פעלה ברצועת גל ארוך (LWIR), שהותקנה על חצובה קשיחה, הצמודה לפני השטח כדי למזער אפקטים בזווית הראייה. כל הרכישות בוצעו לאחר שהמערכת הגיעה לתנאים יציבים. נבחר מרחק הדמיה קבוע כך שגודל נקודת שדה הראייה המיידי (IFOV) יהיה לפחות 3× קטן מהאזור הקטן ביותר (ROI), מה שמבטיח דגימה מרחבית מספקת על פני שיפועי טמפרטורה תלולים שנגרמו על ידי תכונות שסתום טסלה.
כדי למזער ממצאים תרמוגרפיים נפוצים, יושמו מספר אמצעי זהירות לאורך כל תהליך הניסוי. האופטיקה נוקתה בקפידה, והעדשה ממוקדת ידנית באזור העניין (ROI) באמצעות קריטריון הגרדיאנט המקסימלי, בעוד שבוצעה תיקון אי-אחידות (NUC) לפני כל רכישה. כדי לשלוט בפליטה, כל המשטחים המתכתיים החשופים, כגון אלומיניום ונחושת – שהם מטבעם בעלי פליטה נמוכה ומחזירים אור בטווח האינפרא-אדום הארוך (LWIR) – צופו בצבע שחור מט בעל פליטה גבוהה (נומינלי ε ≈ 0.95) או כוסו בסרט פליטה מכויל. ROIs תרמוגרפיים הוגדרו אך ורק באזורים שטופלו. הטמפרטורה המוחזרת לכאורה (T₍ref₎) נמדדה בשיטת נייר אלומיניום מקומט ושולבה במודל הרדיומטרי של המצלמה; משטחים מבריקים או בזווית הוגנו ממקורות קרינה חיצוניים כדי למנוע נקודות חמות מזויפות. המדידות בוצעו בתוך מארז עם טיוטה ממוקסמת, כאשר המפעיל ממוקם מאחורי מסך ומקורות חום חיצוניים כמו ספקי כוח או מנורות נשמרו מחוץ לשדה הראייה כדי להפחית השתקפויות טפיליות. הציר האופטי נשמר קרוב לפגיעה נורמלית כדי להגביל השפעות פליטה כיוונית ושגיאות פרלקסה. אותן הגדרות מרחק מצלמה ו-ROI נשמרו בכל הבדיקות כדי להבטיח חזרתיות.
פליטות שטח הוקצו כדלקמן לאיסוף טמפרטורה רדיומטרי, ורק אזורים שטופלו (צבועים או מודפסים) שימשו לדיווח כמותי: גוף חום מאלומיניום צבוע שחור/שסתום טסלה, ε = 0.95 ± 0.02; מסכת הלחמה על MCPCB (לבן), ε ≈ 0.90 ± 0.03; ומעטפת סיליקון, ε ≈ 0.94 ± 0.03. עם זאת, אזורים מחזירים לא שימשו ל-ROI כמותי כדי למנוע השפעות חצי-שקיפות בטווח LWIR.
המצלמה הוגדרה עם פליטות של ROI ספציפי (בדרך כלל ε = 0.95) ועם מדד Tרפר וטמפרטורת אוויר סביבה T∞. כל תרמוגרם כלל N ≥-10 פריימים ממוצעים להפחתת רעש אקראי. עבור כל ROI (למשל, אזור קרוב לצומת על מצע ה-COB ונקודות מייצגות על הלוח הקר), נרשמו טמפרטורה ממוצעת 
וסטיית התקןT T. המפה התרמית שהתקבלה שימשה לחישוב עליית 
הטמפרטורה לניתוחי עמידות תרמית והעברת חום לאחר מכן.
תן לטמפרטורת פני השטח המדווחת של LED להיות TIR. אי-הוודאות התקנית המשולבת uc(TIR) הוערכה באמצעות חוק התפשטות אי-הוודאות, בהנחה שקלטים לא מתואמים:
= 
(9)
כאשר: (i) UACC מתחשב בדיוק הרדיומטרי של המצלמה (מפרט יצרן, מומר ל-k=1), (ii) uT,ε לוכד את הרגישות לפליטה, (iii)u פוקוס מייצג אי-התאמה של דה-פוקוס/IFOV, (iv)u NUC מכסה שאריות אי-אחידות בגלאי, (v)u ref מודל אי-ודאות בטמפרטורה הנראית המוחזרת, ו-(vi)U Rep הוא חזרתיות (פריים לפריים וריצה לריצה).
לרגישות לפליטה, ליניאריזציה של היפוך סטפן-בולצמן סביב (T,ε) מניבה את ההערכה הנפוצה:
(10)
עם T בקלוין. האי-ודאות המורחבת ב-~ 95% דווחה כ-U(T IR) ≈ 2uc(T IR).
הערכים המייצגים הבאים מתאימים למדידות שנבוצעו באזורים צבועים בשחור בסביבות 65°C (T ≈ 338 K). למצלמה יש תקן דיוק של ±2 מעלות צלזיוס או ±2% מהקריאה, כאשר הוא מטופל כ-k = 2. הפליטה הוגדרה ל-ε = 0.95 ± 0.02, עם אופטיקה ממוקדת היטב והחזרות מבוקרות. התרומות האישיות לאי-ודאות היו כדלקמן: דיוק המצלמה (k = 1) מניב uacc = 1.0 K; תרומת הפליטות, המוערכת ממשוואה (10), היא u₍T,ε₎≈ (338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 K; אפקט המיקוד או IFOV נותן u_focus = 0.3 K; שארית תיקון אי-אחידות u_NUC = 0.2 K; הטמפרטורה הנראית המוחזרת u_ref = 0.4 K; והחזרתיות בין פריימים או ריצות u_rep = 0.2 K.
כך
=
תוצאות אי-הוודאות מוצגות בטבלה 3.
| מקור | סמל | הילד דוד (k=1) | הערות |
| דיוק רדיומטרי במצלמה | u_acc | 1.0 K | מפרט ±2K מטופל כ-k=2 |
| פליטה (צבוע, ε = 0.95 ± 0.02) | u_{T,ε} | 1.78 K | משווים (10), T = 338 K |
| אי-התאמה בין מיקוד ל-IFOV | u_focus | 0.3 K | גודל נקודות ≈ ROI |
| אי-אחידות בגלאי | u_NUC | 0.2 K | שארית לאחר NUC |
| טמפרטורה נראית מוחזרת | u_ref | 0.4 K | שיטת נייר כסף T_ref |
| חזרתיות | u_rep | 0.2 K | ממוצע פריים/ריצה |
| משולב (k=1) | u_c(T_IR) | 2.15 K | השוואות (9) |
| מורחב (k=2) | U(T_IR) | 4.30 K | ≈ 2u_c |
טבלה 3: תקציב אי-ודאות לטמפרטורת אינפרא-אדום על ROI צבוע בשחור (איור).
ההתנהגות התרמית הכוללת של מכלול ה-COB LED המקורר על ידי פלטת מיקרו-ערוץ של שסתום טסלה ניתנת לכימות באמצעות מושג ההתנגדות התרמית. בדומה לחוק אוהם במעגלים חשמליים, ההתנגדות התרמית Rθ מקשרת את עליית הטמפרטורה של ה-LED לבין ההספק הנכנס שמתפזר כחום:
(11)
כאשרT LED היא טמפרטורת פני השטח של חבילת ה-LED, T∞ היא טמפרטורת האוויר הסביבתית, ו-P היא הכוח החשמלי המסופק ל-LED (בהנחה שכמעט כולו מומר לחום). ערך נמוך של Rθ מצביע על הסרת חום יעילה, שהיא קריטית לשמירה על יעילות האור ולהבטחת אמינות ארוכת טווח של נורות LED בעוצמה גבוהה.
החום שנוצר בצומת ה-LED עוקב אחרי מסלול הולכה-הסעה. בתחילה, החום זורם באמצעות הולכה דרך מצע ה-LED, ממשק ההלחמה וחומר שסתום טסלה. לאחר המעבר לתעלות המיקרו, החום מוסר באמצעות הסעה אל נוזל הקירור הזורם בפנים. כל ממשק תורם ל-Rהכולל θ:
(12)
עם התנגדות קונבקטיבית Rθ, קונבקטיבית, שלרוב שולטת במערכות LED קומפקטיות עם זרם גבוה. דיאגרמת ההתנגדות מוצגת באיור 7.
איור 7: רשת ההתנגדות התרמית של נורית ה-COB המחוברת למיקרו-ערוץ שסתום טסלה. אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.
החום זורם מצומת ה-LED דרך מסלולי הולכה ואל נוזל הקירור באמצעות הסעה, כאשר כל שלב מיוצג כהתנגדות תרמית (Rjs, Rcond, Rconv).
מיקרו-ערוצי שסתום טסלה פועלים כמקדם טורבולנציה פסיבי, ומגדיל את מקדם העברת החום הקונבקטיבי המקומי h ללא צורך בחלקים נעים. בניגוד למיקרו-ערוצים ישרים, עיצוב טסלה מציג אזורי עקמומיות וסירקולציה שמגבירים את הערבוב, וכך משפרים את הקירור הקונקטיביבי. ההתנגדות הקונבקטיבית האפקטיבית ניתנת לביטוי כך:
(13)
כאשר A הוא שטח העברת החום האפקטיבית. ערכי H גבוהים יותר שמושגים באמצעות אפקט שסתום טסלה מפחיתים ישירות את Rθ, מה שמוביל לטמפרטורות הפעלה נמוכות יותר ב-LED. עם זאת, שיפור זה בא על חשבון ירידת לחץ נוספת, שיש לאזן מול דרישות כוח השאיבה.
עבור LED של 30 וואט של COB שנבדקו, מדידות טיפוסיות הניבו עלייה בטמפרטורת פני השטח של ΔT ≈ 40 K מעל הסביבה, עם הספק פיזור אפקטיבי של P ≈ 29.9 W. בהחלפה למשוואה (11), ההתנגדות התרמית הכוללת הייתה:
ערך זה נמוך משמעותית מזה של כיורים פסיביים קונבנציונליים בעלי טביעת רגל דומה, מה שמדגיש את ההשפעה החיובית של לוח מיקרו-ערוץ של שסתום טסלה. יתרה מזאת, התפלגות הטמפרטורה המרחבית שהושגה באמצעות תרמוגרפיה אינפרא-אדומה אישרה כי האזורים שמחוברים ישירות לתעלות טסלה הציגו שדות טמפרטורה אחידים יותר, מה שמעיד על שיפור בביצועי ההסעה.
השלכות
התנגדות תרמית מופחתת מתורגמת לטמפרטורת חיבור LED, שמפחית ישירות את הפחתת הלומן ושינוי הצבע, ששניהם תלויים בטמפרטורה.
לכן, גישת המיקרו-ערוץ של שסתום טסלה מספקת שיפור פסיבי מעשי למערכות קירור LED קומפקטיות, המשלב את הייצור עם ביצועים תרמיים-הידראוליים. עם זאת, יש לקחת בחשבון את ההתנגדות ההידראולית המוגברת שמביאה גיאומטריית טסלה בניתוחי בחירת משאבות ויעילות אנרגטית ברמת המערכת.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
תוצאות
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
ייצור אב-טיפוס
האב-טיפוס יוצר באמצעות מילינג CNC ליצירת ערוצי טסלה והתאים. ערוצי טסלה המעובדים מוצגים באיור 8A, בעוד שהחדרים המעובדים מוצגים באיור 8A. לאחר מכן בוצע תהליך קידוח ליצירת פתחי הכניסה והיציאה בתאים.
איור 8: שסתום טסלה מיוצר....
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
דיון
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
בניגוד לגופי חום קונבנציונליים 9,10,11,12,13,14, המערכת משלבת מנגנון הסעה כפויה בתוך תצורה קומפקטית שמגבירה משמעותית את פיזור החום. חשוב לציין ששילוב יציאות הכניסה והיציאה בתצורה רדיאלית מאפשר למערכת לתפוס מקום מינימלי, מה שהופך אותה לאידיאלית להתקנות מוגבלות.
זו ה...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
גילויים
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
המחברים מצהירים שאין ניגודי עניינים הקשורים לתוכן כתב היד.
תודות
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
המחברים מודים בהכרת תודה על התמיכה הכספית שניתנה על ידי ה-Tecnológico Nacional de México (TecNM) באמצעות קריאת פרויקטים למחקר ופיתוח טכנולוגי, תחת פרויקט מספר 22029.25-P. תמיכה זו הייתה חיונית להשלמת מחקר זה בהצלחה.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
חומרים
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| תוכנת FreeCad | קהילת FreeCAD | https://forum.freecad.org/ | תוכנה בקוד פתוח המשמשת ליצירת גיאומטריות והרכבות (RRID:SCR_066611). |
| מילינג CNC גנרי 3018 Pro Max | גנרי (Sainsmart/Mostreprap) | 3018 Pro Max | מכונת עיבוד CNC שולחנית שימשה לייצור שסתום טסלה. |
| מצלמת אינפרא-אדום | יחידה-T | סדרת UTi260B / UTi720 | מצלמת אינפרא-אדום המשמשת ללכידת התפלגות הטמפרטורה במכשיר. |
| תוכנת אוקטבה | פרויקט גנו | https://octave.org/ | תוכנה בקוד פתוח המשמשת לעיבוד נתונים ויצירת גרפים (RRID:SCR_014398). |
| OpenFoam | OpenCFD Ltd (קבוצת ESI) | תוכנת CFD בקוד פתוח המשמשת לפתרון המודל המספרי (RRID:SCR_014876). | |
| פרוויו תוכנה | קיטוואר בע"מ. | https://www.paraview.org/ | תוכנה בקוד פתוח המשמשת לעיבוד לאחר הפתרון המספרי (RRID:SCR_002516). |
| טרמוקופלים | יחידה-T | סדרת UT325/UT320 | תרמוקופלים שימשו ללכוד את ההתנהגות התרמית. |
מקורות
Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
- 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. Int Commun Heat Mass Transfer. 37 (7), 788-791 (2010).
- Zhou, N., Wu, H., Li, Z., Ma, Y., Lu, S. Optimization of tesla valve cooling channels for high-efficiency automotive PMSM. World Electr Veh J. 16 (3), 169(2025).
- Chen, H. T., Tan, S. C., Hui, S. Y. Color variation reduction of GaN-based white light-emitting diodes via peak-wavelength stabilization. IEEE Trans Power Electron. 29 (7), 3709-3719 (2013).
- Christensen, A., Graham, S. Thermal effects in packaging high power light emitting diode arrays. Appl Therm Eng. 29 (2-3), 364-371 (2009).
- Ben Abdelmlek, K., Araoud, Z., Charrada, K., Zissis, G., Canale, L. Improvement of thermal and optical behavior of multi-chip LEDs package. Case Stud Therm Eng. 39, 102395(2022).
- Pop, E. Energy dissipation and transport in nanoscale devices. Nano Res. 3 (3), 147-169 (2010).
- Energy-efficiency and thermal management in nanoscale devices. Liao, A. D., Ong, Z. Y., Serov, A. Y., Xiong, F., Pop, E. 2012 IEEE Silicon Nanoelectron Workshop (SNW), 1 (4), 1-4 (2012).
- Zou, Y., et al. Heat dissipation design and optimization of high-power LED lamps. Therm Sci Eng Prog. 37, 101587(2023).
- Jang, D., Yu, S. H., Lee, K. S. Multidisciplinary optimization of a pin-fin radial heat sink for LED lighting applications. Int J Heat Mass Transfer. 55 (4), 515-521 (2012).
- Huang, D. S., Chen, T. C., Tsai, L. T., Lin, M. T. Design of fins with a grooved heat pipe for dissipation of heat from high-powered automotive LED headlights. Energy Convers Manag. 180, 550-558 (2019).
- Shen, Q., Sun, D., Xu, Y., Jin, T., Zhao, X. Orientation effects on natural convection heat dissipation of rectangular fin heat sinks mounted on LEDs. Int J Heat Mass Transfer. 75, 462-469 (2014).
- Yung, K. C., Liem, H., Choy, H. S. Heat transfer analysis of a high-brightness LED array on PCB under different placement configurations. Int Commun Heat Mass Transfer. 53, 79-86 (2014).
- Spacing of high-brightness LEDs on metal substrate PCB's for proper thermal performance. Petroski, J. The Ninth Intersoc Conf Therm Thermomech Phenom Electron Syst, 2, 507-514 (2004).
- Niu, Y., Li, C., Pan, M. The optimization of roll-bond cold plate based on taguchi-grey theory for server chips thermal management. Int J Therm Sci. 203, 109091(2024).
- Saleh, Z. M., Jaffal, H. M. Comparative analysis of multichannel cold plates with various corrugated channel structures and dual flow outlets. Int Commun Heat Mass Transfer. 164, 108908(2025).
- Gao, X., Gao, Q. Structural design and multi-criteria evaluation of refrigerant-based cold plate for battery thermal management system. Appl Therm Eng. 273, 126481(2025).
- Zhang, B., et al. Flow channels design and topology optimization of cold plates used for thermoelectric coolers. Appl Therm Eng. 274, 126605(2025).
- Monika, K., Chakraborty, C., Roy, S., Sujith, R., Datta, S. P. A numerical analysis on multi-stage tesla valve based cold plate for cooling of pouch type li-ion batteries. Int J Heat Mass Transfer. 177, 121560(2021).
- Monika, K., Vivek, U. V. V. P., Chakraborty, C., Roy, S., Datta, S. P. Augmentation of multi-stage tesla valve design cold plate with reverse flow to enhance thermal management of pouch batteries. Int J Heat Mass Transfer. 214, 124439(2023).
- Ren, F., Li, Q., Wang, P. Multi-objective optimization of tesla valve channel battery cold plate with nanofluid by RSM and NSGA-II. J Energy Storage. 115, 115969(2025).
- Feng, S., et al. Multiobjective optimization on thermal performance and energy efficiency for battery module using gradient distributed tesla cold plate. Energy Convers Manag. 308, 118383(2024).
- Lai, C., et al. Numerical investigations on heat transfer enhancement and energy flow distribution for interlayer battery thermal management system using tesla-valve mini-channel cooling. Energy Convers Manag. 280, 116812(2023).
- Purwidyantri, A., Prabowo, B. A. Tesla valve microfluidics: the rise of forgotten technology. Chemosensors. 11 (4), 256(2023).
- Osman, A., Moreno, G., Myers, S., Narumanchi, S. V. J., Joshi, Y. Single-phase jet impingement cooling for a power-dense silicon carbide power module. IEEE Trans Compon Packag Manuf Technol. 13 (5), 615-627 (2023).
- Li, Z., Xin, W., Ma, D., Jian, W. Numerical investigation of jet cooling for high-power LEDs using AlO-water nanofluid with a multi-nozzle array. Case Stud Therm Eng. 70, 106083(2025).
- Wu, W., Wang, Y., Zhao, L., Dong, H. Optimization of microchannel heat sinks with flexible vortex generators using GWO-SVR: a CFD and machine learning approach. Int Commun Heat Mass Transfer. 164, 108900(2025).
- Lin, X., et al. Thermal management of high-power LED based on thermoelectric cooler and nanofluid-cooled microchannel heat sink. Appl Therm Eng. 172, 115165(2020).
- Pattanaik, M. S., Varma, V. B., Cheekati, S. K., Chaudhary, V., Ramanujan, R. V. Optimal ferrofluids for magnetic cooling devices. Sci Rep. 11 (1), 24167(2021).
- Prakash, B., et al. Compact high-power heat pipe-cooled LED light fixtures for radioactive. Adv Biophotonics Nanofabrication Opt Metrol Nonlinear Ultrafast Photonics Proc PHOTONICS. 1242, 95(2025).
- Xia, Y., Wu, M., Deng, S., Yuan, G., Zhang, Q. Numerical study on heat transfer and flow characteristics of symmetric tesla-type microchannel heat sinks. Appl Therm Eng. 258, 124611(2025).
- Launder, B. E., Spalding, D. B. The numerical computation of turbulent flows. Comput Methods Appl Mech Eng. 3 (2), 269-289 (1974).
- Patel, V. C., Rodi, W., Scheuerer, G. Turbulence models for near-wall and low reynolds number flows: a review. AIAA J. 23 (9), 1308-1315 (1985).
- Versteeg, H. K., Malalasekera, W. An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method. , Pearson Education. Harlow. (2007).
- Speziale, C. G. Analytical methods for the development of reynolds-stress closures in turbulence. Annu Rev Fluid Mech. 23 (1), 107-157 (1991).
- Incropera, F. P., DeWitt, D. P. Fundamentals of heat and mass transfer. , Wiley. Hoboken. (2007).
- Gnielinski's correlation and a modern temperature-oscillation method for measuring heat transfer coefficients. Dostál, M., Petera, K., Solnaˇr, S. EPJ Web Conf, 269, 01009(2022).
- Wang, Y., et al. Numerical investigation of thermo-hydraulic performance of perforated rectangular and sinusoidal vortex generators in a double-pipe heat exchanger. J Therm Anal Calorim. 149 (19), 11137-11154 (2024).
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
הדפסות חוזרות והרשאות
בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה
בקש הרשאה