Miglioramento termico dei sistemi di raffreddamento LED utilizzando valvole Tesla passive per convezione indotta da turbolenza

Sommario

Questo lavoro presenta un protocollo sperimentale per valutare il comportamento termico dei LED Chip-on-Board (COB) ad alta potenza utilizzando la termografia a infrarossi. Un dispositivo compatto di raffreddamento a convezione forzata è stato testato con potenza e flusso d'aria variabili, dimostrando una dissipazione efficiente del calore e temperature sicure di giunzione per applicazioni compatte come illuminazione intelligente ed elettronica embeddata.

Abstract

Questo studio presenta una metodologia sperimentale per valutare il comportamento termico dei diodi a emissione di luce (LED) Chip-On-Board (COB) ad alta potenza utilizzando la termografia a infrarossi, integrata con un nuovo dispositivo compatto di raffreddamento a convezione forzata. Le prestazioni termiche sono state valutate con input di potenza e portate variabili, rivelando la capacità del sistema di mantenere temperature di giunzione LED al di sotto delle soglie critiche. L'imaging termografico ha permesso l'analisi spazialmente risolta della temperatura della superficie LED sia in regimi di convezione naturale che forzata. Il dispositivo di raffreddamento proposto è stato progettato specificamente per un'integrazione compatta, caratterizzata da una configurazione radiale di ingresso/uscita che minimizza lo spazio pur massimizzando l'efficienza della dissipazione del calore. I risultati della simulazione generati sono stati validati con dati sperimentali, garantendo l'affidabilità dell'approccio di raffreddamento proposto. Questo lavoro dimostra un metodo fattibile e replicabile per la caratterizzazione della gestione termica nelle applicazioni di illuminazione a stato solido, fornendo una soluzione scalabile per l'integrazione in ambienti confinati, come lampadari LED, sistemi di illuminazione smart o moduli elettronici incorporati.

Introduzione

La crescente domanda di soluzioni di illuminazione ad alta potenza ha portato i Diodi Emissori di Luce (LED) Chip-on-Board (COB) all'avanguardia delle moderne tecnologie di illuminazione. I LED COB, caratterizzati da molteplici chip LED montati direttamente su un substrato termicamente conduttivo, offrono superiore efficacia luminosa e compattezza. Tuttavia, la loro elevata densità di potenza e il formato compatto rappresentano significative sfide nella gestione termica. Una dissipazione efficiente del calore è fondamentale per mantenere le prestazioni, l'affidabilità e la longevità di questi^{dispositivi 1}.

Nei LED COB, una parte consistente dell'energia elettrica viene convertita in calore anziché in luce, rendendo necessarie strategie efficaci di gestione termica per prevenire il degrado delle prestazioni e garantire la longevità del^{dispositivo 2}. I metodi tradizionali di raffreddamento passivo, come dissipatori di calore e materiali di interfaccia termica, spesso non riescono a dissipare il calore intenso generato dai LED^{COB ad alta potenza 3}. Di conseguenza, vi è un bisogno urgente di soluzioni innovative di raffreddamento che possano gestire efficacemente i carichi termici senza compromettere la compattezza e l'efficienza dei sistemi di illuminazione.

La qualità dell'illuminazione LED è composta da diversi parametri: indice di resa del colore (CRI⁾⁴, flusso luminoso, temperatura, colore e durata del tempo. I parametri menzionati sono sensibili al calore; alcuni studi hanno riportato che il flusso luminoso ne diminuisce il valore di 0,108 lm per grado^{Celsius 5}. Abdelmlek et ^al.6 mostrano una correlazione che stima la durata dei LED COB in funzione della temperatura, che coinvolge la giunzione termica del LED. I recenti progressi nella microelettronica hanno portato a un aumento continuo delle frequenze di funzionamento dei dispositivi e a una progressiva miniaturizzazione dei componenti elettronici. Queste tendenze portano a densità di potenza e flussi di calore significativamente più elevati che sfidano le strategie convenzionali di gestione^{termica 7,8}. Tali carichi termici, se non gestiti adeguatamente, possono degradare gravemente l'affidabilità e le prestazioni del dispositivo.

Per migliorare la dissipazione del calore sui LED COB, alcuni ricercatori hanno progettato dissipatori di calore con geometrie e configurazioni particolari che permettono di migliorare il trasferimento di calore dal LED verso l'ambiente tramite convezione^libera 9,10,11,12,13,14. Questi tipi di dissipatori di calore sono un'opzione efficace per ridurre il consumo energetico durante il loro funzionamento, ma le quantità di calore sono limitate dall'area superficiale, aumentando la loro dimensione se la quantità di calore aumenta, risultando in dispositivi più grandi se sono coinvolti flussi di calore elevati. I LED chip-onboard (COB) ad alta potenza combinano molteplici chip su un substrato compatto, consentendo un'elevata efficacia luminosa ma generando anche densità significative di flusso di calore che minacciano l'affidabilità del dispositivo. Una gestione termica efficace è quindi essenziale per mantenere le temperature delle giunzioni al di sotto dei limiti critici. Tradizionalmente, sono stati impiegati approcci passivi come dissipatori di calore pinnati e convezione naturale; tuttavia, le loro prestazioni sono limitate da una superficie limitata e dai coefficienti convettivi relativamente bassi raggiungibili sotto flusso guidato dalla galleggiabilità. Per superare queste limitazioni, sono state ampiamente studiate soluzioni attive, tra cui dissipatori di calore ad aria forzata, tubi di calore, raffreddamento a spruzzo e microcanali raffreddati a liquido, offrendo resistenze termiche più basse e distribuzioni di temperatura più uniformi. Sulla base di questa evoluzione, il nostro lavoro esplora una strategia alternativa: integrare microcanali potenziati con valvole Tesla come una piastra fredda compatta. Questo progetto sfrutta la diodicità passiva e le proprietà di miscelazione del flusso delle geometrie di Tesla per intensificare la convezione locale evitando la necessità di parti mobili o collettori complessi, colmando così il divario tra i microcanali convenzionali e i sistemi di raffreddamento attivi più complessi.

Per gestire flussi di calore elevati in queste applicazioni, i sistemi di raffreddamento a liquido sono una buona opzione perché sono in grado di aumentare il coefficiente di trasferimento di calore e migliorare il trasferimento di calore in spazi più riducenti rispetto ai sistemi di raffreddamento passivo. Alcuni studi riportano l'uso di fluidi di raffreddamento liquido, come piastre fredde con diverse configurazioni di^canali 15,16,17,18.

Un approccio promettente prevede l'integrazione di dissipatori di calore a microcanali, che migliorano il trasferimento di calore aumentando la superficie a contatto con il mezzo di raffreddamento. Tra i vari progetti a microcanali, la valvola Tesla — un dispositivo passivo senza parti in movimento — ha attirato l'attenzione per la sua capacità di controllare il flusso dei fluidi in modo direzionale, ottimizzando così il trasferimento di calore e minimizzando il ritorno. La geometria unica delle valvole Tesla facilita il flusso unidirezionale, che può essere vantaggioso nelle applicazioni di gestione termica favorendo una circolazione efficiente del liquido refrigerante e migliorando la dissipazione complessiva del calore. Per aumentare il coefficiente di trasferimento di calore, i ricercatori hanno incluso geometrie che hanno perturbato le linee di percorso del fluido. La valvola di Tesla è una configurazione geometrica di canali che permette al fluido di andare in una direzione; Funziona come una valvola diodica (valvola unidirezionale). Quando un flusso viene introdotto nella direzione opposta, la pressione e la turbolenza all'interno del sistema aumentano notevolmente. Alcuni impianti utilizzano la valvola di Tesla per aumentare la turbolenza, conseguenza dell'aumento del coefficiente di trasferimento di calore. Alcuni ricercatori hanno utilizzato modelli parametrici per determinare i modelli di flusso dei fluidi nelle valvole Tesla da utilizzare come sistema di^{raffreddamento 19,20}. L'applicazione più comune della valvola Tesla implementata nel sistema di raffreddamento avviene attraverso le piastre^{fredde 21, 22, 23}. Ad esempio, la ricerca ha dimostrato che incorporare strutture valvolari Tesla nei dissipatori di calore a microcanali può migliorare le prestazioni termiche promuovendo il flusso turbolento e aumentando il coefficiente di trasferimento di calore^{convettivo 24}. Questi risultati suggeriscono che i dissipatori di calore a microcanale basati su valvole Tesla potrebbero essere una soluzione valida per gestire le sfide termiche associate ai LED COB ad alta potenza.

Diversi studi hanno affrontato la gestione termica dei LED COB ad alta potenza attraverso tecniche di raffreddamento a base liquida. Ad esempio, gli approcci di impingement a getto e raffreddamento per spruzzo hanno dimostrato coefficienti di trasferimento di calore dell'ordine di 104-105 W·^m-2· ^K-1, mantenendo di fatto temperature di giunzione al di sotto della soglia critica di 120 °C con una potenza di pompaggio relativamente^{bassa di 25,26}. Allo stesso modo, le piastre fredde a microcanali fabbricate sotto array COB hanno raggiunto resistenze termiche basse fino a 0,019 °C/W quando l'acqua è circolata a velocità moderate, evidenziando il forte potenziale di miniaturizzazione dei canali per migliorare l'efficienza di^{raffreddamento 27,28}. Altre strategie includono dissipatori di calore potenziati con^{ferrofluidi 29} e moduli a tubo di calore compatti progettati attorno ai pacchetti^{COB 30}, entrambi che mostrano una migliore diffusione termica e una riduzione della resistenza termica rispetto ai tradizionali pozzi in metallo solido.

Rispetto a questi approcci, la piastra di raffreddamento proposta basata su valvole Tesla introduce un meccanismo passivo innovativo che migliora la miscelazione e la generazione di turbolenza senza la necessità di parti mobili o collettori complessi. Sebbene le valvole Tesla siano state studiate in elettronica e sistemi energetici per le loro capacità di diodicità e controllo^{del flusso,} la loro applicazione al raffreddamento COB LED non è stata ampiamente riportata in letteratura. Questo lavoro, quindi, fornisce un contributo originale adattando le reti di flusso Tesla-valvole ai requisiti specifici della gestione termica LED. I nostri risultati indicano che, in caso di convezione forzata, la piastra valvolare di Tesla ottiene riduzioni competitive della temperatura superficiale rispetto alle strategie di raffreddamento a liquido consolidate, con il vantaggio aggiuntivo di una geometria semplificata e robustezza contro intasamenti o guasti meccanici.

In questo studio, indagiamo l'efficacia di un dissipatore di calore in microcanale in alluminio lavorato a CNC che incorpora strutture valvolari Tesla per la gestione termica di un LED COB da 30 W. Il progetto mira a sfruttare il controllo direzionale del flusso delle valvole Tesla per migliorare la circolazione del refrigerante e la dissipazione del calore. Conducendo valutazioni sperimentali, valutiamo le prestazioni termiche del sistema di raffreddamento proposto, analizzando parametri come la distribuzione della temperatura, la resistenza termica e l'efficienza complessiva del raffreddamento. I risultati di questa ricerca potrebbero informare lo sviluppo di soluzioni avanzate di raffreddamento passivo per applicazioni LED ad alta potenza, contribuendo all'ottimizzazione delle strategie di gestione termica nei dispositivi elettronici compatti. La sfida di questo progetto è stata l'implementazione della valvola Tesla su un dissipatore di calore esistente. Con questa configurazione, la potenza dissipata è importante, permettendo l'uso di dispositivi ad alta potenza in un sistema di raffreddamento compatto.

La Figura 1 presenta una rappresentazione schematica della metodologia seguita in questo studio. Il processo inizia con la creazione geometrica del dispositivo di raffreddamento LED utilizzando software CAD. La geometria viene poi importata nel risolutore CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), dove vengono applicate generazioni di mesh e condizioni al contorno per eseguire le simulazioni termo-fluidi. In parallelo, viene implementato l'impianto sperimentale, che include termocoppie e una telecamera a infrarossi per le misurazioni della temperatura. Infine, i risultati della simulazione vengono validati con dati sperimentali, garantendo l'affidabilità dell'approccio di raffreddamento proposto.

Figura 1: Schema del flusso di lavoro sperimentale: (1) creazione della geometria, (2) simulazioni CFD, (3) produzione per il prototipo, (4) misurazioni termiche e (5) validazione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Protocollo

Geometria del dispositivo di raffreddamento
Lo scopo del progetto è mantenere un LED COB da 50 W a una temperatura consentita con l'implementazione della valvola Tesla. Il COB utilizzato come fonte di calore è mostrato nella Figura 2A, mentre la Figura 2B mostra 50 chip di chip accesi, indicando che ogni chip ha 1 W di potenza.

Figura 2: COB LED e numero di chip die. (A) COB LED utilizzato nell'esperimento (B) Dimostrazione del numero di chip a chip utilizzati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

In letteratura, alcune valvole Tesla sono state segnalate come dotate di una sorgente di calore montata sopra i dispositivi che contengono la valvola Tesla, quindi, in questo articolo, il LED fa parte del dispositivo perché viene posizionato sopra i canali della valvola Tesla in contatto diretto con il fluido di raffreddamento per migliorare il trasferimento di calore dal LED verso il fluido, minimizzando la resistenza termica. La Figura 3A mostra la geometria del dispositivo. Sulla superficie superiore, con trasparenza, viene mostrato il punto in cui è posizionato il LED. D'altra parte, la Figura 3B mostra l'assemblaggio proposto per il dispositivo di raffreddamento.

Figura 3: Geometria e l'assemblaggio proposto del dispositivo di raffreddamento. (A) Il dispositivo di raffreddamento proponeva di mostrare i canali delle valvole Tesla. (B) Dispositivo di raffreddamento proposto assemblato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Con l'obiettivo di mettere il LED in contatto diretto con il fluido, l'ingresso e l'uscita del fluido sono stati progettati sopra la superficie sopra, come mostrato nella Figura 4A. Il fluido viene condotto dalla pompa ai canali Tesla attraverso il terminale di ingresso. Successivamente, il fluido riempie la camera di ingresso e viene condotto nei canali con i canali di ingresso mostrati nella Figura 4B. Nella Figura 4B, la vista superficiale sopra mostra le camere del fluido del dispositivo senza alcuna connessione, inclusa la copertura superiore.

Figura 4: Vista isometrica dietro del dispositivo. (A) Vista isometrica del dispositivo di raffreddamento sopra la superficie. (B) Camere fluide del dispositivo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Materiali e accessori
I materiali e gli accessori utilizzati nell'esperimento sono mostrati nella Tabella 1. Una barra piatta in alluminio veniva utilizzata per levigare i canali Tesla con una macchina CNC. L'alluminio fu scelto per il suo equilibrio tra conducibilità termica e costo. Inoltre, la lavorazione dell'alluminio è più facile e veloce rispetto ad altri componenti, come l'acciaio o materiali più duri. Anche la copertura superiore mostrata nella Figura 4A è stata progettata in alluminio. I terminali di ingresso e uscita sono realizzati in ottone e collegati tramite fori filettati sul coperchio superiore. Il nucleo metallico COB era prodotto in lega di alluminio per migliorare il trasferimento di calore.

Articolo	Materiale	Conducibilità termica w/m 2κ
Barra piatta	Alluminio	160
Metal-Core	Alluminio	160
Coprire superiore	Alluminio	160
Accessori pneumatici	Ottone	110

Tabella 1: Accessori e materiali utilizzati nel prototipo prodotto.

L'acqua veniva utilizzata come fluido di lavoro grazie alla sua elevata capacità termica specifica e alla vasta disponibilità; Inoltre, a causa del basso rischio di generare fiamme e tossicità nulla. Il flusso attraverso il canale era guidato da una pompa, che veniva caratterizzata per determinare la portata in funzione della tensione.

Condizioni al contorno
La portata della pompa è stata caratterizzata per determinare la condizione al contorno dell'ingresso nel sistema. La condizione al contorno dell'ingresso è definita da una velocità di ingresso calcolata con la portata e la sezione trasversale dell'ingresso. Il comportamento della portata della pompa è presentato nella Figura 5.

Figura 5: Portata della pompa e velocità di ingresso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La Figura 5 mostra la relazione tra la tensione applicata e due parametri idraulici chiave: la portata volumetrica media e la velocità media del fluido. Ogni punto dati rappresenta il valore medio calcolato da cinque misurazioni indipendenti per livello di tensione, garantendo un'interpretazione statisticamente robusta.

Tendenza della portata volumetrica
Si osserva una chiara tendenza all'aumento nella portata media man mano che la tensione aumenta. Al livello di tensione più basso (4 V), la portata media è di circa 1,63 × ^{10-5 m 3}/s, mentre a 12 V sale a quasi 3,49 × 10-5^{m 3}/s, che rappresenta un aumento del 110% di . Questo comportamento può essere attribuito all'influenza della tensione sull'attuatore elettromeccanico che alimenta il flusso.

Con l'aumento della tensione, la velocità dell'attuatore aumenta, aumentando così il volume spostato per unità di tempo.

Comportamento della velocità media
La velocità del fluido segue una tendenza crescente simile, coerente con la relazione fondamentale tra portata e velocità:

Q = A • v (1)

dove A è l'area della sezione trasversale del condotto e v è la velocità media. Poiché l'area rimane costante, i cambiamenti in Q si traducono direttamente in variazioni proporzionali in v. In questo esperimento, la velocità media è aumentata da circa 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (a 4 V) a 1,41 ×^10-2 m·^s-1 (a 12 V)

Confronto tra curve
Sia la curva della portata che quella di velocità mostrano una relazione quasi lineare con la tensione. Possono essere presenti minori non linearità e possono essere attribuite a fattori come instabilità transitorie nell'alimentatore, piccole variazioni nei tempi di risposta del sensore e perdite interne di attrito o di carico a regimi di flusso più elevati. Sebbene questi effetti non siano significativi nell'ambito dello studio attuale, potrebbero essere ulteriormente esplorati utilizzando la regressione non lineare o la modellizzazione dei sistemi dinamici in lavori futuri.

Implicazioni pratiche
Da un punto di vista ingegneristico, il grafico fornisce una correlazione utile tra un parametro di controllo accessibile (tensione) e variabili critiche di flusso. Questo è particolarmente rilevante per applicazioni in microfluidica, dosaggio di precisione, sistemi di raffreddamento a convezione forzata o strutture di flusso basate su elementi passivi come le valvole di Tesla. Il comportamento monotono e prevedibile della portata consente anche una calibrazione precisa del sistema, garantendo stabilità operativa e ripetibilità in configurazioni sperimentali o automatizzate.

Modello matematico per la fluidodinamica in una valvola Tesla
La dinamica interna dei fluidi del dispositivo di raffreddamento non è chiaramente compresa dal punto di vista fisico. Pertanto, è stata effettuata una simulazione di fluidodinamica computazionale (CFD) per analizzare il comportamento del flusso, visualizzare la turbolenza che migliora il coefficiente di trasferimento di calore e identificare zone di fluido stagnanti che possono essere ottimizzate nei canali delle valvole di Tesla.

Per simulare il comportamento del flusso del fluido all'interno della valvola di Tesla, utilizziamo le equazioni di Navier-Stokes medie di Reynolds in combinazione con il modello standard di turbolenza K-epsilon. Questo approccio fornisce un equilibrio tra costo computazionale e accuratezza nella cattura degli effetti di turbolenza all'interno dei flussi interni con recirculazione e vortici anisotropi, come tipicamente osservato nelle valvole di Tesla.

Equazioni governanti
Il fluido utilizzato è acqua, considerata incomprimibile e newtoniana, e il flusso è considerato a regime stazionario. Le equazioni di governo sono le seguenti:

  (2)

dove  è il vettore velocità mediato nel tempo.

     (3)

dove:

ρ [kg/^{m 3}] è la densità del fluido,
p [Pa] è la pressione,
μ [Pa • s] è la viscosità dinamica,
μ_t [Pa • s] è la viscosità turbolenta del vortice, definita come:

     (4)

L'energia cinetica di turbolenza k e il suo tasso di dissipazione ε sono governati dalle seguenti equazioni di trasporto:

Energia cinetica turbolenta (k):

     (5)

Tasso di dissipazione turbolenta (ε):

   (6)

Qui:

k [m²/^{s 2}] è l'energia cinetica della turbolenza,
ε [m²/^{s 3}] è il tasso di dissipazione della turbolenza,
P_k [kg/(m •^{s 3})] è la produzione di energia cinetica di turbolenza, definita come:

   (7)

σ_k e σ_ε sono rispettivamente i numeri di Prandtl turbolenti per k e ε,

C_μ, C_1ε e C_2ε sono costanti empiriche.

Le costanti utilizzate nel modello standard k - ε sono:
C_μ = 0,09, (calibrato per strati di taglio e turbolenza a flusso libero)
σ_k = 1,00, (garantisce una diffusione realistica di k)
σ_ε = 1,30, (controlla la diffusione di ε)
C_1ε = 1,44, (bilancia produzione e distruzione di ε)
C_2ε = 1,92. (garantisce una corretta dissipazione dell'energia)

Questi valori sono derivati dalla validazione sperimentale in flussi turbolenti dello strato limite e sono stati ampiamente utilizzati in applicazioni ingegneristiche con una precisione^affidabile 32,33,34,35.

La valvola di Tesla presenta condizioni di flusso interno caratterizzate da separazione dello strato limite, zone di ricircolazione e resistenza direzionale. Questi fenomeni sono intrinsecamente turbolenti, e gli approcci di simulazione numerica diretta (DNS) o di simulazione a grandi vortici (LES) sono computazionalmente proibitivi per i progetti pratici.

Il modello k-ε è per questo studio perché fornisce previsioni affidabili del campo medio di flusso e delle quantità di turbolenza in flussi interni ad alto numero di Reynolds. Cattura efficacemente gli effetti di turbolenza anisotropa indotti dai canali di rotazione e dalle zone di stagnazione della valvola di Tesla, garantendo una rappresentazione accurata del complesso comportamento del flusso. Inoltre, questo modello è robusto ed è stato ampiamente validato in applicazioni ingegneristiche che coinvolgono il getto di impingement, la separazione dei flussi e i flussi complessi delimitati a pareti.

In questo lavoro, le condizioni al contorno includono un profilo di velocità di ingresso turbolento completamente sviluppato, pareti antiscorrimento e un'uscita di pressione. Il dominio della simulazione corrisponde a una geometria di valvola Tesla a più stadi, che viene integrata utilizzando una griglia ibrida strutturata-non strutturata con affinamento dello strato limite per risolvere gli effetti vicino al muro utilizzando le funzioni del muro appropriate.

Condizioni al contorno e discussione
Per garantire una simulazione realistica del flusso all'interno della geometria della valvola Tesla, sono state definite condizioni al contorno appropriate per tutte le variabili rilevanti: velocità, pressione, energia cinetica turbolenta (k) e tasso di dissipazione turbolenta (ε). Furono imposte le seguenti condizioni:

Ingresso (ingresso di velocità):

Un profilo di velocità uniforme era prescritto all'ingresso, assumendo un flusso completamente sviluppato, incomprimibile e turbolento. Le quantità turbolente k e ε sono state inizializzate sulla base dell'intensità di turbolenza I e del diametro idraulico D_h, utilizzando le corrispondenti relazioni empiriche.

(8)

Questo approccio garantisce la coerenza con i modelli empirici di generazione della turbolenza e mantiene la compatibilità con la formulazione standard k-ε.

Uscita (presa a pressione):
Una pressione statica fissa (tipicamente a 0 Pa gauge) veniva impostata all'uscita per permettere un flusso di uscita completamente sviluppato. Condizioni di gradiente zero (Neumann) sono state applicate a tutte le variabili trasportate (velocità, k e ε) per prevenire effetti di riflusso artificiale e garantire la stabilità numerica al confine del dominio.

Pareti (condizione antiscivolo):
La velocità su tutti i confini solidi fu impostata a zero, applicando la condizione di non scivolamento. Per la modellazione della turbolenza, venivano utilizzate le funzioni standard del muro per rappresentare il comportamento vicino al muro. L'energia cinetica turbolenta (k) fu impostata a zero nella parete, mentre la velocità di dissipazione (ε) fu calcolata utilizzando approssimazioni standard della funzione muro derivate dalla legge del muro. Queste funzioni eliminano la necessità di risolvere il sottostrato viscoso, riducendo così il costo computazionale, assumendo che il flusso rimanga nella regione logaritmica (y⁺ > 30).

Questa configurazione di confine cattura efficacemente le principali caratteristiche del flusso all'interno della valvola di Tesla, inclusa separazione del flusso, zone di ricircolazione e intensificazione della turbolenza lungo i passaggi curvi.

Considerazioni sull'acquisizione e la misurazione dell'immagine termografica
Per valutare le prestazioni termiche del sistema di raffreddamento e del modulo LED di tipo COB, sono state effettuate misurazioni termografiche utilizzando una telecamera infrarossa non raffreddata che operava nell'intervallo spettrale 8-14 μm. L'ispezione termografica mirava a caratterizzare la distribuzione della temperatura superficiale in condizioni di funzionamento stazionario. Particolare attenzione è stata rivolta a minimizzare le incertezze comunemente associate alla termografia a infrarossi.

Uno degli aspetti più critici è stato l'aggiustamento dei valori di emissività superficiale per un recupero accurato della temperatura. Il sistema di raffreddamento era composto da piastre di alluminio lavorate a CNC con finitura lucidata, la cui emissività bassa e dipendente dall'angolo rappresenta una sfida significativa per le misurazioni a infrarossi. Per risolvere questo problema, le superfici in alluminio sono state rivestite con una vernice nera opaca ad alta emissività (ε ≈ 0,95), precedentemente calibrata utilizzando termocoppie a contatto e materiali di riferimento a infrarossi. Questo trattamento garantiva un'emissività uniforme ed eliminava riflessioni speculari che altrimenti avrebbero compromesso l'accuratezza delle misurazioni.

Per il modulo LED COB, il cui materiale incapsulante è tipicamente un silicone rivestito di fosforo con emissività superiore (ε ≈ 0,92), non era necessario un rivestimento aggiuntivo. Tuttavia, si è prestata attenzione a evitare gradienti termici durante l'installazione della fotocamera, permettendo al LED di raggiungere l'equilibrio termico prima di catturare le immagini. Dopo l'alimentazione del LED è stato imposto un periodo di attesa di almeno 60 minuti per garantire condizioni di stazionaria.

Le condizioni ambientali sono state controllate durante gli esperimenti. Le misurazioni sono state effettuate in un laboratorio chiuso con temperatura ambiente stabile (25 ± 1 °C) e correnti d'aria trascurabili.

La temperatura apparente riflessa veniva stimata usando il metodo della carta di alluminio accartocciata e impostata manualmente nella telecamera a infrarossi (IR). L'umidità relativa non è stata presa in considerazione durante le misurazioni. La fotocamera era montata su un treppiede senza vibrazioni con un angolo perpendicolare rispetto alla superficie di interesse, garantendo una geometria di visione coerente. La distanza tra la telecamera e il bersaglio veniva mantenuta costante (circa 0,5 m) e il campo visivo veniva regolato per massimizzare la risoluzione spaziale senza introdurre errori di parallasse. La calibrazione veniva eseguita prima di ogni sessione utilizzando una sorgente di riferimento a corpo nero per validare la risposta radiometrica della telecamera. La Figura 6 illustra la configurazione sperimentale utilizzata durante l'acquisizione termografica. La Tabella 2 riassume i parametri chiave e le procedure implementate per garantire misurazioni accurate e ripetibili della temperatura.

Figura 6: Strumentazione del sistema e rivestimento del campione. (A) Strumentazione di sistema per le misurazioni delle termocoppie. (B) Campione rivestito di vernice nera per misurazioni termografiche. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Parametro	Valore/Descrizione
Telecamera IR	A onde lunghe IR (8–14 μm), non raffreddato
Emissività (superficie in alluminio)	Verniciato a ε = 0,95 (nero opaco)
Emissività (superficie LED COB)	ε = 0,92 (nativo)
Temperatura	25±1 °C
Distanza di visione	~ 0,5 m
Angolo di visuale	Perpendicolare (incidenza normale)
Tempo di equilibrio termico	60 minuti dopo aver acceso il LED
Temperatura apparente riflessa	Stimata usando il metodo della carta stropicciata
Trattamento superficiale	Vernice nera opaca applicata su piastre di alluminio
Taratura	Sorgente di corpo nero prima di ogni misurazione

Tabella 2: Parametri e procedure termografiche utilizzate per la minimizzazione degli errori.

I parametri utilizzati nelle misurazioni termografiche sono elencati nella Tabella 2.

Procedura di termografia a infrarossi e analisi dell'incertezza
La termografia a infrarossi (IR) è stata impiegata per mappare in modo non invasivo il campo di temperatura superficiale di un insieme LED COB da 30 W raffreddato da una piastra fredda a microcanale a valvola Tesla. La fotocamera operava nella banda a onde lunghe (LWIR), montata su un treppiede rigido, normale alla superficie di interesse per minimizzare gli effetti dell'angolo di visione. Tutte le acquisizioni furono effettuate dopo che il sistema raggiunse condizioni stabili. È stata selezionata una distanza di imaging fissa in modo che la dimensione del campo visivo istantaneo (IFOV) fosse almeno 3× inferiore rispetto alla regione di interesse minima (ROI), garantendo un adeguato campionamento spaziale attraverso i ripidi gradienti di temperatura indotti dalle caratteristiche della valvola di Tesla.

Per minimizzare i comuni artefatti termografici, sono state adottate diverse precauzioni durante la procedura sperimentale. Le ottiche venivano accuratamente pulite e la lente veniva messa a fuoco manualmente sulla regione di interesse (ROI) utilizzando il criterio del gradiente massimo, mentre una correzione di non uniformità (NUC) veniva eseguita prima di ogni acquisizione. Per controllare l'emissività, tutte le superfici metalliche nude, come alluminio e rame - che sono intrinsecamente a bassa emissività e riflettenti nell'intervallo a infrarossi a onde lunghe (LWIR) - sono state rivestite con vernice nera opaca ad alta emissività (nominale ε ≈ 0,95) o coperte con nastro calibrato per l'emissività. I ROI termografici sono stati definiti esclusivamente su queste aree trattate. La temperatura riflessa apparente (T₍ref₎) veniva misurata utilizzando il metodo del foglio di alluminio accartocciato e incorporata nel modello radiometrico della fotocamera; superfici lucide o inclinate erano schermate da fonti di radiazione esterne per prevenire falsi punti caldi. Le misurazioni venivano effettuate all'interno di un involucro con tiraggio minimo, con l'operatore posizionato dietro uno schermo e fonti di calore esterne come alimentatori o lampade tenute fuori dal campo visivo per ridurre le riflessioni parassite. L'asse ottico è stato mantenuto vicino all'incidenza normale per limitare gli effetti di emissività direzionale e gli errori di parallasse. La stessa distanza della telecamera e le stesse definizioni di ROI sono state mantenute in tutti i test per garantire la ripetibilità.

Le emissività superficiali sono state assegnate come segue per il recupero della temperatura radiometrica, e solo le regioni trattate (verniciate o con nastro adesivo) sono state utilizzate per la segnalazione quantitativa: dissipatore di calore in alluminio verniciato di nero/valvola Tesla, ε = 0,95 ± 0,02; maschera di saldatura su MCPCB (bianco), ε ≈ 0,90 ± 0,03; e incapsulante in silicone, ε ≈ 0,94 ± 0,03. Tuttavia, le regioni incapsulanti non sono state utilizzate per i ROI quantitativi per evitare effetti di semi-trasparenza nell'intervallo LWIR.

La telecamera era configurata con l'emissività del ROI specifico (tipicamente ε = 0,95) e con la_referenza T misurata e la temperatura dell'aria ambiente _T∞. Ogni termogramma era composto da N ≥ 10 fotogrammi mediati per ridurre il rumore casuale. Per ogni ROI (ad esempio, area di giunzione vicina al substrato COB e punti rappresentativi sulla piastra fredda), sono state registrate la temperatura media e la deviazione standard s_T . La mappa termica risultante è stata utilizzata per calcolare l'aumento della temperatura per le successive analisi di resistenza termica e trasferimento di calore.

Mettiamo la temperatura superficiale del LED riportata a T_IR. L'incertezza standard combinata u_c(TIR) è stata stimata usando la legge di propagazione dell'incertezza, assumendo input non correlati:

= (9)

dove: (i) u_acc tiene conto della precisione radiometrica della fotocamera (specifica del produttore, convertita in k=1), (ii) u_T,ε cattura la sensibilità all'emissività, (iii) u_focus rappresenta la discrepanza defocus/IFOV, (iv) u_NUC copre i residui di non uniformità del rivelatore, (v_{) u} modella l'incertezza nella temperatura apparente riflessa, e (vi) u_rep è la ripetibilità (frame-to-frame e run-to-run).

Per la sensibilità all'emissività, la linearizzazione dell'inversione di Stefan-Boltzmann attorno a (T,ε) produce l'approssimazione ampiamente utilizzata:

(10)

con T in kelvin. L'incertezza ampliata a ~ 95% di fiducia è stata riportata come U(_{T IR)} ≈ 2uc(_{T IR).}

I seguenti valori rappresentativi corrispondono a misurazioni effettuate su regioni verniciate di nero vicino a 65 °C (T ≈ 338 K). La fotocamera ha una specificazione di accuratezza di ±2 °C o ±2% della lettura, trattata come k = 2. L'emissività era impostata su ε = 0,95 ± 0,02, con ottiche ben focalizzate e riflessioni controllate. I contributi individuali all'incertezza sono stati i seguenti: la precisione della telecamera (k = 1) produce_{u a}cc = 1,0 K; il contributo di emissività, stimato dall'Equazione (10), è u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; l'effetto focus o IFOV dà u_focus = 0,3 K; il residuo di correzione della non uniformità u_NUC = 0,2 K; la temperatura apparente riflessa u_ref = 0,4 K; e la ripetibilità tra fotogrammi o esecuzioni u_rep = 0,2 K.

Così

= 

I risultati sull'incertezza sono mostrati nella Tabella 3.

Fonte	Simbolo	Zio di classe superiore. (k=1)	Note
Accuratezza radiometrica della telecamera	u_acc	1.0 K	Specifica ±2K trattata come k=2
Emissività (dipinto, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Equ. (10), T = 338 K
Disallineamento focus/IFOV	u_focus	0,3 K	Dimensione dello spot ≈ ROI
Non uniformità del rivelatore	u_NUC	0,2 K	Residui post-NUC
Temperatura apparente riflessa	u_ref	0,4 K	Metodo del foglio per T_ref
Ripetibilità	u_rep	0,2 K	Media frame/run
Combinato (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	Eq. (9)
Espanso (k=2)	U(T_IR)	4,30 K	≈ 2u_c

Tabella 3: Bilancio di incertezza per la temperatura IR sul ROI dipinto di nero (illustrativo).

Il comportamento termico complessivo dell'insieme LED COB raffreddato da una piastra microcanale a valvola Tesla può essere quantificato attraverso il concetto di resistenza termica. Analogamente alla legge di Ohm nei circuiti elettrici, la resistenza termica R_θ collega l'aumento di temperatura del LED alla potenza di ingresso dissipata come calore:

(11)

dove T_LED è la temperatura superficiale del pacchetto LED, T_∞ è la temperatura dell'aria ambiente e P è l'energia elettrica fornita al LED (assumendo che quasi tutta venga convertita in calore). Un basso valore di R_θ indica una rimozione efficiente del calore, fondamentale per mantenere l'efficacia luminosa e garantire l'affidabilità a lungo termine dei LED ad alta potenza.

Il calore generato alla giunzione LED segue un percorso conduzione-convezione. Inizialmente, il calore scorre per conduzione attraverso il substrato LED, l'interfaccia di saldatura e il materiale della valvola Tesla. Una volta trasferito ai microcanali, il calore viene rimosso tramite convezione verso il liquido refrigerante che scorre all'interno. Ogni interfaccia contribuisce al R_θ complessivo:

(12)

con la resistenza convettiva R_{θ, convettiva}, tipicamente dominante nei sistemi LED compatti ad alto flusso. Il diagramma della resistenza è mostrato nella Figura 7.

Figura 7: Rete di resistenza termica del LED COB accoppiato al microcanale della valvola Tesla. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il calore scorre dalla giunzione LED attraverso i percorsi di conduzione e nel refrigerante tramite convezione, con ogni stadio rappresentato come una resistenza termica (_{R js},_{R cond},_{R conv).}

I microcanali della valvola di Tesla agiscono come promotori passivi di turbolenza, aumentando il coefficiente locale di trasferimento di calore convettivo h senza la necessità di parti mobili. A differenza dei microcanali dritti, il design Tesla introduce zone di curvatura e ricircolazione che intensificano la miscelazione, migliorando così il raffreddamento convettivo. La resistenza convettiva efficace può essere espressa come:

(13)

dove A è l'area effettiva di trasferimento di calore. Valori di h più alti ottenuti tramite l'effetto valvola di Tesla riducono direttamente R_θ, portando a temperature di funzionamento LED più basse. Tuttavia, questo miglioramento avviene a scapito di una calipoca di pressione aggiuntiva, che deve essere bilanciata con i requisiti di potenza di pompaggio.

Per il LED COB da 30 W testato, le misurazioni tipiche hanno prodotto un aumento della temperatura superficiale di ΔT ≈ 40 K sopra l'ambiente, con una potenza dissipata effettiva di P ≈ 29,9 W. Sostituendo in Eq. (11), la resistenza termica complessiva era:

Questo valore è notevolmente inferiore rispetto a quello dei tradizionali pozzi passivi di impronta simile, evidenziando l'effetto vantaggioso della piastra a microcanali Tesla-valve. Inoltre, la distribuzione spaziale della temperatura ottenuta tramite termografia a infrarossi ha confermato che le regioni direttamente accoppiate ai canali di Tesla presentavano campi di temperatura più uniformi, evidenziando un miglioramento delle prestazioni convettive.

Implicazioni
Una resistenza termica ridotta si traduce in una temperatura di giunzione LED più bassa, mitigando direttamente la deprezzazione dei lumen e lo spostamento del colore, entrambi dipendenti dalla temperatura.

L'approccio a microcanali valvole Tesla offre quindi un potenziamento passivo pratico per i sistemi di raffreddamento LED compatti, unendo la fabbricazione alle prestazioni termico-idrauliche. Tuttavia, l'aumento della resistenza idraulica introdotto dalla geometria Tesla deve essere considerato nella selezione della pompa e nelle analisi dell'efficienza energetica a livello di sistema.

Risultati

Produzione dei prototipi

Il prototipo fu realizzato utilizzando fresatura CNC per creare sia i canali Tesla sia le camere. I canali Tesla lavorati sono mostrati nella Figura 8A, mentre le camere fabbricate sono presentate nella Figura 8A. Successivamente fu eseguito un processo di perforazione per formare le porte di ingresso e uscita delle camere.

Discussione

A differenza dei dissipatori di calore^{convenzionali} 9,10,11,12,13,14, il sistema integra un meccanismo di convezione forzata all'interno di una configurazione compatta che migliora significativamente la dissipazione del calore. È importante sottolineare che l'integrazione delle prese di ingre...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
FreeCad Software	Comunità FreeCAD	https://forum.freecad.org/	Software open source utilizzato per creare geometrie e assemblaggi (RRID:SCR_066611).
Fresatura CNC generica 3018 Pro Max	Generico (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Frenatura CNC da scrivania utilizzata per produrre la valvola Tesla.
Telecamera a infrarossi	Unit-T	Serie UTi260B / UTi720	Telecamera a infrarossi utilizzata per catturare la distribuzione della temperatura nel dispositivo.
Software per ottava	Progetto GNU	https://octave.org/	Software open source utilizzato per l'elaborazione dati e la generazione di grafici (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (Gruppo ESI)	Software CFD open-source utilizzato per risolvere il modello numerico (RRID:SCR_014876).
Paraview Software	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Software open source utilizzato per la post-elaborazione della soluzione numerica (RRID:SCR_002516).
Termocoppie	Unit-T	Serie UT325/UT320	Termocoppie usate per catturare il comportamento termico.