乱流誘起対流に対する受動テスラバルブを用いたLED冷却システムの熱増強

サマリー

本研究は、赤外線サーモグラフィーを用いて高出力チップオンボード(COB)LEDの熱挙動を評価する実験プロトコルを提示します。コンパクトな強制対流冷却装置が可変電力と気流の下で試験され、スマート照明や組み込み電子機器などのコンパクトな用途において効率的な熱放散と安全な接合温度を示しました。

要約

本研究は、赤外線サーモグラフィーを用いて高出力チップオンボード(COB)発光ダイオード(LED)の熱挙動を評価する実験的手法を提示し、新しいコンパクトな強制対流冷却装置と統合しています。異なる電力入力や流量下での熱性能が評価され、LED接合温度を臨界閾値以下に維持できるシステムの能力が明らかになりました。熱画像解析により、自然対流および強制対流の両方の条件下でLED表面の空間分解温度解析が可能となりました。提案された冷却装置は、スペースを最小限に抑えつつ熱放散効率を最大化する放射状の吸気口/出口構造を特徴とし、コンパクトな統合を目的に設計されました。生成されたシミュレーション結果は実験データと照合され検証され、提案された冷却手法の信頼性が保証されました。本研究は、固体照明用途における熱管理特性評価の実現可能かつ再現可能な手法を示し、LED照明機器、スマート照明システム、組み込み電子モジュールなどの密閉環境での統合のためのスケーラブルなソリューションを提供します。

概要

高出力照明ソリューションの需要増加により、チップオンボード(COB)発光ダイオード(LED)は現代照明技術の最前線に押し上げられています。COB LEDは、複数のLEDチップを熱伝導性のある基板に直接取り付けることが特徴で、優れた発光効率とコンパクトさを提供します。しかし、高い出力密度とコンパクトな形状は熱管理に大きな課題をもたらします。効率的な熱放散は、これらのデバイスの性能、信頼性、長寿命を維持するために極めて重要です。¹.

COB LEDでは、電気エネルギーの大部分が光ではなく熱に変換されるため、性能劣化を防ぎ、デバイスの寿命を確保するために効果的な熱管理戦略が必要です^。従来のパッシブ冷却方法、例えばヒートシンクやサーマルインターフェース材料は、高出力COB LEDが生み出す強烈な熱を放散するのにしばしば不十分^です。そのため、照明システムのコンパクトさと効率を損なうことなく熱負荷を効率的に管理できる革新的な冷却ソリューションの必要性が切実に求められています。

LED照明照明器具の品質は、色表現指数(CRI)⁴、光束、温度、色、寿命など様々なパラメータで構成されています。前述のパラメータは熱に敏感です。一部の研究では、発光フラックスの光度が0.108 lm/°C5減少すると^{報告されています。}Abdelmlekら6は、LEDの温度接合に関わる温度の関数としてCOB LEDの寿命を推定する相^{関関係を示しています}。マイクロエレクトロニクスの最近の進歩により、デバイスの動作周波数が継続的に増加し、電子部品の小型化が進んでいます。これらの傾向は、従来の熱管理戦略に挑戦する、著しく高い電力密度と熱フラックスを引き起こしています^7,8。このような熱負荷は適切に管理されなければ、デバイスの信頼性や性能を著しく低下させる可能性があります。

COB LEDの熱放散を改善するために、一部の研究者は特定の形状と構成を持つヒートシンクを設計し、自由対流9,10,11,12,13,14を通じてLEDから周囲への熱伝達を改善しています。この種のヒートシンクは、運用中のエネルギー消費を減らす効果的な選択肢ですが、熱量は表面面積によって制限されるため、熱量が増えるとサイズが大きくなり、熱フラックスが高い場合にはより大きな装置になります。高出力チップオンボード(COB)LEDは、コンパクトな基板上に複数のダイを組み合わせることで高い発光効率を実現しますが、同時にデバイスの信頼性を脅かす高い熱流密度を生み出します。したがって、接合部温度を臨界限以下に保つためには効果的な熱管理が不可欠です。伝統的には、フィン付きヒートシンクや自然対流などの受動的な方法が用いられてきましたが、しかし、表面積の限りと浮力駆動流下で達成可能な比較的低い対流係数により性能が制限されます。これらの制約を克服するために、強制空気ヒートシンク、ヒートパイプ、スプレー冷却、液冷マイクロチャネルなどの能動的ソリューションが広く研究されており、低熱抵抗とより均一な温度分布を提供します。この進展を基に、私たちの研究は代替戦略を探ります。それは、テスラバルブ強化マイクロチャネルをコンパクトなコールドプレートとして統合することです。この設計はテスラジオメトリの受動的二オディシティと流れ混合特性を活用し、局所対流を強化しつつ、可動部品や複雑なマニホールドの必要性を回避し、従来のマイクロチャネルとより複雑な能動冷却システムのギャップを埋めます。

これらの用途で高い熱流束を管理するためには、液体冷却システムが熱伝達係数を高め、受動冷却システムよりも多くの縮小空間での熱伝達を改善するため、優れた選択肢です。液体冷却液の使用を報告する研究もあり、例えば異なるチャネル配置の冷蔵板(^{15、16、17、18})があります。

有望なアプローチの一つに、冷却媒体との接触面積を増やすことで熱伝達を促進するマイクロチャネルヒートシンクの統合があります。さまざまなマイクロチャネル設計の中で、テスラバルブは受動的で動かす部品のない装置であり、流体の流れを方向性的に制御し、熱伝達を最適化し逆流を最小限に抑える能力で注目を集めています。テスラバルブの独特な形状は一方向の流れを促進し、効率的な冷却材循環を促進し、全体の熱放散を向上させることで熱管理用途に有利です。熱伝達係数を高めるために、研究者たちは流体の経路を乱す形状を組み込みました。テスラバルブは、流体が一方向に流れるようにする幾何学的なチャネル配置です。これはダイオディックバルブ(単方向バルブ)として動作します。逆方向に流れが導入されると、系内の圧力と乱流が著しく増加します。一部の作品では、熱伝達係数の増加の結果として乱流を増加させるためにテスラバルブが使用されています。一部の研究者は、^{冷却システムとして}テスラバルブの流体フローパターンを決定するためにパラメトリックモデルを用い^{ています。}冷却システムでテスラバルブを最も一般的に使用するのは、冷流板^21、22、23を通じてです。例えば、研究ではテスラバルブ構造をマイクロチャネルヒートシンクに組み込むことで、乱流を促進し対流熱伝達係数²⁴を増加させることで熱性能を向上させることが示されています。これらの発見は、テスラのバルブベースのマイクロチャネルヒートシンクが高出力COB LEDに伴う熱的課題を管理するための実用的な解決策となり得ることを示唆しています。

いくつかの研究では、液体冷却技術を用いた高出力COB LEDの熱管理が取り上げられています。例えば、ジェットインピンジメントやスプレー冷却のアプローチでは、104〜105 W·^m-2·^K-1は、比較的低い揚^水出力で接合部温度を臨界120°C未満に効果的に維持^{しています。}同様に、COBアレイ下部に製造されたマイクロチャネル冷却板は、水が中程度の速度で循環した際に0.019°C/Wという熱抵抗を達成しており、チャネル小型化が冷却効率を向上させる大きな可能性を示しています^27,28。その他の戦略には、フェロフルイド強化ヒートシンク²⁹やCOBパッケージ³⁰を中心に設計されたコンパクトヒートパイプモジュールがあり、これらは従来の固体金属シンクに比べて熱拡散の改善と熱抵抗の低減を示しています。

これらのアプローチと比較して、提案されたテスラバルブベースの冷却板は、可動部品や複雑なマニホールドを必要とせずに混合と乱流発生を促進する新しい受動機構を導入しています。テスラバルブは、そのダイオディシティや流量^{制御能力について}電子機器やエネルギーシステムで研究されていますが、COB LED冷却への応用については文献で広く報告されていません。したがって、この研究はLED熱管理の特定の要件に合わせてテスラバルブフローネットワークを適応させることで独自の貢献を提供します。私たちの結果は、強制対流下でテスラバルブプレートが既存の液冷戦略と比較して競争力のある表面温度低下を実現し、さらに簡素化された形状と詰まりや機械的故障に対する堅牢性という利点があることを示しています。

本研究では、30W COBLEDの熱管理にテスラバルブ構造を組み込んだCNC加工アルミニウムマイクロチャネルヒートシンクの有効性を調査します。この設計は、テスラバルブの方向性流量制御を活用し、冷却液の循環と熱の放散を促進することを目的としています。実験的評価を行うことで、提案された冷却システムの熱性能を評価し、温度分布、熱抵抗、全体的な冷却効率などのパラメータを分析します。この研究成果は、高出力LEDアプリケーション向けの先進的なパッシブ冷却ソリューションの開発に役立ち、コンパクトな電子機器における熱管理戦略の最適化に寄与する可能性があります。このプロジェクトの課題は、既存のヒートシンクの上にテスラバルブを搭載することでした。この仕組みでは消費電力が大きくなり、高出力のデバイスをコンパクトな冷却システムで使用可能にします。

図1 は本研究で用いられた方法論の概略的表現を示しています。このプロセスは、CADソフトウェアを用いてLED冷却装置の形状作成から始まります。ジオメトリはCFDソルバー(OpenFOAM/ANSYS Fluent)にインポートされ、メッシュ生成と境界条件を適用して熱流体シミュレーションを行います。並行して、熱電対と赤外線カメラを用いた温度測定装置も実装されます。最後に、シミュレーション結果を実験データと照合して検証し、提案された冷却手法の信頼性を確保します。

図1:実験ワークフローの概説: (1)ジオメトリ作成、(2)CFDシミュレーション、(3)試作機の製造、(4)熱測定、(5)検証。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

プロトコル

冷却装置の形状
このプロジェクトの目的は、テスラバルブの実装により50W COB LEDを許容温度以下で維持することです。熱源として使われるCOBは 図2Aに示されており、 図2B は50個のダイチップがオンになっていることを示しており、各ダイは1Wの電力を持つことを示しています。

図2:LED COBとダイチップの数。 (A) 実験で使用されたLED COB (B) 使用されたダイチップ数の実証。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

文献では、一部のテスラバルブにはテスラバルブを含むデバイスの上に熱源が取り付けられていると報告されており、本論文ではLEDは冷却液と直接接触するテスラバルブチャネルの上に置かれ、LEDから流体への熱伝達を促進し熱抵抗を最小限に抑えるために装置の一部とされています。 図3A は装置の形状を示しています。透明な上部にはLEDが設置されている場所が示されています。一方、 図3B は冷却装置の提案アセンブリを示しています。

図3:冷却装置の形状と提案された組み立て。 (A) テスラバルブチャネルを示す冷却装置。(B) 冷却装置の組み立て提案。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

LEDを流体に直接接触させることを目的に、流体の入口と出口は上記の表面上に設計されており、 図4Aに示されています。流体はポンプからテスラチャネルへインレット端子を通じて伝導されます。その後、流体は入口チャンバーを満たし、 図4Bに示された入口チャネルのあるチャネルへ流体が送られます。 図4Bの表面図は、接続のない装置の流体チャンバー(上部カバーを含む)を示しています。

図4:装置の等角投影後方ビュー。 (A) 上方の表面冷却装置の等角投影図。(B)装置の流体チャンバー。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

素材と付属品
実験で使用された材料と付属品は 表1に示されています。CNC機械でテスラのチャンネルを研削するためにアルミニウム製の平棒が使われました。アルミニウムは熱伝導率とコストのバランスを考慮して選ばれました。さらに、アルミニウムの加工は鋼や硬い材料など他の部品よりも簡単かつ迅速です。 図4A に示された上部カバーもアルミニウム製で設計されています。入口端子と出口端子は真鍮製で、上部カバーのねじ穴で接続されています。COBの金属芯は熱伝達を改善するためにアルミニウム合金で作られました。

アイテム	材料	熱伝導率 w/m2κ
フラットバー	アルミニウム	160
メタルコア	アルミニウム	160
上部カバー	アルミニウム	160
空気圧継手	黄銅	110

表1:試作機で使用されたアクセサリーおよび材料。

水は高い比熱容と広範な利用可能性から作動流体として使用されました。さらに、炎の発生リスクが低く、毒性が無効化されているためです。チャネル内の流れはポンプによって駆動され、電圧の関数としての流量を決定するために特性評価されました。

境界条件
ポンプの流量は、システムへの流入境界条件を決定するために特徴付けられました。入口境界条件は、流量と入口の横断面で計算された入口速度によって定義されます。ポンプの流量挙動は 図5に示されています。

図5:ポンプおよび入口流速の流量。この図の拡大版はこちらをクリックしてください。

図5 は、印加電圧と2つの主要な流体パラメータ、すなわち平均体積流量 と平均流体速度 との関係を示しています。各データポイントは、電圧レベルごとに独立した5つの測定値から算出された平均値を表し、統計的に堅牢な解釈を保証します。

体積流量の傾向
電圧が上昇するにつれて平均流量に明確な増加傾向が見られます。最低電圧レベル(4 V)では平均流量は約1.63 × ^10-5 m³/sであり、12 Vでは^10-5 m³/s×ほぼ3.49に上昇し、これは110%の増加を示しています。この挙動は、流れを駆動する電気機械式アクチュエータに対する電圧の影響に起因します。

電圧が上がるとアクチュエータの速度が上がり、それに伴い単位時間あたりの変位体積が増加します。

平均速度の挙動
流体速度も同様の増加傾向をたどり、これは流量と速度の基本的な関係と一致しています。

Q = A • v (1)

ここでAは導管の断面積、vは平均速度です。面積が一定であるため、Qの変化はvの比例変化に直接変換されます。この実験では、平均速度は約6.5 ×^10-3 m·^s-1 (4 V時)から1.41 ^×10-2 m·^s-1 (12 V時)に増加しました

曲線間の比較
流量曲線と速度曲線の両方は、電圧とほぼ線形の関係を示します。微細な非線形性が存在することがあり、これは電源の過渡的不安定性、センサー応答時間のわずかな変動、高流量時の内部摩擦や水頭損失などの要因に起因します。これらの効果は本研究の範囲内では有意ではありませんが、将来の研究で非線形回帰や動的システムモデリングを用いてさらに探求できる可能性があります。

実用的な影響
工学的観点から見ると、このグラフはアクセス可能な制御パラメータ(電圧)と臨界流量変数との有用な相関関係を提供します。これは特にマイクロ流体工学、精密投与、強制対流冷却システム、またはテスラバルブのような受動素子に基づく流れ構造の応用に重要です。流量の単調かつ予測可能な挙動は、精密なシステム校正を可能にし、実験的または自動化されたセットアップでも運用安定性と再現性を確保します。

テスラバルブにおける流体力学の数学モデル
冷却装置の内部流体力学は物理的観点から明確に理解されていません。そのため、計算流体力学(CFD)シミュレーションを実施し、流れ挙動の解析、熱伝達係数を高める乱流の可視化、そしてテスラバルブチャネルで最適化可能な停滞流体ゾーンの特定を行いました。

テスラバルブ内の流体の流れ挙動をシミュレートするために、標準的なK-イプシロン乱流モデルと組み合わせてレイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式を用います。このアプローチは、テスラバルブで典型的に観察されるような、再循環や異方性渦を伴う内部流通路内の乱流効果を捉える際の計算コストと精度のバランスを提供します。

支配方程式
使用される流体は水であり、非圧縮性かつニュートン流体とされ、流れは定常状態と仮定されます。支配方程式は以下の通りです:

  (2)

ここで  は時間平均速度ベクトルです。

     (3)

どこ：

ρ [kg/m³] は流体密度です。
p [Pa] は圧力です。
μ [Pa • s] は動的粘度です。
μ_t [Pa • s] は乱流渦粘度であり、次のように定義されます:

     (4)

乱流運動エネルギーkとその散逸率εは、以下の輸送方程式によって制御されます。

乱流運動エネルギー(k):

     (5)

乱流散逸率(ε):

   (6)

ここは：

k [m²/s²] は乱流運動エネルギーです。
ε [m²/s³] は乱流の散逸率です。
P_k [kg/(m • s³)] は乱流運動エネルギーの生成であり、次のように定義されます:

   (7)

σ_k と_{σ ε} はそれぞれ k と ε の乱流プランドル数である。

C_μ、C_1ε 、C_2ε は経験的定数です。

標準k-εモデルで用いられる定数は以下の通りです:
C_μ = 0.09(せん断層および自由流乱流を考慮して校正)
σ_k = 1.00(kの現実的な拡散を保証)
σ_ε = 1.30(εの拡散を制御)
C_1ε = 1.44(εの生産と破壊のバランス)
C_2ε = 1.92。(適切なエネルギー散逸率を確保する)

これらの値は乱流境界層流の実験的検証から導き出され、信頼性の高い精度で工学的応用で広く用いられています(32,33,34,35)。

テスラバルブは、境界層の分離、再循環ゾーン、方向性抵抗を特徴とする内部流れ条件を示します。これらの現象は本質的に乱流であり、直接数値シミュレーション(DNS)や大渦シミュレーション(LES)アプローチは、実用設計において計算面で困難です。

k-εモデルは、内部の高レイノルズ数流における平均流場および乱流量の信頼できる予測を提供するため、本研究に適用されます。テスラバルブの回転チャネルや停滞ゾーンによって誘起される異方性乱流効果を効果的に捉え、複雑な流れ挙動を正確に表現します。さらに、このモデルは堅牢であり、ジェットインピンジメント、流れ分離、複雑な壁に囲まれた流れに関する工学的応用で広く検証されています。

本研究では、境界条件として完全に発達した乱流入口速度プロファイル、滑り防止壁、圧力出口が含まれます。シミュレーション領域は多段テスラバルブ形状に対応し、ハイブリッド構造化・非構造化グリッドと境界層の精緻化を用いて適切な壁関数を用いて近壁効果を解決します。

境界条件と議論
テスラバルブ形状内で現実的な流れシミュレーションを確保するため、速度、圧力、乱流運動エネルギー(k)、乱流散逸率(ε)といった関連変数に対して適切な境界条件が定義されました。以下の条件が課されました。

インレット(速度インレット):

入口では、完全に発達した非圧縮性かつ乱流を想定し、均一な速度プロファイルが規定されました。乱流量kとεは乱流強度Iと水理直径Dhに基づいて初期化され、対応する経験的関係式を用いました。

(8)

このアプローチは経験的乱流生成モデルとの整合性を確保し、標準的なk-ε定式化との互換性を保ちます。

出口(圧力出口):
出口には固定静圧(通常0 Paゲージ)が設定され、完全に発現された流出が可能となりました。人工的な逆流効果を防ぎ、ドメイン境界での数値的安定性を確保するため、すべての輸送変数(速度、 k、 ε)にゼロ勾配(ノイマン)条件が適用されました。

壁(滑りなしの状態):
すべての固体境界での速度はゼロに設定され、滑りなし条件を適用しました。乱流モデリングには、標準的な壁関数を用いて近い壁の挙動を表現しました。乱流運動エネルギー(k)は壁面でゼロに設定され、散逸率(ε)は壁の法則から導かれた標準的な壁関数近似を用いて計算されました。これらの関数により、粘性部分層の分解が不要となり、流れが対数領域(y⁺ > 30)内にとどまると仮定した場合、計算コストを削減します。

この境界構成は、テスラバルブ内の主要な流れ特徴、すなわち流れの分離、再循環ゾーン、曲線通路に沿った乱流の強化を効果的に捉えています。

熱画像取得および測定の考慮事項
冷却システムおよびCOB型LEDモジュールの熱性能を評価するため、8〜14μmスペクトル範囲で動作する非冷却赤外線カメラを用いて熱測定が行われました。この熱写真検査は、定常状態運転条件下での表面温度分布を特徴付けることを目的としていました。特に赤外線サーモグラフィーに伴う不確実性の最小化に配慮しました。

最も重要な点の一つは、正確な温度回収のために表面放射率値を調整することでした。冷却システムはCNC加工されたアルミニウム板で構成され、研磨仕上げが施され、その低い発光率と角度依存の発光率は赤外線測定において大きな課題となっています。これに対処するため、アルミニウム表面には高放射率のマットブラック塗料(ε ≈ 0.95)が塗られ、接触熱電対と赤外線基準材料を用いて事前に校正されました。この処理により均一な放射率が保証され、測定精度を損なう鏡面反射を排除しました。

LEDのCOBモジュールは、通常蛍光体被覆シリコーンで、発光率ε ≈0.92と高いため、追加のコーティングは必要ありませんでした。しかし、カメラ設定時にはLEDが熱平衡に達するまで熱勾配を避けるよう注意が払われました。LEDに電源を供給した後、定常状態が確立されるため、少なくとも60分の待機期間が設けられました。

実験中は環境条件が管理されました。測定は、安定した周囲温度(25 ± 1 °C)と気流がほとんどない閉鎖実験室で行われました。

反射見かけ温度は、スクランクルドアルミホイル法で推定され、赤外線(IR)カメラで手動で設定されました。測定時には相対湿度は考慮されませんでした。カメラは振動のない三脚に、対象の表面に対して垂直な角度で取り付けられ、一貫した視聴幾何学を保証していました。カメラとターゲット間の距離は約0.5mに保たれ、視差誤差を生じさずに空間分解能を最大化するために視野も調整されました。各セッション前に、カメラの放射応答を検証するために黒体参照源を用いてキャリブレーションが行われました。 図6 は熱撮影取得時に用いられた実験装置を示しています。 表2は 、正確かつ再現可能な温度測定を確保するために実施された主要なパラメータと手順をまとめたものです。

図6:システム計測機器および試料コーティング。(A) 熱電対測定のためのシステム計測機器。(B)熱写真測定用の黒い塗料でコーティングされた標本。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

パラメーター	価値/説明
赤外線カメラ	長波赤外線(8–14μm)、冷却なし
放射率(アルミニウム表面)	塗装時はε=0.95(マットブラック)
放射率(COB LED表面)	ε = 0.92(ネイティブ)
周囲温度	25±1°C
視聴距離	~ 0.5 m
視野角	垂直(正規入射)
熱平衡時間	LED電源を入れてから60分後
反射見かけ温度	クランプル・フォイル法による推定
表面処理	アルミニウムプレートにマットブラックの塗料を塗る
キャリブレーション	各測定前の黒体源

表2:誤差最小化に用いられるサーモグラフィーパラメータと手順。

熱測定で用いられるパラメータは 表2に記載されています。

赤外線サーモグラフィー手法と不確実性解析
赤外線(IR)サーモグラフィーを用いて、テスラバルブのマイクロチャネル冷却板で冷却された30W COB LEDアセンブリの表面温度場を非侵襲的にマッピングしました。カメラは長波帯(LWIR)で動作し、剛性三脚に搭載され、対象の表面に対して垂直に配置され、視角の影響を最小限に抑えていました。すべての取得はシステムが安定した状態に達した後に実施されました。固定イメージング距離が選ばれ、瞬時視野角(IFOV)スポットサイズが最小関心領域(ROI)より少なくとも3×小さいようにし、テスラバルブ特徴によって誘導される急激な温度勾配を通じた十分な空間サンプリングが確保されました。

一般的なサーモグラフィーアーティファクトを最小限に抑えるため、実験手順全体でいくつかの予防策が実施されました。光学部品は慎重に清掃され、レンズは最大勾配基準を用いて関心領域(ROI)に手動でフォーカスされ、各取得前に非均一性補正(NUC)が実行されました。放射率を制御するために、アルミニウムや銅など、長波赤外線(LWIR)範囲で反射率が低く、マットブラックの高放射率塗料(名目ε ≈0.95)でコーティングされるか、校正済みの放射率テープで覆われました。熱放射性ROIはこれらの処理部位のみで定義されました。見かけの反射温度(T₍ref₎)は、スクランブルアルミホイル法で測定され、カメラの放射モデルに組み込まれました。光沢のあるまたは角度のある表面は外部からの放射線源から遮蔽され、偽のホットスポットを防ぎました。測定はドラフト最小化された筐体内で行われ、オペレーターはスクリーンの後ろに位置し、電源やランプなどの外部熱源は視野外に置いて寄生反射を抑えました。光軸は方向放射率の影響や視差誤差を抑えるため、ほぼ正規入射線に保たれていました。再現性を確保するため、すべてのテストで同じカメラ距離とROI定義が維持されました。

放射温度回収には表面放射率が割り当てられ、定量報告には処理(塗装またはテープ)領域のみが使用されました:黒塗りのアルミニウムヒートシンク/テスラバルブ、ε = 0.95 ± 0.02;MCPCBのはんだマスク(白色)、ε ≈0.90±0.03;シリコーンカプセル剤ε ≈0.94±0.03です。しかし、LWIR範囲での半透明効果を避けるため、定量的ROIには封じ込め領域は使用されませんでした。

カメラは比ROIの放射率(通常ε = 0.95)と測定されたT_座標および周囲大気温度T_∞で構成されていました。各サーモグラムはNフレームから≥10フレームで構成され、ランダムノイズを抑えるために平均化されました。各ROI(例:COB基板上の接合部近傍領域や冷流板上の代表点)に対して、平均温度 と標準偏差 s_T が記録されました。得られた熱マップは、その後の熱抵抗解析および熱伝達解析のための温度上昇 の計算に用いられました。

報告されたLED表面温度を_T-IRとします。標準不確実性u_c(TIR)の結合は、不確実性伝播の法則を用いて推定され、相関のない入力を仮定しました:

= (9)

ここで:(i) U_ACCはカメラの放射精度(メーカー仕様、k=1に換算)を算出し、(ii) U_T,εは放射率の感度を捉え、(iii) U_{フォーカス} はデフォーカス/IFOVのミスマッチ、(iv) u_NUC は検出器の非均一性残差をカバー、(v) U_refは反射見かけ温度の不確実性をモデル化、(vi) U_Repは再現性(フレーム間およびラン・トゥ・ラン)を表します。

放射率感度については、(T,ε)を中心としたステファン・ボルツマン反演の線形化により、広く使われている近似が得られます。

(10)

ケルビンでTを使った。拡張された不確実性は~95%信頼でU(T_IR)≈2uc(T_IR)として報告されました。

以下の代表的な値は、65°C付近(T≈338K)付近の黒塗り地域で測定されたものです。カメラの精度仕様は、k=2として扱われ、読み取り値の±2°C、すなわち±2%です。発光率はε = 0.95±0.02に設定され、よく焦点を合わせた光学機器と制御された反射が特徴でした。個々の不確実性寄与は以下の通りです:カメラの精度(k = 1)は u_acc = 1.0 K;式(10)から推定される放射率寄与はu₍T,ε₎≈(338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 Kである。フォーカスまたはIFOV効果はu_focus = 0.3 Kとなります。非一様性補正残差u_NUC = 0.2 K;反射見かけ温度u_ref=0.4 K;フレームやラン間の繰り返し性u_rep = 0.2 K。

こうして

= 

不確実性の結果は 表3に示されています。

源	記号	標準。叔父さん。(k=1)	筆記
カメラ放射測定精度	u_acc	1.0 K	スペック ±2K は k=2 として扱う
放射率(塗装時、ε = 0.95 ± 0.02)	u_{T,ε}	1.78 K	式(10)、T = 338 K
フォーカス/IFOVのミスマッチ	u_focus	0.3 K	スポットサイズ≈ROI
検出器の非均一性	u_NUC	0.2 K	NUC後の残余
反射見かけ温度	u_ref	0.4 K	T_refのホイル法
再現	u_rep	0.2 K	フレーム/ラン平均
合計(k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	式(9)
展開(k=2)	U(T_IR)	4.30K	≈ 2u_c

表3:黒塗りROIに対するIR温度の不確実性予算(図示)。

テスラバルブマイクロチャネルプレートで冷却されたCOB LEDアセンブリの全体的な熱挙動は、熱抵抗の概念を通じて定量化できます。電気回路のオームの法則に類似して、熱抵抗R_θ はLEDの温度上昇と熱として消費される入力電力の関係を示します。

(11)

ここでT_は LEDパッケージの表面温度、T_∞ は周囲の空気温度、PはLEDに供給される電力(ほぼ全てが熱に変換されていると仮定)です。R_θ の値が低いと効率的な熱除去を示し、これは発光効率を維持し、高出力LEDの長期的な信頼性を確保するために重要です。

LED接合部で発生する熱は伝導-対流経路をたどります。最初は、熱がLED基板、はんだインターフェース、テスラバルブ材料を伝導して流れます。熱がマイクロチャネルに伝達されると、対流によって内部の冷却材へと取り除かれます。各界面は全体のR_θに寄与します:

(12)

対流抵抗Rθ_は対流性であり、通常はコンパクトで高磁束のLEDシステムで支配的です。抵抗図は 図7に示されています。

図7:テスラバルブマイクロチャネルに結合したCOB LEDの熱抵抗ネットワーク。この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

熱はLED接合部から伝導経路を経て対流で冷却材に流れ込み、各段は熱抵抗(R_js, R_cond, R_conv)で表されます。

テスラバルブのマイクロチャネルは受動的乱流促進装置として機能し、可動部品を必要とせずに局所的な対流熱伝達係数hを増加させます。直線マイクロチャネルとは異なり、テスラ設計は曲率ゾーンと再循環ゾーンを導入し、混合を強めることで対流冷却を促進します。有効対流抵抗は次のように表せます:

(13)

ここでAは有効熱伝達面積です。テスラバルブ効果によって得られる高いh値は_Rθを直接的に下げ、LEDの動作温度を下げます。しかし、この改良は追加の圧力損失を伴い、ポンプの電力要求と調整する必要があります。

テストされた30W COB LEDでは、典型的な測定では表面温度が周囲温度より40 K上昇し、実効消費電力はP/29.9W≈≈、次のようになりました。式(11)に代入すると、全体の熱抵抗は次の通りです。

この値は、同様のフットプリントを持つ従来のパッシブシンクよりも著しく低く、テスラバルブマイクロチャネルプレートの有益な効果を示しています。さらに、赤外線サーモグラフィーによって得られた空間温度分布は、テスラチャネルに直接結合された領域がより均一な温度場を示し、対流性能の向上を証明しました。

影響
熱抵抗の低下はLED接合温度の低下につながり、温度依存のルーメン減衰や色変速を直接緩和します。

したがって、テスラバルブマイクロチャネル方式は、製造可能性と熱油圧性能を融合させ、コンパクトなLED冷却システムに実用的なパッシブ向上を提供します。それでも、テスラ形状によって導入された水圧抵抗の増加は、ポンプの選択やシステムレベルのエネルギー効率解析において考慮する必要があります。

結果

試作機製造

試作機はCNCフライス加工で製造され、テスラのチャネルとチャンバーの両方が作られました。加工されたテスラチャネルは 図8Aに示されており、製造されたチャンバーは 図8Aに示されています。その後、チャンバーの入口と出口ポートを形成するための掘削工程が行われました。

図8:製造されたテスラバルブ。 (A) 上図。(B)下部の視点。

ディスカッション

従来の^{9、10、11、12、13、14}型のヒートシンクとは異なり、このシステムは強制対流機構をコンパクトな構成に統合し、熱放散を大幅に向上させます。重要なのは、吸出口と排気口を放射状に統合することで、システムを最小限のスペースで占有できるため、狭い設置に理想的です。

この種の熱最適化型コンパクトデバイスがLED照明システムに適用されたのはこれが初めてです。その応用は、小型照明器具における先進的な冷却戦略の導入への道を開き、熱保護と設計の柔軟性の両方を可能にします。

実験...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
FreeCADソフトウェア	FreeCADコミュニティ	https://forum.freecad.org/	ジオメトリやアセンブリの作成に用いられるオープンソースソフトウェア(RRID:SCR_066611)。
汎用CNCミリング3018 Pro Max	ジェネリック(Sainsmart/Mostreprap)	3018 プロマックス	テスラバルブの製造に使われたデスクトップCNCフライス盤。
赤外線カメラ	ユニット-T	UTi260B / UTi720シリーズ	赤外線カメラは装置内の温度分布を捉えるために使用されました。
オクターブソフトウェア	GNUプロジェクト	https://octave.org/	データ処理およびプロット生成に使用されるオープンソースソフトウェア(RRID:SCR_014398)。
オープンフォーム	OpenCFD Ltd(ESIグループ)	数値モデルの解法に使用されたオープンソースCFDソフトウェア(RRID:SCR_014876)。
パラビューソフトウェア	キットウェア社	https://www.paraview.org/	数値解の後処理に使用されるオープンソースソフトウェア(RRID:SCR_002516)。
テルモカップル	ユニット-T	UT325/UT320シリーズ	熱挙動を捉えるために熱電対が使われました。