Thermische verbetering van LED-koelsystemen met passieve Tesla-kleppen voor turbulentie-geïnduceerde convectie

Samenvatting

Dit werk presenteert een experimenteel protocol om het thermisch gedrag van high-power Chip-on-Board (COB) LED's te beoordelen met behulp van infraroodthermografie. Een compact geforceerd convectiekoelapparaat werd getest onder variabel vermogen en luchtstroom, waarmee efficiënte warmteafvoer en veilige verbindingstemperaturen werden aangetoond voor compacte toepassingen zoals slimme verlichting en embedded elektronica.

Samenvatting

Deze studie presenteert een experimentele methodologie voor het beoordelen van het thermisch gedrag van hoogvermogen Chip-On-Board (COB) lichtdiodes (LED's) met behulp van infraroodthermografie, geïntegreerd met een nieuw compact geforceerd convectiekoelsysteem. De thermische prestaties werden geëvalueerd onder wisselende vermogensinvoer en debietsnelheden, wat het vermogen van het systeem aantoonde om LED-junctiontemperaturen onder kritieke drempels te houden. Thermografische beeldvorming maakte ruimtelijk opgeloste temperatuuranalyse van het LED-oppervlak mogelijk onder zowel natuurlijke als geforceerde convectieregimes. Het voorgestelde koelapparaat is specifiek ontworpen voor compacte integratie, met een radiale inlaat/uitlaatconfiguratie die ruimte minimaliseert en de warmteafvoerefficiëntie maximaliseert. De gegenereerde simulatieresultaten werden gevalideerd aan de hand van experimentele gegevens, wat de betrouwbaarheid van de voorgestelde koelmethode waarborgde. Dit werk demonstreert een haalbare en reproduceerbare methode voor thermisch beheer karakterisering in solid-state verlichtingstoepassingen, en biedt een schaalbare oplossing voor integratie in afgesloten omgevingen, zoals LED-armaturen, slimme verlichtingssystemen of ingebouwde elektronische modules.

Inleiding

De toenemende vraag naar krachtige verlichtingsoplossingen heeft Chip-on-Board (COB) Light Emitting Diodes (LEDs) naar de voorhoede gebracht van moderne verlichtingstechnologieën. COB-LED's, gekenmerkt door meerdere LED-chips die direct op een thermisch geleidend substraat zijn gemonteerd, bieden superieure lichtkracht en compactheid. Hun hoge vermogensdichtheid en compacte vormfactor vormen echter aanzienlijke uitdagingen in het thermisch beheer. Efficiënte warmteafvoer is van het grootste belang om de prestaties, betrouwbaarheid en levensduur van deze apparaten te behouden¹.

In COB-LED's wordt een aanzienlijk deel van de elektrische energie omgezet in warmte in plaats van licht, wat effectieve thermische beheerstrategieën vereist om prestatieverlies te voorkomen en de levensduur van het apparaat^{te waarborgen 2}. Traditionele passieve koelmethoden, zoals koellichamen en thermische interfacematerialen, schieten vaak tekort in het afvoeren van de intense warmte die door krachtige COB LEDs³ wordt opgewekt. Daarom is er een dringende behoefte aan innovatieve koeloplossingen die de thermische belasting efficiënt kunnen beheersen zonder concessies te doen aan de compactheid en efficiëntie van de verlichtingssystemen.

De kwaliteit van de LED-verlichting bestaat uit verschillende parameters: kleurweergave-index (CRI)⁴, lichtstroom, temperatuurkleur en levensduur. De genoemde parameters zijn gevoelig voor warmte; sommige onderzoeken meldden dat de lichtstroom zijn waarde met 0,108 lm per graad Celsius⁵ verlaagt. Abdelmlek et ^al.6 tonen een correlatie die de levensduur van COB-LEDs schat als functie van temperatuur, waarbij de temperatuurovergang van de LED betrokken is. Recente ontwikkelingen in micro-elektronica hebben geleid tot een voortdurende toename van de frequenties van apparaatbediening en een progressieve miniaturisatie van elektronische componenten. Deze trends leiden tot aanzienlijk hogere vermogensdichtheden en warmtefluxen die conventionele thermische beheerstrategieën^{uitdagen 7,8}. Dergelijke thermische belastingen, als ze niet adequaat worden beheerd, kunnen de betrouwbaarheid en prestaties van het apparaat ernstig verminderen.

Om de warmteafvoer op COB-LED's te verbeteren, hebben sommige onderzoekers koellichamen ontworpen met specifieke geometrieën en configuraties die het mogelijk maken de warmteoverdracht van de LED naar de omgeving te verbeteren via vrije convectie 9,10,11,12,13,14. Dit soort koellichamen zijn een effectieve optie om het energieverbruik tijdens hun gebruik te verminderen, maar de warmtehoeveelheden worden beperkt door het oppervlakkige gebied, waardoor hun omvang toeneemt als de warmtehoeveelheid toeneemt, wat resulteert in grotere apparaten bij hoge warmtefluxen. High-power chip-on-board (COB) LED's combineren meerdere chips op een compact substraat, wat een hoge lichtkracht mogelijk maakt maar ook aanzienlijke warmtefluxdichtheden genereert die de betrouwbaarheid van het apparaat bedreigen. Effectief thermisch beheer is daarom essentieel om de overspanningstemperaturen onder de kritische limieten te houden. Traditioneel zijn passieve benaderingen zoals geribde warmtewissels en natuurlijke convectie toegepast; hun prestaties worden echter beperkt door een beperkte oppervlakte en de relatief lage convectieve coëfficiënten die haalbaar zijn onder door drijfkracht aangedreven stroming. Om deze beperkingen te overwinnen, zijn actieve oplossingen zoals geforceerde-lucht koellichamen, warmtepijpen, spuitkoeling en vloeistofgekoelde microkanalen uitgebreid onderzocht, die lagere thermische weerstanden en meer uniforme temperatuurverdelingen bieden. Voortbouwend op deze ontwikkeling onderzoekt ons werk een alternatieve strategie: het integreren van Tesla-klep-versterkte microkanalen als een compacte koude plaat. Dit ontwerp maakt gebruik van de passieve diodiciteit en stroommengeigenschappen van Tesla-geometrieën om lokale convectie te intensiveren, terwijl de noodzaak van bewegende delen of complexe manifolds wordt vermeden, waardoor de kloof tussen conventionele microkanalen en complexere actieve koelsystemen wordt overbrugd.

Om hoge warmtefluxen in deze toepassingen te beheersen, zijn vloeistofkoelsystemen een goede optie omdat ze de warmteoverdrachtscoëfficiënt kunnen verhogen en de warmteoverdracht in meer reducerende ruimtes kunnen verbeteren dan passieve koelsystemen. Er zijn enkele fabrieken die het gebruik van vloeistofkoelvloeistof melden, zoals koude platen met verschillende kanaalconfiguraties^{15, 16, 17, 18}.

Een veelbelovende aanpak is de integratie van microkanaalwarmtelichamen, die de warmteoverdracht verbeteren door het oppervlak in contact met het koelmedium te vergroten. Onder de verschillende microkanaalontwerpen heeft de Tesla-klep – een passief, onbewegend apparaat – aandacht gekregen vanwege zijn vermogen om de vloeistofstroom richting te regelen, waardoor de warmteoverdracht wordt geoptimaliseerd en terugstroom wordt geminimaliseerd. De unieke geometrie van Tesla-kleppen faciliteert eenrichtingsstroming, wat voordelig kan zijn bij thermisch beheer doordat het efficiënte koelvloeistofcirculatie bevordert en de algehele warmteafvoer verbetert. Om de warmteoverdrachtscoëfficiënt te verhogen, hebben de onderzoekers geometrieën toegevoegd die de padlijnen van de vloeistof verstoren. Tesla-klep is een geometrische configuratie van kanalen die het mogelijk maakt dat de vloeistof in één richting kan gaan; Het werkt als een diodische klep (unidirectionele klep). Wanneer een stroming in de tegenovergestelde richting wordt geïntroduceerd, nemen de druk en turbulentie binnen het systeem aanzienlijk toe. Sommige werken gebruiken de Tesla-klep om de turbulentie te verhogen, als gevolg van de toename van de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Sommige onderzoekers hebben parametrische modellen gebruikt om de vloeistofstromingspatronen in Tesla-kleppen te bepalen voor gebruik als koelsysteem^19,20. De meest voorkomende toepassing van een tesla-klep in het koelsysteem is via de koude platen^{21, 22, 23}. Zo heeft onderzoek aangetoond dat het integreren van Tesla-klepstructuren in microkanaalwarmte-absorbers de thermische prestaties kan verbeteren door turbulente stroming te bevorderen en de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt²⁴ te verhogen. Deze bevindingen suggereren dat Tesla-klep-gebaseerde microkanaalkoellichamen een haalbare oplossing kunnen zijn om de thermische uitdagingen van krachtige COB-LED's te beheersen.

Verschillende studies hebben het thermisch beheer van krachtige COB-LEDs behandeld via vloeistofgebaseerde koeltechnieken. Zo hebben jetimpingement- en spraykoelingsmethoden warmteoverdrachtscoëfficiënten van ongeveer 104-105 W·^m-2· aangetoond ^K-1, waarmee de junction-temperaturen effectief onder de kritische drempel van 120 °C worden gehouden met relatief laag pompvermogen^25,26. Evenzo hebben microkanaal koude platen onder COB-arrays thermische weerstanden bereikt tot wel 0,019 °C/W wanneer water met matige snelheden circuleert, wat het sterke potentieel van kanaalminiaturisatie benadrukt om de koelefficiëntie te verbeteren^{met 27,28}. Andere strategieën zijn onder meer ferrofluid-versterkte koellichamen²⁹ en compacte warmtepijpmodules ontworpen rond COB-pakketten³⁰, die beide een verbeterde thermische spreiding en verminderde thermische weerstand vertonen vergeleken met conventionele vaste metalen sinks.

In vergelijking met deze benaderingen introduceert de voorgestelde Tesla-klep-gebaseerde koelplaat een nieuw passief mechanisme dat meng- en turbulentiegeneratie verbetert zonder de noodzaak van bewegende onderdelen of complexe manifolds. Hoewel Tesla-kleppen zijn onderzocht in elektronica en energiesystemen vanwege hun diodiciteits- en stroombeheersingsmogelijkheden³¹, is hun toepassing op COB-LED-koeling niet uitgebreid gerapporteerd in de literatuur. Dit werk levert daarom een originele bijdrage door Tesla-klepstroomnetwerken aan te passen aan de specifieke eisen van LED-thermisch beheer. Onze resultaten geven aan dat de Tesla-klepplaat onder geforceerde convectie concurrerende temperatuurverlagingen op het oppervlak bereikt ten opzichte van gevestigde vloeistofkoelingsstrategieën, met als extra voordeel een vereenvoudigde geometrie en robuustheid tegen verstopping of mechanisch falen.

In deze studie onderzoeken we de effectiviteit van een CNC-gefreesde aluminium microkanaal koelplaat met Tesla-klepstructuren voor het thermisch beheer van een 30 W COB LED. Het ontwerp is bedoeld om de richtingsdebietregeling van Tesla-kleppen te benutten om de koelvloeistofcirculatie en warmteafvoer te verbeteren. Door experimentele evaluaties uit te voeren, beoordelen we de thermische prestaties van het voorgestelde koelsysteem, waarbij we parameters zoals temperatuurverdeling, thermische weerstand en algehele koelefficiëntie analyseren. De resultaten van dit onderzoek kunnen de ontwikkeling van geavanceerde passieve koeloplossingen voor krachtige LED-toepassingen informeren, wat bijdraagt aan de optimalisatie van thermisch beheerstrategieën in compacte elektronische apparaten. De uitdaging van dit project was de implementatie van de Tesla-klep over een bestaande koelafvoer. Met deze opstelling is het vermogensverlies groot, waardoor apparaten met hoog vermogen in een compact koelsysteem kunnen worden gebruikt.

Figuur 1 toont een schematische weergave van de methodologie die in deze studie is gevolgd. Het proces begint met het geometrisch creëren van het LED-koelapparaat met behulp van CAD-software. De geometrie wordt vervolgens geïmporteerd in de CFD-oplosser (OpenFOAM/ANSYS Fluent), waar het genereren van het netwerk en randvoorwaarden worden toegepast om de thermische-vloeistofsimulaties uit te voeren. Parallel wordt de experimentele opstelling geïmplementeerd, inclusief thermokoppels en een infraroodcamera voor temperatuurmetingen. Ten slotte worden simulatieresultaten gevalideerd aan de hand van experimentele gegevens, waardoor de betrouwbaarheid van de voorgestelde koelmethode wordt gegarandeerd.

Figuur 1: Schema van de experimentele workflow: (1) geometriecreatie, (2) CFD-simulaties, (3) Productie van het prototype, (4) thermische metingen en (5) validatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

Geometrie van het koelapparaat
Het doel van het project is het behouden van een 50 W COB LED onder een toegestane temperatuur met de Tesla-klepimplementatie. De COB die als warmtebron wordt gebruikt, wordt weergegeven in Figuur 2A, terwijl Figuur 2B 50 aangezette chips toont, wat aangeeft dat elke chip 1 W vermogen heeft.

Figuur 2: LED COB en het aantal chips. (A) LED COB gebruikt in het experiment (B) Demonstratie van het aantal gebruikte chips. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

In de literatuur werd gemeld dat sommige Tesla-kleppen een warmtebron hadden die over de apparaten met de Tesla-klep was gemonteerd; daarom is in dit artikel de LED onderdeel van het apparaat omdat deze over de Tesla-klepkanalen in direct contact staat met de koelvloeistof om zo de warmteoverdracht van de LED naar de vloeistof te verbeteren en zo de thermische weerstand te minimaliseren. Figuur 3A toont de geometrie van het apparaat. Op het bovenoppervlak met transparantie wordt de plek getoond waar de LED is geplaatst. Aan de andere kant toont Figuur 3B de voorgestelde assemblage voor het koelapparaat.

Figuur 3: Geometrie en de voorgestelde assemblage van het koelapparaat. (A) Koelapparaat stelde voor om de Tesla-klepkanalen te tonen. (B) Koelapparaat voorgesteld gemonteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Met als doel de LED direct contact te maken met de vloeistof, werden de vloeistofinlaat en -uitlaat ontworpen over het bovenliggende oppervlak, zoals weergegeven in Figuur 4A. De vloeistof wordt via de inlaatterminal van de pomp naar de Tesla-kanalen geleid. Daarna vult de vloeistof de inlaatkamer en wordt de vloeistof naar de kanalen met de inlaatkanalen geleid zoals weergegeven in Figuur 4B. In Figuur 4B toont het bovenstaande oppervlak de vloeistofkamers van het apparaat zonder aansluitingen, inclusief de bovenste afdekking.

Figuur 4: Isometrisch achterbeeld van het apparaat. (A) Isometrisch beeld van het bovenoppervlak koelapparaat. (B) Vloeistofkamers van het apparaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Materialen en accessoires
De materialen en accessoires die in het experiment zijn gebruikt, worden weergegeven in Tabel 1. Een aluminium platte stang werd gebruikt om de Tesla-kanalen te slijpen met een CNC-machine. Het aluminium werd gekozen vanwege de balans tussen thermische geleidbaarheid en kosten. Bovendien is het bewerken van aluminium gemakkelijker en sneller dan andere componenten, zoals staal of hardere materialen. De bovenste omslag in Figuur 4A is ook met aluminium ontworpen. De inlaat- en uitlaatterminals zijn van messing gemaakt en worden verbonden via schroefgaten op de bovenste afdekking. De COB-metaalkern werd vervaardigd uit aluminiumlegering om de warmteoverdracht te verbeteren.

Item	Materiaal	Thermische geleidbaarheid w/m2κ
Vlakke stang	Aluminium	160
Metal-Core	Aluminium	160
Bovenste deksel	Aluminium	160
Pneumatische fittingen	Messing	110

Tabel 1: Accessoires en materialen gebruikt in het geproduceerde prototype.

Water werd als werkvloeistof gebruikt vanwege de hoge soortelijke warmtecapaciteit en brede beschikbaarheid; bovendien vanwege het lage risico op het ontstaan van vlammen en nul-toxiciteit. De stroming door het kanaal werd aangedreven door een pomp, die werd gekarakteriseerd om de debiet te bepalen als functie van de spanning.

Randvoorwaarden
De debiet van de pomp werd gekarakteriseerd om de inlaatgrens in het systeem te bepalen. De inlaatrandvoorwaarde wordt gedefinieerd door een inlaatsnelheid die werd berekend met de debiet en het transversale gedeelte van de inlaat. Het debietgedrag van de pomp wordt weergegeven in Figuur 5.

Figuur 5: Debiet van de pomp en inlaatsnelheid. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5 toont de relatie tussen de aangelegde spanning en twee belangrijke hydraulische parameters: de gemiddelde volumetrische debiet en de gemiddelde vloeistofsnelheid . Elk datapunt vertegenwoordigt de gemiddelde waarde die is berekend uit vijf onafhankelijke metingen per spanningsniveau, wat een statistisch robuuste interpretatie garandeert.

Trend van volumetrische debiet
Een duidelijke stijgende trend is waargenomen in de gemiddelde debiet naarmate de spanning stijgt. Bij het laagste spanningsniveau (4 V) is de gemiddelde debiet ongeveer 1,63 × ^10-5 m³/s, terwijl bij 12 V deze stijgt tot bijna 3,49 × ^10-5 m³/s, wat een toename van 110% van meer dan betekent. Dit gedrag kan worden toegeschreven aan de invloed van de spanning op de elektromechanische actuator die de stroming aanstuurt.

Naarmate de spanning stijgt, stijgt de actuatorsnelheid, waardoor het volume per tijdseenheid toeneemt.

Gedrag van gemiddelde snelheid
De vloeistofsnelheid volgt een vergelijkbare toenemende trend, wat consistent is met de fundamentele relatie tussen debiet en snelheid:

Q = A • v (1)

waarbij A de dwarsdoorsnede van de leiding is en v de gemiddelde snelheid. Aangezien het oppervlak constant blijft, vertalen veranderingen in Q direct naar evenredige veranderingen in v. In dit experiment nam de gemiddelde snelheid toe van ongeveer 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (bij 4 V) tot 1,41 ×10-2 m·^s-1 (bij 12 V)

Vergelijking tussen krommen
Zowel de debietsnelheid als de snelheidscurve vertonen een bijna lineaire relatie met de spanning. Kleine niet-lineariteiten kunnen aanwezig zijn en kunnen worden toegeschreven aan factoren zoals tijdelijke instabiliteiten in de voeding, kleine variaties in de responstijd van de sensor, en interne wrijving of drukverlies bij hogere stromingsregimes. Hoewel deze effecten niet significant zijn binnen de reikwijdte van de huidige studie, zouden ze in toekomstig onderzoek verder kunnen worden onderzocht met behulp van niet-lineaire regressie of dynamische systeemmodellering.

Praktische implicaties
Vanuit technisch oogpunt biedt de grafiek een nuttige correlatie tussen een toegankelijke regelparameter (spanning) en kritische stromingsvariabelen. Dit is vooral relevant voor toepassingen in microfluidica, precisiedosering, geforceerde-convectiekoelsystemen of stromingsstructuren gebaseerd op passieve elementen zoals Tesla-kleppen. Het monotone en voorspelbare gedrag van de debietsnelheid maakt ook nauwkeurige systeemkalibratie mogelijk, wat operationele stabiliteit en herhaalbaarheid garandeert in experimentele of geautomatiseerde opstellingen.

Wiskundig model voor stromingsleer in een Tesla-klep
De interne vloeistofdynamica van het koelapparaat is vanuit fysisch oogpunt niet duidelijk begrepen. Daarom werd een computationele vloeistofdynamica (CFD) simulatie uitgevoerd om het stromingsgedrag te analyseren, turbulentie te visualiseren die de warmteoverdrachtscoëfficiënt versterkt, en stilstaande vloeistofzones te identificeren die geoptimaliseerd kunnen worden in de Tesla-klepkanalen.

Om het vloeistofstroomgedrag binnen de Tesla-klep te simuleren, gebruiken we de Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes-vergelijkingen in combinatie met het standaard K-epsilon turbulentiemodel. Deze aanpak biedt een balans tussen rekenkosten en nauwkeurigheid bij het vastleggen van turbulentie-effecten binnen interne stromingskanalen met recirculatie en anisotrope wervels, zoals typisch waargenomen in Tesla-kleppen.

Beheersvergelijkingen
De gebruikte vloeistof is water, beschouwd als incompressibel en Newtoniaans, en de stroming wordt verondersteld stationair te zijn. De beheersvergelijkingen zijn als volgt:

  (2)

waarbij  de tijdgemiddelde snelheidsvector is.

     (3)

waar:

ρ [kg/m³] is de vloeistofdichtheid,
p [Pa] is de druk,
μ [Pa • s] is de dynamische viscositeit,
μ_t [Pa • s] is de turbulente wervelviscositeit, gedefinieerd als:

     (4)

De turbulentiekinetische energie k en de dissipatiesnelheid daarvan ε worden bepaald door de volgende transportvergelijkingen:

Turbulente kinetische energie (k):

     (5)

Turbulente dissipatiesnelheid (ε):

   (6)

Hier:

k [m²/s²] is de turbulentiekinetische energie,
ε [m²/s³] is de turbulentiedissipatiesnelheid,
P_k [kg/(m • s³)] is de productie van turbulentiekinetische energie, gedefinieerd als:

   (7)

σ_k en σ_ε zijn de turbulente Prandtl-getallen voor k en ε, respectievelijk,

C_μ, C_1ε en C_2ε zijn empirische constanten.

De constanten die in het standaard k - ε model worden gebruikt, zijn:
C_μ = 0,09, (gekalibreerd voor schuiflagen en vrijstroomturbulentie)
σ_k = 1,00, (zorgt voor realistische diffusie van k)
σ_ε = 1,30, (regelt diffusie van ε)
C_1ε = 1,44, (balanceert productie en vernietiging van ε)
C_2ε = 1,92. (zorgt voor een juiste energiedissipatiesnelheid)

Deze waarden zijn afgeleid uit experimentele validatie in turbulente grenslaagstromingen en zijn veel gebruikt in technische toepassingen met betrouwbare nauwkeurigheid^van 32,33,34,35.

De Tesla-klep vertoont interne stromingscondities die worden gekenmerkt door scheiding van de grenslaag, recirculatiezones en richtingsweerstand. Deze fenomenen zijn van nature turbulent, en directe numerieke simulatie (DNS) of large eddy simulatie (LES) benaderingen zijn computationeel onmogelijk voor praktische ontwerpen.

Het k-ε model is bedoeld voor deze studie omdat het betrouwbare voorspellingen biedt van het gemiddelde stromingsveld en turbulentiehoeveelheden in interne, hoge Reynolds-stromingen. Het vangt effectief de anisotrope turbulentie-effecten die worden veroorzaakt door de draaikanalen en stagnatiezones van de Tesla-klep, waardoor een nauwkeurige weergave van het complexe stromingsgedrag wordt gegarandeerd. Bovendien is dit model robuust en breed gevalideerd in technische toepassingen zoals jetimpingement, stromingsafscheiding en complexe wandbegrensde stromingen.

In dit werk omvatten randvoorwaarden een volledig ontwikkeld turbulent inlaatsnelheidsprofiel, slippende wanden en een drukuitlaat. Het simulatiedomein komt overeen met een meertraps Tesla-klepgeometrie, die wordt gemeshed met behulp van een hybride gestructureerde-ongestructureerde grid met verfijning van de grenslaag om nabij-wandeffecten op te lossen met passende wandfuncties.

Randvoorwaarden en discussie
Om realistische stromingssimulatie binnen de Tesla-klepgeometrie te waarborgen, werden geschikte randvoorwaarden gedefinieerd voor alle relevante variabelen: snelheid, druk, turbulente kinetische energie (k) en turbulente dissipatiesnelheid (ε). De volgende voorwaarden werden opgelegd:

Inlaat (snelheidsinlaat):

Er werd een uniform snelheidsprofiel voorgeschreven bij de inlaat, uitgaande van volledig ontwikkelde, incompressibele, turbulente stroming. De turbulente grootheden k en ε werden geïntialiseerd op basis van de turbulentieintensiteit I en de hydraulische diameter D_h, met behulp van de bijbehorende empirische relaties.

(8)

Deze aanpak zorgt voor consistentie met empirische turbulentiegeneratiemodellen en behoudt compatibiliteit met de standaard k-ε formulering.

Uitlaat (drukuitlaat):
Een vaste statische druk (meestal 0 Pa-meter) werd bij de uitlaat ingesteld om een volledig ontwikkelde uitstroming mogelijk te maken. Nulgradiënt (Neumann) condities werden toegepast op alle getransporteerde variabelen (snelheid, k en ε) om kunstmatige terugstroomeffecten te voorkomen en numerieke stabiliteit aan de domeingrens te waarborgen.

Muren (geen-slip conditie):
De snelheid bij alle vaste grenzen werd op nul gezet, waarbij de no-slip-voorwaarde werd toegepast. Voor turbulentiemodellering werden standaard wandfuncties gebruikt om het gedrag van dichtbij de muur weer te geven. De turbulente kinetische energie (k) werd op nul gezet bij de wand, terwijl de dissipatiesnelheid (ε) werd berekend met standaard wandfunctiebenaderingen afgeleid van de wet van de wand. Deze functies elimineren de noodzaak om de viskeuze sublaag op te lossen, waardoor de rekenkosten dalen, onder de aanname dat de stroming binnen het logaritmische gebied blijft (y⁺ > 30).

Deze grensconfiguratie vangt effectief de belangrijkste stromingskenmerken binnen de Tesla-klep vast, waaronder stroomafscheiding, recirculatiezones en turbulentieversterking langs de gebogen passages.

Thermografische beeldverwerving en meetoverwegingen
Om de thermische prestaties van het koelsysteem en de COB-type LED-module te evalueren, werden thermografische metingen uitgevoerd met een ongekoelde infraroodcamera die werkte in het spectraalbereik van 8-14 μm. De thermografische inspectie was bedoeld om de oppervlaktetemperatuurverdeling onder stationaire bedrijfsomstandigheden te karakteriseren. Er werd speciale aandacht besteed aan het minimaliseren van onzekerheden die vaak geassocieerd worden met infraroodthermografie.

Een van de meest kritieke aspecten was de aanpassing van de oppervlakte-emissiviteitswaarden voor nauwkeurige temperatuurherwinning. Het koelsysteem bestond uit CNC-bewerkte aluminium platen met een gepolijste afwerking, waarvan de lage en hoekafhankelijke emissiviteit een aanzienlijke uitdaging vormt voor infraroodmetingen. Om dit aan te pakken werden de aluminium oppervlakken gecoat met een matzwarte verf met hoge emissiviteit (ε ≈ 0,95), voorheen gekalibreerd met contactthermokoppels en infraroodreferentiematerialen. Deze behandeling zorgde voor een uniforme emissiviteit en elimineerde spiegelreflexen die anders de nauwkeurigheid van de metingen zouden aantasten.

Voor de LED COB-module, waarvan het inkapselende materiaal doorgaans bestaat uit een met fosfor gecoate siliconen met een hogere emissiviteit (ε ≈ 0,92), was geen extra coating nodig. Er werd echter voorzichtig geacht thermische gradiënten te vermijden tijdens de camera-installatie door de LED thermisch evenwicht te laten bereiken voordat beelden werden vastgelegd. Na het inschakelen van de LED werd een wachttijd van minstens 60 minuten opgelegd om stabile omstandigheden te waarborgen.

De omgevingsomstandigheden werden tijdens de experimenten gecontroleerd. De metingen werden uitgevoerd in een gesloten laboratorium met een stabiele omgevingstemperatuur (25 ± 1 °C) en verwaarloosbare luchtstromen.

De gereflecteerde schijntemperatuur werd geschat met een verkreukelde aluminiumfoliemethode en handmatig ingesteld in de infrarood (IR) camera. De relatieve luchtvochtigheid werd niet meegenomen tijdens de metingen. De camera was gemonteerd op een trillingsvrije statief onder een loodrechte hoek op het betreffende oppervlak, wat zorgde voor een consistente kijkgeometrie. De afstand tussen de camera en het doel bleef constant (ongeveer 0,5 m), en het gezichtsveld werd aangepast om de ruimtelijke resolutie te maximaliseren zonder parallaxefouten te veroorzaken. Voor elke sessie werd de kalibratie uitgevoerd met behulp van een blackbody referentiebron om de radiometrische respons van de camera te valideren. Figuur 6 illustreert de experimentele opstelling die werd gebruikt tijdens de thermografische acquisitie. Tabel 2 vat de belangrijkste parameters en procedures samen die zijn geïmplementeerd om nauwkeurige en herhaalbare temperatuurmetingen te garanderen.

Figuur 6: Systeeminstrumentatie en monstercoating. (A) Systeeminstrumentatie voor thermokoppelmetingen. (B) Monster gecoaten met zwarte verf voor thermografiemetingen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Parameter	Waarde/Beschrijving
IR-camera	Langgolf IR (8–14 μm), ongekoeld
Emissiviteit (aluminium oppervlak)	Geschilderd tot ε = 0,95 (matzwart)
Emissiviteit (COB LED-oppervlak)	ε = 0,92 (inheems)
Omgevingstemperatuur	25±1 °C
Kijkafstand	~ 0,5 m
Kijkhoek	Loodrecht (normale inval)
Thermische evenwichtstijd	60 minuten na het inschakelen van de LED
Gereflecteerde schijnbare temperatuur	Geschat met de verkreukelde foliemethode
Oppervlaktebehandeling	Mattzwarte verf aangebracht op aluminium platen
Calibratie	Zwarte lichaambron vóór elke meting

Tabel 2: Thermografieparameters en procedures gebruikt voor foutminimalisatie.

De parameters die in de thermografiemetingen zijn gebruikt, zijn vermeld in Tabel 2.

Infraroodthermografieprocedure en onzekerheidsanalyse
Infrarood (IR) thermografie werd gebruikt om het oppervlaktetemperatuurveld van een 30 W COB LED-assemblage, gekoeld door een Tesla-klep microkanaal koude plaat, niet-invasief in kaart te brengen. De camera werkte in de langegolfband (LWIR), gemonteerd op een stijve statief, recht op het interessante oppervlak om kijkhoekeffecten te minimaliseren. Alle aankopen werden uitgevoerd nadat het systeem stabiele condities had bereikt. Er werd een vaste beeldafstand gekozen zodat de instantane gezichtsveldsgrootte (IFOV) minstens 3× kleiner was dan het kleinste interessegebied (ROI), wat voldoende ruimtelijke bemonstering over de steile temperatuurgradiënten veroorzaakt door de Tesla-klepfuncties garandeert.

Om veelvoorkomende thermografische artefacten te minimaliseren, werden verschillende voorzorgsmaatregelen genomen gedurende het experimentele proces. De optiek werd zorgvuldig gereinigd en de lens werd handmatig gefocust op het interessegebied (ROI) met behulp van het maximum-gradient-criterium, terwijl een non-uniformiteitscorrectie (NUC) werd uitgevoerd vóór elke acquisitie. Om de emissiviteit te beheersen werden alle kale metalen oppervlakken, zoals aluminium en koper – die van nature lage emissiviteit hebben en reflecterend in het langegolf-infrarood (LWIR) bereik – gecoat met matzwarte hoog-emissiviteitsverf (nominale ε ≈ 0,95) of bedekt met gekalibreerde emissiviteitstape. Thermografische ROI's werden uitsluitend gedefinieerd op deze behandelde gebieden. De schijnbare gereflecteerde temperatuur (T₍ref₎) werd gemeten met de verkreukelde aluminiumfolie-methode en opgenomen in het radiometrische model van de camera; Glanzende of schuine oppervlakken werden afgeschermd van externe stralingsbronnen om valse hotspots te voorkomen. Metingen werden uitgevoerd in een door de tocht geminimaliseerde behuizing, waarbij de operator achter een scherm stond en externe warmtebronnen zoals voedingen of lampen buiten het gezichtsveld werden geplaatst om parasitaire reflecties te verminderen. De optische as werd dicht bij de normale inval gehouden om directionele emissiviteitseffecten en parallaxfouten te beperken. Dezelfde cameraafstand en ROI-definities werden gedurende alle tests behouden om herhaalbaarheid te waarborgen.

Oppervlakte-emissiviteiten werden als volgt toegekend voor radiometrische temperatuurterugwinning, en alleen behandelde (geschilderde of getaped) gebieden werden gebruikt voor kwantitatieve rapportage: zwartgeschilderd aluminium warmteafvoer/Tesla-klep, ε = 0,95 ± 0,02; soldeermasker op MCPCB (wit), ε ≈ 0,90 ± 0,03; en siliconen-encapsulant, ε ≈ 0,94 ± 0,03. Echter, encapsulante regio's werden niet gebruikt voor kwantitatieve ROI's om semi-transparantie-effecten in het LWIR-bereik te voorkomen.

De camera was geconfigureerd met de emissiviteit van de specifieke ROI (typisch ε = 0,95) en met de gemeten_T-ref en de omgevingstemperatuur T_∞. Elke thermogram bestond uit N ≥ 10 frames gemiddeld om willekeurige ruis te verminderen. Voor elke ROI (bijv. nabij-overgangsgebied op het COB-substraat en representatieve punten op de koude plaat) werden de gemiddelde temperatuur en standaarddeviatie s_T geregistreerd. De resulterende thermische kaart werd gebruikt om de temperatuurstijging te berekenen voor latere thermische weerstands- en warmteoverdrachtsanalyses.

Laat de gerapporteerde LED-oppervlaktetemperatuur T_IR zijn. De gecombineerde standaardonzekerheid u_c(TIR) werd geschat met behulp van de wet van voortplanting van onzekerheid, uitgaande van niet-gecorreleerde inputs:

= (9)

waarbij: (i) u_acc rekening houdt met de radiometrische nauwkeurigheid van de camera (fabrikantspecificatie, omgerekend naar k=1), (ii) u_T,ε de gevoeligheid voor emissiviteit vastlegt, (iii) u_focus de defocus/IFOV-mismatch vertegenwoordigt, (iv) u_NUC de non-uniformiteitsresiduen van de detector dekt, (v) u_ref de onzekerheid in gereflecteerde schijnbare temperatuur modelleert, en (vi) u_rep herhaalbaarheid is (frame-to-frame en run-to-run).

Voor emissiviteitsgevoeligheid levert linearisatie van de Stefan-Boltzmann-inversie rond (T,ε) de veelgebruikte benadering op:

(10)

met T in kelvin. De uitgebreide onzekerheid bij ~95% betrouwbaarheid werd gerapporteerd als U(T_IR) ≈ 2uc(T_IR).

De volgende representatieve waarden komen overeen met metingen die zijn uitgevoerd op zwartgeschilderde gebieden rond 65 °C (T ≈ 338 K). De camera heeft een nauwkeurigheidsspecificatie van ±2 °C of ±2% van de meting, behandeld als k = 2. De emissiviteit werd ingesteld op ε = 0,95 ± 0,02, met goed gefocuste optiek en gecontroleerde reflecties. De individuele onzekerheidsbijdragen waren als volgt: de cameranauwkeurigheid (k = 1) levert u_acc = 1,0 K; de emissiviteitsbijdrage, geschat uit vergelijking (10), is u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; het focus- of IFOV-effect geeft u_focus = 0,3 K; de non-uniformiteitscorrectieresidu u_NUC = 0,2 K; de gereflecteerde schijnbare temperatuur u_ref = 0,4 K; en de herhaalbaarheid tussen frames of runs u_rep = 0,2 K.

Dus

= 

De onzekerheidsresultaten worden weergegeven in Tabel 3.

Bron	Symbool	Std. Unc. (k=1)	Notities
Camera radiometrische nauwkeurigheid	u_acc	1.0 K	Spec. ±2K behandeld als k=2
Emissiviteit (geschilderd, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Vergelijking (10), T = 338 K
Focus/IFOV-mismatch	u_focus	0,3 K	Spotgrootte ≈ ROI
Detector-uniformiteit	u_NUC	0,2 K	Post-NUC-residu
Gereflecteerde schijnbare temperatuur	u_ref	0,4 K	Foliemethode voor T_ref
Herhaalbaarheid	u_rep	0,2 K	Frame/run gemiddelde
Gecombineerd (k=1)	u_c(T_IR)	2,15 K	Vergelijking (9)
Uitgebreid (k=2)	U(T_IR)	4,30 K	≈ 2u_c

Tabel 3: Onzekerheidsbudget voor IR-temperatuur op zwartgeschilderde ROI (illustratief).

Het algehele thermische gedrag van de COB-LED-assemblage die wordt gekoeld door een Tesla-klep microkanaalplaat, kan worden gekwantificeerd via het concept van thermische weerstand. Analoog aan de wet van Ohm in elektrische schakelingen relateert de thermische weerstand R_θ de temperatuurstijging van de LED aan het ingangsvermogen dat als warmte wordt afgevoerd:

(11)

waarbij T_LED de oppervlaktetemperatuur van het LED-pakket is, T_∞ de omgevingstemperatuur van de lucht, en P de elektrische stroom die aan de LED wordt geleverd (ervan uitgaande dat bijna al deze energie wordt omgezet in warmte). Een lage waarde van R_θ duidt op efficiënte warmteverwijdering, wat cruciaal is voor het behouden van lichtkracht en het waarborgen van de langetermijnbetrouwbaarheid van krachtige LED's.

De warmte die bij de LED-overgang wordt opgewekt, volgt een geleidings-convectiepad. Aanvankelijk stroomt warmte door geleiding door het LED-substraat, de soldeerinterface en het Tesla-klepmateriaal. Zodra deze is overgebracht naar de microkanalen, wordt de warmte door convectie naar het koelmiddel dat binnenin stroomt afgevoerd. Elke interface draagt bij aan de totale R_θ:

(12)

met de convectieve weerstand R_{θ, convectief,} typisch dominant in compacte, hoog-flux LED-systemen. Het weerstandsdiagram is weergegeven in Figuur 7.

Figuur 7: Thermisch weerstandsnetwerk van de COB-LED gekoppeld aan het Tesla-klep microkanaal. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

De warmte stroomt van de LED-verbinding via geleidingspaden naar de koelvloeistof via convectie, waarbij elke trap wordt weergegeven als een thermische weerstand (R_js, R_cond, R_conv).

De Tesla-klep microkanalen fungeren als passieve turbulentiepromotor en verhogen de lokale convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt h zonder dat bewegende delen nodig zijn. In tegenstelling tot rechte microkanalen introduceert het Tesla-ontwerp krommings- en circulatiezones die de menging intensiveren, waardoor convectieve koeling wordt verbeterd. De effectieve convectieve weerstand kan worden uitgedrukt als:

(13)

waarbij A het effectieve warmteoverdrachtsoppervlak is. Hogere h-waarden die door het Tesla-klepeffect worden bereikt, verlagen direct R_θ, wat leidt tot lagere LED-bedrijfstemperaturen. Deze verbetering gaat echter ten koste van extra drukval, die moet worden afgewogen tegen de pompenergiebehoefte.

Voor de geteste 30 W COB LED gaven typische metingen een oppervlaktetemperatuurstijging van ΔT ≈ 40 K boven de omgeving, met een effectief dissipatievermogen van P ≈ 29,9 W. Door in Eq. (11) te substitueren was de totale thermische weerstand:

Deze waarde is aanzienlijk lager dan die van conventionele passieve afvoeren met een vergelijkbare voetafdruk, wat het gunstige effect van de Tesla-klep microkanaalplaat benadrukt. Bovendien bevestigde de ruimtelijke temperatuurverdeling die via infraroodthermografie werd verkregen dat de gebieden die direct aan Tesla-kanalen waren gekoppeld, meer uniforme temperatuurvelden vertoonden, wat een verbeterde convectieve prestatie aantoont.

Gevolgen
Een verminderde thermische weerstand vertaalt zich in een lagere LED-overgangstemperatuur, wat direct de afschrijving van lumen en kleurverschuiving vermindert, beide temperatuurafhankelijk.

De Tesla-klep microkanaalbenadering biedt daarom een praktische passieve verbetering voor compacte LED-koelsystemen, waarbij vervaardigbaarheid gecombineerd wordt met thermisch-hydraulische prestaties. Desalniettemin moet de verhoogde hydraulische weerstand die door de Tesla-geometrie wordt geïntroduceerd worden meegenomen bij pompselectie en systeemniveau-energie-efficiëntieanalyses.

Resultaten

Prototypeproductie

Het prototype werd vervaardigd met CNC-frezen om zowel de Tesla-kanalen als de kamers te creëren. De bewerkte Tesla-kanalen zijn weergegeven in Figuur 8A, terwijl de gefabriceerde kamers worden weergegeven in Figuur 8A. Vervolgens werd een boorproces uitgevoerd om de inlaat- en uitlaatpoorten op de kamers te vormen.

Discussie

In tegenstelling tot conventionele koellichamen 9,10,11,12,13,14 integreert het systeem een geforceerd convectiemechanisme binnen een compacte configuratie die de warmteafvoer aanzienlijk verbetert. Belangrijk is dat de integratie van inlaat- en uitlaatpoorten in een radiale configuratie het ...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
FreeCad Software	FreeCAD Community	https://forum.freecad.org/	Open-source software gebruikt voor het maken van geometrieën en assemblages (RRID:SCR_066611).
Generic CNC Milling 3018 Pro Max	Generic (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Desktop CNC freesmachine gebruikt voor het vervaardigen van de Tesla-klep.
Infraroodcamera	Unit-T	UTi260B / UTi720 Serie	Infraroodcamera gebruikt om de temperatuurverdeling in het apparaat vast te leggen.
Octave Software	GNU Project	https://octave.org/	Open-source software gebruikt voor gegevensverwerking en plotgeneratie (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (ESI Group)	Open-source CFD-software gebruikt om het numerieke model op te lossen (RRID:SCR_014876).
Paraview Software	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Open-source software gebruikt voor post-processing van de numerieke oplossing (RRID:SCR_002516).
Thermokoppels	Unit-T	UT325/UT320 Serie	Thermokoppels gebruikt om het thermische gedrag vast te leggen.