Termiczne wzmocnienie systemów chłodzenia LED wykorzystujących pasywne zawory Tesli do konwekcji wywołanej turbulencjami

Podsumowanie

Praca ta przedstawia eksperymentalny protokół oceny zachowania termicznego diod LED Chip-on-Board (COB) o wysokiej mocy za pomocą termografii podczerwieni. Kompaktowe chłodzenie z wymuszoną konwekcją zostało przetestowane przy zmiennej mocy i przepływie powietrza, demonstrując efektywne odprowadzanie ciepła i bezpieczne temperatury złącza dla kompaktowych zastosowań, takich jak inteligentne oświetlenie i elektronika wbudowana.

Streszczenie

Niniejsze badanie przedstawia eksperymentalną metodologię oceny zachowania termicznego diod LED o wysokiej mocy Chip-On-Board, COB, z wykorzystaniem termografii podczerwieni, zintegrowanej z nowatorskim kompaktowym urządzeniem chłodzenia wymuszonym konwekcyjnym. Oceniano wydajność termiczną przy zmiennych napięciach i przepływach, co ujawniło zdolność systemu do utrzymywania temperatur złącza LED poniżej krytycznych progów. Obrazowanie termograficzne umożliwiło przestrzenną analizę temperaturową powierzchni LED zarówno w reżimach konwekcji naturalnej, jak i wymuszonej. Proponowane urządzenie chłodzące zostało specjalnie zaprojektowane do kompaktowej integracji, wyposażone w radialną konfigurację wlotów/wylotów, która minimalizuje przestrzeń i maksymalizuje efektywność odprowadzania ciepła. Uzyskane wyniki symulacji zostały zweryfikowane na podstawie danych eksperymentalnych, co zapewniło niezawodność proponowanego podejścia chłodzenia. Prace te demonstrują wykonalną i powtarzalną metodę charakteryzacji zarządzania termiczną w zastosowaniach oświetlenia półprzewodnikowego, zapewniając skalowalne rozwiązanie integracyjne w zamkniętych środowiskach, takich jak lampy LED, inteligentne systemy oświetlenia czy wbudowane moduły elektroniczne.

Wprowadzenie

Rosnące zapotrzebowanie na rozwiązania oświetleniowe o dużej mocy wyniosło diody LED typu Chip-on-Board (COB) na czoło nowoczesnych technologii oświetlenia. COB LED, charakteryzujące się wieloma układami LED zamontowanymi bezpośrednio na ciepłoprzewodzonym podłożu, oferują doskonałą skuteczność świetlną i kompaktowość. Jednak ich wysoka gęstość mocy i kompaktowy kształt stanowią poważne wyzwania związane z zarządzaniem termicznym. Efektywne odprowadzanie ciepła jest kluczowe dla utrzymania wydajności, niezawodności i trwałości tych urządzeń¹.

W diodach COB znaczna część energii elektrycznej jest przekształcana w ciepło zamiast światła, co wymaga skutecznych strategii zarządzania termicznego, aby zapobiec pogorszeniu wydajności i zapewnić długowieczność urządzenia². Tradycyjne metody pasywnego chłodzenia, takie jak radiatory i materiały z interfejsu termicznego, często nie rozpraszają intensywnego ciepła generowanego przez wysokomocowe diody COB^LED3. W związku z tym istnieje pilna potrzeba innowacyjnych rozwiązań chłodzenia, które będą efektywnie zarządzać obciążeniem cieplnym bez kompromisów w kompaktowości i efektywności systemów oświetleniowych.

Jakość oświetlenia LED składa się z różnych parametrów: współczynnika oddawania barw (CRI)⁴, strumienia świetlnego, temperatury koloru oraz żywotności. Wymienione parametry są wrażliwe na ciepło; niektóre badania wykazały, że strumień świetlny zmniejsza jego wartość o 0,108 lm na stopień^{Celsjusza 5}. Abdelmlek i ^in.6 wykazują korelację szacującą żywotność diod COB w zależności od temperatury, co wiąże się z połączeniem temperaturowym diody LED. Najnowsze postępy w mikroelektronice doprowadziły do ciągłego wzrostu częstotliwości pracy urządzeń oraz stopniowej miniaturyzacji komponentów elektronicznych. Te trendy prowadzą do znacznie wyższych gęstości mocy i strumieni ciepła, które stanowią wyzwanie dla konwencjonalnych strategii zarządzania termicznego ^7,8. Takie obciążenia termiczne, jeśli nie są odpowiednio zarządzane, mogą poważnie obniżyć niezawodność i wydajność urządzeń.

Aby poprawić rozpraszanie ciepła na diodach COB, niektórzy badacze zaprojektowali radiatory o określonych geometriach i konfiguracjach, które pozwalają na poprawę przenoszenia ciepła z diody LED do otoczenia poprzez swobodną konwekcję 9,10,11,12,13,14 . Tego typu radiatory są skuteczną opcją do redukcji zużycia energii podczas pracy, ale ilość ciepła jest ograniczona przez powierzchnię powierzchni, co zwiększa ich rozmiar przy wzroście ciepła, co skutkuje większymi urządzeniami przy wysokich strumieniach ciepła. Diody LED o wysokiej mocy na płycie (COB) łączą wiele układów na zwartym podłożu, co umożliwia wysoką skuteczność świetlną, ale także generuje znaczne gęstości strumienia ciepła, które zagrażają niezawodności urządzenia. Dlatego skuteczne zarządzanie termiczne jest niezbędne, aby utrzymać temperatury złącza poniżej granic krytycznych. Tradycyjnie stosowano pasywne podejścia, takie jak żebrowane radiatory ciepła i naturalna konwekcja; jednak ich wydajność jest ograniczona przez ograniczoną powierzchnię oraz stosunkowo niskie współczynniki konwekcji osiągalne przy przepływie wyporu. Aby przezwyciężyć te ograniczenia, szeroko zbadano rozwiązania aktywne, takie jak radiatory z wymuszonym powietrzem, rury cieplne, chłodzenie natryskowe oraz mikrokanały chłodzone cieczą, oferujące niższe rezystancje termiczne i bardziej równomierny rozkład temperatur. Bazując na tym postępie, nasze prace badają alternatywną strategię: integrację mikrokanałów wzmocnionych zaworami Tesli jako kompaktowej płyty chłodnej. Projekt ten wykorzystuje pasywną diodowość i właściwości mieszania przepływu geometrii Tesli, aby zintensyfikować lokalną konwekcję, unikając jednocześnie potrzeby stosowania ruchomych części czy złożonych kolektorów, co łączy konwencjonalne mikrokanały z bardziej złożonymi systemami chłodzenia aktywnego.

Aby radzić sobie z wysokimi strumieniami ciepła w tych zastosowaniach, systemy chłodzenia cieczą są dobrym wyborem, ponieważ mogą zwiększyć współczynnik wymiany ciepła i poprawić transfer ciepła w większych przestrzeniach redukcyjnych niż systemy chłodzenia pasywnego. Istnieją niektóre prace o użyciu cieczy chłodzącej, takich jak płyty chłodzące z różnymi konfiguracjami kanałów^{15, 16, 17, 18}.

Obiecującym podejściem jest integracja mikrokanałowych radiatorów, które poprawiają transfer ciepła poprzez zwiększenie powierzchni styku z ośrodkiem chłodzącym. Wśród różnych projektów mikrokanałowych, zawór Tesli – pasywne urządzenie bez przesuwania części – zyskał uwagę dzięki zdolności do sterowania przepływem cieczy w kierunku, co optymalizuje transfer ciepła i minimalizuje cofny przepływ. Unikalna geometria zaworów Tesli ułatwia przepływ jednokierunkowy, co może być korzystne w zastosowaniach zarządzania termicznego, promując efektywną cyrkulację chłodzenia i zwiększając ogólne rozpraszanie ciepła. Aby zwiększyć współczynnik wymiany ciepła, badacze uwzględnili geometrie zaburzające linie biegu cieczy. Zawór Tesli to geometryczna konfiguracja kanałów, która pozwala płynowi poruszać się w jednym kierunku; działa jako lampa diodowa (jednokierunkowa). Gdy przepływ jest wprowadzany w przeciwnym kierunku, ciśnienie i turbulencja wewnątrz układu znacznie wzrastają. Niektóre prace wykorzystują zawór Tesli do zwiększenia turbulencji, będącego konsekwencją wzrostu współczynnika wymiany ciepła. Niektórzy badacze wykorzystali modele parametryczne do określenia wzorców przepływu cieczy w zaworach Tesli do zastosowań jako układ chłodzenia^19,20. Najczęstsze zastosowanie zaworu Tesli w systemie chłodzenia odbywa się na płytach^{chłodzących} 21,22,23. Na przykład badania wykazały, że włączenie struktur zaworów Tesli do mikrokanałowych radiatorów może poprawić wydajność cieplną, promując przepływ turbulentny i zwiększając współczynnik wymiany ciepła konwekcyjny²⁴. Wyniki te sugerują, że mikrokanałowe radiatory Tesli oparte na zaworach Tesli mogą być realnym rozwiązaniem w zarządzaniu wyzwaniami termicznymi związanymi z wysokomocowymi diodami LED COB.

Kilka badań dotyczyło zarządzania termicznego wysokomocowymi diodami COB za pomocą technik chłodzenia cieczą. Na przykład podejścia z użyciem strumieniowego impingementu i chłodzenia natryskowego wykazały współczynniki wymiany ciepła rzędu 104-105 W·^m-2·^K-1, skutecznie utrzymując temperatury złącza poniżej krytycznego progu 120 °C przy stosunkowo niskiej mocy pompy^25,26. Podobnie, mikrokanałowe płyty chłodne wytwarzane pod matrycami COB osiągały rezystancje termiczne nawet do 0,019 °C/W przy cyrkulacji wody z umiarkowaną prędkością, co podkreśla duży potencjał miniaturyzacji kanałów w poprawie efektywności chłodzenia^27,28. Inne strategie obejmują radiatory wzbogacone ferrofluidem²⁹ oraz kompaktowe moduły rur cieplnych zaprojektowane wokół pakietów COB³⁰, które wykazują lepsze rozpraszanie ciepła i zmniejszoną opórność termiczną w porównaniu do konwencjonalnych zbiorników z metalu stałego.

W porównaniu z tymi podejściami, proponowana płytka chłodząca oparta na zaworze Tesli wprowadza nowatorski mechanizm pasywny, który zwiększa mieszanie i generowanie turbulencji bez potrzeby stosowania ruchomych części czy skomplikowanych kolektorów. Chociaż zawory Tesli były badane w elektronice i systemach energetycznych pod kątem diodyczności i możliwości kontroli przepływu³¹, ich zastosowanie w chłodzeniu COB LED nie zostało szeroko opisane w literaturze. Prace te stanowią więc oryginalny wkład, dostosowując sieci przepływu zaworów Tesli do specyficznych wymagań zarządzania termicznego LED. Nasze wyniki wskazują, że pod wpływem wymuszonej konwekcji płyta zaworu Tesli osiąga konkurencyjne obniżenie temperatury powierzchni w porównaniu do ustalonych strategii chłodzenia cieczą, z dodatkową korzyścią w postaci uproszczonej geometrii i odporności na zatory lub awarie mechaniczne.

W niniejszym badaniu badamy skuteczność aluminiowego mikrokanałowego radiatora z obróbką CNC z wbudowanymi strukturami zaworów Tesli do zarządzania termicznym 30-watycznej diody cob LED. Projekt ma na celu wykorzystanie kierunkowej kontroli przepływu zaworów Tesli w celu poprawy cyrkulacji płynu chłodzącego i odprowadzania ciepła. Przeprowadzając eksperymentalne oceny, oceniamy wydajność termiczną proponowanego systemu chłodzenia, analizując parametry takie jak rozkład temperatury, opór termiczny oraz ogólna sprawność chłodzenia. Wyniki tych badań mogą pomóc w rozwoju zaawansowanych pasywnych rozwiązań chłodzenia dla zastosowań LED o dużej mocy, przyczyniając się do optymalizacji strategii zarządzania termicznego w kompaktowych urządzeniach elektronicznych. Wyzwaniem tego projektu było wdrożenie zaworu Tesli na istniejącym radiatorze. W takim układzie moc jest znaczna, co pozwala na użycie urządzeń o wysokiej mocy w kompaktowym systemie chłodzenia.

Rysunek 1 przedstawia schematyczne przedstawienie metodologii zastosowanej w tym badaniu. Proces rozpoczyna się od stworzenia geometrii urządzenia chłodzącego LED za pomocą oprogramowania CAD. Geometria jest następnie importowana do solvera CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), gdzie stosuje się generowanie siatki i warunki brzegowe do przeprowadzenia symulacji cieczy termicznych. Równolegle realizowane jest wyposażenie eksperymentalne, obejmujące termopary oraz kamerę podczerwieni do pomiarów temperatury. Na koniec wyniki symulacji są weryfikowane na podstawie danych eksperymentalnych, co zapewnia niezawodność proponowanego podejścia chłodzenia.

Rysunek 1: Schemat eksperymentalnego przepływu pracy: (1) tworzenie geometrii, (2) symulacje CFD, (3) produkcja prototypu, (4) pomiary termiczne oraz (5) walidacja. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Protokół

Geometria urządzenia chłodzącego
Celem projektu jest utrzymanie diody cob o pojemności 50 W przy dopuszczalnej temperaturze przy zastosowaniu zaworu Tesli. COB używany jako źródło ciepła pokazano na rysunku 2A, natomiast na rysunku 2B widać 50 włączonych układów układu, co wskazuje, że każdy układ ma moc 1 W.

Rysunek 2: LED COB i liczba układów układu. (A) LED COB użyty w eksperymencie (B) Demonstracja liczby użytych chipów układu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

W literaturze niektóre zawory Tesli miały źródło ciepła zamontowane nad urządzeniami zawierającymi zawór Tesli, dlatego w tym artykule dioda LED jest częścią urządzenia, ponieważ jest umieszczona nad kanałami zaworów Tesli, w bezpośrednim kontakcie z płynem chłodzącym, aby poprawić transfer ciepła z diody LED do płynu, minimalizując opór cieplny. Rysunek 3A przedstawia geometrię urządzenia. Na górnej powierzchni z przezroczystością pokazane jest miejsce, gdzie umieszczona jest dioda LED. Z kolei Rysunek 3B przedstawia proponowany zespół dla urządzenia chłodzącego.

Rysunek 3: Geometria i proponowany zespół urządzenia chłodzącego. (A) Proponowane urządzenie chłodzące pokazuje kanały zaworu Tesli. (B) Proponowane urządzenie chłodzące złożone. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Aby umieścić diodę LED w bezpośrednim kontakcie z płynem, wlot i wylot płynu zaprojektowano na powyższej powierzchni, jak pokazano na Rysunku 4A. Płyn jest prowadzony z pompy do kanałów Tesli przez zacisk wlotowy. Następnie płyn wypełnia komorę dolotową, a płyn jest kierowany do kanałów z kanałami dolotowymi pokazanymi na Rysunku 4B. Na Rysunku 4B, powyższy widok powierzchniowy pokazuje komory płynowe urządzenia bez żadnych połączeń, w tym górną pokrywę.

Rysunek 4: Izometryczny widok od tyłu urządzenia. (A) Izometryczny widok chłodzenia nad powierzchnią. (B) Komory płynowe urządzenia. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Materiały i akcesoria
Materiały i akcesoria użyte w eksperymencie przedstawiono w Tabeli 1. Do szlifowania kanałów Tesli za pomocą maszyny CNC użyto aluminiowego płaskiego pręta. Aluminium wybrano ze względu na równowagę między przewodnością cieplną a kosztami. Ponadto obróbka aluminium jest łatwiejsza i szybsza niż inne komponenty, takie jak stal czy twardsze materiały. Górna pokrywa widoczna na rysunku 4A również została zaprojektowana z aluminium. Zaciski wlotowe i wyjściowe wykonane są z mosiądzu i połączone przez gwintowane otwory na górnej pokrywie. Rdzeń metalowy COB został wykonany ze stopu aluminium, aby poprawić wymianę ciepła.

Przedmiot	Materiał	Przewodność cieplna w/m2κ
Kierownica płaska	Aluminium	160
Metal-Core	Aluminium	160
Górna pokrywa	Aluminium	160
Złącza pneumatyczne	Blaszane instrumenty	110

Tabela 1: Akcesoria i materiały użyte w wyprodukowanym prototypie.

Woda była używana jako środek roboczy ze względu na wysoką pojemność cieplną i szeroką dostępność; ponadto ze względu na niskie ryzyko powstania płomienia i toksyczności zerowej. Przepływ przez kanał był napędzany przez pompę, która była charakteryzowana do określania przepływu w zależności od napięcia.

Warunki brzegowe
Przepływ pompy został scharakteryzowany, aby określić warunki graniczne wlotu do systemu. Warunek brzegowy wlotu definiowany jest przez prędkość wlotową, którą obliczono na podstawie przepływu i poprzecznego przekroju wlotu. Zachowanie przepływu pompy przedstawiono na rysunku 5.

Rysunek 5: Przepływ pompy i prędkość wlotu. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5 pokazuje zależność między przyłożonym napięciem a dwoma kluczowymi parametrami hydraulicznymi: średnim przepływem objętościowym oraz średnią prędkością płynu . Każdy punkt danych reprezentuje średnią wartość obliczoną na podstawie pięciu niezależnych pomiarów na poziom napięcia, zapewniając statystycznie solidną interpretację.

Trend przepływu objętościowego
Wyraźny trend wzrostu średniego przepływu jest widoczny wraz ze wzrostem napięcia. Przy najniższym poziomie napięcia (4 V) średni przepływ wynosi około 1,63 × ^10-5 m³/s, natomiast przy 12 V wzrasta do prawie 3,49 × ^10-5 m³/s, co stanowi wzrost o 110% względem stosunku. Zachowanie to można przypisać wpływowi napięcia na elektromechaniczny siłownik sterujący przepływem.

Wraz ze wzrostem napięcia prędkość siłownika wzrasta, co zwiększa objętość przesuniętą na jednostkę czasu.

Zachowanie średniej prędkości
Prędkość płynu podąża za podobnym trendem wzrostu, co jest zgodne z fundamentalnym związkiem między przepływem a prędkością:

Q = A • v (1)

gdzie A to przekrój poprzeczny przewodu, a v to średnia prędkość. Ponieważ pole pozostaje stałe, zmiany w Q bezpośrednio przekładają się na proporcjonalne zmiany w v. W tym eksperymencie średnia prędkość wzrosła z około 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (przy 4 V) do 1,41 ×10-2 m·^s-1 (przy 12 V)

Porównanie krzywych
Zarówno krzywe przepływu, jak i prędkości wykazują niemal liniową zależność z napięciem. Mogą występować drobne nieliniowości, które można przypisać czynnikom takim jak przejściowe niestabilności w zasilaczu, niewielkie wahania czasu reakcji czujnika oraz wewnętrzne tarcie lub straty wysokości przy wyższych reżimach przepływu. Chociaż efekty te nie są istotne w ramach obecnego badania, mogą być dalej badane za pomocą regresji nieliniowej lub modelowania systemów dynamicznych w przyszłych badaniach.

Praktyczne konsekwencje
Z inżynierskiego punktu widzenia wykres dostarcza użytecznej korelacji między dostępnym parametrem sterowania (napięciem) a zmiennymi przepływu krytycznym. Jest to szczególnie istotne dla zastosowań w mikrofluidyce, precyzyjnym dozowaniu, systemach chłodzenia z wymuszoną konwekcją lub strukturach przepływowych opartych na elementach pasywnych, takich jak zawory Tesli. Monotoniczne i przewidywalne zachowanie przepływu umożliwia również precyzyjną kalibrację systemu, zapewniając stabilność operacyjną i powtarzalność w eksperymentalnych lub zautomatyzowanych konfiguracjach.

Model matematyczny dynamiki płynów w zaworze Tesli
Wewnętrzna dynamika płynów urządzenia chłodzącego nie jest jasno zrozumiana z fizycznego punktu widzenia. Dlatego przeprowadzono symulację obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), aby przeanalizować zachowanie przepływu, zwizualizować turbulencje zwiększające współczynnik wymiany ciepła oraz zidentyfikować strefy stojących cieczy, które można zoptymalizować w kanałach zaworu Tesli.

Aby zasymulować zachowanie przepływu cieczy wewnątrz zaworu Tesli, stosujemy uśredniane równania Naviera-Stokesa Reynoldsa w połączeniu ze standardowym modelem turbulencji K-epsilon. To podejście zapewnia równowagę między kosztami obliczeniowymi a dokładnością w rejestrowaniu efektów turbulencji w przepływach wewnętrznych z recyrkulacją i wirami anizotropowymi, jak zwykle obserwuje się w zaworach Tesli.

Równania rządzące
Używaną cieczą jest woda, uznawana za nieściśliwą i newtonowską, a przepływ zakłada się jako stan ustalony. Równania rządzące są następujące:

(2)

gdzie jest wektorem prędkości uśrednianym w czasie.

(3)

gdzie:

ρ [kg/m³] to gęstość płynu,
p [Pa] to ciśnienie,
μ [Pa • s] to lepkość dynamiczna,
μ_t [Pa • s] to lepkość wirów turbulentnych, definiowana jako:

(4)

Energia kinetyczna turbulencji k oraz jej szybkość rozpraszania ε są regulowane przez następujące równania transportu:

Energia kinetyczna turbulentna (k):

(5)

Tempo turbulentnej dysypacji (ε):

(6)

Oto tutaj:

k [m²/s²] to energia kinetyczna turbulencji,
ε [m²/s³] to tempo rozpraszania turbulencji,
P_k [kg/(m • s³)] to produkcja energii kinetycznej turbulencji, definiowana jako:

(7)

σ_k i σ_ε to turbulentne liczby Prandtla dla odpowiednio k i ε,

C_μ, C_1ε i C_2ε są stałymi empirycznymi.

Stałe używane w standardowym modelu k - ε to:
C_μ = 0,09 (skalibrowane pod warstwy ścinania i turbulencje swobodnego przepływu)
σ_k = 1,00 (zapewnia realistyczną dyfuzję k)
σ_ε = 1,30 (kontroluje dyfuzję ε)
C_1ε = 1,44 (równoważy produkcję i niszczenie ε)
C_2ε = 1,92. (zapewnia właściwą szybkość rozpraszania energii)

Wartości te pochodzą z eksperymentalnej walidacji w turbulentnych przepływach warstwy przyściennej i są szeroko stosowane w zastosowaniach inżynieryjnych z niezawodną dokładnością 32,33,34,35.

Zawór Tesli charakteryzuje się wewnętrznym przepływem charakteryzującym się separacją warstwy przygranicznej, strefami recyrkulacji oraz oporem kierunkowym. Zjawiska te są z natury turbulentne, a podejścia do symulacji numerycznej (DNS) lub symulacji dużych wirów (LES) są obliczeniowo trudne dla praktycznych projektów.

Model k-ε jest przeznaczony do tego badania, ponieważ dostarcza wiarygodnych prognoz średniego pola przepływu oraz wielkości turbulencji w przepływach wewnętrznych o wysokiej liczbie Reynoldsa. Skutecznie rejestruje anizotropowe efekty turbulencji wywołane przez kanały obrotowe i strefy stagnacji zaworu Tesli, zapewniając dokładne odzwierciedlenie złożonego zachowania przepływu. Co więcej, model ten jest odporny i został szeroko zweryfikowany w zastosowaniach inżynieryjnych obejmujących impingement strumieni, separację przepływu oraz złożone przepływy ograniczone ścianą.

W tej pracy warunki brzegowe obejmują w pełni rozwinięty profil turbulentnej prędkości wlotu, ściany antypoślizgowe oraz wylot ciśnieniowy. Dziedzina symulacji odpowiada wielostopniowej geometrii zaworu Tesli, która jest utworzona za pomocą hybrydowej siatki strukturalno-niestrukturalnej z dopracowywaniem warstwy przybrzgowej w celu rozróżnienia efektów bliskich ścian przy użyciu odpowiednich funkcji ścian.

Warunki brzegowe i dyskusja
Aby zapewnić realistyczną symulację przepływu w geometrii zaworu Tesli, zdefiniowano odpowiednie warunki brzegowe dla wszystkich istotnych zmiennych: prędkość, ciśnienie, energia kinetyczna turbulentna (k) oraz tempo rozpraszania turbulentnego (ε). Nałożono następujące warunki:

Wlot (wlot prędkości):

Na wejściu przewidziano jednolity profil prędkości, zakładając w pełni rozwinięty, nieściśliwy, turbulentny przepływ. Wielkości turbulentne k i ε zostały zainicjalizowane na podstawie natężenia turbulencji I oraz średnicy hydraulicznej D_h, przy użyciu odpowiednich relacji empirycznych.

     (8)

Takie podejście zapewnia spójność z empirycznymi modelami generowania turbulencji i zachowuje zgodność ze standardową formułą k-ε.

Wylot (wylot ciśnieniowy):
Na wylocie ustawiano stałe ciśnienie statyczne (zazwyczaj 0 Pa manometr), aby umożliwić w pełni rozwinięty odpływ. Warunki zerowego gradientu (Neumanna) zostały zastosowane do wszystkich transportowanych zmiennych (prędkość, k i ε), aby zapobiec sztucznym efektom cofania i zapewnić stabilność numeryczną na granicy dziedziny.

Ściany (stan bezpoślizgowy):
Prędkość na wszystkich brzegach brył została ustawiona na zero, stosując warunek bezpoślizgu. Do modelowania turbulencji użyto standardowych funkcji ścian do reprezentowania zachowania bliskich ścian. Energia kinetyczna turbulentna (k) została ustawiona na zero przy ścianie, natomiast szybkość rozpraszania (ε) obliczono na podstawie standardowych przybliżeń funkcji ściany wynikających z prawa ściany. Funkcje te eliminują potrzebę rozdzielania lepkiej podwarstwy, zmniejszając tym samym koszty obliczeniowe, zakładając, że przepływ pozostaje w obszarze logarytmicznym (y⁺ > 30).

Ta konfiguracja brzegowa skutecznie oddaje główne cechy przepływu w zaworze Tesli, w tym separację przepływu, strefy recyrkulacji oraz intensyfikację turbulencji wzdłuż zakrzywionych przejść.

Rozważania dotyczące pozyskiwania i pomiarów obrazów termograficznych
Aby ocenić wydajność termiczną systemu chłodzenia i modułu LED typu COB, przeprowadzono pomiary termograficzne za pomocą niechłodzonej kamery na podczerwień pracującej w zakresie spektralnym 8-14 μm. Inspekcja termograficzna miała na celu scharakteryzowanie rozkładu temperatury powierzchniowej w warunkach pracy stacjonarnej. Szczególną uwagę poświęcono minimalizowaniu niepewności często kojarzonych z termografią podczerwieni.

Jednym z najważniejszych aspektów była regulacja wartości emisyjności powierzchni w celu dokładnego odczytu temperatury. System chłodzenia składał się z aluminiowych płyt obrobionych przez CNC o polerowanym wykończeniu, których niska emisyjność zależna od kąta stanowiła poważne wyzwanie dla pomiarów w podczerwieni. Aby temu zaradzić, powierzchnie aluminiowe zostały pokryte matową czarną farbą o wysokiej emisyjności (ε ≈ 0,95), wcześniej skalibrowaną przy użyciu kontaktowych termoparek i materiałów referencyjnych na podczerwień. Takie traktowanie zapewniało jednolitą emisyjność i eliminowało refleksje zwierciane, które w przeciwnym razie mogłyby zagrozić dokładności pomiarów.

W przypadku modułu COB LED, którego materiałem otoczającym jest zazwyczaj silikon pokryty fosforem o wyższej emisyjności (ε ≈ 0,92), nie było potrzeby dodatkowej powłoki. Jednak zachowano ostrożność, aby uniknąć gradientów termicznych podczas montażu kamery, pozwalając diodzie LED osiągnąć równowagę termiczną przed uchwyceniem obrazów. Po włączeniu diody LED wprowadzono co najmniej 60-minutowy okres oczekiwania, aby zapewnić ustalenie warunków ustalonych w stanie.

Podczas eksperymentów kontrolowano warunki otoczenia. Pomiary przeprowadzono w zamkniętym laboratorium o stabilnej temperaturze otoczenia (25 ± 1 °C) i znikomych prądach powietrza.

Odbitą temperaturę pozorną oszacowano metodą zgniecionej folii aluminiowej i ręcznie ustawiano w kamerze podczerwieni (IR). Podczas pomiarów nie brano pod uwagę wilgotności względnej. Kamera była zamontowana na statywie wolnym od drgań pod kątem prostopadłym do interesującej powierzchni, co zapewniało spójną geometrię widzenia. Odległość między kamerą a celem była utrzymywana na stałym poziomie (około 0,5 m), a pole widzenia było regulowane, aby zmaksymalizować rozdzielczość przestrzenną bez wprowadzania błędów paralaksy. Kalibracja była wykonywana przed każdą sesją, wykorzystując źródło odniesienia ciała czarnego do weryfikacji radiometrycznej odpowiedzi kamery. Rysunek 6 ilustruje konfigurację eksperymentalną użytą podczas pomiaru termograficznego. Tabela 2 podsumowuje kluczowe parametry i procedury wdrożone, aby zapewnić dokładne i powtarzalne pomiary temperatury.

Rysunek 6: Instrumentacja systemowa i powłoka próbek. (A) Instrumentacja systemowa do pomiarów termopar. (B) Próbka pokryta czarną farbą do pomiarów termograficznych. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tej figurki.

Parametr	Wartość/Opis
Kamera IR	Długofalowa podczerwień (8–14 μm), niechłodzona
Emisyjność (powierzchnia aluminiowa)	Pomalowany na ε = 0,95 (matowa czerń)
Emisyjność (powierzchnia COB LED)	ε = 0,92 (natywne)
Temperatura otoczenia	25±1 °C
Odległość widzenia	~ 0,5 m
Kąt widzenia	Prostopadle (prawidłowa częstość występowania)
Czas równowagi termicznej	60 minut po włączeniu diody LED
Odbita temperatura pozorna	Szacowane metodą zgnieconej folii
Obróbka powierzchni	Matowa farba nakładana na aluminiowe płyty
Kalibracja	Źródło ciała czarnego przed każdym pomiarem

Tabela 2: Parametry termograficzne i procedury stosowane do minimalizacji błędów.

Parametry użyte w pomiarach termograficznych są wymienione w Tabeli 2.

Procedura termografii podczerwieni i analiza niepewności
Termografia podczerwieni (IR) została wykorzystana do nieinwazyjnego mapowania pola temperatury powierzchni zespołu LED o mocy 30 W COB chłodzonej przez mikrokanałową płytkę chłodną Tesli. Kamera pracowała w paśmie długofalowym (LWIR), zamontowanym na sztywnym statywie, prostopadłym do interesującej powierzchni, aby zminimalizować efekty kąta widzenia. Wszystkie zakupy zostały przeprowadzone po osiągnięciu stabilnego stanu systemu. Wybrano stałą odległość obrazowania tak, aby rozmiar punktu pola widzenia (IFOV) był co najmniej 3× mniejszy niż najmniejszy obszar zainteresowania (ROI), co zapewniało odpowiednie przestrzenne próbkowanie wzdłuż stromych gradientów temperatur wywołanych przez cechy zaworu Tesli.

Aby zminimalizować powszechne artefakty termograficzne, w trakcie procesu eksperymentalnego wprowadzono kilka środków ostrożności. Optyka została starannie wyczyszczona, a soczewka była ręcznie ostrzana na obszarze zainteresowania (ROI) według kryterium maksymalnego gradientu, podczas gdy przed każdym pozyskaniem wykonywano korekcję niejednorodności (NUC). Aby kontrolować emisyjność, wszystkie gołe metaliczne powierzchnie, takie jak aluminium i miedź – które z natury mają niską emisyjność i są odbijające w zakresie podczerwieni długich fal (LWIR) — zostały pokryte matową czarną farbą o wysokiej emisyjności (nominalnie ε ≈ 0,95) lub pokryto skalibrowaną taśmą emisyjną. Termograficzne ROI były definiowane wyłącznie na tych obszarach objętych zabiegami. Pozorna temperatura odbicia (T₍ref₎) była mierzona metodą zgniecionej folii aluminiowej i włączona do modelu radiometrycznego aparatu; Błyszczące lub skośne powierzchnie były chronione przed zewnętrznymi źródłami promieniowania, aby zapobiec powstawaniu fałszywych gorących punktów. Pomiary wykonywano wewnątrz obudowy minimalizowanej przeciągu, operator umieszczony za ekranem, a zewnętrzne źródła ciepła, takie jak zasilacze czy lampy, były poza polem widzenia, aby ograniczyć odbicia pasożytnictwa. Oś optyczna była utrzymywana blisko normalnego padania, aby ograniczyć kierunkowe efekty emisyjności i błędy paralaksy. Zachowano tę samą odległość kamery i definicje ROI we wszystkich testach, aby zapewnić powtarzalność.

Emisyjność powierzchni przypisano następująco do pomiaru temperatury radiometrycznej, a do raportowania ilościowego wykorzystywano jedynie obszary poddane obróbki (malowanej lub taśmowej): czarno malowany aluminiowy radiator/zawór Tesli, ε = 0,95 ± 0,02; maska lutownicza na MCPCB (biała), ε ≈ 0,90 ± 0,03; oraz silikonowy enkapsulant ε ≈ 0,94 ± 0,03. Jednak obszary enkapsulacyjne nie były wykorzystywane do ilościowych zwrotów z inwestycji, aby uniknąć efektu półprzezroczystości w zakresie LWIR.

Kamera była skonfigurowana z emisyjnością specyficznego ROI (zazwyczaj ε = 0,95) oraz z mierzonym_{T ref} i temperaturą powietrza otoczenia T_∞. Każdy termogram składał się z N ≥ 10 klatek uśrednionych w celu zmniejszenia losowego szumu. Dla każdego ROI (np. obszar bliskiego styku na podłożu COB i reprezentatywne punkty na zimnej płycie) rejestrowano średnią temperaturę i odchylenie standardowe s_T . Powstała mapa termiczna została wykorzystana do obliczenia wzrostu temperatury w kolejnych analizach odporności termicznej i wymiany ciepła.

Niech podawana temperatura powierzchni LED to T_IR. Łączna standardowa niepewność u_c(TIR) została oszacowana za pomocą prawa propagacji niepewności, zakładając nieskorelowane wejścia:

= (9)

gdzie: (i) u_acc uwzględnia dokładność radiometryczną aparatu (specyfikacja producenta, przeliczona na k=1), (ii) u_T,ε rejestruje czułość na emisyjność, (iii)_{u focus} oznacza niedopasowanie defokusu/IFOV, (iv)_{u NUC} pokrywa niejednorodność detektora, (v) u_ref modeluje niepewność odbitej temperatury pozornej oraz (vi)_{u rep}jest powtarzalność (klatka do klatki i bieg do biegu).

Dla czułości emisywności, linearyzacja inwersji Stefana-Boltzmanna o (T,ε) daje powszechnie stosowane przybliżenie:

    (10)

z T w kelwinach. Rozszerzona niepewność na poziomie ~ 95% ufności została zgłoszona jako U(T_IR) ≈ 2uc(T_IR).

Poniższe reprezentatywne wartości odpowiadają pomiarom wykonanym na czarno pomalowanych obszarach w pobliżu 65 °C (T ≈ 338 K). Aparat ma specyfikację dokładności ±2 °C, czyli ±2% odczytu, traktowaną jako k = 2. Emisyjność została ustawiona na ε = 0,95 ± 0,02, z dobrze ostrą optyką i kontrolowanymi odbiciami. Indywidualne wkłady niepewności były następujące: dokładność kamery (k = 1) daje u_acc = 1,0 K; wkład emisyjny, szacowany na podstawie równania (10), wynosi u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; efekt ogniskowy lub IFOV daje u_focus = 0,3 K; korekcja niejednorodności u_NUC = 0,2 K; odbita temperatura pozorna u_ref = 0,4 K; a powtarzalność między ramkami lub przebiegami u_rep = 0,2 K.

Zatem

=

Wyniki niepewności przedstawiono w Tabeli 3.

Źródło	Symbol	Std. Unc. (k=1)	Przypisy
Dokładność radiometryczna kamery	u_acc	1.0 K	Specyfikacja ±2K traktowana jako k=2
Emisyjność (malowana, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Równanie (10), T = 338 K
Niedopasowanie Focus/IFOV	u_focus	0,3 K	Rozmiar punktu ≈ zwrot z inwestycji
Niejednorodność detektora	u_NUC	0,2 K	Resztki po NUC
Odbita temperatura pozorna	u_ref	0,4 K	Metoda foliowa do T_ref
Powtarzalność	u_rep	0,2 K	Uśrednianie klatek/biegów
Łącznie (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	Równanie (9)
Rozszerzone (k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

Tabela 3: Budżet niepewności dla temperatury IR przy czarno pomalowanym ROI (ilustracja).

Ogólne zachowanie termiczne zespołu COB LED chłodzonego przez mikrokanałową płytkę Tesli można określić za pomocą koncepcji oporu cieplnego. Analogicznie do prawa Ohma w obwodach elektrycznych, opór cieplny R_θ odnosi wzrost temperatury diody LED do mocy wejściowej rozpraszanej jako ciepło:

     (11)

gdzie_{T LED} to temperatura powierzchniowa obudowy LED, T_∞ to temperatura otoczenia, a P to energia elektryczna dostarczana do diody LED (zakładając, że prawie cała jest przekształcana w ciepło). Niska wartość R_θ oznacza efektywne usuwanie ciepła, co jest kluczowe dla utrzymania efektywności świetlnej i zapewnienia długoterminowej niezawodności diod LED o dużej mocy.

Ciepło generowane na złączu LED podąża ścieżką przewodzenia i konwekcji. Początkowo ciepło przepływa przez podłoże LED, interfejs oraz materiał zaworu Tesli. Po przejściu do mikrokanałów ciepło jest usuwane przez konwekcję do płynu chłodzącego przepływającego wewnątrz. Każdy interfejs przyczynia się do całkowitego R_θ:

     (12)

z rezystancją konwekcyjną R_θ, zwykle dominującą w kompaktowych układach LED o dużym strumieniu. Diagram oporów przedstawiono na rysunku 7.

Rysunek 7: Sieć rezystancji cieplnej diody COB sprzężona z mikrokanałem zaworu Tesli. Proszę kliknąć tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ciepło przepływa z złącza LED przez ścieżki przewodzenia i do chłodziwa przez konwekcję, przy czym każdy stopień jest reprezentowany jako opór cieplny (R_js,_{R cond}, R_conv).

Mikrokanały zaworu Tesli działają jak pasywny promotor turbulencji, zwiększając lokalny współczynnik wymiany ciepła konwekcyjny h bez potrzeby stosowania ruchomych części. W przeciwieństwie do prostych mikrokanałów, konstrukcja Tesli wprowadza strefy krzywizny i recyrkulacji, które intensyfikują mieszanie, poprawiając tym samym chłodzenie konwekcyjne. Efektywny opór konwekcyjny można wyrazić jako:

     (13)

gdzie A to efektywna powierzchnia wymiany ciepła. Wyższe wartości h osiągane dzięki efektowi zaworu Tesli bezpośrednio obniżają R_θ, co prowadzi do niższych temperatur pracy diod LED. Jednak ta poprawa odbywa się kosztem dodatkowego spadku ciśnienia, który musi być zrównoważony z wymaganiami mocy pompy.

Dla testowanej diody cob o mocy 30 W TYPOWE POMIARY WYKAZAŁY WZROST TEMPERATURY POWIERZCHNI O ΔT ≈ 40 K powyżej wartości otoczenia, z efektywną mocą rozpraszaną P ≈ 29,9 W. Po podstawieniu do równania (11), całkowity opór termiczny wynosił:

Ta wartość jest wyraźnie niższa niż w konwencjonalnych pasywnych zlewach o podobnej powierzchni, co podkreśla korzystny efekt płytki mikrokanałowej zaworu Tesli. Ponadto rozkład temperatury przestrzennej uzyskany za pomocą termografii podczerwieni potwierdził, że obszary bezpośrednio sprzężone z kanałami Tesli wykazywały bardziej jednolite pola temperaturowe, co świadczyło o poprawie wydajności konwekcyjnej.

Implikacje
Zmniejszona rezystancja termiczna przekłada się na niższą temperaturę złącza LED, bezpośrednio łagodząc spadek lumenów i przesunięcie koloru, które są zależne od temperatury.

Podejście mikrokanałowe Tesli zapewnia zatem praktyczne pasywne wzmocnienie kompaktowych systemów chłodzenia LED, łącząc produkcję z wydajnością termiczno-hydrauliczną. Niemniej jednak zwiększony opór hydrauliczny wprowadzony przez geometrię Tesli należy uwzględnić przy wyborze pompy i analizach efektywności energetycznej na poziomie systemu.

Wyniki

Produkcja prototypów

Prototyp został wykonany przy użyciu frezowania CNC, aby stworzyć zarówno kanały Tesli, jak i komory. Obrobione kanały Tesli pokazano na Rysunku 8A, natomiast komory wykonane na Rysunku 8A. Następnie przeprowadzono proces wiercenia tworzącego otwory wlotowe i wylotowe w komorach.

Dyskusja

W przeciwieństwie do konwencjonalnych radiatorów 9,10,11,12,13,14, system integruje mechanizm wymuszonej konwekcji w kompaktowej konfiguracji, co znacząco zwiększa rozpraszanie ciepła. Co ważne, integracja portów wlotowych i wylotowych w konfiguracji promieniowej pozwala systemowi zajmować minimalną przestrzeń, co czyni go id...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Oprogramowanie FreeCad	Społeczność FreeCAD	https://forum.freecad.org/	Oprogramowanie open source używane do tworzenia geometrii i zespołów (RRID:SCR_066611).
Generyczne frezowanie CNC 3018 Pro Max	Generyczne (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Stacjonarna frezarka CNC używana do produkcji zaworu Tesli.
Kamera na podczerwień	Unit-T	Seria UTi260B / UTi720	Kamera na podczerwień używana do rejestrowania rozkładu temperatury w urządzeniu.
Octave Software	Projekt GNU	https://octave.org/	Oprogramowanie open-source wykorzystywane do przetwarzania danych i generowania wykresów (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (Grupa ESI)	Oprogramowanie CFD open-source używane do rozwiązania modelu numerycznego (RRID:SCR_014876).
Oprogramowanie Paraview	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Oprogramowanie open-source używane do postprodukcji rozwiązania numerycznego (RRID:SCR_002516).
Termopary	Unit-T	Seria UT325/UT320	Termopary używane do rejestrowania zachowania termicznego.