Aprimoramento térmico de sistemas de resfriamento LED usando válvulas passivas de Tesla para convecção induzida por turbulência

Resumo

Este trabalho apresenta um protocolo experimental para avaliar o comportamento térmico de LEDs Chip-on-Board (COB) de alta potência usando termografia infravermelha. Um dispositivo compacto de resfriamento por convecção forçada foi testado sob potência e fluxo de ar variáveis, demonstrando dissipação eficiente de calor e temperaturas seguras de junção para aplicações compactas como iluminação inteligente e eletrônicos embutidos.

Resumo

Este estudo apresenta uma metodologia experimental para avaliar o comportamento térmico de diodos emissores de luz (LEDs) Chip-On-Board (COB) de alta potência usando termografia infravermelha, integrada a um novo dispositivo compacto de resfriamento por convecção forçada. O desempenho térmico foi avaliado sob diferentes entradas de potência e vazão, revelando a capacidade do sistema de manter as temperaturas das junções LEDs abaixo de limites críticos. A imagem termográfica permitiu a análise espacial resolvida da temperatura da superfície do LED tanto sob regimes de convecção natural quanto forçada. O dispositivo de resfriamento proposto foi projetado especificamente para integração compacta, apresentando uma configuração radial de entrada/saída que minimiza o espaço enquanto maximiza a eficiência da dissipação de calor. Os resultados da simulação gerados foram validados com dados experimentais, garantindo a confiabilidade da abordagem de resfriamento proposta. Este trabalho demonstra um método viável e replicável para caracterização de gestão térmica em aplicações de iluminação de estado sólido, fornecendo uma solução escalável para integração em ambientes confinados, como luminárias LED, sistemas de iluminação inteligente ou módulos eletrônicos embarcados.

Introdução

A crescente demanda por soluções de iluminação de alta potência impulsionou os Diodos Emissores de Luz (LEDs) Chip-on-Board (COB) para a vanguarda das tecnologias modernas de iluminação. LEDs COB, caracterizados por múltiplos chips LED montados diretamente sobre um substrato termicamente condutor, oferecem eficácia luminosa superior e compacidade. No entanto, sua alta densidade de potência e formato compacto apresentam desafios significativos de gerenciamento térmico. A dissipação eficiente de calor é fundamental para manter o desempenho, a confiabilidade e a longevidade desses^{dispositivos 1}.

Nos LEDs COB, uma parte substancial da energia elétrica é convertida em calor em vez de luz, o que exige estratégias eficazes de gerenciamento térmico para evitar a degradação do desempenho e garantir a longevidade do^{dispositivo 2}. Métodos tradicionais de resfriamento passivo, como dissipadores de calor e materiais de interface térmica, frequentemente falham em dissipar o calor intenso gerado por LEDs^{COB de alta potência 3}. Consequentemente, há uma necessidade urgente de soluções inovadoras de resfriamento que possam gerenciar eficientemente as cargas térmicas sem comprometer a compacidade e eficiência dos sistemas de iluminação.

A qualidade da luminária de LED é composta por diferentes parâmetros: índice de renderização de cor (CRI⁾⁴, fluxo luminoso, temperatura, cor e vida útil. Os parâmetros mencionados são sensíveis ao calor; alguns estudos relataram que o fluxo luminoso diminui seu valor em 0,108 lm por grau^{Celsius 5}. Abdelmlek et ^al.6 mostram uma correlação que estima a vida útil dos LEDs COB em função da temperatura, que envolve a junção de temperatura do LED. Avanços recentes em microeletrônica levaram a aumentos contínuos nas frequências de operação dos dispositivos e à miniaturização progressiva dos componentes eletrônicos. Essas tendências resultam em densidades de potência significativamente maiores e fluxos de calor que desafiam as estratégias convencionais de gestão^{térmica 7,8}. Tais cargas térmicas, se não forem adequadamente gerenciadas, podem degradar severamente a confiabilidade e o desempenho do dispositivo.

Para melhorar a dissipação de calor nos LEDs COB, alguns pesquisadores projetaram dissipadores de calor com geometrias e configurações específicas que permitem melhorar a transferência de calor do LED para o ambiente por meio da convecção^livre 9,10,11,12,13,14. Esses tipos de dissipadores de calor são uma opção eficaz para reduzir o consumo de energia durante sua operação, mas as quantidades de calor são limitadas pela área superficial, aumentando seu tamanho se a quantidade de calor aumentar, resultando em dispositivos maiores se houver fluxos de calor elevados. LEDs chip-onboard (COB) de alta potência combinam múltiplos chips em um substrato compacto, permitindo alta eficácia luminosa, mas também gerando densidades significativas de fluxo de calor que ameaçam a confiabilidade do dispositivo. Portanto, uma gestão térmica eficaz é essencial para manter as temperaturas das junções abaixo dos limites críticos. Tradicionalmente, abordagens passivas como dissipadores de calor com aletas e convecção natural foram empregadas; no entanto, seu desempenho é limitado pela área superficial limitada e pelos coeficientes convectivos relativamente baixos que podem ser alcançados sob fluxo impulsionado pela flutuabilidade. Para superar essas limitações, soluções ativas, incluindo dissipadores de ar forçado, tubos de calor, resfriamento por pulverização e microcanais resfriados a líquido, foram amplamente investigadas, oferecendo resistências térmicas menores e distribuições de temperatura mais uniformes. Com base nessa evolução, nosso trabalho explora uma estratégia alternativa: integrar microcanais aprimorados com válvulas Tesla como uma placa fria compacta. Esse projeto aproveita a diodicidade passiva e as propriedades de mistura de fluxo das geometrias de Tesla para intensificar a convecção local, evitando a necessidade de peças móveis ou coletores complexos, fazendo a ponte entre microcanais convencionais e sistemas de resfriamento ativo mais complexos.

Para gerenciar altos fluxos de calor nessas aplicações, sistemas de resfriamento líquido são uma boa opção porque conseguem aumentar o coeficiente de transferência de calor e melhorar a transferência de calor em espaços mais redutores do que sistemas de resfriamento passivo. Há alguns trabalhos relatando o uso de fluido de resfriamento líquido, como placas frias com diferentes configurações de^{canais 15, 16, 17, 18}.

Uma abordagem promissora envolve a integração de dissipadores de calor em microcanais, que melhoram a transferência de calor ao aumentar a área de contato com o meio de resfriamento. Entre vários projetos de microcanais, a válvula Tesla — um dispositivo passivo, sem peças móveis — chamou atenção por sua capacidade de controlar o fluxo direcional do fluido, otimizando assim a transferência de calor e minimizando o retorno. A geometria única das válvulas Tesla facilita o fluxo unidirecional, o que pode ser vantajoso em aplicações de gerenciamento térmico ao promover uma circulação eficiente do líquido de arrefecimento e melhorar a dissipação geral de calor. Para aumentar o coeficiente de transferência de calor, os pesquisadores incluíram geometrias que perturbaram as linhas de caminho do fluido. A válvula Tesla é uma configuração geométrica de canais que permite que o fluido siga em uma direção; Funciona como uma válvula díodica (válvula unidirecional). Quando um fluxo é introduzido na direção oposta, a pressão e a turbulência dentro do sistema aumentam notavelmente. Algumas obras usam a válvula de Tesla para aumentar a turbulência, sendo consequência do aumento do coeficiente de transferência de calor. Alguns pesquisadores usaram modelos paramétricos para determinar os padrões de fluxo de fluidos em válvulas Tesla para uso como sistema de^{resfriamento 19,20}. A aplicação mais comum da válvula Tesla implementada no sistema de resfriamento é através das placas^{frias 21, 22, 23}. Por exemplo, pesquisas mostraram que incorporar estruturas de válvulas Tesla em dissipadores de microcanal pode melhorar o desempenho térmico ao promover o fluxo turbulento e aumentar o coeficiente de transferência de calor^{convectiva 24}. Essas descobertas sugerem que dissipadores de calor em microcanal baseados em válvulas Tesla podem ser uma solução viável para gerenciar os desafios térmicos associados a LEDs COB de alta potência.

Diversos estudos abordaram a gestão térmica de LEDs COB de alta potência por meio de técnicas de resfriamento à base de líquido. Por exemplo, abordagens de impactamento por jato e resfriamento por pulverização demonstraram coeficientes de transferência de calor na ordem de 104-105 W·^m-2· ^K-1, mantendo efetivamente as temperaturas das junções abaixo do limite crítico de 120 °C com potência de bombeamento^{relativamente baixa de 25,26}. Da mesma forma, placas frias de microcanais fabricadas sob matrizes COB alcançaram resistências térmicas tão baixas quanto 0,019 °C/W quando a água circula em velocidades moderadas, destacando o forte potencial da miniaturização dos canais para melhorar a eficiência do^{resfriamento 27,28}. Outras estratégias incluem dissipadores de calor²⁹ aprimorados com ferrofluidos e módulos compactos de tubo de calor projetados em torno dos pacotes^{COB 30}, ambos demonstrando melhor espalhamento térmico e resistência térmica reduzida em comparação com sumidouros convencionais de metal sólido.

Em comparação a essas abordagens, a placa de resfriamento proposta baseada em válvulas Tesla introduz um mecanismo passivo inovador que melhora a mistura e a geração de turbulência sem a necessidade de peças móveis ou coletores complexos. Embora as válvulas Tesla tenham sido investigadas em eletrônicos e sistemas de energia por suas capacidades de diodicidade e controle^{de fluxo,} sua aplicação ao resfriamento COB LED não foi amplamente relatada na literatura. Esse trabalho, portanto, oferece uma contribuição original ao adaptar redes de fluxo de válvulas Tesla aos requisitos específicos de gerenciamento térmico de LEDs. Nossos resultados indicam que, sob convecção forçada, a placa de válvula Tesla alcança reduções competitivas de temperatura superficial em relação às estratégias estabelecidas de resfriamento líquido, com o benefício adicional de geometria simplificada e robustez contra entupimentos ou falhas mecânicas.

Neste estudo, investigamos a eficácia de um dissipador de calor microcanal de alumínio usinado por CNC incorporando estruturas de válvulas Tesla para o gerenciamento térmico de um led COB de 30 W. O projeto visa aproveitar o controle direcional de fluxo das válvulas Tesla para melhorar a circulação do líquido de arrefecimento e a dissipação de calor. Por meio de avaliações experimentais, avaliamos o desempenho térmico do sistema de resfriamento proposto, analisando parâmetros como distribuição de temperatura, resistência térmica e eficiência geral do resfriamento. Os resultados dessa pesquisa podem informar o desenvolvimento de soluções avançadas de resfriamento passivo para aplicações de LED de alta potência, contribuindo para a otimização das estratégias de gerenciamento térmico em dispositivos eletrônicos compactos. O desafio deste projeto foi a implementação da Válvula Tesla sobre um dissipador de calor existente. Com esse arranjo, a energia dissipada é significativa, permitindo o uso de dispositivos de alta potência em um sistema de resfriamento compacto.

A Figura 1 apresenta uma representação esquemática da metodologia seguida neste estudo. O processo começa com a criação da geometria do dispositivo de resfriamento de LED usando software CAD. A geometria é então importada para o solucionador CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), onde a geração de malha e as condições de contorno são aplicadas para realizar as simulações termo-fluidos. Paralelamente, o sistema experimental é implementado, incluindo termopares e uma câmera infravermelha para medições de temperatura. Por fim, os resultados da simulação são validados com dados experimentais, garantindo a confiabilidade da abordagem de resfriamento proposta.

Figura 1: Esquema do fluxo de trabalho experimental: (1) criação de geometria, (2) simulações CFD, (3) fabricação para o protótipo, (4) medições térmicas e (5) validação. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Protocolo

Geometria do dispositivo de resfriamento
O objetivo do projeto é manter um LED COB de 50 W sob uma temperatura permitida com a implementação da válvula Tesla. O COB usado como fonte de calor é mostrado na Figura 2A, enquanto a Figura 2B mostra 50 chips de chip ligados, indicando que cada chip tem 1 W de potência.

Figura 2: COB de LED e número de chips de chip. (A) COB de LED usado no experimento (B) Demonstração do número de chips de chip utilizados. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Na literatura, algumas válvulas Tesla foram relatadas como possuindo uma fonte de calor montada sobre os dispositivos que contêm a Válvula Tesla, portanto, neste artigo, o LED faz parte do dispositivo porque ele é colocado sobre os canais da válvula Tesla em contato direto com o fluido de resfriamento para melhorar a transferência de calor do LED para o fluido, minimizando a resistência térmica. A Figura 3A mostra a geometria do dispositivo. Na superfície superior, com transparência, é mostrado o local onde o LED está posicionado. Por outro lado, a Figura 3B mostra o conjunto proposto para o dispositivo de resfriamento.

Figura 3: Geometria e a montagem proposta do dispositivo de resfriamento. (A) Dispositivo de resfriamento proposto mostrando os canais das válvulas Tesla. (B) Dispositivo de resfriamento proposto montado. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Com o objetivo de colocar o LED em contato direto com o fluido, a entrada e saída do fluido foram projetadas sobre a superfície acima, conforme mostrado na Figura 4A. O fluido é conduzido da bomba para os canais de Tesla através do terminal de entrada. Em seguida, o fluido preenche a câmara de entrada, e o fluido é conduzido para os canais com os canais de entrada mostrados na Figura 4B. Na Figura 4B, a vista superficial acima mostra as câmaras de fluido do dispositivo sem nenhuma conexão, incluindo a cobertura superior.

Figura 4: Vista isométrica dos bastidores do dispositivo. (A) Vista isométrica do dispositivo de resfriamento acima da superfície. (B) Câmaras de fluido do dispositivo. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Materiais e acessórios
Os materiais e acessórios usados no experimento são mostrados na Tabela 1. Uma barra plana de alumínio era usada para afiar os canais Tesla com uma máquina CNC. O alumínio foi escolhido devido ao seu equilíbrio entre condutividade térmica e custo. Além disso, a usinagem de alumínio é mais fácil e rápida do que outros componentes, como aço ou materiais mais duros. A capa superior mostrada na Figura 4A também foi projetada com alumínio. Os terminais de entrada e saída são feitos de latão e são conectados por orifícios roscados na tampa superior. O núcleo metálico COB foi fabricado em liga de alumínio para melhorar a transferência de calor.

Item	Material	Condutividade térmica w/m 2κ
Barra plana	Alumínio	160
Metal-Core	Alumínio	160
Cobertura superior	Alumínio	160
Acessórios pneumáticos	Latão	110

Tabela 1: Acessórios e materiais usados no protótipo fabricado.

A água era usada como fluido de trabalho devido à sua alta capacidade térmica específica e ampla disponibilidade; Além disso, devido ao baixo risco de gerar chama e toxicidade nula. O fluxo através do canal era acionado por uma bomba, que era caracterizada para determinar a vazão em função da tensão.

Condições de contorno
A vazão da bomba foi caracterizada para determinar a condição de contorno da entrada no sistema. A condição de contorno da entrada é definida por uma velocidade de entrada calculada com a taxa de fluxo e a seção transversal da entrada. O comportamento da vazão da bomba é apresentado na Figura 5.

Figura 5: Vazão da bomba e velocidade de entrada. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

A Figura 5 mostra a relação entre a tensão aplicada e dois parâmetros hidráulicos-chave: a taxa média de fluxo volumétrico e a velocidade média do fluido. Cada ponto de dados representa o valor médio calculado a partir de cinco medições independentes por nível de tensão, garantindo uma interpretação estatisticamente robusta.

Tendência da vazão volumétrica
Uma tendência clara de aumento é observada na taxa média de fluxo à medida que a tensão aumenta. No nível de tensão mais baixo (4 V), a vazão média é aproximadamente 1,63 × ^{10-5 m 3}/s, enquanto em 12 V sobe para quase 3,49 × 10-5^{m 3}/s, o que representa um aumento de 110% de sobre. Esse comportamento pode ser atribuído à influência da tensão no atuador eletromecânico que impulsiona o fluxo.

À medida que a tensão aumenta, a velocidade do atuador aumenta, aumentando assim o volume deslocado por unidade de tempo.

Comportamento da velocidade média
A velocidade do fluido segue uma tendência de aumento semelhante, o que é consistente com a relação fundamental entre vazão e velocidade:

Q = A • v (1)

onde A é a área da seção transversal do conduíte e v é a velocidade média. Como a área permanece constante, mudanças em Q se traduzem diretamente em variações proporcionais em v. Neste experimento, a velocidade média aumentou de aproximadamente 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (a 4 V) para 1,41 ×^10-2 m·^s-1 (a 12 V)

Comparação entre curvas
Tanto a taxa de fluxo quanto a curva de velocidade apresentam uma relação quase linear com a tensão. Pequenas não linearidades podem estar presentes e podem ser atribuídas a fatores como instabilidades transitórias na fonte de alimentação, pequenas variações no tempo de resposta do sensor e atrito interno ou perdas de carga em regimes de fluxo mais altos. Embora esses efeitos não sejam significativos dentro do escopo do estudo atual, eles poderiam ser explorados mais a fundo usando regressão não linear ou modelagem de sistemas dinâmicos em trabalhos futuros.

Implicações práticas
Do ponto de vista da engenharia, o gráfico fornece uma correlação útil entre um parâmetro de controle acessível (tensão) e variáveis críticas de fluxo. Isso é particularmente relevante para aplicações em microfluídica, dosagem de precisão, sistemas de resfriamento por convecção forçada ou estruturas de fluxo baseadas em elementos passivos, como válvulas de Tesla. O comportamento monótono e previsível da taxa de fluxo também permite uma calibração precisa do sistema, garantindo estabilidade operacional e repetibilidade em configurações experimentais ou automatizadas.

Modelo matemático para dinâmica dos fluidos em uma válvula de Tesla
A dinâmica interna dos fluidos do dispositivo de resfriamento não é claramente compreendida do ponto de vista físico. Portanto, foi realizada uma simulação de dinâmica dos fluidos computacional (CFD) para analisar o comportamento do fluxo, visualizar turbulência que potencializa o coeficiente de transferência de calor e identificar zonas de fluido estagnado que possam ser otimizadas nos canais das válvulas Tesla.

Para simular o comportamento do fluxo de fluidos dentro da válvula de Tesla, empregamos as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds em conjunto com o modelo padrão de turbulência K-épsilon. Essa abordagem fornece um equilíbrio entre custo computacional e precisão na captura dos efeitos de turbulência dentro de passagens internas de fluxo com recirculação e redemoinhos anisotrópicos, como tipicamente observado em válvulas de Tesla.

Equações governantes
O fluido utilizado é água, considerada incompressível e newtoniana, e o fluxo é assumido como em estado estacionário. As equações governantes são as seguintes:

  (2)

onde  é o vetor de velocidade média no tempo.

     (3)

onde:

ρ [kg/^{m 3}] é a densidade do fluido,
p [Pa] é a pressão,
μ [Pa • s] é a viscosidade dinâmica,
μ_t [Pa • s] é a viscosidade turbulenta do redemoinho, definida como:

     (4)

A energia cinética de turbulência k e sua taxa de dissipação ε são regidas pelas seguintes equações de transporte:

Energia cinética turbulenta (k):

     (5)

Taxa de dissipação turbulenta (ε):

   (6)

Aqui:

k [^{m 2}/^{s 2}] é a energia cinética da turbulência,
ε [m²/^{s 3}] é a taxa de dissipação da turbulência,
P_k [kg/(m •^{s 3})] é a produção de energia cinética de turbulência, definida como:

   (7)

σ_k e σ_ε são os números de Prandtl turbulentos para k e ε, respectivamente,

C_μ, C_1ε e C_2ε são constantes empíricas.

As constantes usadas no modelo padrão k - ε são:
C_μ = 0,09, (calibrado para camadas de cisalhamento e turbulência em fluxo livre)
σ_k = 1,00, (garante difusão realista de k)
σ_ε = 1,30, (controla a difusão de ε)
C_1ε = 1,44, (equilibra produção e destruição de ε)
C_2ε = 1,92. (garante a taxa correta de dissipação de energia)

Esses valores são derivados da validação experimental em fluxos turbulentos da camada limite e têm sido amplamente utilizados em aplicações de engenharia com precisão^confiável 32,33,34,35.

A válvula Tesla apresenta condições de fluxo interno caracterizadas por separação da camada limite, zonas de recirculação e resistência direcional. Esses fenômenos são inerentemente turbulentos, e as abordagens de simulação numérica direta (DNS) ou simulação de grandes redemoinhos (LES) são computacionalmente proibitivas para projetos práticos.

O modelo k-ε é para este estudo porque fornece previsões confiáveis do campo médio de fluxo e das quantidades de turbulência em escoamentos internos de alto número de Reynolds. Ela captura efetivamente os efeitos de turbulência anisotrópica induzidos pelos canais de viragem e zonas de estagnação da válvula de Tesla, garantindo uma representação precisa do comportamento complexo do fluxo. Além disso, esse modelo é robusto e tem sido amplamente validado em aplicações de engenharia envolvendo impactamento por jato, separação de fluxo e escoamentos complexos delimitados por paredes.

Neste trabalho, as condições de contorno incluem um perfil de velocidade de entrada turbulento totalmente desenvolvido, paredes antiderrapantes e uma saída de pressão. O domínio da simulação corresponde a uma geometria de válvula Tesla de múltiplos estágios, que é malhada usando uma grade híbrida estruturada-não estruturada com refinamento na camada limite para resolver efeitos próximos à parede usando funções de parede apropriadas.

Condições de contorno e discussão
Para garantir uma simulação realista do fluxo dentro da geometria da válvula Tesla, condições de contorno apropriadas foram definidas para todas as variáveis relevantes: velocidade, pressão, energia cinética turbulenta (k) e taxa de dissipação turbulenta (ε). As seguintes condições foram impostas:

Entrada (entrada de velocidade):

Um perfil de velocidade uniforme era prescrito na entrada, assumindo um fluxo totalmente desenvolvido, incompressível e turbulento. As quantidades turbulentas k e ε foram inicializadas com base na intensidade de turbulência I e no diâmetro hidráulico D_h, usando as relações empíricas correspondentes.

(8)

Essa abordagem garante consistência com modelos empíricos de geração de turbulência e mantém a compatibilidade com a formulação padrão k-ε.

Saída (saída de pressão):
Uma pressão estática fixa (tipicamente manômetro de 0 Pa) era definida na saída para permitir uma vazão totalmente desenvolvida. Condições de gradiente zero (Neumann) foram aplicadas a todas as variáveis transportadas (velocidade, k e ε) para evitar efeitos artificiais de retorno e garantir estabilidade numérica na fronteira do domínio.

Paredes (condição de não derrapagem):
A velocidade em todas as fronteiras sólidas foi definida como zero, aplicando a condição de não derrapagem. Para modelagem de turbulência, funções padrão de parede foram usadas para representar o comportamento próximo à parede. A energia cinética turbulenta (k) foi definida a zero na parede, enquanto a taxa de dissipação (ε) foi calculada usando aproximações padrão da função da parede derivadas da lei da parede. Essas funções eliminam a necessidade de resolver a subcamada viscosa, reduzindo assim o custo computacional, sob a suposição de que o fluxo permanece dentro da região logarítmica (y⁺ > 30).

Essa configuração de fronteira captura efetivamente as principais características do fluxo dentro da válvula de Tesla, incluindo separação do fluxo, zonas de recirculação e intensificação da turbulência ao longo das passagens curvas.

Considerações sobre aquisição e medição de imagens termográficas
Para avaliar o desempenho térmico do sistema de resfriamento e do módulo LED do tipo COB, medições termográficas foram realizadas usando uma câmera infravermelha não resfriada operando na faixa espectral de 8-14 μm. A inspeção termográfica teve como objetivo caracterizar a distribuição da temperatura superficial sob condições de operação em regime estacionário. Atenção especial foi dada para minimizar as incertezas comumente associadas à termografia infravermelha.

Um dos aspectos mais críticos foi o ajuste dos valores de emissividade da superfície para uma recuperação precisa da temperatura. O sistema de resfriamento era composto por placas de alumínio usinadas por CNC com acabamento polido, cuja baixa e dependendo do ângulo de emissividade representa um desafio significativo para medições em infravermelho. Para resolver isso, as superfícies de alumínio foram revestidas com uma tinta preta fosca de alta emissividade (ε ≈ 0,95), previamente calibrada usando termopares de contato e materiais de referência infravermelhos. Esse tratamento garantiu emissividade uniforme e eliminou reflexões especulares que, de outra forma, comprometeriam a precisão das medições.

Para o módulo LED COB, cujo material encapsulante é tipicamente um silicone revestido com fósforo e maior emissividade (ε ≈ 0,92), não foi necessário revestimento adicional. No entanto, foi tomado cuidado para evitar gradientes térmicos durante a configuração da câmera, permitindo que o LED atingisse o equilíbrio térmico antes de capturar imagens. Um período de espera de pelo menos 60 minutos foi imposto após a alimentação do LED para garantir condições de estado estacionário.

As condições ambientais foram controladas durante os experimentos. As medições foram realizadas em laboratório fechado, com temperatura ambiente estável (25 ± 1 °C) e correntes de ar insignificantes.

A temperatura aparente refletida era estimada usando o método de papel alumínio amassado e ajustada manualmente na câmera de infravermelho (IR). A umidade relativa não foi levada em conta durante as medições. A câmera era montada em um tripé sem vibrações, em um ângulo perpendicular à superfície de interesse, garantindo uma geometria de visualização consistente. A distância entre a câmera e o alvo era mantida constante (aproximadamente 0,5 m), e o campo de visão era ajustado para maximizar a resolução espacial sem introduzir erros de paralaxe. A calibração era realizada antes de cada sessão usando uma fonte de referência de corpo negro para validar a resposta radiométrica da câmera. A Figura 6 ilustra o sistema experimental usado durante a aquisição termográfica. A Tabela 2 resume os principais parâmetros e procedimentos implementados para garantir medições de temperatura precisas e repetíveis.

Figura 6: Instrumentação do sistema e revestimento da amostra. (A) Instrumentação do sistema para medições de termopares. (B) Amostra revestida com tinta preta para medições termográficas. Por favor, clique aqui para ver uma versão ampliada desta figura.

Parâmetro	Valor/Descrição
Câmera IR	IR de onda longa (8–14 μm), não resfriado
Emissividade (superfície de alumínio)	Pintado a ε = 0,95 (preto fosco)
Emissividade (superfície LED COB)	ε = 0,92 (nativo)
Temperatura ambiente	25±1 °C
Distância de visualização	~ 0,5 m
Ângulo de visão	Perpendicular (incidência normal)
Tempo de equilíbrio térmico	60 minutos após ligar o LED
Temperatura aparente refletida	Estimado usando o método da folha amassada
Tratamento superficial	Tinta preta fosca aplicada em placas de alumínio
Calibração	Fonte de corpo negro antes de cada medição

Tabela 2: Parâmetros e procedimentos de termografia usados para minimização de erros.

Os parâmetros usados nas medições termográficas estão listados na Tabela 2.

Procedimento de termografia infravermelha e análise de incerteza
A termografia infravermelha (IR) foi empregada para mapear de forma não invasiva o campo de temperatura superficial de um conjunto de LED COB de 30 W resfriado por uma placa fria de microcanal com válvula Tesla. A câmera operava na banda de ondas longas (LWIR), montada em um tripé rígido, normal à superfície de interesse para minimizar os efeitos do ângulo de visão. Todas as aquisições foram realizadas após o sistema atingir condições estáveis. Uma distância fixa de imagem foi selecionada para que o tamanho instantâneo do campo de visão (IFOV) fosse pelo menos 3× menor que a menor região de interesse (ROI), garantindo amostragem espacial adequada através dos gradientes acentuados de temperatura induzidos pelas características da válvula de Tesla.

Para minimizar artefatos termográficos comuns, várias precauções foram implementadas ao longo do procedimento experimental. A ótica foi cuidadosamente limpa, e a lente foi focada manualmente na região de interesse (ROI) usando o critério de gradiente máximo, enquanto uma correção de não uniformidade (NUC) foi executada antes de cada aquisição. Para controlar a emissividade, todas as superfícies metálicas nuas, como alumínio e cobre — que são inerentemente de baixa emissividade e refletem na faixa de infravermelho de onda longa (LWIR) — foram revestidas com tinta preta fosca de alta emissividade (nominal ε ≈ 0,95) ou cobertas com fita de emissividade calibrada. Os ROIs termográficos foram definidos exclusivamente nessas áreas tratadas. A temperatura refletida aparente (T₍ref₎) foi medida usando o método da folha de alumínio amassada e incorporada ao modelo radiométrico da câmera; superfícies brilhantes ou anguladas eram protegidas de fontes externas de radiação para evitar falsos pontos quentes. As medições eram realizadas dentro de um gabinete com tiragem minimizada, com o operador posicionado atrás de uma tela e fontes de calor externas, como fontes de alimentação ou lâmpadas, mantidas fora do campo de visão para reduzir reflexões parasitas. O eixo óptico foi mantido próximo à incidência normal para limitar os efeitos de emissividade direcional e erros de paralaxe. A mesma distância da câmera e definições de ROI foram preservadas em todos os testes para garantir a repetibilidade.

As emissividades de superfície foram atribuídas da seguinte forma para recuperação de temperatura radiométrica, e apenas regiões tratadas (pintadas ou com fita adesiva) foram usadas para relatórios quantitativos: dissipador de calor de alumínio pintado de preto/válvula Tesla, ε = 0,95 ± 0,02; máscara de solda no MCPCB (branco), ε ≈ 0,90 ± 0,03; e encapsulante de silicone, ε ≈ 0,94 ± 0,03. No entanto, regiões encapsulantes não foram usadas para ROIs quantitativos para evitar efeitos de semi-transparência na faixa do LWIR.

A câmera foi configurada com a emissividade do ROI específico (tipicamente ε = 0,95) e com a_referência T medida e temperatura ambiente T_∞. Cada termograma consistia em N ≥ 10 quadros médios para reduzir ruído aleatório. Para cada ROI (por exemplo, área próxima da junção no substrato do COB e pontos representativos na placa fria), a temperatura média e o desvio padrão s_T foram registrados. O mapa térmico resultante foi usado para calcular o aumento de temperatura para análises subsequentes de resistência térmica e transferência de calor.

Seja a temperatura da superfície do LED reportada como T_IR. A incerteza padrão combinada u_c(TIR) foi estimada usando a lei de propagação da incerteza, assumindo entradas não correlacionadas:

= (9)

onde: (i) u_acc leva em conta a precisão radiométrica da câmera (especificação do fabricante, convertida para k=1), (ii) u_T,ε captura a sensibilidade à emissividade, (iii)_{o foco} u representa descompasso de foco/IFOV, (iv) u_NUC cobre resíduos de não uniformidade do detector, (v)_u modela a incerteza na temperatura aparente refletida, e (vi)_{u rep} é a repetibilidade (quadro a quadro e run-to-run).

Para sensibilidade à emissividade, a linearização da inversão de Stefan-Boltzmann em torno de (T,ε) produz a aproximação amplamente utilizada:

(10)

com T em kelvin. A incerteza ampliada em ~ 95% de confiança foi reportada como U(_{T IR)} ≈ 2uc(_{T IR).}

Os seguintes valores representativos correspondem a medições feitas em regiões pintadas de preto próximas a 65 °C (T ≈ 338 K). A câmera possui uma especificação de precisão de ±2 °C ou ±2% da leitura, tratada como k = 2. A emissividade foi ajustada para ε = 0,95 ± 0,02, com óptica bem focada e reflexões controladas. As contribuições individuais de incerteza foram as seguintes: a precisão da câmera (k = 1) resulta_{em u a}cc = 1,0 K; a contribuição da emissividade, estimada a partir da Equação (10), é u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; o efeito de foco ou IFOV dá u_focus = 0,3 K; o residual de correção de não uniformidade u_NUC = 0,2 K; a temperatura aparente refletida u_ref = 0,4 K; e a repetibilidade entre quadros ou execuções u_rep = 0,2 K.

Assim

= 

Os resultados da incerteza são apresentados na Tabela 3.

Fonte	Símbolo	Std. Unc. (k=1)	Anotações
Precisão radiométrica da câmera	u_acc	1.0 K	Especificação ±2K tratada como k=2
Emissividade (pintado, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 K	Equ. (10), T = 338 K
Incompatibilidade entre foco e IFOV	u_focus	0,3 K	Tamanho do espaço ≈ ROI
Não uniformidade do detector	u_NUC	0,2 K	Resíduos pós-NUC
Temperatura aparente refletida	u_ref	0,4 K	Método de flor de alumínio para T_ref
Repetibilidade	u_rep	0,2 K	Média quadro/corrida
Combinado (k=1)	u_c(T_IR)	2,15 K	Equalização (9)
Expandido (k=2)	U(T_IR)	4,30 K	≈ 2u_c

Tabela 3: Orçamento de incerteza para a temperatura IR sobre ROI pintado de preto (ilustrativo).

O comportamento térmico geral do conjunto do LED COB resfriado por uma placa de microcanal de válvula Tesla pode ser quantificado pelo conceito de resistência térmica. De forma análoga à lei de Ohm em circuitos elétricos, a resistência térmica R_θ relaciona o aumento de temperatura do LED à potência de entrada dissipada como calor:

(11)

onde T_LED é a temperatura superficial do pacote LED, T_∞ é a temperatura do ar ambiente, e P é a energia elétrica fornecida ao LED (assumindo que quase toda ela é convertida em calor). Um valor baixo de R_θ indica remoção eficiente de calor, o que é fundamental para manter a eficácia luminosa e garantir a confiabilidade a longo prazo de LEDs de alta potência.

O calor gerado na junção do LED segue um caminho condução-convecção. Inicialmente, o calor flui por condução através do substrato do LED, da interface de solda e do material da válvula Tesla. Uma vez transferido para os microcanais, o calor é removido por convecção para o fluido de arrefecimento que flui para dentro. Cada interface contribui para o R_θ geral:

(12)

com a resistência convectiva R_{θ, convectiva}, tipicamente dominante em sistemas compactos de LED de alto fluxo. O diagrama de resistência é mostrado na Figura 7.

Figura 7: Rede de resistência térmica do LED COB acoplada ao microcanal da válvula Tesla. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O calor flui da junção LED através de caminhos de condução e entra no fluido de arrefecimento por convecção, com cada estágio representado como uma resistência térmica (_{R js},_{R cond},_{R conv}).

Os microcanais da válvula Tesla atuam como promotores passivos de turbulência, aumentando o coeficiente local de transferência de calor convectiva h sem a necessidade de partes móveis. Ao contrário dos microcanais retos, o projeto Tesla introduz curvatura e zonas de recirculação que intensificam a mistura, aumentando assim o resfriamento por convecção. A resistência convectiva efetiva pode ser expressa como:

(13)

onde A é a área efetiva de transferência de calor. Valores mais altos de h alcançados pelo efeito válvula Tesla reduzem diretamente o_{R θ}, levando a temperaturas de funcionamento dos LEDs mais baixas. No entanto, esse aprimoramento vem ao custo de uma queda de pressão adicional, que deve ser equilibrada com as necessidades de potência de bombeamento.

Para o LED COB de 30 W testado, medições típicas indicaram um aumento da temperatura superficial de ΔT ≈ 40 K acima do ambiente, com uma potência dissipada efetiva de P ≈ 29,9 W. Substituindo em Eq. (11), a resistência térmica total foi:

Esse valor é notavelmente menor do que o dos sumidouros passivos convencionais de pegada semelhante, destacando o efeito benéfico da placa de microcanal da válvula Tesla. Além disso, a distribuição espacial de temperatura obtida por termografia infravermelha confirmou que as regiões diretamente acopladas aos canais de Tesla exibiam campos de temperatura mais uniformes, evidenciando melhor desempenho convectivo.

Implicações
Uma resistência térmica reduzida se traduz em uma temperatura de junção de LED mais baixa, mitigando diretamente a depreciação do lúmen e a mudança de cor, ambos dependentes da temperatura.

A abordagem de microcanal com válvulas Tesla oferece, portanto, um aprimoramento passivo prático para sistemas compactos de resfriamento LED, unindo fabricabilidade com desempenho térmico-hidráulico. No entanto, o aumento da resistência hidráulica introduzido pela geometria de Tesla deve ser considerado na seleção da bomba e nas análises de eficiência energética em nível de sistema.

Resultados

Fabricação de protótipos

O protótipo foi fabricado usando fresagem CNC para criar tanto os canais Tesla quanto as câmaras. Os canais Tesla usinados são mostrados na Figura 8A, enquanto as câmaras fabricadas são apresentadas na Figura 8A. Posteriormente, foi realizado um processo de perfuração para formar as portas de entrada e saída nas câmaras.

Discussão

Ao contrário dos dissipadores convencionais 9,10,11,12,13,14, o sistema integra um mecanismo de convecção forçada dentro de uma configuração compacta que melhora significativamente a dissipação de calor. Importante, a integração das portas de entrada e saída em configuração radial permite que...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
FreeCad Software	Comunidade FreeCAD	https://forum.freecad.org/	Software de código aberto usado para criar geometrias e conjuntos (RRID:SCR_066611).
Fresagem CNC Genérica 3018 Pro Max	Genérico (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Fresadora CNC de mesa usada para fabricar a válvula Tesla.
Câmera Infravermelha	Unidade-T	Série UTi260B / UTi720	Câmera infravermelha usada para capturar a distribuição de temperatura no dispositivo.
Software de Oitava	Projeto GNU	https://octave.org/	Software de código aberto usado para processamento de dados e geração de gráficos (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (Grupo ESI)	Software CFD de código aberto usado para resolver o modelo numérico (RRID:SCR_014876).
Paraview Software	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Software de código aberto usado para pós-processamento da solução numérica (RRID:SCR_002516).
Termopares	Unidade-T	Série UT325/UT320	Termopares usados para capturar o comportamento térmico.