Термическое усиление светодиодных систем охлаждения с использованием пассивных клапанов Теслы для конвекции, вызванной турбулентностью

Краткое содержание

В данной работе представлен экспериментальный протокол оценки теплового поведения мощных светодиодов Chip-on-Board (COB) с использованием инфракрасной термографии. Компактное устройство с принудительно-конвекционным охлаждением было протестировано при переменной мощности и потоке воздуха, демонстрируя эффективное рассеивание тепла и безопасные температуры переходов для компактных применений, таких как умное освещение и встроенная электроника.

Аннотация

В данном исследовании представлена экспериментальная методология оценки теплового поведения мощных светодиодов Chip-On-Board (COB) светодиодов с использованием инфракрасной термографии, интегрированной с новым компактным устройством охлаждения с принудительной конвекцией. Тепловые характеристики оценивались при различных входных мощностях и расходах, что показало способность системы поддерживать температуру светодиодных переходов ниже критических порогов. Термографическая визуализация позволила проводить пространственно-разрешённый температурный анализ поверхности светодиода как в естественном, так и при принудительной конвекционном режимах. Предлагаемое охлаждающее устройство было специально разработано для компактной интеграции с радиальной конфигурацией входа/выхода, которая минимизирует пространство и максимизирует эффективность рассеивания тепла. Полученные результаты моделирования были проверены по экспериментальным данным, что гарантировало надёжность предлагаемого подхода охлаждения. Данная работа демонстрирует реализуемый и воспроизводимый метод характеристик теплового управления в твердотельных световых системах, предоставляя масштабируемое решение для интеграции в ограниченных условиях, таких как светодиодные светильники, умные системы освещения или встроенные электронные модули.

Введение

Растущий спрос на решения для освещения с высокой мощностью вывел светодиоды, излучающие светодиоды (CHIP-on-Board, COB) на передний план современных технологий освещения. COB-светодиоды, характеризующиеся множеством светодиодных чипов, установленных непосредственно на теплопроводящей подложке, обеспечивают превосходную световую эффективность и компактность. Однако их высокая плотность мощности и компактный форм-фактор создают серьёзные проблемы с теплоуправлением. Эффективное рассеивание тепла имеет первостепенное значение для поддержания производительности, надёжности и долговечности этих^{устройств 1}.

В светодиодах COB значительная часть электрической энергии преобразуется в тепло, а не в свет, что требует эффективных стратегий теплового управления для предотвращения снижения производительности и обеспечения долговечности устройства². Традиционные методы пассивного охлаждения, такие как теплоотводы и тепловые интерфейсные материалы, часто не успевают рассеять интенсивное тепло, создаваемое мощными светодиодами^{COB 3}. В связи с этим существует острая потребность в инновационных решениях для охлаждения, которые эффективно управляют тепловыми нагрузками без ущерба для компактности и эффективности систем освещения.

Качество светодиодного освещения включает различные параметры: индекс цветопередачи (CRI)⁴, световой поток, температура, цвет и срок службы. Указанные параметры чувствительны к теплу; некоторые работы сообщали, что световой поток уменьшает его значение на 0,108 лм на градус^{Цельсия 5}. Abdelmlek и ^др.6 показывают корреляцию, которая оценивает срок службы светодиодов COB в зависимости от температуры, что связано с температурным переходом светодиода. Недавние достижения в области микроэлектроники привели к постоянному увеличению частот работы устройств и постепенной миниатюризации электронных компонентов. Эти тенденции приводят к значительно более высокой плотности мощности и тепловым потокам, что бросает вызов традиционным стратегиям теплового управления ^7,8. Такие тепловые нагрузки, если их недостаточно контролировать, могут серьёзно снизить надёжность и производительность устройства.

Для улучшения отвода тепла на светодиодах COB некоторые исследователи разработали тепловоды с определённой геометрией и конфигурациями, позволяющие улучшить теплопередачу от светодиода к окружающей среде через свободную^{конвекцию} 9,10,11,12,13,14. Такие теплоотводы эффективно снижают энергопотребление во время работы, но количество тепла ограничено поверхностной площадью, увеличивая их размер при увеличении, что приводит к появлению более крупных устройств при сильных тепловых потоках. Светодиоды с высокой мощностью с микросхемой на плате (COB) объединяют несколько кристаллов на компактной подложке, обеспечивая высокую световую эффективность, но при этом создавая значительную плотность теплового потока, что угрожает надёжности устройства. Эффективное термическое управление необходимо для поддержания температуры соединения ниже критических пределов. Традиционно применялись пассивные подходы, такие как ребраные теплоотводы и естественная конвекция; однако их производительность ограничена ограниченной площадью поверхности и относительно низкими конвективными коэффициентами, достижимыми при потоке, основанном на плавучести. Для преодоления этих ограничений были широко изучены активные решения, включая радиаторы с принудительным воздушным управлением, тепловые трубки, распылительное охлаждение и микроканалы с жидкостным охлаждением, которые обеспечивают более низкие тепловые сопротивления и более равномерное распределение температуры. Основываясь на этом прогрессе, наша работа рассматривает альтернативную стратегию: интеграцию микроканалов Tesla, усиленных клапанами, в компактную холодную пластину. Эта конструкция использует свойства пассивной диодности и смешивания потоков геометрий Теслы для усиления локальной конвекции, избегая необходимости в движущихся частях или сложных многообразиях, тем самым преодолевая разрыв между традиционными микроканалами и более сложными системами активного охлаждения.

Для управления высокими тепловыми потоками в таких приложениях системы жидкостного охлаждения являются хорошим вариантом, поскольку они способны повысить коэффициент теплопередачи и улучшить теплообмен в более увольняющих пространствах по сравнению с пассивными системами. Существуют работы, сообщающие об использовании жидкостного охлаждающего жидкости, например, холодных пластин с разной конфигурацией^{каналов 15, 16, 17 и 18}.

Одним из перспективных подходов является интеграция микроканальных теплоотводов, которые улучшают теплопередачу, увеличивая площадь поверхности при контакте с охлаждающей средой. Среди различных конструкций микроканалов клапан Теслы — пассивное устройство с недвижущимися частями — привлекло внимание своей способностью управлять направлением потока жидкости, оптимизируя теплопередачу и минимизируя обратный поток. Уникальная геометрия клапанов Tesla способствует однонаправленному потоку, что может быть преимуществом в тепловых системах, способствуя эффективной циркуляции охлаждающей жидкости и улучшению общего рассеивания тепла. Для увеличения коэффициента теплопередачи исследователи включили геометрии, которые нарушают линии пути жидкости. Клапан Теслы — это геометрическая конфигурация каналов, позволяющая жидкости двигаться в одном направлении; Он работает как диодный клапан (однонаправленный). Когда поток подаётся в противоположном направлении, давление и турбулентность внутри системы значительно увеличиваются. Некоторые работы используют клапан Теслы для увеличения турбулентности, что является следствием увеличения коэффициента теплопередачи. Некоторые исследователи использовали параметрические модели для определения схем потока жидкости в клапанах Теслы для использования в качестве системы^{охлаждения 19,20}. Самое распространённое применение клапана Тесла в системе охлаждения — через холодные^{пластины 21, 22, 23}. Например, исследования показали, что включение клапанных конструкций Теслы в микроканальные теплоотводы может повысить тепловые характеристики, способствуя турбулентному потоку и увеличивая коэффициент конвективной^{теплопередачи 24}. Эти результаты свидетельствуют о том, что микроканальные радиаторы Tesla на основе клапанов могут быть жизнеспособным решением для управления тепловыми проблемами, связанными с высокомощными светодиодами COB.

Несколько исследований были посвящены тепловому управлению мощными COB-светодиодами с помощью жидкостных методов охлаждения. Например, методы струйного импинджмента и распыляющего охлаждения показали коэффициенты теплопередачи порядка 104-105 Вт·^м-2· ^K-1, эффективно поддерживая температуру перехода ниже критического порога в 120 °C при относительно низкой мощности^{насоса 25,26}. Аналогично, микроканальные холодные пластины, изготовленные под COB-массивами, достигли теплового сопротивления до 0,019 °C/W при циркуляции воды с умеренной скоростью, что подчеркивает большой потенциал миниатюризации каналов для повышения эффективности^{охлаждения 27,28}. Другие стратегии включают теплоотдатели²⁹, усиленные феррофлюидом, и компактные тепловые модули, разработанные на базе корпуса^{COB 30}, оба демонстрируют улучшенное термическое распределение и снижение теплового сопротивления по сравнению с обычными твердометаллическими поглотителями.

По сравнению с этими подходами, предлагаемая охлаждающая пластина на основе клапанов Теслы вводит новый пассивный механизм, усиливающий смешивание и генерацию турбулентности без необходимости использования движущихся частей или сложных коллекторов. Хотя клапаны Теслы исследовались в электронике и энергетических системах с точки зрения их возможностей диодности и управления^{потоком,} их применение для охлаждения светодиодов COB не было подробно описано в литературе. Эта работа, таким образом, вносит оригинальный вклад в адаптацию сетей потока Теслы с клапанами к специфическим требованиям светодиодного теплового управления. Наши результаты показывают, что при принудительной конвекции пластина клапана Теслы достигает конкурентоспособного снижения температуры поверхности по сравнению с устоявшимися стратегиями жидкостного охлаждения, с дополнительным преимуществом в виде упрощённой геометрии и устойчивости к засорам или механическим разрушениям.

В этом исследовании мы изучаем эффективность алюминиевого микроканального теплоотвода с использованием конструкций клапанов Tesla для термического управления светодиодом мощностью 30 Вт COB. Дизайн направлен на использование направленного управления течением клапанов Tesla для улучшения циркуляции и рассеивания тепла охлаждающей жидкости. Проводя экспериментальные оценки, мы оцениваем тепловые характеристики предлагаемой системы охлаждения, анализируя такие параметры, как распределение температуры, тепловое сопротивление и общая эффективность охлаждения. Результаты этого исследования могут способствовать разработке передовых пассивных систем охлаждения для мощных светодиодов, способствуя оптимизации стратегий управления теплом в компактных электронных устройствах. Сложность этого проекта заключалась в установке клапана Tesla поверх существующего теплоотвода. При такой схеме рассеиваемая мощность значительно рассеивается, что позволяет использовать устройства с высокой мощностью в компактной системе охлаждения.

Рисунок 1 представляет схему методологии, использованной в этом исследовании. Процесс начинается с создания геометрии светодиодного охлаждающего устройства с помощью программного обеспечения CAD. Затем геометрия импортируется в решатель CFD (OpenFOAM/ANSYS Fluent), где для проведения симуляции тепловой жидкости применяются генерация сетки и граничные условия. Параллельно реализуется экспериментальная установка, включающая термопары и инфракрасную камеру для измерения температуры. Наконец, результаты моделирования проверяются по экспериментальным данным, что гарантирует надёжность предлагаемого подхода охлаждения.

Рисунок 1: Схема экспериментального рабочего процесса: (1) создание геометрии, (2) симуляции CFD, (3) производство прототипа, (4) термические измерения и (5) валидация. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Протокол

Геометрия охлаждающего устройства
Цель проекта — поддерживать светодиод COB мощностью 50 Вт при допустимой температуре с использованием клапана Tesla. COB, используемый в качестве источника тепла, показан на рисунке 2A, а на рисунке 2B показано 50 включённых кристаллов, что указывает на то, что каждый кристалл имеет 1 Вт мощности.

Рисунок 2: LED COB и количество чипов кристаллов. (A) LED COB, использованный в эксперименте, (B) Демонстрация количества используемых кристаллов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

В литературе сообщалось, что некоторые клапаны Теслы имеют источник тепла, установленный над устройствами, содержащими клапан Тесла, поэтому в этой статье светодиод является частью устройства, поскольку он размещается над каналами клапанов Теслы в прямом контакте с охлаждающей жидкостью, чтобы улучшить теплопередачу от светодиода к жидкости, минимизируя тепловое сопротивление. Рисунок 3A показывает геометрию устройства. На верхней поверхности с прозрачностью показано место, где установлен светодиод. С другой стороны, на рисунке 3B показана предлагаемая сборка для охлаждающего устройства.

Рисунок 3: Геометрия и предлагаемая сборка охлаждающего устройства. (A) Предложенное устройство охлаждения, показывающее каналы клапанов Tesla. (B) Предложено собрать охлаждающее устройство. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

С целью прямого контакта светодиода с жидкостью вход и выход жидкости были спроектированы поверх верхней поверхности, как показано на рисунке 4A. Жидкость проводится от насоса к каналам Теслы через входной терминал. Затем жидкость заполняет камеру впуска, и она подаётся в каналы с входными каналами, показанные на рисунке 4B. На рисунке 4B вид поверхности выше показывает жидкостные камеры устройства без соединений, включая верхнюю крышку.

Рисунок 4: Изометрический вид сзади устройства. (A) Изометрический вид поверхностного охлаждающего устройства. (B) Жидкостные камеры устройства. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Материалы и аксессуары
Материалы и аксессуары, использованные в эксперименте, приведены в таблице 1. Для шлифовки каналов Tesla с помощью ЧПУ-станка использовалась алюминиевая плоская перекладина. Алюминий был выбран из-за баланса между теплопроводностью и стоимостью. Кроме того, обработка алюминия проще и быстрее, чем другие компоненты, такие как сталь или твёрдые материалы. Верхняя крышка, показанная на рисунке 4A , также была выполнена из алюминия. Входные и выходные клеммы изготовлены из латуни и соединяются через резьбовые отверстия на верхней крышке. Металлический сердечник COB был изготовлен из алюминиевого сплава для улучшения теплопередачи.

Пункт	Материал	Теплопроводность с2мк
Плоская перекладина	Алюминий	160
Metal-Core	Алюминий	160
Верхняя обложка	Алюминий	160
Пневматические фитинги	Латунь	110

Таблица 1: Аксессуары и материалы, использованные в прототипе.

Вода использовалась в качестве рабочей жидкости благодаря высокой удельной теплоёмкости и широкой доступности; кроме того, из-за низкого риска образования пламени и нулевой токсичности. Поток по каналу приводился в движение насосом, который определял расход в зависимости от напряжения.

Граничные условия
Расход насоса был охарактеризован для определения граничного положения входа в систему. Граничное условие входа определяется скоростью впуска, рассчитанной с учётом расхода и поперечного сечения входа. Поведение расхода насоса показано на рисунке 5.

Рисунок 5: Расход насоса и скорость входа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой рисунка.

Рисунок 5 показывает связь между приложенным напряжением и двумя ключевыми гидравлическими параметрами: средним объемным расходом и средней скоростью жидкости . Каждая точка данных представляет среднее значение, рассчитанное на основе пяти независимых измерений на уровень напряжения, обеспечивая статистически надёжную интерпретацию.

Тенденция объемного расхода
В среднем расходе наблюдается явная тенденция роста по мере увеличения напряжения. При минимальном уровне напряжения (4 В) средний расход составляет примерно 1,63 × ^{10-5 м 3}/с, а при 12 В он поднимается почти до 3,49 × 10-5^{м 3}/с, что составляет увеличение на 110% по сравнению с этим поведением. Это поведение объясняется влиянием напряжения на электромеханический привод, приводящий в движение поток.

По мере увеличения напряжения скорость привода увеличивается, что увеличивает объем перемещения за единицу времени.

Поведение средней скорости
Скорость жидкости следует аналогичной тенденции роста, что соответствует фундаментальной зависимости между расходом и скоростью:

Q = A • v (1)

где A — площадь сечения канала, а v — средняя скорость. Поскольку площадь остаётся постоянной, изменения в Q напрямую приводят к пропорциональным изменениям в v. В этом эксперименте средняя скорость увеличилась примерно с 6,5 ×^10-3 м·^с-1 (при 4 В) до 1,41 ×10-2 м·^с-1 (при 12 В)

Сравнение кривых
И кривые расхода, и скорости имеют почти линейную зависимость от напряжения. Могут присутствовать незначительные нелинейности и объясняться такими факторами, как временные нестабильности в источнике питания, небольшие колебания времени отклика датчика и внутреннее трение или потери напора при более высоких режимах потока. Хотя эти эффекты не являются значимыми в рамках текущего исследования, их можно будет дальнейшее исследовать с помощью нелинейной регрессии или моделирования динамических систем в будущих работах.

Практические последствия
С инженерной точки зрения график обеспечивает полезную корреляцию между доступным управляющим параметром (напряжение) и критическими переменными потока. Это особенно актуально для применения в микрофлюидике, точном дозировании, системах принудительной конвекции охлаждения или структурах потока на основе пассивных элементов, таких как клапаны Тесла. Монотонное и предсказуемое поведение расхода также обеспечивает точную калибровку системы, обеспечивая операционную стабильность и повторяемость в экспериментальных или автоматизированных системах.

Математическая модель гидродинамики в клапане Теслы
Внутренняя гидродинамика охлаждающего устройства не полностью изучена с физической точки зрения. Поэтому была проведена вычислительная симуляция гидродинамики (CFD) для анализа поведения потока, визуализации турбулентности, повышающей коэффициент теплопередачи, и выявления зоны застойной жидкости, которые можно оптимизировать в каналах клапанов Тесла.

Для моделирования поведения потока жидкости в клапане Теслы мы используем уравнения Навье-Стокса с усредненным по Рейнольдсу в сочетании со стандартной моделью турбулентности K-эпсилона. Этот подход обеспечивает баланс между вычислительными затратами и точностью при фиксации турбулентных эффектов внутри потоковых каналов с рециркуляционными и анизотропными вихрями, как это обычно наблюдается в клапанах Тесла.

Управляющие уравнения
Используемая жидкость — вода, считается несжимаемой и ньютоновской, и предполагается, что поток является устойчивым. Управляющие уравнения следующие:

  (2)

где  — вектор скорости, усреднённый по времени.

     (3)

где:

ρ [кг/^{м 3}] — плотность жидкости,
p [Pa] — это давление,
μ [Pa • s] — динамическая вязкость,
μ_t [Pa • s] — это турбулентная вихревая вязкость, определяемая как:

     (4)

Кинетическая энергия турбулентности k и её скорость диссипации ε определяются следующими уравнениями транспорта:

Турбулентная кинетическая энергия (k):

     (5)

Скорость диссипации турбулентности (ε):

   (6)

Здесь:

k [m²/^{s 2}] — кинетическая энергия турбулентности,
ε [m²/^{s 3}] — скорость рассеяния турбулентности,
P_k [kg/(m •^{s 3})] — это произведение кинетической энергии турбулентности, определяемое как:

   (7)

σ_k и_{σ ε} — это турбулентные числа Прандтля для k и ε соответственно,

C_μ,_{C 1ε} и C_2ε — эмпирические константы.

Константы, используемые в стандартной модели k - ε, следующие:
C_μ = 0,09 (калибровано для сдвиговых слоёв и свободной турбулентности)
σ_k = 1,00, (обеспечивает реалистичную диффузию k)
σ_ε = 1,30, (управляет диффузией ε)
C_1ε = 1,44, (балансирует производство и уничтожение ε)
C_2ε = 1,92. (обеспечивает правильную скорость рассеяния энергии)

Эти значения получены в результате экспериментальной валидации в турбулентных потоках пограничного слоя и широко применяются в инженерных приложениях с надёжной^{точностью} 32,33,34,35.

Клапан Теслы характеризуется внутренними условиями потока, характеризующимися разделением пограничного слоя, зонами рециркуляции и направленным сопротивлением. Эти явления по своей сути турбулентны, и методы прямого численного симуляции (DNS) или моделирования больших вихрей (LES) вычислительно незатратны для практических проектировок.

Модель k-ε предназначена для этого исследования, поскольку она обеспечивает достоверные прогнозы среднего поля потока и величин турбулентности во внутренних потоках с высоким числом Рейнольдса. Он эффективно фиксирует анизотропные турбулентные эффекты, вызванные вращающимися каналами и зонами застоя клапана Тесла, обеспечивая точное представление сложного поведения потока. Кроме того, эта модель надёжна и широко проверена в инженерных приложениях, связанных с сопротивлением струй, разделением потоков и сложными потоками, ограниченными стенками.

В этой работе граничные условия включают полностью развитый турбулентный профиль скорости входа, стенки без проскальзывания и выход давления. Область симуляции соответствует многоступенчатой геометрии клапана Тесла, которая объединяется с помощью гибридной структурированной и неструктурированной сетки с уточнением пограничного слоя для разрешения эффектов вблизи стенки с использованием соответствующих функций стенки.

Граничные условия и обсуждение
Для обеспечения реалистичного моделирования потока в геометрии клапана Теслы были определены соответствующие граничные условия для всех соответствующих переменных: скорости, давления, турбулентной кинетической энергии (k) и скорости турбулентного рассеяния (ε). Были введены следующие условия:

Вход (вход по скорости):

На входе был предписан однородный профиль скорости при условии полностью развитого, несжимаемого и турбулентного потока. Турбулентные величины k и ε инициализировались на основе интенсивности турбулентности I и гидравлического диаметра D_h, используя соответствующие эмпирические соотношения.

(8)

Этот подход обеспечивает согласованность с эмпирическими моделями генерации турбулентности и сохраняет совместимость со стандартной формулировкой k-ε.

Выход (выход давления):
Фиксированное статическое давление (обычно манометр 0 Па) устанавливалось на выходе для обеспечения полноценного выхода. Условия нулевого градиента (Ноймана) применялись ко всем переносимым переменным (скорость, k и ε), чтобы предотвратить искусственные эффекты обратного потока и обеспечить численное значение на границе области.

Стены (без скольжения):
Скорость на всех границах твёрдых тел была равна нулю, применяя условие отсутствия проскальзывания. Для моделирования турбулентности использовались стандартные функции стенок для представления поведения вблизи стены. Турбулентная кинетическая энергия (k) была равна нулю на стенке, а скорость рассеяния (ε) вычислялась по стандартным приближениям стенковых функций, выведенных из закона стенки. Эти функции устраняют необходимость разрешения вязкого подслоя, тем самым снижая вычислительные затраты при условии, что поток остаётся в логарифмической области (y⁺ > 30).

Эта конфигурация границ эффективно отражает основные особенности потока внутри клапана Тесла, включая разделение потока, зоны рециркуляции и усиление турбулентности вдоль изогнутых проходов.

Вопросы получения и измерения термографических изображений
Для оценки тепловых характеристик системы охлаждения и светодиодного модуля типа COB термографические измерения проводились с использованием неохлаждённой инфракрасной камеры, работающей в спектральном диапазоне 8-14 мкм. Целью термографического осмотра было охарактеризовать распределение температуры поверхности в условиях стационарной работы. Особое внимание уделялось минимизации неопределённостей, часто связанных с инфракрасной термографией.

Одним из важнейших аспектов была корректировка значений поверхностного излучения для точного получения температуры. Система охлаждения состояла из алюминиевых пластин, обработанных с ЧПУ, с полированным покрытием, чья низкая и зависящая от угла эмиссивность создаёт серьёзную сложность для инфракрасных измерений. Для устранения этой проблемы алюминиевые поверхности были покрыты матовой чёрной краской с высокой эмиссионностью (ε ≈ 0,95), предварительно откалиброванной с помощью контактных термопар и инфракрасных эталонных материалов. Такое лечение обеспечивало равномерную эмиссивность и устраняло зеркальные отражения, которые в противном случае могли бы снизить точность измерений.

Для светодиодного модуля COB, инкапсулирующий материал которого обычно представляет собой силикон с фосфорным покрытием и более высокой эмиссивностью (ε ≈ 0,92), дополнительное покрытие не требовалось. Однако при установке камеры было осторожно избегать тепловых градиентов, позволяя светодиоду достичь теплового равновесия перед захватом изображений. После включения светодиода устанавливался период ожидания не менее 60 минут для обеспечения установления стационарных условий.

В ходе экспериментов контролировались условия окружающей среды. Измерения проводились в закрытой лаборатории со стабильной температурой окружающей среды (25 ± 1 °C) и незначительными воздушными потоками.

Отражённая видимая температура оценивалась методом смятого алюминиевого фольги и настраивалась вручную в инфракрасной (ИК) камере. Относительная влажность не учитывалась при измерениях. Камера была установлена на штатив без вибраций под перпендикулярным углом к интересуемой поверхности, обеспечивая согласованную геометрию обзора. Расстояние между камерой и целью оставалось постоянным (примерно 0,5 м), а поле зрения корректировалось для максимального пространственного разрешения без появления ошибок параллакса. Калибровка проводилась перед каждой сессией с использованием эталонного источника чёрного тела для подтверждения радиометрической реакции камеры. Рисунок 6 иллюстрирует экспериментальную установку, использованную во время термографического снимка. Таблица 2 обобщает ключевые параметры и процедуры, реализованные для обеспечения точных и повторяемых измерений температуры.

Рисунок 6: Системные приборы и покрытие образцов. (A) Системное оборудование для измерений термопары. (B) Образец покрыт чёрной краской для термографических измерений. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.

Параметр	Ценность/Описание
ИК-камера	Длинноволновый инфракрасный диапазон (8–14 мкм), неохлаждённый
Эмиссивность (алюминиевая поверхность)	Покраска ε = 0,95 (матовый чёрный)
Эмиссивность (поверхность светодиодов COB)	ε = 0,92 (родной язык)
Температура окружающей среды	25±1 °C
Дальность просмотра	~ 0,5 м
Угол обзора	Перпендикулярно (нормальная падение)
Время теплового равновесия	60 минут после включения светодиода
Отражённая видимая температура	Оценка с использованием метода мятого фольги
Поверхностная обработка	Матовая чёрная краска нанесена на алюминиевые пластины
Калибровка	Источник чёрного тела перед каждым измерением

Таблица 2: Параметры и процедуры термографии для минимизации ошибок.

Параметры, используемые в термографических измерениях, приведены в таблице 2.

Процедура инфракрасной термографии и анализ неопределённости
Инфракрасная (ИК) термография была использована для неинвазивного картирования поверхностного температурного поля COB светодиодного комплекса мощностью 30 Вт, охлаждаемого микроканальной холодной пластиной Теслы. Камера работала в длинноволновом диапазоне (LWIR), установленном на жёстком штативе, перпендиальном к интересующей поверхности для минимизации эффектов угла обзора. Все приобретения осуществлялись после достижения стабильных условий системы. Было выбрано фиксированное расстояние для съёмки, чтобы размер мгновенного поля зрения (IFOV) был как минимум на 3× меньше самой маленькой области интереса (ROI), обеспечивая адекватную пространственную пробу через крутые температурные градиенты, вызванные особенностями клапана Тесла.

Для минимизации распространенных термографических артефактов на протяжении всей экспериментальной процедуры были приняты различные меры предосторожности. Оптика тщательно очищалась, а объектив вручную фокусировался на интересующую область (ROI) по критерию максимального градиента, при этом перед каждым снимком выполнялась коррекция неоднородности (NUC). Для контроля эмиссивности все обнажённые металлические поверхности, такие как алюминий и медь — которые по своей природе обладают низкой эмиссивностью и отражают в диапазоне длинноволнового инфракрасного диапазона (LWIR) — покрывались матовой чёрной краской с высокой эмиссивностью (номинальная ε ≈ 0,95) или покрывались откалиброванной лентой. Термографические ROI определялись исключительно на этих обработанных участках. Видимая отражённая температура (T₍ref₎) измерялась методом скомканной алюминиевой фольги и включена в радиометрическую модель камеры; Блестящие или наклонные поверхности были защищены от внешних источников излучения для предотвращения ложных горячих точек. Измерения проводились внутри корпуса с минимальным сквозняком, оператор располагался за экраном, а внешние источники тепла, такие как блоки питания или лампы, были размещены вне поля зрения для уменьшения паразитических отражений. Оптическая ось поддерживалась близко к нормальному падению для ограничения эффектов направленной эмиссивности и ошибок параллакса. Одинаковые значения расстояния камеры и ROI сохранялись на всех испытаниях для обеспечения повторяемости.

Для радиометрического подбора температуры были распределены эмиссивности поверхности следующим образом, и для количественной отчетности использовались только обработанные (окрашенные или заклеенные) области: алюминиевый радиатор с черной окрашенностью/клапан Тесла, ε = 0,95 ± 0,02; паяльная маска на MCPCB (белая) ε ≈ 0,90 ± 0,03; и силиконовый инкапсулянт ε ≈ 0,94 ± 0,03. Однако инкапсулятивные области не использовались для количественной отдачи от инвестиций, чтобы избежать эффектов полупрозрачности в диапазоне LWIR.

Камера была настроена с учетом эмиссивности определённого ROI (обычно ε = 0,95) и с измеренным_{референсом} T и температурой окружающей среды T_∞. Каждая термограмма состояла из N ≥ 10 кадров, усредненных для уменьшения случайного шума. Для каждой ROI (например, область близкого к соединению на субстрате COB и представительные точки на холодной плите) фиксировалась средняя температура и стандартное отклонение s_T . Полученная тепловая карта использовалась для вычисления повышения температуры в последующих анализах теплового сопротивления и теплопередачи.

Пусть заявленная температура поверхности светодиода равна_{T IR}. Объединённая стандартная неопределённость u_c(TIR) была оценена с использованием закона распространения неопределённости, при условии некоррелированных входов:

= (9)

где: (i)_{U ACC} учитывает радиометрическую точность камеры (спецификация производителя, преобразована в k=1), (ii)_{u T,ε} фиксирует чувствительность к эмиссивности, (iii)_{u фокус} представляет несоответствие дефокуса и IFOV, (iv)_{u NUC} охватывает остатки неоднородности детектора, (v)_{u ref} моделирует неопределённость в отражённой видимой температуре, и (vi) u_rep — повторяемость (от кадра к кадру и run-torun).

Для чувствительности к эмиссивности линеаризация инверсии Штефана–Больцмана около (T,ε) даёт широко используемое приближение:

(10)

с тестостероном в кельвине. Расширенная неопределённость на уровне ~ 95% уверенности была зафиксирована как U(_{T IR}) ≈ 2uc(_{T IR}).

Следующие репрезентативные значения соответствуют измерениям, проведённым на черно-окрашенных областях около 65 °C (T ≈ 338 K). Камера имеет спецификацию точности ±2 °C или ±2% от показаний, что рассматривается как k = 2. Эмиссивность была установлена на ε = 0,95 ± 0,02, с хорошо сфокусированной оптикой и контролируемыми отражениями. Индивидуальные вклады неопределённости были следующими: точность камеры (k = 1) даёт u_acc = 1,0 K; вклад в эмиссивность, оценённый по уравнению (10), составляет u₍T,ε₎≈ (338 × 0,02)/(4 × 0,95) ≈ 1,78 K; эффект фокусировки или IFOV даёт u_focus = 0,3 K; остаточная коррекция неоднородности u_NUC = 0,2 K; отражённая видимая температура u_ref = 0,4 K; а повторяемость между кадрами или пробегами u_rep = 0,2 K.

Таким образом

= 

Результаты неопределённости приведены в таблице 3.

Источник	Символ	Std. Unc. (k=1)	Примечания
Радиометрическая точность камеры	u_acc	1.0 K	Спецификация ±2K рассматривается как k=2
Эмиссивность (покраска, ε = 0,95 ± 0,02)	u_{T,ε}	1,78 К	Уравнение (10), T = 338 K
Несоответствие фокуса и IFOV	u_focus	0,3 K	Размер пятна ≈ ROI
Неоднородность детектора	u_NUC	0,2 K	Остаточный статус после NUC
Отражённая видимая температура	u_ref	0,4 K	Метод фольги для T_ref
Повторяемость	u_rep	0,2 K	Усреднение кадров и пробегов
Комбинированное (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	Экв. (9)
Расширенное (k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

Таблица 3: Бюджет неопределённости для ИК-температуры при черно-окрашенной ROI (иллюстрация).

Общее термическое поведение светодиодного комплекса COB, охлаждаемого микроканальной пластиной Теслы, можно количественно оценить с помощью концепции теплового сопротивления. Аналогично закону Ома в электрических цепях, тепловое сопротивление R_θ связывает повышение температуры светодиода с входной мощностью, рассеиваемой в виде тепла:

(11)

где T_LED — это поверхностная температура корпуса светодиодов, T_∞ — температура окружающего воздуха, а P — электрическая энергия, подаваемая на светодиод (при условии, что почти вся энергия преобразуется в тепло). Низкое значение R_θ указывает на эффективное удаление тепла, что критически важно для поддержания световой эффективности и обеспечения долгосрочной надёжности высокомощных светодиодов.

Тепло, генерируемое на переходе светодиодов, следует по пути проводимость-конвекционная связь. Изначально тепло проходит через светодиодную подложку, интерфейс пайки и материал клапана Тесла. После передачи на микроканалы тепло уводится конвекцией к охлаждающей жидкости, поступающей внутрь. Каждый интерфейс вносит вклад в общий R_θ:

(12)

с конвективным сопротивлением_{R θ, конвективным}, обычно доминирующим в компактных, высокопотоком светодиодных системах. Диаграмма сопротивления показана на рисунке 7.

Рисунок 7: Сеть термического сопротивления светодиода COB, связанной с микроканалом клапана Тесла. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этого рисунка.

Тепло проходит от светодиодного перехода по проводящим путям в охлаждающую жидкость посредством конвекции, при этом каждая ступень представлена как тепловое сопротивление (R_js,_{R cond},_{R conv}).

Микроканалы клапана Теслы действуют как пассивный стимулатор турбулентности, увеличивая локальный конвективный коэффициент теплопередачи h без необходимости использования движущихся частей. В отличие от прямых микроканалов, конструкция Tesla вводит зоны кривизны и рециркуляции, которые усиливают смешивание, тем самым улучшая конвективное охлаждение. Эффективное конвективное сопротивление можно выразить так:

(13)

где A — эффективная площадь теплопередачи. Более высокие значения h, достигнутые благодаря эффекту клапана Тесла, напрямую снижают R_θ, что приводит к снижению рабочих температур светодиодов. Однако это улучшение происходит за счёт дополнительного падения давления, которое необходимо компенсировать требованиями по мощности насоса.

Для протестированного светодиода COB мощностью 30 Вт типичные измерения показали повышение температуры поверхности на ΔT ≈ 40 K выше окружающей среды, с эффективной рассеиваемой мощностью P ≈ 29,9 W. Подставляя в уравнение (11), общее тепловое сопротивление было следующее:

Это значение заметно ниже, чем у традиционных пассивных поглотителей аналогичной площади, что подчёркивает благоприятное влияние микроканальной пластины клапана Теслы. Кроме того, пространственное температурное распределение, полученное с помощью инфракрасной термографии, подтвердило, что области, непосредственно связанные с каналами Тесла, демонстрируют более однородные температурные поля, что свидетельствует о улучшении конвективных характеристик.

Последствия
Сниженное тепловое сопротивление приводит к снижению температуры перехода светодиодов, что напрямую снижает амортизацию просвета и смещение цвета, которые зависят от температуры.

Таким образом, микроканальный подход Теслы с клапаном обеспечивает практическое пассивное улучшение для компактных светодиодных систем охлаждения, объединяя производственность с теплово-гидравлическими характеристиками. Тем не менее, при выборе насоса и системных анализах энергоэффективности необходимо учитывать повышенное гидравлическое сопротивление, введённое геометрией Тесла.

Результаты

Производство прототипов

Прототип был изготовлен с использованием фрезера ЧПУ для создания как каналов Tesla, так и камер. Обработанные каналы Tesla показаны на рисунке 8A, а изготовленные камеры — на рисунке 8A. Впоследствии был проведён процесс бурения для формирования входных и выходных портов в камерах.

Обсуждение

В отличие от обычных^{радиаторов} 9,10,11,12,13,14, система интегрирует принудительный конвекционный механизм в компактную конфигурацию, что значительно улучшает рассеивание тепла. Важно, что интеграция входных и выходных портов в радиальной конфигурации позволяет системе занимать минимальное пр...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
FreeCad Software	Сообщество FreeCAD	https://forum.freecad.org/	Программное обеспечение с открытым исходным кодом, используемое для создания геометрий и сборок (RRID:SCR_066611).
Обычная фрезерная система с ЧПУ 3018 Pro Max	Дженерик (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Настольный фрезерный станок с ЧПУ, использовавшийся для производства клапана Tesla.
Инфракрасная камера	Unit-T	Серия UTi260B / UTi720	Инфракрасная камера, используемая для фиксации распределения температуры в устройстве.
Программное обеспечение Octave	Проект GNU	https://octave.org/	Программное обеспечение с открытым исходным кодом, используемое для обработки данных и генерации графиков (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (ESI Group)	Открытое программное обеспечение CFD, используемое для решения численной модели (RRID:SCR_014876).
Программное обеспечение Paraview	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Программное обеспечение с открытым исходным кодом, используемое для постобработки числового решения (RRID:SCR_002516).
Термопары	Unit-T	Серия UT325/UT320	Термопары использовались для фиксации теплового поведения.