Turbülansla indüklenen konveksiyon için pasif Tesla vanaları kullanarak LED soğutma sistemlerinin termal artırılması

Özet

Bu çalışma, kızılötesi termografi kullanarak yüksek güçlü Chip-on-Board (COB) LED'lerin termal davranışını değerlendirmek için deneysel bir protokol sunmaktadır. Değişken güç ve hava akışı altında kompakt bir zorla konveksiyonlu soğutma cihazı test edildi; akıllı aydınlatma ve gömülü elektronik gibi kompakt uygulamalar için verimli ısı dağıtımı ve güvenli birleşme sıcaklıkları gösterildi.

Özet

Bu çalışma, kızılötesi termografiyle yüksek güçlü Chip-On-Board (COB) ışık yayan diyotların (LED) termal davranışını, yeni bir kompakt zorla konveksiyonlu soğutma cihazıyla entegre edilen bir deneysel yöntem sunmaktadır. Termal performans, değişken güç girişleri ve akış oranları altında değerlendirildi ve sistemin LED bağlantı sıcaklıklarını kritik eşiklerin altında tutma yeteneğini ortaya koydu. Termografik görüntüleme, LED yüzeyinin hem doğal hem de zorla konveksiyon rejimlerinde mekansal olarak çözülen sıcaklık analizini mümkün kılmıştır. Önerilen soğutma cihazı, kompakt entegrasyon için özel olarak tasarlanmıştı; alanı en aza indirirken ısı dağıtma verimliliğini maksimize eden radyal giriş/çıkış konfigürasyonu içeriyordu. Üretilen simülasyon sonuçları deneysel verilerle doğrulandı ve önerilen soğutma yaklaşımının güvenilirliği sağlandı. Bu çalışma, katı hal aydınlatma uygulamalarında termal yönetim karakterizasyonu için uygulanabilir ve tekrarlanabilir bir yöntem göstermekte; LED aydınlatmalar, akıllı aydınlatma sistemleri veya gömülü elektronik modüller gibi sınırlı ortamlarda entegrasyon için ölçeklenebilir bir çözüm sunmaktadır.

Giriş

Yüksek güçlü aydınlatma çözümlerine olan artan taleb, Chip-on-Board (COB) Light Emiting Diod'ları (LED'ler) modern aydınlatma teknolojilerinin öncüsüne taşımıştır. COB LED'ler, doğrudan termal iletken bir alt tabakaya monte edilmiş çoklu LED çipleriyle karakterize edilir ve üstün ışık etkinliği ve kompaktlık sunar. Ancak, yüksek güç yoğunluğu ve kompakt form faktörü önemli termal yönetim zorlukları yaratmaktadır. Bu cihazların performansını, güvenilirliğini ve ömrünü korumak için verimli ısı^{dağıtması çok önemlidir 1}.

COB LED'lerde, elektrik enerjisinin önemli bir kısmı ışığı yerine ısıya dönüştürülür; bu da performans düşüşünü önlemek ve cihazın ömrünü sağlamak için etkili termal yönetim stratejileri gerektirir². Geleneksel pasif soğutma yöntemleri, örneğin ısı alıcılar ve termal arayüz malzemeleri, yüksek güçlü COB LED'lerin yarattığı yoğun ısıyı dağıtmada genellikle yetersiz^kalır. Sonuç olarak, aydınlatma sistemlerinin kompaktlığı ve verimliliğinden ödün vermeden termal yükleri verimli yönetebilen yenilikçi soğutma çözümlerine acil ihtiyaç vardır.

LED aydınlatma aydınlatma kalitesi farklı parametrelerden oluşur: renk işleme indeksi (CRI⁾⁴, ışık akısı, sıcaklık rengi ve ömrü. Bahsedilen parametreler ısıya karşı hassastır; bazı çalışmalar, parlak akının değerini her derece^Celsius 5 0,108 lm azalttığını bildirmiştir. Abdelmlek ve ^ark.6, COB LED'lerin ömrünü sıcaklık fonksiyonu olarak tahmin eden bir korelasyon göstermektedir; bu da LED'in sıcaklık birleşimini içerir. Mikroelektronikteki son gelişmeler, cihaz çalışma frekanslarında sürekli artışlara ve elektronik bileşenlerin kademeli olarak küçültülmesine yol açmıştır. Bu eğilimler, geleneksel termal yönetim stratejilerini zorlayan önemli ölçüde daha yüksek güç yoğunlukları ve ısı akışlarına yol^{açar 7,8}. Bu tür termal yükler, yeterince yönetilmezse, cihazın güvenilirliğini ve performansını ciddi şekilde düşürebilir.

COB LED'lerde ısı dağılımını artırmak için, bazı araştırmacılar LED'den ortama doğru serbest konveksiyon yoluyla ısı transferini iyileştirmeye olanak tanıyan belirli geometri ve konfigürasyonlara sahip ısı emiciler^{tasarlamıştır}; 9,10,11,12,13,14. Bu tür ısı emiciler, çalışırken enerji tüketimini azaltmak için etkili bir seçenektir, ancak ısı miktarları yüzeysel alanla sınırlıdır; ısı miktarı artarsa boyutları büyür ve yüksek ısı akışları varsa daha büyük cihazlar ortaya çıkar. Yüksek güçlü chip-on-board (COB) LED'ler, kompakt bir alt yüzeyde birden fazla kalıpı birleştirerek yüksek ışık verimliliği sağlarken cihazın güvenilirliğini tehdit eden önemli ısı akışı yoğunlukları da üretir. Bu nedenle, bağlantı sıcaklıklarını kritik sınırların altında tutmak için etkili termal yönetim gereklidir. Geleneksel olarak, kanatlı ısı emiciler ve doğal konveksiyon gibi pasif yaklaşımlar kullanılmıştır; ancak performansları, sınırlı yüzey alanı ve kaldırma kaynaklı akış altında elde edilebilecek nispeten düşük konvektif katsayıları nedeniyle sınırlandırılır. Bu sınırlamaları aşmak için, zorla hava ısıtma emicileri, ısı boruları, sprey soğutma ve sıvı soğutmalı mikrokanallar gibi aktif çözümler yaygın şekilde araştırılmıştır; bu çözümler daha düşük termal dirençler ve daha eşit sıcaklık dağılımları sunar. Bu ilerlemeye dayanarak, çalışmalarımız alternatif bir stratejiyi inceliyor: Tesla valfle güçlendirilmiş mikrokanalları kompakt bir soğuk plaka olarak entegre etmek. Bu tasarım, Tesla geometrilerinin pasif diyodite ve akış karıştırma özelliklerini kullanarak yerel konveksiyonu yoğunlaştırırken, hareketli parçalar veya karmaşık manifoldlara ihtiyaç duyulmaz, böylece geleneksel mikrokanallar ile daha karmaşık aktif soğutma sistemleri arasındaki boşluğu kapatır.

Bu uygulamalarda yüksek ısı akışlarını yönetmek için, sıvı soğutma sistemleri iyi bir seçenektir; çünkü ısı aktarım katsayısını artırabilir ve pasif soğutma sistemlerine göre daha indirgenç alanlarda ısı transferini iyileştirebilirler. Bazı çalışmalar sıvı soğutma sıvısının kullanıldığını bildirmektedir; örneğin farklı kanal^{konfigürasyonlarına sahip soğuk plakalar} 15,16,17,18.

Umut vadeden bir yaklaşım, soğutma ortamıyla temas eden yüzey alanını artırarak ısı transferini artıran mikrokanal ısı emicilerin entegrasyonunu içerir. Çeşitli mikrokanal tasarımları arasında, Tesla valfi — pasif, hareket etmeyen parça — sıvı akışını yönsel olarak kontrol etme yeteneğiyle dikkat çekti; böylece ısı transferini optimize etti ve geri akışı en aza indirdi. Tesla vanalarının benzersiz geometrisi, tek yönlü akışı kolaylaştırır; bu da termal yönetim uygulamalarında verimli soğutucu dolaşımını teşvik ederek ve genel ısı dağılımı artırarak avantaj sağlayabilir. Isı transfer katsayısını artırmak için araştırmacılar, sıvının yol çizgilerini bozan geometriler eklediler. Tesla valfi, sıvının tek bir yönde ilerlemesini sağlayan geometrik bir kanal konfigürasyonudur; Diyod valf (tek yönlü valf) olarak çalışır. Ters yönde bir akış getirildiğinde, sistem içindeki basınç ve türbülans belirgin şekilde artar. Bazı işletmeler, ısı transfer katsayısının artmasının bir sonucu olarak türbülansı artırmak için Tesla valfini kullanır. Bazı araştırmacılar, soğutma sistemi olarak kullanılmak üzere Tesla valflerindeki sıvı akış desenlerini belirlemek için parametrik modeller^{kullanmıştır 19,20}. Soğutma sisteminde uygulanan tesla valfinin en yaygın uygulaması, soğuk^plakalar 21,22,23 aracılığındadır. Örneğin, araştırmalar Tesla vana yapılarının mikrokanal ısı emicilere dahil edilmesinin, türbülans akışı teşvik ederek ve konvektif ısı transfer^{katsayısını 24} artırarak termal performansı artırabileceğini göstermiştir. Bu bulgular, Tesla valf tabanlı mikrokanal ısı emicilerin, yüksek güçlü COB LED'lerle ilişkili termal zorlukları yönetmek için uygulanabilir bir çözüm olabileceğini gösteriyor.

Birçok çalışma, sıvı bazlı soğutma teknikleriyle yüksek güçlü COB LED'lerin termal yönetimini ele almıştır. Örneğin, jet çarpması ve sprey soğutma yaklaşımları, 104-105 W·^m-2· civarında ısı aktarım katsayıları göstermiştir. ^K-1, bağlantı sıcaklıklarını kritik 120 °C eşiğinin altında nispeten düşük pompalama^{gücü 25,26} ile etkili bir şekilde tuttu. Benzer şekilde, COB dizilerinin altında üretilen mikrokanal soğuk plakalar, su orta hızlarda dolaştığında 0,019 °C/W'ya kadar düşük termal direnç elde etmiş olup, kanal küçültülmesinin soğutma verimliliğini artırma^{potansiyelini vurgulamaktadır 27,28}. Diğer stratejiler arasında, geleneksel katı metal lavabolara kıyasla daha iyi termal yayılım ve daha düşük termal direnç gösteren COB^{paketleri 30} etrafında tasarlanmış ferrofluidle güçlendirilmiş ısı emiciler²⁹ ve kompakt ısı borusu modülleri bulunur.

Bu yaklaşımlara kıyasla, önerilen Tesla valf tabanlı soğutma plakası, hareketli parçalar veya karmaşık manifoldlar olmadan karıştırma ve türbülans üretimini artıran yeni bir pasif mekanizma sunuyor. Tesla vanalarının diyodite ve akış kontrol yetenekleri elektronik ve enerji sistemlerinde^{araştırılmış olsa da}, COB LED soğutma uygulamaları literatürde kapsamlı şekilde rapor edilmemiştir. Bu çalışma, Tesla-valf akış ağlarını LED termal yönetiminin özel gereksinimlerine uyarlayarak özgün bir katkı sağlar. Sonuçlarımız, zorunlu konveksiyon altında Tesla valf plakasının yerleşik sıvı soğutma stratejilerine kıyasla rekabetçi yüzey sıcaklığı düşüşleri sağladığını, basitleştirilmiş geometri ve tıkanma veya mekanik arızalara karşı dayanıklılık avantajı sağladığını göstermektedir.

Bu çalışmada, 30 W COB LED'in termal yönetimi için Tesla valf yapılarını içeren CNC ile işlenmiş alüminyum mikrokanal ısı emicisinin etkinliğini araştırıyoruz. Tasarım, Tesla vanalarının yönlü akış kontrolünü kullanarak soğutucu dolaşımını ve ısı dağılımını artırmayı amaçlamaktadır. Deneysel değerlendirmeler yaparak, önerilen soğutma sisteminin termal performansını değerlendiriyoruz; sıcaklık dağılımı, termal direnç ve genel soğutma verimliliği gibi parametreleri analiz ediyoruz. Bu araştırmanın sonuçları, yüksek güçlü LED uygulamaları için gelişmiş pasif soğutma çözümlerinin geliştirilmesini yönlendirebilir ve kompakt elektronik cihazlarda termal yönetim stratejilerinin optimize edilmesine katkıda bulunabilir. Bu projenin zorluğu, Tesla Vana'nın mevcut bir soğutucu üzerine uygulanmasıydı. Bu düzenlemeyle, güç kaybı büyük ölçüde azalır ve yüksek güce sahip cihazların kompakt bir soğutma sisteminde kullanılmasına olanak tanır.

Şekil 1, bu çalışmada izlenen metodolojinin şematik bir temsilini sunmaktadır. Süreç, CAD yazılımı kullanılarak LED soğutma cihazının geometri oluşturulmasıyla başlar. Geometri daha sonra CFD çözücüye (OpenFOAM/ANSYS Fluent) aktarılır; burada ağ oluşturma ve sınır koşulları uygulanarak termal akışkan simülasyonları gerçekleştirilir. Paralel olarak, termokupllar ve sıcaklık ölçümleri için kızılötesi kamera dahil olmak üzere deneysel kurulum uygulanıyor. Son olarak, simülasyon sonuçları deneysel verilerle doğrulanır ve önerilen soğutma yaklaşımının güvenilirliği sağlanır.

Şekil 1: Deneysel iş akışının şeması: (1) geometri oluşturma, (2) CFD simülasyonları, (3) prototip üretimi, (4) termal ölçümler ve (5) doğrulama. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Protokol

Soğutma cihazının geometrisi
Projenin amacı, Tesla valf uygulamasıyla izin verilen sıcaklıkta 50 W COB LED sağlamaktır. Isı kaynağı olarak kullanılan COB Şekil 2A'da gösterilirken, Şekil 2B'de 50 kalıp çipi açık olarak gösterilir ve her kalıpın 1W güç verdiğini gösterir.

Şekil 2: LED COB ve kalıp çiplerinin sayısı. (A) Deneyde kullanılan LED COB (B) Kullanılan kalıp çip sayısının gösterilmesi. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Literatürde, bazı Tesla valflerinin Tesla valfini içeren cihazların üzerine monte edilmiş bir ısı kaynağı olduğu bildirilmiştir; bu nedenle bu makalede LED, Tesla valf kanallarının üzerine soğutma sıvısı ile doğrudan temas halinde yerleştirildiği için cihazın bir parçası olarak yer almaktadır; böylece LED'den sıvıya ısı transferini iyileştirerek termal direnci en aza indirmek sağlanır. Şekil 3A , cihazın geometrisini gösterir. Üst yüzeyde şeffaf olarak, LED'in yerleştirildiği yer gösterilir. Öte yandan, Şekil 3B , soğutma cihazı için önerilen montajı göstermektedir.

Şekil 3: Geometri ve önerilen soğutma cihazının montajı. (A) Tesla valf kanallarını gösteren soğutma cihazı. (B) Monte edilmiş soğutma cihazı öneriliyor. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

LED'in sıvıyla doğrudan temas halinde konumlandırılması amacıyla, sıvı girişi ve çıkışı üst yüzeyin üzerinde tasarlandı; Şekil 4A'da gösterildiği gibi. Sıvı, pompadan Tesla kanallarına giriş terminali üzerinden iletilir. Daha sonra sıvı giriş odasını doldurur ve sıvı, Şekil 4B'de gösterilen giriş kanallarıyla kanallara yönlendirilir. Şekil 4B'de, yukarıdaki yüzey görünümü, üst kapak dahil olmak üzere hiçbir bağlantı olmadan cihazın sıvı odalarını gösterir.

Şekil 4: Cihazın izometrik arka görünümü. (A) Yukarıdaki yüzey soğutma cihazının izometrik görünümü. (B) Cihazın sıvı odaları. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Malzemeler ve aksesuarlar
Deneyde kullanılan malzemeler ve aksesuarlar Tablo 1'de gösterilmiştir. Tesla kanallarını CNC makinesiyle öğütmek için alüminyum düz çubuk kullanıldı. Alüminyum, termal iletkenlik ve maliyet arasındaki denge nedeniyle seçildi. Ayrıca, alüminyumun işlemesi, çelik veya daha sert malzemeler gibi diğer bileşenlere göre daha kolay ve hızlıdır. Şekil 4A'da gösterilen üst kapak da alüminyumdan tasarlanmıştır. Giriş ve çıkış terminalleri pirinçten üretilir ve üst kapaktaki dişli deliklerden birbirine bağlanır. COB metal çekirdek, ısı transferini artırmak için alüminyum alaşımından üretilmiştir.

Madde	Malzeme	Sıcak iletkenlik w/m 2κ
Düz çubuk	Alüminyum	160
Metal-Core	Alüminyum	160
Üst kapak	Alüminyum	160
Pnömatik bağlantı organları	Pirinç	110

Tablo 1: Prototipte kullanılan aksesuarlar ve malzemeler.

Yüksek özgül ısı kapasitesi ve yaygın erişimi nedeniyle çalışma akışkanı olarak su kullanıldı; Ayrıca, alev oluşturma riski düşük ve sıfır toksisite nedeniyle. Kanaldan geçen akış, voltajın bir fonksiyonu olarak akış hızını belirlemek için karakterize edilen bir pompa tarafından yönlendirilirdi.

Sınır koşulları
Pompanın akış hızı, sisteme giriş sınır durumunu belirlemek için karakterize edildi. Giriş sınır koşunu, akış hızı ve girişin enine kesitiyle hesaplanan bir giriş hızı ile tanımlanır. Pompanın akış hızı davranışı Şekil 5'te sunulmaktadır.

Şekil 5: Pompanın akış hızı ve giriş hızı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5, uygulanan voltaj ile iki önemli hidrolik parametre arasındaki ilişkiyi göstermektedir: ortalama hacimsel akış hızı ve ortalama sıvı hızı . Her veri noktası, her voltaj seviyesi başına beş bağımsız ölçümden hesaplanan ortalama değeri temsil eder ve istatistiksel olarak sağlam yorumlama sağlar.

Hacimsel akış hızının eğilimi
Voltaj arttıkça ortalama akış hızında belirgin bir artış eğilimi gözlemlenir. En düşük gerilim seviyesinde (4 V) ortalama akış hızı yaklaşık 1,63 × ^{10-5 m 3}/s'dir; 12 V'da ise yaklaşık 3,49 × ^10-5 m³/s'ye çıkar; bu da %110 artışı temsil eder. Bu davranış, akışı yönlendiren elektromekanik aktüatör üzerindeki voltajın etkisine bağlanabilir.

Voltaj arttıkça aktüatör hızı yükselir ve böylece birim zaman başına yer değiştiren hacim artar.

Ortalama hızın davranışı
Akışkan hızı benzer bir artış eğilimi izler; bu da akış hızı ile hız arasındaki temel ilişkiyle tutarlıdır:

Q = A • V (1)

burada A, kanalın kesit alanı, v ise ortalama hızdır. Alan sabit kaldığından, Q'daki değişiklikler doğrudan v'deki orantılı değişikliklere dönüşür. Bu deneyde, ortalama hız yaklaşık 6,5 ×^10-3 m·^s-1 (4 V'da) olan 1,41 ×10-2 m·^s-1 (12 V'da) seviyesine yükseldi

Eğriler arasındaki karşılaştırma
Hem akış hızı hem de hız eğrileri voltajla neredeyse doğrusal bir ilişki gösterir. Küçük doğrusal olmayanlar mevcut olabilir ve güç kaynağındaki geçici istikrarsızlıklar, sensör tepki süresindeki küçük değişiklikler ve yüksek akış rejimlerinde iç sürtünme veya kafa kayıpları gibi faktörlere bağlanabilir. Bu etkiler mevcut çalışma kapsamında önemli olmasa da, gelecekteki çalışmalarda doğrusal olmayan regresyon veya dinamik sistem modellemesi kullanılarak daha fazla araştırılabilir.

Pratik Sonuçlar
Mühendislik açısından bakıldığında, grafik erişilebilir bir kontrol parametresi (voltaj) ile kritik akış değişkenleri arasında faydalı bir korelasyon sağlar. Bu özellikle, mikrofluidik, hassas dozajlama, zorla konveksiyonlu soğutma sistemleri veya Tesla valfleri gibi pasif elemanlara dayalı akış yapıları için geçerlidir. Akış hızının monoton ve öngörülebilir davranışı, hassas sistem kalibrasyonu sağlar ve deneysel veya otomatik kurulumlarda operasyonel istikrar ve tekrarlanabilirlik sağlar.

Tesla valfinde akışkan dinamiği için matematiksel model
Soğutma cihazının iç akışkanlık dinamiği fiziksel açıdan net olarak anlaşılmamaktadır. Bu nedenle, akış davranışını analiz etmek, ısı transfer katsayısını artıran türbülansı görselleştirmek ve Tesla valf kanallarında optimize edilebilecek durgun sıvı bölgelerini belirlemek için hesaplamalı akışkanlık dinamiği (CFD) simülasyonu gerçekleştirildi.

Tesla valfi içindeki sıvı akış davranışını simüle etmek için, standart K-epsilon türbülans modeliyle birlikte Reynolds ortalamalı Navier-Stokes denklemlerini kullanıyoruz. Bu yaklaşım, genellikle Tesla valflerinde gözlemlendiği gibi, geri sirkülasyon ve anizotropik girdaplarla iç akış geçitlerinde türbülans etkilerini yakalamada hesaplama maliyeti ile doğruluk arasında bir denge sağlar.

Yönetici denklemler
Kullanılan sıvı, sıkıştırılmaz ve Newton olarak kabul edilen sudur ve akışın sabit durumda olduğu kabul edilir. Yönetici denklemler şunlardır:

  (2)

burada  zaman ortalaması ile ölçülen hız vektörüdür.

     (3)

nerede:

ρ [kg/^{m 3}] sıvı yoğunluğudur,
p [Pa] baskıdır,
μ [Pa • s] dinamik viskozitedir,
μ_t [Pa • s], türbülanslı girdap viskozitesidir ve şu şekilde tanımlanır:

     (4)

Turbülans kinetik enerjisi k ve dağılma hızı ε aşağıdaki taşıma denklemleriyle yönetilir:

Turbülans kinetik enerji (k):

     (5)

Türbülans dağılma oranı (ε):

   (6)

Burada:

k [m²/s²] türbülans kinetik enerjisidir,
ε [m²/s³] türbülans dağılma oranıdır,
P_k [kg/(m • s³)] türbülans kinetik enerjisinin üretimidir ve şu şekilde tanımlanır:

   (7)

σ_k ve_{σ ε} , sırasıyla k ve ε için çalkantılı Prandtl sayılarıdır,

C_μ, C_1ε ve C_2ε ampirik sabitlerdir.

Standart k - ε modelinde kullanılan sabitler şunlardır:
C_μ = 0.09, (kesme katmanları ve serbest akış türbülansı için kalibre edilmiştir)
σ_k = 1.00, (k'nın gerçekçi difüzyonu sağlar)
σ_ε = 1.30, (ε'ın difüzyonu kontrol eder)
C_1ε = 1.44, (ε üretimi ve yok oluşunu dengeler)
C_2ε = 1.92. (doğru enerji dağılma oranını sağlar)

Bu değerler, türbülanslı sınır tabakası akışlarında deneysel doğrulamadan elde edilmiş olup, mühendislik uygulamalarında güvenilir^{doğrulukla yaygın olarak kullanılmıştır:} 32,33,34,35.

Tesla valfi, sınır tabaka ayrımı, yeniden sirkülasyon bölgeleri ve yön direnciyle karakterize edilen iç akış koşulları sunar. Bu olaylar doğası gereği çalkantılıdır ve doğrudan sayısal simülasyon (DNS) veya büyük girdap simülasyonu (LES) yaklaşımları pratik tasarımlar için hesaplama açısından sınırlıdır.

k-ε modeli bu çalışma için uygundur çünkü iç, yüksek Reynolds sayısı akışlarda ortalama akış alanı ve türbülans miktarlarının güvenilir tahminlerini sağlar. Tesla valfinin dönme kanalları ve durgunluk bölgelerinin neden olduğu anizotropik türbülans etkilerini etkili bir şekilde yakalarak karmaşık akış davranışının doğru temsilini sağlar. Ayrıca, bu model sağlamdır ve jet çarpması, akış ayrımı ve karmaşık duvar sınırlı akışları içeren mühendislik uygulamalarında yaygın olarak doğrulanmıştır.

Bu çalışmada sınır koşulları arasında tam gelişmiş türbülanslı giriş hızı profili, kaymayan duvarlar ve basınç çıkışı yer alır. Simülasyon alanı, uygun duvar fonksiyonlarıyla duvara yakın etkileri çözmek için sınır katmanı iyileştirmesi ile hibrit yapılandırılmış-yapısız ızgara kullanılarak örülen çok aşamalı bir Tesla valf geometrisine karşılık gelir.

Sınır koşulları ve tartışma
Tesla valf geometrisinde gerçekçi akış simülasyonu sağlamak için, tüm ilgili değişkenler için uygun sınır koşulları tanımlanmıştır: hız, basınç, türbülans kinetik enerji (k) ve türbülans dağılma oranı (ε). Aşağıdaki koşullar kondu:

Giriş (hız girişi):

Girişte tam gelişmiş, sıkıştırılamayan, türbülanslı akış varsayıldığı varsayılan olarak eşit bir hız profili önerildi. Turbülans büyüklükleri k ve ε, türbülans yoğunluğu I ve hidrolik çapı D h temelinde, ilgili ampirik ilişkiler kullanılarak başlangıllaştırıldı.

(8)

Bu yaklaşım, ampirik türbülans üretim modelleriyle tutarlılığı sağlar ve standart k-ε formülasyonuyla uyumluluğu korur.

Çıkış (basınçlı çıkış):
Çıkışta sabit bir statik basınç (genellikle 0 Pa gauge) ayarlanarak tam gelişmiş bir çıkış sağlanıyordu. Taşınan tüm değişkenlere (hız, k ve ε) sıfır gradyan (Neumann) koşulları uygulanarak yapay geri akış etkilerini önlemek ve alan sınırında sayısal kararlılık sağlanmıştır.

Duvarlar (kaymazlık durumu):
Tüm katı sınırlardaki hız sıfıra ayarlandı ve kaymazlık koşulu uygulandı. Turbülans modellemesi için, standart duvar fonksiyonları duvara yakın davranışı temsil etmek için kullanılmıştır. Türbülans kinetik enerji (k) duvarda sıfıra ayarlanmışken, dağılma hızı (ε) duvar yasasından türetilen standart duvar fonksiyonu yaklaşımları kullanılarak hesaplanmıştır. Bu fonksiyonlar, viskoz alt katmanı çözme ihtiyacını ortadan kaldırır ve böylece hesaplama maliyetini azaltır; akışın logaritmik bölgede kaldığı varsayımıyla (y⁺ > 30).

Bu sınır konfigürasyonu, Tesla valfi içindeki ana akış özelliklerini, akış ayrımı, yeniden dolaşım bölgeleri ve kavisli geçitler boyunca türbülans yoğunlaşmasını etkili bir şekilde yakalar.

Termografik görüntü alımı ve ölçüm konuları
Soğutma sistemi ve COB tipi LED modülünün termal performansını değerlendirmek için, 8-14 μm spektral aralıkta çalışan soğutmasız bir kızılötesi kamera kullanılarak termografik ölçümler yapıldı. Termografik inceleme, sabit durum çalışma koşullarında yüzey sıcaklığı dağılımını karakterize etmeyi amaçladı. Kızılötesi termografiyle sıkça ilişkilendirilen belirsizliklerin en aza indirilmesine özel önem verildi.

En kritik unsurlardan biri, doğru sıcaklık geri alımı için yüzey emisivlik değerlerinin ayarlanmasıydı. Soğutma sistemi, CNC ile işlenmiş ve cilalı kaplamaya sahip alüminyum plakalardan oluşuyordu; bu plakaların düşük ve açıya bağlı emisivliği kızılötesi ölçümler için önemli bir zorluk oluşturuyor. Bunu çözmek için, alüminyum yüzeyler daha önce temas termokuplular ve kızılötesi referans malzemeleri kullanılarak kalibre edilmiş yüksek emisyonlu mat siyah boya (ε ≈ 0.95) ile kaplandı. Bu işlem, düzgün emisivlik sağladı ve ölçümlerin doğruluğunu bozacak speküler yansımaları ortadan kaldırdı.

LED COB modülünde, kapsülleme malzemesi genellikle daha yüksek emisyona sahip fosfor kaplı silikon (ε ≈ 0.92) olduğunda, ek bir kaplama gerekmemiştir. Ancak, kamera kurulumu sırasında termal gradyanlardan kaçınmak için LED'in görüntü yakalamadan önce termal dengeye ulaşmasına izin verildi. LED çalıştırıldıktan sonra istikrarlı koşulların sağlanması için en az 60 dakikalık bekleme süresi uygulandı.

Deneyler sırasında ortam koşulları kontrol edildi. Ölçümler, sabit ortam sıcaklığı (25 ± 1 °C) ve önemsiz hava akımları bulunan kapalı bir laboratuvarda gerçekleştirildi.

Yansıtılan görünür sıcaklık, buruşturmuş alüminyum folyo yöntemiyle tahmin edilip, Kızılötesi (IR) kamerada manuel olarak ayarlandı. Ölçümler sırasında göreli nem dikkate alınmadı. Kamera, ilgi çekici yüzeye dik açıda titreşimsiz bir tripod üzerine monte edilmişti, böylece tutarlı bir görüntüleme geometrisi sağlanıyordu. Kamera ile hedef arasındaki mesafe sabit tutuldu (yaklaşık 0,5 m) ve görüş alanı, paralaks hataları olmadan mekansal çözünürlüğü maksimize etmek için ayarlandı. Her oturumdan önce kalibrasyon, kameranın radyometrik yanıtını doğrulamak için bir siyah cisim referans kaynağı kullanılarak gerçekleştirildi. Şekil 6 , termografik alım sırasında kullanılan deneysel düzeni göstermektedir. Tablo 2, doğru ve tekrarlanabilir sıcaklık ölçümlerini sağlamak için uygulanan temel parametreleri ve prosedürleri özetlemektedir.

Şekil 6: Sistem enstrümantasyonu ve örnek kaplaması. (A) Termokupl ölçümleri için sistem ölçümleri. (B) Termografi ölçümleri için siyah boya ile kaplanmış örnek. Bu figürün daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Parametre	Değer/Açıklama
IR Kamera	Uzun dalga IR (8–14 μm), soğutmamış
Emisyon (alüminyum yüzey)	ε = 0.95 (mat siyah) boyanmıştır
Emisyon (COB LED yüzeyi)	ε = 0.92 (yerli)
Ortam sıcaklığı	25±1 °C
İzleme mesafesi	~ 0,5 m
Görüş açısı	Dik (normal insidans)
Termal denge süresi	LED'i çalıştırdıktan 60 dakika sonra
Yansıyan görünen sıcaklık	Tahmini buruşturulmuş folyo yöntemiyle
Yüzey tedavisi	Alüminyum plakalara uygulanan mat siyah boya
Kalibrasyon	Her ölçümden önce siyah cisim kaynağı

Tablo 2: Hata minimizasyonu için kullanılan termografya parametreleri ve prosedürleri.

Termografi ölçümlerinde kullanılan parametreler Tablo 2'de listelenmiştir.

Kızılötesi termografi prosedürü ve belirsizlik analizi
Tesla-valf mikrokanal soğuk plaka ile soğutulan, 30 W COB LED bir montajın yüzey sıcaklık alanını invaziv olmayan şekilde haritalamak için kızılötesi (IR) termografi kullanıldı. Kamera, görüş açısı etkilerini en aza indirmek için ilgi duyulan yüzeye dik dik bir üçayda monte edilmiş uzun dalga bandında (LWIR) çalışıyordu. Tüm satın almalar, sistem istikrarlı koşullara ulaştıktan sonra gerçekleştirildi. Sabit bir görüntüleme mesafesi seçildi; böylece anlık görüş alanı (IFOV) nokta boyutu en küçük ilgi alanından (ROI) en az 3× küçük oldu; böylece Tesla-valf özelliklerinin oluşturduğu dik sıcaklık gradyanları üzerinden yeterli mekansal örnekleme sağlandı.

Yaygın termografik artefaktları en aza indirmek için, deneysel süreç boyunca çeşitli önlemler uygulandı. Optikler dikkatlice temizlendi ve lens maksimum gradyan kriteriyle ilgi alanına (ROI) manuel olarak odaklandı; her bir satın alma öncesinde bir düzensizlik düzeltmesi (NUC) uygulandı. Emisivliği kontrol etmek için, alüminyum ve bakır gibi tüm çıplak metal yüzeyler — bunlar doğası gereği düşük emisyonluya sahip ve uzun dalga kızılötesi (LWIR) aralığında yansıtıcı — mat siyah yüksek emisyonlu boya ile (nominal ε ≈ 0.95) kaplanmış veya kalibre edilmiş emisyon bantıyla kaplanmıştır. Termografik yatırım getirisi yalnızca bu işlenmiş alanlar üzerinde tanımlandı. Görünüşte yansıtılan sıcaklık (T₍ref₎) buruşturmuş alüminyum folyo yöntemiyle ölçüldü ve kameranın radyometrik modeline dahil edildi; Parlak veya açılı yüzeyler, sahte sıcak noktaları önlemek için dış radyasyon kaynaklarından korunmuştur. Ölçümler, çekimsel olarak minimize edilmiş bir kafes içinde yapıldı; operatör bir ekranın arkasında konumlandırıldı ve enerji kaynakları veya lambalar gibi dış ısı kaynakları görüş alanının dışında tutularak parazitik yansımaları azalttı. Optik eksen, yönsel emisivlik etkilerini ve paralaks hatalarını sınırlamak için normal insindensiye yakın tutuldu. Tüm testlerde aynı kamera mesafesi ve yatırım getirisi tanımları korundu, böylece tekrarlanabilirlik sağlandı.

Yüzey emisivlikleri radyometrik sıcaklık geri alımı için aşağıdaki şekilde atandı ve nicel raporlama için yalnızca işlenmiş (boyanmış veya bantlanmış) bölgeler kullanıldı: siyah boyalı alüminyum ısı alıcı/Tesla valfi, ε = 0.95 ± 0.02; lehim maskesi MCPCB üzerinde (beyaz), ε ≈ 0.90 ± 0.03; ve silikon kapsül ε ≈ 0.94 ± 0.03. Ancak, kapsül alan bölgeler, LWIR aralığında yarı şeffaf etkilerden kaçınmak için nicel yatırım getirisi için kullanılmamıştır.

Kamera, belirli yatırım getirisi (genellikle ε = 0.95) emisivliğiyle ve_{ölçülen T} ref ile çevre hava sıcaklığı T_∞ ile yapılandırıldı. Her termogram, rastgele gürültüyü azaltmak için ortalaması alınan N ≥ 10 kareden oluşuyordu. Her yatırım getirisi için (örneğin, COB altındaki yakın birleşim alanı ve soğuk plakadaki temsilci noktalar) ortalama sıcaklık ve standart sapma s_T kaydedildi. Ortaya çıkan termal harita, sonraki termal direnç ve ısı transferi analizleri için sıcaklık artışını hesaplamak için kullanıldı.

Bildirilen LED yüzey sıcaklığı T_IR olsun. Birleşik standart belirsizlik u_c(TIR), belirsizliğin yayılma yasası kullanılarak ve korrelesiz girdiler varsayılarak tahmin edilmiştir:

= (9)

burada: (i) u_acc kameranın radyometrik doğruluğunu hesaba katıyor (üretici spesifikasyonu, k=1'e dönüştürülüyor), (ii) u_T,ε emisyona duyarlılığı yakalıyor, (iii)_{u odak} defocus/IFOV uyumsuzluğunu temsil eder, (iv) u_NUC dedektör düzensizliği kalıntılarını kapsar, (v) u_{ref modellerini} yansıtan görünür sıcaklıkta belirsizlik gösterir ve (vi) u_rep tekrarlanabilirliktir (kare-kare-kare ve koşu-koşu).

Emisivite hassasiyeti için, Stefan-Boltzmann terslemesinin (T,ε) etrafında doğrusallaştırılması, yaygın olarak kullanılan bir yaklaşımı verir:

(10)

T kelvin'de. ~%95 güvenlikle genişleyen belirsizlik, U(T_IR) ≈ 2uc(_{T IR}) olarak bildirildi.

Aşağıdaki temsil değerleri, 65 °C (T ≈ 338 K) civarında siyah boyalı bölgelerde yapılan ölçümlere karşılık gelir. Kameranın ±2 °C veya okunmanın %±2'si doğruluk spesifikasyonuna sahiptir ve k = 2 olarak ele alınır. Emisivlik ε = 0.95 ± 0.02 olarak ayarlandı; iyi odaklanmış optikler ve kontrollü yansımalar. Bireysel belirsizlik katkıları şu şekildeydi: kamera doğruluğu (k = 1) u_acc = 1.0 K verir; Denklem (10)'dan tahmin edilen emisyon katkısı u₍T,ε₎≈ (338 × 0.02)/(4 × 0.95) ≈ 1.78 K'dır; odak veya IFOV etkisi u_focus = 0.3 K verir; tekdüzelik düzeltmesi kalıntısı u_NUC = 0,2 K; yansıyan görünen sıcaklık u_ref = 0.4 K; ve u_rep veya çalışma aralıkları arasında tekrarlanabilirlik = 0.2 K.

Böyle

= 

Belirsizlik sonuçları Tablo 3'te gösterilmiştir.

Kaynak	Sembol	Amcı Amca. (k=1)	Notlar
Kamera radyometrik doğruluğu	u_acc	1.0 K	Spec. ±2K k=2 olarak ele alınır
Emisivity (boyalı, ε = 0.95 ± 0.02)	u_{T,ε}	1.78 K	Eq. (10), T = 338 K
Odak/IFOV uyumsuzluğu	u_focus	0.3 K	Spot boyutu ≈ ROI
Dedektör düzensizliği	u_NUC	0.2 K	NUC sonrası kalıntı
Yansıyan görünen sıcaklık	u_ref	0.4 K	Folyo yöntemi T_ref
Tekrarlanabilirlik	u_rep	0.2 K	Frame/run ortalaması
Birleştirilmiş (k=1)	u_c(T_IR)	2.15 K	Eşitlik (9)
Genişletilmiş (k=2)	U(T_IR)	4.30 K	≈ 2u_c

Tablo 3: Siyah boyalı ROI üzerindeki IR sıcaklığı için belirsizlik bütçesi (örnekleyici).

Tesla-valf mikrokanal plakası ile soğutulan COB LED montajının genel termal davranışı, termal direnç kavramıyla nicelendirilebilir. Elektrik devrelerindeki Ohm yasasına benzer şekilde, termal direnç R_θ , LED'in sıcaklık artışını ısı olarak dağıtılan giriş gücüne ilişkilendirir:

(11)

burada T_LED , LED paketinin yüzey sıcaklığı, T_∞ ortam hava sıcaklığıdır ve P LED'e sağlanan elektrik gücü (neredeyse tamamının ısıya dönüştürüldüğünü varsayarsak). R_θ'nun düşük değeri, verimli ısı uzaklaştırmasını gösterir; bu, yüksek güçlü LED'lerin ışık verimliliğini korumak ve uzun vadeli güvenilirliğini sağlamak için kritik öneme sahiptir.

LED kavşağında üretilen ısı, iletim-konveksiyon yolunu izler. Başlangıçta, ısı LED alttan, lehim arayüzünden ve Tesla valf malzemesinden iletken olarak akıyor. Mikrokanallara aktarıldığında, ısı konveksiyonla içeride akan soğutucuya gider. Her arayüz genel R_θ'ye katkıda bulunur:

(12)

konvektif direnç R_{θ, konvektif} olarak, genellikle kompakt, yüksek akımlı LED sistemlerde baskın olur. Direnç diyagramı Şekil 7'de gösterilmiştir.

Şekil 7: COB LED'in Tesla-valf mikrokanalına bağlı termal direnç ağı. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.

Isı, LED birleşiminden iletken yollarla konveksiyon yoluyla soğutucuya akar; her aşama termal direnç olarak temsil edilir (R_{js,R cond,R conv}).

Tesla-valf mikrokanalları, hareketli parçalara ihtiyaç duymadan yerel konvektif ısı transfer katsayısı h'yi artıran pasif türbülans prodüktörü olarak görev yapar. Düz mikrokanalların aksine, Tesla tasarımı karışmayı yoğunlaştıran eğrilik ve dolaşım bölgeleri getirir ve böylece konvektif soğutmayı artırır. Etkili konvektif direnç şu şekilde ifade edilebilir:

(13)

burada A, etkili ısı transfer alanıdır. Tesla-valf etkisiyle elde edilen daha yüksek h değerleri, doğrudan R_θ'yu azaltır ve LED çalışma sıcaklıklarının düşmesine yol açar. Ancak bu iyileştirme, pompalama güç gereksinimleriyle dengelenmek zorunda olan ek basınç düşüşü pahasına gerçekleşir.

Test edilen 30 W COB LED için tipik ölçümler, ortam üzerinde ΔT ≈ 40 K yüzey sıcaklığı artışı ve P ≈ 29,9 W etkin dağıtma gücü vermiştir. Eq. (11)'e girildiğinde, genel termal direnç şöyleydi:

Bu değer, benzer ayak ölçüsüne sahip geleneksel pasif sinklerden belirgin şekilde daha düşüktür ve Tesla-valf mikrokanal plakasının faydalı etkisini vurgular. Ayrıca, kızılötesi termografi ile elde edilen mekansal sıcaklık dağılımı Tesla kanallarına doğrudan bağlı bölgelerin daha uniform sıcaklık alanları sergilediğini doğruladı ve bu da konvektif performansın arttığını gösterdi.

Sonuç -ları
Azalmış termal direnç, LED bağlantı sıcaklığının düşmesine dönüşür ve lümen değer kaybını ve renk kaymasını doğrudan azaltır; ikisi de sıcaklığa bağlıdır.

Bu nedenle Tesla-valf mikrokanal yaklaşımı, kompakt LED soğutma sistemleri için pratik pasif bir geliştirme sağlar; üretilebilirliği termal-hidrolik performansla birleştirir. Buna rağmen, Tesla geometrisinin getirdiği artan hidrolik direnç, pompa seçimi ve sistem düzeyinde enerji verimliliği analizlerinde dikkate alınmalıdır.

Sonuçlar

Prototip üretimi

Prototip, hem Tesla kanallarını hem de odaları oluşturmak için CNC frezeleme kullanılarak üretildi. İşlenmiş Tesla kanalları Şekil 8A'da, üretilen odalar ise Şekil 8A'da gösterilmiştir. Daha sonra, odalarda giriş ve çıkış portları oluşturulmak için bir sondaj işlemi gerçekleştirildi.

Tartışma

Geleneksel^{ısı emiciler} 9,10,11,12,13,14'ün aksine, sistem sıkı bir konfigürasyona zorla konveksiyon sistemi entegre eder ve bu da ısı dağılımı önemli ölçüde artırır. Önemli olarak, giriş ve çıkış portlarının radyal konfigürasyonda entegrasyonu, sistemin minimum alan kaplamasını sağlar ve bu d...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
FreeCad Yazılımı	FreeCAD Topluluğu	https://forum.freecad.org/	Geometriler ve montajlar oluşturmak için kullanılan açık kaynak yazılım (RRID:SCR_066611).
Genel CNC Frezeleme 3018 Pro Max	Genel (Sainsmart/Mostreprap)	3018 Pro Max	Tesla valfini üretmek için kullanılan masaüstü CNC frezeleme makinesi.
Kızılötesi Kamera	Unit-T	UTi260B / UTi720 Serisi	Cihazda sıcaklık dağılımını yakalamak için kullanılan kızılötesi kamera.
Octave Software	GNU Projesi	https://octave.org/	Veri işleme ve grafik oluşturma için kullanılan açık kaynak yazılım (RRID:SCR_014398).
OpenFoam	OpenCFD Ltd (ESI Grubu)	Sayısal modeli çözmek için kullanılan açık kaynak CFD yazılımı (RRID:SCR_014876).
Paraview Yazılımı	Kitware Inc.	https://www.paraview.org/	Sayısal çözümün sonradan işlemesi için kullanılan açık kaynak yazılım (RRID:SCR_002516).
Termokupllar	Unit-T	UT325/UT320 Serisi	Termal davranışı yakalamak için kullanılan termokupller.