喷雾冷却技术是一种新型的高效强化换热方式，它通过借助喷嘴或喷嘴阵列将流动工质 破碎为大量直径介于几十到几百微米的雾化液滴，这些具有较高速度的小液滴冲击到换热表 面，其上的工质通过迅速强迫对流或蒸发带走大量的热量从而实现对壁面的冷却。喷雾相变 冷却换热效果好，能更好地控制热源表面的均匀性，且还具有循环利用冷却工质的优点[15]， 被认为是目前大功率激光器和微型电子器件最有效、最具前景的冷却技术。喷雾冷却技术和其他传统冷却技术相比，主要区别在于换热原理的不同，传统冷却技术的换热方式主要是通 过单一的对流或者蒸发沸腾，而喷雾冷却技术的换热方式除了强迫对流换热之外，主要是通

过冷却工质的相变来形成有效的冷却。

图 1。1 对比分析了不同冷却换热方式的换热效果[16-17]。从图中可以看出，传统的冷却技 术已不能适用于高热流密度下电子器件的散热，而冲击射流冷却和微通道冷却技术虽然在某 些条件下能满足高热流密度下电子器件的冷却，但和喷雾冷却技术相比，两种冷却技术的整 体换热效果相对较差，因此喷雾冷却技术是目前大功率激光器和微型电子器件最有效、最具 前景的冷却技术。大功率激光器常常因为发热而温度升高，造成激光晶体表面温度分布不均 匀，导致严重的热效应，从而使激光器输出光束质量下降、输出功率降低，因此控制热源表 面的温度分布均匀性成为大功率激光器亟待解决的问题。而在微通道冷却的工程应用中，在不同冷却方式对比

冷却工质流动的方向由于壁面的摩擦会产生较大的温度梯度[18]，而若采用冲击射流冷却技术， 热表面的射流冲击中心区域则会在圆周方向上形成较大的温度梯度导致偏差[19]，因此两种冷 却技术都很难满足大功率激光器对温度分布均匀的要求。相比之下，喷雾冷却技术有着巨大 的温度控制潜力和众多便于热管理应用的优点，特别是多喷嘴阵列的喷雾相变冷却换热技术， 对于大功率的民用、工业以及军事设备器件的换热有着独特的优势和良好的开发前景。

1。2 喷雾冷却的国内外研究现状

1。2。1 喷雾相变冷却传热机理研究

1。2。2 喷雾冷却传热特性影响因素

1。3 主要研究内容

本课题的主要任务是开展高热流密度喷雾冷却技术研究，研制新型、高效、高传热能力、 高可靠的喷雾相变冷却装置，建立冷却性能实验系统，设计制备金属箔电阻模拟热源，并选 用 R134a 为喷雾冷却工质对热源表面进行不同工况下的换热性能分析，以寻求最好的换热机 制，优化换热效果。本论文的主要研究内容为：

针对面积为 120*3cm2 的热源表面的喷雾冷却，采用 R134a 为喷雾冷却工质，建立喷雾相变 冷却循环系统，设计制备面积为 120*3cm2 的铂电阻模拟热源。

进行多喷嘴喷雾冷却换热性能实验研究，由数据采集仪采集热电偶不同时刻的电压值，后 期处理数据，并用 Origin 软件绘制温度变化曲线。

根据热电偶测量点温度的变化趋势，分别分析了在不同进口流量、不同热流密度以及不同 过热度三种工况下喷雾冷却的换热性能和换热表面温度分布的均匀性。

2 喷雾相变冷却实验

2。1 喷雾实验系统

图 2。1 喷雾相变冷却系统流程图

1 温度传感器  2 压力传感器  3 多喷嘴阵列  4 喷雾实验腔室  5 模拟加热源