- 本课题的研究意义
随着近些年来科技进步，生产水平提高，加工工艺日益精密，电子器件的体积逐渐减小而功率不断提高，发热问题越来越严重，局部的高热流密度散热技术在今后的发展中变得尤为重要。现阶段，比较主流的高热流密度散热方式包括：强迫对流、微通道换热和喷雾冷却。其中，强迫对流受制外部环境，所需安装空间较大[1];微通道换热的加工工艺十分复杂[2]，而喷雾冷却以其散热密度大、冷却效率高、综合性能好等优点，在高密度发热电子器件散热领域得到广泛关注[3-6]。图1.1给出了几种典型换热方式的换热系数范围[4]。
图1.1不同换热方式的换热系数范围
由上图可以看出，以水作为工作介质时，喷雾冷却具有极高的换热系数。这表示喷雾冷却可以用较小的工质流量实现较高的换热量，可以满足局部区域的高热流密度换热。目前，喷雾冷却技术已经开始了初步的运用。
在计算机系统的冷却中，Cader等人[7]利用喷雾冷却对Opteron服务器的主板进行冷却，定量研究了喷雾冷却的散热能力及其对系统可靠性的影响。研究发现，与风冷相比，采用喷雾冷却能够使微处理器的二极管温度降低33℃，并且使芯片功耗降低35％。Patusch等人[8]将喷雾冷却技术应用在 Cray XI超级计算机系统的冷却中，发现喷雾冷却系统(Spray evaporate system, SES)能够将ASIC集成电路的结点温度稳定在70～85℃之间，并且FC-72工质每单位制冷量的流量仅为1mL／(mWbull; min)。
在航天热控领域，喷雾冷却系统已经在航空领域进行了实装应用 [9]。针对太空的真空环境，美国NASA将紧凑式闪蒸喷雾冷却技术作为下一代航天器的储备散热技术之一[10,11]。然而，要进一步使该技术达到实际飞行应用的技术水平，还需要对其中的一些关键问题进行深入研究，包括循环系统封闭性和微重力的影响等。
在医学领域，喷雾冷却可用于激光组织焊接时的皮肤冷却，Nathaniel等人[12]使用喷雾冷却作为减少组织表面附近的横向热损伤、缩短操作时间的一种方案，提高了激光能量，使操作时间由10分钟减至1分钟，并且证明了中强度的喷雾冷却并不会影响伤口的愈合。
喷雾冷却已被应用到许多领域中，但仍停留在大型的商业、工业以及实验的理论研究。距离民用实用化还有很多问题需要解决，通过对强化喷雾冷却机理的研究，有助于寻找最佳的喷雾冷却条件。并且在超过临界热流密度时，经典的喷雾冷却系统已达不到使用要求，通过研究喷雾冷却的机理还可以为设计新型的喷雾冷却系统提供基础。
- 研究现状
喷雾冷却的换热过程可以描述如下：经过加压的液体进入雾化喷嘴，在喷嘴内部被分流、挤压、扰动、混合，伴随着巨大的湍流动能进入气体介质中；由于压力的突然变化和气体介质的阻力作用，液体在飞行过程中快速撕裂、破碎、雾化，形成大量细密的液滴；这些液滴高速击打在发热表面，部分碰撞、回弹、溅射后在发热表面形成薄液膜，且由于液滴的持续击打使液膜快速流动冲刷；最终发热表面的大量热量通过液滴击打、液膜流动、液膜蒸发和沸腾等方式带走。典型的喷雾冷却系统如图1.1所示
