（上海理工大学 制冷技术研究所，上海 200093）

随着电子元器件微型化和高度集成化迅速发展，电子元器件的发热功率急剧增加，这些热量如果不及时疏散出去，可能会降低系统的可靠性，导致设备的失效。喷雾冷却技术是借助高压气体或者冷却工质自身的压力通过喷嘴将冷却工质雾化成20～100 μm的微液滴，强制喷射到被冷却物体热表面，通过强制对流、液膜蒸发、核态沸腾以及二次核化等传热方式，带走大量热量，从而对散热面进行有效冷却的技术。喷雾冷却因其优良的散热特性，已被广泛应用于超级计算机的冷却、高功率二极管激光器阵列、天基雷达和皮肤外科手术等[1-5]方面。

间歇式喷雾冷却是在传统式喷雾冷却的基础上，主要通过两种形式实现间歇式喷雾冷却[6-8]，一种是使用模糊逻辑控制喷射时间和喷射频率；另一种方法是进行闭环反馈控制，温度传感器将实时表面温度输入到控制器中，控制器相应地开启或关闭喷雾器，实现间歇式喷雾冷却。间歇式喷雾冷却相比传统式喷雾冷却，一个最大的优点就是工质能够充分利用，让工质有足够的时间发生相变，解决喷雾过程中因液膜厚度过大和蒸汽与液滴的逆向运动导致换热效率降低的问题，减少工质不必要的浪费，可以实现更好的换热效果。

针对间歇式喷雾冷却的研究，国内外有一些相关文献发表，国内学者们进行简单的实验研究了喷雾参数对间歇式喷雾冷却换热影响，主要停留在连续喷雾冷却的换热机理研究，国外对间歇式喷雾冷却开展较多实验研究，并具体分析一些影响因素及换热特性和换热机理，鉴于间歇式喷雾冷却的影响因素很多，本文基于国内外学者的理论和实验研究为基础，从工质类型、喷雾参数和表面特征的角度，结合占空比、频率及喷雾周期，综述了这些因素对间歇式喷雾冷却换热的影响，并阐述换热机理和换热特性，为今后的研究指明了方向。

1 工质类型对间歇式喷雾冷却换热影响

在喷雾冷却实验过程中，许多液体都用来作为冷却工质，如纳米流体、制冷剂和含有表面活性剂的溶液等。冷却工质类型的不同，它们的化学性质和物理性质也会有差异，如挥发性、沸点、导热系数、表面张力和固液接触角等等[9]，因此对喷雾冷却的换热效率也会有所差异。在改变冷却工质类型的相关研究中，大家所期待的是能够寻找一种冷却工质，能够极大地提高喷雾冷却的散热效率，同时也要符合节能环保的主题，用量少、污染低、散热高，对电子元器件不会造成损害。为了实现这个想法，一些学者采用间歇式喷雾冷却，通过改变工质类型，研究间歇式喷雾冷却的换热性能及其影响。

Zhou等[10]研究了不同制冷剂对间歇式喷雾冷却的喷雾特性和换热机理影响，使用三种挥发性的制冷剂（R134a，R407C和R404A）。研究发现R404A喷雾产生最窄的喷雾宽度和最小冷却点，具有控制冷却面积的优势。它也产生最小的液滴直径和最大的液滴速度，而R134a喷雾产生最大的直径和最小的速度，R404A产生最大的液滴下降速率和最低的喷雾温度，原因是其R404A 最高的挥发性和最低的饱和温度。然而，在下降过程中，研究发现无量纲喷雾温度是自相似的，与制冷剂无关，可以用指数方程来描述，其表达式如下所示：

式中：Td是液滴平均温度(℃)；Td.min是液滴最小温度(℃)；Tsat标准大气压下的饱和温度(℃)；z是轴向距离(mm)；d是喷嘴内径(mm)。

Panao等[11]使用HFE—7100和丙酮作为冷却工质，用于间歇式喷雾冷却的换热研究，流体的热物理性质如表1所示。

表1 流体热物理性质Tab.1 Thermophysical properties of fluids

对HFE—7100和丙酮分别作为冷却工质进行换热实验研究，从不可逆性比的角度定量分析：

式中：Sgen,△m为蒸发质量流量（W…(m…K)–2）；Sgen,qw为喷射表面热流量（W…(m…K)–2）；φ为不可逆性比。

发现丙酮壁面热流产生不可逆性比HFE—7100壁面热流产生不可逆性更明显，该现象与工质的蒸发潜热有关，丙酮的汽化热比HFE—7100大79%左右。同时不可逆性分布比有助于解释这些流体之间的差异。从能量和㶲效率的联合分析表明HFE—7100和丙醇在能量效率方面与占空比有相似的作用，但丙酮对㶲的破坏最小。不可逆性分配比例见图1所示，纵坐标φ为不可逆性比，横坐标DC(%)为占空比，不管占空比如何，丙酮得到的不可逆性比值都在1以下，这表明由蒸发潜热产生的不可逆性比壁面热流产生的影响更小。

图1 HFE—7100和丙酮的不可逆性分配比例Fig.1 Irreversible distribution ratio of HFE—7100 and acetone

值得注意的是，工质越能促进相变，意味着冷却潜力也就越好，相变能力与换热潜力呈正相关，说明在间歇式喷雾冷却系统的设计中工质蒸发潜热起着重要作用。

Sivanand等[12]使用液氮在不同温区进行了间歇性喷雾冷却换热实验研究。液氮是一种惰性、无色、无腐蚀性、不可燃、温度极低的液体，液氮易获得，价格低廉，因其无毒，可以在开式装置中使用，当冷却表面温度很低时（70～100 K），也能用液氮作喷雾工质来降低表面温度。实验发现使用液氮为冷却工质，能够很快消除热表面温度分布不均匀的情况，当表面温差越明显时，越易达到临界热流密度,平均传热系数也越大。

Karpov等[13]对垂直表面进行多喷嘴脉冲式喷雾冷却进行了换热实验研究。水的汽化潜热比乙醇要大，纯水的传热强度却明显低于纯乙醇，且水和乙醇的逸度和相变热也不同。使用乙醇水二元混合溶液作为冷却工质实验发现，合适浓度的乙醇水混合溶液能够增加临界热流密度，不同逸度和相变热的乙醇水溶液能实现不同的热交换，显著地增加蒸发率，使换热能力大幅度提高。脉冲喷雾冷却的换热效率随着乙醇浓度的增加和喷雾的脉冲持续时间的减小而增大，当到达一定浓度时，再增加溶液浓度，换热系数不增反降，说明存在最佳浓度和周期时间。不同溶液的最佳值不一样，需要进一步的实验研究，以便于实际的应用。

通过总结学者们的研究了解到，在间歇式喷雾冷却中，使用不同的冷却工质就是为了满足大功率电子元件散热要求，让整个冷却系统具有良好、稳定的换热冷却能力，不同的冷却工质在热流密度、表面的蒸发潜热和表面温区的表现有差异。一般而言，冷却工质的相变能力越大，冷却潜力也就越大，冷却工质的物理和化学性质差异，确实能够直接影响间歇式喷雾冷却液滴特征，从而间接性影响换热特性。从目前对间歇式喷雾冷却换热性能研究中，发现冷却工质类型还是比较少的，对表面活性剂，混合不同冷却工质的研究欠缺。今后可以增加这方面研究。

2 喷雾参数对间歇式喷雾冷却换热影响

在间歇式喷雾冷却的换热研究过程中，喷雾参数包括喷雾高度、喷雾压力、喷嘴直径、喷雾倾角及流量等等[14]也会对换热效率产生重要的影响，虽然在喷雾冷却中做了大量相关的研究，但在间歇式喷雾冷却中，相关的研究还是有限，为了寻求最佳的匹配方式，使对电子元件的冷却效率达到最大化，笔者先以现有的研究，结合间歇式喷雾冷却特点，总结喷雾参数在系统的具体影响和换热特性。

周华琴[15]进行脉冲式喷雾冷却实验研究发现，压力为0.46 MPa，喷头距加热表面为60 mm，喷射周期50 ms工况下的，最佳占空比为0.65的脉冲喷雾冷却比连续喷雾冷却换热系数提高 10%。压力为0.50 MPa，同样的喷射周期和喷雾高度下，最佳占空比0.67的脉冲式喷雾冷却比连续喷雾冷却换热系数提高了4%。对比分析可知0.46 MPa下的脉冲喷雾冷却效果和换热系数明显优于0.5 MPa下的，而且前者的最佳占空比也小于后者，产生这种现象是因为0.46 MPa下喷雾的流量较0.5 MPa的下降了，相应停喷时刻的液膜的厚度也变薄了，换热增强了，这一结果与Meingast等[16-17]实验研究得出的结论相似。喷射压力、流量对间歇式喷雾冷却换热效果比连续式喷雾冷却影响较大。

Sivanand等[18]进行封闭式间歇式喷雾冷却实验研究，喷射压力分别为0.2，0.4及0.6 MPa，在0.2 MPa时，喷雾密度较低，类似于平坦的喷雾，在0.4 MPa时，由于不稳定性，喷雾不能保持圆锥形状，中心部分液滴分布比较密集，当压力达到0.6 MPa时，喷雾变成真正的圆锥形，并且中心部分液滴分布非常小。在设置相同喷射温度时，随着喷射压力的增大，液滴越小，表面热流密度也越大。

Zhou等[19]将脉冲喷雾冷却用于激光手术中进行实验研究，研究发现喷射距离对间歇式喷雾冷却有很大影响，研究了10，30，50及70 mm的喷射距离，发现冷却到相同温度下，喷射距离越大，所需要的脉冲时间越久，喷淋宽度越显著，液滴分布也越均匀。模拟热源表面冷却速率表明，液滴大小和速度随喷雾距离变化而变化，与喷雾距离相比，喷雾持续时间对冷却性能影响不大。也发现在冷却前期，喷射距离越大，冷却效率也越大，后期由于形成液膜层，传热效率主要受热传导影响。

Wang等[20]在不同的喷雾距离和背压下进行脉冲式换热特性研究，发现降低压力总能降低最小表面温度（＞50 ℃），当喷射距离较短，为5 mm喷射时，能显著提高最大热流密度约1.9倍，在喷射距离较长，超过20 mm时，最小表面温度减少。当压力超过20 kPa，最大热流密度先增加然后持续降低；当压力低于20 kPa时，最小表面温度增加，造成最大热流密度急剧减少。因此，为了获得低的最小表面温度和高的最大热流密度，应该使用合适的喷雾高度和压力。

Panao等[21]研究了具有间歇式多喷嘴喷雾冷却的高能电子热管理，研究发现，缩短连续喷雾冷却持续时间，可以更好地分配质量流率，从而产生更大的传热系数以及更高的冷却效率，质量流量主要受热传递的影响，而不是因多喷嘴配置引起的差异，同时间歇式喷雾冷却有更多的相变对流换热。

喷雾参数对间歇式喷雾冷却的换热起着重要的作用，有些情况下，甚至超过占空比、周期对喷雾冷却换热的影响。不管在间歇式喷雾冷却还是传统喷雾冷却过程中，喷嘴到热表面距离都不能太大和太小，只有最优的距离，才会出现极高的热流和传热系数，达到最佳的散热。喷射压力也是与系统匹配的才行。喷射压力与流量有密切联系，在间歇式喷雾冷却中，喷射压力越大，同样喷嘴的条件下，流量也越大，液膜也越来越厚，越不利于换热，然而一些学者持相反意见，认为压力越大，液滴密度越小，越有利于换热，因此需要更多的实验验证。鉴于目前的研究关于喷雾参数对间歇式喷雾冷却并不是特别多，如喷雾倾角、喷嘴结构等，而且目前研究的范围很小，今后可以进一步展开研究。

3 表面特征对间歇式喷雾冷却换热性能研究

表面特征对于喷雾冷却的换热极其重要,喷雾冷却的目的就是促进表面散热，降低表面温度，防止电子元器件因过热而导致失效[22]，热表面特征包括初始表面温度和表面结构，在间歇式喷雾冷却研究中，现有的文献没有关于表面结构对喷雾冷却换热影响，因此，本文集中总结冷却表面初始温度对间歇式喷雾冷却的换热情况，结合占空比、周期及频率更进一步分析间歇式喷雾冷却换热性能及机理。

Panao等[23]研究了脉冲喷雾冷却的热流体特性，发现当雾滴冲击到表面上时，在湿润条件下，壁面温度减小，传热系数增加，当温度升高到莱顿弗罗斯特区时，随着温度的升高，传热系数减少，清楚地表明其依赖于在冲击时喷雾液滴所经历的热传递状态，与Aguilla等[24]观察到的结果相似。

刘媛[25]进行间歇式喷雾冷却高热流表面机理研究，首先将铜柱温度加热到150 ℃，然后开始喷水，在喷水的过程中，由于铜柱表面的换热方式由空气换热转变为相变换热，以及液滴冲击加热表面后形成热阻，汽化核心的生成等诸多因素的影响，热流密度急剧波动，很快，热流密度基本稳定在一定的值，随后缓慢攀升，最终又稳定在一个值，达到平衡。说明当初始表面温度高于冷却工质沸点时，会急剧发生相变，增加换热能力。其次通过对数据的分析，发现当采用间歇式喷雾冷却时，当半周期为100 ms和150 ms的间歇式喷雾冷却，比采用连续性喷雾冷却的效果好，能使加热表面的温度降到更低，平均传热系数更高。采用半周期为200 ms的间歇式喷雾冷却，可以将表面温度降低到 122.2 ℃，与连续喷雾冷却温度相似，但是，采用连续性喷雾冷却时，耗水量是采用间歇性喷雾冷却的一倍，张震[26]同样得出类似的结论。

Sivanand等[27]对间歇式喷雾冷却在单相区和两相区进行对比实验研究，在0.2 MPa的压力下，表面温度在85 ℃水膜有明显的蒸发，传热系数值开始快速增加。然而，在0.4 MPa和0.5 MPa时，流量较高，需要较高的壁温（＞90 ℃）来启动这种高蒸发速率状态，表面温度（在各种设定点或操作条件下）决定了表面液滴薄膜的蒸发量。在较高的表面温度下工质越易蒸发，表面温度决定了壁面过热度，这是决定沸腾传热系数的重要参数。也注意到，当表面温度达到水的沸点时，间歇喷射效率显著增加。在 80～100 ℃的区域由于冷却剂显著的相变，温度的波动随热流和表面温度的升高而增加。最后发现，接近冷却剂的沸点，具有中等热通量的较高表面温度的情况可促进相变，并保持表面温度幅度最小，并且最适合于间歇喷雾。

表面的换热情况比较复杂，在总结表面特性的过程中，发现表面温度达到莱顿弗罗斯特区时，随着温度的升高，传热系数减少。当表面温度比较高时，工质喷到热表面越容易蒸发。表面温度决定了表面的过热度，这个决定了沸腾传热系数的重要参数；初始表面温度接近冷却工质的沸点时，喷射的工质会立即发生相变，增加传热能力。关于热表面特征需要进一步实验研究，弄清楚具体的换热机理，为提高间歇式喷雾冷却换热提供一个理论依据，使冷却工质与初始表面特征达到一个合理的匹配，增加间歇式喷雾换热性能，节约能耗，同时关于热表面结构在间歇式喷雾冷却中从未涉及到，接下来的研究可以往这个方向进行。

4 总结

间歇式喷雾冷却是一种高效、节能的新型散热技术，本文基于国内外学者研究成果，从冷却工质类型、喷雾参数及表面特征三个方面综述了间歇式喷雾冷却换热性能，并结合占空比、喷射周期和频率分析间歇式喷雾冷却与传统喷雾冷却的换热性能差异，得出以下结论并指出以后需要研究的方向。

（1）间歇式喷雾冷却与连续喷雾冷却相比，能够充分利用冷却工质，降低液膜厚度，增加换热效率。

（2）冷却工质的热物理性直接影响间歇式喷雾冷却液滴特征及相变潜热，工质的相变能力越大，意味着冷却潜力越好；工质的沸点决定了相变的初始点。

（3）目前对间歇式喷雾冷却换热性能实验研究中，对溶液里添加表面活性剂，混合不同冷却工质的研究欠缺，今后可以增加这方面的研究。

（4）喷雾参数对间歇式喷雾冷却的换热起着重要的作用，有些情况下甚至超过占空比、周期对间歇式喷雾冷却换热的影响。目前研究的喷雾参数都存在最佳值，而且研究比较单一，今后可以循环渐进研究这些变量，同时展开喷雾倾角对间歇式喷雾冷却实验也是未来的需要研究的方向。

（5）热表面特性对间歇式喷雾冷却换热影响比较复杂，初始表面温度与冷却工质的沸点越接近，相变传热越容易发生。同时，关于热表面结构对间歇式喷雾冷却换热影响从未涉及，如多孔结构、表面粗糙度及微肋结构，需要相关实验进行研究，使之达到最佳的散热效果。

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