第22卷第12期
2010年12月强激光与粒子束V01．22，No．12Dec．，2010NDPARTICI，EBEAMSHIGHPOWERLASERA
文章编号：1001—4322(2010)12—2789—06*综述*
高功率固体激光器喷雾冷却技术。
司春强1’2，邵双全1，田长青1，徐洪波1
(1．中国科学院理化技术研究所，北京100190；
摘要：2．中国科学院研究生院。北京100049)喷雾冷却作为一种解决高功率激光器散热需求的技术得到越来越多的关注。结合近几年的研
究工作，综述了喷雾冷却技术的研究现状。针对高功率激光器的散热需求，主要从传热机理、影响因素、温度均
匀性方面进行阐述，分析了存在的问题。提出将制冷系统和喷雾系统结合、R600a等制冷剂为冷却剂的冷却方
案。设计了气助式制冷喷雾冷却系统，分析了适用于制冷喷雾冷却系统的工质，提出了喷雾冷却技术在高功率
固体激光器散热中的发展方向。
关键词：高功率激光器；喷雾冷却；制冷；
文献标志码：传热A中图分类号：TKl24doi：10．3788／HPI。PB20102212．2789
高功率激光器的研究是近十多年来激光科学技术的重要发展方向之一，激光二极管泵浦固体激光器(DPL)的效率高，光束质量好，结构紧凑，寿命长，引起人们极大的兴趣_1]。高功率二极管激光器的相继研制成功促进了高功率固体激光器在军事、医用、科研、航空航天等领域的应用。在高功率泵浦情况下，固体激光器中仅有少部分能量转换为激光输出，绝大部分能量转换成废热，引发温度和应力分布改变，严重的热效应会降低激光光束质量和输出功率，甚至会损毁激光介质【2巧]。为了保证激光器持续稳定运转，避免产生热透镜、应力、双折射等不良效应，必须解决激光器散热问题，这是目前DPL研究中的技术难点之一[6。7]。泵浦源、晶体棒的全腔式冷却、循环风冷、循环液冷等方法可以满足小功率激光器的需求[8州。随着激光器功率增大，热负荷越来越大，国内外学者就此进行了大量的研究工作，提出了喷雾冷却、微通道液冷、固体冷却、微热管冷却等冷却方式[1…。本文结合现有喷雾冷却技术研究成果，针对高功率固体激光器传热特点及喷雾冷却自身优势进行综述分析，并在此基础上探索喷雾冷却技术在高功率固体激光冷却领域的发展前景和方向。
l喷雾冷却技术原理
结合传热理论，无论是冷却泵浦源还是增益介质，其散热量均为
Q—hAAt(1)
式中：Q为散热量；h为传热系数；A为传热面积；At为传热温差。从
式(1)中可以得出，为提高散热量，可以通过增大传热系数、增大传热
面积、增大传热温差等途径实现。喷雾冷却主要通过提高传热系数，
显著增加散热能力。喷雾冷却是将冷却液在外加能量的作用下通过
雾化装置(主要装置是喷嘴)雾化后喷射到传热表面，通过雾化液滴
的对流和相变换热带走热量，达到冷却目的。如图1所示，冷却液经
泵加压后进入喷嘴，雾化后喷射到传热表面进行换热，图中换热器用
于保证供液温度。喷雾冷却具有传热系数大、温度均匀性好、过热度
小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点。和池沸腾、冲击射流相
比，喷雾冷却具有更高的传热能力。例如，水作为冷却工质，喷雾冷
却和池沸腾的临界热流密度(CHF)分别为1
雾为研究对象。获得了高达1200000Fig．1Schematicdiagramofspraycooling图l喷雾冷却系统图W／cm2和120W／cm2；以液氮为冷却工质，CHF分别为160／cm2和30W／era2‘11。16|。Pals等以气助式喷W／cm2和16W／cm2；以FC一72为冷却工质，CHF分别为100WW／cm2的热流密度m3。美国字航局(NASA)表示，未来的太空探测项目离不开喷雾这样的散热装置，尤其是在大功率系统、激光系统、电子元件等装置中[”3。
*收稿日期：2010—06—12；修订日期：2010—09一10
基金项目：国家自然科学基金项目(50676099)
作者简介：司春强(1982一)，男，博士研究生，主要从事高热流密度冷却技术；cqsi@mail．ipe．ac．cn。
强激光与粒子束第22卷
2喷雾冷却技术研究进展
早期喷雾强化传热技术主要应用在金属切削加工中。早在20世纪70年代初期，人们利用气液两相流体混合形成雾状射流喷射到加工区，通过微小液滴的相变换热达到冷却工件的效果[19|。随着化工、动力、航空、航天等工业的迅速发展，尤其是高功率激光器的飞速发展，加强了对散热的需求，喷雾冷却技术作为一种极具发展前景的散热方式引起了众多学者的兴趣，因此进行了大量的关于喷雾强化传热的理论和实验研究。
2．1传热机理研究
喷雾强化传热是一个复杂的过程，受到液滴颗粒尺寸分布、液滴速度、喷射角度、物性、传热表面粗糙度、热流等诸多冈素的影响。在不同传热条件下传热机理不尽相同。
在无沸腾喷雾冷却过程中，散热能力受强制对流和液膜蒸发两种机理共同作用。研究表明[2引：多数冷却液进行纯对流换热。在冷却中起主导作用；小部分冷却液通过液膜蒸发进行换热，高效的相变换热使其传热系数占据整体传热系数的25％以上。
在沸腾区。喷雾冷却由强制对流、液膜蒸发、核态沸腾等机
理共同作用。Horacek等【2¨以FC一72为冷却工质，利用图2所
示闭式循环系统进行实验，研究发现：在低过热度条件下，主要
通过单相对流换热，雾滴的冲击会增加对液膜的扰动，进而强化
传热；在高过热度条件下，相变换热占据了主导地位，进而强化
传热。Rini等口2j研究发现：喷雾强化传热和核态沸腾紧密相联
系，无论是在传热表面成核，还是二次成核，都有助于核态沸腾
换热的增强。
也有学者对喷雾强化传热机理进行了相关的数值模拟研
究。喷雾强化传热是大量雾化小液滴撞击在传热肇面的集体行
为。因此，可以通过研究单个液滴冲击热表面的流动和传热情
况来分析单一参数对传热系数的影响。液滴冲击传热表面迅速Fig．2Schematicofclosedcirculatory
变形，铺展成薄液膜。液滴在传热表面的铺展系数直接影响液泖。，coolingfacili。y
滴在加热面上的展开面积，是影响流动和传热的因素，对传热特图2闭式循环喷雾冷却系统图
性有重要影响。而这个过程极其复杂，包括自由表面流动，三相接触线(气体、液体、固体)之间的运动，以及液滴和热表面之间的传热过程。高珊等|231利用流体体积算法，针对单个水滴冲击恒温平板建立物理和数学模型，然后进行数值模拟分析，讨论了其动力学和传热特性。梅国晖等[24]以池内膜态沸腾为基础，喷雾作为一种扰动。对池内膜态沸腾的关系式进行修正，从而得到喷雾冷却膜态沸腾关系式。在高温表面喷雾传热的研究基础上，陈文李f251等人对小温差喷雾碰壁蒸发实验进行了相关研究。
2．2影响因素研究
喷射参数，主要包括雾滴粒径、雾滴颗粒分布、出口速度、体积流通量、喷射角度、高度和液体本身的物性。调控喷射参数，主要是用来改变雾滴的动力学特性，进而实现强化传热。对于薄液膜蒸发换热，调整喷射速度、体积流通量、颗粒分布、粒径等参数，及时均匀补充液膜，既可以保证蒸发，又不会造成液膜的堆积；对于沸腾换热，提供充足的汽化核心。使之均匀分布在传热表面。这些因素都将对强化综合传热效果起重要作用。
Choi和Yaof26：通过实验研究了液滴向传热表面的撞击角度对散热效率的影响。研究发现：对于垂直喷射，在核态沸腾段散热效率较高；对于水平喷射，在过渡沸腾段散热效率较高。王亚青等[27]也对无沸腾区喷射角度对传热的影响进行了相关研究。Pautsch等比81人用压力式喷嘴进行实验，随着体积流量的增加，在传热表面形成的液膜厚度下降；而Yang等¨列研究发现，对于气动式喷嘴，冷却液的体积流量对液膜厚度几乎没有影响。叶立等b01以带雾饱和空气流过一恒热流加热平板表面为研究对象，对喷雾传热进行数值模拟求解，与实验验证相结合，结果发现散热效果随气流速度的增加而降低，随含雾链的增加及雾滴直径的减小而增强。
传热表面的性质，包括粗糙度、过热度、热流等。一般通过改变传热面的几何性质强化传热，在传热面刻画适当尺寸的微槽道。既可以增加传热面的尺寸，同时也有利于液膜的破裂；也可改变传热面的粗糙度(强化沸腾传热)或增加小尺度肋强化传热。
Sodtke和Stephan【31]对不同的喷射高度和表面粗糙度进行了实验。实验发现有微小粗糙度的表面的传
第12期司春强等：高功率固体激光器喷雾冷却技术2791热效果比平滑表面明显要好很多。由于微小的粗糙度导致了三相接触线长度的增加，进一步导致薄液膜的快速蒸发。通过实验中的红外摄像机发现，在平滑传热表面，随着三相接触线长度的增加，热流增加，同时由于冷却液膜的破裂。温度分布出现了很大的梯度。Silkf3引研究了图3所示立方肋片、金字塔状肋片、直肋片等对传热性能的影响，得到了相似的结论，和平滑传热表面相比，金字塔状肋片的CHF可以高出50％。王亚青等b胡采用机械雾化实心圆锥喷嘴。对刻有不同微结构槽道冷却面的无沸腾区散热性能进行实验。结果表明，刻有微结构的表面可明显增强散热效果。最高散热功率达376W／cm2．完伞町以满足当前高功率激光器的散热需求。
Fig．3Resultsofenhancedsurfacestests
图3表面结构强化传热实验结果
对于目前的大功率电子元器件散热，改变传热面性质的方法受到一定限制，喷射参数以及喷射参数和传热表面参数相互耦合强化传热的研究将会成为大功率电子设备散热的重要研究方向，同时在获得高传热能力的前提下如何能降低表面温度也是重要的研究内容。
2．3温度均匀性研究
高功率激光器散热要求表面温度具有很好的均匀性。否则局部过热会导致光学畸变，影响光束质量，进而导致整个系统因局部过热而温控失效，甚至造成不可估量的损失。针对这一问题。作者对压力式和气助式喷嘴喷雾强化传热在无沸腾区的温度均匀性进行了研究。结果表明：(1)传热表面温度不均匀性随着喷射高度增加而增加，当喷射高度增加到一定范围后，用于表征传热表面的温度不均匀的温度标准差近似为恒定数值，而喷嘴进口压力越高，换热表面温度不均匀性越小，但是压力的增加对传热系数影响不大，所以，不宜采用过大的增加喷嘴进口压力实现温度均匀性；(2)对于气助式雾化喷嘴。低气液比时，液体压力不高于气体压力时温度均匀性较好；高气液比时，液体压力略低于气体压力，最有利于温度均匀分布，增大液体流量，减小气液比，会使温度均匀性变差，液体压力等于气体压力时，气液比对温度均匀性影响不大。
Yan等以R134a为冷却工质，用气助式雾化喷嘴进行实验研究∞4。。结果表明，在获得较低的表面温度(
2．4存在问题
由于喷雾冷却的高散热能力及高功率电子设备的散热需求，对其机理还未及时进行充分研究的情况下，已经得到了广泛应用。由于影响传热的众多参数不是相互独立的，很难通过实验做到分析单个参数对传热的影响。传热本身包含气液相互作用、液滴的冲击、相变等复杂过程，目前只能做一些有限的相关实验，如气泡液滴的动力特性、池沸腾、液滴撞击、平滑传热表面和一些简单的喷雾冷却模拟，现有的结论也是通过实验进行定性或半定量观测，还没有对其形成系统完整的理论。在大功率电子元器件冷却装置中，一般是在有限的空间内传热，有的甚至需要在封闭空间内传热，在这些条件下的传热机理和问题都有待进一步研究。
目前多数实验采用图1和图2所示的开式循环和闭式循环两种系统。以水为工质，进行开式循环实验，虽然可以获得高热流密度和散热能力，但同时导致表面温度高于100℃，这将极大地限制其在电子产品冷却中的应用。为了满足高功率激光器较低的表面温度需求，需要对系统进行抽真空。建立图2所示的闭式循环系统，通过降低蒸发温度得以实现，这样可以满足低表面温度需求，但是气密性要求高。系统结构复杂，不利于在激光器中的应用。另外也可以泵等为驱动，以低沸点工质如R134a、氟利昂113、氨等进行喷雾实验研究f35。37|，利用真空系统控制蒸发压力，获得了相对较低的表面温度，但是整个系统依然无法实现工质的循环利用，同时要配备附加冷却系统用于冷却循环工质，系统也很复杂。同时，工质的环境友好性、安全性较差，不适合大规模的使
用。
2792强激光与粒子柬第22卷3未来发展
大功率电子元器件，尤其是激光设备，在没有控制废热产生的手段的情况下，必将会加大对高性能的散热装置的需求，喷雾冷却技术会得到迅猛发展。
3．1系统改进
现有开式循环获得的表面温度较高，闭式循环传热能
力不高，无法实现工质的完全循环利用。同时两种结构都
要配备泵等压力装置及附加冷却系统，整体结构复杂。为
此，我们建立如图4所示的制冷喷雾冷却系统，以R600a为
实验工质进行实验。将喷雾系统和制冷系统相结合，由压
缩机取代泵提供动力，蒸发器由换热室替代，喷嘴起雾化和
节流作用。该系统蒸发压力可以通过调节压缩机的频率进
行改变，喷嘴进口压力靠冷凝水温度和阀进行调节，流量可
以通过旁通进行调节。在喷嘴进口压力350kPa，蒸发压力
185kPa的条件下获得了高达25kW／(m2K)的传热系Fig．4Systemofrefrigerationspray
数；在热流密度为100W／cm2时，获得的表面温度低于coolingwithpressurenozzle
40℃。图4压力式制冷喷雾冷却系统
Yan等[34]以R134a制冷系统为基础，节流阀后接气液分离罐，分离出的气体和液体分别进入气助式喷嘴的气室和液室，建立了气助式喷雾冷却系统。该系统利用制冷系统的节流装置得到相同压力下的气态和液态R134a，实现同种冷却剂用于气助式喷雾系统。该系统在表面温度29．9℃时，获得了3556w／(m2K)的传热系数。该系统很好的结合了制冷和喷雾系统，但是系统难以将气液压力、气液流量比调整到最优，最终会影响传热性能。另外喷嘴进口压力完全受节流阀控制，不利于喷嘴进口压力的调节。结合气助式雾化的特点，我们设计了适用于高功率固体激光器冷却的气助式制冷喷雾冷却系统口8|。该系统以普通制冷循环为基础。从压缩机出口处引部分气体作为气源接入气助式喷嘴的气室，中间通过手阀和换热器分别控制气体的压力和温度；压缩机排出的气体转变成冷却液进入气助式喷嘴的液室，最终实现气助式雾化。该系统可以简单地对气相、液相的压力和流量进行调节，可以很好的实现雾化和传热。采用变频压缩机，可以方便调节蒸发压力，获得更低的表面温度。
3．2工质选择
系统的改进，对工质有进一步的要求。为了满足较低的表面温度的需求，常用制冷剂是喷雾强化传热的主要研究对象。几种可以用作喷雾冷却的工质在o．1MPa下的物性如表1所示。
表lo．1MPa下的制冷剂物性参数
Table1Refrigerantpropertiesat0．1MPa
由于水沸点过高；氨具有毒性和易燃性；甲醇沸点过高，而且有毒，易燃；R134a潜热最小，同时还是温室气体，限制使用。所以从应用角度分析，以R600a，R290为代表的工质有望成为优秀的喷雾冷却工质。这一类工质汽化潜热相对较大，沸点较低，无毒，环境友好性好，虽然具有可燃性，但是在冰箱中的应用证明安全性是有保障的。
3．3润滑油对喷雾冷却的影响
同泵驱动系统相比，制冷系统的引入不可避免地给整个系统带来润滑油。目前虽然有大量研究关于润滑油在管内沸腾的影响，但是在喷雾冷却中含有润滑油的研究还鲜见报道。当然制冷系统蒸发过程的不稳定性，对传热温度的稳定性是否有影响有待进一步的研究。
第12期司春强等：高功率固体激光器喷雾冷却技术27934结论
高功率激光技术的飞速发展使得散热需求增强，这将极大地促进喷雾冷却传热机理的进一步研究发展和喷雾冷却技术的广泛应用。以制冷系统为基础，将喷雾系统与之有机结合，具有系统结构紧凑简单，易于获得更低的表面温度等优势，在开发高功率固体激光器方面有着广阔的应用前景。喷雾冷却技术的发展也会推动大功率电子元器件在工业、农业、航空航天等领域的应用和发展。
参考文献：
E1]文建国，蔡德芳，王石语，等．大功率DPL中激光二极管热负荷及散热技术[J3．西安电子科技大学学报；自然科学版，2000，27(4)：463—
466．
system．Journalonthelaserdiode’sheatchargeandheatevolutiontechnologyinPLhi-powerDofXidianUniversity：NaturalScienceEdition，2000，27(4)：463—466)
iulan，LiZhigang，FzJ陶毓伽，淮秀兰，李志刚，等．大功率固体激光器冷却技术进展[J]．激光杂志，2007。28(2)：1卜12．(TaoYujia，HuaiX
eta1．Advancementofcoolingtechniquesinhigh—powersolidstatelaser．LaserJournal，2007，28(2)111—12)
[3]邵杰，李小莉，冯宇彤。等．激光-5管端面抽运Nd：YV04板条激光器及其热效应[J2．光学学报，2008，28(3)：497—501．(ShaoJie，Li
d：YV04slablaserandXiaoli。FengYutong，eta1．LD-end-pumpedNitsthermaleffects．ActaOpticaSinica。2008，28(3)：497—501)
[43斐正平。唐淳。涂波，等．Nd：YAG薄片激光器热致波前畸变[J]．强激光与粒子束．2006，18(10)：1615—1618．(PeiZhengping。TangChun，
Tu130。eta1．SimulationofthermaleffectonbeamdistortioninNd：YAGthindisklaser．HerLaserandParticleighPowBeams，2006，18
(10)：1615-1618)
in，Li[53岱钦．李新忠，王希军．LDA侧面泵浦Nd：YAG激光器的热效应分析[J]．强激光与粒子柬，2007，19(2)：197—201．(DaiQ
ijun．AnalysisWangX
(2)：197一Z01)ofXinzhong，thermaleffectinLDAsidepumpingNd：YAGsolidstateerlaser．HighPowLaserandParticleBeams，2007，19
[63马秀华，唐前进，胡企铨，等．固体热容激光器冷却方式的数值模拟[j]．强激光与粒子柬．2006，lg(12)：1937—1940．(Ma
Qianjin．HuQiquan。et
2006。18(2)：1937-1940)Xiuhua，Tanga1．Numericalsimulationofcoolingmethodforsolidheatcapacityerlaser．HighPowLaserandParticleBeams，
unna。Wei[7]何坤娜，魏志义，张志国，等．全固态激光直接抽运技术的发展和研究现状势[J]．中国激光，2009，36(7)：1679—1685．(HeK
Zhiyi。ZhangZhiguo，eta1．Overviewonlaserdiodepumpedsolid—statelaserwithdirectpumpingscheme．ChineseJournalofLasers，2009，36(7)：1679—1685)
[83任洪亮。庄礼辉，李银妹．双光镊测量胶体微粒问相互作用势[J]．中国激光，2008，35(1)：151—155．(RenHongliang，ZhuangLihui，LiYin—
mei．Measurementof
151—155)interactioneencolloidalparticlespotentialbetwusingdualopticaltweezers．ChineseJournalofLasers，2008，35(1)：；
[91王霄。张惠中．丁国民，等．聚丙烯塑料激光透射焊接工艺[J]．中国激光，2008，35(3)；466471．(WangXiao。ZhangHuizhong，Ding
issionwGuomin。eta1．Lasertransmeldingpolypropyleneplastics．ChineseJournalofLasers。2008．35(3)：466—471)
[10]武德勇，高松信，吕文强，等．激光二极管高效铜微通道冷却器设计[J]．强激光与粒子束。2004．16(7)：840—842．(WuDeyong，GaoSongx—
esignofhighefficientcoppermicro-channelscoolerfordiodelaser．HighPowerLaserandParticleBeams，2004，in．LnWenqiang，eta1．D
16(7)：840—842)
[11]ChowLC。SehembeyMS，PalsMR．Highheatflux
hen[12]NguyenD，C
physicsandRH，ChowsprayeatTransfercooling[J]．AnnualReviewsofHandconfinementon19978：291—318．1。C．Effectsofheaterorientationliquidnitrogenpoolo—boiling[J]．JournalofThermHeatTransfer，2000，149(1)：109一111．
sprayS。ChowLC，HahnOJ。eta1．Effectof[13]SehmbeyM
physicsandcharacteristicsonsprayithliquidcoolingwo—nitrogen[J]．JournalofThermHeatTransfer，1995，9(4)：757—765．
of[143EstesKA，MudawarI．Comparisontwo—phaseelectroniccoolingusingfreejetsandsprays[J]．JournalofElectronicPackaging，1995，
117(4)1323—332．
[153。YouChangJY
eatofHandSM．Boilingheattransferphenomicroenafromm4437—4447．porousandporoussurfacesinsaturatedFC-72[J]．InternationalJournalMassTram扣r，1997，40(18)l
R[163RiniDP，ChenH，ChowLC．BubblebehaviorandheattransfermechanisminFC-72pooleatTrans^r，boiling[J]．ExperimentalH
2001，14(1)：27—44．
[173PalsMR。ChowLC。MahefkeyEF．Surfaceroughnessanditseffectsofftheheattransfermechanisminspraycooling[J]．Transactionsof
eatTransfer，1992，114(1)：211-219．theASME，JournalofH
[183SilkEA，GolliherEL，SelvamRP．Spraycoolingheattransfer：Technologyoverviewandassessment[J]．EnergyConversiouand
Management，2008。49(3)：453—468．
aoliang，YanTong．Experi—[19]刘锡录，张耀良，闰通．喷雾冷却装置技术性能的试验研究[J]．现代机械，1994，(3)：1-4．(LiuXilu，ZhangY
mentalstudyonperformanceofspraycoolingequipment．ModernMachinery，1994，(3)：1-4)
[20]hunqiang，ShaoShuangquan，司春强，邵双全，田长青．无沸腾喷雾冷却传热实验研究[c]／／q：国工程热物理年会论文集．2009．(SiC
TianChangqing．ExperimentalstudyonspraycoolingwithnnualConferencenon—boiling／／SymposiumofAonEngineeringThermophysics
2794强激光与粒子束第22卷
ofChina．2009)
B．KigerK[211HoracekT，KimJ．Singlenozzlespraycoolingheattransfereatmechanisms[J]．InternationalJournalofHandMassTrans—
^r。2005．48(8)：1425—1438．
[223RiniDP．[henRH．ChowLC．BubblebehaviorandnucleateboilingheattransferinsaturatedFC一72sprayeatcooling[J]．JournalofH
Transfer。2002．124(1)：63—72．
ei．[23]高珊．曲伟．姚伟．喷雾冷却中液滴冲击肇面的流动和传热[J]．工程热物理学报。2007。28(s1)：221—224．(GaoShah，QuWei，YaoW
Flowand
221-224)heattransferofdropletimpingingonhotflatsurfaceduringspraycooling．JournalofEngineeringThermophysics。2007．28(a1)
[243梅围晖．盂红记．谢植．喷射方向对喷雾冷却传热的影响[刀．东北大学学报，2004．25(4)：374—377．(MeiGuohong，MengHongji．Xie
Zhi．Effectofsprayingdirectiononheatexchangeinspraycoolingprocess．JournalofNortheasternUniversity，2004．25(4)：374—377)
[25]陈文挛，罗行，张春明．等．小温差喷雾碰壁蒸发的实验研究[J]．工程热物理学报．2007，28(2)：277—279．((；henWenkui。LuoXing．
ZhangChunming，eta1．Experimentalstudyonsprayimpingingevaporationundersmalltemperaturedifferences．JournalofEngineeringThermophysics。2007，28(2)：277—279)
[26]ChoiKJ。YaoS【：．Mechanismoffilmboilingheattransferofnormallyimpactingeatspray[J]．InternationalJournalofHandMass
Transfer．1987，30(2)：311—318．
[271WangYaqing。1．iuMinghou，I．iuDong．eta1．Experimentalstudyontheeffectsof
Science，2010，34(7)：933
ofthethinsprayinclinationonwaterspraycoolingperformanceinnon—boilingregime[J1．ExperimentalThermalandFluid942．[28]PautschA．SheddT．NellisG．Thicknessmeasurements
enceonfilminsprayevaporativecooling[C]／／TheNinthIntersocietyConfer—ThermalandThermomechanicalPhenomena
dinElectronicSystems．2004．1：70—76．using[29]YangaisMJ，ChowL，PR．[．iquifilmthicknessandinationtopographydetermFresneldiffractionandholography[J]．Experimental
HeatTransfer，1992。S(4)：239—252．
[30]叶立．童子明。朱汝江。等．喷雾强化对流传热[J]．化_T进展，2006，25(s)：248—252．(YeLi。TongZiming。ZhuRujiang．eta1．
Charactersofheattransferprocessesunder
coolingonsprayconditions．ChemicalIndustryandEngineeringProgress。2006。25(s)：248—252)and[31]SodtkeC。StephanP．Spray
4089—4097．microstructuredeatsurfaces[J]．InternationalJournalofHMassTransfer。2007。50(19)：
[32]SilkEA，KimJ．KigerK．Investigation
Exposition．2004．ofenhancedsurfacespraySMEcooling[C]／／ProcofAInternationalMechanicalEngineeringCon—gressand
[33]王亚青，刘明侯．刘东，等．高功率激光器喷雾冷却的实验研究[J]．强激光与粒子束，2009，21(12)：1761-1766．(Wang
hou，Liu1)ong，eta1．Experimental
176卜1766)studyonYaqing。LiuMing—spraycoolingforhigh—powerlaser．HighPowerLaserandParticleBeams，2009，21(12)：
[341YanZB，TohKC．DuanF．eta1．Experimentalstudyofimpingementspraycoolingforhighpoweraldevices[J]．AppliedThermEngi—
neering，2010．30(10)：1225—1230．
[353HsiehSS。FanTC，TsaiHH．SpraycoolingcharacteristicsofwaterandR一134a．PartI：nucleateboiling[J]．InternationalJournalof
Heatand
DMassTrans]er，2007，47(26)：5703—5712．C[36]
[371ZhouW，MaF．LocaljetDP，KizitoimpingementP，etboilingheattransferwithammoniaassTrans扣r，2004，40(6)：539—549．R113131．HeatandMmicrostructuredBostanciH，RiniJa1．Spraycoolingwithonsurfaces：performanceenhancementandhysteresis
effect[J]．JournalofHeatTransfer，2009．131(7)：1401—1409．
[38]田长青．司春强，邵双全．用于商功率阎体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统：中国，[1**********]3[P]．2010—6—23．(Tian(：hang
qing．SiChunqiang．ShaoShuangquan．Spraycoolingithtwo—fluidnozzleforhigh—powsystemwersolidstatelaser：China．[1**********]3．20】0623)
Spraycoolingtechnologyforhigh
siChunqian91一，
(1．TechnicalInstitute。powersolid。statelaserShaoShuangquanl，TianChangqin91，XuHongb01hina；ofPhysicsandChemistry，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190。C
hineseAofCcademyofSciences，Beijing100049，China)
gets2．GraduateUniversityAbstract：
insprayAsanefficientcoolingmethodforhighpowerlasers，spraycoolingisplacedonmoreandmoreattentions．Theprogresstrans—coolingtechnologyisreviewed．Emphasistheheattransfermechanism．theinfluencingfactorsofheat
tofercapabilityandthetemperatureuniformityofheattransfer
suchassurface．ThesolutionsSolvetheexistingproblemsareproposed，theintegrationofrefrigerationsystemand
spraysprayithhighlatentheat，system，R600aandothereco-friendlyrefrigerantswandthesystemofrefrigerationithairassistedatomizerandappropriatecoolantsforthesystemcoolingw．Futuretrendsof
spraycoolingforhighpowersolid—statelaserisalsodiscussed．
Keywords：high-powerlaser；spraycooling；refrigeration；heattransfer
第22卷第12期
2010年12月强激光与粒子束V01．22，No．12Dec．，2010NDPARTICI，EBEAMSHIGHPOWERLASERA
文章编号：1001—4322(2010)12—2789—06*综述*
高功率固体激光器喷雾冷却技术。
司春强1’2，邵双全1，田长青1，徐洪波1
(1．中国科学院理化技术研究所，北京100190；
摘要：2．中国科学院研究生院。北京100049)喷雾冷却作为一种解决高功率激光器散热需求的技术得到越来越多的关注。结合近几年的研
究工作，综述了喷雾冷却技术的研究现状。针对高功率激光器的散热需求，主要从传热机理、影响因素、温度均
匀性方面进行阐述，分析了存在的问题。提出将制冷系统和喷雾系统结合、R600a等制冷剂为冷却剂的冷却方
案。设计了气助式制冷喷雾冷却系统，分析了适用于制冷喷雾冷却系统的工质，提出了喷雾冷却技术在高功率
固体激光器散热中的发展方向。
关键词：高功率激光器；喷雾冷却；制冷；
文献标志码：传热A中图分类号：TKl24doi：10．3788／HPI。PB20102212．2789
高功率激光器的研究是近十多年来激光科学技术的重要发展方向之一，激光二极管泵浦固体激光器(DPL)的效率高，光束质量好，结构紧凑，寿命长，引起人们极大的兴趣_1]。高功率二极管激光器的相继研制成功促进了高功率固体激光器在军事、医用、科研、航空航天等领域的应用。在高功率泵浦情况下，固体激光器中仅有少部分能量转换为激光输出，绝大部分能量转换成废热，引发温度和应力分布改变，严重的热效应会降低激光光束质量和输出功率，甚至会损毁激光介质【2巧]。为了保证激光器持续稳定运转，避免产生热透镜、应力、双折射等不良效应，必须解决激光器散热问题，这是目前DPL研究中的技术难点之一[6。7]。泵浦源、晶体棒的全腔式冷却、循环风冷、循环液冷等方法可以满足小功率激光器的需求[8州。随着激光器功率增大，热负荷越来越大，国内外学者就此进行了大量的研究工作，提出了喷雾冷却、微通道液冷、固体冷却、微热管冷却等冷却方式[1…。本文结合现有喷雾冷却技术研究成果，针对高功率固体激光器传热特点及喷雾冷却自身优势进行综述分析，并在此基础上探索喷雾冷却技术在高功率固体激光冷却领域的发展前景和方向。
l喷雾冷却技术原理
结合传热理论，无论是冷却泵浦源还是增益介质，其散热量均为
Q—hAAt(1)
式中：Q为散热量；h为传热系数；A为传热面积；At为传热温差。从
式(1)中可以得出，为提高散热量，可以通过增大传热系数、增大传热
面积、增大传热温差等途径实现。喷雾冷却主要通过提高传热系数，
显著增加散热能力。喷雾冷却是将冷却液在外加能量的作用下通过
雾化装置(主要装置是喷嘴)雾化后喷射到传热表面，通过雾化液滴
的对流和相变换热带走热量，达到冷却目的。如图1所示，冷却液经
泵加压后进入喷嘴，雾化后喷射到传热表面进行换热，图中换热器用
于保证供液温度。喷雾冷却具有传热系数大、温度均匀性好、过热度
小、临界热流密度高和低冷却液流量等特点。和池沸腾、冲击射流相
比，喷雾冷却具有更高的传热能力。例如，水作为冷却工质，喷雾冷
却和池沸腾的临界热流密度(CHF)分别为1
雾为研究对象。获得了高达1200000Fig．1Schematicdiagramofspraycooling图l喷雾冷却系统图W／cm2和120W／cm2；以液氮为冷却工质，CHF分别为160／cm2和30W／era2‘11。16|。Pals等以气助式喷W／cm2和16W／cm2；以FC一72为冷却工质，CHF分别为100WW／cm2的热流密度m3。美国字航局(NASA)表示，未来的太空探测项目离不开喷雾这样的散热装置，尤其是在大功率系统、激光系统、电子元件等装置中[”3。
*收稿日期：2010—06—12；修订日期：2010—09一10
基金项目：国家自然科学基金项目(50676099)
作者简介：司春强(1982一)，男，博士研究生，主要从事高热流密度冷却技术；cqsi@mail．ipe．ac．cn。
强激光与粒子束第22卷
2喷雾冷却技术研究进展
早期喷雾强化传热技术主要应用在金属切削加工中。早在20世纪70年代初期，人们利用气液两相流体混合形成雾状射流喷射到加工区，通过微小液滴的相变换热达到冷却工件的效果[19|。随着化工、动力、航空、航天等工业的迅速发展，尤其是高功率激光器的飞速发展，加强了对散热的需求，喷雾冷却技术作为一种极具发展前景的散热方式引起了众多学者的兴趣，因此进行了大量的关于喷雾强化传热的理论和实验研究。
2．1传热机理研究
喷雾强化传热是一个复杂的过程，受到液滴颗粒尺寸分布、液滴速度、喷射角度、物性、传热表面粗糙度、热流等诸多冈素的影响。在不同传热条件下传热机理不尽相同。
在无沸腾喷雾冷却过程中，散热能力受强制对流和液膜蒸发两种机理共同作用。研究表明[2引：多数冷却液进行纯对流换热。在冷却中起主导作用；小部分冷却液通过液膜蒸发进行换热，高效的相变换热使其传热系数占据整体传热系数的25％以上。
在沸腾区。喷雾冷却由强制对流、液膜蒸发、核态沸腾等机
理共同作用。Horacek等【2¨以FC一72为冷却工质，利用图2所
示闭式循环系统进行实验，研究发现：在低过热度条件下，主要
通过单相对流换热，雾滴的冲击会增加对液膜的扰动，进而强化
传热；在高过热度条件下，相变换热占据了主导地位，进而强化
传热。Rini等口2j研究发现：喷雾强化传热和核态沸腾紧密相联
系，无论是在传热表面成核，还是二次成核，都有助于核态沸腾
换热的增强。
也有学者对喷雾强化传热机理进行了相关的数值模拟研
究。喷雾强化传热是大量雾化小液滴撞击在传热肇面的集体行
为。因此，可以通过研究单个液滴冲击热表面的流动和传热情
况来分析单一参数对传热系数的影响。液滴冲击传热表面迅速Fig．2Schematicofclosedcirculatory
变形，铺展成薄液膜。液滴在传热表面的铺展系数直接影响液泖。，coolingfacili。y
滴在加热面上的展开面积，是影响流动和传热的因素，对传热特图2闭式循环喷雾冷却系统图
性有重要影响。而这个过程极其复杂，包括自由表面流动，三相接触线(气体、液体、固体)之间的运动，以及液滴和热表面之间的传热过程。高珊等|231利用流体体积算法，针对单个水滴冲击恒温平板建立物理和数学模型，然后进行数值模拟分析，讨论了其动力学和传热特性。梅国晖等[24]以池内膜态沸腾为基础，喷雾作为一种扰动。对池内膜态沸腾的关系式进行修正，从而得到喷雾冷却膜态沸腾关系式。在高温表面喷雾传热的研究基础上，陈文李f251等人对小温差喷雾碰壁蒸发实验进行了相关研究。
2．2影响因素研究
喷射参数，主要包括雾滴粒径、雾滴颗粒分布、出口速度、体积流通量、喷射角度、高度和液体本身的物性。调控喷射参数，主要是用来改变雾滴的动力学特性，进而实现强化传热。对于薄液膜蒸发换热，调整喷射速度、体积流通量、颗粒分布、粒径等参数，及时均匀补充液膜，既可以保证蒸发，又不会造成液膜的堆积；对于沸腾换热，提供充足的汽化核心。使之均匀分布在传热表面。这些因素都将对强化综合传热效果起重要作用。
Choi和Yaof26：通过实验研究了液滴向传热表面的撞击角度对散热效率的影响。研究发现：对于垂直喷射，在核态沸腾段散热效率较高；对于水平喷射，在过渡沸腾段散热效率较高。王亚青等[27]也对无沸腾区喷射角度对传热的影响进行了相关研究。Pautsch等比81人用压力式喷嘴进行实验，随着体积流量的增加，在传热表面形成的液膜厚度下降；而Yang等¨列研究发现，对于气动式喷嘴，冷却液的体积流量对液膜厚度几乎没有影响。叶立等b01以带雾饱和空气流过一恒热流加热平板表面为研究对象，对喷雾传热进行数值模拟求解，与实验验证相结合，结果发现散热效果随气流速度的增加而降低，随含雾链的增加及雾滴直径的减小而增强。
传热表面的性质，包括粗糙度、过热度、热流等。一般通过改变传热面的几何性质强化传热，在传热面刻画适当尺寸的微槽道。既可以增加传热面的尺寸，同时也有利于液膜的破裂；也可改变传热面的粗糙度(强化沸腾传热)或增加小尺度肋强化传热。
Sodtke和Stephan【31]对不同的喷射高度和表面粗糙度进行了实验。实验发现有微小粗糙度的表面的传
第12期司春强等：高功率固体激光器喷雾冷却技术2791热效果比平滑表面明显要好很多。由于微小的粗糙度导致了三相接触线长度的增加，进一步导致薄液膜的快速蒸发。通过实验中的红外摄像机发现，在平滑传热表面，随着三相接触线长度的增加，热流增加，同时由于冷却液膜的破裂。温度分布出现了很大的梯度。Silkf3引研究了图3所示立方肋片、金字塔状肋片、直肋片等对传热性能的影响，得到了相似的结论，和平滑传热表面相比，金字塔状肋片的CHF可以高出50％。王亚青等b胡采用机械雾化实心圆锥喷嘴。对刻有不同微结构槽道冷却面的无沸腾区散热性能进行实验。结果表明，刻有微结构的表面可明显增强散热效果。最高散热功率达376W／cm2．完伞町以满足当前高功率激光器的散热需求。
Fig．3Resultsofenhancedsurfacestests
图3表面结构强化传热实验结果
对于目前的大功率电子元器件散热，改变传热面性质的方法受到一定限制，喷射参数以及喷射参数和传热表面参数相互耦合强化传热的研究将会成为大功率电子设备散热的重要研究方向，同时在获得高传热能力的前提下如何能降低表面温度也是重要的研究内容。
2．3温度均匀性研究
高功率激光器散热要求表面温度具有很好的均匀性。否则局部过热会导致光学畸变，影响光束质量，进而导致整个系统因局部过热而温控失效，甚至造成不可估量的损失。针对这一问题。作者对压力式和气助式喷嘴喷雾强化传热在无沸腾区的温度均匀性进行了研究。结果表明：(1)传热表面温度不均匀性随着喷射高度增加而增加，当喷射高度增加到一定范围后，用于表征传热表面的温度不均匀的温度标准差近似为恒定数值，而喷嘴进口压力越高，换热表面温度不均匀性越小，但是压力的增加对传热系数影响不大，所以，不宜采用过大的增加喷嘴进口压力实现温度均匀性；(2)对于气助式雾化喷嘴。低气液比时，液体压力不高于气体压力时温度均匀性较好；高气液比时，液体压力略低于气体压力，最有利于温度均匀分布，增大液体流量，减小气液比，会使温度均匀性变差，液体压力等于气体压力时，气液比对温度均匀性影响不大。
Yan等以R134a为冷却工质，用气助式雾化喷嘴进行实验研究∞4。。结果表明，在获得较低的表面温度(
2．4存在问题
由于喷雾冷却的高散热能力及高功率电子设备的散热需求，对其机理还未及时进行充分研究的情况下，已经得到了广泛应用。由于影响传热的众多参数不是相互独立的，很难通过实验做到分析单个参数对传热的影响。传热本身包含气液相互作用、液滴的冲击、相变等复杂过程，目前只能做一些有限的相关实验，如气泡液滴的动力特性、池沸腾、液滴撞击、平滑传热表面和一些简单的喷雾冷却模拟，现有的结论也是通过实验进行定性或半定量观测，还没有对其形成系统完整的理论。在大功率电子元器件冷却装置中，一般是在有限的空间内传热，有的甚至需要在封闭空间内传热，在这些条件下的传热机理和问题都有待进一步研究。
目前多数实验采用图1和图2所示的开式循环和闭式循环两种系统。以水为工质，进行开式循环实验，虽然可以获得高热流密度和散热能力，但同时导致表面温度高于100℃，这将极大地限制其在电子产品冷却中的应用。为了满足高功率激光器较低的表面温度需求，需要对系统进行抽真空。建立图2所示的闭式循环系统，通过降低蒸发温度得以实现，这样可以满足低表面温度需求，但是气密性要求高。系统结构复杂，不利于在激光器中的应用。另外也可以泵等为驱动，以低沸点工质如R134a、氟利昂113、氨等进行喷雾实验研究f35。37|，利用真空系统控制蒸发压力，获得了相对较低的表面温度，但是整个系统依然无法实现工质的循环利用，同时要配备附加冷却系统用于冷却循环工质，系统也很复杂。同时，工质的环境友好性、安全性较差，不适合大规模的使
用。
2792强激光与粒子柬第22卷3未来发展
大功率电子元器件，尤其是激光设备，在没有控制废热产生的手段的情况下，必将会加大对高性能的散热装置的需求，喷雾冷却技术会得到迅猛发展。
3．1系统改进
现有开式循环获得的表面温度较高，闭式循环传热能
力不高，无法实现工质的完全循环利用。同时两种结构都
要配备泵等压力装置及附加冷却系统，整体结构复杂。为
此，我们建立如图4所示的制冷喷雾冷却系统，以R600a为
实验工质进行实验。将喷雾系统和制冷系统相结合，由压
缩机取代泵提供动力，蒸发器由换热室替代，喷嘴起雾化和
节流作用。该系统蒸发压力可以通过调节压缩机的频率进
行改变，喷嘴进口压力靠冷凝水温度和阀进行调节，流量可
以通过旁通进行调节。在喷嘴进口压力350kPa，蒸发压力
185kPa的条件下获得了高达25kW／(m2K)的传热系Fig．4Systemofrefrigerationspray
数；在热流密度为100W／cm2时，获得的表面温度低于coolingwithpressurenozzle
40℃。图4压力式制冷喷雾冷却系统
Yan等[34]以R134a制冷系统为基础，节流阀后接气液分离罐，分离出的气体和液体分别进入气助式喷嘴的气室和液室，建立了气助式喷雾冷却系统。该系统利用制冷系统的节流装置得到相同压力下的气态和液态R134a，实现同种冷却剂用于气助式喷雾系统。该系统在表面温度29．9℃时，获得了3556w／(m2K)的传热系数。该系统很好的结合了制冷和喷雾系统，但是系统难以将气液压力、气液流量比调整到最优，最终会影响传热性能。另外喷嘴进口压力完全受节流阀控制，不利于喷嘴进口压力的调节。结合气助式雾化的特点，我们设计了适用于高功率固体激光器冷却的气助式制冷喷雾冷却系统口8|。该系统以普通制冷循环为基础。从压缩机出口处引部分气体作为气源接入气助式喷嘴的气室，中间通过手阀和换热器分别控制气体的压力和温度；压缩机排出的气体转变成冷却液进入气助式喷嘴的液室，最终实现气助式雾化。该系统可以简单地对气相、液相的压力和流量进行调节，可以很好的实现雾化和传热。采用变频压缩机，可以方便调节蒸发压力，获得更低的表面温度。
3．2工质选择
系统的改进，对工质有进一步的要求。为了满足较低的表面温度的需求，常用制冷剂是喷雾强化传热的主要研究对象。几种可以用作喷雾冷却的工质在o．1MPa下的物性如表1所示。
表lo．1MPa下的制冷剂物性参数
Table1Refrigerantpropertiesat0．1MPa
由于水沸点过高；氨具有毒性和易燃性；甲醇沸点过高，而且有毒，易燃；R134a潜热最小，同时还是温室气体，限制使用。所以从应用角度分析，以R600a，R290为代表的工质有望成为优秀的喷雾冷却工质。这一类工质汽化潜热相对较大，沸点较低，无毒，环境友好性好，虽然具有可燃性，但是在冰箱中的应用证明安全性是有保障的。
3．3润滑油对喷雾冷却的影响
同泵驱动系统相比，制冷系统的引入不可避免地给整个系统带来润滑油。目前虽然有大量研究关于润滑油在管内沸腾的影响，但是在喷雾冷却中含有润滑油的研究还鲜见报道。当然制冷系统蒸发过程的不稳定性，对传热温度的稳定性是否有影响有待进一步的研究。
第12期司春强等：高功率固体激光器喷雾冷却技术27934结论
高功率激光技术的飞速发展使得散热需求增强，这将极大地促进喷雾冷却传热机理的进一步研究发展和喷雾冷却技术的广泛应用。以制冷系统为基础，将喷雾系统与之有机结合，具有系统结构紧凑简单，易于获得更低的表面温度等优势，在开发高功率固体激光器方面有着广阔的应用前景。喷雾冷却技术的发展也会推动大功率电子元器件在工业、农业、航空航天等领域的应用和发展。
参考文献：
E1]文建国，蔡德芳，王石语，等．大功率DPL中激光二极管热负荷及散热技术[J3．西安电子科技大学学报；自然科学版，2000，27(4)：463—
466．
system．Journalonthelaserdiode’sheatchargeandheatevolutiontechnologyinPLhi-powerDofXidianUniversity：NaturalScienceEdition，2000，27(4)：463—466)
iulan，LiZhigang，FzJ陶毓伽，淮秀兰，李志刚，等．大功率固体激光器冷却技术进展[J]．激光杂志，2007。28(2)：1卜12．(TaoYujia，HuaiX
eta1．Advancementofcoolingtechniquesinhigh—powersolidstatelaser．LaserJournal，2007，28(2)111—12)
[3]邵杰，李小莉，冯宇彤。等．激光-5管端面抽运Nd：YV04板条激光器及其热效应[J2．光学学报，2008，28(3)：497—501．(ShaoJie，Li
d：YV04slablaserandXiaoli。FengYutong，eta1．LD-end-pumpedNitsthermaleffects．ActaOpticaSinica。2008，28(3)：497—501)
[43斐正平。唐淳。涂波，等．Nd：YAG薄片激光器热致波前畸变[J]．强激光与粒子束．2006，18(10)：1615—1618．(PeiZhengping。TangChun，
Tu130。eta1．SimulationofthermaleffectonbeamdistortioninNd：YAGthindisklaser．HerLaserandParticleighPowBeams，2006，18
(10)：1615-1618)
in，Li[53岱钦．李新忠，王希军．LDA侧面泵浦Nd：YAG激光器的热效应分析[J]．强激光与粒子柬，2007，19(2)：197—201．(DaiQ
ijun．AnalysisWangX
(2)：197一Z01)ofXinzhong，thermaleffectinLDAsidepumpingNd：YAGsolidstateerlaser．HighPowLaserandParticleBeams，2007，19
[63马秀华，唐前进，胡企铨，等．固体热容激光器冷却方式的数值模拟[j]．强激光与粒子柬．2006，lg(12)：1937—1940．(Ma
Qianjin．HuQiquan。et
2006。18(2)：1937-1940)Xiuhua，Tanga1．Numericalsimulationofcoolingmethodforsolidheatcapacityerlaser．HighPowLaserandParticleBeams，
unna。Wei[7]何坤娜，魏志义，张志国，等．全固态激光直接抽运技术的发展和研究现状势[J]．中国激光，2009，36(7)：1679—1685．(HeK
Zhiyi。ZhangZhiguo，eta1．Overviewonlaserdiodepumpedsolid—statelaserwithdirectpumpingscheme．ChineseJournalofLasers，2009，36(7)：1679—1685)
[83任洪亮。庄礼辉，李银妹．双光镊测量胶体微粒问相互作用势[J]．中国激光，2008，35(1)：151—155．(RenHongliang，ZhuangLihui，LiYin—
mei．Measurementof
151—155)interactioneencolloidalparticlespotentialbetwusingdualopticaltweezers．ChineseJournalofLasers，2008，35(1)：；
[91王霄。张惠中．丁国民，等．聚丙烯塑料激光透射焊接工艺[J]．中国激光，2008，35(3)；466471．(WangXiao。ZhangHuizhong，Ding
issionwGuomin。eta1．Lasertransmeldingpolypropyleneplastics．ChineseJournalofLasers。2008．35(3)：466—471)
[10]武德勇，高松信，吕文强，等．激光二极管高效铜微通道冷却器设计[J]．强激光与粒子束。2004．16(7)：840—842．(WuDeyong，GaoSongx—
esignofhighefficientcoppermicro-channelscoolerfordiodelaser．HighPowerLaserandParticleBeams，2004，in．LnWenqiang，eta1．D
16(7)：840—842)
[11]ChowLC。SehembeyMS，PalsMR．Highheatflux
hen[12]NguyenD，C
physicsandRH，ChowsprayeatTransfercooling[J]．AnnualReviewsofHandconfinementon19978：291—318．1。C．Effectsofheaterorientationliquidnitrogenpoolo—boiling[J]．JournalofThermHeatTransfer，2000，149(1)：109一111．
sprayS。ChowLC，HahnOJ。eta1．Effectof[13]SehmbeyM
physicsandcharacteristicsonsprayithliquidcoolingwo—nitrogen[J]．JournalofThermHeatTransfer，1995，9(4)：757—765．
of[143EstesKA，MudawarI．Comparisontwo—phaseelectroniccoolingusingfreejetsandsprays[J]．JournalofElectronicPackaging，1995，
117(4)1323—332．
[153。YouChangJY
eatofHandSM．Boilingheattransferphenomicroenafromm4437—4447．porousandporoussurfacesinsaturatedFC-72[J]．InternationalJournalMassTram扣r，1997，40(18)l
R[163RiniDP，ChenH，ChowLC．BubblebehaviorandheattransfermechanisminFC-72pooleatTrans^r，boiling[J]．ExperimentalH
2001，14(1)：27—44．
[173PalsMR。ChowLC。MahefkeyEF．Surfaceroughnessanditseffectsofftheheattransfermechanisminspraycooling[J]．Transactionsof
eatTransfer，1992，114(1)：211-219．theASME，JournalofH
[183SilkEA，GolliherEL，SelvamRP．Spraycoolingheattransfer：Technologyoverviewandassessment[J]．EnergyConversiouand
Management，2008。49(3)：453—468．
aoliang，YanTong．Experi—[19]刘锡录，张耀良，闰通．喷雾冷却装置技术性能的试验研究[J]．现代机械，1994，(3)：1-4．(LiuXilu，ZhangY
mentalstudyonperformanceofspraycoolingequipment．ModernMachinery，1994，(3)：1-4)
[20]hunqiang，ShaoShuangquan，司春强，邵双全，田长青．无沸腾喷雾冷却传热实验研究[c]／／q：国工程热物理年会论文集．2009．(SiC
TianChangqing．ExperimentalstudyonspraycoolingwithnnualConferencenon—boiling／／SymposiumofAonEngineeringThermophysics
2794强激光与粒子束第22卷
ofChina．2009)
B．KigerK[211HoracekT，KimJ．Singlenozzlespraycoolingheattransfereatmechanisms[J]．InternationalJournalofHandMassTrans—
^r。2005．48(8)：1425—1438．
[223RiniDP．[henRH．ChowLC．BubblebehaviorandnucleateboilingheattransferinsaturatedFC一72sprayeatcooling[J]．JournalofH
Transfer。2002．124(1)：63—72．
ei．[23]高珊．曲伟．姚伟．喷雾冷却中液滴冲击肇面的流动和传热[J]．工程热物理学报。2007。28(s1)：221—224．(GaoShah，QuWei，YaoW
Flowand
221-224)heattransferofdropletimpingingonhotflatsurfaceduringspraycooling．JournalofEngineeringThermophysics。2007．28(a1)
[243梅围晖．盂红记．谢植．喷射方向对喷雾冷却传热的影响[刀．东北大学学报，2004．25(4)：374—377．(MeiGuohong，MengHongji．Xie
Zhi．Effectofsprayingdirectiononheatexchangeinspraycoolingprocess．JournalofNortheasternUniversity，2004．25(4)：374—377)
[25]陈文挛，罗行，张春明．等．小温差喷雾碰壁蒸发的实验研究[J]．工程热物理学报．2007，28(2)：277—279．((；henWenkui。LuoXing．
ZhangChunming，eta1．Experimentalstudyonsprayimpingingevaporationundersmalltemperaturedifferences．JournalofEngineeringThermophysics。2007，28(2)：277—279)
[26]ChoiKJ。YaoS【：．Mechanismoffilmboilingheattransferofnormallyimpactingeatspray[J]．InternationalJournalofHandMass
Transfer．1987，30(2)：311—318．
[271WangYaqing。1．iuMinghou，I．iuDong．eta1．Experimentalstudyontheeffectsof
Science，2010，34(7)：933
ofthethinsprayinclinationonwaterspraycoolingperformanceinnon—boilingregime[J1．ExperimentalThermalandFluid942．[28]PautschA．SheddT．NellisG．Thicknessmeasurements
enceonfilminsprayevaporativecooling[C]／／TheNinthIntersocietyConfer—ThermalandThermomechanicalPhenomena
dinElectronicSystems．2004．1：70—76．using[29]YangaisMJ，ChowL，PR．[．iquifilmthicknessandinationtopographydetermFresneldiffractionandholography[J]．Experimental
HeatTransfer，1992。S(4)：239—252．
[30]叶立．童子明。朱汝江。等．喷雾强化对流传热[J]．化_T进展，2006，25(s)：248—252．(YeLi。TongZiming。ZhuRujiang．eta1．
Charactersofheattransferprocessesunder
coolingonsprayconditions．ChemicalIndustryandEngineeringProgress。2006。25(s)：248—252)and[31]SodtkeC。StephanP．Spray
4089—4097．microstructuredeatsurfaces[J]．InternationalJournalofHMassTransfer。2007。50(19)：
[32]SilkEA，KimJ．KigerK．Investigation
Exposition．2004．ofenhancedsurfacespraySMEcooling[C]／／ProcofAInternationalMechanicalEngineeringCon—gressand
[33]王亚青，刘明侯．刘东，等．高功率激光器喷雾冷却的实验研究[J]．强激光与粒子束，2009，21(12)：1761-1766．(Wang
hou，Liu1)ong，eta1．Experimental
176卜1766)studyonYaqing。LiuMing—spraycoolingforhigh—powerlaser．HighPowerLaserandParticleBeams，2009，21(12)：
[341YanZB，TohKC．DuanF．eta1．Experimentalstudyofimpingementspraycoolingforhighpoweraldevices[J]．AppliedThermEngi—
neering，2010．30(10)：1225—1230．
[353HsiehSS。FanTC，TsaiHH．SpraycoolingcharacteristicsofwaterandR一134a．PartI：nucleateboiling[J]．InternationalJournalof
Heatand
DMassTrans]er，2007，47(26)：5703—5712．C[36]
[371ZhouW，MaF．LocaljetDP，KizitoimpingementP，etboilingheattransferwithammoniaassTrans扣r，2004，40(6)：539—549．R113131．HeatandMmicrostructuredBostanciH，RiniJa1．Spraycoolingwithonsurfaces：performanceenhancementandhysteresis
effect[J]．JournalofHeatTransfer，2009．131(7)：1401—1409．
[38]田长青．司春强，邵双全．用于商功率阎体激光器的双流体喷嘴雾化冷却封闭系统：中国，[1**********]3[P]．2010—6—23．(Tian(：hang
qing．SiChunqiang．ShaoShuangquan．Spraycoolingithtwo—fluidnozzleforhigh—powsystemwersolidstatelaser：China．[1**********]3．20】0623)
Spraycoolingtechnologyforhigh
siChunqian91一，
(1．TechnicalInstitute。powersolid。statelaserShaoShuangquanl，TianChangqin91，XuHongb01hina；ofPhysicsandChemistry，ChineseAcademyofSciences，Beijing100190。C
hineseAofCcademyofSciences，Beijing100049，China)
gets2．GraduateUniversityAbstract：
insprayAsanefficientcoolingmethodforhighpowerlasers，spraycoolingisplacedonmoreandmoreattentions．Theprogresstrans—coolingtechnologyisreviewed．Emphasistheheattransfermechanism．theinfluencingfactorsofheat
tofercapabilityandthetemperatureuniformityofheattransfer
suchassurface．ThesolutionsSolvetheexistingproblemsareproposed，theintegrationofrefrigerationsystemand
spraysprayithhighlatentheat，system，R600aandothereco-friendlyrefrigerantswandthesystemofrefrigerationithairassistedatomizerandappropriatecoolantsforthesystemcoolingw．Futuretrendsof
spraycoolingforhighpowersolid—statelaserisalsodiscussed．
Keywords：high-powerlaser；spraycooling；refrigeration；heattransfer