表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

杨涛，周致富，陈斌，赵曦，王国祥, 2



表面温度测量方式对喷雾冷却表面传热特性的影响

杨涛1，周致富1，陈斌1，赵曦1，王国祥1, 2

（1西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049；2美国Akron大学机械工程系，Ohio Akron 44325）

喷雾冷却在工业过程中应用广泛，制冷剂喷雾是激光皮肤手术中实施表皮冷保护的必要手段。为提高冷却效率，需要通过表面温度的测量反推表面传热特性。为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响，搭建了瞬态喷雾冷却实验台，分别使用磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)研究了R404A制冷剂喷雾环氧树脂表面传热特性的差异。实验结果表明，磁控溅射薄膜热电偶(TFTC)热响应性能最佳，能准确及时地反映表面温度的瞬态变化且可与热通量变化准确对应。丝状热电偶(FTC)和片状热电偶(STC)属于间接测温，温度变化存在明显滞后，影响热通量、对流传热系数等表面传热特性的精确分析。薄膜溅射热电偶测温是准确研究瞬态喷雾冷却表面传热过程的可靠手段，可为临床治疗提供理论指导。

喷雾冷却；表面传热；温度测量；R404A

引 言

激光技术在皮肤外科治疗中的应用效果显著，应用范围不断拓展，已成为葡萄酒色斑、血管瘤、太田痣、多毛症、纹身及嫩肤除皱等多种疾病的首选疗法[1-2]。其中，葡萄酒色斑(port wine stain, PWS)在新生儿中有0.3%～0.5%的发病率，出现于面部和颈部，且随年龄增长逐渐加深变厚，会对患者容貌和心理造成极大影响[3-4]。PWS的激光治疗基于选择性光热理论，即血红蛋白吸收特定波长激光（目前临床多用585 nm和595nm的脉冲染料激光）能量使得病变血管产生不可逆的热破坏，相比于其他方法见效快、副作用小[5-6]。但是，表皮中的黑色素对可见光和近红外波长范围内(500～1000 nm)激光的较强吸收会降低达到真皮层中病变血管处的激光能量，削弱治疗强度，难以达到理想的治疗效果；同时，黑色素吸收激光能量可能导致表皮热损伤，产生水疱、炎症，留下伤疤或者色素沉着，因此在激光治疗过程中对表皮进行冷保护十分必要。

传统的表皮冷保护采用接触式冷却，存在与治疗不同步、冷却效率低、冷却时间长、空间选择性不佳等缺陷[7-8]。Nelson等[9-10]提出使用制冷剂瞬态喷雾(cryogen spray cooling, CSC)来冷却表皮。液态制冷剂通过直管喷嘴失压发生闪蒸形成喷雾，温度迅速下降（可降至沸点以下），形成的低温液滴对皮肤表面的冲击可迅速将患处表皮温度降低50℃左右。由于作用时间短（通常为几十毫秒），在对表皮实现良好冷却的同时不会影响表皮下病变血管的温度，具有较强的空间选择性和治疗同步性[5]。辅以CSC可以有效提高激光能量，改善治疗效果。目前临床上使用的R134a沸点较高(-26.07℃)，对于黑色素含量较高的黄种人提供的冷量不足。相比于R134a，R404A具有更低的沸点（常压下沸点为-46.5℃）和更强的挥发性，能提供更好的空间选择性，在黄种人表皮冷保护方面具有很好的应用前景[7,11-12]。

由于难以开展在体实验，目前多使用铜[13]、环氧树脂[11,14-15]或有机玻璃[16]等材料代替真实皮肤进行研究，通过测量表面温度来反推表面传热特性。因此，表面温度的精确测量对于研究制冷剂喷雾冷却表面的传热特性十分重要，不同测温方式会对实验结果产生较大影响。目前常用如下3种方式测量表面温度：①带复合材料涂层的片状热电偶(STC)。尺寸微小的热电偶被封装在两层复合材料薄膜中间，可用导热胶或其他方式将STC固定于待测表面，复合材料薄膜的存在保证热电偶不易损坏，实际生产领域应用广泛。②丝状热电偶(FTC)。Aguilar等[17-18]采用铝箔覆盖丝状热电偶的方式测量了铝膜下基体表面温度，采用导热反问题方法求得了表面热通量及传热系数。③溅射薄膜热电偶(TFTC)。利用磁控溅射技术(magnetron sputtering)在被测表面沉积厚度为微米级的铜和康铜涂层构成T形薄膜热电偶，厚度极小且贴合度很高，接触热阻和热容极小，周致富等[19-20]对溅射薄膜热电偶在表面温度测量方面做了深入研究，通过与标准T型热电偶进行比较溅射薄膜热电偶的相对误差在1%以内，其热响应时间约为1.2 μs，可准确反映基体表面温度的瞬态变化。

为探索不同表面温度测量方式对实验结果的影响，使实验结论更好向临床推广，本文采用临床商用电磁阀和喷嘴，使用R404A作为制冷剂研究不同测温方式（薄膜热电偶、丝状热电偶和片状热电偶）对制冷剂喷雾冷却传热特性的影响。

1 实验系统和方法

如图1所示，制冷剂闪蒸瞬态喷雾实验台由喷雾发生及控制系统和测量系统两部分组成。喷雾发生及控制系统包括高压氮气瓶、制冷剂储罐、快速响应电磁阀以及喷嘴等主要部件。实验所用制冷剂为R404A(Dupont, USA)，充装在可独立控温控压的储罐中，常温(25℃)下饱和蒸气压约为1.25 MPa。储罐的压力由高压氮气提供，通过减压阀进行调节，维持储罐内制冷剂处于过冷状态的同时提供喷雾所需压力，以免在储罐或软管内发生汽化。制冷剂经响应时间小于5 ms的快速响应电磁阀(099-0169-900, Parker, USA)进入金属直管喷嘴，由电磁阀精确控制喷雾时间。电磁阀固定于三维电动平移台(WN105TA300M, Beijing Winner Optics Instruments Co., China），该平移台绝对定位精度可达8 μm，可对喷雾距离进行精确控制。本次实验所用电磁阀和喷嘴与临床V-beam激光器(V-beam perfecta, Candela, USA)完全相同，直管喷嘴长40 mm，内径0.38 mm，与基体表面夹角20°。

测量系统由冷却基体和热电偶及数据采集卡等构成。实验选取环氧树脂作为冷却基体，具体热物性如表1所示。实验中所用热电偶包含：厚度为2 μm的溅射薄膜热电偶(thin film thermocouple, TFTC)、直径为100 μm的丝状热电偶(fine thermocouple, FTC)和厚度为20 μm的带复合材料涂层的片状热电偶(slice thermocouple, STC)，具体结构如图2所示。热电偶测得电信号通过信号采集板(M-6251, NI, USA)采集，采样频率为100000次/秒，通过Labview程序与喷雾实现同步控制。

表1 环氧树脂与表皮热物性对比

实验所用TFTC与标准T形热电偶相比在233.15～318.15 K范围内相对误差小于0.5%[19]，FTC和STC为标准T形热电偶，根据ASTM标准，在73.15～643.15 K范围内其标准误差在±1℃内。不同喷雾距离和喷雾时间下表面温度均进行多次测量，排除偶然因素对实验结果的影响。

Franco等[21]对R134a喷雾的研究以及Wang等[12]对R404A喷雾的研究表明，以喷雾中心为原点1～2 mm范围内表面温度基本不随径向位置变化，这个范围远大于热电偶焊点的尺寸，且瞬态喷雾作用下热穿透深度远小于基体厚度，可根据测温方式的不同将原问题简化为单层或多层的一维半无限大平板的非稳态导热问题。获得表面温度后，采用Green函数法[22]计算得到3种不同测温方式下环氧树脂表面热通量随时间的变化。

c()=c()-0,c()=[c()]

，()=[c(-)]

式中，c()为测点温度，0为基体初始温度，为Green函数。

2 实验结果与讨论

如前所述，目前一般有STC、FTC和TFTC等3种表面测温方式。由于磁控溅射技术无法在离体鼠皮上进行操作，且铜本身具有导电性，选用环氧树脂板(50.0 mm×50.0 mm×5.0 mm)作为冷却基体对3种测温方式进行比较。实验采用的喷雾轴向距离分别为：10、20、30、40、50 mm，喷雾时间s为：20、40、60、80、100 ms。图3示出了不同喷雾距离、喷雾时间时3种测温方式所测得基体喷雾中心表面温度随时间的变化，其中30 mm是临床治疗所用V-beam激光器冷却喷嘴距皮肤表面的标准距离。

由图3可以看出，在喷雾开始后，3种测温方式所测得的表面温度都会经历3个变化阶段：第1阶段为液滴冲击沸腾换热段，表面温度急速下降；而后温度下降速度变缓进入第2阶段液膜稳定蒸发换热阶段，在降至最低温度后进入温度逐步回升至室温的第3阶段。在3种测温方式中，TFTC测量结果在第1阶段下降速率最快，第1阶段和第2阶段的温度下降速率存在明显转折点；FTC在第1阶段下降速率慢于TFTC，第1阶段与第2阶段平滑过渡；STC在第1阶段下降速率最慢，与前两种方式测量结果差距较大。TFTC和FTC所测得最低温度较低且十分接近，STC所测得最低温度较高，与前两者差距较大。3种测温方式都在喷雾结束时间左右测得最低温度，其中TFTC的时间最早，FTC和STC稍有延迟。不同喷雾距离和喷雾时间下可得类似规律，具体如表2所示。

表2 3种测温方式所得环氧树脂表面最低温度和最低温度对应时间

Note: Absolute and relative errors were calculated with criterion of TFTC.

通过以上对比可以说明：3种测温方式中溅射薄膜热电偶具有最佳的热响应，丝状热电偶性能与之相近，片状热电偶由于存在复合材料涂层导致其热惯性较大，与前两者相比性能较差。需要说明的是本实验中所用铝膜覆盖丝状热电偶的测量方式相比Aguilar等[17-18]有所改进，采用有机硅酮为主要成分的导热膏代替胶带来固定铝箔和热电偶。本文实验所用导热膏的热导率在2.0 W·m-1·K-1左右，远大于胶带的0.19～0.25 W·m-1·K-1；并且导热膏具有流动性，可通过挤压的方式排出铝箔与环氧树脂表面间多余的导热膏和空气，使铝箔与环氧树脂之间接触更为紧密，从而显著降低接触热阻；同时导热膏本身的高黏度可保证铝箔、热电偶及环氧树脂基板之间不发生相对位移。以上改进提升了铝箔覆盖丝状热电偶测量表面温度的热响应性能。

获得表面温度后，采用Green函数法[23]计算得到3种不同测温方式下环氧树脂表面热通量随时间的变化。如图4所示为=30 mm、t=40 ms时表面热通量变化，可分为4个阶段：第1阶段自喷雾开始后热通量急速上升至峰值，达到峰值的时间约为5 ms；而后热通量迅速下降进入第2阶段，在下降至大约峰值一半位置处（对应时间约为10 ms）进入第3阶段，热通量下降速度明显减缓，直至喷雾结束后进入第4阶段，热通量迅速降为零。虽然图4中3种测温方式所得温度变化在下降速度和最低温度存在一定差距，但所得热通量峰值的相对差值小于1.5%，原因是Green函数法计算热通量时考虑了FTC和STC间接测温时表面与测点中间夹层的影响，并未将测点温度直接等同于表面温度，这样可以显著降低测量方式差异所带来的系统误差。但间接测温和热电偶尺寸的差别对热通量达到峰值的时间依然存在一定的影响，FTC和STC的峰值时间滞后于TFTC，三者分别为4、4.5和4.75 ms。实验所用的热电偶和信号采集系统灵敏度很高，测量过程中容易受到来自外界和自身元器件带来的信号干扰（主要来源于机械振动和电磁扰动）。相比于直接测量(TFTC)，间接测量(FTC、STC)中干扰带来的噪声对热通量的影响明显增强[24]。采用磁控溅射沉积在环氧树脂表面的TFTC和表面之间结合的机械稳定性强于采用导热膏贴合的其他两种方式，喷雾作用造成的机械振动的影响相对较小。因此图4中TFTC结果稳定性优于FTC和STC，未见明显波动。

冷液滴与基体表面换热包含液滴铺展成液膜的对流传热和液膜蒸发的相变传热两个同时发生的传热过程。将不同测温方式得到的表面温度和热通量进行对比（图5），可将整个冷却过程分为4个阶段：第1阶段自电磁阀开启后，喷雾迅速从无发展到稳定，单位时间内到达表面的冷液滴量也迅速增加，同时，相比后续3个阶段此时基体表面温度最高，传热温差最大，因此热通量急速上升达到峰值，表面温度呈现急速下降的趋势。此后，对流传热的传热温差和相变传热的壁面过热度都随基体表面温度下降而迅速减小。同时，喷雾稳定后基体表面液膜的存在使得新到来的冷液滴不能与基体表面直接接触，因此在喷雾稳定后热通量从峰值迅速下降，表面温度降低速率也突然减缓，进入喷雾冷却的第2阶段。热通量减小后表面温度下降速率降低，传热温差和壁面过热度变化也逐渐趋缓，二者相互影响，进入较为稳定的第3阶段。第4阶段开始于电磁阀关闭后，液滴迅速减少，基体表面残留液膜蒸发完后，表面热通量迅速降至零，基体表面温度也开始回升。

对比图5(a)～(c) TFTC、FTC和STC表面温度和热通量随时间的变化，可以发现TFTC热通量与温度变化最为对应，与上述分析一致，能准确反映制冷剂喷雾冷却中的传热过程。图5(d)中FTC和STC所得结果和TFTC存在明显差异，间接测温导致表面热通量达峰值（沸腾传热的临界热通量）的对应温度远高于TFTC，三者分别为-25.78、4.74和15.21℃。TFTC高热通量(≥0.7max)对应温度区间的宽度也大于FTC和STC，位置也处于较低温度区间，三者分别为36℃(-36～0℃)、30℃(-13～17℃)和18℃(6～23℃)。相比于TFTC，FTC和STC在第3、4阶段的波动十分明显。由于间接测温的原因，在残留液膜蒸发完后的回温过程中（第4阶段后期），FTC和STC测点处温度低于真实表面温度，热通量大小变为负值。图5(d)所描述的热通量和表面温度对应变化曲线，同样也可划分为4个阶段：前3阶段热通量随基体表面温度降低先增加再下降，呈现出由过渡沸腾向核态沸腾转变的趋势，与Aguilar等[25]采用铝膜覆盖丝状热电偶对R134a喷雾所得结论类似；第4阶段电磁阀关闭后不再有新的冷液滴冲击，热通量继续降低，残留液膜蒸发完后表面温度开始回升。

参照牛顿冷却公式的形式可定义一个制冷剂喷雾冷却表面的表观对流传热系数a，如式(2)所示

将直径为100 μm的T形丝状热电偶伸入稳定雾场不同轴向距离处测量得到不同喷雾距离下的喷雾液滴稳态温度s，结合前文所得基体表面温度和热通量可计算出喷雾冷却过程中的表观对流传热系数a随时间的变化。如图6所示，TFTC所得的表观对流传热系数与其测量的热通量变化趋势十分相似，在急速上升达到峰值后又迅速下降至峰值的1/2处，而后缓慢下降，直至喷雾结束后迅速下降为零。FTC所得结果并不存在明显峰值，a在喷雾开始后迅速增加，而后呈波动状缓慢下降，在喷雾结束后迅速降为零。STC测得的a在开始时存在峰值，但远小于TFTC，同样在下降至峰值一半位置处开始缓慢下降。3种测温方式所得表观对流传热系数最大值分别为：20.65、11.92和9.67 kW·m-2·K-1，对应的时间分别为：4.75、5.5和5 ms，间接测温由于接触热阻和中间层的热惯性所造成的差异和波动十分明显。

图6 不同测温方式下表观对流传热系数随时间的变化

Fig.6 Apparent convective heat transfer coefficient variation under different temperature measurement methods(epoxy resin,=30 mm,s=40 ms)

以上实验结果表明，在对基体表面温度进行测量过程中：TFTC属于直接测量，由于其厚度极小（2 μm）并且与基体表面贴合度高，热响应时间极短，可以更好地反映制冷剂喷雾冷却过程中基体表面温度的变化，几乎不存在滞后，可以视为基体表面的真实温度，通过TFTC所测温度计算所得的热通量和表观对流传热系数精度也最高。通过改进测量方式和热通量计算方法，FTC测得表面温度和计算所得热通量与TFTC比较接近，但是由于其本身属于间接测量，测点温度和真实表面温度变化相比存在滞后，表面热通量和温度对应关系存在偏差，表观对流传热系数的计算存在较大误差。STC与FTC同属间接测量，由于其热电偶上下两侧都存在复合材料涂层，温度响应受影响与真实温度曲线偏离更大，测量效果较差。其他喷雾时间和距离下热响应呈现类似规律。

3 结 论

本文搭建了制冷剂闪蒸喷雾实验台，利用制冷剂R404A作为喷雾介质，系统研究了不同测温方式[溅射薄膜热电偶(TFTC)、丝状热电偶(FTC)和带复合材料涂层的片状热电偶(STC)]对制冷剂喷雾冷却表面传热特性的影响，得到以下主要结论。

（1）不同测温方式所获得的表面温度存在差异，其中溅射薄膜热电偶(TFTC)测温方式属于直接测温，由于其厚度小(2 μm)、与基体表面接触良好等原因可以获得最佳的温度响应，几乎不存在滞后，可以视为基体表面的真实温度，通过TFTC所测温度计算所得的热通量和表观对流传热系数精度也最高。可以准确反映制冷剂喷雾冷却中的表面传热特性，有效指导临床治疗。

（2）FTC和STC属于间接测温方式，其所得温度皆为测点温度，并非真实的表面温度。STC由于复合材料涂层的存在导致其热阻和热惯性最大，温度下降速率和测得的最低温度与TFTC相比均存在较大差距。改进后的FTC测温方式与TFTC较为接近，最低温度相差在5%左右，但降温速度略小。

（3）通过改进测量方式和热通量计算方法，FTC测得表面温度和计算所得热通量与TFTC比较接近，但是由于其本身属于间接测量，测点温度和真实表面温度变化相比存在滞后，表面热通量和温度对应关系存在偏差，表观对流传热系数的计算存在较大误差。

References

[1] LANDTHALER M, ULRICH H, HOHENLEUTNER S,. Role of laser therapy in dermatology clinical aspects[J]. Dermatology, 2004, 208(2): 129-134.

[2] KAUFMANN R. Lasers in dermatology —state of the art[J]. Medical Laser Application, 2005, 20(2): 103-109.

[3] SCHNEIDER B V, MITSUHASHI Y, SCHNYDER U W. Ultrastructural observations in port wine stains[J].Archives of Dermatological Research, 1988, 280(6): 338-345.

[4] CHAPAS A, EICKHORST K, GERONEMUS R. Efficacy of early treatment of facial port-wine stains in newborns: a review of 49 cases[J]. Lasers in Surgery and Medicine, 2007, 39(7): 56-568.

[5] CHANG C J, ANVARI B J, NELSON J S. Cryogen spray cooling for spatially selective photocoagulation of hemangiomas: a new methodology with preliminary clinical reports[J]. Plastic and Reconstructive Surgery, 1998, 102(2): 459-463.

[6] ANDERSON R R, PARRISH J A. Selective photothermolysis: precise microsurgery by selective absorption of pulsed radiation[J]. Science, 1983, 220(4596): 524-527.

[7] DAI T, YASEEN M A, DIAGARADJANE P,. Comparative study of cryogen spray cooling with R-134a and R-404a: implications for laser treatment of dark human skin[J]. Journal of Biomedical Optics, 2006, 11(4): 312-320.

[8] ALTSHULER G B, ZENZIE H H, EROFEEV A V,Contact cooling of the skin[J]. Physics in Medicine and Biology, 1999, 44(4): 1003-1023.

[9] NELSON J S, MILNER T E, ANVARI B J,. Dynamic epidermal cooling during pulsed laser treatment of port-wine stain. A new methodology with preliminary clinical evaluation[J]. Archives of Dermatology, 1995, 131(6): 695-700.

[10] NELSON J S,MILNER T E, ANVARI B J,Dynamic epidermal cooling in conjunction with laser-induced hotothermolysis of port wine stain blood vessels[J]. Lasers in Surgery and Medicine, 1996, 19(2): 224-229.

[11] ZHOU Z F, CHEN B, WANG Y S,. An experimental study on pulsed spray cooling with refrigerant R-404a in laser surgery[J]. Applied Thermal Engineering, 2012, 39(3): 29-36.

[12] WANG R, ZHOU Z F, CHEN B,. Surface heat transfer characteristics of R404A pulsed spray cooling with an expansion-chambered nozzle for laser dermatology[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 60: 206-216.

[13] AGUILAR G, VERKRUYSSE W, MAJARON B,Measurement of heat flux and heat transfer coefficient during continuous cryogen spray cooling for laser dermatologic surgery[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2001, 7(6): 1013-1021.

[14] VERKRUYSSE W, MAJARON B, AGUILAR G,Dynamics of cyrogen deposition relative to heat extraction rate during cryogen spray cooling[J]. Proc. SPIE, 2000, 3907(3907): 37-48.

[15] 周致富, 陈斌, 白飞龙, 等. 新型喷嘴R404A闪蒸瞬态喷雾冷却传热特性[J]. 化工学报, 2015, 66(S1): 100-105. ZHOU Z F, CHEN B, BAI F L,. Heat transfer dynamics of R404a flashing pulsed spray cooling using expansion-chamber nozzle[J]. CIESC Journal, 2015, 66(S1): 100-105.

[16] AGUILAR G, VU H, NELSON J S. Influence of angle between the nozzle and skin surface on the heat flux and overall heat extraction during cryogen spray cooling[J]. Physics in Medicine and Biology, 2004, 49(10): N147-N153.

[17] AGUILAR G, WANG G X, NELSON J S. Dynamic behavior of cryogen spray cooling: effects of spurt duration and spray distance[J]. Lasers in Surgery andMedicine, 2003, 32(2): 152-159.

[18] JIA W, AGUILAR G, WANG G X,. Heat-transfer dynamics during cryogen spray cooling of substrate at different initial temperatures[J]. Physics in Medicine and Biology, 2004, 49(23): 5295-5308.

[19] 周致富, 吴威涛, 王国祥, 等. 制冷剂闪蒸瞬态喷雾冷却表面温度的快速测量[J]. 化工学报, 2011, 62(11): 3060-3065. ZHOU Z F, WU W T, WANG G X,. Thin-film thermocouples for rapid measurement of transient surface temperature in cryogen spray cooling[J]. CIESC Journal, 2011, 62(11): 3060-6065.

[20] 周致富. 制冷剂闪蒸喷雾与传热特性实验及液滴蒸发理论研究[D]. 西安: 西安交通大学, 2013. ZHOU Z F. Experimental study on the spray characteristics and heat transfer dynamics of cryogen flashing spray, and theoretical study on the droplet evaporation model[D]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University, 2013.

[21] FRANCO W, LIU J, WANG G X,. Radial and temporal variations in surface heat transfer during cryogen spray cooling[J]. Physics in Medicine and Biology, 2005, 50(2): 387-397.

[22] 周致富, 徐腾宇, 赵曦, 等. 喷雾冷却表面瞬态热流密度计算方法研究[J]. 工程热物理学报, 2016(in press). ZHOU Z F, XU T Y, ZHAO X,. Methodology for prediction of time-varying heat flux during pulsed spray cooling[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2016(in press).

[23] DUCK F A. Physical Properties of Tissue: A Comprehensive Reference Book[M]. London: Acadamic Press, 1990.

[24] ZHOU Z F, XU T Y, CHEN B. Algorithms for the estimation of transient surface heat flux during ultra-fast surface cooling[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 100(2016): 1-10.

[25] AGUILAR G, WANG G X, NELSON J S. Effect of spurt duration on the heat transfer dynamics during cryogen spray cooling[J]. Physics in Medicine and Biology, 2003, 48(14): 2169-2181.

Influence of temperature measurement method on surface heat transfer during spray cooling

YANG Tao1, ZHOU Zhifu1, CHEN Bin1, ZHAO Xi1, WANG Guoxiang1, 2

(1State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, Shaanxi, China;2Department of Mechanical Engineering, University of Akron, Akron 44325, Ohio, USA)

Spray cooling is widely used in industries. Cryogen spray cooling has been implemented for the epidermis protection during laser surgery. For the improvement of cooling efficiency, the surface temperature was measured to calculate the surface heat transfer characteristics by the reverse heat conduction method. In order to investigate the influence of temperature measurement methods on the experimental result, a transient spray cooling rig was constructed to study the different heat transfer characteristics by using the thin film thermocouple (TFTC) fabricated by magnetron sputtering, the fine thermocouple (FTC) and the slice thermocouple (STC). The result suggested that the TFTC had the most sensitive thermal response, which can accurately reflect the temperature variation and corresponding heat flux. As for the FTC and STC, due to the limitation of indirect measurement, there was an obvious lag in temperature variation, which affected the subsequent analysis such as heat flux and apparent convective heat transfer coefficient. The employment of thin film thermocouple ensured the precise investigation of surface heat transfer during transient spray cooling, with reliable reference for clinical treatment.

spray cooling; surface heat transfer; temperature measurement; R404A

2016-05-09.

CHEN Bin, chenbin@mail.xjtu.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20160606

TK 124

A

0438—1157（2016）11—4558—08

杨涛（1992—），男，硕士研究生。

国家自然科学基金重点项目（51336006）；中央高校基本科研业务费专项资金。

2016-05-09收到初稿，2016-08-24收到修改稿。

联系人：陈斌。

supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China (51336006) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities.