Die tägliche Nutzung elektronischer Geräte und die steigende Rechenleistung und die dadurch steigende Menge an Abwärme erfordern effiziente Systeme und Methoden, um die dissipierte Energie abzuführen und so einen zuverlässigen Betrieb und eine lange Haltbarkeit zu gewährleisten. Die Effizienz von konvektiver Kühlung mit Luft, zum Beispiel in Rechenzentren, ist gering, stößt zunehmend an technologische Grenzen und ist sehr energieaufwändig und teuer. Um Energieverbrauch und Kosten zu senken und natürliche Ressourcen zu schonen, werden zukünftig effizientere Systeme benötigt. Zweiphasige Systeme wie die Sprühkühlung haben auf Grund der Verdampfungsenthalpie beim Phasenwechsel eine sehr große Wärmetransportfähigkeit. Sprühkühlung ermöglicht, im Vergleich zu einphasigen Kühlsystemen, eine Verminderung der Füllmenge und damit der Größe des Systems. In den letzten drei Jahrzehnten wurde intensiv an der Verbesserung der Wärmetransportfähigkeit durch die Optimierung von Oberflächenstrukturen geforscht. Die Anzahl an Studien zur Beschreibung der grundlegenden physikalischen Effekte und Mechanismen ist jedoch sehr begrenzt.

Die wesentlichen und neuen Ansätze in dieser Arbeit sind: (a) die Bestimmung der Anteile der dominierenden Wärmeübertragungsmechanismen Konvektion und Verdampfung in Abhängigkeit von geometrischen und Betriebsparametern und (b) die Charakterisierung der Wärmeübertragung während der Verdampfung von koaleszierten Tropfen, mit dem Ziel, eine Grundlage zur Beschreibung des Übergangsbereiches zwischen der Verdampfung eines einzelnen Tropfens und eines chaotischen Sprays darzustellen. Der Einfluss der Topographie der Oberfläche auf den Wärmeübergang wird auf mikro-gefrästen und mikro-porös gesinterten Strukturen mit Hilfe der individuellen Wärmeübergangskoeffizienten charakterisiert. Die Notwendigkeit der getrennten Betrachtung der Wärmetransportmechanismen wird nachgewiesen. Zusätzlich werden umfangreiche Parameterstudien zum Einfluss von Massenstrom, Wärmestromdichte, Unterkühlung der eingespritzten Flüssigkeit, sowie des Sättigungszustandes und der thermodynamischen Fluideigenschaften vorgestellt. Ergebnisse der Arbeit sind die Einteilung der getesteten Oberflächen in zwei Gruppen, sowie eine Anhängigkeit der Effizienz der Wärmeübertragung von den thermodynamischen Fluideigenschaften und der Kombination aus Arbeitsfluid und Topographie, da einige Effekte nur bei bestimmten Kombinationen auftreten. Die Notwendigkeit der Untersuchung der lokalen Wärmetransportprozesse bei der Verdampfung koaleszierter Tropfen wird ebenfalls nachgewiesen. Wie schon in vorherigen Studien bewiesen werden konnte, dominiert die Dreiphasen-Kontaktlinie den Wärmetransport. Allerdings treten bei der Verdampfung koaleszierter Tropfen bisher nicht beachtete Einschnür-Effekte auf, die den Wärmetransport maßgeblich beeinflussen und in dieser Arbeit erstmals mittels zeit- und örtlich hoch auflösender Infrarotthermographie sichtbar gemacht werden konnten.

Die vorliegende Arbeit stellt eine Datenbasis für die Bestimmung der Wärmeübergangskoeffizienten für Konvektion und Verdampfung dar. Die erzielten Ergebnisse motivieren weitere Parameterstudien, um eine breite Datenbasis zur Findung und Charakterisierung der erforderlichen Parameter zur Modellierung zu erhalten. Die erfolgreiche Umsetzung der beiden Ansätze beweist die Notwendigkeit für weiteren Forschungsbedarf im Bereich der fundamentalen Beschreibung der Wärmetransportprozesse bei Sprühkühlung und motiviert beide Ansätze weiter zu verfolgen, um in absehbarer Zukunft eine auf physikalischen Gesetzen und charakteristischen Größen basierendes Modell zur Auslegung von Sprühkühlungssystemen für zukünftige Anwendungen erstellen zu können.