CN103412399B - 一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置 - Google Patents

Abstract

一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，由多个进液管，多个出液管，冷却腔和光阑反射面板组成；所述冷却腔位于光阑反射面板的背侧且紧贴光阑反射面板，与多个进液管和多个出液管直接相连；进液管和出液管均布于以望远镜主光轴线为轴线的圆环上，且多个进液管比多个进液管更靠近望远镜主光轴。本发明大大提高了其冷却效率，同时简化了装置结构，使之更便于加工，装配和密封，并拓展了其应用范围。

Description

一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置

技术领域

本发明涉及太阳望远镜热光阑冷却技术及其装备，特别是基于圆孔射流原理和射流冷却原理并应用于大口径地基太阳望远镜热光阑的冷却装置。

背景技术

随着太阳物理学的发展，对太阳活动区现象观测的时间、空间和光谱分辨力要求不断提高，进一步推动了地基太阳望远镜的大口径化，在提高其分辨力的同时也带来了严重的热效应，威胁望远镜的安全运行；同时，由于大口径高品质封窗难以制造，大口径地基太阳望远镜均采用开放式镜筒结构，各光学元件直接暴露于空气中，在太阳的辐照下将加热周围空气，引发镜筒内空气梯度场，严重影响通过镜筒的光束质量（称为“内部视宁度效应”）。为保证大口径太阳望远镜在严重热载荷下的运行安全和缓解开放式结构引发的内部视宁度效应。目前，各国大口径太阳望远镜均采用在主镜焦点处安装限制视场的热视场光阑（简称“热光阑”）的方法，通过对望远镜观测视场进行限制降低输入后端光学系统的热载荷，同时，对热光阑配备相应冷却装置，尽可能降低热光阑温升，最大限度缓解内部视宁度效应。对于口径达米级的大口径地基太阳望远镜，热光阑安装位置的热流密度达数Mw/m²，要求其产生的最大温升不超过8℃（详见Theheatstopforthe4-mEuropeanSolarTelescopeEST）。

赵惇殳在所著《电子设备热设计》一书中，分别对各种工程中最常用的冷却方式的冷却性能作了如下介绍：水强制对流冷却的传热系数约为1000-1500W/m²K，水射流冷却的传热系数约为1500-15000W/m²K。因此，射流冷却，特别是基于水射流冷却的温控方式具有极高的传热系数，非常适合太阳望远镜热光阑这类具有较高温控要求较高的冷却对象。

目前，已知的热光阑冷却装置仅有德国GREGOR1.5米口径地基太阳望远镜，其热光阑所采用单入口双腔式冷却装置进行冷却。该装置由光阑反射面板，光阑中间板，光阑通光锥孔和光阑基体四个部分组成。两个相互独立的冷却腔分别位于45度倾斜反射面板背侧和紧贴通光锥形孔的位置，各冷却腔分别与一个进液管和一个出液管直接相连，采用乙二醇水溶液作为冷却介质。工作过程是：冷却水通过进液管进入冷却腔，在冷却腔的高温壁面上形成横向流动，产生强制对流换热，吸热后的高温冷却液通过出液管排出冷却腔，形成一个完整的冷却循环。两个冷却循环工作相互独立，形成热光阑的双循环冷却。结构上，单入口双腔式冷却装置由反射面板、中间板、外壁组件和内孔组件等四个独立零件装配而成，各个零件间均有配合要求，加工难度较大；同时，为防止漏液，各个零件的连接处均需要进行密封处理，且至少有六处密封面。此装置冷却效率低、加工难度较高，密封可靠性低。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，大大提高了其冷却效率，同时简化了装置结构，使之更便于加工，装配和密封，并拓展了其应用范围。

本发明的技术解决方案是：一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，其特征在于包括：多个进液管1，多个出液管2，冷却腔3和光阑反射面板4组成；所述冷却腔2位于光阑反射面板4的背侧且紧贴光阑反射面板4，与多个进液管1和多个出液管3直接相连；进液管1和出液管2均布于以望远镜主光轴线8为轴线的圆环上，且多个进液管1比多个进液管2更靠近望远镜主光轴8；恒温冷却液由多个进液管1进入冷却腔2，并直接冲击反射面板4背侧壁面。该冷却装置有效地抑制了热流6引发的热光阑过高温升，大大缓解了入射波面5在通过光阑时引入的波前畸变，提升了出射波面7的质量。

所述冷却腔3在紧贴热光阑反射面板4的背侧，并尽可能覆盖多的区域，其具体腔形设计由反射面板具体形状及热光阑外形综合确定，并不限于某种特定形式。

所述进液管1和出液管2分别以主光轴为中心轴线，均布于圆周，且进液管1应比出液管2更靠近中心轴线。进液管1与出液管2数量应一致，具体数目依照热载荷、加工能力因素综合确定，分别为4-8个。

所述冷却液采用乙二醇水溶液即防冻液，但并不限于该溶液，使用其他所有能被用于该冷却装置的液态物质均未改变本发明实质，仍属本发明范畴。

为满足某些检测要求，在所述光阑反射面板4内，外表面增加槽，孔，用以安装各种传感器的微细结构，但上述改变均为在本发明基础上的进一步完善，并未改变发明的核心，应视为属本发明范畴。

本发明的原理：一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，由进液管，出液管，冷却腔和光阑反射面板组成。

恒温冷却液由进液管进入冷却腔，并直接冲击反射面板背侧壁面的全过程，可简化为如附图3所示的单个圆形喷嘴射流流场。一般而言，射流出口速度是接近均匀的。高速射流离开喷嘴表面，即进入射流腔以后，由于其与周围静止液体或低速横向流体发生动量交换，使得射流的直径不断增大，但在射流的中心仍然保持了一个速度均匀的核心区域，称为“位流核心”。随着射流体向前运动，位流流核不断减小，最后，整个射流体速度界面上呈现出中间大并逐渐向边缘减小的不均与速度分布。当射流体到达冲击物体的壁面以后，流体向着四周散开形成贴壁射流区。被冲击的壁面正对喷嘴的区域称为滞止区，与射流中心对应的点称为滞止点，该处同时也是局部对流传热系数最高的区域，即传热最快的区域。

根据杨世铭，陶文铨所著《传热学》一书，以滞止点为圆心，半径为r的圆内，被冲击表面的传热系数可以表示为以下函数形式：

$\frac{h_{m}D}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=f(\frac{H}{D},\frac{r}{D},{\mathrm{Re}}_D,\mathrm{Pr})---\left(1\right)$

其中，Re_D,Nu_D分别是不同H/D下的被冲击物体表面局部雷诺数和局部努赛尔数，分别定义为：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{u_{e}D}{v}\·\·\·\left(2\right)$

${\mathrm{Nu}}_D=\frac{h_{r}D}{\mathrm{\λ}}\·\·\·\left(3\right)$

其中，u_e为射流出口平均流速，h_r是离开滞止点为r处的局部表面传热系数。

局部努赛尔数Nu_D可以表示为以下公式：

${\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+{0.005\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1H/D-6D/r}\frac{D}{r}\·\·\·\left(4\right)$

上式也可表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m:

$\frac{h_{m}D}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{Nu}}_r\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1H/D-6D/r}\frac{D}{r}\·\·\·\left(5\right)$

取定性温度为(t_w+t_∞)/2

$2\×{10}^3\≤{\mathrm{Re}}_D\≤4\×{10}^5,2\≤\frac{H}{D}\≤\mathrm{12,2.5}\≤\frac{r}{D}\≤7.5$

通过上式，可以求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m。该值通常为液体强制对流换热系数的数倍到数十倍，仅产生较小的温差即可传递较大的热流量。

尽管每个圆孔射流所形成具有极高传热效率的滞止区面积有限，但由于多个进液管共同作用，使得小面积的滞止区均匀覆盖了光阑反射面板背侧的大部分区域，极大地提高了光阑反射面板背侧壁面的整体传热系数。

本发明即是利用上述圆孔射流与射流冷却原理，并配合多进液管对射流冷却效果的强化作用，大大提高了热光阑冷却装置的冷却效率。

本发明与现有技术相比有如下优点：

（1）相比于现有热光阑单入口双腔式冷却装置，本发明提出的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置具有更高的冷却效率，仅需现有方案一半的冷却液流量即可达到同样的冷却效果。

（2）相比于现有热光阑单入口双腔式冷却装置，本发明提出的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置结构更为简单，工艺难度更低，更加便于装配。同时，由于其零件的减少，使得本发明需要密封的部分比现有装置大为减少，能有效地提高装置的密封可靠性。

（3）本发明提出的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置具有较高的冷却效率，可以有效地降低热光阑冷却装置配套的冷却循环系统的技术要求，进一步简化冷却循环系统，降低成本和设计难度。

（4）本发明提出的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置可适用于各种类型的太阳望远镜，同时不受热光阑具体结构的影响，具有广泛的应用范围。

（5）本发明在极高热流密度的工况下，仅需较低冷却液流量即可实现低温升冷却。在保证太阳望远镜运行安全的情况下，最大限度地降低太阳望远镜镜筒内部视宁度效应。

附图说明

图1为一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置；

图2为一种可能的地基大口径太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置结构；

图3为单个圆形喷嘴射流流场。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，由进液管1，出液管2，冷却腔3和光阑反射面板4组成，首先，恒温冷却液由进液管1进入冷却腔3，然后，由于光阑反射面板4背侧壁面的阻挡，使得有进液管1流入的高速液流形成了圆孔射流，在以进液管为中心一定半径的圆域内，流体与壁面具有较高的相对速度。根据射流冷却原理，该圆域内（称为“射流冷却区”）产生了较大的传热系数，形成了传热效率极高的射流冷却，在仅产生较低的温差的情况下即可将光阑反射面板4吸收的全部热量带走。最后，冷却后的高温冷却液经由出液管2排除冷却腔3，完成一次冷却循环。

基于德国1.5米口径GREGOR太阳望远镜，本发明一种可能的解决方案如图2所示。1为进液管，2为出液管，3为冷却腔，9为通光锥孔，其整体结构由光阑反射面板4和光阑基体10两个零件组成。光阑整体为一圆柱体，其中一端被平面截断形成一45度的倾斜面，中心有一个用于通过视场内光束的通光锥孔。其冷却装置为本发明提出的多入口单循环冷却装置的一种具体形式，为“四进四出”结构，进液管1和出液管2均为4个，按中心轴线均布于圆周上，且进液管1比出液管2更靠近中心轴线。进液管1与出液管2直接与冷却腔3通过直管相连，在热光阑实体内部构成一个连通的多入口单循环冷却系统。

主镜汇聚太阳光束极少部分通过通光锥孔9进入后端光学系统，镀有高反射率材料的光阑反射面板4将视场外大部分光束发射出主光轴，少量以热量形式吸收，在较小的面积上形成了极大的热流密度6。对于光阑的冷却装置，首先，高速恒温冷却水由进液管1进入冷却腔3，然后，直接冲击光阑反射面板4背侧壁面，在一定范围内形成了换热效率极高的射流冷却。由于多个进液管形成的多个射流冷却区的共同作用，使得光阑反射面板背侧壁面整体换热效率大大提高，将有效减少入射波面5在经过光阑时引入的畸变，提升出射波面7的质量。最后，冷却后的高温冷却水由出液管2流出，完成一次冷却循环。

采用恒温冷却水作为冷却介质，对上述一种可能的解决方案（如附图2）和GREGOR太阳望远镜实际采用的单入口双腔式冷却装置分别进行基于有限元法的稳态流固耦合共轭传热仿真。仿真结果表明：相比与现有单入口双腔式冷却循环装置，一种可能的解决方案达到同样的温控目标仅需要现有装置约一半的冷却液流量，说明本发明具有比现有方案高一倍的冷却效率。本发明所需冷却液流量的降低，将有利于降低热光阑产生振动的可能性，并一定程度上简化热光阑冷却装置所配套的冷却循环系统，降低其设计难度。同时，本发明的一种可能的解决方案相比于现有方案，仅由光阑反射面板4和光阑基体10两个零件组成，相比四个零件组成的现有单入口双腔式冷却装置，本发明具有工艺、装配难度较低，密封可靠性高等特点。

为保证地基大口径太阳望远镜的在热载荷下的运行安全及控制镜筒内视宁度效应，需要在其主镜焦点安装热光阑并对其进行冷却。据此，本发明提出了一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，该装置由进液管，出液管，冷却腔和光阑反射面板等部分构成。

首先，恒温冷却水以一定流速由进液管进入冷却腔，并以一定流速冲击光阑反射面板背侧冷却腔壁面。由于背侧冷却腔壁面的阻挡，液流形成了典型的圆孔射流流场。根据圆孔射流理论和射流冷却原理，设高速恒温冷却液自喷管中出射速度为u_e，喷管直径为D，冷却液该温度下运动学学粘度为ν。不同H/D下的被冲击物体表面局部雷诺数Re_D和局部努赛尔数Nu_D，分别满足方程：

${\mathrm{Re}}_D=\frac{u_{e}D}{v}\·\·\·\left(6\right)$

${\mathrm{Nu}}_D=\frac{h_{r}D}{\mathrm{\λ}}\·\·\·\left(7\right)$

其中，u_e为射流出口平均流速，h_r是离开滞止点为r处的局部表面传热系数。

局部努赛尔数Nu_D可以表示为以下公式：

${\left({\mathrm{Nu}}_D\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+{0.005\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1H/D-6D/r}\frac{D}{r}\·\·\·\left(8\right)$

上式也可表示为以r作为特征长度的Nu数的形式，并求得平均对流换热系数h_m:

$\frac{h_{m}D}{\mathrm{\λ}}={\left({\mathrm{Nu}}_r\right)}_m=2{\mathrm{Re}}_D^{0.5}{\mathrm{Pr}}^{0.42}{(1+0.005{\mathrm{Re}}_D^{0.55})}^{0.5}\frac{1-1.1D/r}{1+0.1H/D-6D/r}\frac{D}{r}\·\·\·\left(9\right)$

取定性温度为(t_w+t_∞)/2

$2\×{10}^3\≤{\mathrm{Re}}_D\≤4\×{10}^5,2\≤\frac{H}{D}\≤\mathrm{12,2.5}\≤\frac{r}{D}\≤7.5$

通过上式，可以求得贴壁射流区产生的较高的平均对流换热系数h_m。该值通常为液体强制对流换热系数的数倍到数十倍，使得反射面板所吸收的绝大部分太阳辐射热流被冷却液迅速带走，且不产生较大的温差。最后，冷却液由出液管流出。

总之，本发明冷却装置根据圆孔射流及射流冷却原理，利用高速冷却液流直接冲击反射面板背侧，在入口附近形成高速贴壁射流，产生较高的局部换热系数；同时，多入口式设计进一步提高了流固交界面平均传热系数，使得反射面板吸收的太阳辐射在不产生较大温度梯度的情况下，迅速被冷却液流带走，达到温控目的。相比现有单入口双腔式热光阑冷却装置，本发明仅需较低的冷却液流量即可达到温控目标，进一步降低了光阑工作过程中对镜筒内视宁度的破坏，有效提升了望远镜成像质量，并减小了系统发生共振的可能性；同时，该装置还具有工艺难度低，密封可靠性高等优点，并可应用于太阳望远镜各类热光阑冷却装置设计，实用性与创新性明显。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，其特征在于包括：多个进液管(1)、多个出液管(2)、冷却腔(3)和光阑反射面板(4)；所述冷却腔(3)位于光阑反射面板(4)的背侧且紧贴光阑反射面板(4)，与多个进液管(1)和多个出液管(2)直接相连；进液管(1)和出液管(2)均布于以望远镜主光轴(8)为轴线的圆环上，且多个进液管(1)比多个出液管(2)更靠近望远镜主光轴(8)；恒温冷却液由多个进液管(1)进入冷却腔(3)，并直接冲击反射面板(4)背侧壁面。

2.根据权利要求1所述的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，其特征在于：所述进液管(1)与出液管(2)数量相一致，范围分别为4-8个。

3.根据权利要求1所述的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，其特征在于：所述冷却液采用乙二醇水溶液即防冻液。

4.根据权利要求1所述的一种用于地基太阳望远镜的多入口单腔式热光阑冷却装置，其特征在于：在所述光阑反射面板(4)内、外表面增加槽、孔，用以安装各种传感器的微细结构。