CN109656083B - 采用复合制冷方式的太阳模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，包括复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统，每路氙灯投影光学系统均包括一个用于产生系统光束的氙灯组和一个对该路系统光束进行均匀化的光学积分器，各路系统光束叠加在被照面上形成均匀照射区域，模拟太阳辐照；复合式制冷系统包括循环风冷却子系统和循环水冷却子系统，采用风冷方式对氙灯组进行降温，水冷方式对其他部件进行降温，确保太阳模拟器可长时间稳定工作。

Description

采用复合制冷方式的太阳模拟器

技术领域

本发明涉及空间环境地面模拟技术领域，尤其是涉及一种采用复合制冷方式的太阳模拟器。

背景技术

太阳模拟器是模拟空间外热流环境的主要设备之一，其作用为模拟太阳光辐照环境。目前，太阳模拟器通常存在结构复杂、功率偏小、辐照均匀性和稳定性不够等问题；且由于太阳模拟器在工作过程中持续产生大量的热量，若不能有效散热，则无法长时间稳定工作。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，实现辐照面积大、均匀性好的太阳光辐照环境模拟，并且在模拟过程中及时降温散热，可长时间持续工作。

为实现上述目的，本发明提供了一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，包括：复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统；

每路所述氙灯投影光学系统均包括一个用于产生系统光束的氙灯组和一个对该路系统光束进行均匀化的光学积分器；

每个所述氙灯组包括多个氙灯单元组件；每个所述氙灯单元组件均包括法兰盘、进风口、聚光镜、灯头和触发器；

其中，所述法兰盘呈圆盘状，设有用于散热的气孔；所述进风口设于所述法兰盘后侧并与所述气孔连通；所述聚光镜为椭球面镜，呈碗状，碗口向前，碗底处开设有圆形孔，所述聚光镜通过聚光镜固定架设于所述法兰盘的前侧，所述圆形孔与所述气孔连通；所述灯头穿过所述聚光镜的圆形孔设于所述法兰盘中心，其发光点位于所述聚光镜第一焦点处；所述触发器设于所述法兰盘后侧并与所述灯头连接，用于点亮所述灯头；

所述复合式制冷系统包括循环风冷却子系统和循环水冷却子系统；

所述循环风冷却子系统包括多个表冷器；多个所述表冷器分布于多路所述氙灯投影光学系统周围，每个所述表冷器内设有多个离心风机，每个所述氙灯单元组件后侧的进风口均通过一个独立风管连接一个所述离心风机的输出端；

所述循环水冷却子系统包括系统进水管、系统回水管和多组局部水冷管；每个所述光学积分器处均设有一组所述局部水冷管；各组所述局部水冷管及各个所述表冷器内部热交换水管的进口分别与所述系统进水管连通，出口分别与所述系统回水管连通。

优选地，每个所述氙灯单元组件均包括三维调整架；所述三维调整架包括固定端、移动端、调整架连杆和三个调节件，所述固定端设于所述法兰盘后侧，所述移动端通过三个所述调节件可移动的设于所述固定端，所述灯头的后端穿过所述法兰盘设于所述移动端，所述灯头的前端通过所述调整架连杆连接所述移动端，三个所述调节件能够调节所述移动端在三个维度上移动，带动所述灯头移动，调整灯头位置。

优选地，所述复合式制冷系统和所述多路氙灯投影光学系统均设于密闭的灯室内；每路所述氙灯投影光学系统中的所述光学积分器均对应一个窗口镜，各路系统光束均通过对应的所述窗口镜透出所述灯室，照射于被照面。

优选地，每个所述光学积分器均包括一组对应的场镜和投影镜；所述场镜位于其所在的氙灯投影光学系统中各个所述聚光镜的第二焦点处，用于将所述聚光镜出瞳成像到对应的所述投影镜上，所述投影镜用于将所述场镜成像并重叠到被照面同一位置。

优选地，所述场镜包括场镜框架和多个场镜单元透镜，所述场镜框架设有多个蜂巢结构的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个所述场镜单元透镜；所述投影镜包括投影镜框架和多个投影镜单元透镜，所述投影镜框架设有多个圆形的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个所述投影镜单元透镜；所述场镜框架和所述投影镜框架平行同心设置。

优选地，每组所述局部水冷管包括场镜框架水冷管和投影镜框架水冷管，所述场镜框架水冷管设于所述场镜框架，环绕各个所述场镜单元透镜，所述投影镜框架水冷管设于所述投影镜框架，环绕各个所述投影镜单元透镜。

优选地，包括五路所述氙灯投影光学系统，一路为中间光路系统，另外四路为外围光路系统；

其中，所述中间光路系统包括五个所述氙灯单元组件；一个所述氙灯单元组件位于中间，其产生光束的光轴为第一主光轴；另外四个所述氙灯单元组件围绕所述第一主光轴均匀对称分布；所述中间光路系统的光学积分器与所述第一主光轴垂直；

每路所述外围光路系统均包括七个所述氙灯单元组件，分两排设置，靠近所述中间光路系统的一排设置三个所述氙灯单元组件，其中位于中间的所述氙灯单元组件其产生光束的光轴为第二主光轴；所述外围光路系统的光学积分器与所述第二主光轴垂直；四路所述外围光路系统的第二主光轴围绕所述第一主光轴均匀对称分布。

优选地，还包括控制系统，所述控制系统与所述复合式制冷系统和多路所述氙灯投影光学系统电连接。

优选地，所述灯室内设有多个温度传感器，各个所述温度传感器与所述控制系统电连接。

优选地，所述灯室内壁铺设有吸声材料。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：本发明提供了一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，包括复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统，该模拟器利用多氙灯单元组合、多路系统光束复合实现辐照面积大、均匀性好的太阳光辐照环境模拟，各氙灯单元设计参数相同，具有较好的一致性，可实现互换，降低了系统的复杂程度；该模拟器利用循环风冷却子系统和循环水冷却子系统对多路氙灯投影光学系统进行及时降温散热，确保该太阳模拟器能够长时间持续工作，安全性能好，且工作状态稳定。

本发明还将复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统设于密闭的灯室内，构成闭式循环风冷，避免了直接从室外采风带来的灰尘颗粒吸附在灯表面上，降低了空气过滤的要求。

附图说明

图1为本发明实施例中多路氙灯投影光学系统示意图；

图2为本发明实施例中氙灯单元组件结构示意图；

图3为本发明实施例中三维调整架和灯头的结构示意图；

图4为本发明实施例中循环风冷却子系统示意图；

图5为本发明实施例中循环水冷却子系统示意图；

图6为本发明实施例中光学积分器结构示意图；

图7为本发明实施例中中间光路系统示意图；

图8为本发明实施例中外围光路系统示意图；

图9为本发明实施例中氙灯单元组件(共33只氙灯)布局图。

图中：1：氙灯单元组件；11：法兰盘；12：进风口；13：触发器；14：聚光镜；15：聚光镜固定架；16：灯头；17：三维调整架；18：调整架连杆；19：被照面；

2：灯室；21：光学积分器；22：场镜；23：投影镜；3：窗口镜；

41：表冷器；42：风管；43：离心风机；44：系统进水管；45：系统回水管；46：过滤器；47：排污口；48：场镜框架水冷管；49：投影镜框架水冷管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

本发明提供了一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，包括复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统，如图1所示，多路氙灯投影光学系统的系统光束形成的辐照光斑叠加照射于被照面19，模拟太阳光辐照。

其中，每路氙灯投影光学系统均包括一个用于产生系统光束的氙灯组和一个对该路系统光束进行均匀化的光学积分器21。具体地，每个氙灯组包括多个氙灯单元组件1，每个氙灯单元组件1均包括法兰盘11、进风口12、聚光镜14、灯头16和触发器13。

如图2所示，法兰盘11呈圆盘状，法兰盘11上设有用于散热的气孔。进风口12设于法兰盘11后侧并与法兰盘11上的气孔连通，方便空气流动。聚光镜14为椭球面镜，即聚光面为椭球面的一部分。聚光镜14整体呈碗状，碗口向前，碗底处开设有圆形孔,用于安装灯头16和通风散热。如图2所示，聚光镜14通过聚光镜固定架15设于法兰盘11的前侧，圆形孔与气孔连通。优选地，聚光镜固定架15为环形结构，聚光镜14碗口部分通过多个螺钉与聚光镜固定架15连接。理想状态下，聚光镜14应与聚光镜固定架15同心设置，即聚光镜14碗底圆形孔、聚光镜14碗口和聚光镜固定架15三者圆心位于同一直线，但实际安装时，无法确保聚光镜14恰好设置于最佳位置，调节各个螺钉的旋入深度，可在一定范围内调整聚光镜14相对于法兰盘11的倾角，即聚光镜14相对于安装平面的倾角，使得聚光镜14能够更好的汇聚灯头16发出的光线。

如图2所示，灯头16的电极穿过聚光镜14的圆形孔设于法兰盘11中心，灯头16的发光点位于聚光镜14第一焦点处。触发器13设于法兰盘11后侧并与灯头16的电极连接，用于点亮灯头16。

优选地，如图2和图3所示，每个氙灯单元组件1均包括三维调整架17。三维调整架17包括固定端、移动端、调整架连杆18和三个调节件。其中，固定端设于法兰盘11后侧，移动端通过三个调节件可移动的设于固定端，灯头16的后端穿过法兰盘11设于移动端，灯头16的前端通过调整架连杆18连接至移动端，确保灯头16不易发生偏斜。优选地，法兰盘11还设有通孔，调整架连杆18穿过法兰盘11的通孔并可在通孔内移动。

每个调节件能够调节移动端相对于固定端在一个维度上移动，三个调节件能够调节移动端在三个维度上移动。如图3所示，优选地，调节件包括调节杆，转动调节杆时，移动端相对于固定端移动，三个调节杆的调节方向相互垂直，一个调节杆的调节方向垂直法兰盘11。当调节三维调整架17中的调节件时，移动端移动，调整架连杆18也随之移动，能够带动灯头16移动，实现调整灯头16的具体位置。

如图4和图5所示，复合式制冷系统包括循环风冷却子系统和循环水冷却子系统。其中，循环风冷却子系统包括多个表冷器41。多个表冷器41分布于多路氙灯投影光学系统周围，如图4所示，每个表冷器41内设有多个离心风机43，每个氙灯单元组件1后侧的进风口12均通过一个独立风管42连接一个离心风机43的输出端，风管42可为刚性或柔性风管，各个氙灯单元组件1的前侧为开放式结构。图4中箭头所示为风流动方向，每个离心风机43通过独立风管42将冷却后的空气送入氙灯单元组件1，冷空气经氙灯单元组件1后被加热，由于表冷器41内部离心风机43提供负压力，将热空气重新吸入表冷器41内，与其内部的热交换水管进行热交换后冷却，再由离心风机43通过独立风管42送入氙灯单元组件1，形成风冷循环。由于存在表冷器41对空气进行降温，该循环风冷却子系统冷却效率较高，可为各氙灯单元散热。

如图5所示，循环水冷却子系统包括系统进水管44、系统回水管44和多组局部水冷管。每个光学积分器21处均设有一组局部水冷管。各组局部水冷管及各个表冷器41内部的热交换水管的进口均分别与系统进水管44连通，出口均分别与系统回水管44连通，即各组局部水冷管及各个表冷器41内部热交换水管连通于系统进水管44和系统回水管44之间，形成多支路并联水冷循环。

本发明提供了一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，利用多个氙灯单元组件、多路系统光束叠加实现模拟太阳辐照，形成了多灯冗余结构，降低了由于某支氙灯损坏引起辐照功率大幅度下降的风险，可长时间连续工作，提高了光学系统的时间平均稳定性，并且单灯的散热要求不高，可采用完全风冷结构散热，结构简单，安全性高。同时，该太阳模拟器中各个氙灯单元结构相同，具有较好的一致性，可实现互换，降低了系统的复杂程度。并且，优选地，每个氙灯单元均设有三维调整机构，可在装入前进行调整，调整氙灯单元组件的相对位置，将各个氙灯调整至较佳状态，提高辐照效果。

此外，该太阳模拟器根据被冷却部件的不同要求，分设循环水冷却以及循环风冷却两个部分实现散热降温。循环风冷主要对各个氙灯单元散热，系统结构简单，可靠性高，安全性好，氙灯单元可长时间正常工作。循环水冷对其他部分散热，水冷却管路口径小，容易拆装，且噪音低。

优选地，如图5所示，循环水冷却子系统的系统进水管44还设有过滤器46，循环水先经过滤器46过滤后，再流入各组局部水冷管及各个表冷器41内部热交换水管中。系统进水管44和系统回水管44端部均设有排污口47，便于排污。进一步优选地，各组局部水冷管及各个表冷器41所在支路设有阀门和监控仪表，用于单独控制该支路的制冷工作状态。

在一种优选的实施方式中，该采用复合制冷方式的太阳模拟器还包括密闭的灯室2，复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统均设于灯室2内，系统进水管44和系统回水管44优选为环绕灯室2设置，便于接入各支路的水管。每路氙灯投影光学系统中的光学积分器21均对应一个窗口镜3，各路系统光束均通过对应的窗口镜3透出灯室2，照射于被照面19。优选地，如图1所示，被照面19设于球形真空试验环境内，各个窗口镜3设于球形真空试验环境的顶部，灯室2设于各窗口镜3上方。进一步优选地，灯室2内壁还铺设有吸声材料，可吸收产生的噪音。

由于循环风冷却子系统设置在密闭的灯室2内，被氙灯单元加热的热空气经过灯室2内的表冷器41，与表冷器41内部热交换水管的循环水产生热交换，热量被循环水冷却子系统带走，热空气降温为冷空气，由各个进风口12吹至氙灯单元，对氙灯单元组件1降温，实现闭式循环风冷。可避免系统产生的热量直接排放到室外，并且，避免了直接从室外采风带来的灰尘颗粒吸附在灯表面上，降低了空气过滤的要求。

优选地，如图6所示，每个光学积分器21均包括一组对应的场镜22和投影镜23，场镜22位于其所在的氙灯投影光学系统中各个聚光镜14的第二焦点处，即同一氙灯组中各个聚光镜14的第二焦点重合于场镜22处，场镜22用于将聚光镜14出瞳成像到对应的投影镜23上，投影镜23设于场镜22远离聚光镜14的一侧，用于将对应的场镜22成像并重叠到被照面19同一位置，在被照面19模拟太阳光辐照。

在一个优选的实施方式中，场镜22包括场镜框架和多个场镜单元透镜，场镜框架设有多个蜂巢结构的通光孔，每个蜂巢结构的通光孔内镶嵌一个场镜单元透镜。投影镜23包括投影镜框架和多个投影镜单元透镜，投影镜框架设有多个圆形的通光孔，每个圆形的通光孔内镶嵌一个投影镜单元透镜。场镜框架和投影镜框架平行同心设置，即场镜框架和投影镜框架的中心连线与二者的法向平行，场镜框架和投影镜框架可采用4个导向杆平行同心联接。优选地，场镜框架和投影镜框架整体为圆形，各个通光孔的位置以阵列形式排列为正六边形。进一步优选地，场镜框架选用不锈钢制造，且在面向聚光镜14方向的表面镀金属反射膜，用来降低场镜框架吸收热量。投影镜框架优选用铜制造。

优选地，每组局部水冷管包括场镜框架水冷管48和投影镜框架水冷管49，场镜框架水冷管48设于安装场镜的场镜框架处，环绕各个场镜单元透镜。投影镜框架水冷管49设于安装投影镜的投影镜框架处，环绕各个投影镜单元透镜。进一步优选地，场镜框架水冷管48嵌设于场镜框架边缘处，投影镜框架水冷管49嵌设于投影镜框架边缘处。

如图7至图9所示，在一个优选的实施方式中，该太阳模拟器包括五路氙灯投影光学系统，一路为中间光路系统，另外四路为外围光路系统。

其中，如图7所示，中间光路系统包括五个氙灯单元组件1，一个氙灯单元组件1位于中间，其产生光束的光轴为第一主光轴。另外四个氙灯单元组件1沿周向围绕第一主光轴且均匀对称分布。中间光路系统的光学积分器21(及其对应的窗口镜3)与第一主光轴垂直。优选地，四个氙灯单元组件1产生的各光束的光轴与第一主光轴的夹角均为10°。

如图8所示，每路外围光路系统均包括七个氙灯单元组件1，分两排设置，靠近中间光路系统的一排设置三个氙灯单元组件1，其中，位于该排三个氙灯单元组件1中间的氙灯单元组件1所产生光束的光轴为第二主光轴。外围光路系统的光学积分器21(及其对应的窗口镜3)与其第二主光轴垂直。优选地，远离中间光路系统的另一排设置的四个氙灯单元组件1中，位于最边缘的两个氙灯单元组件1所产生光束的光轴与该路外围光路系统的第二主光轴夹角为12.3°。四路外围光路系统的第二主光轴沿周向围绕第一主光轴均匀对称分布，整体的各个氙灯单元组件1(共33个)排列方式如图9所示。各路氙灯投影光学系统产生的系统光束发散角不大于15°，以获得更好的辐照效果，避免被照面19光强分布不均。

为了便于同一控制，在一个优选的实施方式中，该采用复合制冷方式的太阳模拟器还包括控制系统，控制系统与复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统电连接，用于控制复合式制冷系统和各个氙灯单元组件1的工作状态。

优选地，灯室2内还设有多个温度传感器，各个温度传感器与控制系统电连接，用于向控制系统反馈灯室2内制冷情况，控制系统可根据温度传感器获取灯室2内温度状况，以便调整复合式制冷系统的工作状态，避免氙灯单元过热。进一步优选地，各个氙灯单元组件1还设有风速传感器，各风速传感器同样与控制系统电连接，控制系统可根据各风速传感器获取循环风冷却子系统的工作状态。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：包括复合式制冷系统和多路氙灯投影光学系统；

每路所述氙灯投影光学系统均包括一个用于产生系统光束的氙灯组和一个对该路系统光束进行均匀化的光学积分器；

每个所述氙灯组包括多个氙灯单元组件；每个所述氙灯单元组件均包括法兰盘、进风口、聚光镜、灯头和触发器；

其中，所述法兰盘呈圆盘状，设有用于散热的气孔；所述进风口设于所述法兰盘后侧并与所述气孔连通；所述聚光镜为椭球面镜，呈碗状，碗口向前，碗底处开设有圆形孔，所述聚光镜通过聚光镜固定架设于所述法兰盘的前侧，所述圆形孔与所述气孔连通；所述灯头穿过所述聚光镜的圆形孔设于所述法兰盘中心，其发光点位于所述聚光镜第一焦点处；所述触发器设于所述法兰盘后侧并与所述灯头连接，用于点亮所述灯头；

所述复合式制冷系统包括循环风冷却子系统和循环水冷却子系统；

所述循环风冷却子系统包括多个表冷器；多个所述表冷器分布于多路所述氙灯投影光学系统周围，每个所述表冷器内设有多个离心风机，每个所述氙灯单元组件后侧的进风口均通过一个独立风管连接一个所述离心风机的输出端；

所述循环水冷却子系统包括系统进水管、系统回水管和多组局部水冷管；每个所述光学积分器处均设有一组所述局部水冷管；各组所述局部水冷管及各个所述表冷器内部热交换水管的进口分别与所述系统进水管连通，出口分别与所述系统回水管连通。

2.如权利要求1所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：每个所述氙灯单元组件均包括三维调整架；所述三维调整架包括固定端、移动端、调整架连杆和三个调节件，所述固定端设于所述法兰盘后侧，所述移动端通过三个所述调节件可移动的设于所述固定端，所述灯头的后端穿过所述法兰盘设于所述移动端，所述灯头的前端通过所述调整架连杆连接所述移动端，三个所述调节件能够调节所述移动端在三个维度上移动，带动所述灯头移动，调整灯头位置。

3.如权利要求1所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：所述复合式制冷系统和所述多路氙灯投影光学系统均设于密闭的灯室内；每路所述氙灯投影光学系统中的所述光学积分器均对应一个窗口镜，各路系统光束均通过对应的所述窗口镜透出所述灯室，照射于被照面。

4.如权利要求1所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：每个所述光学积分器均包括一组对应的场镜和投影镜；所述场镜位于其所在的氙灯投影光学系统中各个所述聚光镜的第二焦点处，用于将所述聚光镜出瞳成像到对应的所述投影镜上，所述投影镜用于将所述场镜成像并重叠到被照面同一位置。

5.如权利要求4所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：所述场镜包括场镜框架和多个场镜单元透镜，所述场镜框架设有多个蜂巢结构的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个所述场镜单元透镜；所述投影镜包括投影镜框架和多个投影镜单元透镜，所述投影镜框架设有多个圆形的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个所述投影镜单元透镜；所述场镜框架和所述投影镜框架平行同心设置。

6.如权利要求5所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：每组所述局部水冷管包括场镜框架水冷管和投影镜框架水冷管，所述场镜框架水冷管设于所述场镜框架，环绕各个所述场镜单元透镜，所述投影镜框架水冷管设于所述投影镜框架，环绕各个所述投影镜单元透镜。

7.如权利要求1至6任一项所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：包括五路所述氙灯投影光学系统，一路为中间光路系统，另外四路为外围光路系统；

其中，所述中间光路系统包括五个所述氙灯单元组件；一个所述氙灯单元组件位于中间，其产生光束的光轴为第一主光轴；另外四个所述氙灯单元组件围绕所述第一主光轴均匀对称分布；所述中间光路系统的光学积分器与所述第一主光轴垂直；

每路所述外围光路系统均包括七个所述氙灯单元组件，分两排设置，靠近所述中间光路系统的一排设置三个所述氙灯单元组件，其中位于中间的所述氙灯单元组件其产生光束的光轴为第二主光轴；所述外围光路系统的光学积分器与所述第二主光轴垂直；四路所述外围光路系统的第二主光轴围绕所述第一主光轴均匀对称分布。

8.如权利要求3所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：还包括控制系统，所述控制系统与所述复合式制冷系统和多路所述氙灯投影光学系统电连接。

9.如权利要求8所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于：所述灯室内设有多个温度传感器，各个所述温度传感器与所述控制系统电连接。

10.如权利要求3所述的采用复合制冷方式的太阳模拟器，其特征在于:所述灯室内壁铺设有吸声材料。