申请/专利权人：中国科学院西安光学精密机械研究所

申请日：2018-10-26

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN109164567B

主分类号：G02B23/00

分类号：G02B23/00;G02B23/02

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.02.01#实质审查的生效;2019.01.08#公开

摘要：本发明涉及一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑。其不仅对光路的干扰小，并且温度容易控制，不易受到环境影响，从而使得太阳望远镜观测效果大大提升。该热光阑的结构是：外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑自外而内依次同轴设置；外壳、吸收屏之间形成一外部压力腔；吸收屏与中间锥形体之间形成吸收腔室；中间锥形体与锥形视场光阑之间形成一内部压力腔；内部压力腔外部设置有一与其连通的入口蓄水槽；入口蓄水槽上设置有进液管，进液管与所述冷却液供给装置连通；外部压力腔与内部压力腔之间通过连接管连通；出液管一端与外部压力腔连通，另一端与冷却液供给装置连通。

主权项：1.一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：包括外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑、入口蓄水槽、进液管、连接管、出液管以及冷却液供给装置；外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑自外而内依次同轴设置；外壳、吸收屏之间形成一外部压力腔；吸收屏与中间锥形体之间形成吸收腔室；所述吸收屏的内壁为圆弧形；所述吸收腔室中由吸收屏构成的内壁表面设置有多层栅状突起并进行发黑处理，栅状突起上设置多孔结构；中间锥形体与锥形视场光阑之间形成一内部压力腔；内部压力腔外部设置有一与其连通的入口蓄水槽；入口蓄水槽上设置有进液管，进液管与所述冷却液供给装置连通；外部压力腔与内部压力腔之间通过连接管连通；出液管一端与外部压力腔连通，另一端与冷却液供给装置连通；出液管与冷却液流向垂直的截面面积之和小于进液管与冷却液流向垂直的截面面积之和；外部光线一部分从锥形视场光阑的小端射入，大端射出，外部光线的另一部分被吸收腔室吸收。

全文数据：基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑技术领域本发明涉及一种光学元件，具体涉及一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑。背景技术太阳是地球能量的主要来源，同时也是磁力活跃的恒星，支撑着一个强大、年复一年变化的磁场。太阳活动主要是太阳磁场的变化，如黑子、耀斑、太阳风等对地球的气候、电离层干扰通讯、地磁场“磁暴”现象有着直接且重要的影响。随着天文学、太阳物理学等学科的发展，对太阳磁场的观测和相关太阳物理现象研究要求越来越高，并逐步实现了太阳磁场的传统间接测量向直接测量。对太阳磁场和相关太阳物理现象观测的主要工具是太阳望远镜，分为地基望远镜和空间望远镜，而地基望远镜由于发展时间长且技术成熟被广泛应用。太阳磁场观测的最重要是要求太望远镜提供更高分辨率的图像，这一要求成为了仪器科学人员和天文科研人员不断追求的目标。提高太阳望远镜分辨率的最重要途径是增大主镜口径，出现了1m级、4m级以及10m级的大口径地基太阳望远镜。同时由于离轴太阳望远镜在口径上的优势，国内外出现了大口径离轴太阳望远镜，如美国的4m口径DanielK.InoyeSolarTelescopeDKIST。随着太阳望远镜口径的增大，进入望远镜系统的能量急剧增加，不仅增大了望远镜大型结构件、光学元器件等的热变形局部过热可能会导致零部件失效，而且由于系统内热效应影响了光路的稳定性，造成观测质量下降。大口径离轴太阳望远镜一般采用偏轴格里高利系统的光学设计，在主反射镜焦面位置处放置视场光阑本发明中所指的“热光阑”，只允许指定范围的视场通过，从而限制进入望远镜系统的能量，提高观测效果。按热载荷处理方式不同，热光阑可分为反射式光阑和吸收型光阑。反射式热光阑采用外表面反射，超过80％的太阳辐射被反射到周围空气中，在望远镜系统得到了成功应用，如EuropeanSolarTelescopeEST、DutchOpenTelescopeDOT、NationalSolarTelescopeNST、ChineseLargeSolarTelescopeCLST等；全吸收式热光阑，将太阳辐射的反射和吸收设计成一个整体，只通过指定视场的太阳辐射，美国的DKIST则采用了全吸收式热光阑。与反射式热光阑相比，全吸收式热光阑不会将太阳辐射反射到周围结构件上，对主镜焦面附近的空气扰动更小，对光轴的扰动更小。热光阑对太阳光辐射的大量反射反射式热光阑以此为主和吸收全吸收式热光阑以此为主，在短时间内热光阑与环境温度会产生几百摄氏度甚至上千摄氏度的温差，不仅造成严重的热光阑内部视宁度效应，直接影响观测的成效，甚至造成热光阑的永久失效。发明内容为了解决背景技术中的问题，本发明设计了一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，不仅对光路的干扰小，并且温度容易控制，不易受到环境影响，从而使得太阳望远镜观测效果大大提升。本发明的具体技术方案是：本发明提供了一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑,包括外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑、入口蓄水槽、进液管、连接管、出液管以及冷却液供给装置；外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑自外而内依次同轴设置；外壳、吸收屏之间形成一外部压力腔；吸收屏与中间锥形体之间形成吸收腔室；所述吸收屏的内壁为圆弧形；中间锥形体与锥形视场光阑之间形成一内部压力腔；内部压力腔外部设置有一与其连通的入口蓄水槽；入口蓄水槽上设置有进液管，进液管与所述冷却液供给装置连通；外部压力腔与内部压力腔之间通过连接管连通；出液管一端与外部压力腔连通，另一端与冷却液供给装置连通；外部光线一部分从锥形视场光阑的小端射入，大端射出，外部光线的另一部分被吸收腔室吸收。进一步地，为了实现锥形视场光阑的快速冷却，提高冷却效果，该热光阑还包括第一喷管，第一喷管入口与入口蓄水槽连通，第一喷管出口与靠近锥形视场光阑的锥形内壁，且第一喷管入口直径大于喷管出口直径。进一步地，为了进一步的减少外部压力腔进液时造成的振动影响，所述外部压力腔内垂直于冷却液流向的方向设置有至少一片射流屏，射流屏上沿圆周方向开设有多个小孔。为了更进一步提高吸收屏的冷却效果，所述外部压力腔内设有与所述小孔数量相适配的第二喷管，所述第二喷管的结构与第一喷管相同；第二喷管入口与小孔连接，第二喷管出口靠近吸收屏的外壁。进一步地，为了确保吸收腔室的吸收能力，所述吸收腔室中由吸收屏构成的内壁表面设置有多层栅状突起并进行发黑处理，由于吸收表面积增大，提高了吸收效果。进一步地，为了使吸收腔室具有吸振、吸音以及浸透性，所述栅状突起上设置多孔结构。进一步地，为了保证未进入热光阑中光线的反射率不低于85％，所述中间锥形体的外表面镀覆有高反射层，优选镀铬。进一步地，所述吸收腔室选用热导率及加工性能良好的GlidcopAl-15。进一步地，为了降低热光阑与环境温度梯度，提高了观测质量，上述锥形视场光阑的锥度为18°，中间锥形体的锥度为41°，所述吸收屏内壁的曲率半径为150mm。进一步地，所述冷却液供给装置中所盛放的冷却液为低温水或60％乙二醇等具有冷却特性且能够被用于射流冷却的液体。本发明的优点在于：1、本发明采用了外壳、吸收屏构成外部压力腔以及中间锥形体与锥形视场光阑构成内部压力腔的双循环冷却结构，吸收屏和中间锥形体形成的全吸收式结构，使得由热光阑本体带来的seeing影响会更小，带来的波前像差更小，同时避免了内部视宁度效应，严重影响观测的效果，甚至造成热光阑的永久失效的问题。2、本发明采用在吸收屏表面采用发黑处理，并且设计了多层栅状突起和多孔金属材料，大大提高了吸热效率和吸振性能，从而对射流冲击造成的附加振动有良好的缓冲效果。3、本发明采用了双通道的同一介质冷却，在达到同样温控条件下使用更少的冷却液，获得更高的冷却效率。4、本发明在外部压力腔内设置有至少一个射流屏，从而降低了减少外部压力腔进液时造成的振动影响。5、本发明在内、外部压力腔内采用喷管第一喷管和第二喷管分别对锥形视场光阑和吸收屏进行射流式冷却，可对冷却液进行局部增速，形成了高速冷却液大大提升了冷却效率。附图说明图1为本发明外形示意图；图2为本发明的结构剖视图；图3为内部压力腔中经第一喷管喷射的冷却液流场示意图。图4为外层压力腔中经第二喷管喷射的冷却液流场示意图。附图标记如下：1-外壳、2-吸收屏、3-中间锥形体、4-锥形视场光阑、5-入口蓄水槽、6-进液管、7-连接管、8-出液管、9-冷却液供给装置、10-外部压力腔、11-吸收腔室、12-内部压力腔、13-第一喷管、14-射流屏、15-第二喷管、16-外部光线。具体实施方式下面结合附图和具体实施案例进一步说明本发明。如附图1和2所示，一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其基本结构包括外壳1、吸收屏2、中间锥形体3、锥形视场光阑4、入口蓄水槽5、进液管6、连接管7、出液管8以及冷却液供给装置9；外壳1、吸收屏2、中间锥形体3、锥形视场光阑4自外而内依次同轴设置；外壳1、吸收屏2之间形成一外部压力腔10；吸收屏2与中间锥形体3之间形成吸收腔室11；所述吸收屏2的内壁为圆弧形；中间锥形体3与锥形视场光阑4之间形成一内部压力腔12；内部压力腔12外部设置有一与其连通的入口蓄水槽5入口蓄水槽5与内部压力腔通过多个圆周分布的小孔相连通；入口蓄水槽5上设置进液管6，进液管6与所述冷却液供给装置9连通；外部压力腔10与内部压力腔12之间通过连接管7连通；出液管8一端与外部压力腔10连通，另一端与冷却液供给装置9连通；外部光线16一部分从锥形视场光阑4的小端射入小端开口大小即为锥形视场光阑视场开口大小，大端射出，外部光线的另一部分被吸收腔室11吸收。吸收屏和中间锥形体的特殊设计其中，中间锥形体3外表面镀镀覆有高反射层优选镀铬，其目的是保证反射率不低于85％；经中间锥形体外表面反射的光线被吸收屏封闭于密封空间，具体设计角度由实际技术参数决定；并且吸收屏的内壁进行发黑处理，并在该表面设计多层栅状突起，另外在多层栅状突起上设计连续空洞型的多孔结构，除进一步增大接触表面积外还有良好的吸振、吸音以及浸透性。其中，吸振性能对于由于射流冲击造成的附加振动有良好的缓冲效果。双通道冷却结构的设计冷却液供给装置9、进液管6、入口蓄水槽5、内部压力腔12、连接管7、外部压力腔10以及出液管8共同组成了双通道射流冷却循环结构。冷却液供给装置9将冷却液通过进液管6注入入口蓄水槽5，入口蓄水槽5内的冷却液进入内部压力腔12并作用在锥形视场光阑4上；然后内部压力腔12内的冷却液经过连接管7进入外部压力腔10，并作用在吸收屏4的外表面，之后冷却液通过出液管8回流至冷却液供给装置9。需要说明的是：出液管8与冷却液流向垂直的截面面积之和小于进液管6与冷却液流向垂直的截面面积之和，从而保证内部压力腔12和外层压力腔10之间的冷却液充满以及冷却液流动的连续性。需要特殊说明的设计点是：1：入口蓄水槽5底部沿圆周方向开有多个孔，每个孔上均与一个第一喷管13入口连通，第一喷管13的出口靠近锥形视场光阑4的锥形内壁，第一喷管13是为铜管，且第一喷管13出口直径小于入口直径，出口具体大小由承压能力、增速性能以及控制指标等决定，出口位置位于热载荷集中处；第一喷管对冷却液进行局部增速，完成对锥形视场光阑的冷却；2、外部压力腔10内沿着冷却液的流向设置有至少一层射流屏14，射流屏14上沿圆周方向开设有多个小孔，每个小孔上均与一个第二喷管15入口连通，第二喷管15的出口靠近吸收屏的外壁，第二喷管15与第一喷管13相同；射流屏的设计目的是缓解了冷却液对外部压力腔的冲击，减小振动影响，第二喷管15对冷却液进行局部增速，完成对吸收屏的快速冷却。其中，进液管6和出液管8数量根据实际需要确定；第一喷管13、第二喷管15形状、开口大小、均布数量根据实际需要确定。喷管射流设计的说明本实施例中双通道射流冷却循环结构中采用第一喷管和第二喷管的设计，其主要设计原理如下以第一喷管对锥形视场光阑冷却过程为例：首先，具有一定温度和流速的冷却液通过进液管进入入口蓄水槽，然后通过与入口蓄水槽底部孔连接的第一喷管射入内部压力腔；对于第一喷管，其入口直径为di、入口冷却液流速vi；第一喷管出口直径为do和出口冷却液流速vo，以do＝12di为例，根据流体连续性方程实现了结构上对冷却液的局部加速作用，形成了高速冷却液，冲击锥形视场光阑表面；喷管出后速度vo，喷管开口直径do，冷却液在该温度下的运动学粘度为v，被冲击锥形视场光阑表面局部雷诺数Rel和局部努塞尔数Nu分别可用以下方程表示：Rel＝vo×dovNu＝h×d0k其中，h为对流换热系数，k为静止流体的导热系数。对于锥形表面流体，冷却液冲击表面被溅开，该区域内的平均努塞尔数可以用以下公式表示：其中Re＝40～4000时，c＝0.683，m＝0.466；Re＝4000～40000时，c＝0.193，m＝0.618；根据湍流射流相关理论，贴壁射流区会产生比普通强制对流换热系数高几倍甚至十几倍的平均对流换热系数，使得施加在锥形视场光阑表面的热载荷被冷却液迅速带走。冷却液通过连接管将内部压力腔和外层压力腔连接，冷却液进入外层压力腔，并基于上述射流理论实现对外部吸收屏的高效冷却。如附图3所示，对于圆形截口断面，射流出口端面的流速基本上是均匀的，出口断面半径r0。高速射流离开断面进入内部压力腔，射流的截面面积不断扩大，但在射流的中心仍然保持了一个速度均匀的核心区域，随着流体向前运动，核心区域不断缩小。当流体到达冲击表面以后，流体沿着避免向四周散开形成贴壁射流区，热传递最快的位置处于射流中心点所对应的锥形视场光阑位置点。如图4所示，流经内部压力腔2的冷却液通过连接管进入外层压力腔，通过设置两层射流屏和多个第二喷管，形成贴壁冲击区，快速冷却了吸收屏。冷却液的选取冷却液供给装置中充填的冷却液的选用不限于低温水，也能够为其他具有冷却特性且能够被用于射流冷却的液体，如60％乙二醇等。对比试验采用低于环境5℃的恒温水作为冷却液，美国DanielK.InouyeSolarTelescopeDKIST设计的热光阑和本发明的热光阑分别在Fluent进行有限元流固耦合数值模拟，结果表明：相比DKIST的热光阑设计和混合冷却装置，本发明在达到同样冷却效果时，仅需要的冷却液作为冷却介质，且冷却液的使用流量与美国DanielK.InouyeSolarTelescopeDKIST设计的热光阑大致相同，而后者还需要使用低温气体冷却。这意味着本发明系统更为简单，大大简化了配套的冷却循环结构，还减少了冷却介质的类型，不仅降低了成本，并且可操作性好；本发明可应用与大口径地基太阳望远镜，尤其适合于口径大于1m的离轴望远镜的应用，但是在具体结构设计中，可以依据权利要求书中所提出的各项特征，并根据具体的应用场合对基于本发明的解决方案进行详细优化设计。

权利要求：1.一种基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：包括外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑、入口蓄水槽、进液管、连接管、出液管以及冷却液供给装置；外壳、吸收屏、中间锥形体、锥形视场光阑自外而内依次同轴设置；外壳、吸收屏之间形成一外部压力腔；吸收屏与中间锥形体之间形成吸收腔室；所述吸收屏的内壁为圆弧形；中间锥形体与锥形视场光阑之间形成一内部压力腔；内部压力腔外部设置有一与其连通的入口蓄水槽；入口蓄水槽上设置有进液管，进液管与所述冷却液供给装置连通；外部压力腔与内部压力腔之间通过连接管连通；出液管一端与外部压力腔连通，另一端与冷却液供给装置连通；外部光线一部分从锥形视场光阑的小端射入，大端射出，外部光线的另一部分被吸收腔室吸收。2.根据权利要求1所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：还包括第一喷管，第一喷管入口与入口蓄水槽连通，第一喷管出口与靠近锥形视场光阑的锥形内壁，且第一喷管入口直径大于喷管出口直径。3.根据权利要求2所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述外部压力腔内垂直于冷却液流向的方向设置有至少一片射流屏，射流屏上沿圆周方向开设有多个小孔。4.根据权利要求3所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述外部压力腔内设有与所述小孔数量相适配的第二喷管，所述第二喷管的结构与第一喷管相同；第二喷管入口与小孔连接，第二喷管出口靠近吸收屏的外壁。5.根据权利要求1-4任一权利要求所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述吸收腔室中由吸收屏构成的内壁表面设置有多层栅状突起并进行发黑处理。6.根据权利要求5所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述栅状突起上设置多孔结构。7.根据权利要求6所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述中间锥形体的外表面镀覆有高反射层。8.根据权利要求7所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述吸收腔室选用GlidcopAl-15材料制成。9.根据权利要求8所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：所述锥形视场光阑的锥度为18°，中间锥形体的锥度为41°，所述吸收屏内壁的曲率半径为150mm。10.根据权利要求9所述的基于双通道冷却的大口径太阳望远镜全吸收式热光阑，其特征在于：冷却液为低温水或60％乙二醇。

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