专利名称：基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及太阳望远镜热视场光阑冷却技术及其装备，特别是基于射流冷却原理并应用于大口径地基太阳望远镜热视场光阑的冷却装置。
背景技术：
太阳为地球上的万物提供了生存的必要保证，同时，太阳的活动也直接影响着地球的气候、通信等诸多方面。近年来，随着太阳物理学，空间天文学等科学的发展，对太阳的研究已经深入到对太阳活动区诸多局部现象(如黑子、耀斑、日珥、太阳磁场等)的研究。利用地基太阳望远镜对太阳直接进行观测，已经成为目前研究太阳活动重要手段之一。而太阳望远镜能否提供具有更高分辨率的图像，又成为了相关学科是否能够取得进一步发展的决定性因素。因此，提高太阳望远镜分辨率成为了太阳望远镜科研工作不断追求的终极目标。根据光学仪器分辨率公式(λ为入射波长，D为光学系统口径)，为了提高分辨率R，必须增加太阳望远镜口径(即主镜直径)，出现了口径达米级的大口径地基太阳望远镜，但也因此衍生出了热效应，视宁度效应等一系列阻碍太阳望远镜发展的问题。理想情况下，望远镜的集光能力与其口径的平方成正比，因此随着太阳望远镜口径的不断增大，进入望远镜系统的太阳光能量急剧增加，会增加系统内大气的不稳定性，以及各光学元器件的热变形响应，使得望远镜成像质量下降，甚至不能观测。为此，大口径太阳望远镜一般采用格里高利式光学结构设计，通过在主镜焦点位置增加视场光阑(称为“热视场光阑”)，对成像视场的限制，从而限制进入望远镜光学系统的总能量，保护望远镜内部的稳定温度场以及各光学元器件的成像质量。然而，热视场光阑对大量光辐射的阻挡和吸收将造成其严重的热效应，并衍生出周围空气的视宁度效应，恶化像质的同时更对热视场光阑本身及相关部件的安全造成了严重威胁。为此，世界上主要太阳望远镜均采取了以强制水冷为主的温控措施，来降低热视场光阑的温升。如德国GREGOR太阳望远镜热视场光阑采用45度倾斜平板结构，配备双循环强制水冷装置，将热视场光阑温升控制在与环境温度 ±5Κ 范围内(Optical and thermal design of the main optic of the telescopeGREGOR);美国ATST太阳望远镜热视场光阑采用反射吸收式结构，分别利用强制水冷方式对反射面和吸收面进行冷却，将热视场光阑温升控制在与环境温度±6K (Heat StopSpecification)。这些热视场光阑采用基于强制水冷的冷却原理进行设计，并进行了相应分析。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/m K，水射流冷却的传热系数约为1500-15000W/m K。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视场光阑这类具有较高温控要求较高的冷却对象。
由以上背景，本发明提出了一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置。与现有装置相比，该装置具有冷却效率高，冷却效果好，消耗冷却液少等优点，适合大口径地基太阳望远镜热视场光阑在高热流密度下的低温升冷却。
发明内容
本发明的技术解决问题是:为大口径地基太阳望远镜热视场光阑提出一种高效的冷却装置，使其在极高的温度载荷下仅产生极有限的温升，使得由温升影响空气视宁度并导致视场内光束在通过热视场光阑时的像差引入降低到可接受范围，减轻热视场光阑工作过程中的过高温升对望远镜最终成像质量的不利影响。本发明的技术解决方案是:一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，该装置包括进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道，其中:压力腔与进液管道直接相连，根据具体结构设计的需要，压力腔能够是多个相互独立式，即每个压力腔仅与一个进液管道相连，也能够是一个整体式，即一个压力腔与多个进液管道相连；喷管是由数个口径较小的通孔组成，位于压力腔与射流腔之间，其具体数量和分布均根据具体设计的结构、温控目标，系统的承压能力综合决定，但与同一压力腔相连的喷管总截面积不应大于与该压力腔相连的进液管总截面积；射流腔是冷却系统的核心，其腔体形状将因热视场光阑反射面不同而变化，但其位于热视场光阑反射面板背侧且尽可能靠近热源；出液口直接与射流腔相连，均布于射流腔边缘；该装置工作过程如下:首先，低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与一个进液管道和多个喷管相连；对压力腔，设进液管道总截面积为Al，进液速度为VI，与其相连的多个喷管总截面积为A2，其中，A2 < Al，射流速度为V2 ;根据流体连续性方程，则V2=V1XA1/A2 ;由于A2 < Al，则V2 > VI，形成了结构对流体的局部加速效应，形成高速冷却液，高速冷却液通过与压力腔相连的多个喷管直接冲击位于反射面板背侧的射流腔；设高速冷却液自
喷管中出射速度为I，喷管直径为D，冷却液该温度下运动学粘度为V，不同-下的被冲击物
体表面局部雷诺数Re11和局部努赛尔数Nud，分别满足方程:
权利要求
1.一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于，该装置包括进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道，其中: 压力腔与进液管道直接相连，根据具体结构设计的需要，压力腔能够是多个相互独立式，即每个压力腔仅与一个进液管道相连，也能够是一个整体式，即一个压力腔与多个进液管道相连；喷管是由数个口径较小的通孔组成，位于压力腔与射流腔之间，其具体数量和分布均根据具体设计的结构、温控目标，系统的承压能力综合决定，但与同一压力腔相连的喷管总截面积不应大于与该压力腔相连的进液管总截面积；射流腔是冷却系统的核心，其腔体形状将因热视场光阑反射面不同而变化，但其位于热视场光阑反射面板背侧且尽可能靠近热源；出液口直接与射流腔相连，均布于射流腔边缘；该装置工作过程如下: 首先，低温冷却液从各进液管道以一定流速注入压力腔，其中，压力腔与一个进液管道和多个喷管相连；对压力腔，设进液管道总截面积为Al，进液速度为VI，与其相连的多个喷管总截面积为A2，其中，A2 < Al，射流速度为V2 ;根据流体连续性方程，则V2=V1XA1/A2 ；由于A2 < Al，则V2 > VI，形成了结构对流体的局部加速效应，形成高速冷却液，高速冷却液通过与压力腔相连的多个喷管直接冲击位于反射面板背侧的射流腔；设高速冷却液自喷管中出射速度为喷管直径为D，冷却液该温度下运动学粘度为V，不同 下的被冲击物体表面局部雷诺数Re11和局部努赛尔数Nud，分别满足方程:
2.根据权利要求1所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:低温冷却液经由进液通道首先进入压力腔，该压力腔具体形式不限于多个独立式设计还是单个整体式设计。
3.根据权利要求1所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:压力腔分别与进液通道和喷管相连，且与压力腔直接相连的进液通道总截面积Al应大于与其直接相连的喷管总截面积A2。
4.根据权利要求1所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:所有喷管均位于压力腔和射流腔之间，喷管的数量、形状以及排布方式根据具体情况和实际需求确定。
5.根据权利要求1所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:射流腔位于光阑反射面板后且紧贴反射面板背侧的位置，且尽可能靠近热源。射流腔的形状会因反射面板形状的不同而变化，根据具体情况和需求设计。
6.根据权利要求1-5所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:在其具体实施过程中，该冷却装置可能采用水作为冷却介质，但并不限于水，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。
7.根据权利要求1-5所述的基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，其特征在于:在其具体实施过程中，该冷却装置各处可能会安装用于监测温度，流量，压力传 感器。
全文摘要
本发明提供一种基于射流冷却原理的大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置，该装置由进液通道，压力腔，喷管，射流腔，反射面板和出液通道等六部分组成，该大口径地基太阳望远镜热视场光阑冷却装置根据流体连续性和射流冷却原理，极大地提升了热视场光阑冷却装置的冷却效率，克服了传统采用强制水冷的热视场光阑冷却装置所需冷却液流量较大，冷却后温度分布不均等不足。本发明的热视场光阑冷却装置，具有较高的冷却效率，仅需较低的冷却液流量即可达到较好冷却效果，同时，冷却后光阑表面温度更低，且分布更加均匀，进一步减小了热视场光阑工作过程中对空气视宁度的破坏，有效地提升了望远镜成像像质。
文档编号G02B23/00GK103149677SQ201310033119
公开日2013年6月12日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者刘洋毅, 顾乃庭, 饶长辉 申请人:中国科学院光电技术研究所