1m红外太阳望远镜液冷系统设计*

黄善杰，李 志，许 骏，宋腾飞，李雪宝，邓林华

(1. 中国科学院国家天文台云南天文台，昆明 650011；2.中国科学院研究生院，北京 100049)

中国科学院云南天文台研制的1m红外太阳望远镜(YNST)，主要用于太阳活动区磁场的精细光谱分析和时空精细结构研究。在YNST进行太阳观测时，封窗、视场光阑和CCD的热电制冷堆会产生大量的热量，这三者就是LCS的冷却对象。如何将3个冷却对象的热量带走，使其保持在一个合适的温度范围内，是LCS设计中主要解决的问题。

1 三个冷却对象的热分析和冷却方法选择

1.1 封窗玻璃

封窗玻璃是真空镜筒的密封元件，如图1，使用的是K9玻璃，位于镜筒前。封窗吸收太阳辐射后会发热升温，不但会引起玻璃形变，而且会在其上方产生湍流，需要对封窗玻璃做详细的热分析。

封窗玻璃对太阳辐射是很好的透明体，吸收系数κ=0.8%/cm。但对于400K以下的热辐射，因为其能量主要集中在波长2.5μm以上的辐射波段，封窗玻璃对这个波段范围的辐射是不透明的，所以封窗玻璃内部的传热方式可认为只有热传导。

常见的温度范围内封窗玻璃可以被看成灰体[1]，光谱吸收比α(λ)=常数，吸收比恒等于同温度下的发射率。空气对常温热辐射既无发射也无吸收的能力，所以封窗玻璃的表面是与周边物体而不是与空气进行热辐射交换。

图1 封窗玻璃示意图Fig.1 Illustration of the structure of sealing glass

1.1.1 封窗热功率计算

经过大气消光改正后的太阳辐射f1为：

f1=f0·(T)^M=1235W/m2

(1)

其中f0是太阳常数，f0=1380W/m2；M是大气质量；T是大气消光系数。按余量考虑，取M=1.05、T=90%。

照射到封窗上的辐射功率P照如下：

P照=f1π(d/2)2=1396W.

(2)

其中d是封窗直径,d=1200mm。

封窗玻璃吸收的太阳辐射功率[2]：

P吸=P照(1-0.04)(1-e-κL).

(3)

其中0.04是封窗玻璃和空气接触面的反射率；κ是封窗玻璃的吸收系数；L是封窗厚度。根据太阳塔封窗设计图纸,κ=0.8%/cm,L=75mm；1-e-κL是封窗玻璃对太阳辐射的吸收率。计算得P吸=78W。

封窗玻璃的热源功率平均密度为：

(4)

其中V是封窗玻璃的体积,V=0.08482m3。

在封窗玻璃上建立如图1的圆柱坐标系，假定封窗和镜筒的接触面为绝热表面(当封窗和镜筒接触面有热量传递时，热分析见1.1.2)。稳定状态下，封窗内部通过热传导形成稳态，通过其对称性分析可知，温度变化只在Z方向上，温度分布T(z)满足一维稳态导热源的导热微分方程[1]：

(5)

其中λ是封窗玻璃的导热系数，λ=0.75W/mK。

温度分布函数：

(6)

边界条件：

(7)

流过上表面的热流量等于上表面和周边物体交换热辐射的热流量以及上表面自然冷却散热流量的总和。其中h是空气自然对流传热系数[1]，h=(1-10)W/m2K；T1是封窗上表面温度，T1=T(z=0)；T空气是封窗周边空气的温度，T空气=300K；ε是K9玻璃发射率[3]，ε=0.93；σ是斯特藩-泊尔茨曼常数，σ=5.67×10-8W/m2K4；T周边是封窗周边物体的平均温度。

(8)

流过下表面的热流量等于下表面和镜筒内壁的交换热辐射热流量。其中T2是封窗下表面的温度，T2=T(z=0.075)；T镜筒是镜筒内壁的温度。不同周边环境温度的封窗Z方向温度分布如图2。

数值计算中假定T镜筒=T周边，分析图2的各条曲线可得：环境温度越高封窗玻璃的温度整体越高，空气自然对流传热系数越大，封窗在Z方向的温差越大。

1.1.2 封窗冷却方法选择

目前常用的冷却方法有自然冷却、强迫风冷、液冷、蒸发冷却等，为保证成像质量，排除风冷(h变大，风窗玻璃的温差变大)和蒸发冷却(影响视宁度)。下面分析液冷：假定封窗周边有一层均匀的冷却液的情况下(与封窗和镜筒接触面有热量传递时的温度分布类似),温度分布满足二维柱坐标稳态导热微分方程[1]：

(9)

图2 封窗玻璃温度分布曲线Fig.2 The temperature distribution of a piece of sealing glass

温度分布函数表达式[4]：

(10)

最简单的一种温度函数分布：

(11)

分析上两式可知：R方向上出现温差，Z方向上温差变小。封窗周边不同的冷却状态对应不同的函数形式。以上热分析都是基于理想情况下的数学模型，实际当中会有很多不定因素：(1)h取决于空气流动强弱和空气湿度，取值范围在1～10之间;(2)T镜筒和T周边温度会有很大变化，且两者温度不可能相等;(3)R(r)U(z)和封窗周边冷却液的分布、温度、流量相关。

自然冷却还是合适的液冷需要YNST建成后在实际中结合终端成像质量反复做实验确定。

1.2 视场光阑

图3 视场光阑光学系统Fig.3 The optical system of the field diaphragm

如图3，视场光阑位于YNST的F1焦平面处，光阑的材料是镀铝膜的紫铜,中间开有一通光孔。镜筒接受的太阳光透过封窗，传到主镜，主镜的直径是980mm,被主镜反射后向视场光阑聚集。聚集到F1焦平面的光线，只有1%的光通过光阑上的通光孔传到副镜，其余的被光阑反射到望远镜外。镀铝膜作为反射面时会吸收一部分光能量，引起光阑发热升温。

1.2.1 视场光阑热功率计算

视场光阑上吸收的热量为Pgl，结合图3,Pgl近似计算公式[5]：

Pgl=0.67P照e-κL(1-0.04)2×(0.85)×(1-0.85)×0.99.

(12)

其中0.67是主镜接收到的光与封窗通光的比例系数；P照是照射到镜筒上的太阳辐射功率；e-κL表示封窗玻璃对太阳辐射的透过系数；(1-0.04)2是太阳辐射经过封窗上下表面后剩余的比例[2]，这里假设空气的折射率和真空相同；0.85是镀铝膜表面反射率，这里是指主镜的反射率；视场光阑的吸收率=1-反射率=(1-0.85)；0.99是指照射到视场光阑的光有1%的光传到副镜，99%的光被反射出去。计算得PF1=102W。

1.2.2 视场光阑冷却方法选择

视场光阑热功率密度较大，且整个视场光阑处于真空环境，故可以排除风冷、蒸发冷却、自然冷却等方式。而采用直接液冷的方式，一旦出现水管渗漏，后果不堪设想。综上分析，采用导热管加液冷的方式。

导热管具有很好的热传递性，这里用做将视场光阑的热量导出镜筒，再通过冷却液将热量带走。

1.3 CCD

YNST安装了3个CCD探测器，采用的都是三级半导体制冷[3]。半导体制冷有一个冷端、一个热端，冷端吸热，用来实现探测器需要的低温环境，热端放热。每个CCD半导体制冷热端发热功率大约90W。热端的面积较小，热功率密度较大，且位于望远镜成像光路的终端，不允许附近出现较大的空气流动，这里采用液冷。

2 YNST液冷系统设计

由前面的分析可知，封窗、视场光阑和CCD都采用了冷却效率较高的液冷方式。其中封窗液冷系统需要添加流量控制，CCD和另外两个所处的位置相差太远，故液冷系统做成3个独立的子系统。液冷系统结构框如图4。

图4 液冷系统结构框图Fig.4 Block diagram of the liquid-cooling system(LCS)

由于YNST地处抚仙湖一级保护区，YNST对各用水系统都要求循环使用，不向抚仙湖排入任何污水，所以液冷系统采用封闭式循环液冷系统。封窗液冷系统的设计图与视场光阑和CCD类似，如图5，系统分为内循环冷却和外循环冷却。内循环冷却液由泵从补水箱中泵出流经冷却对象，吸收热量后返回热交换器。和外循环冷却水在热交换器中进行热量交换,冷却液被冷却后回流到补水箱，如此循环。水泵设计为两个，一用一补，并联连接。流量计和压力表对冷却液进行定量指示，流量开关对冷却液的流动或停止进行定性检测。流量控制电路通过控制水泵实现流量控制。

图5 封窗液冷系统设计图Fig.5 Illustration of the design of the LCS for the sealing glass

3 液冷系统关键部件选择和相关计算

3.1 冷却液的选择

液冷系统很多地方使用了易受水腐蚀的铜配件，且有很大一部分硅胶水管裸露于室外，环境温度较低。最终选择适合本液冷系统设计的特殊防冻液作为冷却液，并在实验中取得较好效果。

3.2 冷却液的流量-温升计算

冷却液流量的大小取决于发热器件的耗散功率和设定的冷却液进出口温升，冷却液的流量可由下列方程式来决定：

(13)

其中Qv是流量(L/min)；P是热功率(W)；CP是冷却液的比热容(J/kg℃)；ρ是冷却液的密度(kg/L)；ΔT是冷却液的温升(℃)。

在一定的设计余量下，封窗、视场光阑和CCD的冷却介质带走的热功率分别按100W、150W、300W，温升-流量关系见表1。

表1 3个冷却对象的冷却液的温升-流量表

在热功率一定的条件下，冷却液的流量越大，其温升就越小，冷却效果越好。

3.3 系统压损的计算

内循环管路系统压力降[6]：

ΔP=1.15(ΔPλ+ΔPk+Ph+ΔPα).

(14)

式中ΔPλ为沿程压力降，因管内流体与管壁的摩擦产生；ΔPk为系统各组件压力降；ΔPh为循环管路因(重力势能)高度不同而产生的静压差；ΔPα为泵进出口速度变化而产生的加速度压力差。

在系统需求流量的情况下，各液冷子系统中ΔPλ+ΔPα≤0.01MP。风窗和视场光阑子系统ΔPh<0.1MP，CCD子系统中ΔPh<0.04MP。

系统中各组件包括闸阀、止回阀、过滤器、流量计、水压表、流量开关、热交换器、水箱等的压力损失都不大于0.002MP。冷却对象的液冷套管压损不超过0.005MP。故ΔPk不大于0.025MP。

以上各值代入(14)式得：风窗和视场光阑液冷系统总压力降<0.16MP，CCD液冷系统总压力降<0.09MP，换算成水柱高度表示分别是16m和9m。

3.4 泵的选择

根据3个液冷子系统的流量需求和系统压损分析，并对多个厂家的微流量水泵进行比较，选择隔膜式微流量泵，隔膜式泵的特点是体积小、噪音低。如图6，系统选用的成都为诚电子机械公司的隔膜式ASP5540泵的Q-H曲线符合设计要求，而且噪音很低，性能可靠。

图6 ASP5540泵的Q-H曲线Fig.6 The Q-H curve of the ASP5540 pump

3.5 热交换器的选择

换热器热工计算的基本传热方程式[1]：

(15)

其中Tf1和Tf2分别是换热器冷热介质的温度；h1和h2分别是两介质和换热器导热材料的表面对流传热系数；λ是换热器导热材料的热传导系数；δ是导热材料的壁厚。

本液冷系统选用体积较小、冷却效率高的钎焊板式热交换器，有多层板片焊接而成。冷热介质分别在板片两侧，通过板片交换热量。每层板片的面积是0.016m2，板厚δ=0.002m;材料是304不锈钢，304不锈钢的热传导系数λ=16.2W/mK。

余量考虑取h1=1000W/m2K;h2=1500W/m2K[1]代入(15)式得：

φ=Ak(Tf1-Tf2)

(16)

其中k是该热交换器的传热系数，k=559W/m2K。

假定内循环冷却液的平均温度仅比外循环冷却水平均温度高1℃，交换200W的热功率需要的面积是0.3339m2，需要21层板片。这里选购的是30层钎焊板式热交换器，满足系统的冷却要求。

4 液冷系统定性检测模块：

正常工作的液冷系统是望远镜工作的前提条件，为此必须对各个液冷子系统进行状态检测，这里称之为定性检测。

检测系统使用常开型流量开关作为检测元件，流量开关是一种检测水流有无的装置。把水流有无变成触点开关量信号输出。主要参数有启动流量、最大流量、最大负载功率等，分为常闭型和常开型两种类型。本系统选用的是常开型流量开关，最大负载功率70W、启动流量0.5L/min、最大流量20L/min。当液流大于0.5L/min时，触点断开。反之触点闭合。定性检测电路如图7，电路实物图如图8。

图7 液冷系统定性检测电路Fig.7 The circuit of qualitative monitoring of the LCS

望远镜启动前，必须保证水泵处于启动状态，通过流量开关检测各路水循环状态。当液冷系统出现一条或多条水管停流时，与之对应的水流开关闭合，工作电压是12V的LED单灯模具点亮，二极管导通并启动声光报警器。由于二极管的单向导通性，闭合通道和未闭合通道间互不干扰。该检测电路不仅简单可靠、抗干扰性好，而且还可以化整为零、灵活裁减使用。封窗的液冷系统添加了主动停水设置，以便后期做封窗有无液冷对成像质量影响的实验。实验结果表明该检测电路达到了LCS的设计要求。

图8 液冷系统定性检测电路实验照片Fig.8 A photo of the experiment of the circuit for qualitative minitoring of the LCS

5 定性检测模块与PLC的通信模块

望远镜的主控系统需要显示各子系统的检测结果，并根据发生的异常情况，采取不同的处理方式。YNST主控系统的控制器是罗克韦尔公司生产的SLC500系列PLC，如图9。

图9 液冷系统定性检测与PLC通信电路图Fig.9 The circuit for communications between the PLC and the module of qualitative monitoring of LCS

当某条水管停流时，对应通道的流量开关和LED单灯模具之间的电平置高为12V。电路采集各通道流量开关和LED单灯模具之间的电平信号传给PLC数字量输入模块,把定性检测结果上传给主控系统。PLC数字量输入模块的逻辑高电平是24V，需要对采集到的电压信号进行电平转换，电路采用光藕TLP521-4GB实现。

PLC不停地扫描对应各通道的电压信号并显示在主控系统中。液冷系统正常工作时，各通道电压信号一直是低电平。一旦某水管的水流停止，对应电平信号置高为24V，触发对应的PLC故障处理程序。

6 封窗液冷系统的流量控制模块

风窗玻璃位于望远镜镜筒的最前方，温度引起的形变会严重影响成像质量，需对封窗玻璃做详细的冷却实验分析。通过前面的热分析得出封窗玻璃的冷却可选用纯自然冷却和液冷两种方式。液冷的效果与冷却液的流量及温度有关，故对封窗液冷系统添加了流量控制电路。电路如图10，电路实物图如图11。

图10 封窗液冷系统的流量控制电路Fig.10 The flow-control circuit of the LCS of the sealing glass

图11 封窗液冷系统的流量控制电路实验照片Fig.11 A photo of the experiment of the flow-control circuit of the LCS

(17)

式中RT对应电路中的防水NTC(热敏电阻)探头Rt，通过螺丝固定在封窗液冷管道上,检测冷却液的温度。热敏电阻探头Rt的标称电阻值R25=10k(Ω)；热敏指数是3950K；阻值-温度函数：

(18)

把(18)式代入(17)式得：

(19)

分析(19)式可知调节RA左的电阻值和改变冷却液温度都可以改变液冷系统的供液量。当R1=1K，RA=10K的条件下，流量比和冷却液温度、RA左的关系如图12。

图12 不同RA左下的流量-温度曲线Fig.12 Curves of flow rate vs. temperature at different values of RA左

流量控制电路不但可以大幅度改变冷却液的供应流量，对封窗提供不同冷却效果，而且对封窗温度变化有一定的阻尼能力：封窗温度升高→冷却液温度升高→热敏电阻阻值变小→冷却液流量变大→液冷加强→封窗温度下降。反之，液冷减弱。热敏电阻的热敏指数越大、RA左越大，单位温度变化引起的流量变化越大、平滑风窗温度变化效果越好。

实验结果表明，电路实现了预期设想，且长时间运行稳定、可靠。下一步的工作是待YNST建成后结合望远镜的终端成像质量，反复调节，确定最好的冷却状态。

7 结束语

本文得出LCS满足YNST各冷却对象的特殊冷却要求，设计的封闭式循环LCS达到了抚仙湖一级保护区内对各单位用水的要求指标。在选择LCS各关键部件时，对使用的系统数据指标都有余量的考虑。LCS中添加的各种配套电路，设计合理，并在实验中达到了预期目标。所以该LCS设计是一种可行的设计方案，下一步的工作是YNST建成后结合实际对LCS进行安装调试。

致谢：在系统分析与设计中得到了中国科学院云南天文台卢汝为、伦宝利、张居甲、程向明、宋佳阳、张钱生等很多科研技术人员的指导和支持，具体工作过程中得到了上海耐博泵阀制造有限公司施文惠工程师、冀州市拓春采暖设备有限公司单胜国工程师、上海安巢在线公司的陆金荣工程师等众多合作单位技术人员的技术支持,在此表示衷心感谢！

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