適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太陽模擬技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽模擬技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展與我國空間科學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)。太陽模擬器是在室內(nèi)模擬在不同大氣質(zhì)量條件下太陽光輻照特性的一種試驗或定標(biāo)設(shè)備，多用于空間飛行器的地面環(huán)境模擬試驗，已經(jīng)成為我國空間科學(xué)中在地面進(jìn)行空間環(huán)境模擬試驗研究的重要組成部分，為航天器提供與太陽光譜分布相匹配的、均勻的、準(zhǔn)直穩(wěn)定的光輻照。光學(xué)積分器裝置是太陽模擬器中的核心部件，是實現(xiàn)輸出光束均勻化的關(guān)鍵所在。
[0003]光學(xué)積分器是太陽模擬器的關(guān)鍵部件，也處于太陽模擬器系統(tǒng)中能量最為集中的位置，對于小功率太陽模擬器來說，強(qiáng)制風(fēng)冷即可滿足太陽模擬器的散熱需求，但對于大功率太陽模擬器來說，光學(xué)積分器需要高壓水冷的冷卻方式，部分高能量系統(tǒng)還要配以強(qiáng)制風(fēng)冷、液氮冷卻等外部冷卻方式。
[0004]大功率太陽模擬器裝置的光學(xué)積分器設(shè)計，歐空局的WSA/TVA太陽模擬器的光學(xué)積分器比較典型，光學(xué)積分器包括入水口、水冷通道、光學(xué)積分器安裝板、元素透鏡和出水口，外部冷卻機(jī)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)關(guān)系是，光學(xué)積分器安裝板是整體光學(xué)積分器的支撐基礎(chǔ)，在其上為元素透鏡預(yù)留安裝接口，通過與元素透鏡固連形成太陽模擬器中光學(xué)積分器的光束通道；同時在安裝接口之間置有通水溝槽，通過加工形成密閉的水冷通道。水冷通道分別與入水口和出水口固連，入水口、水冷通道和出水口形成了光學(xué)積分器整體的水冷結(jié)構(gòu)，配以外部冷卻，形成整體的系統(tǒng)冷卻。其原理為:太陽模擬器中從光源發(fā)出的光經(jīng)過聚焦后到達(dá)光學(xué)積分器，形成能量集中的光束，一部分光通過元素透鏡的光學(xué)通道及后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)輻照面，為有效通光;另一部分則被光學(xué)積分器截留，使得光學(xué)積分器溫度升高，入水口、水冷通道和出水口所構(gòu)成的水冷系統(tǒng)，通過內(nèi)置水的循環(huán)，將光學(xué)積分器所截留的這部分能量，以熱能的形式帶走，使得光學(xué)積分器的溫度不至于過高而失效。
[0005]但上述技術(shù)方案存在的主要問題為:有效通光口徑占總通光口徑比率較低，即光學(xué)積分器的能量利用率較低。一方面使得積分器截留的能量增加，提高了冷卻壓力，另一方面造成了能量浪費，使得到達(dá)最終輻照面能量的減少，降低了太陽模擬器的技術(shù)指標(biāo);各元素透鏡之間的間隔對能量利用率影響較大，為了盡可能的提高能量利用率，則各元素透鏡之間間隔勢必會很小，大大增加了水冷通道的加工難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為解決現(xiàn)有光學(xué)積分器的能量利用率低，且由于積分器截留的能量增加，提高了冷卻壓力的同時造成了能量浪費，導(dǎo)致太陽模擬器技術(shù)指標(biāo)降低等問題，提供一種適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置。
[0007]適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，包括在光學(xué)積分器安裝板的中心開設(shè)有用于安裝第一光學(xué)積分器鏡組的接口，在所述第一光學(xué)積分器鏡組的接口的周圍均布多個第二光學(xué)積分器鏡組的接口，所述第一光學(xué)積分器鏡組的接口與每個第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間以及相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間設(shè)有通水溝槽，并將所述通水溝槽加工形成密閉的水冷通道；
[0008]在所述光學(xué)積分器安裝板的外側(cè)設(shè)置多個入水口水冷接頭和多個出水口水冷接頭，所述入水口接頭和出水口接頭間隔設(shè)置；
[0009]所述相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間的水冷通道分別與入水口接頭和出水口接頭連接。
[0010]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的太陽模擬器中從光源發(fā)出的光經(jīng)過聚焦后到達(dá)光學(xué)積分器，形成能量非常集中光束，一部分通過六個光學(xué)積分器鏡組和光學(xué)積分器鏡組及后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)輻照面，為有效通光;另一部分被光學(xué)積分器截留，使得光學(xué)積分器溫度升高；入水口的水冷接頭和出水口的水冷接頭以及水冷通道構(gòu)成光學(xué)積分器的水冷系統(tǒng)，通過內(nèi)置水的循環(huán)，將光學(xué)積分器所截留的這部分能量以熱能的形式帶走，使得光學(xué)積分器的溫度不至于過高而失效。
[0011]本發(fā)明所述的積分器裝置通過合理布局，大大提升了光學(xué)積分器的能量利用率，一方面能夠提升太陽模擬器的系統(tǒng)性能指標(biāo)，另一方面減少了光學(xué)積分器截留的能量，降低了冷卻系統(tǒng)壓力。同時，能夠為水冷通道預(yù)留較大的加工空間而較小的影響能量利用率，大大的降低了水冷通道加工難度。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2為本發(fā)明所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置中第一光學(xué)積分器鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3為本發(fā)明所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置中第二光學(xué)積分器鏡組的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4為圖1的效果圖；
[0016]圖5為圖2的效果圖；
[0017]圖6為圖3的效果圖。
【具體實施方式】
[0018]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1至圖6說明本實施方式，適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，包括三個入水口水冷接頭和三個出水口水冷接頭，光學(xué)積分器安裝板2，第二光學(xué)積分器鏡組3，水冷通道4，第一光學(xué)積分器鏡組3。
[0019]所述第二光學(xué)積分器鏡組3包括第二鏡組基板11、第一元素透鏡12、第二元素透鏡13和第三元素透鏡14;第一光學(xué)積分器鏡組8包括第一鏡組基板15、第二元素透鏡13和第三元素透鏡14;
[0020]所述光學(xué)積分器安裝板2是整體光學(xué)積分器安裝基準(zhǔn)，中心處為正六邊形的第一光學(xué)積分器鏡組8的安裝接口，周邊均布有六個異形的第二光學(xué)積分器鏡組3的安裝接口，在各安裝接口之間置有通水溝槽，通過加工形成密閉的水冷通道4，水冷通道4分別與入水口水冷接頭和出水口水冷接頭相連，其中三個入水口水冷接頭分別為第一入水口水冷接頭
1、第二入水口水冷接頭6、第三入水口水冷接頭9，出水口水冷接頭分別為第一出水口水冷接頭5、第二出水口水冷接頭7和第三出水口水冷接頭10;第一光學(xué)積分器鏡組8和六個第二光學(xué)積分器鏡組3分別固連光學(xué)積分器安裝板2預(yù)留的安裝接口，形成光學(xué)積分器有效通光口徑;入水口水冷接頭和出水口水冷接頭和水冷通道4形成光學(xué)積分器整體的水冷結(jié)構(gòu)。
[0021]本實施方式中將統(tǒng)一為融石英玻璃的第二鏡組基板6、兩個第一元素透鏡7、五個第二元素透鏡13和兩個第三元素透鏡9，通過光膠膠合的方法形成整體，加工六個第二光學(xué)積分器鏡組3;將統(tǒng)一為融石英玻璃的第一鏡組基板15、十三個第二元素透鏡13和六個第三元素透鏡9通過光膠膠合的方法形成第一光學(xué)積分器鏡組3;
[0022]然后按照圖4加工光學(xué)積分器安裝板2，光學(xué)積分器安裝板2的材質(zhì)為無氧銅，在光學(xué)積分器安裝板2上分別加工第一光學(xué)積分器鏡組8的安裝接口、第二光學(xué)積分器鏡組3的安裝接口和水冷通道4。其中第一光學(xué)積分器鏡組8的安裝接口位于中心，為正六邊形，周邊均布六個異形的第二光學(xué)積分器鏡組3的安裝接口，在第一光學(xué)積分器鏡組8和第二光學(xué)積分器鏡組3的安裝接口之間，為水冷通道4。光學(xué)積分器安裝板2的周邊加工第一入水口水冷接頭1、第二入水口水冷接頭6、第三入水口水冷接頭9，出水口水冷接頭分別為第一出水口水冷接頭5、第二出水口水冷接頭7和第三出水口水冷接頭10的安裝接口，安裝接口與水冷通道4相連；
[0023]在光學(xué)積分器安裝板2的加工全部完成后，在迎光面鍍金反射膜。最后依據(jù)圖4所不的光學(xué)積分器總體結(jié)構(gòu)不意圖，將第二光學(xué)積分器鏡組3、第一光學(xué)積分器鏡組8以及第一入水口水冷接頭1、第二入水口水冷接頭6、第三入水口水冷接頭9、第一出水口水冷接頭
5、第二出水口水冷接頭7和第三出水口水冷接頭10分別安裝到光學(xué)積分器安裝板2上，最終達(dá)到圖3所示效果，獲得高有效通光低加工難度的光學(xué)積分器。并和外部冷卻機(jī)構(gòu)形成系統(tǒng)整體冷卻方式。
[0024]本實施方式所述的光學(xué)積分器裝置中的水冷結(jié)構(gòu)可以與外部冷卻機(jī)構(gòu)組合，形成系統(tǒng)整體冷卻方式。
【主權(quán)項】
1.適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征是，包括在光學(xué)積分器安裝板(2)的中心開設(shè)有用于安裝第一光學(xué)積分器鏡組的接口，在所述第一光學(xué)積分器鏡組的接口的周圍均布多個第二光學(xué)積分器鏡組的接口，所述第一光學(xué)積分器鏡組的接口與每個第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間以及相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間設(shè)有通水溝槽，并將所述通水溝槽加工形成密閉的水冷通道(4); 在所述光學(xué)積分器安裝板(2)的外側(cè)設(shè)置多個入水口水冷接頭和多個出水口水冷接頭，所述入水口接頭和出水口接頭間隔設(shè)置； 所述相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間的水冷通道(4)分別與入水口接頭和出水口接頭連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征在于，所述第一光學(xué)積分器鏡組(8)為正六邊形結(jié)構(gòu)，包括在第一鏡組基板(15)上對稱安裝的多個第二元素透鏡(13)和對稱安裝的多個第三元素透鏡(14)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)積分器鏡組(3)包括在第二鏡組基板(11)對稱安裝的多個第一元素透鏡(12)，對稱安裝的多個第二元素透鏡(13)和對稱多個安裝第三元素透鏡(14)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征在于，所述第二光學(xué)積分器鏡組(3)為六個。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征在于，所述第一鏡組基板(15)為融石英玻璃的鏡組基板。6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，其特征在于，第二鏡組基板(11)為融石英玻璃的鏡組基板。
【專利摘要】適用于大功率太陽模擬器的高能量利用率光學(xué)積分器裝置，涉及太陽模擬技術(shù)領(lǐng)域，解決現(xiàn)有光學(xué)積分器的能量利用率低，且由于積分器截留的能量增加，造成了能量浪費，導(dǎo)致太陽模擬器技術(shù)指標(biāo)降低等問題，包括在光學(xué)積分器安裝板的中心開設(shè)有第一光學(xué)積分器鏡組的接口，在第一光學(xué)積分器鏡組的接口的周圍均布多個第二光學(xué)積分器鏡組的接口，第一光學(xué)積分器鏡組的接口與每個第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間以及相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間設(shè)有水冷通道；在安裝板的外側(cè)設(shè)置多個入水口水冷接頭和多個出水口水冷接頭，相鄰第二光學(xué)積分器鏡組的接口之間的水冷通道分別與入水口接頭和出水口接頭連接。本發(fā)明大大的降低了水冷通道加工難度。
【IPC分類】G02B7/00, G02B27/09
【公開號】CN105487235
【申請?zhí)枴緾N201510967094
【發(fā)明人】顧國超, 劉洪波, 陳家奇, 王麗, 高雁
【申請人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月22日