本發(fā)明涉及一種光學(xué)器件冷卻裝置及其冷卻仿真分析方法，具體涉及一種高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置及其冷卻仿真分析方法。

背景技術(shù)：

1、同步輻射光是一種復(fù)色光，波長范圍從紅外線到硬x射線，一般不能被直接使用，技術(shù)人員通常利用各種光學(xué)元件把這種具有連續(xù)譜的復(fù)色光加工成滿足實(shí)驗(yàn)要求(能量、通量、單色性、偏振性、光斑尺度等)的單色光，并將單色光安全、可靠、高效地傳輸?shù)綄?shí)驗(yàn)站，以供不同的科學(xué)實(shí)驗(yàn)使用。這些功能的實(shí)現(xiàn)要通過光束線系統(tǒng)來完成，單色器為光束線系統(tǒng)的核心設(shè)備，單色器的作用是改變光學(xué)元件與同步輻射光的夾角來獲得不同波長的單色光。單色器可按照不同方式進(jìn)行分類，如按照光學(xué)元件的種類可分為光柵單色器、晶體單色器和多層膜單色器等；其中晶體單色器可按衍射方式分為勞厄(laue)單色器和布拉格(bragg)單色器等；按晶體數(shù)量分為單晶單色器、雙晶單色器和四晶單色器等；按晶體切割方式分對(duì)稱單色器和非對(duì)稱單色器，按晶體排布方式分為色散單色器和消色散單色器。

2、在雙晶單色器中，由于同步輻射光在傳播過程中會(huì)直接照射單色器晶體，晶體要承受很高的熱負(fù)載，一部分熱量被晶體吸收，晶體表面溫度提高，內(nèi)部的溫度梯度升高，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力，致使晶體容易產(chǎn)生整體彎曲、晶面局部隆起和晶格常數(shù)變化等負(fù)面變形；在長時(shí)間過熱的情況下，光學(xué)元件會(huì)受到損害，最終導(dǎo)致光斑質(zhì)量和光束穩(wěn)定性的降低。因此，我們需要對(duì)第一晶體進(jìn)行冷卻，降低高熱負(fù)載對(duì)光斑質(zhì)量和光束穩(wěn)定性的影響。冷卻方式可分為水冷和液氮冷卻等。

3、冷卻液體在冷卻系統(tǒng)管道中以湍流的形式流動(dòng)，湍流由不同尺度的漩渦構(gòu)成，流場(chǎng)極不穩(wěn)定。湍流流體流經(jīng)管道壁時(shí)會(huì)對(duì)其表面交替施加流體力，使得管道發(fā)生往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而管道的往復(fù)運(yùn)動(dòng)又會(huì)改變流體流態(tài)，進(jìn)而改變作用于管道壁的流體力，這種流體與固體相互作用的現(xiàn)象被稱為流致振動(dòng)；流質(zhì)振動(dòng)會(huì)使液體流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，會(huì)引發(fā)管道表面的振動(dòng)，管道振動(dòng)再通過夾持銅塊，引起晶體的抖動(dòng)，進(jìn)而影響同步輻射光的穩(wěn)定性。在進(jìn)行冷卻循環(huán)中，液體的渦流以及管路的受激振動(dòng)等，都會(huì)增大晶體振動(dòng)的振幅，所以需要采取措施降低管道冷卻系統(tǒng)的振動(dòng)，提高單色器晶體出射光束的穩(wěn)定性。

4、現(xiàn)有晶體冷卻裝置參見圖1，包括冷卻管01、設(shè)置在冷卻管01上的固定裝置02和設(shè)置在冷卻管01上的導(dǎo)熱元件03，但該現(xiàn)有技術(shù)存在的問題是：未考慮到冷卻管01的振動(dòng)對(duì)晶體穩(wěn)定性的影響，其固定裝置02僅起到簡單的固定作用，減振效果較差；冷卻管01采用多段連接的軟管，且管道內(nèi)徑不一致，液體與管道壁面的相互作用較明顯，導(dǎo)致冷卻管01的剛度低、冷卻效率不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有晶體冷卻裝置減振效果較差、冷卻管的剛度低和冷卻效率不高的問題，而提供一種高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置及其冷卻仿真分析方法。

2、本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路為：基于現(xiàn)有晶體冷卻裝置，本發(fā)明優(yōu)化了冷卻管的布局、尺寸參數(shù)、內(nèi)徑和彎折角，并在冷卻管上設(shè)置了起減振作用的第一夾持件、第二夾持件和第三夾持件，使得冷卻液流動(dòng)時(shí)的振動(dòng)對(duì)晶體的影響更小；本發(fā)明的冷卻管采用多段波紋管和硬管組合的形式并統(tǒng)一內(nèi)徑、壁厚，整體的剛度高。

3、為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)解決方案是：

4、一種高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置，設(shè)置在晶體支撐組件上，晶體支撐組件包括晶體臺(tái)面板和設(shè)置在晶體臺(tái)面板側(cè)面的晶體支架，晶體支架上設(shè)置有晶體；其特殊之處在于：

5、包括冷卻管、設(shè)置在冷卻管上的夾持件、設(shè)置在冷卻管上的導(dǎo)熱模塊、設(shè)置在所述晶體支架和所述晶體之間的絕熱組件以及擋光組件；

6、所述冷卻管包括依次連接的進(jìn)液段、進(jìn)液避讓段、進(jìn)液冷卻段、回流段、出液冷卻段、出液避讓段和出液段；進(jìn)液段和出液段分為直管段和彎管段，兩個(gè)彎管段均由相互連接的兩段彎折部分構(gòu)成，兩段彎折部分的彎折面相互垂直，且為圓弧過渡，兩個(gè)直管段、兩個(gè)彎管段分別對(duì)應(yīng)設(shè)置；進(jìn)液避讓段和出液避讓段均為u型管，且為圓弧過渡并對(duì)應(yīng)設(shè)置，兩個(gè)u型管的一端分別與對(duì)應(yīng)的進(jìn)液段和出液段的彎管段相連接；進(jìn)液冷卻段和出液冷卻段分為直管段和彎管段，其彎管段分別與對(duì)應(yīng)u型管的另一端連接；回流段為u型管，其兩端分別與進(jìn)液冷卻段和出液冷卻段彎折連接，且為圓弧過渡；冷卻管中的所有彎折部分均采用波紋管；所述夾持件包括一個(gè)第一夾持件、兩個(gè)第二夾持件和兩個(gè)第三夾持件；第一夾持件夾持在進(jìn)液段和出液段的直管段與彎管段的連接處，并且與晶體臺(tái)面板連接；兩個(gè)第二夾持件均夾持在進(jìn)液避讓段和出液避讓段上，并且與晶體臺(tái)面板連接，一個(gè)設(shè)置在靠近晶體臺(tái)面板下部的位置，另一個(gè)設(shè)置在進(jìn)液段彎管段和進(jìn)液避讓段、出液段彎管段和出液避讓段的連接處；兩個(gè)第三夾持件均夾持在靠近進(jìn)液避讓段出口和靠近出液避讓段入口一側(cè)并且與晶體支架的側(cè)面連接，一個(gè)第三夾持件連接于晶體支架的側(cè)面上部，另一個(gè)連接于晶體支架的側(cè)面下部；兩個(gè)所述導(dǎo)熱模塊對(duì)稱設(shè)置在進(jìn)液冷卻段和出液冷卻段上，導(dǎo)熱模塊位于晶體支架上，多個(gè)晶體夾持螺桿設(shè)置在導(dǎo)熱模塊上，將所述晶體夾持在兩個(gè)導(dǎo)熱模塊之間；所述導(dǎo)熱模塊為長方體，其較大的側(cè)面上部設(shè)置有用于安裝固定進(jìn)液冷卻段或出液冷卻段的圓弧狀凹槽；所述擋光組件位于晶體的兩端面外側(cè)并與導(dǎo)熱模塊連接；所述絕熱組件包括自下而上設(shè)置的晶體絕熱板和晶體絕熱墊。

7、所述晶體絕熱板和晶體絕熱墊起保護(hù)作用，防止晶體在工作時(shí)傳遞的溫度對(duì)其他組件造成損害。

8、進(jìn)一步地，所述第一夾持件由長方體的第一模塊和長方體的第二模塊拼接而成，中間設(shè)置有用于固定進(jìn)液段和出液段的兩個(gè)第一通孔，一個(gè)為長條形，另一個(gè)為圓形；長條形的第一通孔用于夾持出液段彎管段，圓形的第一通孔用于夾持進(jìn)液段；第一模塊的兩端分別設(shè)置有用于連接晶體臺(tái)面板的兩個(gè)長條形第二通孔；連接件穿過兩個(gè)長條形第二通孔將第一模塊固定在晶體臺(tái)面板上；所述第二夾持件包括夾持端和連接端，其夾持端包括長方體的第三模塊，其連接端包括直角固定器；所述直角固定器的一端與第三模塊連接，另一端設(shè)置有用于連接晶體臺(tái)面板的長條形第二通孔；所述第三模塊由兩個(gè)小長方體塊拼接而成，中間設(shè)置有用于固定進(jìn)液避讓段和出液避讓段的圓形第一通孔；連接件穿過長條形第二通孔將直角固定器固定在晶體臺(tái)面板上；所述第三夾持件包括夾持端和連接端，其夾持端包括長方體的第四模塊，其連接端包括長方體固定器；所述長方體固定器與第四模塊連接；所述第四模塊由兩個(gè)小長方體塊拼接而成，中間設(shè)置有用于固定進(jìn)液避讓段和出液避讓段，或者進(jìn)液冷卻段和出液冷卻段的圓形第一通孔；所述長方體固定器的底部設(shè)置有用于連接晶體支架的圓形第二通孔；連接件設(shè)置在第二通孔內(nèi)，將長方體固定器固定在晶體支架上。

9、進(jìn)一步地，導(dǎo)熱模塊中兩個(gè)較小的側(cè)面對(duì)稱設(shè)置有四個(gè)用于安裝擋光組件的安裝孔，其較大的側(cè)面中部設(shè)置有長方形凹槽，長方形凹槽內(nèi)設(shè)置有一排用于安裝晶體夾持螺桿的第三通孔，第三通孔內(nèi)設(shè)置有用于夾持晶體的晶體夾持螺桿；導(dǎo)熱模塊的下部外側(cè)設(shè)置有至少兩個(gè)第一凸塊，所述兩個(gè)第一凸塊上分別設(shè)置有一個(gè)用于固定導(dǎo)熱模塊的第四通孔，導(dǎo)熱模塊的下部內(nèi)側(cè)設(shè)置有至少兩個(gè)用于固定晶體的第二凸塊。

10、進(jìn)一步地，所述擋光組件包括擋光板固定塊和與擋光板固定塊上部連接的擋光板；所述擋光板固定塊與所述導(dǎo)熱模塊連接。所述擋光板固定塊和擋光板的作用是遮光并對(duì)其他組件起保護(hù)作用，防止入射光線偏移時(shí)對(duì)其他組件造成高溫?fù)p害。

11、進(jìn)一步地，所述進(jìn)液冷卻段、出液冷卻段和回流段的材質(zhì)為無氧銅，其余部分的材質(zhì)為結(jié)構(gòu)鋼；所述導(dǎo)熱模塊的材質(zhì)為無氧銅，所述導(dǎo)熱模塊與晶體之間設(shè)置有銦箔片。進(jìn)液冷卻段、出液冷卻段、回流段和導(dǎo)熱模塊均采用無氧銅的優(yōu)點(diǎn)是導(dǎo)熱性能好；設(shè)置銦箔片的目的是提高導(dǎo)熱模塊與晶體的換熱效率。

12、進(jìn)一步地，所述晶體絕熱板的材質(zhì)為鋁合金，所述晶體絕熱墊的材質(zhì)為玻璃鋼，優(yōu)點(diǎn)為絕熱性良好。

13、進(jìn)一步地，所述進(jìn)液避讓段和出液避讓段位于兩個(gè)第二夾持件之間的部分各設(shè)置有一個(gè)管道接頭；所述進(jìn)液段的入口處和出液段的出口處各設(shè)置有一個(gè)管道接頭。設(shè)置管道接頭的目的是保證連接強(qiáng)度。

14、進(jìn)一步地，所述冷卻管全段的壁厚均為2mm，內(nèi)徑均為8mm；冷卻管內(nèi)通入的冷卻液為液氮。

15、本發(fā)明還提供了上述高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置的冷卻仿真分析方法，其特殊之處在于，包括以下步驟：

16、步驟1、使用solidworks對(duì)高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置建模，得到三維模型圖，輸出為*.x_t文件；

17、步驟2、將步驟1中的得到的*.x_t文件導(dǎo)入ansys?workbench中的dm模型處理器，利用dm中的填充和修補(bǔ)工具，抽取出流道模型；再將流道模型導(dǎo)入workbench中的mesh網(wǎng)格處理器,采用多區(qū)網(wǎng)格劃分的方法對(duì)流道模型劃分網(wǎng)格，并設(shè)定模型的各個(gè)入口、出口以及壁面的名稱,輸出為*.mesh文件；

18、步驟3、使用ansys?fluent加載步驟2中得到的*.mesh文件，設(shè)置仿真的數(shù)學(xué)模型、物性參數(shù)、邊界條件并選擇計(jì)算方法，進(jìn)行流體仿真分析和固態(tài)仿真分析，得到流體仿真分析和固態(tài)仿真分析結(jié)果；

19、步驟4、進(jìn)行流固耦合仿真分析，設(shè)置冷卻管與冷卻液的接觸面的數(shù)學(xué)模型、邊界條件，并在冷卻管的外壁上設(shè)置十一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模擬工作環(huán)境，進(jìn)行振動(dòng)仿真分析，并得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的時(shí)域位移數(shù)據(jù)；所述十一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)包括分別設(shè)置在進(jìn)液冷卻段中部和出液冷卻段中部的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、分別設(shè)置在進(jìn)液避讓段和出液避讓段與第二夾持件接觸部位的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、分別設(shè)置在進(jìn)液避讓段和出液避讓段與第三夾持件接觸部位的四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及設(shè)置在出液段穿過第一夾持件的彎管段的一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)；

20、步驟5、整理上述流體仿真分析、固態(tài)仿真分析和流固耦合仿真分析結(jié)果，完成對(duì)高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置的冷卻仿真分析。

21、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

22、1、本發(fā)明提供的高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置，其冷卻管采用經(jīng)優(yōu)化的內(nèi)徑、彎折角和長度，采用多段波紋管和硬管組合的形式，全段采用統(tǒng)一內(nèi)徑8mm，壁厚2mm，整體的剛度高；進(jìn)液冷卻段和出液冷卻段上設(shè)置有導(dǎo)熱模塊，使得冷卻裝置整體的冷卻效果滿足需求；

23、2、本發(fā)明提供的高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置，其夾持件由第一夾持件、第二夾持件和第三夾持件組成，共同用于固定冷卻管并削弱冷卻管中冷卻液所致的振動(dòng)，固定牢固，減振效果好；

24、3、本發(fā)明提供的高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置，設(shè)置有導(dǎo)熱模塊，導(dǎo)熱模塊的作用為增強(qiáng)散熱效果、夾持晶體和冷卻管，換熱效率高；

25、4、本發(fā)明提供的高穩(wěn)定性的晶體冷卻裝置，其進(jìn)液冷卻段、出液冷卻段和回流段和導(dǎo)熱模塊的材質(zhì)為無氧銅，導(dǎo)熱模塊與晶體之間設(shè)置有銦箔片，導(dǎo)熱效果好。