Sistemi di raffreddamento.

[maxproject]

Traiamo spunto da un post apparso in un forum, come idea da sviluppare, pensando di fare cosa gradita ai nostri lettori.
Il tema è quello relativo al raffreddamento delle superfici ottiche sia a riflessione che a rifrazione.

Occorre prima di tutto distinguere in due grandi famiglie gli strumenti che andremo ad analizzare in alcuni post:

telescopi rifrattori e catadiottrici;
telescopi riflettori aperti.

Ciascuna famiglia necessita di accorgimenti adeguati e appositamente pensati. Esistono poi dei sottosistemi che hanno anche ulteriori problemi dovuti alle masse vetrose molto importanti (qui intese come spessore e non solo come diametro).

Telescopi rifrattori (diametri da 100 a 160 mm.):
fino a 100 mm. qualunque sia lo schema ottico, ovviamente meno lenti ci sono e più veloce sarà l'operazione, non richiede nulla di più che starsene all'aperto per un tempo tra i 20 e i 60 min per cominciare a raggiungere un buon equilibrio. Rimangono tempi più lunghi per schemi che utilizzano sistemi correttivi che complicano un pochino il raggiungimento a temperatura, nel caso ci si allungherà un po'. E' molto furbo non tenere i telescopi in casa, magari a 20 gradi, ma tenerli in garage o in cantina a pochi gradi. Questo non solo accelererà il tempo di termostatazione, ma stresserà anche meno il telescopio e ridurrà la formazione di condense che qualche danno lo provocano sempre. Quando iniziamo a salire di diametro le cose si complicano, rispettivamente per due ordini: il primo è la massa vetrosa, il secondo è la massa metallica (qui parliamo di strumenti ben fatti e non di tubi costruiti in economia). Una cella per rifrattore (diciamo 150 mm.?) è piuttosto complessa da costruire e da progettare, il controllo delle forze deve essere molto attento e anche le flessioni hanno il loro ruolo, questo comporta - se usiamo leghe in alluminio - pesi ridotti ma masse intese come spessori e profondità piuttosto elevate.
Tutto questo metallo ha i suoi tempi di acclimatamento che sono indipendenti dalla parte in vetro.
Occorrerebbe che il progetto della cella fosse già in partenza previsto con dei sistemi passivi di termostatazione (es. il DP 150) per quanto riguarda la parte metallica, mentre nulla possiamo fare per il vetro in se.
A complicare il discorso in questi grossi rifrattori c'è pure l'intubazione e i diaframmi interni.
Qualche anno fa scrivemmo che il flusso di aria fresca deve essere laminare e addossato alla parete del tubo, cosa che vediamo subito applicata da altri costruttori, tuttavia questo accorgimento si puo' ottenere sia con la lavorazione adeguata dei diaframmi, della cella e della controcella dello strumento, sia con l'applicazione di sistemi di aspirazione radiale e assiale lungo il tubo. Non è una ricerca esasperata dell'inutile, è semplicemente una applicazione OBBLIGATORIA di tecniche a strumenti di alto pregio che non vengono tenuti in osservatorio (pure lui climatizzato durante il giorno, è ovvio), e che dunque devono sottostare a delle prerogative squisitamente amatoriali.
Leggiamo da più parti che il tubo in carbonio è deleterio in queste applicazioni. Vero: se non si sa come progettare tutto il resto in funzione del medesimo. Purtroppo molti costruttori si sono improvvisati applicatori di tubi in fibra, senza conoscere a fondo le prerogative e i "desiderata" che questa tecnologia richiede. Un tubo in fibra permette il mantenimento degli assi, permette di concentrare i pesi in altre parti più sensibili (controcelle), permette di ottenere risultati meccanici molto superiori ad uno parimenti gestibile in alluminio.
Diremo quindi che un sistema rifrattore da 100 mm. in su va adeguatamente progettato e costruito (e non si creda che questo costi di più, è solo l'applicazione di buon senso e criterio), in modo che il problema delle termiche si risolva radicalmente in poco tempo e soprattutto che l'equilibrio sia mantenuto in tutta la sessione osservativa.
Maxproject

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[maxproject]

Catadiottrici Schmidt Cassegrain consumer:

in questa classe di strumenti intendiamo ovviamente i conosciuti Meade e Celestron, che sono quelli che fanno la parte del leone. Tra i vari problemi che affliggono questi strumenti di basso prezzo, uno dei più disperati è la formazione delle piume di calore nel tubo del telescopio. Chi fa alta risoluzione sa di cosa stiamo parlando e sa anche che - salvo pazienza e molta calma - questi telescopi sono praticamente inutilizzabili se non stazionati con qualche ora di anticipo al momento delle osservazioni.
Il mercato propone alcune soluzioni da inserire nella messa a fuoco per aspirare l'aria calda all'interno del tubo. La recente serie HD di Celestron ha messo due buchi ovali (non abbiamo capito perchè non sono rotondi e percè non ci hanno messo le ventoline), che inlinea molto teorica dovrebbero abbattere l'aria calda statica dentro il tubo.
Naturalmente siamo ben lontani da soluzioni funzionanti e che seguon una logica progettuale decente.
Il primo punto è che non abbiamo spazi di entrata per l'aria fresca che deve portarsi via quella calda e - possibilmente - dopo un certo momento di ricambio mantenere un delta termico tra interno ed esterno tubo di circa mezzo grado centrigado (meglio di meno).
Anche se mettiamo nella messa a fuoco un sistema che aspira o soffia dentro il tubo stiamo creando un rimescolamento ed un lentissimo ricambio di aria statica.
L'unica vera soluzione sarebbe fare tre fori a 120 gradi di circa 30 mm. di diametro. Infatti il ricambio dell'aria deve essere uniforme su tutta la colonna d'aria e non solo da un lato, o avremo un raffreddamento asimmetrico della massa vetrosa. Sul davanti bisogna fare tre o quattro fori da 30 mm. schermati con appositi filtri, per l'entrata di aria fresca. Tutto il resto sono accrocchi estemporanei che non hanno nulla a che spartire con la stabilizzazione termica di un tubo. Il vero vantaggio di questi telescopi è che sia lo specchio sia la lastra sono molto sottili, quindi masse vetrose limitate, e questo è fortemente d'aiuto.
Ci possono essere soluzioni alternative ma forse molto al di la di chi non ha padronanza della meccanica e di alcuni concetti costruttivi.
Se dobbiamo stabilizzare un rifrattore da 150 mm. ancor più un 250 mm. anche se a specchio è di fondamentale importanza. Le termiche deteriorano in modo devastante l'immagine e diventa anche quasi impossibile collimare correttamente.
Maxproject

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Edited by maxproject on Feb 20, 2010 at 09:35 PM

[skymap]

Sui riflettori chiusi tipo mak/sc non sarebbe più semplice togliersi parte dei fastidi usando strutture a traliccio ? rimane solo il problema vetro, ma si elimina quello dell'aria contenuta nel tubo. Mi viene in mente il gladio dk, anche senza estremizzare a quel punto con una mono barra ma il concetto è quello.

E' una questione di costi o altro ?

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Cerchiamo di vivere in modo tale che quando moriremo perfino il becchino sia triste.
Mark Twain

[maxproject]

Ciao Sky,
in questi catadiottrici il sistema a traliccio non è mai il massimo della performance ottenibile.
E' vero che potresti togliere il problema dell'acclimatamento del tubo, ma è anche vero che metteresti la lastra o il menisco in una posizione molto esposta, sotto tutti i punti di vista.
Un grande problema, in un sistema serrurier, è ottenere il centraggio meccanico di tutta la struttura. Questa struttura va costruita con grande perizia e attenzione, i costi non sono confinabili facilmente e lo dimostra il fatto che, a parte un costruttore, nessuno usa questi sistemi per sistemi a lastra correttrice, almeno in ambito amatoriale.
Il telescopio che tu citi non ha riscontrato successo sul mercato per una serie di problemi, primo tra tutti una costruzione estremamente soggetta alle vibrazioni, non a caso ha avuto un senso solo per applicazioni fotografiche, in cui l'utente tiene le dovute distanze dal telescopio, inoltre tutti i sistemi monobarra non sono mai in grado di garantire l'assialità meccanica tra primario e secondario, ed ecco perchè non li vedi diffusi sul mercato nonostante a disegno siano molto performanti.
Non la vediamo come una questione di costi (che comunque per funzionare a dovere sono alti), quanto ad una complicazione inutile. E' più facile progettare bene un tubo con sistemi di raffreddamento adeguati.
Maxproject

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Edited by maxproject on Feb 16, 2010 at 10:02 PM
Edited by maxproject on Feb 20, 2010 at 09:36 PM

[maxproject]

Catadiottrici a menisco spesso: MK nelle varie versioni.

In questo caso abbiamo davanti al primario un bel menisco fortemente curvo dello spessore approssimato tra i 15 e i 20 mm. in alcuni casi anche di più.
I costruttori russi che sono i più affezionati a questi schemi, realizzano ottime ottiche in meccaniche molte volte approssimate. Chiunque possiede questi telescopi sa dei problemi di termostatazione, e il retrofit postato in questo sito espone altre questioni altrettanto importanti.
Inutile dire che il menisco da 15-20 mm. per quanto sia ventilato ha bisogno del suo tempo per arrivare a temperatura. Lo specchio primario è di solito sottile (10-15 mm. al bordo essendo conico) e risente meno di questa problematica.
Di solito si usa porre anteriormente una maschera forata da cui viene aspirata aria esterna da una ventolina posta nella culatta, il tutto filtrato.
Basta fare due calcoli per capire che il sistema in linea di principio funziona ma non in modo ottimale.
Il primo punto è la ventolina che è troppo piccola e debole, meglio ce ne fossero tre a 120°, perchè il tessutino messo a filtro nei fori anteriori blocca le particelle ma anche molta aria in entrata, è necessario aspirare di più.
Noi sosteniamo, anche, che in questi tubi esistono di solito dei diaframmi antiriflesso che vanno a perturbare fortemente il flusso di aria fresca e anche l'adeguamento termico dei vetri.
E' sicuramente utile adottare alcuni accorgimenti di cui abbiamo parlato nei rifrattori, mentre sarebbe ancora meglio porre un sistema aspirante in prossimità del menisco, aspirante di aria esterna e opportunamente indirizzata alla superfice interna del menisco. E' qui che diventa necessario lavorare perchè è qui che abbiamo la massa più difficile da termostatare.
Fintanto che rimaniano in diametri limitati la cosa è gestibile, ma dai 250 mm. in su il problema è importante e va affrontato senza economie. Anche il flusso di aria fresca all'interno della cella porta menisco va calcolato, la massa metallica di una buona cella e controcella di registrazione, ha bisogno di un contributo esterno per lavorare al meglio.
Maxproject

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Edited by maxproject on Feb 20, 2010 at 09:37 PM

[skymap]

Non mi riferivo al gladio per il tipo di struttura ma come concetto in open air...

Pensavo ad un tubo aperto per i catadiottrici sul genere del vs RC 250 che ha i tralicci.

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Mark Twain

[maxproject]

Come appunto abbiamo scritto, Sky, il sistema truss non è adeguato a questo tipo di costruzioni. Anche se ben fatto è molto complesso da far funzionare.
Maxproject

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[maxproject]

Sistemi a specchio truss tube.

Questi sistemi sono i più facili da gestire sotto l'aspetto delle termiche. In particolare eliminiamo in un sol colpo la problematica di una parte della colonna d'aria calda dentro il tubo (ma non quella prossima allo specchio), eliminiamo anche la problematica dell'appannamento della lastra correttrice ma, in particolari condizioni non eliminiamo il problema della condensa sul secondario.

Un truss tube è molto adatto per l'alta risoluzione, proprio perchè spazziamo via una serie di problemi e - se i paraluce interni (nel caso di fuochi posteriori) sono ben dimensionati, non avremo nemmeno problemi di riflessi che interferiscono con il cono di luce.
E' fondamentale che lo strumento sia dotato, comunque, delle ventole di aspirazione sul fondo e - in funzione del diametro e spessore del disco di vetro - anche della gestione laterale al medesimo. Se infatti abbiamo un disco di 35-50 mm. il suo raffreddamento sarà molto lento e seguirà con grande fatica l'andamento delle termiche ambientali. Inoltre si ricorda che come è ovvio la parte interna del disco di vetro rimane più calda della parte esterna per un periodo abbastanza lungo, questo da origine a deformazioni erroneamente imputate alla qualità della lavorazione ottica (a cui vanno a sommarsi quelle indotte salla cella).

Porremo dunque per diametri modesti (fino a 300 mm.) e spessori limitati (fino a 30 mm.) le ventole di aspirazione (3) sotto lo specchio, che entreranno in funzione almeno mezz'ora prima di iniziare ad osservare, sempre che lo specchio non abbia subito un forte sbalzo termico, perchè allora il tempo necessario sara piu' lungo.

per diametri superiori e spessori superiori, sarà necessario provvedere - come nei telescopi professionali che operano in cupola - di ventole laterali alla massa vetrosa per fare in modo che la medesima raggiunga il più rapidamente possibile una temperatura uniforme, ed inoltre altre ventole si incaricheranno di rimuovere il sottile strato di aria calda che appoggia sulla superfice alluminata. Progettando con attenzione si può far lavorare i tre sistemi (sotto lo specchio, a fianco lo specchio, sopra la parte alluminata) in team in modo da gestire al meglio il flusso termico e tenere costantemente "pulito" da questo problema la nostra ottica.
Non è una costruzione facile, in quanto le ventole non vanno messe a casaccio, ma è comunque fattibile con poca spesa. I risultati sono nettamente apprezzabili, soprattutto per chi fa del seeing uno degli elementi portanti delle proprie osservazioni.

Lo specchio secondario va montato in una cella adeguatamente protetta e ventilata, in modo che anch'esso raggiunga un equilibrio termico con l'ambiente circostante. Se poi la condensa si presenta, solo in questo caso useremo i sistemi appositi che già si trovano sul mercato. Non è escluso che la ventilazione riesca (p.e. se forzata) a non lasciar formare la condensa sul secondario, questo dipende molto dalla temperatura ambientale e dal grado di umidità.Non esiste al riguardo una regola fissa, piuttosto una analisi in funzione del luogo da cui si svolgono le osservazioni.

Tutta la meccanica delle celle (e le relative MASSE METALLICHE) non deve in alcun modo interferire con il flusso termico, ne peggiorare una situazione di per se complessa. Gli strumenti carroarmato non sempre sono i più funzionali sotto questo aspetto. Alcuni autocostruttori abbondano con gli spessori convinti di non avere problemi di flessione della struttura, dimenticando poi che questa esuberanza si trascina dietro ben altre questioni.
Maxproject

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[maxproject]

Sistemi a due specchi con tubo chiuso monolitico senza lastra frontale.

In poche parole i cassegrain, i newton, i dall kirkham, i Ritchey ecc.

In questo caso possiamo fare un discorso generalizzato sia per i tubi in carbonio che per i tubi in alluminio. Fondamentalmente poco cambia, se un sistema è ben realizzato nel suo complesso, funziona bene con il carbonio o con l'alluminio.

Fondamentale è il disegno della cella che deve svolgere due funzioni: la prima è quella relativa al sostegno e alla regolazione dello specchio, la seconda è nel pilotaggio dei flussi termici che arrivano dalla parte frontale dello specchio.

Diremo più semplicemente che possiamo mettere le ventoline di aspirazione ma se poi in corrispondenza delle medesime non riusciamo a pilotare il flusso di ASPIRAZIONE saremo molto lontani da un risultato ottimale.

Anche se il tubo è aperto e quindi offre poca stasi termica al suo interno, diremo che la colonna d'aria va comunque rimossa, compreso il termico in prossimità della superfice riflettente del primario. In altre parole è utile fare in modo che ci sia una aspirazione molto veloce e violenta e in corrispondenza della superfice alluminata, ci sia la rimozione del sottile strato che si appoggia alla medesima.

Ci sono diversi sistemi proposti dalla letteratura (ventole frontali o laterali), ma ci sono anche altri possibili meccanismi che migliorano di molto il funzionamento di queste ventole che non sempre possono lavorare al meglio.

Riassumendo: bisogna controllare la termica del disco di vetro (sottile possibilmente), bisogna controllare la colonna d'aria dentro il tubo, bisogna controllare lo strato d'aria appoggiato alla superfice ottica.

Non ci vuole molto a capire che non si risolve mettendo ventole a casaccio, ma con un progetto ben accurato. Non ci sono forti incrementi di costi, quanto piuttosto un po' di pazienza nel ragionare il sistema.

Certamente il vetro sottile è di grandissimo aiuto in questo caso, e chi usa vetri spessi in diametri modesti sa bene di cosa stiamo parlando. A volte i telescopi sono stati sostituiti come non performanti proprio perchè il disco di vetro non è mai andato in temperatura, con tutte le conseguenti deformazioni del caso sia geometriche che del fronte d'onda.

continua

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[maxproject]

Ecco un piccolo spunto utile da leggere, relativamente alla fondamentale importanza di usare vetri sottili (e celle che funzionano, se no sono impossibili da usare):

http://www.cruxis.com/scope/mirrorcooling.htm


Maxproject

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