醫用緊湊型回旋加速器水冷系統設計

胡嘯

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

醫用緊湊型回旋加速器水冷系統設計

胡嘯

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢430064

本文介紹了一種醫用緊湊型回旋加速器水冷系統的設計和實現方法。該系統采用雙循環結構以確保制冷量和溫控精度，通過混床旁路去離子處理滿足電導率要求，在確保設計參數的前提下，還考慮到整體結構的緊湊性。此外，開發了基于LabVIEW的人機界面，以實現系統的便捷監控，有利于與其他系統的集成。應用結果表明，該水冷系統能夠滿足醫用加速器各子系統冷卻需求，保證了設備的正常運行。

水冷系統；回旋加速器；PET；LabVIEW

正電子發射計算機斷層顯像（Positron Emission Tomography，PET）是一種以加速器為重要組成部分的先進的影像學檢查方法，目前已經成為診斷和指導治療腫瘤、冠心病和腦部疾病的最優手段。而水冷系統是加速器的主要輔助設備，冷卻水流作用于加速器各個部件，為它們提供相對恒定的溫度環境，水冷系統設計的成敗會直接影響到加速器能否穩定運行。緊湊型低能回旋加速器水冷系統通過控制循環冷卻水的出口溫度以及各支路的流量，使循環冷卻水將高頻功率源、磁鐵線圈、高頻諧振腔、靶、磁鐵電源、擴散泵和離子源等設備運行所產生的熱量帶走，確保了加速器的正常運轉。

為了避免管路結垢、腐蝕、漏電甚至短路現象的產生[1]，水冷系統采用去離子過濾設備使冷卻水保持較低的電導率[2]。另外，為了保證提供足夠的冷量水和溫控精度，同時滿足緊湊型的工程需求，系統采用兩級閉式水循環結構[3]，一級循環水由冷卻塔、冷卻器或類似室外裝置提供[4]，通過熱交換器耗散由二級水循環系統帶出的熱量；二級水循環系統主要負責將一定溫度的冷卻水進行去離子處理，并分送到加速器各子系統，帶走設備運行時所產生的熱量。

1 水冷系統結構設計

根據理論分析和實驗測量，該緊湊型回旋加速器各系統總熱耗約為30kW。其中，由高頻功率源和諧振腔體組成的高頻系統耗散功率達20kW，所以，在設計過程中需要特別考慮高頻系統水路和其他系統水路的流量分配問題；另外，諧振腔會由于熱量積累而膨脹變形，造成諧振頻率的偏移[5]，從而可能導致加速器無法正常工作，所以這一部件的溫控精度和冷量需要特別得到保證。水冷系統的設計方式分為集中式和分布式兩種，前者是指采用一個強力水泵推動冷卻介質在管道中循環和分配，后者是指運用多個稍小的水泵滿足水路在較大空間上的分布需求。為了盡可能減少系統體積，采用集中式水冷結構，然后通過增加一定數量的調節閥并加大水泵功率來解決由此結構帶來的水路平衡難以控制的問題。系統主要設計指標如下：出水溫度（20℃）、溫控精度（±1℃）、電導率（<5μS/cm）、工作環境溫度（25℃）。水冷系統結構設計，見圖1。

圖1 水冷系統結構示意圖

整個系統從功能上可分為冷卻水和軟化水兩部分。前者的主要配置為一次水冷機（室外機）、儲水罐、換熱器、水泵、溫控閥門，還包括溫度儀表、流量計、液位開關等控制器件；后者的主要配置為過濾器、去離子樹脂罐，還包括電導率計等控制器件。其中，室外機選用中科科儀生產的KYKY-LS系列風冷式冷水機，制冷量30kW，溫控精度±1℃，出水壓力0.54MPa，能提供最低10℃的恒流恒壓內循環冷卻水流，帶走來自二級水冷的熱量。儲水罐采用304不銹鋼制成，容量約120L，這一設計雖然增加了系統體積，卻能夠有效減少水溫的波動，提高溫控精度[6]，并起到穩壓作用，另外，在進行若干回路單獨實驗時還可以儲存多余的水量以供循環。室內機總體布置在15cm高的底座上，熱交換和去離子部分的管道采用UPVC材料，因為其具有耐腐蝕性強，隔熱效果好，摩擦阻力小等特點。末端送水部分的管道采用304不銹鋼，主要是考慮機械強度的因素。

二級水冷分為主水路和去離子支路兩部分，去離子流量可以通過閥門調節，并通過艾力塔流量監控器保證將流量控制在總流量的10%以下，這樣既滿足了分布到各子系統的流量需求，又確保了有一定量的冷卻水能經過去離子處理回到儲水罐，使整體水質達到要求。

2 水冷系統參數計算

2.1 冷卻液參數

根據計算和實際使用經驗，冷卻液平均溫度的最佳范圍是20～65℃，此時的發熱面溫度最低，散熱效果最好。在耗散功率不變的情況下，流量和換熱系數越大，發熱器件表面溫度越低，但由于系統壓力與流量的平方成正比，所以流量的提高受到承壓能力的制約[7]。冷卻液的流量由式（1）決定：

式中：Qv為體積流量，m3/h；P為器件耗散功率，kW；Cp為冷卻液比熱，kJ/kg·℃；γ為冷卻液密度，kg/m3；Δt為冷卻液溫升，℃。

若只考慮高頻系統（高頻功率源和諧振腔）冷卻，取二次水循環進出口溫差Δt=8℃，由公式(1)得Qv=2.15m3/h=35L/min。對于其他系統回路，Qv=1.08m3/h=18L/min。具體各水冷回路設計流量，見表1。

表1 各水冷回路設計流量

冷卻液的壓力與管路阻力和流量相關，減小壓力可以減小水泵的驅動功率，從而節省成本。水冷系統的壓力損失由管路沿程壓損和局部壓損兩部分組成，取決于流速、流向、管道的光滑程度和截面的突變程度[8]。

管路沿程壓損：

式中：λ為沿程阻力系數，無因次量；L為直管段長度，m；d為管道直徑，m；ρ為水密度，kg/m3；v為水流速度，m/s；R為單位長度沿程壓力損失，即比摩阻，Pa/m。

沿程阻力系數λ與流體的流態和管壁的粗糙程度有關，而流態又與雷諾數Re有關，由式(3)計算：

Re=u·dd//vv (3)

式中：u為液體平均流速，m/s；d為管道內徑，m；v為液體運動粘度，m2/s。

從臨界雷諾數Re=2200開始，管內流動隨著Re的增大向絮流過渡。當Re>10000時流動進入旺盛絮流。2200

工程上為了減小計算工程，常使用圖表法加快水冷系統設計的進度，誤差可以控制在5%之內[8]。對于閉式水路系統，通過其流量值可查表2得到選用管路的參考直徑為20mm，同時由式(4)可以算出管道流速為0.96m/s，再利用根據莫迪公式制作的水管路比摩阻計算圖[8]查得管道比摩阻為120Pa/m左右，因為冷卻水管長約15m，故沿程阻力損失ΔP 為1800Pa。

式中：QQvv為體積流量，m3/h；d為管路直徑，m。

局部壓損ΔP局是指流體通過管道的一些附件,如閥門、彎頭、三通、散熱器、過濾器、傳感器時，由于流體速度的大小或方向改變，發生局部漩渦和撞擊產生的能量損失。綜合考慮各管段局部壓損，總管道壓力損失ΔP管=ΔP沿+ΔP局約為 0.6MPa。

表2 水系統管徑和單位長度阻力損失

在水冷系統設計中，取出水和回水溫度分別為20℃和26℃，以其平均溫度23℃為定性溫度查表[9]得：導熱系數λf=0.605W/m·℃，運動粘度vf=0.946×10-6m2/s，普朗特數Pr=6.54，將管道內徑d=20mm，平均流速u=0.96m/s帶入式(3)得Re=2.03×104>104，處于旺盛絮流區，此時的水流具有很好的換熱效果。

2.2 水泵參數

泵是水冷系統的重要部分，水泵抽水的揚程和流量是兩個重要參數，為了配合整個系統緊湊化的要求，還需盡量考慮體積因素。流量是根據生產工藝的要求提出來的，由上文計算流量≈3m3/h。總揚程包括地形揚程，阻力揚程和設備揚程三部分[10]，其中地形揚程由水泵所在點（從水泵出水口算起）和最高供水點的高度差決定，在本系統中約為1m；阻力揚程由管道和水泵的吸水管和出水管產生，在選擇泵的揚程時需要考慮管路壓損和出入管路的高度差，通過上文的計算約為0.6MPa，即60m水頭；另外，為了滿足出口末端設備工作壓力的要求，還需要額外加上2～5m的水頭，并留有一定的余量便于調節。最終，系統選用格蘭富立式多級離心泵CRI3-15，因其不但具有高性能和長使用壽命的特點，還擁有緊湊的整體結構，并且適用于去離子水的工作環境，具體參數為額定流量3m3/h，最大揚程69.7m。

2.3 換熱器參數

加速器水冷系統中的換熱器連接兩級水冷，將室內機中流體的熱量傳遞給室外機中的流體，需要滿足以下要求：① 換熱量高，體積小，與加速器系統緊湊的結構能保持一致；② 安裝靈活，流道可以按工藝要求任意組合，符合實驗研究的需要。板式換熱器由于其占地面積小，換熱效率高，操作靈活的特點適用于本系統。

換熱面積是換熱器參數選擇的關鍵，可以根據熱流體、冷流體和換熱器方程來確定[9,11]。

式中：Φ為熱流量，kJ/h；Q為體積流量，m3/h；c為比熱容，kJ/kg·℃；Δt為進出口溫差，℃；k為換熱器總傳熱系數，W/m2·℃；F為計算換熱面積，m2；Δtm為對數平均溫差，℃；下標1代表熱流體，下標2代表冷流體。

由式(5)得二次側熱流量Φ=80806kJ/h=22446W，又由式(6)得冷卻水的溫升為10.3℃，于是冷卻水的出口溫度為20.3℃。

由于在換熱過程中，熱流體沿程放出熱量溫度不斷下降，冷流體沿程吸熱而溫度上升，且冷、熱流體間的溫差是不斷變化的。因此，當利用式(7)來計算整個傳熱面上的熱流量時，必須使用整個傳熱面積上的平均溫壓Δtm。在工程實踐中，為了避免計算上可能出現的問題，可以忽略順流、逆流或交叉流等流動形式上區別，在Δtmax/Δtmin≤2的前提下（Δtmax和Δtmin定義，見圖2），采用算術平均溫壓代替計算比較復雜的對數平均溫壓，誤差不超過3%。本系統Δtmax/Δtmin=1.75，故平均溫壓Δtm=（Δtmax+Δtmin）/2=7.85℃。

圖2 換熱器中流體溫度沿程變化示意圖

傳熱系數：

式中：αo為熱流體側換熱系數，W/m2·℃；αi為冷流體側換熱系數，W/m2·℃；do為管道外徑，m；di為管道內徑，m；總污垢系數Rf取0.0002m2·℃/W。由式(8)得傳熱系數k為1713 W/m2·℃。

最后，由式(7)得換熱器的計算面積為1.97m2，考慮15%的安全系數，選擇實際換熱面積2m2。基于上述計算，并且考慮到環境溫度因素和余量，選用最大換熱量40kW，最大工作壓力1MPa的板式換熱器。

2.4 去離子罐

去離子罐內裝有離子交換樹脂，其特點是交換容量高，水流阻力小，化學性質穩定，是目前最普遍采用的離子交換材料[12]。為了制取純度較高的冷卻水(電導率<5μS/cm)，系統采用混合床除鹽，即將一定比例（一般為1：2）的陰、陽離子交換樹脂置于同一交換器中，并混合均勻后運行。另外，為了在保證低電導率的前提下有足夠流量的冷卻水能夠順利分送到各子系統，去離子過程還運用小混床旁流的方式，通過球閥調節經過樹脂罐的水量，使旁路流量最大比例不超過主系統流量（泵排水口）的10%，即0.3～0.4m3/h。上述去離子方法除了可以使冷卻水電導率保持在5μS/cm范圍內，還能在一定程度上將PH值控制在微堿性，降低冷水含銅量，減少對加速器的腐蝕，并且對冷卻水中金屬氧化物微粒進行濾除，防止在加速器沉積。

小直徑去離子罐一般采用聚氯乙烯制造，罐體直徑由式(9)確定：

F=Q/v (9)

式中F為去離子罐截面積，m2；Q為去離子罐制水量，m3/h；v為水經過去離子罐時的空塔流速，m/h。去離子罐流速v可取20m/h，去離子罐設計制水量取0.4 m3/h，考慮一定余量，去離子罐的計算直徑為300mm。另外，罐體的高度取決于樹脂層高和排水裝置的形式，樹脂層越高其交換容量的利用率越高，但阻力會增加，投資會增大，對于本系統采用的小直徑去離子罐，層高選定為800mm。

3 水冷系統控制和保護

水冷系統是加速器正常工作的前提，必須保證長期的可靠運行，為此需要系統對溫度、流量、液位、壓力等參數進行實時監控，并在出現異常時能在發出報警信號的同時執行相應的保護動作。溫度和電導率是進入加速器二級回路冷卻水的重要技術指標，為了精確控制，在二級水冷側安裝了薩姆森自力式溫控三通閥及配套溫度傳感器，規格主要根據表征水阻力特性的Kvs值選定，溫控設定點為0～35℃，當二級負荷產生變化時，能通過改變閥門開啟度調節一次冷卻水進入換熱器的流量，以消除負荷波動造成的影響，使溫度恢復至設定值。設定值可以通手動調整器改變，順時針旋轉使溫度降低，逆時針方向旋轉使溫度升高。另外，溫度傳感器的時間常數對控制回路的穩定也十分重要，需要反復校核，慎重選擇。同時，二次側出水回路安裝溫度表，進水回路安裝喬治費歇爾溫度、電導率一體化檢測儀，完成現場顯示，所有儀表都能同時輸出4～20mA信號傳遞給控制單元，指示0～40℃范圍溫度和0～100μS/cm范圍電導率。

除此之外，由于二級水冷有儲水罐存儲回流循環水，還需要設置高低水位報警開關，高液位完成滿水報警，低液位完成缺水報警。流量監控方面采用艾力塔流量監控器，每一路冷卻水循環正常時分別有綠燈亮（共8路），當流量低于最小流量時綠燈熄滅，通過手動調節閥門就能夠達到需要的流量。水位和各路流量報警開關信號皆可傳入遠控單元。上位機運用圖形化編程軟件LabVIEW編寫人機界面[13]（圖3），通過與控制器通訊完成對水冷系統的監控。

圖3 水冷系統人機界面

4 結束語

目前，該水冷系統已經設計且制造完成，進行了實驗和調試，并在加速器高精度磁鐵電源全負載（140A，90V）試驗中為其提供（20±1）℃，6L/min恒溫恒流冷卻水，很好地保證了設備的正常運行。系統部分實驗結果，見表3（一次水冷進水溫度12℃，二次水冷進水壓力0.6MPa，出水壓力0.12MPa，水冷系統和負載穩定運行1h后記錄結果）。事實證明，系統設計基本滿足該緊湊型回旋加速器的冷卻要求。

表3 水冷實驗數據（磁鐵電源回路）

致謝： 本項目研究過程中得到艾力塔（北京）儀器儀表有限公司的幫助和支持，在此表示感謝。

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Design of Water Cooling System for Medical Compact Cyclotron

HU Xiao
China Ship Development and Design Center, Wuhan Hubei 430064, China

A water cooling system used for medical compact cyclotron was developed. The heat generated by the cyclotron is dissipated by the double circulation cooling system. This structure ensures the system enough refrigerating capacity and temperature accuracy, and the mixed bed bypass treatment keeps the low conductivity. The compactness of structure is taken into consideration on the premise of meeting design parameters. In addition, a GUI used for supervisory control based on LabVIEW has been developed, and is benefi cial to the integration with other systems. The result of the application indicates that the water system can cool the subsystems of the cyclotron effectively, and the normal operation of equipments is guaranteed.

water cooling system; cyclotron; positron emission tomography (PET); LabVIEW

1674-1633(2012)05-0026-04

2011-10-20

作者郵箱：huxiao_csddc@163.com

TL503.91

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.05.007