中等功率X射線源的熱設(shè)計(jì)與熱仿真

李 昊，項(xiàng)名珠，肖建生（公安部第一研究所安檢技術(shù)事業(yè)部，北京102200）

0 引言

X射線源作為X射線成像設(shè)備的核心部件，在醫(yī)學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。利用X射線的穿透性可以進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，利用X射線的熒光效應(yīng)可以進(jìn)行物質(zhì)的痕量分析。在安全檢查領(lǐng)域，X射線源作為安檢機(jī)的核心部件之一，其技術(shù)指標(biāo)和可靠性的高低都與安檢機(jī)的整體性能息息相關(guān)。

現(xiàn)階段，隨著對(duì)安檢機(jī)穿透能力、分辨能力等技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，新型射線源的發(fā)射功率也隨之不斷增大，進(jìn)而使其在工作時(shí)的散熱量也不斷增加，對(duì)熱設(shè)計(jì)的要求也有所提高。因此，在進(jìn)行X射線源熱設(shè)計(jì)時(shí)，尤其在確定散熱方案時(shí)，需重點(diǎn)控制安裝在射線源內(nèi)部電子元件的溫度，以免在長(zhǎng)時(shí)間工作中，過(guò)高的溫度對(duì)電子元件的可靠性產(chǎn)生不利影響。通過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)，射線源內(nèi)部電子元件工作溫度不能超過(guò)60℃。

1 X射線源的熱設(shè)計(jì)

X射線源的熱設(shè)計(jì)與普通產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)相似，其具體流程如圖1所示。

圖1 X射線源熱設(shè)計(jì)基本流程

X射線源由于高壓絕緣和射線屏蔽的要求，其內(nèi)部零件均處于真空絕緣油環(huán)境之中，外部由鉛板和金屬材料嚴(yán)格密封，因此，散熱能力較差。在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)需要確定散熱方案，散熱方案的選擇直接影響射線源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、重量和成本等因素。射線源由于其結(jié)構(gòu)和功能上的特殊性，在熱設(shè)計(jì)中一般采用以下3種散熱方案。

1．1 自然對(duì)流散熱方案

自然對(duì)流散熱法是指不使用任何外部輔助能量，如風(fēng)機(jī)、壓力機(jī)的情況下，實(shí)現(xiàn)傳熱的方法［1］。進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減小傳熱阻，增加X(jué)射線源中的傳熱面積，增大X射線源外表面的輻射面積［2］。總之，自然散熱是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的散熱方法。目前，散熱量不大、熱流密度較低的小功率X射線源大多采用此散熱方案，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 自然對(duì)流散熱方案射線源

1．2 強(qiáng)迫空氣散熱方案

強(qiáng)迫空氣散熱主要靠強(qiáng)迫對(duì)流作用，加快將熱量從X射線源傳遞到空氣之中［3］。在很多環(huán)境中空氣是一種有效的熱傳遞流體，因此，在自然散熱不能解決熱問(wèn)題時(shí)，應(yīng)首先考慮用強(qiáng)迫空氣散熱［4］。設(shè)計(jì)中，根據(jù)X射線源的外形、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和散熱量的大小等因素，選擇適合的風(fēng)機(jī)及其安裝方式，其結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3 強(qiáng)迫空氣散熱方案射線源

1．3 絕緣油對(duì)流循環(huán)散熱方案

絕緣油對(duì)流循環(huán)散熱是指將X射線源內(nèi)部的絕緣油在真空泵的作用下，循環(huán)到射線源外部散熱器處，同時(shí)用風(fēng)機(jī)對(duì)散熱器，即循環(huán)出來(lái)的熱絕緣油進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷，最后再將冷卻后的絕緣油送回射線源內(nèi)部。絕緣油對(duì)流循環(huán)散熱主要用于發(fā)熱量大、散熱能力差，自然散熱和強(qiáng)迫空氣散熱均已無(wú)法滿足散熱要求的大功率射線源，其結(jié)構(gòu)形式如圖4所示。

圖4 絕緣油對(duì)流循環(huán)散熱方案射線源

2 對(duì)射線源散熱方案的熱力學(xué)計(jì)算

以中等功率射線源為例，對(duì)整個(gè)熱設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析，射線源外殼散熱表面積為4．7×105mm2，幾何體積為1．89×107mm3。射線源內(nèi)部功耗及發(fā)熱的主要元件包括X射線管、變壓器以及若干電路板，經(jīng)計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，功耗共計(jì)為201．5 W。

選擇散熱方案時(shí)，一般優(yōu)先選擇最常見(jiàn)的自然對(duì)流散熱方案，其具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn)。自然對(duì)流散熱的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為［5］：

Q為表面自然對(duì)流散熱量；C為特征系數(shù)；A為散熱表面積；D為高度方向特征尺寸 ；ΔT為工作溫度與環(huán)境溫度的差值。

根據(jù)式（1），計(jì)算出的射線源表面自然對(duì)流散熱量為115．3 W，遠(yuǎn)小于其損耗功率。因此，基本可以確定自然對(duì)流散熱方案無(wú)法滿足射線源的散熱要求。

當(dāng)自然對(duì)流散熱方案無(wú)法滿足需要時(shí)，優(yōu)先選擇高效的強(qiáng)迫空氣散熱方案。采用強(qiáng)迫空氣散熱方案需計(jì)算出射線源所需風(fēng)量，以便選擇確定的風(fēng)機(jī)型號(hào)與數(shù)量［6］。根據(jù)熱平衡方程，所需風(fēng)量的計(jì)算公式為［7］：

Pf為射線源所需風(fēng)量；P為總損耗功率；Cp為空氣質(zhì)量定壓熱容；ρ為空氣密度。

根據(jù)式（2），計(jì)算出的射線源所需的最小風(fēng)量為0．027 8 m3／s。現(xiàn)有普通尺寸的風(fēng)機(jī)即可以實(shí)現(xiàn)此風(fēng)量要求，因此，初步確定采用強(qiáng)迫空氣散熱方案。

3 對(duì)X射線源散熱方案的熱仿真

3．1 問(wèn)題描述

在射線源內(nèi)部的部件中，最主要的發(fā)熱源為X射線管。當(dāng)射線源工作時(shí)，X射線管陰極的電子打到鎢靶上時(shí)，只有極少部分約為1%的能量以X射線的形式發(fā)射出來(lái)，絕大部分約為99%的能量將以熱能的形式由散發(fā)出去，進(jìn)入絕緣油內(nèi)，進(jìn)而使電子元件四周的溫度上升。為了保證射線源內(nèi)部的電子元件正常工作，就需要對(duì)絕緣油的溫度進(jìn)行控制。在射線源熱仿真中，以X射線管、電子元件和絕緣油作為主要研究對(duì)象。

3．2 熱仿真軟件的選定

目前，主流的熱仿真軟件主要包括Flo－THERM，ANSYS，Icepak等，幾種軟件在仿真速度、仿真精度和收斂情況等方面均十分強(qiáng)大。但由于Flo THERM軟件擁有內(nèi)置的Flo／MCAD軟件接口，該接口可以快速地導(dǎo)入CAD幾何模型［8－10］。由于X射線源外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為特殊，在仿真軟件中直接建模過(guò)于復(fù)雜，為降低整體仿真難度，節(jié)約仿真時(shí)間，最終選定Flo THERM軟件進(jìn)行熱仿真計(jì)算。

3．3 材料與環(huán)境參數(shù)的確定

熱仿真中的材料參數(shù)主要包括射線源和X射線管的構(gòu)成材料。射線源內(nèi)仿真材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 射線源材料主要參數(shù)

在熱仿真中，射線源所處的外部環(huán)境溫度為20℃，空氣之間的對(duì)流換熱系數(shù)為10，輻射系數(shù)為0．05，輻射參考溫度為20℃［11］。系統(tǒng)求解域定義為射線源外殼體積的2倍；熱傳遞主要考慮傳導(dǎo)、輻射［12］。強(qiáng)迫空氣散方案在上述設(shè)置的基礎(chǔ)上加裝2臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)，為保證設(shè)計(jì)余量，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為0．021 m3／s。

3．4 模型的導(dǎo)入

使用Pro／E軟件建立的X射線源三維模型，如圖5所示。經(jīng)簡(jiǎn)化后，將其導(dǎo)入Flo THERM仿真軟件的模型，如圖6所示。

圖5 射線源三維模型

圖6 簡(jiǎn)化后導(dǎo)入模型

3．5 仿真計(jì)算分析

全部設(shè)置完畢后，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算。計(jì)算完畢且結(jié)果收斂后，通過(guò)溫度云圖查看2種散熱方案的工作溫度情況。對(duì)射線源2種散熱方案進(jìn)行熱仿真的具體結(jié)果，如表2所示。

表2 射線源溫度情況 ℃

由表2可知，自然對(duì)流散熱效果較差，無(wú)法滿足溫度要求；強(qiáng)迫空氣散熱方案與自然對(duì)流散熱方案相比，散熱效果大幅度提高，使射線源內(nèi)的溫度明顯下降，已經(jīng)滿足了射線源內(nèi)部電子元件工作溫度不超過(guò)60℃的要求。因此，通過(guò)熱仿真確定的散熱方案與通過(guò)熱力學(xué)理論計(jì)算確定的散熱方案是一致的，進(jìn)而最終確定采用強(qiáng)迫空氣散熱方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，隨著電子元件功率不斷提高，體積持續(xù)縮小，對(duì)其自身和整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，對(duì)保證電子元件工作穩(wěn)定性具有重要意義。熱力學(xué)理論計(jì)算和有限元熱仿真研究作為2種相對(duì)獨(dú)立的方法，對(duì)同一問(wèn)題進(jìn)行分析計(jì)算，可以達(dá)到相互驗(yàn)證的作用，保證結(jié)論的準(zhǔn)確性。

通過(guò)這2種方法的對(duì)比分析，最終采用強(qiáng)迫空氣散熱方案，且射線源樣機(jī)已順利通過(guò)例試，并投入到量產(chǎn)之中。此外，使用熱仿真軟件可以模擬設(shè)備工作的熱量分布情況，使其溫度情況一目了然。提高熱設(shè)計(jì)的效率，雖在設(shè)置中存在一定誤差，卻仍是今后熱設(shè)計(jì)發(fā)展的方向。

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