大功率X射線源測試箱散熱方案的設(shè)計與分析

李 昊，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、工業(yè)生產(chǎn)和安全檢查等領(lǐng)域均具有廣泛的應用，其重要性已經(jīng)越來越受到國內(nèi)外相關(guān)人員的重視。在安全檢查領(lǐng)域中，X 射線源作為安檢機的核心部件之一，其技術(shù)指標與可靠性的高低都與安檢機的整體性能息息相關(guān)?，F(xiàn)階段，隨著對安檢機穿透能力、分辨能力等技術(shù)指標要求的不斷提高，新型大功率射線源也不斷應運而出。

在X 射線源的生產(chǎn)中，測試箱作為重要的檢驗設(shè)備是整個生產(chǎn)線上不可缺少的一環(huán)。由于大功率射線源的散熱量與一般射線源相比明顯增大，而現(xiàn)有測試箱由于存在結(jié)構(gòu)形式封閉、整體散熱系數(shù)較低等不利因素，已經(jīng)無法用來測試大功率射線源。因此在設(shè)計新型測試箱時，就需要對現(xiàn)有測試箱采用的自然對流散熱方案能否繼續(xù)滿足設(shè)備的散熱要求、是否需要增加強迫通風散熱等問題進行研究與分析。

1 基本參數(shù)設(shè)置

測試箱每次可同時檢測四臺射線源，其主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在設(shè)計時，為了減少測試箱周圍X 射線的泄漏劑量，只在測試箱后部預留了若干風機安裝位置，可根據(jù)散熱方案選擇性使用，不使用時可予以封閉。

新型測試箱的內(nèi)部尺寸長×寬×高為（1.5×0.7×0.8）m，其表面積為5.62m2。待測的四臺大功率射線源每臺的損耗功率230W，共計920W。設(shè)置測試箱所處的環(huán)境溫度為20℃。依據(jù)安檢射線源檢測的相關(guān)標準，在進行射線源通斷測試時，測試箱內(nèi)部存在一定的溫度要求，即測試箱內(nèi)部空氣溫度不能超過40℃。

圖1 測試箱主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Main structure of the test box

2 熱力學理論計算

在設(shè)備的熱設(shè)計中，確定其結(jié)構(gòu)形式和元器件之后，就需要選擇設(shè)備的散熱方案，現(xiàn)通過熱力學理論計算的方法，確定測試箱的散熱方案。

2.1 自然對流散熱方案

自然對流散熱是一種最常見的散熱方案，由于其具有可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)點，因此在選擇散熱方案時，一般優(yōu)先選擇自然對流散熱方案[1]。自然對流散熱的簡化計算公式為[2,3]：

式中：Q─表面自然對流散熱量（W）；C─特征系數(shù)，查表可知為0.54；A─散熱表面積，為5.6m2；D─高度方向特征尺寸，為0.7m；△T─工作溫度與環(huán)境溫度的差值，為20℃。

經(jīng)計算，測試箱表面自然對流散熱量為335.3W，遠小于其總損耗功率920W。因此，自然對流散熱方案無法滿足設(shè)備的散熱要求。

2.2 強迫通風散熱方案

強迫通風散熱是利用風機驅(qū)使冷卻空氣流經(jīng)發(fā)熱體表面，把熱量帶走的一種散熱方案。采用強迫通風散熱需計算出測試箱所需風量，以便選擇確定的風機型號與數(shù)量[4,5]。根據(jù)熱平衡方程，設(shè)備所需的風量為：

式中：Qf—設(shè)備所需風量（m3/s）；Q—總損耗功率，為920W；Cp—空氣質(zhì)量定壓熱容，為1005J/（kg·℃）；ρ─空氣密度，20℃時為1.205kg/m3；△T—─工作溫度與環(huán)境溫度的差值，為20℃。

經(jīng)計算，測試箱所需的風量為0.0381m3/s，即2.286m3/min。選用風量為1.2m3/min 的軸流式風機2～3臺，即可以實現(xiàn)此風量要求。因此初步確定采用強迫通風散熱方案。

3 有限元熱仿真計算

通過理論計算初步確定測試箱采用強迫通風散熱方案，但由于理論計算的結(jié)果與實際情況可能存在一定誤差，為提高熱設(shè)計的準確性，現(xiàn)進一步通過熱仿真軟件對自然對流散熱方案和強迫通風散熱方案分別進行有限元仿真，以驗證熱設(shè)計方案的準確性。

3.1 仿真軟件的選定

目前常用的熱仿真軟件主要為Flotherm 和Icepak 兩款，F(xiàn)lotherm 與Icepak 都是專門針對電子系統(tǒng)散熱領(lǐng)域的仿真分析軟件，均具有先進的自動優(yōu)化工具、可視化工具和集成分析環(huán)境[6]。Flotherm 的優(yōu)勢在于其擁有Flo/MCAD 軟件接口，該接口可以用于Pro/E 等機械CAD 軟件的幾何模型的導入和導出，從而降低了仿真難度，節(jié)約了仿真時間，因此選定Flotherm 軟件進行仿真計算。

3.2 仿真參數(shù)的確定

尺寸及材料參數(shù)：測試箱使用Pro/E 軟件建立三維模型，經(jīng)簡化后將其導入Flotherm 仿真軟件中，將測試箱外壁設(shè)定為Q235 鋼，內(nèi)壁設(shè)定為鉛。射線源在仿真軟件中建立，放置位置與實際情況相一致，射線源設(shè)為發(fā)熱的剛體，不設(shè)置具體材料。

功耗參數(shù)：將每臺射線源的損耗功率設(shè)置為230W，四臺共計920W。

環(huán)境參數(shù)：射線源所處的外部環(huán)境溫度為20℃，空氣之間的對流散熱系數(shù)為10W/（m2·K），輻射系數(shù)為0.05，輻射參考溫度為20℃。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、輻射[7～9]。

網(wǎng)格劃分：為在保證網(wǎng)格質(zhì)量的同時，控制計算規(guī)模，縮短計算時間，將測試箱網(wǎng)格設(shè)置為“Medium”[10]。

3.3 自然對流散熱方案仿真結(jié)果

設(shè)置完畢后，通過穩(wěn)態(tài)熱仿真計算，計算完畢后，其在X-Z 截面和Y-Z 截面上的溫度云圖，如圖2 所示。

通過軟件可直觀獲得射線源中各部件穩(wěn)定工作時的溫度，射線源表面溫度為66.4℃，測試箱內(nèi)部空氣溫度為50.7℃。此仿真結(jié)果與理論計算相符合，證明自然對流散熱方案無法滿足設(shè)備的散熱要求。

圖2 自然對流散熱溫度云圖Fig.2 Temperature nephogram of natural convection

3.4 強迫通風散熱方案仿真結(jié)果

強迫通風散熱方案是在自然對流散熱方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論計算求出的所需散熱風量為2.286m3/min，在測試箱后部安裝了兩臺軸流式風機，每臺風機的風量為1.2m3/min。通過穩(wěn)態(tài)熱仿真計算的溫度云圖，如圖3所示。

通過軟件可知，距風機較近處射線源表面溫度為52.1℃，距風機較遠處射線源表面溫度為58.3℃，測試箱內(nèi)部空氣溫度為41.2℃。此仿真結(jié)果與理論計結(jié)果基本相符，但由于仿真結(jié)果與散熱要求過于接近，表明此時內(nèi)部空氣溫度與測試標準工作溫度的上限基本相當，無法保證設(shè)計余量，因此兩風機強迫通風方案仍無法滿足散熱要求。

圖3 兩風機強迫通風散熱溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of forced ventilation cooling using two fans

由于兩風機強迫通風方案已無法滿足需求，為保證足夠的設(shè)計余量，決定跳過三臺風機強迫通風方案，直接將測試箱后部安裝的風機增至四臺，重新進行仿真。通過穩(wěn)態(tài)熱仿真計算的溫度云圖，如圖4 所示。

通過軟件可知，距風機較近處射線源表面溫度為47.6℃，距風機較遠處射線源表面溫度為54.1℃，測試箱內(nèi)部空氣溫度為38.9℃，可以滿足測試箱的內(nèi)部散熱要求。

圖4 四風機強迫通風散熱溫度云圖Fig.4 Temperature nephogram of forced ventilation cooling using four fans

3.5 仿真結(jié)果對比

經(jīng)上述熱仿真計算，三種散熱方案仿真結(jié)果的溫度分布表，如表1 所示。

表1 不同散熱方案溫度分布表Tab.1Temperaturedistributionofdifferentcoolingschemes

由表1 可知，采用自然對流散熱方案時測試箱內(nèi)部空氣溫度遠遠超過了規(guī)定的溫度要求，即40℃；兩風機強迫通風散熱方案已使箱內(nèi)溫度大幅度降低，但是仍略高于溫度要求；三風機強迫通風散熱方案雖未進行仿真計算，但結(jié)合兩、四風機強迫通風散熱方案的仿真結(jié)果可知，此方案無法保證設(shè)計余量，因此無法采用；四風機強迫通風散熱方案將測試箱內(nèi)溫度降至溫度要求以下，并留有一定設(shè)計余量，可以較好的滿足大功率X 射線源的測試要求。

4 總結(jié)

通過運用熱力學理論計算和有限元仿真兩種方法，最終確定新型測試箱采用四風機強迫通風散熱方案。經(jīng)實際測試，熱設(shè)計方案順利解決了新型測試箱在測試大功率射線源時的散熱問題。熱力學理論計算和有限元仿真計算作為熱設(shè)計研究的兩種主要方法，各有其優(yōu)缺點。理論計算適用范圍廣、數(shù)據(jù)計算方便，但計算結(jié)果誤差偏大；有限元仿真計算較為精確，但建模、求解等過程較為復雜。二者相比較，有限元仿真計算在結(jié)構(gòu)設(shè)計較為成熟的條件下，可以通過不斷提高建模和參數(shù)設(shè)定的準確性，是未來研究此類散熱問題的發(fā)展方向。

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