中等功率X射线源的热设计与热仿真

李 昊，项名珠，肖建生（公安部第一研究所安检技术事业部，北京102200）

0 引言

X射线源作为X射线成像设备的核心部件，在医学和工业生产中应用广泛。利用X射线的穿透性可以进行无损检测，利用X射线的荧光效应可以进行物质的痕量分析。在安全检查领域，X射线源作为安检机的核心部件之一，其技术指标和可靠性的高低都与安检机的整体性能息息相关。

现阶段，随着对安检机穿透能力、分辨能力等技术指标要求的不断提高，新型射线源的发射功率也随之不断增大，进而使其在工作时的散热量也不断增加，对热设计的要求也有所提高。因此，在进行X射线源热设计时，尤其在确定散热方案时，需重点控制安装在射线源内部电子元件的温度，以免在长时间工作中，过高的温度对电子元件的可靠性产生不利影响。通过以往的经验，射线源内部电子元件工作温度不能超过60℃。

1 X射线源的热设计

X射线源的热设计与普通产品的热设计相似，其具体流程如图1所示。

图1 X射线源热设计基本流程

X射线源由于高压绝缘和射线屏蔽的要求，其内部零件均处于真空绝缘油环境之中，外部由铅板和金属材料严格密封，因此，散热能力较差。在进行热设计时需要确定散热方案，散热方案的选择直接影响射线源的结构设计、重量和成本等因素。射线源由于其结构和功能上的特殊性，在热设计中一般采用以下3种散热方案。

1．1 自然对流散热方案

自然对流散热法是指不使用任何外部辅助能量，如风机、压力机的情况下，实现传热的方法［1］。进行热设计时，要尽可能减小传热阻，增加X射线源中的传热面积，增大X射线源外表面的辐射面积［2］。总之，自然散热是最简单、经济的散热方法。目前，散热量不大、热流密度较低的小功率X射线源大多采用此散热方案，其结构形式如图2所示。

图2 自然对流散热方案射线源

1．2 强迫空气散热方案

强迫空气散热主要靠强迫对流作用，加快将热量从X射线源传递到空气之中［3］。在很多环境中空气是一种有效的热传递流体，因此，在自然散热不能解决热问题时，应首先考虑用强迫空气散热［4］。设计中，根据X射线源的外形、内部结构和散热量的大小等因素，选择适合的风机及其安装方式，其结构形式如图3所示。

图3 强迫空气散热方案射线源

1．3 绝缘油对流循环散热方案

绝缘油对流循环散热是指将X射线源内部的绝缘油在真空泵的作用下，循环到射线源外部散热器处，同时用风机对散热器，即循环出来的热绝缘油进行强制风冷，最后再将冷却后的绝缘油送回射线源内部。绝缘油对流循环散热主要用于发热量大、散热能力差，自然散热和强迫空气散热均已无法满足散热要求的大功率射线源，其结构形式如图4所示。

图4 绝缘油对流循环散热方案射线源

2 对射线源散热方案的热力学计算

以中等功率射线源为例，对整个热设计过程进行分析，射线源外壳散热表面积为4．7×105mm2，几何体积为1．89×107mm3。射线源内部功耗及发热的主要元件包括X射线管、变压器以及若干电路板，经计算及实验验证，功耗共计为201．5 W。

选择散热方案时，一般优先选择最常见的自然对流散热方案，其具有可靠性高、结构简单和成本低等优点。自然对流散热的简化计算公式为［5］：

Q为表面自然对流散热量；C为特征系数；A为散热表面积；D为高度方向特征尺寸 ；ΔT为工作温度与环境温度的差值。

根据式（1），计算出的射线源表面自然对流散热量为115．3 W，远小于其损耗功率。因此，基本可以确定自然对流散热方案无法满足射线源的散热要求。

当自然对流散热方案无法满足需要时，优先选择高效的强迫空气散热方案。采用强迫空气散热方案需计算出射线源所需风量，以便选择确定的风机型号与数量［6］。根据热平衡方程，所需风量的计算公式为［7］：

Pf为射线源所需风量；P为总损耗功率；Cp为空气质量定压热容；ρ为空气密度。

根据式（2），计算出的射线源所需的最小风量为0．027 8 m3／s。现有普通尺寸的风机即可以实现此风量要求，因此，初步确定采用强迫空气散热方案。

3 对X射线源散热方案的热仿真

3．1 问题描述

在射线源内部的部件中，最主要的发热源为X射线管。当射线源工作时，X射线管阴极的电子打到钨靶上时，只有极少部分约为1%的能量以X射线的形式发射出来，绝大部分约为99%的能量将以热能的形式由散发出去，进入绝缘油内，进而使电子元件四周的温度上升。为了保证射线源内部的电子元件正常工作，就需要对绝缘油的温度进行控制。在射线源热仿真中，以X射线管、电子元件和绝缘油作为主要研究对象。

3．2 热仿真软件的选定

目前，主流的热仿真软件主要包括Flo－THERM，ANSYS，Icepak等，几种软件在仿真速度、仿真精度和收敛情况等方面均十分强大。但由于Flo THERM软件拥有内置的Flo／MCAD软件接口，该接口可以快速地导入CAD几何模型［8－10］。由于X射线源外形及内部结构较为特殊，在仿真软件中直接建模过于复杂，为降低整体仿真难度，节约仿真时间，最终选定Flo THERM软件进行热仿真计算。

3．3 材料与环境参数的确定

热仿真中的材料参数主要包括射线源和X射线管的构成材料。射线源内仿真材料的主要参数如表1所示。

表1 射线源材料主要参数

在热仿真中，射线源所处的外部环境温度为20℃，空气之间的对流换热系数为10，辐射系数为0．05，辐射参考温度为20℃［11］。系统求解域定义为射线源外壳体积的2倍；热传递主要考虑传导、辐射［12］。强迫空气散方案在上述设置的基础上加装2台轴流式风机，为保证设计余量，每台风机的风量为0．021 m3／s。

3．4 模型的导入

使用Pro／E软件建立的X射线源三维模型，如图5所示。经简化后，将其导入Flo THERM仿真软件的模型，如图6所示。

图5 射线源三维模型

图6 简化后导入模型

3．5 仿真计算分析

全部设置完毕后，进行稳态热仿真计算。计算完毕且结果收敛后，通过温度云图查看2种散热方案的工作温度情况。对射线源2种散热方案进行热仿真的具体结果，如表2所示。

表2 射线源温度情况 ℃

由表2可知，自然对流散热效果较差，无法满足温度要求；强迫空气散热方案与自然对流散热方案相比，散热效果大幅度提高，使射线源内的温度明显下降，已经满足了射线源内部电子元件工作温度不超过60℃的要求。因此，通过热仿真确定的散热方案与通过热力学理论计算确定的散热方案是一致的，进而最终确定采用强迫空气散热方案。

4 结束语

目前，随着电子元件功率不断提高，体积持续缩小，对其自身和整个系统进行热设计，对保证电子元件工作稳定性具有重要意义。热力学理论计算和有限元热仿真研究作为2种相对独立的方法，对同一问题进行分析计算，可以达到相互验证的作用，保证结论的准确性。

通过这2种方法的对比分析，最终采用强迫空气散热方案，且射线源样机已顺利通过例试，并投入到量产之中。此外，使用热仿真软件可以模拟设备工作的热量分布情况，使其温度情况一目了然。提高热设计的效率，虽在设置中存在一定误差，却仍是今后热设计发展的方向。

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