大功率X射线源测试箱散热方案的设计与分析

李 昊，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、工业生产和安全检查等领域均具有广泛的应用，其重要性已经越来越受到国内外相关人员的重视。在安全检查领域中，X 射线源作为安检机的核心部件之一，其技术指标与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，新型大功率射线源也不断应运而出。

在X 射线源的生产中，测试箱作为重要的检验设备是整个生产线上不可缺少的一环。由于大功率射线源的散热量与一般射线源相比明显增大，而现有测试箱由于存在结构形式封闭、整体散热系数较低等不利因素，已经无法用来测试大功率射线源。因此在设计新型测试箱时，就需要对现有测试箱采用的自然对流散热方案能否继续满足设备的散热要求、是否需要增加强迫通风散热等问题进行研究与分析。

1 基本参数设置

测试箱每次可同时检测四台射线源，其主体结构如图1 所示。在设计时，为了减少测试箱周围X 射线的泄漏剂量，只在测试箱后部预留了若干风机安装位置，可根据散热方案选择性使用，不使用时可予以封闭。

新型测试箱的内部尺寸长×宽×高为（1.5×0.7×0.8）m，其表面积为5.62m2。待测的四台大功率射线源每台的损耗功率230W，共计920W。设置测试箱所处的环境温度为20℃。依据安检射线源检测的相关标准，在进行射线源通断测试时，测试箱内部存在一定的温度要求，即测试箱内部空气温度不能超过40℃。

图1 测试箱主体结构Fig.1 Main structure of the test box

2 热力学理论计算

在设备的热设计中，确定其结构形式和元器件之后，就需要选择设备的散热方案，现通过热力学理论计算的方法，确定测试箱的散热方案。

2.1 自然对流散热方案

自然对流散热是一种最常见的散热方案，由于其具有可靠性高、结构简单、成本低等优点，因此在选择散热方案时，一般优先选择自然对流散热方案[1]。自然对流散热的简化计算公式为[2,3]：

式中：Q─表面自然对流散热量（W）；C─特征系数，查表可知为0.54；A─散热表面积，为5.6m2；D─高度方向特征尺寸，为0.7m；△T─工作温度与环境温度的差值，为20℃。

经计算，测试箱表面自然对流散热量为335.3W，远小于其总损耗功率920W。因此，自然对流散热方案无法满足设备的散热要求。

2.2 强迫通风散热方案

强迫通风散热是利用风机驱使冷却空气流经发热体表面，把热量带走的一种散热方案。采用强迫通风散热需计算出测试箱所需风量，以便选择确定的风机型号与数量[4,5]。根据热平衡方程，设备所需的风量为：

式中：Qf—设备所需风量（m3/s）；Q—总损耗功率，为920W；Cp—空气质量定压热容，为1005J/（kg·℃）；ρ─空气密度，20℃时为1.205kg/m3；△T—─工作温度与环境温度的差值，为20℃。

经计算，测试箱所需的风量为0.0381m3/s，即2.286m3/min。选用风量为1.2m3/min 的轴流式风机2～3台，即可以实现此风量要求。因此初步确定采用强迫通风散热方案。

3 有限元热仿真计算

通过理论计算初步确定测试箱采用强迫通风散热方案，但由于理论计算的结果与实际情况可能存在一定误差，为提高热设计的准确性，现进一步通过热仿真软件对自然对流散热方案和强迫通风散热方案分别进行有限元仿真，以验证热设计方案的准确性。

3.1 仿真软件的选定

目前常用的热仿真软件主要为Flotherm 和Icepak 两款，Flotherm 与Icepak 都是专门针对电子系统散热领域的仿真分析软件，均具有先进的自动优化工具、可视化工具和集成分析环境[6]。Flotherm 的优势在于其拥有Flo/MCAD 软件接口，该接口可以用于Pro/E 等机械CAD 软件的几何模型的导入和导出，从而降低了仿真难度，节约了仿真时间，因此选定Flotherm 软件进行仿真计算。

3.2 仿真参数的确定

尺寸及材料参数：测试箱使用Pro/E 软件建立三维模型，经简化后将其导入Flotherm 仿真软件中，将测试箱外壁设定为Q235 钢，内壁设定为铅。射线源在仿真软件中建立，放置位置与实际情况相一致，射线源设为发热的刚体，不设置具体材料。

功耗参数：将每台射线源的损耗功率设置为230W，四台共计920W。

环境参数：射线源所处的外部环境温度为20℃，空气之间的对流散热系数为10W/（m2·K），辐射系数为0.05，辐射参考温度为20℃。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[7～9]。

网格划分：为在保证网格质量的同时，控制计算规模，缩短计算时间，将测试箱网格设置为“Medium”[10]。

3.3 自然对流散热方案仿真结果

设置完毕后，通过稳态热仿真计算，计算完毕后，其在X-Z 截面和Y-Z 截面上的温度云图，如图2 所示。

通过软件可直观获得射线源中各部件稳定工作时的温度，射线源表面温度为66.4℃，测试箱内部空气温度为50.7℃。此仿真结果与理论计算相符合，证明自然对流散热方案无法满足设备的散热要求。

图2 自然对流散热温度云图Fig.2 Temperature nephogram of natural convection

3.4 强迫通风散热方案仿真结果

强迫通风散热方案是在自然对流散热方案的基础上，根据理论计算求出的所需散热风量为2.286m3/min，在测试箱后部安装了两台轴流式风机，每台风机的风量为1.2m3/min。通过稳态热仿真计算的温度云图，如图3所示。

通过软件可知，距风机较近处射线源表面温度为52.1℃，距风机较远处射线源表面温度为58.3℃，测试箱内部空气温度为41.2℃。此仿真结果与理论计结果基本相符，但由于仿真结果与散热要求过于接近，表明此时内部空气温度与测试标准工作温度的上限基本相当，无法保证设计余量，因此两风机强迫通风方案仍无法满足散热要求。

图3 两风机强迫通风散热温度云图Fig.3 Temperature nephogram of forced ventilation cooling using two fans

由于两风机强迫通风方案已无法满足需求，为保证足够的设计余量，决定跳过三台风机强迫通风方案，直接将测试箱后部安装的风机增至四台，重新进行仿真。通过稳态热仿真计算的温度云图，如图4 所示。

通过软件可知，距风机较近处射线源表面温度为47.6℃，距风机较远处射线源表面温度为54.1℃，测试箱内部空气温度为38.9℃，可以满足测试箱的内部散热要求。

图4 四风机强迫通风散热温度云图Fig.4 Temperature nephogram of forced ventilation cooling using four fans

3.5 仿真结果对比

经上述热仿真计算，三种散热方案仿真结果的温度分布表，如表1 所示。

表1 不同散热方案温度分布表Tab.1Temperaturedistributionofdifferentcoolingschemes

由表1 可知，采用自然对流散热方案时测试箱内部空气温度远远超过了规定的温度要求，即40℃；两风机强迫通风散热方案已使箱内温度大幅度降低，但是仍略高于温度要求；三风机强迫通风散热方案虽未进行仿真计算，但结合两、四风机强迫通风散热方案的仿真结果可知，此方案无法保证设计余量，因此无法采用；四风机强迫通风散热方案将测试箱内温度降至温度要求以下，并留有一定设计余量，可以较好的满足大功率X 射线源的测试要求。

4 总结

通过运用热力学理论计算和有限元仿真两种方法，最终确定新型测试箱采用四风机强迫通风散热方案。经实际测试，热设计方案顺利解决了新型测试箱在测试大功率射线源时的散热问题。热力学理论计算和有限元仿真计算作为热设计研究的两种主要方法，各有其优缺点。理论计算适用范围广、数据计算方便，但计算结果误差偏大；有限元仿真计算较为精确，但建模、求解等过程较为复杂。二者相比较，有限元仿真计算在结构设计较为成熟的条件下，可以通过不断提高建模和参数设定的准确性，是未来研究此类散热问题的发展方向。

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