智能风扇技术在冷却X射线管组件中的应用

徐瑞强

摘 要：介绍了智能风扇技术在冷却X射线管组件中应用。X射线管组件是医用X射线诊断系统的核心部件，其功能就是产生X射线，但在产生X射线的同时有约99.5%以上的能量转化为了热量，大量热量的产生必须通过冷却来降低X射线管组件的温度。通过智能风扇技术不仅可以有效地冷却X射线管组件的温度，而且能实现风速随温度可调，低温低速时静音等特点。智能风扇技术采用负温度系数（NTC，Negative Temperature Coefficient）电阻作为温度传感器，控制执行电路来调节风速，可以实现X射线管组件的智能散热。

关键词：NTC；智能风扇；X射线管组件；温控

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.03.093

1 X射线管与管组件

X射线管是用来产生所需要的X射线，图1为一旋转阳极X射线管示意图。它是由一个高真空度的硬质玻璃管壳（1）将阳极靶（5）和阴极灯丝（6）封装在里面。在阴极灯丝上施加一电压后产生热电子，电子经阳极高压电场的吸引，高速撞击阳极靶产生X射线。給定子（2）的主副线圈施加交流电源后，转子（4）连接着的阳极靶就会旋转，从而可提高球管的输出功率。当X射线管在工作的时候，只有约0.5%的电能转化为X射线的能量，而99.5%的能量转化为了热能。因此，X射线管不仅是个易碎品，而且会集聚很高的热量。

所以X射线管必须进行封装才能使用，称为X射线管组件，如图2所示。它是将X射线管（4）封装在金属外壳（11）和用于屏蔽X射线的铅保护层（5）之内，内部充满高压绝缘油（8），用于高压绝缘和冷却球管，另外还包含有旋转阳极定子（2）、用于监控整个球管温度的控温开关（12）、消除绝缘油膨胀的皮囊（7），以及阳极插座（1）和阴极插座（6）。产生的X射线由出射窗口（10）引出。

球管工作时，产生的热能会被整个X射线管组件吸收，使整个管组件的温度升高。所以对X射线机球管组件的外部散热显得非常重要。一般是采用一个或几个转速恒定的风扇对X线管组件进行冷却，如图3所示，风扇转速是恒定的，因转速高，故噪声也较大。

2 NTC热敏电阻

2.1 基本概念

NTC（Negative Temperature Coefficient），即负温度系数热敏电阻传感器，是直接接触型温度测量传感器，是一种新型半导体测温元件。当其接触介质的温度发生变化时，其阻值也会发生相应的改变。图4显示的是Vishay-Dale热敏电阻系列的热敏电阻的温度曲线，可以看到电阻/温度曲线是非线性的。

NTC（负温度系数热敏电阻是锰、钴、镍和铜金属氧化物为主要原料，采用陶瓷制造过程。这些属性是半导体金属氧化物材料，因为在进行完整的锗和硅等半导体材料。在较低的温度下，这些氧化物质载体——电子和空穴数量少，因此，电阻值较高，随着温度的增加，航母数量增加时，电阻降低。

NTC热敏电阻在室温变化范围100 - 1000000欧姆，2% ～ 6.5%的温度系数。NTC热敏电阻可以广泛应用在温度测量、温度补偿、抑制浪涌电流、温度、温度控制、温度补偿等地方。

NTC热敏电阻具有体积小，重量轻，寿命长，价格便宜，热惯量小等特点；还可实现点温测量，动态温度测量，以及远距离测量；因其易加工成复杂的形状，故能测量其他温度计无法测量的空隙和腔体内的温度。测量线路简单，甚至不用放大器便可输出几伏的电压。

2.2 主要参数

热敏电阻器的参数颇多，主要有：

2.2.1 标称阻值

标称阻值是NTC热敏电阻器设计的电阻值，常在热敏电阻器表面标出。标称阻值是指在基准温度为25℃时零功率阻值，因此又被称为电阻值R25。

2.2.2 额定功率

额定功率是指热敏电阻器在环境温度25℃、相对湿度为45%～80%及大气压力为0.87～1.07Pa的大气条件下，长期连续负荷所允许的耗散功率。

2.2.3 B值范围

B值范围（K）是负温度系数热敏电阻器的热敏指数，反映了两个温度之间的电阻变化。它被定义为两个温度下零功率电阻值的自然对数之差与这个温度倒数之差的比值。B值可用下述公式计算，即

B=lnR1-lnR21/T1-1/T2（1）

式中，R1、R2分别是绝对温度T1、T2时的电阻值（Ω）。

2.2.4 电阻温度系数

电阻温度系数是指环境温度变化1℃时热敏电阻器电阻值的相对变化量。知道某一个型号热敏电阻器的电阻温度系数后，就可以估算出热敏电阻器在相应温度下的实际电阻值。

2.2.5 耗散系数δ

耗散系数是指热敏电阻器消耗的功率与环境温度变化之比，即

δ=WT-T0（2）

式中，W是热敏电阻消耗的功率（mW）；T是热平衡时的温度（℃）；T0是周围环境温度（℃）。

2.2.6 时间常数τ

时间常数指的是热敏电阻器在零功率状态下，当环境温度由一个特定温度向另一个特定温度突变时，热敏电阻器阻值变化63.2%所需的时间。

表1列出了MF11片状NTC热敏电阻的主要参数。

2.3 NTC电阻与温度的关系

根据公式（1），若R2和T2用25℃时零功率阻值R25代入，则可以得到NTC热敏电阻的电阻RT与温度T之间的关系：

3 智能风扇的设计

智能风扇就是一种智能温控调速风扇，其原理是通过测温型NTC热敏电阻传感器，对X射线管组件表面上温度的检测来实现紧凑型轴流风扇风速的控制。

温控式风扇调速器电路由直流电源、交流同步信号产生器和控制执行电路组成，如图5所示。

交流220V电源经AC/DC转化成12V直流电源，为NTC提供电压，当NTC的温度改变时，时基集成块555的3端电压也将发生改变。另外，限流电阻器R4、滤波电容器C3和稳压二极管VS组成稳压电路产生9VDC电压，为555提供电源。

时基集成电路555及其周围电路组成脉冲宽度调制（PWM）电路。利用电源同步信号作为触发信号送入2端，让9VDC通过R2、R3对C2电容充电，直至C2上的电压等于5端电压，3端输出的脉冲宽度由5端电压决定，也就是NTC的电阻和温度决定。此时7端对地导通，C2放电；等待下一个电源同步信号。电路中关键点波形参见图6。

555时基集成块3端输出的PWM波形，经过触发驱动电路控制可控硅VT的导通角以实现对风扇的速度控制。

由图中温度变化曲线和风扇加载电压波形可以看出：温度越高，风扇加载的电压/电流越大，风扇的转速就越快；反之越慢。

4 在冷却X射线管组件中的应用

4.1 部件的放置

风扇首先需要安置在球管组件特别是产生热量大的旋转阳极处，对一些大热容量的X线管组件还可运用并联风扇形式来加大冷却效果。

另外，众所周知，温度传感器安装位置的准确、合适将直接影响到被冷却物的冷却效果，而通常温度传感器只能置于空气中。为了使温度测量更加灵敏、确切，我们特别设计了一种粘上硅橡胶、中间开小孔的钢压片，如图7（a），可把直径仅2mm圆柱形的传感器稳定地固定在X线管组件靠近阳极的外壳上，如图7（b），使控温更加有效、准确、可靠。

温控式风扇调速器电路板则可放置在远离球管组件的地方。

4.2 智能风扇冷却工作过程

我们将设计的智能风扇技术安装在移动式C形臂X线机的X射线管组件的冷却中，工作过程如下：

系统开机（X线管组件处于常温）→风扇低速静音运转→系统加载运行一段时间（X射线管组件经多次曝光、透视，管壳外温度逐步上升）→风扇随温度升高逐步加快转速→若系统继续加载运行，并处于高负荷状态下→风扇转速加速至最大→系统若加载结束，处于待机（停止曝光或透视，管壳外温度逐步下降）状态→风扇随温度下降逐步降低转速，直到维持一个最低的恒定转速。图8列出我们设计的风扇转速与传感器测量温度之间的对应关系。

5 结束语

在增加很少成本前提下，对X线管组件冷却自动进行监控，自动调整转速（进风量），降低待机时风扇的噪声，实测从45dB降低至29dB，这对经常在透视机旁做各种介入手术的医生而言意义更大，能使医生和病人都处在相对安静的环境中。另外节约了电能耗，延长冷却风扇使用寿命约2～3倍。

參考文献

[1]张学龙，汪红志，黄勇等.医学影像物理学教程[M].北京：科学出版社，2013.

[2]陈书旺，张秀清等.传感器应用及电路设计[M].北京：化学工业出版社，2008.

[3]赵负图.新型传感器集成电路应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2009.

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