新型X射线球管强化传热分析

(华北理工大学冶金与能源学院，唐山 063210)

0 引 言

随着时代的不断发展，医疗水平在不断进步，能够对人体进行精确探测的人体断层扫描仪(CT)在医疗领域的地位也越发的重要。CT球管可以说是CT机组中最重要、最昂贵的组件之一，一个球管的平均价格基本在60万元左右，为防止球管损坏，CT有着严格的操作规范，如何延长球管的使用寿命也就成为阻碍CT发展的首要问题。在科研方向，球管的优化也在不断进行，传统的优化方式主要是提高球管的热容量，但除提高球管的热容量之外，球管的散热率也直接影响到球管的使用寿命，其效果等同于提高球管热容量。

随着医疗影像设备一方面向大功率化、轻型化和可靠化方向发展，另一方面人们对于成像质量的要求越来越高。为了追求更好的图像质量和更快的扫描时间，现有设备多采用大容量球管和高转速技术。然而，这也导致设备内部的功耗增加。为了改善散热，现有风冷系统多采用提高风机转速或者增加风扇数量的方法[1]。这种方法虽然改善了散热，但是设备运行时的噪音却越来越大，提高的噪音不仅恶化了医生的工作环境[2]，同时也会影响患者的扫描体验，从而影响病人的诊断；并且散热效率低，智能化程度较低。因此，发明一种新型智能化种医疗影像设备的风冷散热系统显得非常必要。

1 总体设计方案

系统由CT球管主体、半导体制冷器、散热器、工质循环泵、工质管和温控设备组成。温控设备通过检测球管温度，实时调节电阻改变电流，进而控制半导体制冷器的制冷功率。

对球管散热的强化主要分为两大部分：球管内部热量的换热强化和散热器的散热效率强化。

系统优化思路概念图如图1所示。

图1 系统优化思路概念图

2 球管进油口优化

2.1 三维模型构建

参照CT球管实物，等比例进行模型构建，只对球管进油口进行调整，将原有传统的中间进油口变为等直径，分布于双侧的新进油口。所构模型如2图所示。

图2 球管三维模型示意图；传统进口(左)、新进口(右)

球管主要几何尺寸为：

进油口：直径12 mm；出油口：直径12 mm；管套：半径0 mm、高300 mm的圆柱体；

旋转阳极靶：半径50 mm、高20 mm的圆盘；

轴承：粗端半径15 mm、细端半径60 mm、高120 mm的拼接双圆柱体。

2.2 仿真模拟分析

依据FLUENT仿真软件，采用K-ε模型，研究球管不同的进油口对球管内部冷却剂流态与温度的影响。本次模拟以新进油口模型为主，考虑到影响球管内部流态和温度变化的因素，对球管简化并进行网格划分，设定相关模拟参数，最后根据模拟运行结果，将流场与温度与原进口对比分析。

本次仿真依据单一变量原则，保持进油口的总流量不变，流量为7 L/min，其流场模拟结果云图如图3-5所示。

图3 横截面流速、流线图

图4 全局流线

图5 阳极横截面流速图

温度变化见表1。

表1 不同进油口温度变化表

2.3 优化效果

根据流场云图，分析可知，新进油口模型高流速范围更广，冷却剂流态更加紊乱，热对流更剧烈，更有利于散热。

由进油口温度变化表可知，与传统进口模型相比：新模型的出口温度更高，散热效果更好。其出口温度温差可达1.008 ℃，出口热通量增长17.2%。

3 高压绝缘油优化

3.1 纳米流体强化传热传质原理

相比纯液态工质，纳米流体更适合实际应用的的原因如下：

①相较高压绝缘油纯液体工质：纳米颗粒在纳米流体中会做杂乱无章的无规则运动，致使流体的粘性层流底层受到破坏，流体的湍流强度也得到增强，进而使传热热阻减低，强化了工质传热换热性能。

②在高压绝缘油中添加纳米粒子，一方面：液体与固体相比，导热系数较小；另一方面：当粒子体积含量相同时，纳米粒子与高压绝缘油之间的界面积远大于微米级粒子的面积，这两方面都会导致流体的导热性能增强[3]，从而提升了散热性能。

③纳米流体的润滑的作用：纳米流体的尺寸小，使得其与液体分子相似，悬浮液中的纳米粒子在流动时会有润滑效果。

3.2 仿真模拟分析

根据CT球管的产热特性和球管内部的结构要求，所用的纳米流体必须绝缘，则所选取的纳米流体材料必须是由绝缘材料的纳米颗粒与高压绝缘油制备而成。本仿真模拟选用纳米颗粒度为70 nm、体积份额为1.5vol的SiO2-导热油纳米材料，采用FLUENT进行虚拟仿真，得出优化效果。

由对上述球管进油口的优化可知，双侧进口模型散热效果最佳。本模拟采用散热效果最好的双侧进口模型。相同进口流量：7 L/min条件下，其模拟结果如图6所示。

图6 等高轴截面温度云图

如图7所示，纳米流体能明显改善球管的换热效率，降低热源的温度与等高轴面的辐射强度，当双侧进口模型采用纳米流体强化传热传质后，其出口热通量提高4.38%，工质流量每分钟约节省1.414 L，纳米流体强化传热传质效果显著。

图7 纵截面温度云图

4 散热单元优化

4.1 散热设备选择

现有CT机的球管一般为旋转阳极X射线球管，其热容量较大，可以达到8 MHU以上，这就意味着CT机球管必须有着优良的通风散热装置。目前CT机的通风散热系统基本以风冷+水冷为主，有着设备简单、成本低等优点。而半导体制冷技术以其制冷速度快捷，可实现精确控湿的制冷方式被人们所发掘，同传统的制冷散热方式相比较，半导体制冷技术具备几乎无噪音、质量轻、体积小、无污染、寿命长、集成化和可靠性高等特点[4]，因此被广泛应用于精密设备的散热系统中[5]。

4.2 半导体制冷单元设计

由于CT机对于环境与运行的高要求，因此，我们所设计的半导体制冷系统必须要在不影响CT机本身效率与正常运行的原则下，结合CT机设备与X射线球管的结构，设计方案为：X射线球管的半导体散热系统包括半导体制冷片、散热片、散热风扇与温度检测控制装置。我们选择首先在球管高压绝缘油管路散热器两侧分别安装大功率半导体元件，选择与散热器尺寸尽可能大接触面积的元件，紧贴在一起。然后，在半导体制冷片外安装与之相适的散热片，让外表面热端热量能够尽可能多的散出去，最后在散热片上安装功率适当的风扇，使半导体制冷器冷热端温差稳定，让散热片的效率增大。另外，在球管管路散热器上安装一个温度检测控制装置，实时监测温度，控制半导体制冷器的工作启停。

图8 半导体制冷系统的结构流程图

通过对球管散热系统的优化，主要由半导体制冷器紧挨球管管道散热器进行制冷降温，同时通过热传递与空气强制对流散发出去。CT机刚开始运行工作时，球管的工作时间较短，温度较低，此时依靠机器自身进行热传导散热；当CT机运行了一段时间后，球管热量积累，温度升高，半导体制冷系统开始运行，使散热器温度降低，以使管路温度维持在一个稳定的水平。

该半导体制冷系统在CT机运行过程中，通过温度传感器实时检测管路温度，实现智能化实时控温，通过温度高时启动、温度低时停止制冷，实现半导体制冷系统间歇工作，让管路温度保持稳定，达到延长球管曝光时间和使用寿命的目的。

4.3 理论校核

为了对CT机的散热方式做出优化，采用半导体制冷技术将对散热器进行制冷，使CT机组能够正常工作。根据上述对CT球管管路进口的优化，球管出口的导热油温度基本达到308 K，根据计算可得每分钟的散热量约为170 kJ，考虑到球管及管路本身的对流换热，故半导体制冷每分钟需对管路散热器散出约100 kJ的热量，散热率为1 666.7 J/s。

故我们采用大功率半导体制冷器，它由6个12710的制冷片组成，最大制冷功率可达720 W。由1 666.7÷720=2.3<3，故选择3个制冷器为CT球管管路进行散热，完全可以达到较好的散热能力，满足CT机运行过程中对散热性能的严格要求。

5 结束语

据市场行情CT球管的采购价格集中在20～80万之间，平均价格约为60万元，CT维保项目的中标价格主要集中在30万～90万元之间，部分高端CT的维保价格超过100万元/年，其中标均价约为66万元/年。随着医院对CT设备保有量的提高，对CT维保招标的项目也呈持续增长趋势，而采取此系统不仅可以提高提高CT球管得使用寿命和延长CT机待机时间，还能减少绝缘油替换所带来得额外费用，这将大大减少CT机的维护费用，带来可观的经济收益的同时还可减少日常维护的频率。

通过我们对CT机散热系统的优化，其可以在相关区间内对油管就行高效冷却与高效换热。与当今的CT机散热系统相比，具有效率高，耐久性高和节能等优点。纳米流体替换，不仅增强了油管内的可持续性，而且通过此种方法能够实现高效换热，半导体材料的使用，实现了对散热装置的密封，使机体内外无气体交换，同时减少了噪音的产生。对CT机散热系统的优化及其检测运行环境的改善，最大程度上降低了能耗，有效的优化了室内环境，更好的服务病人。