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(xué)、工業(yè)生產(chǎn)和安全檢查等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用，其重要性已經(jīng)越來(lái)越受到國(guó)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(jī)的核心部件之一，其技術(shù)指標(biāo)與可靠性的高低都與安檢機(jī)的整體性能息息相關(guān)?，F(xiàn)階段，隨著對(duì)安檢機(jī)穿透能力、分辨能力等技術(shù)指標(biāo)要求的不斷提高，新型大功率射線源也不斷應(yīng)運(yùn)而出。

在X 射線源的生產(chǎn)中，測(cè)試箱作為重要的檢驗(yàn)設(shè)備是整個(gè)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(cè)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(wú)法用來(lái)測(cè)試大功率射線源。因此在設(shè)計(jì)新型測(cè)試箱時(shí)，就需要對(duì)現(xiàn)有測(cè)試箱采用的自然對(duì)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(qiáng)迫通風(fēng)散熱等問(wèn)題進(jìn)行研究與分析。

1 基本參數(shù)設(shè)置

測(cè)試箱每次可同時(shí)檢測(cè)四臺(tái)射線源，其主體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了減少測(cè)試箱周圍X 射線的泄漏劑量，只在測(cè)試箱后部預(yù)留了若干風(fēng)機(jī)安裝位置，可根據(jù)散熱方案選擇性使用，不使用時(shí)可予以封閉。

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

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

2 熱力學(xué)理論計(jì)算

在設(shè)備的熱設(shè)計(jì)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(guò)熱力學(xué)理論計(jì)算的方法，確定測(cè)試箱的散熱方案。

2.1 自然對(duì)流散熱方案

自然對(duì)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(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在選擇散熱方案時(shí)，一般優(yōu)先選擇自然對(duì)流散熱方案[1]。自然對(duì)流散熱的簡(jiǎn)化計(jì)算公式為[2,3]：

式中：Q─表面自然對(duì)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(jì)算，測(cè)試箱表面自然對(duì)流散熱量為335.3W，遠(yuǎn)小于其總損耗功率920W。因此，自然對(duì)流散熱方案無(wú)法滿足設(shè)備的散熱要求。

2.2 強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案

強(qiáng)迫通風(fēng)散熱是利用風(fēng)機(jī)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(qiáng)迫通風(fēng)散熱需計(jì)算出測(cè)試箱所需風(fēng)量，以便選擇確定的風(fēng)機(jī)型號(hào)與數(shù)量[4,5]。根據(jù)熱平衡方程，設(shè)備所需的風(fēng)量為：

式中：Qf—設(shè)備所需風(fēng)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(shí)為1.205kg/m3；△T—─工作溫度與環(huán)境溫度的差值，為20℃。

經(jīng)計(jì)算，測(cè)試箱所需的風(fēng)量為0.0381m3/s，即2.286m3/min。選用風(fēng)量為1.2m3/min 的軸流式風(fēng)機(jī)2～3臺(tái)，即可以實(shí)現(xiàn)此風(fēng)量要求。因此初步確定采用強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案。

3 有限元熱仿真計(jì)算

通過(guò)理論計(jì)算初步確定測(cè)試箱采用強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案，但由于理論計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況可能存在一定誤差，為提高熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，現(xiàn)進(jìn)一步通過(guò)熱仿真軟件對(duì)自然對(duì)流散熱方案和強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案分別進(jìn)行有限元仿真，以驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案的準(zhǔn)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(duì)電子系統(tǒng)散熱領(lǐng)域的仿真分析軟件，均具有先進(jìn)的自動(dòng)優(yōu)化工具、可視化工具和集成分析環(huán)境[6]。Flotherm 的優(yōu)勢(shì)在于其擁有Flo/MCAD 軟件接口，該接口可以用于Pro/E 等機(jī)械CAD 軟件的幾何模型的導(dǎo)入和導(dǎo)出，從而降低了仿真難度，節(jié)約了仿真時(shí)間，因此選定Flotherm 軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.2 仿真參數(shù)的確定

尺寸及材料參數(shù)：測(cè)試箱使用Pro/E 軟件建立三維模型，經(jīng)簡(jiǎn)化后將其導(dǎo)入Flotherm 仿真軟件中，將測(cè)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(shí)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(tái)射線源的損耗功率設(shè)置為230W，四臺(tái)共計(jì)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(duì)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(dǎo)、輻射[7～9]。

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

3.3 自然對(duì)流散熱方案仿真結(jié)果

設(shè)置完畢后，通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算，計(jì)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(guò)軟件可直觀獲得射線源中各部件穩(wěn)定工作時(shí)的溫度，射線源表面溫度為66.4℃，測(cè)試箱內(nèi)部空氣溫度為50.7℃。此仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符合，證明自然對(duì)流散熱方案無(wú)法滿足設(shè)備的散熱要求。

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

3.4 強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案仿真結(jié)果

強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案是在自然對(duì)流散熱方案的基礎(chǔ)上，根據(jù)理論計(jì)算求出的所需散熱風(fēng)量為2.286m3/min，在測(cè)試箱后部安裝了兩臺(tái)軸流式風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為1.2m3/min。通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算的溫度云圖，如圖3所示。

通過(guò)軟件可知，距風(fēng)機(jī)較近處射線源表面溫度為52.1℃，距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)處射線源表面溫度為58.3℃，測(cè)試箱內(nèi)部空氣溫度為41.2℃。此仿真結(jié)果與理論計(jì)結(jié)果基本相符，但由于仿真結(jié)果與散熱要求過(guò)于接近，表明此時(shí)內(nèi)部空氣溫度與測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)工作溫度的上限基本相當(dāng)，無(wú)法保證設(shè)計(jì)余量，因此兩風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)方案仍無(wú)法滿足散熱要求。

圖3 兩風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of forced ventilation cooling using two fans

由于兩風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)方案已無(wú)法滿足需求，為保證足夠的設(shè)計(jì)余量，決定跳過(guò)三臺(tái)風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)方案，直接將測(cè)試箱后部安裝的風(fēng)機(jī)增至四臺(tái)，重新進(jìn)行仿真。通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱仿真計(jì)算的溫度云圖，如圖4 所示。

通過(guò)軟件可知，距風(fēng)機(jī)較近處射線源表面溫度為47.6℃，距風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)處射線源表面溫度為54.1℃，測(cè)試箱內(nèi)部空氣溫度為38.9℃，可以滿足測(cè)試箱的內(nèi)部散熱要求。

圖4 四風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)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(duì)比

經(jīng)上述熱仿真計(jì)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(duì)流散熱方案時(shí)測(cè)試箱內(nèi)部空氣溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了規(guī)定的溫度要求，即40℃；兩風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)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(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案雖未進(jìn)行仿真計(jì)算，但結(jié)合兩、四風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案的仿真結(jié)果可知，此方案無(wú)法保證設(shè)計(jì)余量，因此無(wú)法采用；四風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案將測(cè)試箱內(nèi)溫度降至溫度要求以下，并留有一定設(shè)計(jì)余量，可以較好的滿足大功率X 射線源的測(cè)試要求。

4 總結(jié)

通過(guò)運(yùn)用熱力學(xué)理論計(jì)算和有限元仿真兩種方法，最終確定新型測(cè)試箱采用四風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方案。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，熱設(shè)計(jì)方案順利解決了新型測(cè)試箱在測(cè)試大功率射線源時(shí)的散熱問(wèn)題。熱力學(xué)理論計(jì)算和有限元仿真計(jì)算作為熱設(shè)計(jì)研究的兩種主要方法，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。理論計(jì)算適用范圍廣、數(shù)據(jù)計(jì)算方便，但計(jì)算結(jié)果誤差偏大；有限元仿真計(jì)算較為精確，但建模、求解等過(guò)程較為復(fù)雜。二者相比較，有限元仿真計(jì)算在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為成熟的條件下，可以通過(guò)不斷提高建模和參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性，是未來(lái)研究此類散熱問(wèn)題的發(fā)展方向。

[1]楊獻(xiàn)偉，吳清文，李書勝.空間光學(xué)遙感器熱設(shè)計(jì)[J].中國(guó)光學(xué)，2011，2.

[2]張琪，蔣和全，尹華.開關(guān)電源熱仿真模型研究[J].微電子學(xué)，2010，6．

[3]趙惇殳.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009．

[4]朱明善，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學(xué)（第2 版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011．

[5]李昊，沙京田，張文利.安檢設(shè)備用X 射線源熱仿真研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013，5.

[6]于善猛，劉巨，楊近松.離軸式空間光學(xué)遙感器的熱設(shè)計(jì)與仿真[J].紅外與激光工程，2011，8.

[7]Ivan Straznicky. Thermal modeling: a must at the design phase[J].The Journal of Military Electronics & Computing. 2008.

[8]陳國(guó)平.某遠(yuǎn)程三坐標(biāo)雷達(dá)熱控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué)，2013．

[9]ENRIC0 D, GIUSEPPE V. Thermal characterization of compact electronic systems: a portable PC as a study case [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，2．

[10]劉超，邵洪峰，李立京.Flotherm 軟件在光纖測(cè)井高溫電路熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，2.