徐瑞強

摘 要：介紹了智能風扇技術在冷卻X射線管組件中應用。X射線管組件是醫(yī)用X射線診斷系統(tǒng)的核心部件，其功能就是產(chǎn)生X射線，但在產(chǎn)生X射線的同時有約99.5%以上的能量轉(zhuǎn)化為了熱量，大量熱量的產(chǎn)生必須通過冷卻來降低X射線管組件的溫度。通過智能風扇技術不僅可以有效地冷卻X射線管組件的溫度，而且能實現(xiàn)風速隨溫度可調(diào)，低溫低速時靜音等特點。智能風扇技術采用負溫度系數(shù)（NTC，Negative Temperature Coefficient）電阻作為溫度傳感器，控制執(zhí)行電路來調(diào)節(jié)風速，可以實現(xiàn)X射線管組件的智能散熱。

關鍵詞：NTC；智能風扇；X射線管組件；溫控

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2017.03.093

1 X射線管與管組件

X射線管是用來產(chǎn)生所需要的X射線，圖1為一旋轉(zhuǎn)陽極X射線管示意圖。它是由一個高真空度的硬質(zhì)玻璃管殼（1）將陽極靶（5）和陰極燈絲（6）封裝在里面。在陰極燈絲上施加一電壓后產(chǎn)生熱電子，電子經(jīng)陽極高壓電場的吸引，高速撞擊陽極靶產(chǎn)生X射線。給定子（2）的主副線圈施加交流電源后，轉(zhuǎn)子（4）連接著的陽極靶就會旋轉(zhuǎn)，從而可提高球管的輸出功率。當X射線管在工作的時候，只有約0.5%的電能轉(zhuǎn)化為X射線的能量，而99.5%的能量轉(zhuǎn)化為了熱能。因此，X射線管不僅是個易碎品，而且會集聚很高的熱量。

所以X射線管必須進行封裝才能使用，稱為X射線管組件，如圖2所示。它是將X射線管（4）封裝在金屬外殼（11）和用于屏蔽X射線的鉛保護層（5）之內(nèi)，內(nèi)部充滿高壓絕緣油（8），用于高壓絕緣和冷卻球管，另外還包含有旋轉(zhuǎn)陽極定子（2）、用于監(jiān)控整個球管溫度的控溫開關（12）、消除絕緣油膨脹的皮囊（7），以及陽極插座（1）和陰極插座（6）。產(chǎn)生的X射線由出射窗口（10）引出。

球管工作時，產(chǎn)生的熱能會被整個X射線管組件吸收，使整個管組件的溫度升高。所以對X射線機球管組件的外部散熱顯得非常重要。一般是采用一個或幾個轉(zhuǎn)速恒定的風扇對X線管組件進行冷卻，如圖3所示，風扇轉(zhuǎn)速是恒定的，因轉(zhuǎn)速高，故噪聲也較大。

2 NTC熱敏電阻

2.1 基本概念

NTC（Negative Temperature Coefficient），即負溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，是直接接觸型溫度測量傳感器，是一種新型半導體測溫元件。當其接觸介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時，其阻值也會發(fā)生相應的改變。圖4顯示的是Vishay-Dale熱敏電阻系列的熱敏電阻的溫度曲線，可以看到電阻/溫度曲線是非線性的。

NTC（負溫度系數(shù)熱敏電阻是錳、鈷、鎳和銅金屬氧化物為主要原料，采用陶瓷制造過程。這些屬性是半導體金屬氧化物材料，因為在進行完整的鍺和硅等半導體材料。在較低的溫度下，這些氧化物質(zhì)載體——電子和空穴數(shù)量少，因此，電阻值較高，隨著溫度的增加，航母數(shù)量增加時，電阻降低。

NTC熱敏電阻在室溫變化范圍100 - 1000000歐姆，2% ～ 6.5%的溫度系數(shù)。NTC熱敏電阻可以廣泛應用在溫度測量、溫度補償、抑制浪涌電流、溫度、溫度控制、溫度補償?shù)鹊胤健?/p>

NTC熱敏電阻具有體積小，重量輕，壽命長，價格便宜，熱慣量小等特點；還可實現(xiàn)點溫測量，動態(tài)溫度測量，以及遠距離測量；因其易加工成復雜的形狀，故能測量其他溫度計無法測量的空隙和腔體內(nèi)的溫度。測量線路簡單，甚至不用放大器便可輸出幾伏的電壓。

2.2 主要參數(shù)

熱敏電阻器的參數(shù)頗多，主要有：

2.2.1 標稱阻值

標稱阻值是NTC熱敏電阻器設計的電阻值，常在熱敏電阻器表面標出。標稱阻值是指在基準溫度為25℃時零功率阻值，因此又被稱為電阻值R25。

2.2.2 額定功率

額定功率是指熱敏電阻器在環(huán)境溫度25℃、相對濕度為45%～80%及大氣壓力為0.87～1.07Pa的大氣條件下，長期連續(xù)負荷所允許的耗散功率。

2.2.3 B值范圍

B值范圍（K）是負溫度系數(shù)熱敏電阻器的熱敏指數(shù)，反映了兩個溫度之間的電阻變化。它被定義為兩個溫度下零功率電阻值的自然對數(shù)之差與這個溫度倒數(shù)之差的比值。B值可用下述公式計算，即

B=lnR1-lnR21/T1-1/T2（1）

式中，R1、R2分別是絕對溫度T1、T2時的電阻值（Ω）。

2.2.4 電阻溫度系數(shù)

電阻溫度系數(shù)是指環(huán)境溫度變化1℃時熱敏電阻器電阻值的相對變化量。知道某一個型號熱敏電阻器的電阻溫度系數(shù)后，就可以估算出熱敏電阻器在相應溫度下的實際電阻值。

2.2.5 耗散系數(shù)δ

耗散系數(shù)是指熱敏電阻器消耗的功率與環(huán)境溫度變化之比，即

δ=WT-T0（2）

式中，W是熱敏電阻消耗的功率（mW）；T是熱平衡時的溫度（℃）；T0是周圍環(huán)境溫度（℃）。

2.2.6 時間常數(shù)τ

時間常數(shù)指的是熱敏電阻器在零功率狀態(tài)下，當環(huán)境溫度由一個特定溫度向另一個特定溫度突變時，熱敏電阻器阻值變化63.2%所需的時間。

表1列出了MF11片狀NTC熱敏電阻的主要參數(shù)。

2.3 NTC電阻與溫度的關系

根據(jù)公式（1），若R2和T2用25℃時零功率阻值R25代入，則可以得到NTC熱敏電阻的電阻RT與溫度T之間的關系：

3 智能風扇的設計

智能風扇就是一種智能溫控調(diào)速風扇，其原理是通過測溫型NTC熱敏電阻傳感器，對X射線管組件表面上溫度的檢測來實現(xiàn)緊湊型軸流風扇風速的控制。

溫控式風扇調(diào)速器電路由直流電源、交流同步信號產(chǎn)生器和控制執(zhí)行電路組成，如圖5所示。

交流220V電源經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)化成12V直流電源，為NTC提供電壓，當NTC的溫度改變時，時基集成塊555的3端電壓也將發(fā)生改變。另外，限流電阻器R4、濾波電容器C3和穩(wěn)壓二極管VS組成穩(wěn)壓電路產(chǎn)生9VDC電壓，為555提供電源。

時基集成電路555及其周圍電路組成脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路。利用電源同步信號作為觸發(fā)信號送入2端，讓9VDC通過R2、R3對C2電容充電，直至C2上的電壓等于5端電壓，3端輸出的脈沖寬度由5端電壓決定，也就是NTC的電阻和溫度決定。此時7端對地導通，C2放電；等待下一個電源同步信號。電路中關鍵點波形參見圖6。

555時基集成塊3端輸出的PWM波形，經(jīng)過觸發(fā)驅(qū)動電路控制可控硅VT的導通角以實現(xiàn)對風扇的速度控制。

由圖中溫度變化曲線和風扇加載電壓波形可以看出：溫度越高，風扇加載的電壓/電流越大，風扇的轉(zhuǎn)速就越快；反之越慢。

4 在冷卻X射線管組件中的應用

4.1 部件的放置

風扇首先需要安置在球管組件特別是產(chǎn)生熱量大的旋轉(zhuǎn)陽極處，對一些大熱容量的X線管組件還可運用并聯(lián)風扇形式來加大冷卻效果。

另外，眾所周知，溫度傳感器安裝位置的準確、合適將直接影響到被冷卻物的冷卻效果，而通常溫度傳感器只能置于空氣中。為了使溫度測量更加靈敏、確切，我們特別設計了一種粘上硅橡膠、中間開小孔的鋼壓片，如圖7（a），可把直徑僅2mm圓柱形的傳感器穩(wěn)定地固定在X線管組件靠近陽極的外殼上，如圖7（b），使控溫更加有效、準確、可靠。

溫控式風扇調(diào)速器電路板則可放置在遠離球管組件的地方。

4.2 智能風扇冷卻工作過程

我們將設計的智能風扇技術安裝在移動式C形臂X線機的X射線管組件的冷卻中，工作過程如下：

系統(tǒng)開機（X線管組件處于常溫）→風扇低速靜音運轉(zhuǎn)→系統(tǒng)加載運行一段時間（X射線管組件經(jīng)多次曝光、透視，管殼外溫度逐步上升）→風扇隨溫度升高逐步加快轉(zhuǎn)速→若系統(tǒng)繼續(xù)加載運行，并處于高負荷狀態(tài)下→風扇轉(zhuǎn)速加速至最大→系統(tǒng)若加載結(jié)束，處于待機（停止曝光或透視，管殼外溫度逐步下降）狀態(tài)→風扇隨溫度下降逐步降低轉(zhuǎn)速，直到維持一個最低的恒定轉(zhuǎn)速。圖8列出我們設計的風扇轉(zhuǎn)速與傳感器測量溫度之間的對應關系。

5 結(jié)束語

在增加很少成本前提下，對X線管組件冷卻自動進行監(jiān)控，自動調(diào)整轉(zhuǎn)速（進風量），降低待機時風扇的噪聲，實測從45dB降低至29dB，這對經(jīng)常在透視機旁做各種介入手術的醫(yī)生而言意義更大，能使醫(yī)生和病人都處在相對安靜的環(huán)境中。另外節(jié)約了電能耗，延長冷卻風扇使用壽命約2～3倍。

參考文獻

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