智能風(fēng)扇技術(shù)在冷卻X射線管組件中的應(yīng)用

徐瑞強(qiáng)

摘 要：介紹了智能風(fēng)扇技術(shù)在冷卻X射線管組件中應(yīng)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(shí)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(guò)冷卻來(lái)降低X射線管組件的溫度。通過(guò)智能風(fēng)扇技術(shù)不僅可以有效地冷卻X射線管組件的溫度，而且能實(shí)現(xiàn)風(fēng)速隨溫度可調(diào)，低溫低速時(shí)靜音等特點(diǎn)。智能風(fēng)扇技術(shù)采用負(fù)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(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)速，可以實(shí)現(xiàn)X射線管組件的智能散熱。

關(guān)鍵詞：NTC；智能風(fēng)扇；X射線管組件；溫控

中圖分類(lèi)號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(lái)產(chǎn)生所需要的X射線，圖1為一旋轉(zhuǎn)陽(yáng)極X射線管示意圖。它是由一個(gè)高真空度的硬質(zhì)玻璃管殼（1）將陽(yáng)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(yáng)極高壓電場(chǎng)的吸引，高速撞擊陽(yáng)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(yáng)極靶就會(huì)旋轉(zhuǎn)，從而可提高球管的輸出功率。當(dāng)X射線管在工作的時(shí)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(gè)易碎品，而且會(huì)集聚很高的熱量。

所以X射線管必須進(jìn)行封裝才能使用，稱(chēng)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(hù)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(yáng)極定子（2）、用于監(jiān)控整個(gè)球管溫度的控溫開(kāi)關(guān)（12）、消除絕緣油膨脹的皮囊（7），以及陽(yáng)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(shí)，產(chǎn)生的熱能會(huì)被整個(gè)X射線管組件吸收，使整個(gè)管組件的溫度升高。所以對(duì)X射線機(jī)球管組件的外部散熱顯得非常重要。一般是采用一個(gè)或幾個(gè)轉(zhuǎn)速恒定的風(fēng)扇對(duì)X線管組件進(jìn)行冷卻，如圖3所示，風(fēng)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(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻傳感器，是直接接觸型溫度測(cè)量傳感器，是一種新型半導(dǎo)體測(cè)溫元件。當(dāng)其接觸介質(zhì)的溫度發(fā)生變化時(shí)，其阻值也會(huì)發(fā)生相應(yīng)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(fù)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(guò)程。這些屬性是半導(dǎo)體金屬氧化物材料，因?yàn)樵谶M(jìn)行完整的鍺和硅等半導(dǎo)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(shí)，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(yīng)用在溫度測(cè)量、溫度補(bǔ)償、抑制浪涌電流、溫度、溫度控制、溫度補(bǔ)償?shù)鹊胤健?/p>

NTC熱敏電阻具有體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，價(jià)格便宜，熱慣量小等特點(diǎn)；還可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)溫測(cè)量，動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量，以及遠(yuǎn)距離測(cè)量；因其易加工成復(fù)雜的形狀，故能測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙和腔體內(nèi)的溫度。測(cè)量線路簡(jiǎn)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(biāo)稱(chēng)阻值

標(biāo)稱(chēng)阻值是NTC熱敏電阻器設(shè)計(jì)的電阻值，常在熱敏電阻器表面標(biāo)出。標(biāo)稱(chēng)阻值是指在基準(zhǔn)溫度為25℃時(shí)零功率阻值，因此又被稱(chēng)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(duì)濕度為45%～80%及大氣壓力為0.87～1.07Pa的大氣條件下，長(zhǎng)期連續(xù)負(fù)荷所允許的耗散功率。

2.2.3 B值范圍

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

B=lnR1-lnR21/T1-1/T2（1）

式中，R1、R2分別是絕對(duì)溫度T1、T2時(shí)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(shí)熱敏電阻器電阻值的相對(duì)變化量。知道某一個(gè)型號(hào)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(yīng)溫度下的實(shí)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(shí)的溫度（℃）；T0是周?chē)h(huán)境溫度（℃）。

2.2.6 時(shí)間常數(shù)τ

時(shí)間常數(shù)指的是熱敏電阻器在零功率狀態(tài)下，當(dāng)環(huán)境溫度由一個(gè)特定溫度向另一個(gè)特定溫度突變時(shí)，熱敏電阻器阻值變化63.2%所需的時(shí)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(guān)系

根據(jù)公式（1），若R2和T2用25℃時(shí)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(guān)系：

3 智能風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

智能風(fēng)扇就是一種智能溫控調(diào)速風(fēng)扇，其原理是通過(guò)測(cè)溫型NTC熱敏電阻傳感器，對(duì)X射線管組件表面上溫度的檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)緊湊型軸流風(fēng)扇風(fēng)速的控制。

溫控式風(fēng)扇調(diào)速器電路由直流電源、交流同步信號(hào)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(dāng)NTC的溫度改變時(shí)，時(shí)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(shí)基集成電路555及其周?chē)娐方M成脈沖寬度調(diào)制（PWM）電路。利用電源同步信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)送入2端，讓9VDC通過(guò)R2、R3對(duì)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(shí)7端對(duì)地導(dǎo)通，C2放電；等待下一個(gè)電源同步信號(hào)。電路中關(guān)鍵點(diǎn)波形參見(jiàn)圖6。

555時(shí)基集成塊3端輸出的PWM波形，經(jīng)過(guò)觸發(fā)驅(qū)動(dòng)電路控制可控硅VT的導(dǎo)通角以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)扇的速度控制。

由圖中溫度變化曲線和風(fēng)扇加載電壓波形可以看出：溫度越高，風(fēng)扇加載的電壓/電流越大，風(fēng)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(yīng)用

4.1 部件的放置

風(fēng)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(yáng)極處，對(duì)一些大熱容量的X線管組件還可運(yùn)用并聯(lián)風(fēng)扇形式來(lái)加大冷卻效果。

另外，眾所周知，溫度傳感器安裝位置的準(zhǔn)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(cè)量更加靈敏、確切，我們特別設(shè)計(jì)了一種粘上硅橡膠、中間開(kāi)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(yáng)極的外殼上，如圖7（b），使控溫更加有效、準(zhǔn)確、可靠。

溫控式風(fēng)扇調(diào)速器電路板則可放置在遠(yuǎn)離球管組件的地方。

4.2 智能風(fēng)扇冷卻工作過(guò)程

我們將設(shè)計(jì)的智能風(fēng)扇技術(shù)安裝在移動(dòng)式C形臂X線機(jī)的X射線管組件的冷卻中，工作過(guò)程如下：

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)（X線管組件處于常溫）→風(fēng)扇低速靜音運(yùn)轉(zhuǎn)→系統(tǒng)加載運(yùn)行一段時(shí)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(fēng)扇隨溫度升高逐步加快轉(zhuǎn)速→若系統(tǒng)繼續(xù)加載運(yùn)行，并處于高負(fù)荷狀態(tài)下→風(fēng)扇轉(zhuǎn)速加速至最大→系統(tǒng)若加載結(jié)束，處于待機(jī)（停止曝光或透視，管殼外溫度逐步下降）狀態(tài)→風(fēng)扇隨溫度下降逐步降低轉(zhuǎn)速，直到維持一個(gè)最低的恒定轉(zhuǎn)速。圖8列出我們?cè)O(shè)計(jì)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速與傳感器測(cè)量溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

5 結(jié)束語(yǔ)

在增加很少成本前提下，對(duì)X線管組件冷卻自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)控，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)速（進(jìn)風(fēng)量），降低待機(jī)時(shí)風(fēng)扇的噪聲，實(shí)測(cè)從45dB降低至29dB，這對(duì)經(jīng)常在透視機(jī)旁做各種介入手術(shù)的醫(yī)生而言意義更大，能使醫(yī)生和病人都處在相對(duì)安靜的環(huán)境中。另外節(jié)約了電能耗，延長(zhǎng)冷卻風(fēng)扇使用壽命約2～3倍。

參考文獻(xiàn)

[1]張學(xué)龍，汪紅志，黃勇等.醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)教程[M].北京：科學(xué)出版社，2013.

[2]陳書(shū)旺，張秀清等.傳感器應(yīng)用及電路設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[3]趙負(fù)圖.新型傳感器集成電路應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[4]趙光.555時(shí)基電路應(yīng)用280例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.