大功率X 射線源機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)

劉 斌， 李 蒙， 王雪華， 李 昊

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

隨著公共安全檢查需求的提升， 為提高穿透檢查能力， 大通道的貨運(yùn)安檢設(shè)備， 需配備功率更大的X 射線源。 這帶來(lái)兩個(gè)問(wèn)題： 一方面， 大功率X 射線源溫升更高， 工作時(shí)的散熱量數(shù)倍于中低能量的X 射線源， 如果散熱設(shè)計(jì)不當(dāng)， 勢(shì)必會(huì)增大X 射線源的故障率。 另一方面， 大功率X 射線源所在機(jī)柜中， 電子元器件、 相關(guān)結(jié)構(gòu)件和射線防護(hù)組件的數(shù)量也會(huì)增加， 機(jī)柜內(nèi)元器件密度比之前更高， 如果因散熱設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致機(jī)柜內(nèi)部空間溫度高， 也會(huì)縮短電子元器件的使用壽命。

選用合適的散熱方式， 并依托熱仿真的結(jié)果， 對(duì)機(jī)柜中的元器件合理布局， 既可以提高大功率X 射線源的可靠性， 又可以確保機(jī)柜內(nèi)部元器件的使用壽命。這對(duì)于設(shè)備整機(jī)性能的提高， 具有重要意義。

1 安檢設(shè)備機(jī)柜的主要組成和散熱方式

傳統(tǒng)的X 射線安檢設(shè)備的機(jī)柜， 主要由機(jī)柜結(jié)構(gòu)件和電器元件兩部分組成。

機(jī)柜結(jié)構(gòu)件主要包括：機(jī)架焊接、門(mén)板部件、預(yù)準(zhǔn)直器、射線源調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌和緊固件等。

電器元件主要有：X 射線源、射線源控制器、工控機(jī)、中央處理板、配電板等。其中X 射線源作為最主要的發(fā)熱器件，是機(jī)柜熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)對(duì)象。

目前，電子熱設(shè)計(jì)中常用的冷卻方法包括[1]：①自然冷卻（包含導(dǎo)熱、自然對(duì)流和輻射換熱）；②強(qiáng)迫冷卻（包含強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷散熱等）；③TEC 熱電制冷；④熱管散熱。

一般而言， 基于系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本的考慮， 對(duì)于CT 等高速數(shù)據(jù)處理和高發(fā)熱設(shè)備的機(jī)柜，會(huì)采用TEC 熱電制冷的方式。 當(dāng)自然對(duì)流散熱方案無(wú)法滿足需要時(shí)，優(yōu)先選擇高效的強(qiáng)迫空氣散熱方案[2]。

結(jié)合設(shè)備設(shè)計(jì)的實(shí)例， 本文中對(duì)于高功率X 射線源機(jī)柜的散熱，是基于強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的設(shè)計(jì)。

2 大功率X 射線源機(jī)柜散熱方案的熱力學(xué)計(jì)算

強(qiáng)迫冷卻在電子設(shè)備中用來(lái)進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)， 其主要是通過(guò)風(fēng)機(jī)或者泵驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的流體， 通過(guò)外部原因產(chǎn)生的壓力差作用，使得流體進(jìn)行流動(dòng)，冷流體在電子設(shè)備內(nèi)的期間進(jìn)行熱量交換，從而對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行冷卻[1]。

2.1 機(jī)柜的主體結(jié)構(gòu)與尺寸

結(jié)合工程實(shí)例， 大功率X 射線源機(jī)柜主體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。機(jī)柜主體由機(jī)柜焊接和預(yù)準(zhǔn)直器組成，主要材料為方鋼和折彎鋼板，體積為1600mm（長(zhǎng)）×780mm（寬）×1470mm（高）。

圖1 機(jī)柜主體結(jié)構(gòu)Fig.1 Major structure of cabinet

通常來(lái)說(shuō)， 當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過(guò)0.08W/cm3或體積熱流密度超過(guò)0.18W/cm3時(shí)， 采用強(qiáng)迫冷卻進(jìn)行電子設(shè)備散熱[3]。

2.2 大功率X 射線源的功耗情況

以某款大通道設(shè)備用的大功率X 射線源為例（見(jiàn)圖2），筒體長(zhǎng)度為1200mm，其筒體外殼表面積為9.8×105mm2，幾何體積為5.8×107mm3。 經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證源體所有功耗為450.2W。

圖2 大功率X 射線源Fig.2 High power X-ray source

在自然對(duì)流的條件下， 根據(jù)簡(jiǎn)化的自然對(duì)流散熱公式[4]：

式中：Q—表面自然對(duì)流散熱量（W）；C—特征系數(shù)，查表取0.52；A—散熱表面積， 為6.2m2；D—高度方向特征尺寸，為1.19m；△T—工作溫度與環(huán)境的差值，取值15℃。經(jīng)計(jì)算，該射線源表面自然對(duì)流散熱量為228W，小于其損耗功率。

同時(shí)，即便只考慮大功率X 射線源、忽略其余發(fā)熱電子元器件的情況下，該機(jī)柜的體積熱流密度為0.26W/cm3（超過(guò)0.18 W/cm3），需強(qiáng)迫風(fēng)冷。

2.3 風(fēng)機(jī)風(fēng)量和數(shù)量的確定

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)算出機(jī)柜所需風(fēng)量，以便選擇確定的風(fēng)機(jī)型號(hào)與數(shù)量[5]。根據(jù)如下公式，設(shè)備所需的風(fēng)量為：

式中：q—設(shè)備所需風(fēng)量（m3/s）；Q—總損耗功率，為450.2 W；△T—工作溫度與環(huán)境溫度的差值，取15℃。

經(jīng)計(jì)算，q=85.7m3/h，即1.43m3/min。 考慮其余電子元器件和保證設(shè)計(jì)余量， 按照兩倍的裕量選擇風(fēng)扇的最大風(fēng)量，2q=2.86m3/min。

強(qiáng)迫風(fēng)冷有鼓風(fēng)冷卻和抽風(fēng)冷卻兩種形式，鼓風(fēng)冷卻特點(diǎn)是風(fēng)壓大，風(fēng)量集中。適用于單元內(nèi)熱量分布不均勻，風(fēng)阻較大而元器件較多的情況。而抽風(fēng)冷卻的特點(diǎn)是風(fēng)量大，風(fēng)壓小，風(fēng)量分布比較均勻，在強(qiáng)迫風(fēng)冷中應(yīng)用更多。

2.4 機(jī)柜出入風(fēng)口的設(shè)計(jì)計(jì)算

安裝風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積即為風(fēng)扇的流通面積[6]，按如下計(jì)算：

式中：S—風(fēng)扇側(cè)機(jī)箱的通風(fēng)面積；K—冗余系數(shù)， 取1.1-1.2；Dout—風(fēng)扇框的內(nèi)直徑；Dhub—風(fēng)扇輪轂的直徑。

根據(jù)選型的風(fēng)機(jī)， 計(jì)算得到風(fēng)扇側(cè)機(jī)箱的通風(fēng)面積S=120.58cm2。

非風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積，大于等于風(fēng)扇側(cè)的通風(fēng)面積。通常可取為兩倍，近似為240cm2。

結(jié)合強(qiáng)迫冷卻方式下風(fēng)路設(shè)計(jì)原則， 整機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)出風(fēng)口應(yīng)盡量遠(yuǎn)離，要避免氣流短路。由于頂板上安裝風(fēng)扇不利于防水，因此把風(fēng)扇安裝在機(jī)柜側(cè)邊的上方，進(jìn)風(fēng)口安裝在風(fēng)扇對(duì)側(cè)機(jī)柜門(mén)的下部。

3 熱仿真計(jì)算

在通過(guò)計(jì)算得出風(fēng)扇和通風(fēng)口等參數(shù)后， 現(xiàn)進(jìn)一步通過(guò)熱仿真軟件對(duì)機(jī)柜的強(qiáng)迫通風(fēng)情況進(jìn)行有限元仿真。 現(xiàn)提出兩個(gè)方案，分別是：

散熱方案1——單側(cè)開(kāi)通風(fēng)孔， 對(duì)側(cè)安裝一個(gè)大流速風(fēng)扇。

散熱方案2——兩側(cè)對(duì)稱開(kāi)通風(fēng)孔， 兩側(cè)分別安裝中等流速風(fēng)扇。

通過(guò)仿真對(duì)比下兩種方案的優(yōu)劣，并據(jù)此指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

3.1 仿真軟件的選定

目前主流的熱仿真軟件主要有Icepak 和Fluent。 Icepak 在全球擁有較高的市場(chǎng)占有率， 與主流的CAD 軟件具有良好的接口； 與此同時(shí)具有豐富和易于使用的物理和簡(jiǎn)化模型，具有鋁棒性好、計(jì)算精度高等系列優(yōu)點(diǎn)。本文選用Icepak 做機(jī)柜的熱仿真。

3.2 雙側(cè)和單側(cè)風(fēng)扇的仿真結(jié)果

對(duì)于強(qiáng)迫風(fēng)冷，由于散熱表面的平均溫度較低，一般可忽略輻射散熱的貢獻(xiàn)， 機(jī)柜周圍的環(huán)境溫度設(shè)定為20℃。兩種散熱方案下，風(fēng)扇和散熱孔的信息如表1 所示。

對(duì)兩種方案進(jìn)行仿真，得到的側(cè)壁溫度分見(jiàn)圖3。

對(duì)兩種方案進(jìn)行仿真，得到空氣流速情況見(jiàn)圖4。

表1 兩種散熱方案下的風(fēng)扇和散熱孔設(shè)置Tab.1 Setting of fan and cooling hole under two cooling schemes

圖3 兩種方案下的側(cè)壁溫度Fig.3 Side wall temperature under two schemes

圖4 兩種方案下的空氣流速Fig.4 Air velocity under two schemes

3.3 仿真結(jié)果對(duì)比

從仿真結(jié)果可看出，在風(fēng)扇流速和散熱孔面積總體相等的情況下，機(jī)柜的散熱情況并不相同。

方案1 中， 內(nèi)部最大的空氣流速達(dá)到了2.25m/s，但風(fēng)扇側(cè)門(mén)板下方的內(nèi)部一角，溫度最高約36.53℃。

方案2 中，風(fēng)扇下方的門(mén)板中部區(qū)域的溫度最高，約為30.07℃。 此方案中內(nèi)部空氣的流速降低，最高為1.25 m/s，同時(shí)，低的空氣流速增大了內(nèi)部的湍流水平。 在湍流中，熱空氣和冷空氣相互混合，冷空氣會(huì)得到靠近壁面的機(jī)會(huì)，更容易傳熱。

因此，實(shí)際中選擇方案2，對(duì)開(kāi)風(fēng)扇和散熱孔，選用兩個(gè)流速相對(duì)較低的風(fēng)扇，有利于散熱。 并且，機(jī)柜內(nèi)部預(yù)準(zhǔn)直器兩側(cè)的空間， 擁有大致相同的溫度場(chǎng)和空氣流速，可以充分利用空間，設(shè)計(jì)布局別的電器元件；同時(shí)，將元器件按交叉排列方式組合布局， 可以進(jìn)一步提高空氣的紊流程度，增強(qiáng)散熱能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著射線源高能化和元器件集成化的發(fā)展，安檢設(shè)備的復(fù)雜程度逐步提高。在設(shè)計(jì)過(guò)程中， 不單要考慮核心的穿透和防護(hù)能力等指標(biāo)， 還需要盡量改善和優(yōu)化機(jī)柜的散熱設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)布局， 提高設(shè)備整體的性能和競(jìng)爭(zhēng)力。 本文從一款大功率X 射線源機(jī)柜的設(shè)計(jì)出發(fā)，通過(guò)熱力學(xué)計(jì)算，確定了機(jī)柜風(fēng)冷所需的風(fēng)機(jī)和散熱孔等要求；依托熱仿真，得出相向設(shè)計(jì)兩對(duì)進(jìn)風(fēng)和出風(fēng)口的形式更有利于機(jī)柜的散熱的結(jié)論。據(jù)此，充分利用預(yù)準(zhǔn)直器兩側(cè)的空間，并結(jié)合結(jié)構(gòu)尺寸和線纜排布等，來(lái)對(duì)機(jī)柜中其余的電器元件和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行合理布局。