大功率X 射線源機柜的散熱設計

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， 大通道的貨運安檢設備， 需配備功率更大的X 射線源。 這帶來兩個問題： 一方面， 大功率X 射線源溫升更高， 工作時的散熱量數倍于中低能量的X 射線源， 如果散熱設計不當， 勢必會增大X 射線源的故障率。 另一方面， 大功率X 射線源所在機柜中， 電子元器件、 相關結構件和射線防護組件的數量也會增加， 機柜內元器件密度比之前更高， 如果因散熱設計不當導致機柜內部空間溫度高， 也會縮短電子元器件的使用壽命。

選用合適的散熱方式， 并依托熱仿真的結果， 對機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， 又可以確保機柜內部元器件的使用壽命。這對于設備整機性能的提高， 具有重要意義。

1 安檢設備機柜的主要組成和散熱方式

傳統的X 射線安檢設備的機柜， 主要由機柜結構件和電器元件兩部分組成。

機柜結構件主要包括：機架焊接、門板部件、預準直器、射線源調節機構、導軌和緊固件等。

電器元件主要有：X 射線源、射線源控制器、工控機、中央處理板、配電板等。其中X 射線源作為最主要的發熱器件，是機柜熱設計的重點對象。

目前，電子熱設計中常用的冷卻方法包括[1]：①自然冷卻（包含導熱、自然對流和輻射換熱）；②強迫冷卻（包含強迫風冷、強迫液冷散熱等）；③TEC 熱電制冷；④熱管散熱。

一般而言， 基于系統復雜程度和成本的考慮， 對于CT 等高速數據處理和高發熱設備的機柜，會采用TEC 熱電制冷的方式。 當自然對流散熱方案無法滿足需要時，優先選擇高效的強迫空氣散熱方案[2]。

結合設備設計的實例， 本文中對于高功率X 射線源機柜的散熱，是基于強迫風冷條件下的設計。

2 大功率X 射線源機柜散熱方案的熱力學計算

強迫冷卻在電子設備中用來進行散熱設計， 其主要是通過風機或者泵驅動相應的流體， 通過外部原因產生的壓力差作用，使得流體進行流動，冷流體在電子設備內的期間進行熱量交換，從而對電子設備進行冷卻[1]。

2.1 機柜的主體結構與尺寸

結合工程實例， 大功率X 射線源機柜主體結構簡圖如圖1 所示。機柜主體由機柜焊接和預準直器組成，主要材料為方鋼和折彎鋼板，體積為1600mm（長）×780mm（寬）×1470mm（高）。

圖1 機柜主體結構Fig.1 Major structure of cabinet

通常來說， 當電子設備的熱流密度超過0.08W/cm3或體積熱流密度超過0.18W/cm3時， 采用強迫冷卻進行電子設備散熱[3]。

2.2 大功率X 射線源的功耗情況

以某款大通道設備用的大功率X 射線源為例（見圖2），筒體長度為1200mm，其筒體外殼表面積為9.8×105mm2，幾何體積為5.8×107mm3。 經計算和實驗驗證源體所有功耗為450.2W。

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

在自然對流的條件下， 根據簡化的自然對流散熱公式[4]：

式中：Q—表面自然對流散熱量（W）；C—特征系數，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—工作溫度與環境的差值，取值15℃。經計算，該射線源表面自然對流散熱量為228W，小于其損耗功率。

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

2.3 風機風量和數量的確定

強迫通風散熱是利用風機驅使冷卻空氣流經發熱體表面，把熱量帶走的一種散熱方案。 采用強迫通風散熱需計算出機柜所需風量，以便選擇確定的風機型號與數量[5]。根據如下公式，設備所需的風量為：

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

經計算，q=85.7m3/h，即1.43m3/min。 考慮其余電子元器件和保證設計余量， 按照兩倍的裕量選擇風扇的最大風量，2q=2.86m3/min。

強迫風冷有鼓風冷卻和抽風冷卻兩種形式，鼓風冷卻特點是風壓大，風量集中。適用于單元內熱量分布不均勻，風阻較大而元器件較多的情況。而抽風冷卻的特點是風量大，風壓小，風量分布比較均勻，在強迫風冷中應用更多。

2.4 機柜出入風口的設計計算

安裝風扇側的通風面積即為風扇的流通面積[6]，按如下計算：

式中：S—風扇側機箱的通風面積；K—冗余系數， 取1.1-1.2；Dout—風扇框的內直徑；Dhub—風扇輪轂的直徑。

根據選型的風機， 計算得到風扇側機箱的通風面積S=120.58cm2。

非風扇側的通風面積，大于等于風扇側的通風面積。通?？扇閮杀?，近似為240cm2。

結合強迫冷卻方式下風路設計原則， 整機通風系統的進出風口應盡量遠離，要避免氣流短路。由于頂板上安裝風扇不利于防水，因此把風扇安裝在機柜側邊的上方，進風口安裝在風扇對側機柜門的下部。

3 熱仿真計算

在通過計算得出風扇和通風口等參數后， 現進一步通過熱仿真軟件對機柜的強迫通風情況進行有限元仿真。 現提出兩個方案，分別是：

散熱方案1——單側開通風孔， 對側安裝一個大流速風扇。

散熱方案2——兩側對稱開通風孔， 兩側分別安裝中等流速風扇。

通過仿真對比下兩種方案的優劣，并據此指導設計。

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占有率， 與主流的CAD 軟件具有良好的接口； 與此同時具有豐富和易于使用的物理和簡化模型，具有鋁棒性好、計算精度高等系列優點。本文選用Icepak 做機柜的熱仿真。

3.2 雙側和單側風扇的仿真結果

對于強迫風冷，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， 機柜周圍的環境溫度設定為20℃。兩種散熱方案下，風扇和散熱孔的信息如表1 所示。

對兩種方案進行仿真，得到的側壁溫度分見圖3。

對兩種方案進行仿真，得到空氣流速情況見圖4。

表1 兩種散熱方案下的風扇和散熱孔設置Tab.1 Setting of fan and cooling hole under two cooling schemes

圖3 兩種方案下的側壁溫度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 仿真結果對比

從仿真結果可看出，在風扇流速和散熱孔面積總體相等的情況下，機柜的散熱情況并不相同。

方案1 中， 內部最大的空氣流速達到了2.25m/s，但風扇側門板下方的內部一角，溫度最高約36.53℃。

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

因此，實際中選擇方案2，對開風扇和散熱孔，選用兩個流速相對較低的風扇，有利于散熱。 并且，機柜內部預準直器兩側的空間， 擁有大致相同的溫度場和空氣流速，可以充分利用空間，設計布局別的電器元件；同時，將元器件按交叉排列方式組合布局， 可以進一步提高空氣的紊流程度，增強散熱能力。

4 結束語

隨著射線源高能化和元器件集成化的發展，安檢設備的復雜程度逐步提高。在設計過程中， 不單要考慮核心的穿透和防護能力等指標， 還需要盡量改善和優化機柜的散熱設計和結構布局， 提高設備整體的性能和競爭力。 本文從一款大功率X 射線源機柜的設計出發，通過熱力學計算，確定了機柜風冷所需的風機和散熱孔等要求；依托熱仿真，得出相向設計兩對進風和出風口的形式更有利于機柜的散熱的結論。據此，充分利用預準直器兩側的空間，并結合結構尺寸和線纜排布等，來對機柜中其余的電器元件和結構件進行合理布局。