新型X射線球管強化傳熱分析

(華北理工大學冶金與能源學院，唐山 063210)

0 引 言

隨著時代的不斷發展，醫療水平在不斷進步，能夠對人體進行精確探測的人體斷層掃描儀(CT)在醫療領域的地位也越發的重要。CT球管可以說是CT機組中最重要、最昂貴的組件之一，一個球管的平均價格基本在60萬元左右，為防止球管損壞，CT有著嚴格的操作規范，如何延長球管的使用壽命也就成為阻礙CT發展的首要問題。在科研方向，球管的優化也在不斷進行，傳統的優化方式主要是提高球管的熱容量，但除提高球管的熱容量之外，球管的散熱率也直接影響到球管的使用壽命，其效果等同于提高球管熱容量。

隨著醫療影像設備一方面向大功率化、輕型化和可靠化方向發展，另一方面人們對于成像質量的要求越來越高。為了追求更好的圖像質量和更快的掃描時間，現有設備多采用大容量球管和高轉速技術。然而，這也導致設備內部的功耗增加。為了改善散熱，現有風冷系統多采用提高風機轉速或者增加風扇數量的方法[1]。這種方法雖然改善了散熱，但是設備運行時的噪音卻越來越大，提高的噪音不僅惡化了醫生的工作環境[2]，同時也會影響患者的掃描體驗，從而影響病人的診斷；并且散熱效率低，智能化程度較低。因此，發明一種新型智能化種醫療影像設備的風冷散熱系統顯得非常必要。

1 總體設計方案

系統由CT球管主體、半導體制冷器、散熱器、工質循環泵、工質管和溫控設備組成。溫控設備通過檢測球管溫度，實時調節電阻改變電流，進而控制半導體制冷器的制冷功率。

對球管散熱的強化主要分為兩大部分：球管內部熱量的換熱強化和散熱器的散熱效率強化。

系統優化思路概念圖如圖1所示。

圖1 系統優化思路概念圖

2 球管進油口優化

2.1 三維模型構建

參照CT球管實物，等比例進行模型構建，只對球管進油口進行調整，將原有傳統的中間進油口變為等直徑，分布于雙側的新進油口。所構模型如2圖所示。

圖2 球管三維模型示意圖；傳統進口(左)、新進口(右)

球管主要幾何尺寸為：

進油口：直徑12 mm；出油口：直徑12 mm；管套：半徑0 mm、高300 mm的圓柱體；

旋轉陽極靶：半徑50 mm、高20 mm的圓盤；

軸承：粗端半徑15 mm、細端半徑60 mm、高120 mm的拼接雙圓柱體。

2.2 仿真模擬分析

依據FLUENT仿真軟件，采用K-ε模型，研究球管不同的進油口對球管內部冷卻劑流態與溫度的影響。本次模擬以新進油口模型為主，考慮到影響球管內部流態和溫度變化的因素，對球管簡化并進行網格劃分，設定相關模擬參數，最后根據模擬運行結果，將流場與溫度與原進口對比分析。

本次仿真依據單一變量原則，保持進油口的總流量不變，流量為7 L/min，其流場模擬結果云圖如圖3-5所示。

圖3 橫截面流速、流線圖

圖4 全局流線

圖5 陽極橫截面流速圖

溫度變化見表1。

表1 不同進油口溫度變化表

2.3 優化效果

根據流場云圖，分析可知，新進油口模型高流速范圍更廣，冷卻劑流態更加紊亂，熱對流更劇烈，更有利于散熱。

由進油口溫度變化表可知，與傳統進口模型相比：新模型的出口溫度更高，散熱效果更好。其出口溫度溫差可達1.008 ℃，出口熱通量增長17.2%。

3 高壓絕緣油優化

3.1 納米流體強化傳熱傳質原理

相比純液態工質，納米流體更適合實際應用的的原因如下：

①相較高壓絕緣油純液體工質：納米顆粒在納米流體中會做雜亂無章的無規則運動，致使流體的粘性層流底層受到破壞，流體的湍流強度也得到增強，進而使傳熱熱阻減低，強化了工質傳熱換熱性能。

②在高壓絕緣油中添加納米粒子，一方面：液體與固體相比，導熱系數較小；另一方面：當粒子體積含量相同時，納米粒子與高壓絕緣油之間的界面積遠大于微米級粒子的面積，這兩方面都會導致流體的導熱性能增強[3]，從而提升了散熱性能。

③納米流體的潤滑的作用：納米流體的尺寸小，使得其與液體分子相似，懸浮液中的納米粒子在流動時會有潤滑效果。

3.2 仿真模擬分析

根據CT球管的產熱特性和球管內部的結構要求，所用的納米流體必須絕緣，則所選取的納米流體材料必須是由絕緣材料的納米顆粒與高壓絕緣油制備而成。本仿真模擬選用納米顆粒度為70 nm、體積份額為1.5vol的SiO2-導熱油納米材料，采用FLUENT進行虛擬仿真，得出優化效果。

由對上述球管進油口的優化可知，雙側進口模型散熱效果最佳。本模擬采用散熱效果最好的雙側進口模型。相同進口流量：7 L/min條件下，其模擬結果如圖6所示。

圖6 等高軸截面溫度云圖

如圖7所示，納米流體能明顯改善球管的換熱效率，降低熱源的溫度與等高軸面的輻射強度，當雙側進口模型采用納米流體強化傳熱傳質后，其出口熱通量提高4.38%，工質流量每分鐘約節省1.414 L，納米流體強化傳熱傳質效果顯著。

圖7 縱截面溫度云圖

4 散熱單元優化

4.1 散熱設備選擇

現有CT機的球管一般為旋轉陽極X射線球管，其熱容量較大，可以達到8 MHU以上，這就意味著CT機球管必須有著優良的通風散熱裝置。目前CT機的通風散熱系統基本以風冷+水冷為主，有著設備簡單、成本低等優點。而半導體制冷技術以其制冷速度快捷，可實現精確控濕的制冷方式被人們所發掘，同傳統的制冷散熱方式相比較，半導體制冷技術具備幾乎無噪音、質量輕、體積小、無污染、壽命長、集成化和可靠性高等特點[4]，因此被廣泛應用于精密設備的散熱系統中[5]。

4.2 半導體制冷單元設計

由于CT機對于環境與運行的高要求，因此，我們所設計的半導體制冷系統必須要在不影響CT機本身效率與正常運行的原則下，結合CT機設備與X射線球管的結構，設計方案為：X射線球管的半導體散熱系統包括半導體制冷片、散熱片、散熱風扇與溫度檢測控制裝置。我們選擇首先在球管高壓絕緣油管路散熱器兩側分別安裝大功率半導體元件，選擇與散熱器尺寸盡可能大接觸面積的元件，緊貼在一起。然后，在半導體制冷片外安裝與之相適的散熱片，讓外表面熱端熱量能夠盡可能多的散出去，最后在散熱片上安裝功率適當的風扇，使半導體制冷器冷熱端溫差穩定，讓散熱片的效率增大。另外，在球管管路散熱器上安裝一個溫度檢測控制裝置，實時監測溫度，控制半導體制冷器的工作啟停。

圖8 半導體制冷系統的結構流程圖

通過對球管散熱系統的優化，主要由半導體制冷器緊挨球管管道散熱器進行制冷降溫，同時通過熱傳遞與空氣強制對流散發出去。CT機剛開始運行工作時，球管的工作時間較短，溫度較低，此時依靠機器自身進行熱傳導散熱；當CT機運行了一段時間后，球管熱量積累，溫度升高，半導體制冷系統開始運行，使散熱器溫度降低，以使管路溫度維持在一個穩定的水平。

該半導體制冷系統在CT機運行過程中，通過溫度傳感器實時檢測管路溫度，實現智能化實時控溫，通過溫度高時啟動、溫度低時停止制冷，實現半導體制冷系統間歇工作，讓管路溫度保持穩定，達到延長球管曝光時間和使用壽命的目的。

4.3 理論校核

為了對CT機的散熱方式做出優化，采用半導體制冷技術將對散熱器進行制冷，使CT機組能夠正常工作。根據上述對CT球管管路進口的優化，球管出口的導熱油溫度基本達到308 K，根據計算可得每分鐘的散熱量約為170 kJ，考慮到球管及管路本身的對流換熱，故半導體制冷每分鐘需對管路散熱器散出約100 kJ的熱量，散熱率為1 666.7 J/s。

故我們采用大功率半導體制冷器，它由6個12710的制冷片組成，最大制冷功率可達720 W。由1 666.7÷720=2.3<3，故選擇3個制冷器為CT球管管路進行散熱，完全可以達到較好的散熱能力，滿足CT機運行過程中對散熱性能的嚴格要求。

5 結束語

據市場行情CT球管的采購價格集中在20～80萬之間，平均價格約為60萬元，CT維保項目的中標價格主要集中在30萬～90萬元之間，部分高端CT的維保價格超過100萬元/年，其中標均價約為66萬元/年。隨著醫院對CT設備保有量的提高，對CT維保招標的項目也呈持續增長趨勢，而采取此系統不僅可以提高提高CT球管得使用壽命和延長CT機待機時間，還能減少絕緣油替換所帶來得額外費用，這將大大減少CT機的維護費用，帶來可觀的經濟收益的同時還可減少日常維護的頻率。

通過我們對CT機散熱系統的優化，其可以在相關區間內對油管就行高效冷卻與高效換熱。與當今的CT機散熱系統相比，具有效率高，耐久性高和節能等優點。納米流體替換，不僅增強了油管內的可持續性，而且通過此種方法能夠實現高效換熱，半導體材料的使用，實現了對散熱裝置的密封，使機體內外無氣體交換，同時減少了噪音的產生。對CT機散熱系統的優化及其檢測運行環境的改善，最大程度上降低了能耗，有效的優化了室內環境，更好的服務病人。