大功率X 射线源机柜的散热设计

刘 斌， 李 蒙， 王雪华， 李 昊

（公安部第一研究所， 北京 100048）

0 引言

随着公共安全检查需求的提升， 为提高穿透检查能力， 大通道的货运安检设备， 需配备功率更大的X 射线源。 这带来两个问题： 一方面， 大功率X 射线源温升更高， 工作时的散热量数倍于中低能量的X 射线源， 如果散热设计不当， 势必会增大X 射线源的故障率。 另一方面， 大功率X 射线源所在机柜中， 电子元器件、 相关结构件和射线防护组件的数量也会增加， 机柜内元器件密度比之前更高， 如果因散热设计不当导致机柜内部空间温度高， 也会缩短电子元器件的使用寿命。

选用合适的散热方式， 并依托热仿真的结果， 对机柜中的元器件合理布局， 既可以提高大功率X 射线源的可靠性， 又可以确保机柜内部元器件的使用寿命。这对于设备整机性能的提高， 具有重要意义。

1 安检设备机柜的主要组成和散热方式

传统的X 射线安检设备的机柜， 主要由机柜结构件和电器元件两部分组成。

机柜结构件主要包括：机架焊接、门板部件、预准直器、射线源调节机构、导轨和紧固件等。

电器元件主要有：X 射线源、射线源控制器、工控机、中央处理板、配电板等。其中X 射线源作为最主要的发热器件，是机柜热设计的重点对象。

目前，电子热设计中常用的冷却方法包括[1]：①自然冷却（包含导热、自然对流和辐射换热）；②强迫冷却（包含强迫风冷、强迫液冷散热等）；③TEC 热电制冷；④热管散热。

一般而言， 基于系统复杂程度和成本的考虑， 对于CT 等高速数据处理和高发热设备的机柜，会采用TEC 热电制冷的方式。 当自然对流散热方案无法满足需要时，优先选择高效的强迫空气散热方案[2]。

结合设备设计的实例， 本文中对于高功率X 射线源机柜的散热，是基于强迫风冷条件下的设计。

2 大功率X 射线源机柜散热方案的热力学计算

强迫冷却在电子设备中用来进行散热设计， 其主要是通过风机或者泵驱动相应的流体， 通过外部原因产生的压力差作用，使得流体进行流动，冷流体在电子设备内的期间进行热量交换，从而对电子设备进行冷却[1]。

2.1 机柜的主体结构与尺寸

结合工程实例， 大功率X 射线源机柜主体结构简图如图1 所示。机柜主体由机柜焊接和预准直器组成，主要材料为方钢和折弯钢板，体积为1600mm（长）×780mm（宽）×1470mm（高）。

图1 机柜主体结构Fig.1 Major structure of cabinet

通常来说， 当电子设备的热流密度超过0.08W/cm3或体积热流密度超过0.18W/cm3时， 采用强迫冷却进行电子设备散热[3]。

2.2 大功率X 射线源的功耗情况

以某款大通道设备用的大功率X 射线源为例（见图2），筒体长度为1200mm，其筒体外壳表面积为9.8×105mm2，几何体积为5.8×107mm3。 经计算和实验验证源体所有功耗为450.2W。

图2 大功率X 射线源Fig.2 High power X-ray source

在自然对流的条件下， 根据简化的自然对流散热公式[4]：

式中：Q—表面自然对流散热量（W）；C—特征系数，查表取0.52；A—散热表面积， 为6.2m2；D—高度方向特征尺寸，为1.19m；△T—工作温度与环境的差值，取值15℃。经计算，该射线源表面自然对流散热量为228W，小于其损耗功率。

同时，即便只考虑大功率X 射线源、忽略其余发热电子元器件的情况下，该机柜的体积热流密度为0.26W/cm3（超过0.18 W/cm3），需强迫风冷。

2.3 风机风量和数量的确定

强迫通风散热是利用风机驱使冷却空气流经发热体表面，把热量带走的一种散热方案。 采用强迫通风散热需计算出机柜所需风量，以便选择确定的风机型号与数量[5]。根据如下公式，设备所需的风量为：

式中：q—设备所需风量（m3/s）；Q—总损耗功率，为450.2 W；△T—工作温度与环境温度的差值，取15℃。

经计算，q=85.7m3/h，即1.43m3/min。 考虑其余电子元器件和保证设计余量， 按照两倍的裕量选择风扇的最大风量，2q=2.86m3/min。

强迫风冷有鼓风冷却和抽风冷却两种形式，鼓风冷却特点是风压大，风量集中。适用于单元内热量分布不均匀，风阻较大而元器件较多的情况。而抽风冷却的特点是风量大，风压小，风量分布比较均匀，在强迫风冷中应用更多。

2.4 机柜出入风口的设计计算

安装风扇侧的通风面积即为风扇的流通面积[6]，按如下计算：

式中：S—风扇侧机箱的通风面积；K—冗余系数， 取1.1-1.2；Dout—风扇框的内直径；Dhub—风扇轮毂的直径。

根据选型的风机， 计算得到风扇侧机箱的通风面积S=120.58cm2。

非风扇侧的通风面积，大于等于风扇侧的通风面积。通常可取为两倍，近似为240cm2。

结合强迫冷却方式下风路设计原则， 整机通风系统的进出风口应尽量远离，要避免气流短路。由于顶板上安装风扇不利于防水，因此把风扇安装在机柜侧边的上方，进风口安装在风扇对侧机柜门的下部。

3 热仿真计算

在通过计算得出风扇和通风口等参数后， 现进一步通过热仿真软件对机柜的强迫通风情况进行有限元仿真。 现提出两个方案，分别是：

散热方案1——单侧开通风孔， 对侧安装一个大流速风扇。

散热方案2——两侧对称开通风孔， 两侧分别安装中等流速风扇。

通过仿真对比下两种方案的优劣，并据此指导设计。

3.1 仿真软件的选定

目前主流的热仿真软件主要有Icepak 和Fluent。 Icepak 在全球拥有较高的市场占有率， 与主流的CAD 软件具有良好的接口； 与此同时具有丰富和易于使用的物理和简化模型，具有铝棒性好、计算精度高等系列优点。本文选用Icepak 做机柜的热仿真。

3.2 双侧和单侧风扇的仿真结果

对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射散热的贡献， 机柜周围的环境温度设定为20℃。两种散热方案下，风扇和散热孔的信息如表1 所示。

对两种方案进行仿真，得到的侧壁温度分见图3。

对两种方案进行仿真，得到空气流速情况见图4。

表1 两种散热方案下的风扇和散热孔设置Tab.1 Setting of fan and cooling hole under two cooling schemes

图3 两种方案下的侧壁温度Fig.3 Side wall temperature under two schemes

图4 两种方案下的空气流速Fig.4 Air velocity under two schemes

3.3 仿真结果对比

从仿真结果可看出，在风扇流速和散热孔面积总体相等的情况下，机柜的散热情况并不相同。

方案1 中， 内部最大的空气流速达到了2.25m/s，但风扇侧门板下方的内部一角，温度最高约36.53℃。

方案2 中，风扇下方的门板中部区域的温度最高，约为30.07℃。 此方案中内部空气的流速降低，最高为1.25 m/s，同时，低的空气流速增大了内部的湍流水平。 在湍流中，热空气和冷空气相互混合，冷空气会得到靠近壁面的机会，更容易传热。

因此，实际中选择方案2，对开风扇和散热孔，选用两个流速相对较低的风扇，有利于散热。 并且，机柜内部预准直器两侧的空间， 拥有大致相同的温度场和空气流速，可以充分利用空间，设计布局别的电器元件；同时，将元器件按交叉排列方式组合布局， 可以进一步提高空气的紊流程度，增强散热能力。

4 结束语

随着射线源高能化和元器件集成化的发展，安检设备的复杂程度逐步提高。在设计过程中， 不单要考虑核心的穿透和防护能力等指标， 还需要尽量改善和优化机柜的散热设计和结构布局， 提高设备整体的性能和竞争力。 本文从一款大功率X 射线源机柜的设计出发，通过热力学计算，确定了机柜风冷所需的风机和散热孔等要求；依托热仿真，得出相向设计两对进风和出风口的形式更有利于机柜的散热的结论。据此，充分利用预准直器两侧的空间，并结合结构尺寸和线缆排布等，来对机柜中其余的电器元件和结构件进行合理布局。