本文介紹了一種全新、高效、結(jié)構(gòu)小巧、與大功率X 射線源連成一體的冷卻循環(huán)系統(tǒng)；采用磁力泵技術(shù)使循環(huán)冷卻系統(tǒng)與大功率X 射線源構(gòu)成一體化真空系統(tǒng)，直接冷卻射線源內(nèi)絕緣油；大幅度提高循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻效率，降低冷卻系統(tǒng)尺寸,大幅度降低了冷卻系統(tǒng)的重量；解決了循環(huán)冷卻系統(tǒng)與大功率X 射線源構(gòu)成一體化真空系統(tǒng)后的真空注油問(wèn)題。

　　X 射線源是工業(yè)無(wú)損探傷、醫(yī)療X 射線診斷、X 射線安全檢查等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛的一種核心部件，X 射線源技術(shù)涉及高壓元器件及材料特性研究、高壓電路設(shè)計(jì)、高壓絕緣設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、控制電路設(shè)計(jì)、逆變及軟件技術(shù)、制造工藝研究等多方面。其中X 射線源熱設(shè)計(jì)是X 射線源，特別是500 W以上X 射線源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要組成部分，它與X 射線源的性能密切相關(guān)。熱設(shè)計(jì)不良是造成X 射線源打火與微放電、源內(nèi)電子元器件與零部件失效、X 射線源壽命縮短等故障的重要原因之一^[2] 。對(duì)于500 W以上的X 射線源，僅靠X 射線源有限表面積的自然對(duì)流散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，這就不可避免的要采取強(qiáng)制循環(huán)冷卻方法。傳統(tǒng)的冷卻循環(huán)系統(tǒng)所采用的泵一般為離心泵、渦輪泵等，它們的泵葉輪與電機(jī)軸直接機(jī)械連接，軸與泵腔的密封采用傳統(tǒng)的橡膠圈密封方式，密封類型為動(dòng)密封。

　　X 射線管與高壓電路一體化的油浸絕緣冷卻X 射線源是最常見(jiàn)的一種，為保證高壓絕緣強(qiáng)度，X 射線源生產(chǎn)過(guò)程中一般要經(jīng)過(guò)烘烤及真空處理工藝，工作時(shí)X 射線源內(nèi)部處在真空狀態(tài)。為避開(kāi)真空密封問(wèn)題，采用二次換熱方式給X 射線源冷卻，即：安裝在X 射線源內(nèi)腔的散熱器將射線源內(nèi)腔高溫絕緣油的熱量傳遞給流經(jīng)內(nèi)換熱器的溫度較低的冷卻介質(zhì)，溫度升高后的冷卻介質(zhì)流經(jīng)冷卻系統(tǒng)外散熱器時(shí)再將部分熱量傳遞到大氣中。顯而易見(jiàn), 這種冷卻方式的效率是很低的，對(duì)泵的性能要求相應(yīng)很高，內(nèi)外散熱器的面積要求也較大；另外由于源內(nèi)絕緣介質(zhì)與冷卻循環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)是獨(dú)立隔離的，一個(gè)工作于真空狀態(tài)，一個(gè)工作于大氣狀態(tài)，因此傳統(tǒng)的X 射線源冷卻循環(huán)系統(tǒng)必須有容積足夠大的外置油箱^[3]。

　　由于上述原因，傳統(tǒng)X 射線源循環(huán)冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、散熱效率低、可靠性較差、價(jià)格也高。針對(duì)市場(chǎng)需求，我們研制開(kāi)發(fā)出了一種采用磁力泵構(gòu)成的真空循環(huán)冷卻系統(tǒng)用于高效冷卻大功率X 射線源。

1、一體化高效冷卻系統(tǒng)工作原理

　　磁力傳動(dòng)泵（簡(jiǎn)稱磁力泵）是應(yīng)用現(xiàn)代磁力學(xué)原理（磁力泵原理結(jié)構(gòu)如圖1 所示），利用永磁體的磁力傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)扭矩的無(wú)接觸傳遞的一種新型泵。磁力泵由泵、磁力傳動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)三部分組成。關(guān)鍵部件磁力傳動(dòng)器由外磁轉(zhuǎn)子、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子及不導(dǎo)磁的隔離套組成。內(nèi)磁采用高強(qiáng)度永磁體嵌入氟塑料中，與液體接觸部分為氟塑料，內(nèi)磁與外磁中間用隔離套完全隔離，由外磁聯(lián)軸器間接帶動(dòng)內(nèi)磁轉(zhuǎn)動(dòng)。隔離套采用氟塑料合金制成，將泵腔與外界完全隔離，使泵室完全處于封閉狀態(tài)，從而使輸送過(guò)程達(dá)到零泄漏。泵體全部采用氟塑料制成，可輸送任意腐蝕性介質(zhì)。當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)外磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁場(chǎng)能穿透空氣隙和非磁性物質(zhì)，帶動(dòng)與葉輪相連的內(nèi)磁轉(zhuǎn)子作同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力的無(wú)接觸傳遞，將動(dòng)密封轉(zhuǎn)化為靜密封。由于泵軸、內(nèi)磁轉(zhuǎn)子被泵體、隔離套完全封閉，是一種全密封、無(wú)泄漏、無(wú)污染的新型工業(yè)用泵[4]。循環(huán)系統(tǒng)與大功率X 射線源連接，形成一體化大功率X 射線源系統(tǒng)，具有尺寸小、噪音低、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿足目前整機(jī)產(chǎn)品的需要。

　　采用磁力泵研制的一種全新、高效、結(jié)構(gòu)小巧的與大功率X 射線源連成一體的冷卻循環(huán)系統(tǒng)原理圖如圖2。工作原理如下：由于磁力泵泵腔體與泵電機(jī)部分完全隔離，可以與冷卻系統(tǒng)其它部分形成一體化密封腔體，生產(chǎn)過(guò)程中接入真空注油機(jī)進(jìn)行真空注油。工作時(shí)，磁力泵將X 射線源內(nèi)的高溫絕緣油抽出，泵入散熱器中進(jìn)行冷卻，冷卻后的低溫絕緣油經(jīng)流量開(kāi)關(guān)送回X 射線源內(nèi)，達(dá)到冷卻X 射線源的目的。

2、一體化真空高效循環(huán)冷卻系統(tǒng)研究

　　確保冷卻系統(tǒng)的真空密封可靠性是本系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，首先是合理選擇系統(tǒng)所用零部件，確保各零部件能經(jīng)受高溫及真空環(huán)境考驗(yàn)；其次是合理設(shè)計(jì)密封連接結(jié)構(gòu)、精心制作確保管路連接的可靠性。

2.1、大功率X 射線源與冷卻系統(tǒng)形成一體化真空系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

　　采用磁力泵的冷卻循環(huán)系統(tǒng)與大功率X 射線源連接，形成一體化大功率X 射線源系統(tǒng)，具有尺寸小、噪音低、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用了美國(guó)March 公司的MDXT- 3 磁力泵。March公司是磁力泵的發(fā)明者，其產(chǎn)品性能和市場(chǎng)占有率在世界上名列前茅。MDXT- 3 的最大流量為30 L/min，最大揚(yáng)程4 m，泵體材質(zhì)為聚丙烯，聚丙烯為絕緣材料，對(duì)絕緣油的電性能不會(huì)有不良影響^[1]。

　　試驗(yàn)表明,采用MDXT- 3 磁力泵的冷卻系統(tǒng)與大功率X 射線源連接構(gòu)成一體化真空系統(tǒng)后,系統(tǒng)的真空性能得到保證, 冷卻系統(tǒng)的真空性能在真空注油中得到驗(yàn)證, 冷卻系統(tǒng)的接入和運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)X 射線源的穩(wěn)定性和技術(shù)指標(biāo)沒(méi)有任何影響。

2.2、冷卻系統(tǒng)高效率的實(shí)現(xiàn)

　　由于傳統(tǒng)的散熱器的熱交換效率很低,一般不大于20%,顯而易見(jiàn),傳統(tǒng)的2 次熱交換的冷卻方式的效率是很低的，對(duì)泵的性能要求相應(yīng)很高，內(nèi)外散熱器的面積要求也較大^[1] 。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng),一體化真空的實(shí)現(xiàn)去除了源內(nèi)熱交換器存在的必要性, 冷卻系統(tǒng)從二次熱交換變成了一次熱交換, 成倍的提高了熱交換的效率。項(xiàng)目樣機(jī)的高效冷卻能力在環(huán)境試驗(yàn)過(guò)程中得到驗(yàn)證，在45℃高溫試驗(yàn)過(guò)程中，系統(tǒng)連續(xù)工作8 h，X 射線源的表面溫升不超過(guò)20℃。

2.3、一體化真空系統(tǒng)真空注油的實(shí)現(xiàn)

　　本冷卻系統(tǒng)與X 射線源一起要經(jīng)受真空注油工序處理，冷卻系統(tǒng)的所有零部件，包括磁力泵、管路與接頭等均要承受70℃、1 Pa 真空的檢驗(yàn)，對(duì)管路和接頭的真空密封性能和耐高溫性能均要求非常高。多年來(lái)對(duì)冷卻系統(tǒng)使用的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)踐表明，冷卻管路與接頭部分是冷卻系統(tǒng)最容易出故障的環(huán)節(jié)。

　　為實(shí)現(xiàn)一體化真空注油，本系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)管路和接頭采用了日本TOYOX 公司專利技術(shù)生產(chǎn)的真空膠管及其配套接頭， 膠管材質(zhì)為軟PVC+PET 加強(qiáng)材料，工作溫度- 5℃~70℃，室溫下最大工作壓力0.4~0.3 MPa，真空性能良好，撓性好、使用方便；采用膠管端面、膠管內(nèi)壁、膠管外壁三重密封技術(shù)，確保了真空密封的可靠性。系統(tǒng)真空注油實(shí)際過(guò)程驗(yàn)證了管路和接頭的可靠性能，真空注油過(guò)程中冷卻系統(tǒng)各部分，特別是管路與接頭部分經(jīng)受了高溫和高真空考驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題。

2.4、大幅度減小系統(tǒng)尺寸和重量

　　傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)的源內(nèi)絕緣介質(zhì)與冷卻循環(huán)系統(tǒng)的介質(zhì)是獨(dú)立隔離的，一個(gè)工作于真空狀態(tài)，一個(gè)工作于大氣狀態(tài)，因此必須有容積足夠大的外置油箱。內(nèi)外換熱器的使用造成系統(tǒng)管路阻力的大幅度增加，因此需要更大的泵來(lái)提供足夠的動(dòng)力。這都必然引起冷卻系統(tǒng)重量和尺寸的大幅度提高^[1]。

　　國(guó)內(nèi)外同等功率的冷卻系統(tǒng)的重量多在30 kg以上，外形尺寸較大。本系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)部分重量~9.8 kg。

　　為了與其它系統(tǒng)的控制保護(hù)功能結(jié)合，本系統(tǒng)中增加了流量保護(hù)開(kāi)關(guān)和溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，起到雙重保護(hù)作用，保護(hù)X射線源不因過(guò)熱而損壞。

溫度保護(hù)開(kāi)關(guān)安裝在X 射線源表面，與流量開(kāi)關(guān)串聯(lián)對(duì)X 射線源構(gòu)成雙保護(hù)，當(dāng)X 射線源表面溫升超出65℃,將輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)，該信號(hào)可用于整機(jī)檢測(cè)和控制X 射線源工作狀態(tài)。

2.5、系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

　　幾年來(lái)，本人為大功率X 射線源等項(xiàng)目配套開(kāi)發(fā)了三種型號(hào)的傳統(tǒng)型冷卻循環(huán)系統(tǒng)，在整機(jī)上應(yīng)用，取得較好效果。但是同樣存在效率差、尺寸大、噪音大等問(wèn)題。整機(jī)開(kāi)發(fā)對(duì)冷卻系統(tǒng)性能提出了更高的要求。

　　本冷卻系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)于采用單臺(tái)大功率X 射線源的設(shè)備，可以方便的替換傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，對(duì)于其它“一拖二”應(yīng)用的傳統(tǒng)冷卻系統(tǒng)，只要整機(jī)結(jié)構(gòu)上作不太多的改變，就可以替換使用。同時(shí)，對(duì)于大功率X 射線管開(kāi)發(fā)中的熱設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。

3、結(jié)論

　　本冷卻系統(tǒng)通過(guò)采用磁力泵技術(shù)、日本TOYOX 專利管路與接頭密封技術(shù)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)冷卻系統(tǒng)與大功率X 射線源構(gòu)成一體化真空系統(tǒng)，直接冷卻射線源內(nèi)絕緣油；大幅度降低冷卻系統(tǒng)尺寸和重量，同時(shí)大幅度提高了循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻效率；實(shí)現(xiàn)了循環(huán)冷卻系統(tǒng)與大功率X 射線源構(gòu)成一體化真空系統(tǒng)后的真空注油，各零部件能經(jīng)受高溫及真空環(huán)境考驗(yàn)，管路及接頭連接具有高可靠性。

　　本冷卻系統(tǒng)技術(shù)與國(guó)外類似產(chǎn)品相近，所采用的日本專利管路與接頭技術(shù)，具有可靠性高、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)均通過(guò)了質(zhì)保部門的檢測(cè)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，具有良好的應(yīng)用前景。

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