一種基于磁力泵的真空循環(huán)冷卻系統
本文介紹了一種全新、高效、結構小巧、與大功率X 射線(xiàn)源連成一體的冷卻循環(huán)系統；采用磁力泵技術(shù)使循環(huán)冷卻系統與大功率X 射線(xiàn)源構成一體化真空系統，直接冷卻射線(xiàn)源內絕緣油；大幅度提高循環(huán)冷卻系統冷卻效率，降低冷卻系統尺寸,大幅度降低了冷卻系統的重量；解決了循環(huán)冷卻系統與大功率X 射線(xiàn)源構成一體化真空系統后的真空注油問(wèn)題。
X 射線(xiàn)源是工業(yè)無(wú)損探傷、醫療X 射線(xiàn)診斷、X 射線(xiàn)安全檢查等領(lǐng)域應用十分廣泛的一種核心部件，X 射線(xiàn)源技術(shù)涉及高壓元器件及材料特性研究、高壓電路設計、高壓絕緣設計、熱設計、控制電路設計、逆變及軟件技術(shù)、制造工藝研究等多方面。其中X 射線(xiàn)源熱設計是X 射線(xiàn)源，特別是500 W以上X 射線(xiàn)源系統設計的一個(gè)重要組成部分，它與X 射線(xiàn)源的性能密切相關(guān)。熱設計不良是造成X 射線(xiàn)源打火與微放電、源內電子元器件與零部件失效、X 射線(xiàn)源壽命縮短等故障的重要原因之一[2] 。對于500 W以上的X 射線(xiàn)源，僅靠X 射線(xiàn)源有限表面積的自然對流散熱遠遠不夠，這就不可避免的要采取強制循環(huán)冷卻方法。傳統的冷卻循環(huán)系統所采用的泵一般為離心泵、渦輪泵等，它們的泵葉輪與電機軸直接機械連接，軸與泵腔的密封采用傳統的橡膠圈密封方式，密封類(lèi)型為動(dòng)密封。
X 射線(xiàn)管與高壓電路一體化的油浸絕緣冷卻X 射線(xiàn)源是最常見(jiàn)的一種，為保證高壓絕緣強度，X 射線(xiàn)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(xiàn)源內部處在真空狀態(tài)。為避開(kāi)真空密封問(wèn)題，采用二次換熱方式給X 射線(xiàn)源冷卻，即：安裝在X 射線(xiàn)源內腔的散熱器將射線(xiàn)源內腔高溫絕緣油的熱量傳遞給流經(jīng)內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，對泵的性能要求相應很高，內外散熱器的面積要求也較大；另外由于源內絕緣介質(zhì)與冷卻循環(huán)系統的介質(zhì)是獨立隔離的，一個(gè)工作于真空狀態(tài)，一個(gè)工作于大氣狀態(tài)，因此傳統的X 射線(xiàn)源冷卻循環(huán)系統必須有容積足夠大的外置油箱[3]。
由于上述原因，傳統X 射線(xiàn)源循環(huán)冷卻系統結構復雜、尺寸大、散熱效率低、可靠性較差、價(jià)格也高。針對市場(chǎng)需求，我們研制開(kāi)發(fā)出了一種采用磁力泵構成的真空循環(huán)冷卻系統用于高效冷卻大功率X 射線(xiàn)源。
1、一體化高效冷卻系統工作原理
磁力傳動(dòng)泵（簡(jiǎn)稱(chēng)磁力泵）是應用現代磁力學(xué)原理（磁力泵原理結構如圖1 所示），利用永磁體的磁力傳動(dòng)實(shí)現扭矩的無(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)機三部分組成。關(guān)鍵部件磁力傳動(dòng)器由外磁轉子、內磁轉子及不導磁的隔離套組成。內磁采用高強度永磁體嵌入氟塑料中，與液體接觸部分為氟塑料，內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)內磁轉動(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)。當電動(dòng)機帶動(dòng)外磁轉子旋轉時(shí)，磁場(chǎng)能穿透空氣隙和非磁性物質(zhì)，帶動(dòng)與葉輪相連的內磁轉子作同步旋轉，實(shí)現動(dòng)力的無(wú)接觸傳遞，將動(dòng)密封轉化為靜密封。由于泵軸、內磁轉子被泵體、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)系統與大功率X 射線(xiàn)源連接，形成一體化大功率X 射線(xiàn)源系統，具有尺寸小、噪音低、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)，能很好的滿(mǎn)足目前整機產(chǎn)品的需要。
采用磁力泵研制的一種全新、高效、結構小巧的與大功率X 射線(xiàn)源連成一體的冷卻循環(huán)系統原理圖如圖2。工作原理如下：由于磁力泵泵腔體與泵電機部分完全隔離，可以與冷卻系統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進(jìn)行真空注油。工作時(shí)，磁力泵將X 射線(xiàn)源內的高溫絕緣油抽出，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(xiàn)源內，達到冷卻X 射線(xiàn)源的目的。
2、一體化真空高效循環(huán)冷卻系統研究
確保冷卻系統的真空密封可靠性是本系統的關(guān)鍵問(wèn)題。要解決這一問(wèn)題，首先是合理選擇系統所用零部件，確保各零部件能經(jīng)受高溫及真空環(huán)境考驗；其次是合理設計密封連接結構、精心制作確保管路連接的可靠性。
2.1、大功率X 射線(xiàn)源與冷卻系統形成一體化真空系統的實(shí)現
采用磁力泵的冷卻循環(huán)系統與大功率X 射線(xiàn)源連接，形成一體化大功率X 射線(xiàn)源系統，具有尺寸小、噪音低、冷卻效率高的優(yōu)點(diǎn)。本系統采用了美國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，最大揚程4 m，泵體材質(zhì)為聚丙烯，聚丙烯為絕緣材料，對絕緣油的電性能不會(huì )有不良影響[1]。
試驗表明,采用MDXT- 3 磁力泵的冷卻系統與大功率X 射線(xiàn)源連接構成一體化真空系統后,系統的真空性能得到保證, 冷卻系統的真空性能在真空注油中得到驗證, 冷卻系統的接入和運轉對X 射線(xiàn)源的穩定性和技術(shù)指標沒(méi)有任何影響。
2.2、冷卻系統高效率的實(shí)現
由于傳統的散熱器的熱交換效率很低,一般不大于20%,顯而易見(jiàn),傳統的2 次熱交換的冷卻方式的效率是很低的，對泵的性能要求相應很高，內外散熱器的面積要求也較大[1] 。本系統設計的冷卻系統,一體化真空的實(shí)現去除了源內熱交換器存在的必要性, 冷卻系統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。項目樣機的高效冷卻能力在環(huán)境試驗過(guò)程中得到驗證，在45℃高溫試驗過(guò)程中，系統連續工作8 h，X 射線(xiàn)源的表面溫升不超過(guò)20℃。
2.3、一體化真空系統真空注油的實(shí)現
本冷卻系統與X 射線(xiàn)源一起要經(jīng)受真空注油工序處理，冷卻系統的所有零部件，包括磁力泵、管路與接頭等均要承受70℃、1 Pa 真空的檢驗，對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)對冷卻系統使用的經(jīng)驗和實(shí)踐表明，冷卻管路與接頭部分是冷卻系統最容易出故障的環(huán)節。
為實(shí)現一體化真空注油，本系統的冷卻系統管路和接頭采用了日本TOYOX 公司專(zhuān)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。系統真空注油實(shí)際過(guò)程驗證了管路和接頭的可靠性能，真空注油過(guò)程中冷卻系統各部分，特別是管路與接頭部分經(jīng)受了高溫和高真空考驗，沒(méi)有發(fā)現任何問(wèn)題。
2.4、大幅度減小系統尺寸和重量
傳統冷卻系統的源內絕緣介質(zhì)與冷卻循環(huán)系統的介質(zhì)是獨立隔離的，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。內外換熱器的使用造成系統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重量和尺寸的大幅度提高[1]。
國內外同等功率的冷卻系統的重量多在30 kg以上，外形尺寸較大。本系統的冷卻系統部分重量~9.8 kg。
為了與其它系統的控制保護功能結合，本系統中增加了流量保護開(kāi)關(guān)和溫度保護開(kāi)關(guān)，當冷卻系統出現故障時(shí)，起到雙重保護作用，保護X射線(xiàn)源不因過(guò)熱而損壞。
溫度保護開(kāi)關(guān)安裝在X 射線(xiàn)源表面，與流量開(kāi)關(guān)串聯(lián)對X 射線(xiàn)源構成雙保護，當X 射線(xiàn)源表面溫升超出65℃,將輸出開(kāi)關(guān)信號，該信號可用于整機檢測和控制X 射線(xiàn)源工作狀態(tài)。
2.5、系統應用前景分析
幾年來(lái)，本人為大功率X 射線(xiàn)源等項目配套開(kāi)發(fā)了三種型號的傳統型冷卻循環(huán)系統，在整機上應用，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。整機開(kāi)發(fā)對冷卻系統性能提出了更高的要求。
本冷卻系統相比于傳統的冷卻系統具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，對于采用單臺大功率X 射線(xiàn)源的設備，可以方便的替換傳統冷卻系統，對于其它“一拖二”應用的傳統冷卻系統，只要整機結構上作不太多的改變，就可以替換使用。同時(shí)，對于大功率X 射線(xiàn)管開(kāi)發(fā)中的熱設計具有很好的借鑒意義。
3、結論
本冷卻系統通過(guò)采用磁力泵技術(shù)、日本TOYOX 專(zhuān)利管路與接頭密封技術(shù)實(shí)現了循環(huán)冷卻系統與大功率X 射線(xiàn)源構成一體化真空系統，直接冷卻射線(xiàn)源內絕緣油；大幅度降低冷卻系統尺寸和重量，同時(shí)大幅度提高了循環(huán)冷卻系統冷卻效率；實(shí)現了循環(huán)冷卻系統與大功率X 射線(xiàn)源構成一體化真空系統后的真空注油，各零部件能經(jīng)受高溫及真空環(huán)境考驗，管路及接頭連接具有高可靠性。
本冷卻系統技術(shù)與國外類(lèi)似產(chǎn)品相近，所采用的日本專(zhuān)利管路與接頭技術(shù)，具有可靠性高、可重復使用等優(yōu)點(diǎn)。本產(chǎn)品的主要技術(shù)指標均通過(guò)了質(zhì)保部門(mén)的檢測，達到了國際先進(jìn)水平，具有良好的應用前景。
參考文獻
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[4] 王玉良,等.國外磁傳動(dòng)無(wú)密封技術(shù)發(fā)展概況[J]. 石油機械, 2003, (4).
