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数字投影机散热设计简介

关键词:投影机,散热设计
简介:随着投影机的市场蓬勃的发展,投影机的重量和体积不但缩小,在成本的降低与利润的压缩下,在投影机系统的机构设计方面,如何快速有效率完成系统所需要的设计,也面临更大考验。
其中系统冷却设计将无法再使用传统的经验法则,如何与光路系统互相协调,并且兼顾各组件均温的冷却设计,则是产品成功与否的重要关键。在本文中,将说明系统冷却设计的重要性,以及冷却设计的考量重点,另外,还针对投影机系统热流仿真与分析软件做一说明与比较。

数字投影机走向高品质

近几年来,由工研院光电所所主导的数字投影机的产业技术发展计划,成功的开发出数字投影机技术,并技术移转给国内的生产厂商。国内的厂商,经过这四年来的技术深耕,市场的开发,在台湾的数字投影机产业,已经形成了群聚效应,许多的厂商已经成为外商大厂的OEM或是ODM的代工厂,显示在量产的产能与品质技术上也达到国际的水准。

在图1中,我们由工研院经资中心IT IS的研究报告中发现,以2002年为准,将是台湾数字投影机的高度成长的开始,由2002年的150万台,成长到2006年的265万台的水准。而由目前的景气回升的速度来看,其成长的力道将高于预期。
在产能逐渐开出之后,国内厂商目前不但要能做出低价的数字投影机来抢攻市占率,为了要有更高的获利率,也应该朝向高品质的数字投影机市场前进,以建立本身的品牌口碑或是获得大厂高阶的产品代工机会。

而品质的高低,与技术的扎实与否有很大的关系,由于在数字投影机开始的时候,只要能做出一部投影机,基本上就已经具备的相关的技术能力,此时大家的技术水准皆相差无几,但是此时各厂商也都因为尚未开始获利,技术并不是决定性的关键。当市场逐渐的开发出来,需求量大增时,技术的能力将是影响产品的品质,市占率以及能否获得大厂代工机会的主要因子。

举例来说,散热的问题,在刚开始的时候,由于数字投影机的机身较大,散热的技术并不困难,但是当市场的需求逐渐需要尺寸小的机种时,散热的技术等级便提高了,此时要在小小的机身中散出相同的热量,所需要的相关知识便不是一般的散热技术可以提供的,更何况,数字投影机不但会朝向尺寸更小,还会朝向更高的亮度,更低的噪音的趋势前进,那么只有更高等级的数字投影机的设计技术才能符合潮流,也就是说,只有具有开发高阶的数字投影机技术的厂商,其产品才能获得消费大众的青睐,而只具有低阶投影机技术的厂商,终会消失在竞争厂商之中,厂商在此时将面临生死存亡的竞争与淘汰,而这个时间点,以笔者的推估,大约会在2005年出现,到时台湾的厂商也将由目前的数十家变成剩不到十家的规模。

 

图1:前投影式投影机产量规模
(资料来源:工研院经资中心ITIS计划;2002/11)


 


技术趋势

前面提到过,体积小(或是重量轻)、高亮度、低噪音将是未来数字投影机的发展趋势,而这当三项趋势的技术发展,刚好是互相牵制的,怎么说呢?以体积小来说,在使用相同的组件时,由于总发热量相同,导致单位面积散热量需要增加,否则无法维持相同的操作温度,若是无法提升单位面积的散热量,则只有降低投影机内的发热量,而刚好在投影机内的主要发热源为「灯泡」,因此降低灯泡的功率成为一种解决方式。但是很不幸的,这刚好与高亮度的趋势互相违背,因为,为了提高投影机的亮度,一般只有从改良光的转换效率上来着手,或是直接提高灯泡的功率,而前者的技术较高,短期难以获得成效,而后者直接了当,只要安装较大的功率灯泡即可直接提高亮度,表示在使用相同的光学组件之下,要增加其亮度与降低体积在技术上是互相牵制,必须寻求妥协。另外一种提升单位体积的散热量的住法,即是使用较强力的风扇,以更高的强制对流来获得更大的散热效率,但是这样子的作法,将使得投影机的噪音随之增大,也不利于产品的品质,而较大的风扇伴随来除了噪音之外,还有震动的问题,对于光学组件耐久性也是一项不利的因子。

因此,在本文中,将以散热技术为主,说明数字投影机中的相关设计与解决之道,希望在此以笔者的一些经验,提供一些基本的投影机系统冷却设计观念。

 


为什么需要冷却设计?

直截了当来说,冷却设计主要是为了:维持数字投影机内部在一定的温度之下,让各组件能正常的工作,并且增加组件的使用寿命。更进一步来说,经过冷却设计的投影机,能够提高投影机的散热效率,进一步缩小投影机的体积,有效降低投影机的噪音。

一般来说,在投影机的设计流程中(如图2),首先需要由计划主持人参考市场的需求与趋势,研拟产品的功能与规格。当确定好此型投影机的规格之后,才能交由光学设计部门与电子系统设计部门进行功能的设计,而在设计的过程中,光学设计部门还要不断与电子系统设计部门的人员沟通,以保证光学系统的所需要的电路,电子部门均可提供必要的设计。

当初步的光路系统与电路系统设计完成后,接着便是交给机购的部门设计夹持机构,而冷却设计的人员在投影机的设计流程中,必须与机构设计人员密切的合作,并提出系统散热的相关建议,而且在同时还要进行冷却设计的评估。

当机构部门的人员初步设计好投影机的机构后,就必须立即进行CFD仿真分析,以仿真的方式先进行初步的判断,是否整个投影机的散热符合基本需求,此时并非要能完全的达到产品的规格,只是要先评估是否有极大的「热点」隐藏在此设计中,影响光学组件的功能。请注意,通常无法一下子就做出符合产品规格的散热设计,此时就必须要评估可能的解决方法,交由机构设计人员修改之后,再进行第2次的模拟分析,直到满足产品需求为止。

另外,传统上业界最常用的还是热流实验方法,取代模拟分析,直接以投影机雏形机进行热流实验的验证,以确保机构设计的结构可以满足整个系统的散热需求。但这样子的成本会比使用模拟分析的方法进行散热设计验证的方式要来得高很多,尤其当投影机的机种较多时,将会造成在验证的时间较长,这是计划主成人所必须考量进去的。因此以长远发展来说,应建立一套模拟热流验证的方法,以因应未来投影机市场的需求。


图2:投影机的设计流程

 


很多人会有疑问,散热设计好像有很多的经验可供参考,依照经验来做便不会有问题,因此为了开发成本,通常会省略散热设计的部分,直接由机构人员依照经验来做即可。其实这种现象在台湾的许多中小企业很多,但是往往结果便是所开发出来的机型,无法通过耐久验证与可靠度验证,当你发现验证后有问题,要再修改雏形机时,其所花费的代价是很高的,加上推出产品时间延迟,错失销售时机,损失不赀。有时产品一时侥幸过关,但是销售到用户手上时,因为品质不良导致公司信誉破坏,也要付出相当大的代价。因此,在产品开发的过程中,加上散热设计是有必要性的!

在图3中即为因为冷却设计不良而导致灯泡损坏的照片。

图3:因为冷却不良而导致「炸灯」的灯泡,一般投影机的灯泡使用时间均超过1000小时。

 


数字投影机系统冷却设计的要求

文在投影机的散热设计过程中,我们必须要把握投影机散热设计的几个重点,才能迅速将投影机的散热做好:
1. 投影机内各组件均温要比降温重要
2. 适当的系统流道设计比使用大风压风扇有效
3. 特殊的位置使用特殊的散热材料,可以解决热点(hot spot)问题。

我们以一光机系统实例(图4)来说明:
在一台投影机中,有低温与高温组件,低温组件就是mirror或是LCD panel的组件,高温组件便是灯泡与灯泡附近的光学组件,如PS-Converter等,为了节省风扇的使用量,与风扇占用的体积空间,我们通常会将风扇搭配一个流道设计,将冷空气由系统外吸入系统内,并流经低温组件,再流经高温组件,最后排出系统外,达到冷却系统的目的。这样子的设计可以将系统内的平均温度降低,达到系统内均温的效果。此时冷却设计的最大挑战,便是光路的安排是否与冷却流道互相冲突,以及寻求妥协的设计了!由于各厂家光机系统的光路安排均不相同,此时也是CFD热流模拟最能派上用场的时候,利用CFD热流仿真软件,我们便能迅速将各种不同的流道的冷却效果,最一比较,找出最佳的冷却流道设计。
然而,由于许多的妥协,在系统内终究会有一些冷却流道无法兼顾到冷却的地方,这些地方便会造成系统内的热点发生,当热点发生时,附近的光学组件就可能会受损,或是使用寿命降低,所以,将系统内的热点除去成为关键的步骤,由于是妥协后的结果,当然无法再更改冷却流道的设计,冷却流体也必然无法满足此处的冷却需求,此时便只有藉助较高的热传导系数的材料,藉由特殊的机构形状设计将区域热点除去。例如在LCD panel处,最容易因为流体冷却不均匀,导致热点的发生,传统上最常用方式,便是使用特殊设计形状的铝质或铜质的导风鳍片,来除去热点。另一种方式,则是使用透明的钻石材料,利用其高热传导的材料特性,将热点除去。而在一些国外的专利上,则是使用透明的冷却油,利用冷却油流经LCD panel的表面,将热点除去,而笔者在光电所也申请了美国专利,利用冷却油搭配热管的方式,以可以有效的除去LCD panel的热点,而此专利也于2003年正式通过。

 

图4:典型的投影机流道散热设计

 


一般系统内需要冷却的组件,可分成以下二类,在做投影机系统冷却设计时,均要一起考虑进来。

1. 电子系统的冷却
(A)Power Supply
(B)Ballast
(C)PC Board

2. 光学引擎系统的冷却
(A)LCD Panel
(B)Lamp
(C)Optical Elements

 


用在投影机之CFD热流仿真与分析软件介绍

以笔者使用过的三种仿真分析软件为例:Flowtherm,I-Deas,StarCD,其各有特色,在业界则以Flowtherm使用者较多,而-deas由于具有可以处理热辐射的TMG模块,近年来在投影机厂商中使用的比例也愈来愈多。

另外,Icepak是近年来另一个兴起的热门软件,因为笔者未用过,因此,在此不做评论。

其实可以作为热流仿真与分析的软件很多,但是在工业界使用时,其实最大的考量便是便利性,分析软件若是可以与CAD机构设计软件互相搭配,则能节省不少宝贵的时间,直接从机构设计人员手中接过设计图,便可以进行模拟分析,不但可以节省模拟分析的人重新绘图时间,也可以立即将修正后的结果回馈给机构设计人员进行修图,节省热流模拟的时间。以笔者的经验来说,I-Deas是最能符合此项要求的仿真分析软件。

 


热流分析软件的比较

主要特色 优点 缺点
Flowtherm 1 .利用计算流体力学CFD技术的电子热传分析软件
2. 可同时分析热传导、热对流及热辐射三者效应共存的问题。
简单、简单易学,容易上手,若针对电子热传,可以得到相当不错的结果!
格点数目太多,无法分析不规则形状或曲面。
不能o在Windws 2000下使用
I-Deas 1. 使用Finite-Elements Model
2. 有ESC与TMG模块可以分析电子热传与热辐射
1. 有自己的CAD的机构设计环境,功能模块完全。
2. 可将Pro/E或是ANSYS的图文件读入,对于数据转换很方便
在热辐射的分析中有TMG模块可以使用,但是对于view factor的条件设定必须要有经验,否则容易算出不合理的答案。
StarCD 1. 使用CFD的技术所开发的热流软件。对与复杂的热流问题有很好的解决能力。
2. 可以分析转动机械的问题!
针对旋转机械的网格生成软件 TIGER v2.1 可免费下载使用 其模型建构的环境不易使用,对于复杂的3D模形建构费时


表1:各种仿真软件优缺点与特色

在图5中,我们将一使用I-deas 8所制作的模拟分析Model表示出来,由于-Deas中内见3D的模块建构功能,因此,可以利用其3D模块建构功能,迅速建立欲分析的机构图,或是利用其Data Translator,也可以将Pro/E等CAD软件所绘制的3D模块加载到其软件中进行分析。利用TMG的热辐射模块,便可以轻松的处理灯源部分的散热问题。相关的的分析结果可以参考(参考文献2)。

图5:灯源的冷却模拟(使用I-Deas 8)



在图6中,是笔者早期利用Flowtherm 2.1版所制作的灯源模拟Model,由于Flowtherm的3D建构模块仅能建立方形或是三角形的Model,因此,所有的组件的外型均是例用其CAD功能所近似出来的。当然,这个结果也仅止于参考用途。

图6:灯源的冷却模拟(使用Flowtherm 2.1)


结论

由于近年来国内厂商相继的投入数字投影机的市场,为了提升自身产品的品质,因此,对于投影机的散热设计也逐渐重视,然而,人员的训练品质,对于实际的散热设计有很大的影响,也绝非三言两语的观念说明可以全部涵盖。兹将本篇的主要重点说明如后:

1. 系统之散热设计需与机构设计密切配合,才能达到整体的系统散热需求

2. 系统内各组件的均温远较降温来的重要。

3. 善用CFD热流仿真与分析软件,可以节省许多验证的时间。

其实,散热组件于系统中的设计,除了专业知识之外,也非常倚重经验的累积,因此,在公司内部培养专业的投影机冷却设计的人才,才是公司生存的长久之计,而在市场需求方面,对于体积小,高亮度与低噪音的需求将越来越多,而这也是产品在市场决胜的关键!(作者任职工研院光电所)

参考文献

1. 陈连春,彩色液晶投影显示器(原理与技术),建兴出版社,1992。

2. 薛兴国,简介光学投影系统,光讯(55),1995。

3. 李文宗,林宏舜,Lamp Cooling for Projection Systems,I-deas User Conference in Taiwan,2002。




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