數(shù)字投影機散熱設(shè)計簡介
隨著投影機的市場蓬勃的發(fā)展，投影機從一臺重量從超過10磅，到現(xiàn)在的2～3磅，體積從超過Notebook的大小，到現(xiàn)在只有B5大小不到，其技術(shù)的進步，可說非常的快速，然而在價格方面，也從三、四十萬，降到了十萬元以下，有的機種甚至低于5萬元，在成本的降低與利潤的壓縮下，在投影機系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計方面，如何快速有效率完成系統(tǒng)所需要的設(shè)計，也面臨更大考驗。
其中系統(tǒng)冷卻設(shè)計將無法再使用傳統(tǒng)的經(jīng)驗法則，如何與光路系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)，并且兼顧各組件均溫的冷卻設(shè)計，則是產(chǎn)品成功與否的重要關(guān)鍵。在本文中，將說明系統(tǒng)冷卻設(shè)計的重要性，以及冷卻設(shè)計的考量重點，另外，還針對投影機系統(tǒng)熱流仿真與分析軟件做一說明與比較。 數(shù)字投影機走向高品質(zhì) 近幾年來，由工研院光電所所主導的數(shù)字投影機的產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展計劃，成功的開發(fā)出數(shù)字投影機技術(shù)，并技術(shù)移轉(zhuǎn)給國內(nèi)的生產(chǎn)廠商。國內(nèi)的廠商，經(jīng)過這四年來的技術(shù)深耕，市場的開發(fā)，在臺灣的數(shù)字投影機產(chǎn)業(yè)，已經(jīng)形成了群聚效應(yīng)，許多的廠商已經(jīng)成為外商大廠的OEM或是ODM的代工廠，顯示在量產(chǎn)的產(chǎn)能與品質(zhì)技術(shù)上也達到國際的水準。
在圖1中，我們由工研院經(jīng)資中心IT IS的研究報告中發(fā)現(xiàn)，以2002年為準，將是臺灣數(shù)字投影機的高度成長的開始，由2002年的150萬臺，成長到2006年的265萬臺的水準。而由目前的景氣回升的速度來看，其成長的力道將高于預(yù)期。
在產(chǎn)能逐漸開出之后，國內(nèi)廠商目前不但要能做出低價的數(shù)字投影機來搶攻市占率，為了要有更高的獲利率，也應(yīng)該朝向高品質(zhì)的數(shù)字投影機市場前進，以建立本身的品牌口碑或是獲得大廠高階的產(chǎn)品代工機會。
而品質(zhì)的高低，與技術(shù)的扎實與否有很大的關(guān)系，由于在數(shù)字投影機開始的時候，只要能做出一部投影機，基本上就已經(jīng)具備的相關(guān)的技術(shù)能力，此時大家的技術(shù)水準皆相差無幾，但是此時各廠商也都因為尚未開始獲利，技術(shù)并不是決定性的關(guān)鍵。當市場逐漸的開發(fā)出來，需求量大增時，技術(shù)的能力將是影響產(chǎn)品的品質(zhì)，市占率以及能否獲得大廠代工機會的主要因子。
舉例來說，散熱的問題，在剛開始的時候，由于數(shù)字投影機的機身較大，散熱的技術(shù)并不困難，但是當市場的需求逐漸需要尺寸小的機種時，散熱的技術(shù)等級便提高了，此時要在小小的機身中散出相同的熱量，所需要的相關(guān)知識便不是一般的散熱技術(shù)可以提供的，更何況，數(shù)字投影機不但會朝向尺寸更小，還會朝向更高的亮度，更低的噪音的趨勢前進，那么只有更高等級的數(shù)字投影機的設(shè)計技術(shù)才能符合潮流，也就是說，只有具有開發(fā)高階的數(shù)字投影機技術(shù)的廠商，其產(chǎn)品才能獲得消費大眾的青睞，而只具有低階投影機技術(shù)的廠商，終會消失在競爭廠商之中，廠商在此時將面臨生死存亡的競爭與淘汰，而這個時間點，以筆者的推估，大約會在2005年出現(xiàn)，到時臺灣的廠商也將由目前的數(shù)十家變成剩不到十家的規(guī)模。
圖1：前投影式投影機產(chǎn)量規(guī)模
(資料來源：工研院經(jīng)資中心ITIS計劃；2002/11)
技術(shù)趨勢
前面提到過，體積小（或是重量輕）、高亮度、低噪音將是未來數(shù)字投影機的發(fā)展趨勢，而這當三項趨勢的技術(shù)發(fā)展，剛好是互相牽制的，怎么說呢？以體積小來說，在使用相同的組件時，由于總發(fā)熱量相同，導致單位面積散熱量需要增加，否則無法維持相同的操作溫度，若是無法提升單位面積的散熱量，則只有降低投影機內(nèi)的發(fā)熱量，而剛好在投影機內(nèi)的主要發(fā)熱源為「燈泡」，因此降低燈泡的功率成為一種解決方式。但是很不幸的，這剛好與高亮度的趨勢互相違背，因為，為了提高投影機的亮度，一般只有從改良光的轉(zhuǎn)換效率上來著手，或是直接提高燈泡的功率，而前者的技術(shù)較高，短期難以獲得成效，而后者直接了當，只要安裝較大的功率燈泡即可直接提高亮度，表示在使用相同的光學組件之下，要增加其亮度與降低體積在技術(shù)上是互相牽制，必須尋求妥協(xié)。另外一種提升單位體積的散熱量的住法，即是使用較強力的風扇，以更高的強制對流來獲得更大的散熱效率，但是這樣子的作法，將使得投影機的噪音隨之增大，也不利于產(chǎn)品的品質(zhì)，而較大的風扇伴隨來除了噪音之外，還有震動的問題，對于光學組件耐久性也是一項不利的因子。
因此，在本文中，將以散熱技術(shù)為主，說明數(shù)字投影機中的相關(guān)設(shè)計與解決之道，希望在此以筆者的一些經(jīng)驗，提供一些基本的投影機系統(tǒng)冷卻設(shè)計觀念。 為什么需要冷卻設(shè)計？
直截了當來說，冷卻設(shè)計主要是為了：維持數(shù)字投影機內(nèi)部在一定的溫度之下，讓各組件能正常的工作，并且增加組件的使用壽命。更進一步來說，經(jīng)過冷卻設(shè)計的投影機，能夠提高投影機的散熱效率，進一步縮小投影機的體積，有效降低投影機的噪音。
一般來說，在投影機的設(shè)計流程中（如圖2），首先需要由計劃主持人參考市場的需求與趨勢，研擬產(chǎn)品的功能與規(guī)格。當確定好此型投影機的規(guī)格之后，才能交由光學設(shè)計部門與電子系統(tǒng)設(shè)計部門進行功能的設(shè)計，而在設(shè)計的過程中，光學設(shè)計部門還要不斷與電子系統(tǒng)設(shè)計部門的人員溝通，以保證光學系統(tǒng)的所需要的電路，電子部門均可提供必要的設(shè)計。
當初步的光路系統(tǒng)與電路系統(tǒng)設(shè)計完成后，接著便是交給機購的部門設(shè)計夾持機構(gòu)，而冷卻設(shè)計的人員在投影機的設(shè)計流程中，必須與機構(gòu)設(shè)計人員密切的合作，并提出系統(tǒng)散熱的相關(guān)建議，而且在同時還要進行冷卻設(shè)計的評估。
當機構(gòu)部門的人員初步設(shè)計好投影機的機構(gòu)后，就必須立即進行CFD仿真分析，以仿真的方式先進行初步的判斷，是否整個投影機的散熱符合基本需求，此時并非要能完全的達到產(chǎn)品的規(guī)格，只是要先評估是否有極大的「熱點」隱藏在此設(shè)計中，影響光學組件的功能。請注意，通常無法一下子就做出符合產(chǎn)品規(guī)格的散熱設(shè)計，此時就必須要評估可能的解決方法，交由機構(gòu)設(shè)計人員修改之后，再進行第2次的模擬分析，直到滿足產(chǎn)品需求為止。
另外，傳統(tǒng)上業(yè)界最常用的還是熱流實驗方法，取代模擬分析，直接以投影機雛形機進行熱流實驗的驗證，以確保機構(gòu)設(shè)計的結(jié)構(gòu)可以滿足整個系統(tǒng)的散熱需求。但這樣子的成本會比使用模擬分析的方法進行散熱設(shè)計驗證的方式要來得高很多，尤其當投影機的機種較多時，將會造成在驗證的時間較長，這是計劃主成人所必須考量進去的。因此以長遠發(fā)展來說，應(yīng)建立一套模擬熱流驗證的方法，以因應(yīng)未來投影機市場的需求。 
圖2：投影機的設(shè)計流程 很多人會有疑問，散熱設(shè)計好像有很多的經(jīng)驗可供參考，依照經(jīng)驗來做便不會有問題，因此為了開發(fā)成本，通常會省略散熱設(shè)計的部分，直接由機構(gòu)人員依照經(jīng)驗來做即可。其實這種現(xiàn)象在臺灣的許多中小企業(yè)很多，但是往往結(jié)果便是所開發(fā)出來的機型，無法通過耐久驗證與可靠度驗證，當你發(fā)現(xiàn)驗證后有問題，要再修改雛形機時，其所花費的代價是很高的，加上推出產(chǎn)品時間延遲，錯失銷售時機，損失不貲。有時產(chǎn)品一時僥幸過關(guān)，但是銷售到用戶手上時，因為品質(zhì)不良導致公司信譽破壞，也要付出相當大的代價。因此，在產(chǎn)品開發(fā)的過程中，加上散熱設(shè)計是有必要性的！
在圖3中即為因為冷卻設(shè)計不良而導致燈泡損壞的照片。
 圖3：因為冷卻不良而導致「炸燈」的燈泡，一般投影機的燈泡使用時間均超過1000小時。
數(shù)字投影機系統(tǒng)冷卻設(shè)計的要求
文在投影機的散熱設(shè)計過程中，我們必須要把握投影機散熱設(shè)計的幾個重點，才能迅速將投影機的散熱做好：
1. 投影機內(nèi)各組件均溫要比降溫重要
2. 適當?shù)南到y(tǒng)流道設(shè)計比使用大風壓風扇有效
3. 特殊的位置使用特殊的散熱材料，可以解決熱點（hot spot）問題。
我們以一光機系統(tǒng)實例（圖4）來說明：
在一臺投影機中，有低溫與高溫組件，低溫組件就是mirror或是LCD panel的組件，高溫組件便是燈泡與燈泡附近的光學組件，如PS-Converter等，為了節(jié)省風扇的使用量，與風扇占用的體積空間，我們通常會將風扇搭配一個流道設(shè)計，將冷空氣由系統(tǒng)外吸入系統(tǒng)內(nèi)，并流經(jīng)低溫組件，再流經(jīng)高溫組件，最后排出系統(tǒng)外，達到冷卻系統(tǒng)的目的。這樣子的設(shè)計可以將系統(tǒng)內(nèi)的平均溫度降低，達到系統(tǒng)內(nèi)均溫的效果。此時冷卻設(shè)計的最大挑戰(zhàn)，便是光路的安排是否與冷卻流道互相沖突，以及尋求妥協(xié)的設(shè)計了！由于各廠家光機系統(tǒng)的光路安排均不相同，此時也是CFD熱流模擬最能派上用場的時候，利用CFD熱流仿真軟件，我們便能迅速將各種不同的流道的冷卻效果，最一比較，找出最佳的冷卻流道設(shè)計。
然而，由于許多的妥協(xié)，在系統(tǒng)內(nèi)終究會有一些冷卻流道無法兼顧到冷卻的地方，這些地方便會造成系統(tǒng)內(nèi)的熱點發(fā)生，當熱點發(fā)生時，附近的光學組件就可能會受損，或是使用壽命降低，所以，將系統(tǒng)內(nèi)的熱點除去成為關(guān)鍵的步驟，由于是妥協(xié)后的結(jié)果，當然無法再更改冷卻流道的設(shè)計，冷卻流體也必然無法滿足此處的冷卻需求，此時便只有藉助較高的熱傳導系數(shù)的材料，藉由特殊的機構(gòu)形狀設(shè)計將區(qū)域熱點除去。例如在LCD panel處，最容易因為流體冷卻不均勻，導致熱點的發(fā)生，傳統(tǒng)上最常用方式，便是使用特殊設(shè)計形狀的鋁質(zhì)或銅質(zhì)的導風鰭片，來除去熱點。另一種方式，則是使用透明的鉆石材料，利用其高熱傳導的材料特性，將熱點除去。而在一些國外的專利上，則是使用透明的冷卻油，利用冷卻油流經(jīng)LCD panel的表面，將熱點除去，而筆者在光電所也申請了美國專利，利用冷卻油搭配熱管的方式，以可以有效的除去LCD panel的熱點，而此專利也于2003年正式通過。
圖4：典型的投影機流道散熱設(shè)計 一般系統(tǒng)內(nèi)需要冷卻的組件，可分成以下二類，在做投影機系統(tǒng)冷卻設(shè)計時，均要一起考慮進來。
1. 電子系統(tǒng)的冷卻
（A）Power Supply
（B）Ballast
（C）PC Board
2. 光學引擎系統(tǒng)的冷卻
（A）LCD Panel
（B）Lamp
（C）Optical Elements 用在投影機之CFD熱流仿真與分析軟件介紹
以筆者使用過的三種仿真分析軟件為例：Flowtherm，I-Deas，StarCD，其各有特色，在業(yè)界則以Flowtherm使用者較多，而-deas由于具有可以處理熱輻射的TMG模塊，近年來在投影機廠商中使用的比例也愈來愈多。
另外，Icepak是近年來另一個興起的熱門軟件，因為筆者未用過，因此，在此不做評論。
其實可以作為熱流仿真與分析的軟件很多，但是在工業(yè)界使用時，其實最大的考量便是便利性，分析軟件若是可以與CAD機構(gòu)設(shè)計軟件互相搭配，則能節(jié)省不少寶貴的時間，直接從機構(gòu)設(shè)計人員手中接過設(shè)計圖，便可以進行模擬分析，不但可以節(jié)省模擬分析的人重新繪圖時間，也可以立即將修正后的結(jié)果回饋給機構(gòu)設(shè)計人員進行修圖，節(jié)省熱流模擬的時間。以筆者的經(jīng)驗來說，I-Deas是最能符合此項要求的仿真分析軟件。
熱流分析軟件的比較 | | 主要特色 | 優(yōu)點 | 缺點 | | Flowtherm | 1 .利用計算流體力學CFD技術(shù)的電子熱傳分析軟件
2. 可同時分析熱傳導、熱對流及熱輻射三者效應(yīng)共存的問題。 | 簡單、簡單易學，容易上手，若針對電子熱傳，可以得到相當不錯的結(jié)果！
| 格點數(shù)目太多，無法分析不規(guī)則形狀或曲面。
不能o在Windws 2000下使用 | | I-Deas | 1. 使用Finite-Elements Model
2. 有ESC與TMG模塊可以分析電子熱傳與熱輻射 | 1. 有自己的CAD的機構(gòu)設(shè)計環(huán)境，功能模塊完全。
2. 可將Pro/E或是ANSYS的圖文件讀入，對于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換很方便 | 在熱輻射的分析中有TMG模塊可以使用，但是對于view factor的條件設(shè)定必須要有經(jīng)驗，否則容易算出不合理的答案。 | | StarCD | 1. 使用CFD的技術(shù)所開發(fā)的熱流軟件。對與復雜的熱流問題有很好的解決能力。
2. 可以分析轉(zhuǎn)動機械的問題！ | 針對旋轉(zhuǎn)機械的網(wǎng)格生成軟件 TIGER v2.1 可免費下載使用 | 其模型建構(gòu)的環(huán)境不易使用，對于復雜的3D模形建構(gòu)費時 |
表1：各種仿真軟件優(yōu)缺點與特色
在圖5中，我們將一使用I-deas 8所制作的模擬分析Model表示出來，由于-Deas中內(nèi)見3D的模塊建構(gòu)功能，因此，可以利用其3D模塊建構(gòu)功能，迅速建立欲分析的機構(gòu)圖，或是利用其Data Translator，也可以將Pro/E等CAD軟件所繪制的3D模塊加載到其軟件中進行分析。利用TMG的熱輻射模塊，便可以輕松的處理燈源部分的散熱問題。相關(guān)的的分析結(jié)果可以參考（參考文獻2）。  圖5：燈源的冷卻模擬（使用I-Deas 8） 在圖6中，是筆者早期利用Flowtherm 2.1版所制作的燈源模擬Model，由于Flowtherm的3D建構(gòu)模塊僅能建立方形或是三角形的Model，因此，所有的組件的外型均是例用其CAD功能所近似出來的。當然，這個結(jié)果也僅止于參考用途。
圖6：燈源的冷卻模擬（使用Flowtherm 2.1）
結(jié)論
由于近年來國內(nèi)廠商相繼的投入數(shù)字投影機的市場，為了提升自身產(chǎn)品的品質(zhì)，因此，對于投影機的散熱設(shè)計也逐漸重視，然而，人員的訓練品質(zhì)，對于實際的散熱設(shè)計有很大的影響，也絕非三言兩語的觀念說明可以全部涵蓋。茲將本篇的主要重點說明如后：
1. 系統(tǒng)之散熱設(shè)計需與機構(gòu)設(shè)計密切配合，才能達到整體的系統(tǒng)散熱需求
2. 系統(tǒng)內(nèi)各組件的均溫遠較降溫來的重要。
3. 善用CFD熱流仿真與分析軟件，可以節(jié)省許多驗證的時間。
其實，散熱組件于系統(tǒng)中的設(shè)計，除了專業(yè)知識之外，也非常倚重經(jīng)驗的累積，因此，在公司內(nèi)部培養(yǎng)專業(yè)的投影機冷卻設(shè)計的人才，才是公司生存的長久之計，而在市場需求方面，對于體積小，高亮度與低噪音的需求將越來越多，而這也是產(chǎn)品在市場決勝的關(guān)鍵！（作者任職工研院光電所）
參考文獻
1. 陳連春，彩色液晶投影顯示器（原理與技術(shù)），建興出版社，1992。
2. 薛興國，簡介光學投影系統(tǒng)，光訊(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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