王 飛，周連生，方 斌，田 偉，張 巍，隋永新

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數(shù)字微鏡器件熱設(shè)計計算與試驗驗證

王 飛，周連生，方 斌，田 偉，張 巍，隋永新

( 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，應(yīng)用光學(xué)國家重點實驗室超精密光學(xué)工程研究中心，長春130033 )

為保證數(shù)字微鏡器件(DMD)的溫度水平滿足要求，采用計算和試驗相結(jié)合的方法，對DMD熱設(shè)計進(jìn)行了研究。通過設(shè)計強迫液體冷卻的散熱方案，計算DMD各個測溫點的溫升，得出反射紅、綠、藍(lán)光的DMD最大溫升分別為14.4 ℃、11.3 ℃、10.2 ℃，通過試驗對熱設(shè)計方案及計算結(jié)果進(jìn)行了驗證，試驗結(jié)果與計算結(jié)果最大偏差不超過2.5 ℃，試驗表明，所設(shè)計的熱設(shè)計方案可靠，溫升計算正確，為整機熱設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

熱力工程；數(shù)字微鏡器件；數(shù)字光處理；熱設(shè)計

0 引 言

數(shù)字微鏡器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)由TI公司于1983年發(fā)明，至今TI仍是唯一能夠提供商品化DMD產(chǎn)品的公司[1]，基于DMD技術(shù)的數(shù)字光處理(Digital Light Processing，DLP)數(shù)字電影放映機產(chǎn)業(yè)也一直被Barco、Christie等國外公司所壟斷。DMD具有高光學(xué)效率、高分辨率、高均勻性、全數(shù)字化控制等優(yōu)點，在投影顯示領(lǐng)域競爭優(yōu)勢明顯[2]。隨著信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，市場對于高亮度數(shù)字電影放映機需求激增，從工程設(shè)計的角度，放映機內(nèi)部熱載越來越高，如果熱設(shè)計不合理，極易因過熱導(dǎo)致內(nèi)部元器件失效[3-6]。DMD作為電影放映機光學(xué)調(diào)制核心器件，散熱面積小，熱載集中，散熱性能不良，將嚴(yán)重影響其工作質(zhì)量，造成投影光線扭曲、壞點甚至燒毀，最終影響電影放映機的對比度、顏色以及使用壽命[7]。DMD的熱設(shè)計已經(jīng)成為DLP數(shù)字電影放映機結(jié)構(gòu)設(shè)計和發(fā)展應(yīng)用的重要環(huán)節(jié)。

熱分析計算為熱設(shè)計提供理論依據(jù)，是熱設(shè)計的基礎(chǔ)，熱試驗不僅能夠驗證熱分析計算的正確性，更能夠驗證熱設(shè)計方案的可靠性[8]。本文針對DMD的熱設(shè)計開展了預(yù)研工作，包括設(shè)計散熱方案，計算DMD測溫點溫升，進(jìn)行樣機試驗等，在熱設(shè)計和優(yōu)化方面，對自主研發(fā)高亮度DLP電影放映機具有重要意義。

1 DMD原理及散熱需求

DMD實質(zhì)上是一個由數(shù)百萬個微反射鏡組成的微鏡陣列，每個微反射鏡能夠提供+12°和-12°兩個旋轉(zhuǎn)角度，分別對應(yīng)“開”和“關(guān)”兩種狀態(tài)，微鏡陣列結(jié)構(gòu)如圖1。通過數(shù)字圖像信號控制每個微反射鏡進(jìn)行每秒數(shù)千次的開關(guān)轉(zhuǎn)換，利用人眼的視覺暫留，對紅、綠、藍(lán)三基色進(jìn)行混合，達(dá)到圖像色彩和灰度控制[9-10]。

圖1 微鏡陣列結(jié)構(gòu)

溫度條件對DMD的工作質(zhì)量有重要影響，為了保證DMD處于合理工作溫度，TI為DMD定義了3個測溫點，要求各測溫點許用溫度低于65 ℃，測溫點相互之間溫差小于10 ℃，測溫點位置如圖2。

圖2 DMD測溫點位置

2 DMD散熱方案設(shè)計

DMD的熱載來源于兩個方面：照明發(fā)熱和電路發(fā)熱。照明發(fā)熱指DMD反射光線過程中吸收部分光能轉(zhuǎn)化成的熱能，是DMD熱載的主要來源。高亮度DLP數(shù)字電影放映機采用3片DMD，用以反射紅、綠、藍(lán)三基色，以紅光DMD為對象，根據(jù)光學(xué)設(shè)計結(jié)果，在4 000 lm的投影亮度，20%鏡面吸收率下，紅光DMD鏡面吸收熱量為3.91 W。光線投射過程中，有16.3%的光線打到DMD鏡面邊框上，保守取邊框吸收率100%，邊框吸收熱量達(dá)3.81 W。此外，DMD的名義電路發(fā)熱功率為3 W，因此紅光DMD的總發(fā)熱量10.72 W，即使DMD整個散熱面都能實現(xiàn)有效散熱，熱流密度仍高達(dá)5.1 W/cm2，自然對流和強迫風(fēng)冷散熱已不能滿足要求，需采用循環(huán)冷卻液進(jìn)行強迫液冷，才能達(dá)到理想的散熱效果[11]。所設(shè)計的強迫液體冷卻方案采用純水為冷卻液，設(shè)計流速1.5 m/s，為增大對流換熱面積，將DMD散熱冷板設(shè)計為鋁制雙通道形式，管內(nèi)徑5 mm，與DMD接觸面面積為256 mm2，有效散熱面積211.2 mm2，液體冷卻方案結(jié)構(gòu)形式如圖3。

圖3 強迫液體冷卻結(jié)構(gòu)形式

3 測溫點溫升計算

測溫點1與測溫點2在結(jié)構(gòu)上相互對稱，理想情況下溫升相同，從測溫點1(或2)到冷卻液的熱流路徑上的溫升，可以劃分為如下五個階段[11]：1) 測溫點1(或2)到測溫點3之間陶瓷基底的傳導(dǎo)溫升D0；2) 測溫點3到冷板換熱面間的接觸溫升D1；3) 冷板換熱面與管壁之間鋁塊的傳導(dǎo)溫升D2；4) 冷板管壁與冷卻液間的對流薄膜溫升D3；5) 冷卻液流經(jīng)冷板吸收熱量的溫升D4。各階段溫升計算如下所述。

式中：為紅光DMD總熱載，10.72 W；c為測溫點1(或2)到測溫點3之間陶瓷基底厚度，1.7 mm；c為陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)[12]，0.032 W/(mm×℃)；c為陶瓷基底有效散熱面積，211.2 mm2。

式中：s為硅脂層熱阻，s為硅脂層厚度，粗取0.08 mm；s為硅脂導(dǎo)熱系數(shù)，0.000 67 W/(mm×℃)(道康寧340)；s為硅脂層面積，211.2 mm2。

式中：為冷板換熱面至管道中心距離，11 mm；為鋁導(dǎo)熱系數(shù)，0.173 W/(mm×℃)；為冷板有效散熱面積，211.2 mm2。

對于對流傳熱溫升D3的計算，首先需要明確冷卻液的流動狀態(tài)，可以通過雷諾系數(shù)來確定：

式中：為冷卻液密度1 000 Kg/m3；為冷卻液流速，1.5 m/s；為管道直徑，0.005 m；為冷卻液的動力粘度，6.53×10-4Pa·s。

經(jīng)計算，雷諾系數(shù)e＞3 000，冷卻液是湍流流動，強迫對流換熱系數(shù)c可由式(5)~(8)得出：

式中：為Colburn系數(shù)；r為普朗特數(shù)；為冷卻液單位面積質(zhì)量流量；p為比熱容，4 174 J/(Kg×K)；為冷卻液熱導(dǎo)率，0.635 W/(m·K)(40℃)；m為冷卻液質(zhì)量流量，0.029 Kg/s；g為管道截面積，1.96×10-5m2。

式中g(shù)為管道內(nèi)表面換熱面積，0.000 5 m2。

同理，綠光DMD熱載總量為8.44 W，其測溫點1~3溫升分別為11.3 ℃、11.3 ℃、9.2 ℃；藍(lán)光DMD熱載總量為7.56 W，其測溫點1~3溫升分別為10.2 ℃、10.2 ℃、8.3 ℃。

電影放映機最高工作溫度限定在35 ℃，由于風(fēng)冷換熱器對冷卻液進(jìn)行散熱，冷卻液溫度基本與環(huán)境溫度相同，從溫升計算結(jié)果可以看出，即使在最高工作溫度下，各DMD測溫點的溫度仍低于65 ℃，且測溫點1(或2)與測溫點3間的溫差均小于10 ℃，說明強迫液體冷卻方案能夠保證DMD散熱要求。

4 散熱驗證試驗

為了驗證DMD熱設(shè)計方案及溫升計算的可靠性和正確性，確保DMD工作在良好的熱狀態(tài)，在DLP電影放映機樣機上進(jìn)行了散熱驗證試驗，試驗系統(tǒng)主要包括氙燈光源、DMD，水冷散熱系統(tǒng)，溫度測量系統(tǒng)等幾個部分，其中水冷散熱系統(tǒng)是根據(jù)DMD散熱計算提出的流速、流量需求而設(shè)計(換熱介質(zhì)為蒸餾水)，溫度測量系統(tǒng)則包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、顯示器等，散熱驗證試驗樣機如圖4。試驗驗證如圖5。開機狀態(tài)下，氙燈光源發(fā)光的光線經(jīng)過光路傳輸?shù)紻MD上，DMD受熱升溫，水冷散熱系統(tǒng)工作散熱，同時溫度測量板卡實時測量DMD各測溫點溫度及冷卻液溫度，待系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，測得冷卻液溫度為20 ℃，記錄各測溫點穩(wěn)態(tài)溫度、溫升以其計算的溫升，并比較其偏差，如表1。

表1 溫升對比

圖4 試驗樣機

圖5 散熱驗證試驗

可以看出，趨勢上，對于單片DMD，測溫點1和2溫度較高，測溫點3點溫度最低，對于三片DMD，以紅光DMD溫升最高，綠光DMD次之，藍(lán)光DMD最低；數(shù)值上，各DMD工作溫度遠(yuǎn)低于64 ℃，并且測溫點1(或2)與測溫點3間的溫差均小于10 ℃，DMD散熱條件滿足要求。盡管試驗結(jié)果與計算結(jié)果存在一定偏差，但偏差較小，最大不超過2.5 ℃。對于單片DMD，測溫點1和測溫點2溫升不等，與預(yù)期設(shè)想不符，經(jīng)分析，可能是樣機內(nèi)部復(fù)雜熱環(huán)境對測溫點1和2的散熱影響程度不同導(dǎo)致的。

考慮數(shù)字電影放映機內(nèi)部熱環(huán)境極其復(fù)雜，高功率氙燈、復(fù)雜風(fēng)道乃至控制電路等對DMD散熱均會產(chǎn)生影響，試驗結(jié)果與理想情況下的計算結(jié)果必然存在偏差。總體上看，試驗結(jié)果在趨勢和數(shù)值上均與計算相一致，并且樣機測試也表明，散熱設(shè)計能夠保證DMD工作溫度滿足要求，可以認(rèn)為，針對DMD各測溫點進(jìn)行的溫升計算方法正確合理，所設(shè)計的強迫液體冷卻散熱方案具有可行性和可靠性。

5 結(jié) 論

根據(jù)DLP電影放映機DMD熱負(fù)荷及散熱條件，設(shè)計了強迫液體冷卻散熱結(jié)構(gòu)及方案；根據(jù)熱傳遞特性劃分散熱路徑，逐段進(jìn)行了溫升計算，結(jié)果顯示，在所設(shè)計的液冷散熱方案下，DMD各測溫點溫升滿足要求；通過樣機進(jìn)行了散熱驗證試驗，驗證了熱設(shè)計方案及溫升計算的可靠性和正確性。

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Thermal Design, Calculation and Verification of Digital Micro-mirror Device

WANG Fei，ZHOU Liansheng，F(xiàn)ANG Bin，TIAN Wei，ZHANG Wei，SUI Yongxin

( Engineering Research Center of Extreme Precision Optics, State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Science, Changchun 130033, China)

To ensure a proper temperature rise of a Digital Micro-mirror Device(DMD), the thermal design of DMD was studied by calculation and experiment. A forced liquid-cooled thermal design was presented, and the temperature rise of each measurement point on DMD was calculated. Calculation results show that the maximum temperature rise of the DMD reflecting red light is 14.4℃, the maximum temperature rise of the DMD reflecting green light is 11.3 ℃, and the maximum temperature rise of the DMD reflecting blue light is 10.2 ℃, which have met the working temperature requirements. Thermal design and calculation are also verified through a thermal test and the maximum deviation between thermal calculation and thermal test are not exceeding 2.5 ℃. The thermal tests verify the reliability of thermal design and the correctness of thermal calculation, and supply a theoretical warrant for thermal design optimizing of DLP digital cinema projector.

thermal engineering; digital micro-mirror device (DMD); digital light processing (DLP); thermal design

1003-501X(2016)09-0084-05

TK124

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.09.015

2016-03-08；

2016-05-10

國家863高技術(shù)計劃項目

王飛(1988-)，男(漢族)，吉林舒蘭人。研究實習(xí)員，碩士，主要研究是精密光電儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail: feiwangscu@163.com。