数字微镜器件热设计计算与试验验证

王 飞，周连生，方 斌，田 伟，张 巍，隋永新



数字微镜器件热设计计算与试验验证

王 飞，周连生，方 斌，田 伟，张 巍，隋永新

( 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，应用光学国家重点实验室超精密光学工程研究中心，长春130033 )

为保证数字微镜器件(DMD)的温度水平满足要求，采用计算和试验相结合的方法，对DMD热设计进行了研究。通过设计强迫液体冷却的散热方案，计算DMD各个测温点的温升，得出反射红、绿、蓝光的DMD最大温升分别为14.4 ℃、11.3 ℃、10.2 ℃，通过试验对热设计方案及计算结果进行了验证，试验结果与计算结果最大偏差不超过2.5 ℃，试验表明，所设计的热设计方案可靠，温升计算正确，为整机热设计和优化提供了理论依据。

热力工程；数字微镜器件；数字光处理；热设计

0 引 言

数字微镜器件(Digital Micro-mirror Device，DMD)由TI公司于1983年发明，至今TI仍是唯一能够提供商品化DMD产品的公司[1]，基于DMD技术的数字光处理(Digital Light Processing，DLP)数字电影放映机产业也一直被Barco、Christie等国外公司所垄断。DMD具有高光学效率、高分辨率、高均匀性、全数字化控制等优点，在投影显示领域竞争优势明显[2]。随着信息产业的迅猛发展，市场对于高亮度数字电影放映机需求激增，从工程设计的角度，放映机内部热载越来越高，如果热设计不合理，极易因过热导致内部元器件失效[3-6]。DMD作为电影放映机光学调制核心器件，散热面积小，热载集中，散热性能不良，将严重影响其工作质量，造成投影光线扭曲、坏点甚至烧毁，最终影响电影放映机的对比度、颜色以及使用寿命[7]。DMD的热设计已经成为DLP数字电影放映机结构设计和发展应用的重要环节。

热分析计算为热设计提供理论依据，是热设计的基础，热试验不仅能够验证热分析计算的正确性，更能够验证热设计方案的可靠性[8]。本文针对DMD的热设计开展了预研工作，包括设计散热方案，计算DMD测温点温升，进行样机试验等，在热设计和优化方面，对自主研发高亮度DLP电影放映机具有重要意义。

1 DMD原理及散热需求

DMD实质上是一个由数百万个微反射镜组成的微镜阵列，每个微反射镜能够提供+12°和-12°两个旋转角度，分别对应“开”和“关”两种状态，微镜阵列结构如图1。通过数字图像信号控制每个微反射镜进行每秒数千次的开关转换，利用人眼的视觉暂留，对红、绿、蓝三基色进行混合，达到图像色彩和灰度控制[9-10]。

图1 微镜阵列结构

温度条件对DMD的工作质量有重要影响，为了保证DMD处于合理工作温度，TI为DMD定义了3个测温点，要求各测温点许用温度低于65 ℃，测温点相互之间温差小于10 ℃，测温点位置如图2。

图2 DMD测温点位置

2 DMD散热方案设计

DMD的热载来源于两个方面：照明发热和电路发热。照明发热指DMD反射光线过程中吸收部分光能转化成的热能，是DMD热载的主要来源。高亮度DLP数字电影放映机采用3片DMD，用以反射红、绿、蓝三基色，以红光DMD为对象，根据光学设计结果，在4 000 lm的投影亮度，20%镜面吸收率下，红光DMD镜面吸收热量为3.91 W。光线投射过程中，有16.3%的光线打到DMD镜面边框上，保守取边框吸收率100%，边框吸收热量达3.81 W。此外，DMD的名义电路发热功率为3 W，因此红光DMD的总发热量10.72 W，即使DMD整个散热面都能实现有效散热，热流密度仍高达5.1 W/cm2，自然对流和强迫风冷散热已不能满足要求，需采用循环冷却液进行强迫液冷，才能达到理想的散热效果[11]。所设计的强迫液体冷却方案采用纯水为冷却液，设计流速1.5 m/s，为增大对流换热面积，将DMD散热冷板设计为铝制双通道形式，管内径5 mm，与DMD接触面面积为256 mm2，有效散热面积211.2 mm2，液体冷却方案结构形式如图3。

图3 强迫液体冷却结构形式

3 测温点温升计算

测温点1与测温点2在结构上相互对称，理想情况下温升相同，从测温点1(或2)到冷却液的热流路径上的温升，可以划分为如下五个阶段[11]：1) 测温点1(或2)到测温点3之间陶瓷基底的传导温升D0；2) 测温点3到冷板换热面间的接触温升D1；3) 冷板换热面与管壁之间铝块的传导温升D2；4) 冷板管壁与冷却液间的对流薄膜温升D3；5) 冷却液流经冷板吸收热量的温升D4。各阶段温升计算如下所述。

式中：为红光DMD总热载，10.72 W；c为测温点1(或2)到测温点3之间陶瓷基底厚度，1.7 mm；c为陶瓷导热系数[12]，0.032 W/(mm×℃)；c为陶瓷基底有效散热面积，211.2 mm2。

式中：s为硅脂层热阻，s为硅脂层厚度，粗取0.08 mm；s为硅脂导热系数，0.000 67 W/(mm×℃)(道康宁340)；s为硅脂层面积，211.2 mm2。

式中：为冷板换热面至管道中心距离，11 mm；为铝导热系数，0.173 W/(mm×℃)；为冷板有效散热面积，211.2 mm2。

对于对流传热温升D3的计算，首先需要明确冷却液的流动状态，可以通过雷诺系数来确定：

式中：为冷却液密度1 000 Kg/m3；为冷却液流速，1.5 m/s；为管道直径，0.005 m；为冷却液的动力粘度，6.53×10-4Pa·s。

经计算，雷诺系数e＞3 000，冷却液是湍流流动，强迫对流换热系数c可由式(5)~(8)得出：

式中：为Colburn系数；r为普朗特数；为冷却液单位面积质量流量；p为比热容，4 174 J/(Kg×K)；为冷却液热导率，0.635 W/(m·K)(40℃)；m为冷却液质量流量，0.029 Kg/s；g为管道截面积，1.96×10-5m2。

式中g为管道内表面换热面积，0.000 5 m2。

同理，绿光DMD热载总量为8.44 W，其测温点1~3温升分别为11.3 ℃、11.3 ℃、9.2 ℃；蓝光DMD热载总量为7.56 W，其测温点1~3温升分别为10.2 ℃、10.2 ℃、8.3 ℃。

电影放映机最高工作温度限定在35 ℃，由于风冷换热器对冷却液进行散热，冷却液温度基本与环境温度相同，从温升计算结果可以看出，即使在最高工作温度下，各DMD测温点的温度仍低于65 ℃，且测温点1(或2)与测温点3间的温差均小于10 ℃，说明强迫液体冷却方案能够保证DMD散热要求。

4 散热验证试验

为了验证DMD热设计方案及温升计算的可靠性和正确性，确保DMD工作在良好的热状态，在DLP电影放映机样机上进行了散热验证试验，试验系统主要包括氙灯光源、DMD，水冷散热系统，温度测量系统等几个部分，其中水冷散热系统是根据DMD散热计算提出的流速、流量需求而设计(换热介质为蒸馏水)，温度测量系统则包括温度传感器、数据采集卡、显示器等，散热验证试验样机如图4。试验验证如图5。开机状态下，氙灯光源发光的光线经过光路传输到DMD上，DMD受热升温，水冷散热系统工作散热，同时温度测量板卡实时测量DMD各测温点温度及冷却液温度，待系统达到热稳态后，测得冷却液温度为20 ℃，记录各测温点稳态温度、温升以其计算的温升，并比较其偏差，如表1。

表1 温升对比

图4 试验样机

图5 散热验证试验

可以看出，趋势上，对于单片DMD，测温点1和2温度较高，测温点3点温度最低，对于三片DMD，以红光DMD温升最高，绿光DMD次之，蓝光DMD最低；数值上，各DMD工作温度远低于64 ℃，并且测温点1(或2)与测温点3间的温差均小于10 ℃，DMD散热条件满足要求。尽管试验结果与计算结果存在一定偏差，但偏差较小，最大不超过2.5 ℃。对于单片DMD，测温点1和测温点2温升不等，与预期设想不符，经分析，可能是样机内部复杂热环境对测温点1和2的散热影响程度不同导致的。

考虑数字电影放映机内部热环境极其复杂，高功率氙灯、复杂风道乃至控制电路等对DMD散热均会产生影响，试验结果与理想情况下的计算结果必然存在偏差。总体上看，试验结果在趋势和数值上均与计算相一致，并且样机测试也表明，散热设计能够保证DMD工作温度满足要求，可以认为，针对DMD各测温点进行的温升计算方法正确合理，所设计的强迫液体冷却散热方案具有可行性和可靠性。

5 结 论

根据DLP电影放映机DMD热负荷及散热条件，设计了强迫液体冷却散热结构及方案；根据热传递特性划分散热路径，逐段进行了温升计算，结果显示，在所设计的液冷散热方案下，DMD各测温点温升满足要求；通过样机进行了散热验证试验，验证了热设计方案及温升计算的可靠性和正确性。

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

WANG Fei，ZHOU Liansheng，FANG 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

国家863高技术计划项目

王飞(1988-)，男(汉族)，吉林舒兰人。研究实习员，硕士，主要研究是精密光电仪器结构设计。E-mail: feiwangscu@163.com。