關(guān)于短焦投影機的優(yōu)化研究

黃贄華

摘 要：短焦投影技術(shù)是近年來興起的一項新型投影顯示技術(shù)。本文簡要介紹了短焦投影機工作原理及其特點，并針對短焦投影機設(shè)計難點對其進行優(yōu)化，從短焦投影機的散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、冷卻風(fēng)扇、結(jié)構(gòu)部品、塑料材料以及零部品壁厚等方面，對短焦投影機結(jié)構(gòu)方案及設(shè)計流程優(yōu)化進行探討。

關(guān)鍵詞：投影機；散熱結(jié)構(gòu)；設(shè)計；優(yōu)化

引言

1.投影機概述

投影機在各類學(xué)校教室及公司的會議室的運用已相當(dāng)普及，目前朝短焦距投影和高亮度方面發(fā)展。短焦距投影機具有不受投影機光線干擾的優(yōu)點，解決了演講者自身投影到屏幕形成陰影；也解決演講者受到投影機光線入眼影響等問題。短焦投影機如果亮度達(dá)到2800流明以上，不需要黑暗環(huán)境，在日光燈照射的會議室或教室內(nèi)就可以投射出明亮的圖像，演講者與觀眾之間互動更加便利，增添了演講者魅力。

短焦投影機的投影工作原理圖，投射鏡頭采用廣角式大投射鏡頭，通過變焦直投方式可以實現(xiàn)距屏幕600mm距離內(nèi)投射出80英寸的畫面。這種投射鏡頭的特點是前部凸出且呈拋物狀，在高度與寬度方面的尺寸比通用投射鏡頭大1.3倍左右，它的另一個特點是光學(xué)組件系統(tǒng)重量增加20%。為了市場競爭需求，客戶要求短焦投影機外觀尺寸要減少10%左右，整機重量不能大于通用投影機的重量，因為廣角式大投射鏡頭的尺寸比通用鏡頭大，外觀尺寸又要減少，造成短焦投影機設(shè)計難度提升，這些難點是（1）外觀尺寸減少后，采用新散熱結(jié)構(gòu)方案要有利于產(chǎn)品的內(nèi)外熱量交換，不能有異常溫度點出現(xiàn)（2）整機重量減少的有效對策是塑料件肉厚減薄，肉厚減薄會導(dǎo)致塑料件強度下降，組裝困難，在沒有實物模型情況下，需要模擬出變形量。具體到結(jié)構(gòu)部品，主要研究安裝有光學(xué)系統(tǒng)的底座，當(dāng)肉厚減薄后，要有足夠的機械剛度，在碰撞、跌落過程，底座的塑料材料不能受力大變形，影響光學(xué)引擎系統(tǒng)穩(wěn)定。短焦投影機的機殼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可分為外觀結(jié)構(gòu)部品（上蓋、底座）、內(nèi)部結(jié)構(gòu)部品（散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電源整流保護罩等）、安裝光學(xué)棱鏡和投影鏡頭的光學(xué)引擎組件。

2.短焦投影機結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及優(yōu)化

2.1短焦投影機散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)方案分析

投影機會發(fā)光、發(fā)熱。當(dāng)投影機工作時，整流模塊、液晶板、燈泡這些零件會產(chǎn)生大量的熱量，通過熱傳導(dǎo)作用，使周圍空氣溫度不斷提高，造成外殼的溫度分布不均衡。根據(jù)《GB4943.1-2011》要求，可能接觸的設(shè)備外表面溫度為70℃以下。目前投影機主流散熱方式：周圍環(huán)境空氣通過冷卻通道由風(fēng)扇吸入機體內(nèi)部，通過強制對流方式，把內(nèi)部熱量通過冷卻通道排出機外。散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)要求，機體內(nèi)部有足夠冷熱空氣交換空間，但是客戶要求短焦投影機外觀尺寸減少10%左右，針對這個課題，提出（如圖1）三個散熱結(jié)構(gòu)方案。對方案進行詳細(xì)的研究，最終采用方案C，理由如下論述，方案A特點：整機（長：380mm寬：260mm高：76mm）正表面積（0.38*0.26=0.098m2）體積（0.38*0.26*0.076≈0.008m3）厚度可以最薄，冷卻線路曲折，需要4個風(fēng)扇，熱氣流前排出，會影響圖面質(zhì)量，I/O輸入輸出基板在后端，目視可見輸入輸出線材。方案B特點：整機（長：350mm寬：390mm高：90mm）正表面積（0.35*0.39=0.1365m2）體積（0.35*0.39*0.09≈0.012m3）整機正表面和體積最大；冷卻線路曲折進氣，電源模塊冷卻效果

不高；熱氣流前排出，會影響圖面質(zhì)量；I/O輸入輸出基板在前端，安裝時，易與投影圖面干涉，整機體積大，結(jié)構(gòu)件材料多，性價比低。方案C特點：長：350mm寬：300mm高：90mm；正表面積（0.35*0.3=0.105m2）；體積（0.35*0.3*0.09≈0.01m3）；整機正表面和體積接近方案B；冷卻線路簡單，不會在整機內(nèi)部形成渦流。熱氣流右側(cè)排出，不影響圖面質(zhì)量。因為要采用廣角式大投射鏡頭，產(chǎn)品高度方向應(yīng)適當(dāng)增加，方案C也有利于外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2冷卻風(fēng)扇選用

風(fēng)扇型號，規(guī)格眾多，要想解決風(fēng)扇選型問題，要從投影機產(chǎn)生熱量大小入手，用功耗與風(fēng)量公式來推定短焦投影機所需風(fēng)量Q，雖然外部的空氣可控制在25℃，但短焦投影機安裝空間狹小，穩(wěn)定工作時，吸入投影機的空氣可達(dá)35℃～40℃。，必須按環(huán)境溫度40℃時論證（空氣在40℃時的比熱容Cp=1013kJ/（kg·℃），空氣的密度1.128kg/m3），代入公式（1）得：

散熱結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計方案C中，我們以冷卻線路（光學(xué)引擎-電源模塊）風(fēng)扇型號為例，先統(tǒng)計這個冷卻線路發(fā)熱部件的功耗，再根據(jù)公式計算出風(fēng)量，短焦投影機整流模塊功率：220W，使用效率85%，余下15%轉(zhuǎn)化熱量：220W*15%=33W；液晶面板功率：130W，使用效率85%，余下15%轉(zhuǎn)化熱量：130W*15%=23W以上合計發(fā)熱量：33W+23W=56W，根據(jù)《GB4943.1-2011》要求規(guī)定：設(shè)備外表面溫度不超過70℃，為了有設(shè)計余量，設(shè)定短焦投影機工作時各結(jié)構(gòu)件溫度不超過60℃，外部環(huán)境溫度40℃，設(shè)定ΔT=20代入公式（2）得：

整流模塊和液晶板冷卻風(fēng)扇可以選擇軸流風(fēng)扇，特點：風(fēng)量大，風(fēng)壓小，驅(qū)動大流量氣體流動。將系統(tǒng)風(fēng)阻曲線和風(fēng)扇規(guī)格中的阻力特性曲線放在一起，找到一個交點，這點即是風(fēng)扇在此系統(tǒng)中工作的工作點（Q，Pa），但是系統(tǒng)風(fēng)阻曲線通過風(fēng)洞實驗測定出，在沒有整機的情況下，根據(jù)通用投影機經(jīng)驗，動作風(fēng)量設(shè)定在最大風(fēng)量30%左右。風(fēng)扇工作點還要滿足：工作點風(fēng)量大于必要風(fēng)量（0.147m3/min）確定使用某型號的風(fēng)扇后，該風(fēng)扇是否適用于短焦投影機還需驗證。可向廠家索取風(fēng)扇3D結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，用于散熱風(fēng)道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和散熱原型機試做，我們也測定相關(guān)部位溫度情況，測定位置的溫度最高達(dá)到59℃，符合《GB4943.1-2011》要求，因此驗證風(fēng)扇選型正確性。

2.3短焦投影機結(jié)構(gòu)部品設(shè)計流程及優(yōu)化方法

短焦投影機結(jié)構(gòu)設(shè)計是整體概念到單一零件詳細(xì)設(shè)計過程，它的結(jié)構(gòu)零件有1000多個，裝配關(guān)系復(fù)雜，對于Pro/Enginee這種通用的純參數(shù)化軟件，參數(shù)設(shè)定太多，在修正、變更零件數(shù)據(jù)后，會遇到重新生成速度慢或重新生成失敗，這個失敗是參數(shù)之間相互干涉造成的，且參數(shù)設(shè)定太多，失敗原因不易查找，影響了設(shè)計者的思維展開和工作效率。針對這個課題，提出的解決方案是采用Pro/Enginee的Top-DownDesign架構(gòu)，是一種由上至下、由簡至繁的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)架構(gòu)，符合影機結(jié)構(gòu)設(shè)計者思路，只傳遞重要設(shè)計參數(shù)（坐標(biāo)系）給各個子組件，子部品詳細(xì)設(shè)計時應(yīng)使用該參照系（坐標(biāo)系），禁止引用其他部品定位參數(shù)，解決參數(shù)之間相互干涉問題，從而更有效率的對整個設(shè)計進行規(guī)劃、修正、變更等。

2.4塑料材料的種類及選用

投影機作為一款商業(yè)產(chǎn)品，外觀顏色一般是白色，白色的外殼在使用1～2年后，一些部位顏色由白變黃、粉化等，影響整機美感和使用壽命。這個黃變原因，是材料不耐紫外線，對常用4種不同工程塑料進行分析，分別是①PS塑料，是指大分子鏈中包括苯乙烯基的這類樹脂，耐酸堿腐蝕，與二氯乙烯、香蕉水等有機溶劑相溶，在耐熱性，紫外光穩(wěn)定性差。因投影機的燈泡會產(chǎn)生高溫和產(chǎn)生紫外線，PS塑料材料不適合用于投影機。②聚碳酸酯（簡稱：PC塑料），含有碳酸酯基的分子鏈高分子樹脂聚合物，外觀無色透明，硬度、沖擊強度高。注塑成型零件尺寸穩(wěn)定性高、耐熱性和電絕緣性能優(yōu)良。PC塑料材料適合用于投影機零件，但是PC塑料原材料價格高。③ABS塑料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的聚合物，是一種成型優(yōu)秀的工程塑料。樹脂原材料價格低，但是材料阻燃性低，需要添加阻燃劑才能提高阻燃等級。ABS塑料材料適合用于投影機零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)或外觀沒有阻燃要求的零件。④PC+ABS塑料則是由PC塑料和ABS塑料這兩種原料按一定比例合成的工程塑料，原料價格在PC和ABS之間，PC+ABS塑料遺傳了兩種材料的優(yōu)異特性。

雖然工程塑料廠家繁多，考慮到投影機的燈泡會產(chǎn)生高溫和紫外線，為防止外觀產(chǎn)品黃變，應(yīng)優(yōu)先使用耐紫外線的材料-例如拜耳拜本蘭系列PC+ABSFR3010IF，該材料運用在投影機的外殼以后，通過跟蹤學(xué)校等客戶使用2～3年情況，沒有發(fā)現(xiàn)外殼顏色變黃、脆化等現(xiàn)象。

3.結(jié)語

綜上所述，短焦投影機具有節(jié)約空間、陰影小等優(yōu)點，也有利于身體健康，目前其在市場需求旺盛，發(fā)展前景光明。短焦投影機優(yōu)點固然多，但也存在不少弊端，除了售價偏高，其設(shè)計方面也存在難點；Pro/E設(shè)計流程制定、零件材料和變形量校核影響到產(chǎn)品設(shè)計效率和產(chǎn)品品質(zhì)，實踐證明：在解決以上兩個難點后，不僅縮短了設(shè)計周期，外觀尺寸和重量也達(dá)到了要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，只有很好的解決目前現(xiàn)有問題、設(shè)計更加先進的產(chǎn)品才能使得短焦投影機真正成為市場的主流。

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