LED影廳的系統(tǒng)散熱設(shè)計研究與實踐

【摘要】2024年是影院LED顯示屏大規(guī)模應(yīng)用元年，以“中影科技”為代表的國產(chǎn)廠商，充分利用中國LED產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)與制造優(yōu)勢，對電影傳統(tǒng)放映技術(shù)進行了突破與新的實踐。無論是膠片式放映機還是數(shù)字電影放映機，都是基于投影的技術(shù)，是放映機將光影投向銀幕，反射入人眼的一種技術(shù)，而影院LED顯示屏完全不同于傳統(tǒng)投影技術(shù)，它是基于LED的直顯設(shè)備。這兩種技術(shù)形態(tài)的產(chǎn)品在設(shè)計和使用上有著本質(zhì)的區(qū)別，尤其是在影廳的布局上，為了達到設(shè)備的穩(wěn)定運行，其系統(tǒng)級的散熱設(shè)計需要依據(jù)放映設(shè)備本身的特性進行合適的設(shè)計。本文通過分析不同放映設(shè)備的形態(tài)和散熱要求，結(jié)合影廳布局，對新興的影院LED顯示屏的系統(tǒng)散熱設(shè)計進行了系統(tǒng)的研究，并給出了實用的設(shè)計建議。

【關(guān)鍵詞】LED影廳 放映機散熱 散熱系統(tǒng) 光源

一、傳統(tǒng)電影放映設(shè)備的形態(tài)特性及其散熱方式

從1894年世界上第一臺膠片電影機誕生一直到數(shù)字放映技術(shù)普及之前，上百年間電影放映設(shè)備主要依賴于膠片放映機。膠片放映機由幾個關(guān)鍵部分組成：膠片輸送系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、鏡頭系統(tǒng)以及聲音同步系統(tǒng)。

膠片輸送系統(tǒng)：這是放映機中最復(fù)雜的部分之一，負責(zé)將膠片以恒定的速度通過放映機的核心部件。膠片通過一系列的滾輪和齒輪進行傳送，確保每秒通過鏡頭的膠片長度固定，從而保證影片播放的流暢性。

光源系統(tǒng)：早期的放映機多采用氙燈作為光源。氙燈具有高亮度，能夠提供足夠的光線穿透膠片，投射到銀幕上。

鏡頭系統(tǒng)：鏡頭系統(tǒng)負責(zé)將來自光源的光線聚焦并通過膠片最終投射到銀幕上。不同的鏡頭可以產(chǎn)生不同大小的影像，適應(yīng)不同尺寸的銀幕。

聲音同步系統(tǒng)：除了圖像外，聲音同樣重要。傳統(tǒng)膠片上有一條專用于記錄聲音的軌道，放映機上的聲音讀取裝置會將這些信息轉(zhuǎn)換成聲音信號，通過揚聲器播放出來。

由于膠片的材料大多為樹脂等有機材料，其本身雖然在耐高溫上有一定限制，但是由于膠片通過轉(zhuǎn)盤迅速的轉(zhuǎn)動，光源的熱量在膠片上無法有效積累，所以，膠片仍然能夠承受大功率的氙燈光源產(chǎn)生的熱量。35mm膠片放映機所采用的氙燈光源功率可高達7000W， IMAX 70mm膠片放映機所采用的氙燈光源功率可高達15000W[1]

1987年美國TI創(chuàng)造出世界上第一顆DLP芯片，在接下來的15年內(nèi)，放映機完成了從膠片時代到數(shù)字時代的轉(zhuǎn)換。數(shù)字電影放映機由幾個關(guān)鍵部分組成：光學(xué)引擎系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、鏡頭系統(tǒng)以及媒體播放服務(wù)器系統(tǒng)。

數(shù)字電影放映機在光學(xué)系統(tǒng)架構(gòu)上仍然是一種投影技術(shù)，光源仍然是氙燈或汞燈，其散熱系統(tǒng)仍然是以風(fēng)扇驅(qū)動的強制對流散熱為主。由于DLP芯片相對更強的耐高溫特點，使得滿足更大銀幕的放映機成為可能，放映機的亮度可以高達60000流明，氙燈功率更是高達6000瓦。

2010年之后，激光光源開始逐步取代傳統(tǒng)放映機中的燈泡[2]，并在中國進行了快速替換，目前中國市場的新機出貨主要以激光光源放映機為主，燈泡光源的放映機出貨占比已降至個位數(shù)；存量市場的燈泡放映機也正在被激光光源的放映機快速替代。

無論是傳統(tǒng)的燈泡光源，還是現(xiàn)在的激光光源，數(shù)字電影放映機在工作時，光源系統(tǒng)仍然是產(chǎn)生熱量的主要來源，光源系統(tǒng)雖然提供了強大的亮度支持，但同時也伴隨著高溫問題。如果不妥善處理散熱，可能會導(dǎo)致設(shè)備過熱和放映間的環(huán)境溫度過熱，進而影響放映質(zhì)量和設(shè)備壽命。

電影放映設(shè)備的散熱系統(tǒng)組成：

內(nèi)置風(fēng)扇設(shè)計：數(shù)字電影放映機都配備了內(nèi)置風(fēng)扇系統(tǒng)，通過強制空氣循環(huán)帶走設(shè)備內(nèi)部的熱量。這些風(fēng)扇通常安裝在關(guān)鍵部位附近，如燈箱周圍，以便直接冷卻發(fā)熱元件。

空氣導(dǎo)流設(shè)計：除了風(fēng)扇以外，合理的空氣風(fēng)道導(dǎo)流設(shè)計也非常關(guān)鍵。放映機內(nèi)部會有專門設(shè)計的導(dǎo)風(fēng)道，使得冷空氣能夠有效地進入并包圍或流經(jīng)發(fā)熱元件，然后將加熱后的空氣引導(dǎo)至機器外部排放。

散熱材料的應(yīng)用：在現(xiàn)代的數(shù)字放映設(shè)備中，還會使用特殊的散熱材料，比如熱管技術(shù)、熱電制冷技術(shù)和水冷散熱技術(shù)，它們都屬于熱傳導(dǎo)技術(shù)的一種實現(xiàn)方式。

溫控系統(tǒng)：現(xiàn)代的一些放映機還可能配備自動溫控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備外部的環(huán)境溫度和內(nèi)部關(guān)鍵元器件和區(qū)域的溫度，并根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速或其他散熱措施，以達到最佳的散熱效果。

此外，還有建筑排風(fēng)系統(tǒng)。建筑排風(fēng)系統(tǒng)是利用影院建筑的排風(fēng)系統(tǒng)，將放映機產(chǎn)生的熱量通過特定的排風(fēng)管道，直接排出到影院外部的裝置，它是保持放映間環(huán)境溫度適宜和設(shè)備正常運行的關(guān)鍵散熱系統(tǒng)。

數(shù)字電影放映機的散熱系統(tǒng)會綜合運用熱對流和熱傳導(dǎo)技術(shù)，熱輻射技術(shù)則較少使用。

激光光源是半導(dǎo)體光源，通常先采用熱管散熱器或者水冷散熱器將光源熱量傳導(dǎo)至散熱片，再由風(fēng)扇通過空氣對流方式將熱量從散熱片排出放映機。放映機的排熱量通常在1000瓦以上，持續(xù)的熱量在放映機堆積，會導(dǎo)致放映間的溫度升高，進而導(dǎo)致放映機的環(huán)境溫度升高，為了使放映機能夠工作在一個正常的環(huán)境，通常會設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)將放映機的熱量快速抽走，使其不引起放映間環(huán)境溫度的升高進而影響放映設(shè)備的正常運行。對于較為開闊的放映間，且放映機排熱量較小時，也可以使用放映機的自排風(fēng)系統(tǒng)，通過放映間和外界自然空氣對流的方式自然散熱。

二、影院LED顯示屏的產(chǎn)品形態(tài)和熱設(shè)計

影院LED顯示屏系統(tǒng)包括LED顯示屏、顯示控制系統(tǒng)、電影播放服務(wù)器、聲音系統(tǒng)，和立體放映系統(tǒng)等[4]。

LED顯示屏是半導(dǎo)體發(fā)光顯示技術(shù)，由LED箱體拼接而成，是系統(tǒng)發(fā)熱的主要部分。根據(jù)顯示屏尺寸的大小，其發(fā)熱量從1000W至40000W不等，例如，中影科技的CFL-3型號的電影屏功率只有2500W，而CFL-20這款20米的影院顯示屏功率高達36000W。每個LED箱體由LED框架， LED燈板，控制卡， hub板，電源等模塊組成。其中，燈板是LED箱體發(fā)熱的主要部分，占到LED總發(fā)熱量的90%。以中影科技的CFL-20影院顯示屏為例，單個LED箱體的功耗分布： LED燈板105W，控制卡10W，電源10W。整屏由橫向32個，豎向9個箱體組成，共計288個箱體，在全屏打白光且設(shè)置到最高亮度時，系統(tǒng)功率高達36000W。

需要說明的是，電影屏的最高功率是在全屏打白光時的功率，并不是實際運行時的實際功耗，由于影片平均亮度遠低于白屏亮度，所以電影屏實際運行時的功耗遠小于系統(tǒng)最大功率，較為典型的影片，其內(nèi)容平均亮度通常為白屏亮度的20% ～50%左右。

雖然LED箱體的主要發(fā)熱部件是LED燈板，但是由于LED燈板面積較大，其熱密度通常較小，例如CFL - 20的單個LED箱體尺寸為640mm×1200mm，其熱密度只有136. 7W/ m2或0. 01367 W/ cm2，根據(jù)GB/ T 31845-2015的推薦，采用自然冷卻的散熱方式即可。而內(nèi)部的控制卡和電源模塊，由于自身已經(jīng)帶有散熱系統(tǒng)，無需對其進行特別的設(shè)計，可以認為是自然散熱。

而整屏的功耗卻不可忽視，其最高功率高達36000W，即使典型功耗也有10000W左右，其對影廳的熱影響不可以忽視。

三、LED影廳的散熱設(shè)計研究與實踐

傳統(tǒng)影院由于采用投影放映機的形式，其建筑布局基本上分為放映間和影廳兩部分。

放映間設(shè)置單獨的抽風(fēng)管道將放映機的熱量帶走；而影廳的新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)只負責(zé)室溫的調(diào)節(jié)。當放映設(shè)備采用LED顯示屏?xí)r，放映設(shè)備由放映機變?yōu)長ED電影屏，放置位置由放映間變?yōu)閭鹘y(tǒng)銀幕區(qū)域，其主要熱量也由放映間轉(zhuǎn)移到了影廳內(nèi)部，且集中于顯示屏區(qū)域。雖然LED顯示屏本身可以采用自然散熱的形式，但是整屏的熱量巨大，其對影廳的影響不可忽視，如果處理不好，將會使整個影廳的環(huán)境溫度升溫，進而使設(shè)備運行的可靠性和觀眾的體感舒適度受到影響。影廳的熱力分布可以通過Flotherm或FLoEFD等熱仿真軟件進行分析，以中影科技CFL-16為例，我們通過三種工況來進行仿真分析：

工況1：在沒有LED顯示屏?xí)r，仿真輸入條件如下：

（1）假設(shè)滿場，按220人計，估算考慮人靜坐時總發(fā)熱量22KW[5]

（2）其它廳內(nèi)設(shè)備預(yù)估2KW

（3）熱交換介質(zhì)：空氣

（4）環(huán)境溫度： 25℃

（5）影廳空調(diào)系統(tǒng)分布（按照中影國際影城天天中影CINITY店的實際空調(diào)布局）：

在頂部均布16個空調(diào)進風(fēng)口和2個回風(fēng)口，第1行（靠近LED屏這一側(cè)）空調(diào)進風(fēng)量560 m3/ h，第2行空調(diào)進風(fēng)量500m3/ h，第3行空調(diào)進風(fēng)量480m3/ h，第4行空調(diào)進風(fēng)量400m3/ h，

總進風(fēng)量6800m3/ h，進風(fēng)溫度為18℃， 2個回風(fēng)口回風(fēng)量也為6800m3/ h，進排風(fēng)口分布如圖3所示：

由仿真分析結(jié)果可知：廳內(nèi)溫升只有1. 7℃，目前廳內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的制冷能力基本可以滿足廳內(nèi)在滿員情況下的熱負載要求。

工況2：與工況1完全一致的情況下，增加LED顯示屏， CFL-16型號的最大功耗為25KW。

由仿真分析結(jié)果可知：

（1）由于重力原因，通過被LED顯示屏加熱后的熱氣流會向上走，熱氣堆積到屏體上方（影廳頂部），并且向觀眾區(qū)擴散。觀眾自身產(chǎn)生的熱氣流則由后部向上方流動，并在影廳頂部中間區(qū)域和屏體產(chǎn)生的熱氣流交匯，并向下向觀眾區(qū)進行熱量擴散。

（2）相應(yīng)的，整屏溫度分布也會導(dǎo)致上部溫升高于下部，上下溫差超過了4℃。屏體過高的溫差會導(dǎo)致LED衰減不一致，長時間運行會導(dǎo)致整屏出現(xiàn)色差。

（3）同時由于空調(diào)制冷能力不足，被加熱后的熱氣流會在廳內(nèi)不斷循環(huán)，影廳整體溫升約11. 3℃，屏體溫度超過39℃，觀眾區(qū)超過37℃，會導(dǎo)致體感較熱。

工況3：與工況2完全一致的情況下，增加頂部排風(fēng)系統(tǒng)，輸入條件如下：

（4）在全部廳內(nèi)空調(diào)設(shè)計與工況條件1完全一致的情況下，在LED顯示屏的上下增加進風(fēng)與排風(fēng)口。

（5）進排風(fēng)系統(tǒng)尺寸：在LED顯示屏頂部均勻布置8個0. 4？0. 4米的排風(fēng)口，每個排風(fēng)口的排風(fēng)風(fēng)速3m/ s。

（6）同時在LED顯示屏底部均勻布置8個0. 4？0. 4米的進風(fēng)口，每個進風(fēng)口的進風(fēng)風(fēng)速3m/ s

（7）進排風(fēng)系統(tǒng)排風(fēng)量： 3. 84m3/ h。

由仿真分析結(jié)果可知：

（1）排風(fēng)系統(tǒng)可將上升的熱氣流迅速排走，避免熱氣堆積，進而降低屏體溫度熱力分布不均，上下部溫差小于2℃。

（2）影廳整體溫升只有約2度，可有效降低影廳的溫升，使觀眾體感溫度保持在舒適范圍內(nèi)。

中影國際影城（天天中影CINITY店）的排風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)CFL-16的仿真散熱分析結(jié)果，對新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)按照工況3進行了重新的設(shè)置和調(diào)整，使屏體上部和下部的溫差由改造前的4度降低為2度；同時，影廳內(nèi)的溫升由改造前的11度降低為1-2度，大大改善了觀眾的觀影環(huán)境的舒適度。

四、影院LED顯示屏的系統(tǒng)散熱設(shè)計建議

根據(jù)影院LED顯示屏的產(chǎn)品形態(tài)和其本身的散熱特性，我們可以看到，相比于傳統(tǒng)投影放映機的散熱設(shè)計，影院LED顯示屏的系統(tǒng)散熱設(shè)計需要在整體空間布局上進行調(diào)整，排風(fēng)系統(tǒng)需要根據(jù)影院屏的發(fā)熱量設(shè)定合適的排風(fēng)量，影廳內(nèi)的散熱設(shè)計和建議總結(jié)如下：

1、根據(jù)設(shè)計或?qū)崪y確定影院屏的最大功率？LED，并估算LED顯示屏的熱輻射功率？LEDf

2、需要考慮觀眾自身產(chǎn)生的熱量對影廳溫度的影響。可以根據(jù)《JGJ58-2008電影院建筑設(shè)計規(guī)范》推薦的人發(fā)熱全量參考值96W？觀眾人數(shù)進行評估，設(shè)其總熱量？R。

3、根據(jù)廳內(nèi)座位數(shù)量確認新風(fēng)量？N及其所需求制冷量？K，新風(fēng)量計算可根據(jù)《GB/ T21048 -2007電影院星級的劃分與評定》。

4、確認廳內(nèi)其它設(shè)備（譬如照明、音響等）的功耗？s，，通?？珊雎圆挥嫛?/p>

5、確定影廳空調(diào)系統(tǒng)的總需求制冷功率？N+？K=？LED+？R+？s。

6、根據(jù)公式Q = （？N+？K） / Cp？ΔT，計算影廳所需的總排風(fēng)量Q。ΔT取值為我們期望的溫升。

7、影廳總排風(fēng)量的需要一定的裕量設(shè)計，推薦值為設(shè)計值Q的1. 2-1. 5倍。

8、LED顯示屏的散熱排風(fēng)口設(shè)計在屏體頂部，盡可能覆蓋屏體正上方和其上前方位置，建議的區(qū)域大小為覆蓋屏體寬度；觀眾區(qū)域的可保持傳統(tǒng)影廳的空調(diào)布局。

9、當沒有條件設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)時，空調(diào)系統(tǒng)需要滿足：

（1）制冷量：？K要增加LED顯示屏的對流換熱量？LEDn。

（2）空調(diào)出風(fēng)口不可以對著屏體表面，避免水汽冷凝對燈板電路造成短路。

五、總結(jié)與展望

影院LED顯示屏是一種新型的放映系統(tǒng)，其散熱特點完全不同于傳統(tǒng)的投影放映系統(tǒng)，其散熱要求對影廳的布局和排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計或空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，都提出了全新的要求，這需要在影廳建設(shè)時就進行考慮。如果只按照傳統(tǒng)的投影放映機的系統(tǒng)散熱要求進行設(shè)計，很可能會出現(xiàn)影院LED顯示屏的散熱受限，這不僅會對顯示屏的壽命和光學(xué)表現(xiàn)造成影響，還會對觀眾的體感溫度造成影響。影院LED顯示屏的系統(tǒng)散熱設(shè)計要充分考慮屏體的最大功耗、影廳排風(fēng)系統(tǒng)的排風(fēng)量或者空調(diào)系統(tǒng)的制冷量，排風(fēng)口的位置關(guān)系，以及星級影院的環(huán)境舒適度等要求來進行合理設(shè)計。

未來，可以將期望的廳內(nèi)環(huán)境溫度T、實際播放不同影片類型（注： SDR/ HDR/3D三種模式下的亮度設(shè)置是不同的，具體數(shù)值可參考廠商推薦的規(guī)格）時的屏體典型功耗？T（非整屏打白光時的最大功耗）、觀影人數(shù)R這三種變量和排風(fēng)量、制冷量進行關(guān)聯(lián)設(shè)計，使其成為一種自動化的影廳散熱系統(tǒng)，該系統(tǒng)在滿足LED顯示屏可靠運行和觀影舒適度的同時，可以更加高效節(jié)能。

注釋

[1]北京旅游網(wǎng)， 2022-02-10，《中國科技館巨幕影院傾情推出膠片電影落幕演出》。網(wǎng)址： https： / / www. visitbeijing. com. cn/ article/47Qkt3lgd51

[2]《現(xiàn)代電影技術(shù)》2017年第5期，從數(shù)字放映系統(tǒng)的演變看數(shù)字影院技術(shù)的發(fā)展趨勢，作者：中影巴可（北京）電子有限公司 陳凡 朱國華 籍雪煒 徐鶴然

[3]《GB/ T 31845電工電子設(shè)備機械結(jié)構(gòu) 熱設(shè)計規(guī)范》， 2015年， A. 5. 1風(fēng)機冷卻時的風(fēng)量計算

[4]《Q110116CFC DYT 3影院LED顯示屏放映系統(tǒng)技術(shù)要求及測量方法》， 2023年，中國電影股份有限公司企業(yè)標準

[5]《JGJ58- 2008電影院建筑設(shè)計規(guī)范》， 2008年，表8. 2. 5數(shù)據(jù)計算