关于短焦投影机的优化研究

黄贽华

摘 要：短焦投影技术是近年来兴起的一项新型投影显示技术。本文简要介绍了短焦投影机工作原理及其特点，并针对短焦投影机设计难点对其进行优化，从短焦投影机的散热结构系统、冷却风扇、结构部品、塑料材料以及零部品壁厚等方面，对短焦投影机结构方案及设计流程优化进行探讨。

关键词：投影机；散热结构；设计；优化

引言

1.投影機概述

投影机在各类学校教室及公司的会议室的运用已相当普及，目前朝短焦距投影和高亮度方面发展。短焦距投影机具有不受投影机光线干扰的优点，解决了演讲者自身投影到屏幕形成阴影；也解决演讲者受到投影机光线入眼影响等问题。短焦投影机如果亮度达到2800流明以上，不需要黑暗环境，在日光灯照射的会议室或教室内就可以投射出明亮的图像，演讲者与观众之间互动更加便利，增添了演讲者魅力。

短焦投影机的投影工作原理图，投射镜头采用广角式大投射镜头，通过变焦直投方式可以实现距屏幕600mm距离内投射出80英寸的画面。这种投射镜头的特点是前部凸出且呈抛物状，在高度与宽度方面的尺寸比通用投射镜头大1.3倍左右，它的另一个特点是光学组件系统重量增加20%。为了市场竞争需求，客户要求短焦投影机外观尺寸要减少10%左右，整机重量不能大于通用投影机的重量，因为广角式大投射镜头的尺寸比通用镜头大，外观尺寸又要减少，造成短焦投影机设计难度提升，这些难点是（1）外观尺寸减少后，采用新散热结构方案要有利于产品的内外热量交换，不能有异常温度点出现（2）整机重量减少的有效对策是塑料件肉厚减薄，肉厚减薄会导致塑料件强度下降，组装困难，在没有实物模型情况下，需要模拟出变形量。具体到结构部品，主要研究安装有光学系统的底座，当肉厚减薄后，要有足够的机械刚度，在碰撞、跌落过程，底座的塑料材料不能受力大变形，影响光学引擎系统稳定。短焦投影机的机壳结构系统可分为外观结构部品（上盖、底座）、内部结构部品（散热结构系统、电源整流保护罩等）、安装光学棱镜和投影镜头的光学引擎组件。

2.短焦投影机结构设计流程及优化

2.1短焦投影机散热结构系统方案分析

投影机会发光、发热。当投影机工作时，整流模块、液晶板、灯泡这些零件会产生大量的热量，通过热传导作用，使周围空气温度不断提高，造成外壳的温度分布不均衡。根据《GB4943.1-2011》要求，可能接触的设备外表面温度为70℃以下。目前投影机主流散热方式：周围环境空气通过冷却通道由风扇吸入机体内部，通过强制对流方式，把内部热量通过冷却通道排出机外。散热结构系统要求，机体内部有足够冷热空气交换空间，但是客户要求短焦投影机外观尺寸减少10%左右，针对这个课题，提出（如图1）三个散热结构方案。对方案进行详细的研究，最终采用方案C，理由如下论述，方案A特点：整机（长：380mm宽：260mm高：76mm）正表面积（0.38*0.26=0.098m2）体积（0.38*0.26*0.076≈0.008m3）厚度可以最薄，冷却线路曲折，需要4个风扇，热气流前排出，会影响图面质量，I/O输入输出基板在后端，目视可见输入输出线材。方案B特点：整机（长：350mm宽：390mm高：90mm）正表面积（0.35*0.39=0.1365m2）体积（0.35*0.39*0.09≈0.012m3）整机正表面和体积最大；冷却线路曲折进气，电源模块冷却效果

不高；热气流前排出，会影响图面质量；I/O输入输出基板在前端，安装时，易与投影图面干涉，整机体积大，结构件材料多，性价比低。方案C特点：长：350mm宽：300mm高：90mm；正表面积（0.35*0.3=0.105m2）；体积（0.35*0.3*0.09≈0.01m3）；整机正表面和体积接近方案B；冷却线路简单，不会在整机内部形成涡流。热气流右侧排出，不影响图面质量。因为要采用广角式大投射镜头，产品高度方向应适当增加，方案C也有利于外观结构设计。

2.2冷却风扇选用

风扇型号，规格众多，要想解决风扇选型问题，要从投影机产生热量大小入手，用功耗与风量公式来推定短焦投影机所需风量Q，虽然外部的空气可控制在25℃，但短焦投影机安装空间狭小，稳定工作时，吸入投影机的空气可达35℃～40℃。，必须按环境温度40℃时论证（空气在40℃时的比热容Cp=1013kJ/（kg·℃），空气的密度1.128kg/m3），代入公式（1）得：

散热结构系统设计方案C中，我们以冷却线路（光学引擎-电源模块）风扇型号为例，先统计这个冷却线路发热部件的功耗，再根据公式计算出风量，短焦投影机整流模块功率：220W，使用效率85%，余下15%转化热量：220W*15%=33W；液晶面板功率：130W，使用效率85%，余下15%转化热量：130W*15%=23W以上合计发热量：33W+23W=56W，根据《GB4943.1-2011》要求规定：设备外表面温度不超过70℃，为了有设计余量，设定短焦投影机工作时各结构件温度不超过60℃，外部环境温度40℃，设定ΔT=20代入公式（2）得：

整流模块和液晶板冷却风扇可以选择轴流风扇，特点：风量大，风压小，驱动大流量气体流动。将系统风阻曲线和风扇规格中的阻力特性曲线放在一起，找到一个交点，这点即是风扇在此系统中工作的工作点（Q，Pa），但是系统风阻曲线通过风洞实验测定出，在没有整机的情况下，根据通用投影机经验，动作风量设定在最大风量30%左右。风扇工作点还要满足：工作点风量大于必要风量（0.147m3/min）确定使用某型号的风扇后，该风扇是否适用于短焦投影机还需验证。可向厂家索取风扇3D结构数据，用于散热风道系统结构设计和散热原型机试做，我们也测定相关部位温度情况，测定位置的温度最高达到59℃，符合《GB4943.1-2011》要求，因此验证风扇选型正确性。

2.3短焦投影机结构部品设计流程及优化方法

短焦投影机结构设计是整体概念到单一零件详细设计过程，它的结构零件有1000多个，装配关系复杂，对于Pro/Enginee这种通用的纯参数化软件，参数设定太多，在修正、变更零件数据后，会遇到重新生成速度慢或重新生成失敗，这个失败是参数之间相互干涉造成的，且参数设定太多，失败原因不易查找，影响了设计者的思维展开和工作效率。针对这个课题，提出的解决方案是采用Pro/Enginee的Top-DownDesign架构，是一种由上至下、由简至繁的结构数据架构，符合影机结构设计者思路，只传递重要设计参数（坐标系）给各个子组件，子部品详细设计时应使用该参照系（坐标系），禁止引用其他部品定位参数，解决参数之间相互干涉问题，从而更有效率的对整个设计进行规划、修正、变更等。

2.4塑料材料的种类及选用

投影机作为一款商业产品，外观颜色一般是白色，白色的外壳在使用1～2年后，一些部位颜色由白变黄、粉化等，影响整机美感和使用寿命。这个黄变原因，是材料不耐紫外线，对常用4种不同工程塑料进行分析，分别是①PS塑料，是指大分子链中包括苯乙烯基的这类树脂，耐酸碱腐蚀，与二氯乙烯、香蕉水等有机溶剂相溶，在耐热性，紫外光稳定性差。因投影机的灯泡会产生高温和产生紫外线，PS塑料材料不适合用于投影机。②聚碳酸酯（简称：PC塑料），含有碳酸酯基的分子链高分子树脂聚合物，外观无色透明，硬度、冲击强度高。注塑成型零件尺寸稳定性高、耐热性和电绝缘性能优良。PC塑料材料适合用于投影机零件，但是PC塑料原材料价格高。③ABS塑料是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯的聚合物，是一种成型优秀的工程塑料。树脂原材料价格低，但是材料阻燃性低，需要添加阻燃剂才能提高阻燃等级。ABS塑料材料适合用于投影机零件内部结构或外观没有阻燃要求的零件。④PC+ABS塑料则是由PC塑料和ABS塑料这两种原料按一定比例合成的工程塑料，原料价格在PC和ABS之间，PC+ABS塑料遗传了两种材料的优异特性。

虽然工程塑料厂家繁多，考虑到投影机的灯泡会产生高温和紫外线，为防止外观产品黄变，应优先使用耐紫外线的材料-例如拜耳拜本兰系列PC+ABSFR3010IF，该材料运用在投影机的外壳以后，通过跟踪学校等客户使用2～3年情况，没有发现外壳颜色变黄、脆化等现象。

3.结语

综上所述，短焦投影机具有节约空间、阴影小等优点，也有利于身体健康，目前其在市场需求旺盛，发展前景光明。短焦投影机优点固然多，但也存在不少弊端，除了售价偏高，其设计方面也存在难点；Pro/E设计流程制定、零件材料和变形量校核影响到产品设计效率和产品品质，实践证明：在解决以上两个难点后，不仅缩短了设计周期，外观尺寸和重量也达到了要求。随着科学技术的发展，只有很好的解决目前现有问题、设计更加先进的产品才能使得短焦投影机真正成为市场的主流。

参考文献：

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