高功率显示设备荧光轮的热设计

航空工业西安航空计算技术研究所 吴 波 赵 亮 杨明明 郭建平 白振岳

对激光显示设备中的荧光轮进行有效的热管理是此类显示设备工程实现上的一个难点。本文依据真实的激光显示设备提出了一种“热辐射加液冷”的散热方案。根据实际物理模型进行了抽象简化，建立了荧光轮与液冷冷板及周围环境的热阻网络模型。进而对荧光轮的散热进行了热设计计算。计算结果表明，本文所提出的“热辐射加液冷”的散热方案能够对荧光轮进行有效的热管理，方案具备可行性。

激光投影显示技术可以真实地再现客观世界，具有强大的的表现力。激光激发荧光轮是一种主流的发光方案。荧光轮上的荧光材料在工作时会产生大量的热。对荧光材料发热实施有效的热管理对激光显示设备具有十分重要的意义。

受到光路系统的限制，荧光轮需要被放置在相对狭小的空间内，而它的功耗很高，如何有效散热是一个棘手的问题。采用液冷是解决高功耗散热问题的常用手段。然而，由于荧光轮在工作时处于旋转状态，外部冷却工质无法通过管路直接与之相连而将热量带走。为解决这一问题，本文提出了一种“辐射加液冷”的散热方案，即先通过热辐射方式使得热量被液冷冷板吸收，液冷循环再将热量带走。本文依据一款真实的激光显示设备，对其荧光热源的“辐射加液冷”散热方案进行了热设计计算，论证了方案的可行性。

图1 激光显示设备原理图

图2 荧光轮实物

1 物理模型

本文所涉及的这类激光显示设备的有蓝色激光、红色激光和荧光轮等部件组成，如图1所示。由于光路设计的需要，荧光轮被安装在一个腔体内，只能通过热辐射的方式对其散热。如图2所示为荧光轮的实物，外边缘环状的黄色区域为荧光粉区域，在此区域实现光学转化。在与荧光轮平行的另一个面上设计一个圆形的液冷冷板，用于通过热辐射吸收荧光轮的热量。此液冷冷板与荧光轮同轴且共形，简化的模型图解如图3所示。

图3 荧光轮散热方案图解

2 设计计算

荧光轮处的冷板与荧光轮采用共形设计，具有相同的半径L，荧光粉区域环装宽度为D，冷板与荧光轮间距为H。散热方案拟将冷板平行置于发热面正下方，通过热辐射的方式将荧光轮处热量疏散至冷板。其中半径L为0.1m，其他尺寸的具体定义如下：

荧光轮发热面为面1，冷板吸热面为面2，密闭空间环境面为面3，环境面表面积相比荧光轮大得多，取表面热阻为零，冷板采用热辐射增强涂层处理，按照黑体模型处理，则辐射热阻网络如图4所示。其中Eb1、Eb2和Eb3为各表面的热源电动势，J1J2和J3为各表面有效辐射，R1为表面1的表面辐射热阻，R2为表面1和表面2之间的空间辐射热阻，R3为表面1和表面3之间的空间辐射热阻，R4为表面2和表面3之间的空间辐射热阻。荧光轮发热高功率为100W，温控目标为在稳态情况下使其温度控制在350℃以下。

图4 辐射热阻网络

荧光粉的发射率取为0.96，铝板的发射率取为0.3，荧光轮整体发射率按铝板面积和荧光粉加权计算，即：

查表可知冷板与荧光轮之间的角系数为0.95。那么各面之间的角系数为：

根据辐射热阻的计算公式可计算出各处热阻如下：

对节点J1应用基尔霍夫定律列平衡方程如下：

表面1处荧光轮的温度取为最大温控目标温度，即300℃；表面2处冷板的度假定为恒定在70℃；表面3处环境温度假定为40℃。根据四次方定律，可计算出各处热源电动势为：

则荧光轮换热量为：

计算结果表明，在稳态情形下，假定荧光轮处温度为温控目标的最大值的情况下，荧光轮辐射换热量为131.7W，大于荧光轮处功耗100W，说明这种方案能够完成预定的温控目标，具有可行性。

结语：本文依据一款真实的激光显示设备，针对其中高功耗的荧光轮散热问题，提出了一种“热辐射加液冷”的散热方案。根据实际物理模型进行了抽象简化，建立了荧光轮与液冷冷板及周围环境的热阻网络模型。基于此热阻网络模型，对荧光轮的散热进行了热设计计算。计算结果表明，本文所提出的“热辐射加液冷”的散热方案能够对荧光轮进行有效的热管理，方案具备可行性。