隨著投影機的市場蓬勃的發展，投影機從一臺重量從超過10磅，到現在的2～3磅，體積從超過Notebook的大小，到現在只有B5大小不到，其技術的進步，可說非常的快速，然而在價格方面，也從三、四十萬，降到了十萬元以下，有的機種甚至低于5萬元，在成本的降低與利潤的壓縮下，在投影機系統的機構設計方面，如何快速有效率完成系統所需要的設計，也面臨更大考驗。

其中系統冷卻設計將無法再使用傳統的經驗法則，如何與光路系統互相協調，并且兼顧各組件均溫的冷卻設計，則是產品成功與否的重要關鍵。在本文中，將說明系統冷卻設計的重要性，以及冷卻設計的考量重點，另外，還針對投影機系統熱流仿真與分析軟件做一說明與比較。

　

數字投影機走向高品質

近幾年來，由工研院光電所所主導的數字投影機的產業技術發展計劃，成功的開發出數字投影機技術，并技術移轉給國內的生產廠商。國內的廠商，經過這四年來的技術深耕，市場的開發，在臺灣的數字投影機產業，已經形成了群聚效應，許多的廠商已經成為外商大廠的OEM或是ODM的代工廠，顯示在量產的產能與品質技術上也達到國際的水準。

在圖1中，我們由工研院經資中心IT IS的研究報告中發現，以2002年為準，將是臺灣數字投影機的高度成長的開始，由2002年的150萬臺，成長到2006年的265萬臺的水準。而由目前的景氣回升的速度來看，其成長的力道將高于預期。
在產能逐漸開出之后，國內廠商目前不但要能做出低價的數字投影機來搶攻市占率，為了要有更高的獲利率，也應該朝向高品質的數字投影機市場前進，以建立本身的品牌口碑或是獲得大廠高階的產品代工機會。

而品質的高低，與技術的扎實與否有很大的關系，由于在數字投影機開始的時候，只要能做出一部投影機，基本上就已經具備的相關的技術能力，此時大家的技術水準皆相差無幾，但是此時各廠商也都因為尚未開始獲利，技術并不是決定性的關鍵。當市場逐漸的開發出來，需求量大增時，技術的能力將是影響產品的品質，市占率以及能否獲得大廠代工機會的主要因子。

舉例來說，散熱的問題，在剛開始的時候，由于數字投影機的機身較大，散熱的技術并不困難，但是當市場的需求逐漸需要尺寸小的機種時，散熱的技術等級便提高了，此時要在小小的機身中散出相同的熱量，所需要的相關知識便不是一般的散熱技術可以提供的，更何況，數字投影機不但會朝向尺寸更小，還會朝向更高的亮度，更低的噪音的趨勢前進，那么只有更高等級的數字投影機的設計技術才能符合潮流，也就是說，只有具有開發高階的數字投影機技術的廠商，其產品才能獲得消費大眾的青睞，而只具有低階投影機技術的廠商，終會消失在競爭廠商之中，廠商在此時將面臨生死存亡的競爭與淘汰，而這個時間點，以筆者的推估，大約會在2005年出現，到時臺灣的廠商也將由目前的數十家變成剩不到十家的規模。
　

　

圖1：前投影式投影機產量規模
(資料來源：工研院經資中心ITIS計劃；2002/11)

　

技術趨勢

前面提到過，體積?。ɑ蚴侵亓枯p）、高亮度、低噪音將是未來數字投影機的發展趨勢，而這當三項趨勢的技術發展，剛好是互相牽制的，怎么說呢？以體積小來說，在使用相同的組件時，由于總發熱量相同，導致單位面積散熱量需要增加，否則無法維持相同的操作溫度，若是無法提升單位面積的散熱量，則只有降低投影機內的發熱量，而剛好在投影機內的主要發熱源為「燈泡」，因此降低燈泡的功率成為一種解決方式。但是很不幸的，這剛好與高亮度的趨勢互相違背，因為，為了提高投影機的亮度，一般只有從改良光的轉換效率上來著手，或是直接提高燈泡的功率，而前者的技術較高，短期難以獲得成效，而后者直接了當，只要安裝較大的功率燈泡即可直接提高亮度，表示在使用相同的光學組件之下，要增加其亮度與降低體積在技術上是互相牽制，必須尋求妥協。另外一種提升單位體積的散熱量的住法，即是使用較強力的風扇，以更高的強制對流來獲得更大的散熱效率，但是這樣子的作法，將使得投影機的噪音隨之增大，也不利于產品的品質，而較大的風扇伴隨來除了噪音之外，還有震動的問題，對于光學組件耐久性也是一項不利的因子。

因此，在本文中，將以散熱技術為主，說明數字投影機中的相關設計與解決之道，希望在此以筆者的一些經驗，提供一些基本的投影機系統冷卻設計觀念。

　

為什么需要冷卻設計？

直截了當來說，冷卻設計主要是為了：維持數字投影機內部在一定的溫度之下，讓各組件能正常的工作，并且增加組件的使用壽命。更進一步來說，經過冷卻設計的投影機，能夠提高投影機的散熱效率，進一步縮小投影機的體積，有效降低投影機的噪音。

一般來說，在投影機的設計流程中（如圖2），首先需要由計劃主持人參考市場的需求與趨勢，研擬產品的功能與規格。當確定好此型投影機的規格之后，才能交由光學設計部門與電子系統設計部門進行功能的設計，而在設計的過程中，光學設計部門還要不斷與電子系統設計部門的人員溝通，以保證光學系統的所需要的電路，電子部門均可提供必要的設計。

當初步的光路系統與電路系統設計完成后，接著便是交給機購的部門設計夾持機構，而冷卻設計的人員在投影機的設計流程中，必須與機構設計人員密切的合作，并提出系統散熱的相關建議，而且在同時還要進行冷卻設計的評估。

當機構部門的人員初步設計好投影機的機構后，就必須立即進行CFD仿真分析，以仿真的方式先進行初步的判斷，是否整個投影機的散熱符合基本需求，此時并非要能完全的達到產品的規格，只是要先評估是否有極大的「熱點」隱藏在此設計中，影響光學組件的功能。請注意，通常無法一下子就做出符合產品規格的散熱設計，此時就必須要評估可能的解決方法，交由機構設計人員修改之后，再進行第2次的模擬分析，直到滿足產品需求為止。

另外，傳統上業界最常用的還是熱流實驗方法，取代模擬分析，直接以投影機雛形機進行熱流實驗的驗證，以確保機構設計的結構可以滿足整個系統的散熱需求。但這樣子的成本會比使用模擬分析的方法進行散熱設計驗證的方式要來得高很多，尤其當投影機的機種較多時，將會造成在驗證的時間較長，這是計劃主成人所必須考量進去的。因此以長遠發展來說，應建立一套模擬熱流驗證的方法，以因應未來投影機市場的需求。

圖2：投影機的設計流程

　

很多人會有疑問，散熱設計好像有很多的經驗可供參考，依照經驗來做便不會有問題，因此為了開發成本，通常會省略散熱設計的部分，直接由機構人員依照經驗來做即可。其實這種現象在臺灣的許多中小企業很多，但是往往結果便是所開發出來的機型，無法通過耐久驗證與可靠度驗證，當你發現驗證后有問題，要再修改雛形機時，其所花費的代價是很高的，加上推出產品時間延遲，錯失銷售時機，損失不貲。有時產品一時僥幸過關，但是銷售到用戶手上時，因為品質不良導致公司信譽破壞，也要付出相當大的代價。因此，在產品開發的過程中，加上散熱設計是有必要性的！

在圖3中即為因為冷卻設計不良而導致燈泡損壞的照片。
　

圖3：因為冷卻不良而導致「炸燈」的燈泡，一般投影機的燈泡使用時間均超過1000小時。

　

數字投影機系統冷卻設計的要求

文在投影機的散熱設計過程中，我們必須要把握投影機散熱設計的幾個重點，才能迅速將投影機的散熱做好：
1. 投影機內各組件均溫要比降溫重要
2. 適當的系統流道設計比使用大風壓風扇有效
3. 特殊的位置使用特殊的散熱材料，可以解決熱點（hot spot）問題。

我們以一光機系統實例（圖4）來說明：
在一臺投影機中，有低溫與高溫組件，低溫組件就是mirror或是LCD panel的組件，高溫組件便是燈泡與燈泡附近的光學組件，如PS-Converter等，為了節省風扇的使用量，與風扇占用的體積空間，我們通常會將風扇搭配一個流道設計，將冷空氣由系統外吸入系統內，并流經低溫組件，再流經高溫組件，最后排出系統外，達到冷卻系統的目的。這樣子的設計可以將系統內的平均溫度降低，達到系統內均溫的效果。此時冷卻設計的最大挑戰，便是光路的安排是否與冷卻流道互相沖突，以及尋求妥協的設計了！由于各廠家光機系統的光路安排均不相同，此時也是CFD熱流模擬最能派上用場的時候，利用CFD熱流仿真軟件，我們便能迅速將各種不同的流道的冷卻效果，最一比較，找出最佳的冷卻流道設計。
然而，由于許多的妥協，在系統內終究會有一些冷卻流道無法兼顧到冷卻的地方，這些地方便會造成系統內的熱點發生，當熱點發生時，附近的光學組件就可能會受損，或是使用壽命降低，所以，將系統內的熱點除去成為關鍵的步驟，由于是妥協后的結果，當然無法再更改冷卻流道的設計，冷卻流體也必然無法滿足此處的冷卻需求，此時便只有藉助較高的熱傳導系數的材料，藉由特殊的機構形狀設計將區域熱點除去。例如在LCD panel處，最容易因為流體冷卻不均勻，導致熱點的發生，傳統上最常用方式，便是使用特殊設計形狀的鋁質或銅質的導風鰭片，來除去熱點。另一種方式，則是使用透明的鉆石材料，利用其高熱傳導的材料特性，將熱點除去。而在一些國外的專利上，則是使用透明的冷卻油，利用冷卻油流經LCD panel的表面，將熱點除去，而筆者在光電所也申請了美國專利，利用冷卻油搭配熱管的方式，以可以有效的除去LCD panel的熱點，而此專利也于2003年正式通過。

　

圖4：典型的投影機流道散熱設計

　

一般系統內需要冷卻的組件，可分成以下二類，在做投影機系統冷卻設計時，均要一起考慮進來。

1. 電子系統的冷卻
（A）Power Supply
（B）Ballast
（C）PC Board

2. 光學引擎系統的冷卻
（A）LCD Panel
（B）Lamp
（C）Optical Elements

　

轉自：電子設計資源網