高功率顯示設備熒光輪的熱設計

航空工業西安航空計算技術研究所 吳 波 趙 亮 楊明明 郭建平 白振岳

對激光顯示設備中的熒光輪進行有效的熱管理是此類顯示設備工程實現上的一個難點。本文依據真實的激光顯示設備提出了一種“熱輻射加液冷”的散熱方案。根據實際物理模型進行了抽象簡化，建立了熒光輪與液冷冷板及周圍環境的熱阻網絡模型。進而對熒光輪的散熱進行了熱設計計算。計算結果表明，本文所提出的“熱輻射加液冷”的散熱方案能夠對熒光輪進行有效的熱管理，方案具備可行性。

激光投影顯示技術可以真實地再現客觀世界，具有強大的的表現力。激光激發熒光輪是一種主流的發光方案。熒光輪上的熒光材料在工作時會產生大量的熱。對熒光材料發熱實施有效的熱管理對激光顯示設備具有十分重要的意義。

受到光路系統的限制，熒光輪需要被放置在相對狹小的空間內，而它的功耗很高，如何有效散熱是一個棘手的問題。采用液冷是解決高功耗散熱問題的常用手段。然而，由于熒光輪在工作時處于旋轉狀態，外部冷卻工質無法通過管路直接與之相連而將熱量帶走。為解決這一問題，本文提出了一種“輻射加液冷”的散熱方案，即先通過熱輻射方式使得熱量被液冷冷板吸收，液冷循環再將熱量帶走。本文依據一款真實的激光顯示設備，對其熒光熱源的“輻射加液冷”散熱方案進行了熱設計計算，論證了方案的可行性。

圖1 激光顯示設備原理圖

圖2 熒光輪實物

1 物理模型

本文所涉及的這類激光顯示設備的有藍色激光、紅色激光和熒光輪等部件組成，如圖1所示。由于光路設計的需要，熒光輪被安裝在一個腔體內，只能通過熱輻射的方式對其散熱。如圖2所示為熒光輪的實物，外邊緣環狀的黃色區域為熒光粉區域，在此區域實現光學轉化。在與熒光輪平行的另一個面上設計一個圓形的液冷冷板，用于通過熱輻射吸收熒光輪的熱量。此液冷冷板與熒光輪同軸且共形，簡化的模型圖解如圖3所示。

圖3 熒光輪散熱方案圖解

2 設計計算

熒光輪處的冷板與熒光輪采用共形設計，具有相同的半徑L，熒光粉區域環裝寬度為D，冷板與熒光輪間距為H。散熱方案擬將冷板平行置于發熱面正下方，通過熱輻射的方式將熒光輪處熱量疏散至冷板。其中半徑L為0.1m，其他尺寸的具體定義如下：

熒光輪發熱面為面1，冷板吸熱面為面2，密閉空間環境面為面3，環境面表面積相比熒光輪大得多，取表面熱阻為零，冷板采用熱輻射增強涂層處理，按照黑體模型處理，則輻射熱阻網絡如圖4所示。其中Eb1、Eb2和Eb3為各表面的熱源電動勢，J1J2和J3為各表面有效輻射，R1為表面1的表面輻射熱阻，R2為表面1和表面2之間的空間輻射熱阻，R3為表面1和表面3之間的空間輻射熱阻，R4為表面2和表面3之間的空間輻射熱阻。熒光輪發熱高功率為100W，溫控目標為在穩態情況下使其溫度控制在350℃以下。

圖4 輻射熱阻網絡

熒光粉的發射率取為0.96，鋁板的發射率取為0.3，熒光輪整體發射率按鋁板面積和熒光粉加權計算，即：

查表可知冷板與熒光輪之間的角系數為0.95。那么各面之間的角系數為：

根據輻射熱阻的計算公式可計算出各處熱阻如下：

對節點J1應用基爾霍夫定律列平衡方程如下：

表面1處熒光輪的溫度取為最大溫控目標溫度，即300℃；表面2處冷板的度假定為恒定在70℃；表面3處環境溫度假定為40℃。根據四次方定律，可計算出各處熱源電動勢為：

則熒光輪換熱量為：

計算結果表明，在穩態情形下，假定熒光輪處溫度為溫控目標的最大值的情況下，熒光輪輻射換熱量為131.7W，大于熒光輪處功耗100W，說明這種方案能夠完成預定的溫控目標，具有可行性。

結語：本文依據一款真實的激光顯示設備，針對其中高功耗的熒光輪散熱問題，提出了一種“熱輻射加液冷”的散熱方案。根據實際物理模型進行了抽象簡化，建立了熒光輪與液冷冷板及周圍環境的熱阻網絡模型。基于此熱阻網絡模型，對熒光輪的散熱進行了熱設計計算。計算結果表明，本文所提出的“熱輻射加液冷”的散熱方案能夠對熒光輪進行有效的熱管理，方案具備可行性。