干燥爐中熱風循環溫控系統的設計

黃 帥，趙梁博，朱林濤

（1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德萊德大學電子與電氣工程學院，澳大利亞阿德萊德）

干燥爐中熱風循環溫控系統的設計

黃 帥1，趙梁博2，朱林濤1

（1.中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德萊德大學電子與電氣工程學院，澳大利亞阿德萊德）

熱風循環溫控系統主要應用于干燥爐中，為被干燥對象提供所需的高品質溫控環境。目前，大多數干燥爐的溫度控制偏差在5℃以上，同時熱氣流不均勻造成不同區域的干燥效果不盡相同。通過對以往干燥爐溫控系統的總結與優化，提出了一種更為精確、全面的控制方案。該熱風循環溫控系統主要包括溫控系統與風機系統兩大部分，通過優化的溫控算法整合成PID溫控調節模塊以實現溫度的快速準確響應；同時引入風機系統，優化機械結構設計來改善氣流的均勻性。通過溫控系統與風機系統的有效整合，實現了分布均勻、溫度可控的干燥環境。經過實際測試使用，該系統達到了設計要求，為干燥爐中溫控系統的設計提供了一種可靠地選擇。

干燥爐；溫度調節模塊；熱風循環

長期以來，干燥爐被廣泛的應用于各領域。這些干燥爐根據各自的功能特點分別被應用于食品、醫療、服裝、電子等各行業。本文所探討的干燥爐主要是指應用在電子行業如太陽能電池片、陶瓷基片等產品的干燥設備。該類干燥設備，按照外觀，大致可以分為箱式干燥爐、網帶干燥爐、回旋干燥爐（如圖1所示）；按照熱源，大致可分為電阻熱風干燥爐、紅外干燥爐、微波干燥爐等。其中大多需要用到熱風循環溫控系統，以提高干燥效率、增強被加熱目標與周圍環境氣體的接觸均勻性。

圖1 箱式干燥爐、網帶干燥爐、回旋干燥爐示意圖

1 應用背景

干燥爐，是用來為需要干燥的對象提供高溫環境的設備。有些干燥爐工作溫度在400℃以下，此時的干燥爐常被稱為烘干爐；而有些干燥爐的工作溫度達到500℃以上，根據工藝區分，這種干燥爐通常被稱為燒結爐。在太陽能電池晶硅片以及各種陶瓷基片的生產工藝中都有烘干或燒結流程。本文討論的干燥設備以太陽能電池晶硅片生產工藝中使用的烘干或燒結爐為原型。

常規太陽能電池晶硅片生產工藝中有三道印刷工序，每次印刷后須經過一次烘干工序，使漿料中的水份蒸發掉，以便下一道工序的印刷。在經過三次印刷之后，進入燒結爐。燒結爐分為預燒結、燒結、降溫冷卻3個階段。預燒結階段目的是使漿料中的高分子粘合劑分解、燃燒掉，此階段溫度慢慢上升；燒結階段中燒結體內完成各種物理化學反應，形成電阻膜結構，使其真正具有電阻特性，該階段溫度達到峰值；降溫冷卻階段，玻璃冷卻硬化并凝固，使電阻膜結構固定地粘附于基片上。

在烘干或燒結過程中，需要熱風循環系統來提高熱效率以便滿足整個生產線的生產效率，同時，熱風循環能改善爐內氣體均勻性且能夠及時排出腔內蒸發出的雜質物質。

2 系統組成

干燥爐熱風循環系統由溫控系統和風機系統兩大部分組成。溫控系統主要包括溫度控制模塊、紅外燈管加熱、熱電偶反饋、過熱保護等（見圖2）。風機系統主要包括變頻器、引風機、吹風機等（見圖3）。

圖2 溫控系統工作流程示意圖

圖3 風機系統工作流程示意圖

3 工作原理

3.1 溫控系統

以太陽能晶硅電池片的干燥爐加熱溫區溫度控制為實例，簡單地結合控制理論，以淺顯的方式將溫度控制PID算法做一個簡單的描述。溫控框圖見圖4。

圖4 溫度控制框圖

這是一個典型的閉環控制系統，用于控制加熱溫區的溫度（PV）保持在恒定的溫度設定值（SV）。系統通過溫度采集單元反饋回來的實時溫度信號（PV）獲取偏差值（EV），偏差值經過 PID調節器運算輸出，控制發熱管的發熱功率，以克服偏差，促使偏差趨近于零。例如，當某一時刻排風風機流量增大帶走的熱量較多時，即導致溫度下降，此時通過反饋的調節作用使溫度迅速回升。其調節過程如圖5所示。

圖5 溫度調節流程示意圖

溫度控制的功率輸出采用脈寬調制的方法。固態繼電器SSR的輸出端為脈寬可調的電壓U-out。當SSR的觸發端觸發時，電源電壓Uan通過SSR的輸出端加到發熱管的兩端；當SSR的觸發端沒有觸發信號時，SSR關斷。因此，發熱管兩端的平均電壓為 Ud=（t/T）Uan=KUan。其中 K=t/T，為一個周期T中，SSR觸發導通的比率，稱為負載電壓系數或是占空比，K的變化值在0～1之間。一般是周期T固定不變，調節t，當t在0～T的范圍內變化時，發熱管的電壓即在0～Uan之間變化，這種調節方法稱為定頻調寬法。

溫度控制是一個慣性較大的系統。當給溫區加熱之后，并不能立即觀察到溫區溫度的明顯上升；同樣，當關閉加熱之后，溫區的溫度仍然有一定程度的上升。另外，熱電偶對溫度的檢測與實際的溫區溫度相比，也存在一定的滯后效應。

這給溫度的控制帶來了困難。因此，如果在溫度檢測值（PV）到達設定值時才關斷輸出，可能因溫度的滯后效應而長時間超出設定值，需要較長時間才能回到設定值；如果在溫度檢測值（PV）未到設定值時即關斷輸出，則可能因關斷較早而導致溫度難以達到設定值。為了合理地處理系統響應速度與系統穩定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為PID調節前和PID調節兩個階段。

將編好的算法寫入溫度控制模塊，以實現溫度控制自動調節。以3個溫區為例，整個溫控部分電路原理如圖6。

3.2 風機系統

風機系統主要有變頻器、熱流風機、引風機、吹風機等幾部分構成。一個溫區有兩個變頻器，熱流風機、引風機、吹風機各一個。變頻器用來調節各風機轉速。熱流風機用來擴散加熱管所形成的熱量。引風機、吹風機共同作用形成風道，兩個風機應對稱安裝，以便氣流均勻順暢。通過上位機通信指令或者IO模擬量輸出模塊輸出模擬量電壓來調整變頻器的輸出頻率，進而改變各風機的轉速。圖7為風機系統電路原理圖。

圖6 溫控系統電路原理圖

圖7 風機系統電路原理圖

4 總 結

干燥爐除了在食品、醫療、服裝等生活相關行業有重要的作用之外，在電子產品相關行業更是起到至關重要的作用。尤其在太陽能晶硅電池片、各種陶瓷基片的生產工藝中必不可少。熱風循環溫控系統能保證烘干爐提供精確的所需工藝溫度環境，同時通過控制熱氣流流速和均勻性來提高烘干效率以及被烘干對象與環境氣體接觸的一致性，及時排出烘干爐內蒸發出的雜質物質，為被烘干對象提供一個優質的烘干環境。經過在本部LTCC陶瓷基片印刷線中干燥爐的實際應用，該熱風循環系統完全滿足溫控工藝設計要求。

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The Hot Air Circulation and Thermostat System Used to Drying Oven

HUANG Shuai1，ZHAO Liangbo2，ZHU Lintao1
（1.The 45th Research Institute of CETC，Beijing 100176，China 2.The university of Adelaide，Electronics and Wlectrical Engineering，Adelaide）

Abstract:Temperature control system of hot air circulation is mainly applied in the drying oven,drying temperature control object is to provide high-quality environment needed.At present,most of the drying furnace temperature control deviation in more than five degrees Celsius,while hot air flow caused by uneven drying effect of different regions are not the same.Through summarizing and optimization of the drying furnace temperature control system,puts forward a more accurate,comprehensive control scheme.The hot air circulating temperature control system mainly includes two parts of temperature control system with the fan system,fast and accurate response to temperature through the temperature control algorithm are integrated into the PID control module;the fan system,optimal design of mechanical structure to improve the uniformity of airflow.Through the effective integration of temperature control system with the fan system,realizes the uniform distribution of dry environment,temperature controlled.Through the use of actual test,the system has achieved the design requirements,provides a reliable choice for the design of temperature control system of drying furnace.

Keywords:Dying oven；Thermostat；Variable-frequency drive；Hot air circulation

TN605

B

1004-4507（2013）07-0052-05

2013-04-12