基于正交試驗(yàn)的液晶屏老化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫家圓， 倪俊芳， 楊波

（1.蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州 215021；2.蘇州優(yōu)備精密智能裝備股份有限公司，江蘇蘇州 215021）

0 引言

液晶屏老化測(cè)試是在短時(shí)間內(nèi)對(duì)液晶屏進(jìn)行高溫烘烤，使其快速渡過失效期，并將其存在的潛在缺陷暴露出來，進(jìn)入性能平穩(wěn)階段的測(cè)試方法。隨著科技的發(fā)展和生活需要，液晶屏的需求變得越來越大，企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)也愈發(fā)激烈，液晶屏的品種和加工工藝也日趨復(fù)雜，其存在缺陷的概率也隨之增大[1]，因此新液晶屏需要經(jīng)過老化測(cè)試以保證品質(zhì)。老化測(cè)試受多個(gè)因素影響，主要有熱源功率、液晶屏尺寸、風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)、風(fēng)機(jī)風(fēng)速等，目前主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過試錯(cuò)法進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)來獲得更好的老化環(huán)境。但仍存在熱流場(chǎng)分布不均勻、達(dá)到熱平衡后溫度波動(dòng)范圍大的問題。本文基于液晶屏老化爐對(duì)流傳熱理論模型，對(duì)老化爐體進(jìn)行設(shè)計(jì)建模，并進(jìn)行數(shù)值模擬，分析其內(nèi)部熱流場(chǎng)分布，通過正交試驗(yàn)找出其主要影響因素，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。

1 老化爐結(jié)構(gòu)及液晶屏參數(shù)

液晶屏老化爐由2個(gè)子老化爐組合而成，其整體尺寸為4280 mm×1560 mm×3129 mm。子老化爐中利用2塊隔板將老化爐分隔為加熱系統(tǒng)部分、承重部分及電控系統(tǒng)部分。老化爐內(nèi)放置了紫銅材質(zhì)的加熱器、環(huán)氧樹脂材質(zhì)的隔熱板及鋁合金制的承重桿，并在爐體外部上方放置了2臺(tái)離心風(fēng)機(jī)。老化爐正面是由多條鋁制蓋板組成，與每層承重桿的位置一一對(duì)應(yīng)，通過電控系統(tǒng)控制其自動(dòng)開合，使用三軸運(yùn)動(dòng)叉爪將液晶屏運(yùn)送至爐內(nèi)[2]。其中，為了保證電控系統(tǒng)部分能夠不受高溫影響并正常工作，其上方的隔板采取全封閉且安裝排氣孔維持其內(nèi)部溫度不會(huì)過高。因此在進(jìn)行建模及后續(xù)風(fēng)道設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)仿真分析時(shí)，忽略此部分。子老化爐設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其各參數(shù)如表1所示。

表1 液晶屏老化爐各材料參數(shù)

圖1 子老化爐結(jié)構(gòu)圖

2 傳熱理論模型及加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 老化爐對(duì)流傳熱理論模型

由于加熱管和空氣間、液晶屏和空氣間主要是流體和固體表面接觸形成熱量交換，冷熱空氣之間是流體和流體之間的傳熱。根據(jù)熱傳遞的方式可知，選用對(duì)流傳熱進(jìn)行理論分析。

對(duì)流換熱的表達(dá)式為

式中：Q為熱流密度，W/m2；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；A 為接觸面積，m2；tw為物體表面溫度，℃；tf為流體溫度，℃。

由于流體的黏度不為零，在固相表面總存在一薄層流體相對(duì)固體靜止，這樣流體與固相壁之間的傳熱熱流量Q需要通過這層相對(duì)靜止的流體，且是通過導(dǎo)熱方式進(jìn)行，則可導(dǎo)出

在加熱管給空氣加熱和空氣在爐內(nèi)流動(dòng)進(jìn)行對(duì)流換熱的過程中，會(huì)損失一部分能量，同時(shí)老化爐壁也會(huì)像外部進(jìn)行散熱，所以需要構(gòu)建熱流循環(huán)，使熱流能均勻不斷地在爐內(nèi)擴(kuò)散，彌補(bǔ)熱量損耗，即W1+W2=0。其中：W1為老化過程中的熱量損耗；W2為熱源散發(fā)的熱量。

2.2 老化爐加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于該老化爐原先使用二位式算法控制加熱器加熱，存在加熱波動(dòng)幅度大且到達(dá)熱平衡時(shí)間較長(zhǎng)的現(xiàn)象，故在原有基礎(chǔ)上取消使用算法控制，而是通過將加熱器分為2個(gè)子加熱器，在保證其總功率不變、能夠滿足快速加熱至目標(biāo)溫度時(shí)，停止其中一個(gè)子加熱器，另一個(gè)子加熱器持續(xù)加熱以彌補(bǔ)熱量損失，以達(dá)到保持目標(biāo)溫度的目的。

3 數(shù)值仿真分析及正交試驗(yàn)

3.1 仿真模型建立

使用仿真軟件能夠?qū)?shí)際工況進(jìn)行模擬[3]。本文使用Flotherm仿真軟件進(jìn)行建模，如圖2所示。

圖2 老化爐仿真建模

3.2 邊界條件及設(shè)計(jì)參數(shù)

1）室內(nèi)空氣設(shè)置為不可壓縮流體；2）室內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；3）老化爐不考慮漏風(fēng)情況，視其氣密性良好；4）根據(jù)生產(chǎn)需求，依照表1所示材料屬性將老化爐模型一一對(duì)應(yīng)設(shè)置。

3.3 影響因素的分析及水平的確定

考慮到液晶屏實(shí)際工作溫度范圍一般在-40～55 ℃[4]。因此液晶屏進(jìn)行老化測(cè)試時(shí)，其老化設(shè)備設(shè)定的溫度應(yīng)該高于55 ℃，而當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到70 ℃以上時(shí)，屏幕內(nèi)部液晶從液晶態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的概率大大增高。為了使液晶顯示器在液晶不產(chǎn)生相變的情況下進(jìn)行老化試驗(yàn)，老化溫度設(shè)置為60 ℃，其允許波動(dòng)范圍控制在±3 ℃。因此持續(xù)加熱的子加熱器總功率范圍設(shè)置為4.8～5.2 kW。

由于老化箱高度較高，氣流經(jīng)由軸流風(fēng)機(jī)送出后會(huì)形成擴(kuò)散，考慮在氣流擴(kuò)散處或流體速度較慢處增加風(fēng)機(jī)，保證流體能夠被風(fēng)機(jī)收束傳遞，均勻分布。因此增加軸流風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)范圍為6～12個(gè)。同時(shí)考慮離心風(fēng)機(jī)風(fēng)壓大小，選擇CY120、CY125、CY150等3種型號(hào)作為參考。

由于液晶屏之間的尺寸不同，當(dāng)老化爐滿載后，液晶屏之間距離的不同會(huì)對(duì)熱流的傳播產(chǎn)生影響。液晶屏厚度越厚（即液晶屏間距變小），熱流越難以在液晶屏之間傳播。根據(jù)其實(shí)際情況，液晶屏尺寸范圍為49～65 in。

由此得出因素水平表如表2所示。

表2 因素水平表

3.4 溫度場(chǎng)正交試驗(yàn)有限元仿真分析

在仿真模型中布置監(jiān)控點(diǎn)以獲得溫度，其熱電偶主要布置于爐體兩側(cè)和承重桿中部，如圖3所示。根據(jù)因素水平表排列出正交試驗(yàn)表并進(jìn)行仿真模擬。

圖3 測(cè)溫點(diǎn)布置圖

因?yàn)槭?因素3水平的正交試驗(yàn)[5]，所以選用L9（34）型標(biāo)準(zhǔn)正交表。

表3 正交試驗(yàn)表

由極差分析可知，影響液晶屏片在老化測(cè)試中的平均溫度的因素主次順序?yàn)镈＞C＞B＞A，而影響老化爐體均溫性的因素主次順序?yàn)锽＞C、D＞A，均衡考慮均溫性和平均溫度，其最優(yōu)水平組合為D1C3B3A2。此組合經(jīng)有限元分析得到的溫度場(chǎng)平面云圖如圖4所示，流體場(chǎng)平面云圖如圖5所示。可以看出老化爐兩側(cè)溫度比中間略高，風(fēng)機(jī)構(gòu)建的循環(huán)風(fēng)道使得熱流能夠快速均勻地傳遍老化爐。

圖4 溫度場(chǎng)平面云圖

圖5 流體場(chǎng)平面云圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)正交試驗(yàn)得出的影響因素優(yōu)先級(jí)，結(jié)合現(xiàn)有的材料對(duì)老化爐進(jìn)行布置，為了模擬實(shí)際工況，在爐內(nèi)放置49～65 in的液晶屏20塊。由于仿真的設(shè)定為全封閉理想環(huán)境，實(shí)際老化爐蓋板及背板的氣密性仍有待加強(qiáng)，因此對(duì)于持續(xù)加熱的熱源功率上調(diào)至8 kW，以滿足維持溫度所需熱量。使用AT4516多路溫度測(cè)試儀連接電腦，布置熱電偶線來測(cè)溫，總計(jì)12個(gè)點(diǎn)。圖6為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。其達(dá)到熱平衡后溫度曲線如圖7所示，每步時(shí)間為20 s。仿真溫度、優(yōu)化后測(cè)溫與優(yōu)化前使用二位式算法控制加熱的溫度對(duì)比如圖8所示。可以看出，經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，老化爐達(dá)到熱平衡后溫度波動(dòng)較優(yōu)化前顯著變小，各點(diǎn)溫度更加均勻，能夠滿足±3 ℃的要求，驗(yàn)證了加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有效性和準(zhǔn)確性。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

圖7 實(shí)測(cè)測(cè)溫點(diǎn)溫度

圖8 實(shí)測(cè)溫度對(duì)比

5 結(jié)論

1）采用正交試驗(yàn)對(duì)熱源功率、軸流風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)、液晶屏尺寸及離心風(fēng)機(jī)型號(hào)進(jìn)行極差分析，得到理想水平組合：熱源功率為5.2 kW，添加風(fēng)機(jī)個(gè)數(shù)為12，液晶屏尺寸為65 in，離心風(fēng)機(jī)型號(hào)為CY125。2）根據(jù)實(shí)際條件優(yōu)化后，爐內(nèi)平均溫度為60.30 ℃，爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻度為1.23，滿足生產(chǎn)需求；與優(yōu)化前平均溫度61.16 ℃、爐內(nèi)溫度場(chǎng)分布均勻度2.80相比，其均溫性提高了56.1%。3）采用有限元仿真對(duì)老化爐進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，能夠有效模擬出各點(diǎn)溫度及爐內(nèi)流場(chǎng)分布，對(duì)老化爐均溫性結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)性作用，實(shí)際應(yīng)用效果良好。