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      基于正交試驗(yàn)的液晶屏老化爐優(yōu)化設(shè)計(jì)

      2021-12-22 06:38:20孫家圓倪俊芳楊波
      機(jī)械工程師 2021年12期
      關(guān)鍵詞:液晶屏熱流加熱器

      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

      液晶屏老化測試是在短時(shí)間內(nèi)對液晶屏進(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)之間競爭也愈發(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)過老化測試以保證品質(zhì)。老化測試受多個(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流傳熱理論模型,對老化爐體進(jìn)行設(shè)計(jì)建模,并進(jìn)行數(shù)值模擬,分析其內(nèi)部熱流場分布,通過正交試驗(yàn)找出其主要影響因素,并對其進(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)及溫度場和流體場仿真分析時(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,選用對流傳熱進(jìn)行理論分析。

      對流換熱的表達(dá)式為

      式中:Q為熱流密度,W/m2;h為對流換熱系數(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)行對流換熱的過程中,會損失一部分能量,同時(shí)老化爐壁也會像外部進(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對熱流的傳播產(chǎn)生影響。液晶屏厚度越厚(即液晶屏間距變?。瑹崃髟诫y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平面云圖如圖4所示,流體場平面云圖如圖5所示??梢钥闯隼匣癄t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 溫度場平面云圖

      圖5 流體場平面云圖

      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,結(jié)合現(xiàn)有的材料對老化爐進(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多路溫度測試儀連接電腦,布置熱電偶線來測溫,總計(jì)12個(gè)點(diǎn)。圖6為現(xiàn)場測試。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)化后測溫與優(yōu)化前使用二位式算法控制加熱的溫度對比如圖8所示??梢钥闯?,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)場實(shí)測

      圖7 實(shí)測測溫點(diǎn)溫度

      圖8 實(shí)測溫度對比

      5 結(jié)論

      1)采用正交試驗(yàn)對熱源功率、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)采用有限元仿真對老化爐進(jìn)行溫度場分析,能夠有效模擬出各點(diǎn)溫度及爐內(nèi)流場分布,對老化爐均溫性結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有指導(dǎo)性作用,實(shí)際應(yīng)用效果良好。

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