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(huán)溫控系統(tǒng)的設(shè)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(huán)溫控系統(tǒng)主要應(yīng)用于干燥爐中，為被干燥對象提供所需的高品質(zhì)溫控環(huán)境。目前，大多數(shù)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(qū)域的干燥效果不盡相同。通過對以往干燥爐溫控系統(tǒng)的總結(jié)與優(yōu)化，提出了一種更為精確、全面的控制方案。該熱風循環(huán)溫控系統(tǒng)主要包括溫控系統(tǒng)與風機系統(tǒng)兩大部分，通過優(yōu)化的溫控算法整合成PID溫控調(diào)節(jié)模塊以實現(xiàn)溫度的快速準確響應(yīng)；同時引入風機系統(tǒng)，優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計來改善氣流的均勻性。通過溫控系統(tǒng)與風機系統(tǒng)的有效整合，實現(xiàn)了分布均勻、溫度可控的干燥環(huán)境。經(jīng)過實際測試使用，該系統(tǒng)達到了設(shè)計要求，為干燥爐中溫控系統(tǒng)的設(shè)計提供了一種可靠地選擇。

干燥爐；溫度調(diào)節(jié)模塊；熱風循環(huán)

長期以來，干燥爐被廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域。這些干燥爐根據(jù)各自的功能特點分別被應(yīng)用于食品、醫(yī)療、服裝、電子等各行業(yè)。本文所探討的干燥爐主要是指應(yīng)用在電子行業(yè)如太陽能電池片、陶瓷基片等產(chǎn)品的干燥設(shè)備。該類干燥設(shè)備，按照外觀，大致可以分為箱式干燥爐、網(wǎng)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(huán)溫控系統(tǒng)，以提高干燥效率、增強被加熱目標與周圍環(huán)境氣體的接觸均勻性。

圖1 箱式干燥爐、網(wǎng)帶干燥爐、回旋干燥爐示意圖

1 應(yīng)用背景

干燥爐，是用來為需要干燥的對象提供高溫環(huán)境的設(shè)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(jù)工藝區(qū)分，這種干燥爐通常被稱為燒結(jié)爐。在太陽能電池晶硅片以及各種陶瓷基片的生產(chǎn)工藝中都有烘干或燒結(jié)流程。本文討論的干燥設(shè)備以太陽能電池晶硅片生產(chǎn)工藝中使用的烘干或燒結(jié)爐為原型。

常規(guī)太陽能電池晶硅片生產(chǎn)工藝中有三道印刷工序，每次印刷后須經(jīng)過一次烘干工序，使?jié){料中的水份蒸發(fā)掉，以便下一道工序的印刷。在經(jīng)過三次印刷之后，進入燒結(jié)爐。燒結(jié)爐分為預(yù)燒結(jié)、燒結(jié)、降溫冷卻3個階段。預(yù)燒結(jié)階段目的是使?jié){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(jié)階段中燒結(jié)體內(nèi)完成各種物理化學反應(yīng)，形成電阻膜結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)固定地粘附于基片上。

在烘干或燒結(jié)過程中，需要熱風循環(huán)系統(tǒng)來提高熱效率以便滿足整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率，同時，熱風循環(huán)能改善爐內(nèi)氣體均勻性且能夠及時排出腔內(nèi)蒸發(fā)出的雜質(zhì)物質(zhì)。

2 系統(tǒng)組成

干燥爐熱風循環(huán)系統(tǒng)由溫控系統(tǒng)和風機系統(tǒng)兩大部分組成。溫控系統(tǒng)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(tǒng)主要包括變頻器、引風機、吹風機等（見圖3）。

圖2 溫控系統(tǒng)工作流程示意圖

圖3 風機系統(tǒng)工作流程示意圖

3 工作原理

3.1 溫控系統(tǒng)

以太陽能晶硅電池片的干燥爐加熱溫區(qū)溫度控制為實例，簡單地結(jié)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(huán)控制系統(tǒng)，用于控制加熱溫區(qū)的溫度（PV）保持在恒定的溫度設(shè)定值（SV）。系統(tǒng)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(jīng)過 PID調(diào)節(jié)器運算輸出，控制發(fā)熱管的發(fā)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(diào)節(jié)作用使溫度迅速回升。其調(diào)節(jié)過程如圖5所示。

圖5 溫度調(diào)節(jié)流程示意圖

溫度控制的功率輸出采用脈寬調(diào)制的方法。固態(tài)繼電器SSR的輸出端為脈寬可調(diào)的電壓U-out。當SSR的觸發(fā)端觸發(fā)時，電源電壓Uan通過SSR的輸出端加到發(fā)熱管的兩端；當SSR的觸發(fā)端沒有觸發(fā)信號時，SSR關(guān)斷。因此，發(fā)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(fā)導通的比率，稱為負載電壓系數(shù)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(diào)節(jié)t，當t在0～T的范圍內(nèi)變化時，發(fā)熱管的電壓即在0～Uan之間變化，這種調(diào)節(jié)方法稱為定頻調(diào)寬法。

溫度控制是一個慣性較大的系統(tǒng)。當給溫區(qū)加熱之后，并不能立即觀察到溫區(qū)溫度的明顯上升；同樣，當關(guān)閉加熱之后，溫區(qū)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(qū)溫度相比，也存在一定的滯后效應(yīng)。

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(shè)定值時才關(guān)斷輸出，可能因溫度的滯后效應(yīng)而長時間超出設(shè)定值，需要較長時間才能回到設(shè)定值；如果在溫度檢測值（PV）未到設(shè)定值時即關(guān)斷輸出，則可能因關(guān)斷較早而導致溫度難以達到設(shè)定值。為了合理地處理系統(tǒng)響應(yīng)速度與系統(tǒng)穩(wěn)定性之間的矛盾，我們把溫度控制分為PID調(diào)節(jié)前和PID調(diào)節(jié)兩個階段。

將編好的算法寫入溫度控制模塊，以實現(xiàn)溫度控制自動調(diào)節(jié)。以3個溫區(qū)為例，整個溫控部分電路原理如圖6。

3.2 風機系統(tǒng)

風機系統(tǒng)主要有變頻器、熱流風機、引風機、吹風機等幾部分構(gòu)成。一個溫區(qū)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(diào)節(jié)各風機轉(zhuǎn)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(yīng)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(diào)整變頻器的輸出頻率，進而改變各風機的轉(zhuǎn)速。圖7為風機系統(tǒng)電路原理圖。

圖6 溫控系統(tǒng)電路原理圖

圖7 風機系統(tǒng)電路原理圖

4 總 結(jié)

干燥爐除了在食品、醫(yī)療、服裝等生活相關(guān)行業(yè)有重要的作用之外，在電子產(chǎn)品相關(guān)行業(yè)更是起到至關(guān)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(chǎn)工藝中必不可少。熱風循環(huán)溫控系統(tǒng)能保證烘干爐提供精確的所需工藝溫度環(huán)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(huán)境氣體接觸的一致性，及時排出烘干爐內(nèi)蒸發(fā)出的雜質(zhì)物質(zhì)，為被烘干對象提供一個優(yōu)質(zhì)的烘干環(huán)境。經(jīng)過在本部LTCC陶瓷基片印刷線中干燥爐的實際應(yīng)用，該熱風循環(huán)系統(tǒng)完全滿足溫控工藝設(shè)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