偏光片消泡設(shè)備熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)研究

劉軍濤

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

偏光片消泡設(shè)備熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)研究

劉軍濤

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024）

偏光片消泡設(shè)備的作用是對貼附好偏光片的液晶玻盒進行處理，提高顯示質(zhì)量，腔體內(nèi)部溫度均勻性是其關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，腔體內(nèi)部熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)是保證設(shè)備工作過程中溫度均勻性的結(jié)構(gòu)。通過對該部分結(jié)構(gòu)的詳細分析，確定有效可行的機械結(jié)構(gòu)，并根據(jù)計算得出的結(jié)構(gòu)在設(shè)備上進行試驗，得出實驗數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)對溫度的精確控制。

偏光片消泡設(shè)備；熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)；溫度均勻性

LCD（Liquid Crystal Display）-液晶顯示器由于其在功耗小、畫面效果好、應(yīng)用范圍廣等多個方面的優(yōu)異表現(xiàn)，已經(jīng)深入了我們生活的各個方面。在其復(fù)雜的生產(chǎn)工藝過程中，需要使用到偏光片消泡設(shè)備提供嚴(yán)格的工藝環(huán)境對產(chǎn)品進行處理，以提高產(chǎn)品的品質(zhì)和性能。

偏光片消泡設(shè)備可以根據(jù)工藝要求提供一定的溫度、壓力環(huán)境對已經(jīng)貼附好偏光片的液晶顯示器件進行處理，從而使其獲得良好的顯示效果。

設(shè)備的各項技術(shù)指標(biāo)中，腔體內(nèi)溫度的均勻性是一個重要的參數(shù)指標(biāo)，也是眾多廠商選購設(shè)備的參考之一。設(shè)備工作過程中對產(chǎn)品是進行批量處理的，整個腔體內(nèi)部各點溫度均勻性的指標(biāo)控制的越好，產(chǎn)品品質(zhì)的穩(wěn)定性就會越高。目前階段，日本同類型設(shè)備的均勻性指標(biāo)可以控制在±2℃，國產(chǎn)設(shè)備可以做到±2.5℃，滿足大多數(shù)產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。隨著蘋果公司系列產(chǎn)品為代表的高品質(zhì)液晶顯示屏電子類產(chǎn)品的不斷推廣，所要求的相應(yīng)偏光片除泡設(shè)備的性能及技術(shù)指標(biāo)要求越來越高，要求腔體內(nèi)溫度均勻性可以控制在±1.5℃為最佳。這就要求在原有技術(shù)平臺的基礎(chǔ)上提高設(shè)備的技術(shù)性能，設(shè)計生產(chǎn)技術(shù)水平更高的電子專用設(shè)備以滿足先進的電子工藝制造技術(shù)的要求。本文通過對偏光片消泡設(shè)備熱分循環(huán)系統(tǒng)的分析找到了解決這一問題的方法并在實際工作中得到應(yīng)用。

1 工作原理

LCD表面偏光片的貼附質(zhì)量對其顯示效果有很大的影響[1]。偏光片貼附時，貼附設(shè)備將其與液晶玻璃對好位后，用膠輥對整個表面進行碾壓，通過偏光片表面壓敏膠的作用使兩者緊密結(jié)合，但這一過程中膠輥所施加的壓力不允許過高，否則會對玻璃產(chǎn)生破壞，造成產(chǎn)品報廢。這樣就勢必會造成兩者的貼附不會十分緊密，同時還會在部分區(qū)域出現(xiàn)微小的，肉眼幾乎不可見的氣泡存在，這樣的氣泡會對顯示器的最終顯示效果產(chǎn)生影響。偏光片消泡設(shè)備的作用就是在密閉的工作腔體中提供溫度及壓力的環(huán)境對貼附了偏光片的產(chǎn)品進行處理，增加兩者間的粘著程度，提高顯示效果。

工作過程中設(shè)備密閉腔體內(nèi)會充入壓縮空氣產(chǎn)生0.5 MPa的壓力作用在產(chǎn)品的表面，同時要求腔體內(nèi)的溫度控制在50℃左右（視產(chǎn)品不同會有略微調(diào)整），在這樣溫度及壓力的環(huán)境中停留一段時間可以使偏光片及LCD兩者間的粘合程度達到要求，同時壓敏膠可以將殘存在兩者間的微量氣體全部吸收，最大程度地提高產(chǎn)品的顯示效果。

2 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

為了保證溫度均勻性，腔體設(shè)置有熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)對內(nèi)部的氣體進行攪拌，保證整個密閉空間內(nèi)的溫度和壓力均勻。

偏光片消泡設(shè)備溫度控制循環(huán)系統(tǒng)主要由PID溫度控制器、溫度傳感器、電加熱器、熱風(fēng)循環(huán)通道等部分構(gòu)成，主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 偏光片消泡設(shè)備溫度控制循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)備工作時，內(nèi)部的循環(huán)熱風(fēng)形成了如圖1所示的效果，循環(huán)熱風(fēng)溫度探測傳感器探測到腔體內(nèi)的實際溫度后會將其傳回至PID溫度控制器，PID溫度控制器通過中間電路輸出相應(yīng)功率控制電加熱器工作提高腔體內(nèi)氣體的溫度；氣體通過熱風(fēng)循環(huán)通道往復(fù)循環(huán)流動，循環(huán)過程中將電加熱器工作產(chǎn)生的熱量擴散至腔體內(nèi)各點，從而形成我們所需要的工作環(huán)境，控制回路如圖2所示。

圖2 溫度控制回路

2.1 溫度傳感器

設(shè)備上安裝的溫度傳感器為銅-康銅材料熱電偶（T型熱電偶）它的正極（TP）是純銅，負極（TN）為銅鎳合金，稱之為康銅，它與鎳鉻-康銅的康銅EN通用測量溫區(qū)為-200～350℃。其具有線性度好，熱電動勢較大，靈敏度較高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價格便宜等優(yōu)點,年穩(wěn)定性可小于±3 μV，經(jīng)低溫檢定可作為二等標(biāo)準(zhǔn)進行低溫量值傳遞。它可以直接測量溫度，并把溫度信號轉(zhuǎn)換成熱電動勢信號，通過電氣儀表轉(zhuǎn)換成被測介質(zhì)的溫度。通過補償導(dǎo)線與PID溫度控制器連接，實現(xiàn)信號的傳輸，PID溫度控制器根據(jù)收到的信號，經(jīng)過計算后通過中間電路對加熱器進行控制，實現(xiàn)溫度控制的閉合回路。感溫探頭設(shè)置在熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)熱風(fēng)出口位置，這樣可以及時準(zhǔn)確的測量到腔體內(nèi)的實時溫度，提高測溫的準(zhǔn)確性。

2.2 電加熱器

電加熱器采用不銹鋼材料制成，在保證三相平衡的基礎(chǔ)上通過計算確定選用三支加熱器對腔體進行加熱保溫，通過流體熱力學(xué)原理均勻地帶走電熱元件工作中所產(chǎn)生的熱量，使腔體內(nèi)被加熱氣體溫度達到設(shè)定值。加熱器設(shè)置在腔體內(nèi)后部中央，圍繞循環(huán)風(fēng)扇進行設(shè)置安裝，有利于密閉腔體內(nèi)形成風(fēng)循環(huán)時方便的將熱量帶走。該元件為防爆型電加熱器，發(fā)熱元件超溫時，獨立的過熱保護裝置立即切斷加熱電源，避免加熱物料超溫引起結(jié)焦、變質(zhì)、碳化，嚴(yán)重時導(dǎo)致發(fā)熱元件燒壞，有效延長電加熱器使用壽命。

2.3 熱風(fēng)循環(huán)通道

腔體內(nèi)部設(shè)置有強制熱風(fēng)循環(huán)方向的通道。保證設(shè)備運行過程中熱空氣從通道中心處進入，通過循環(huán)風(fēng)扇的增壓后從循環(huán)通道與腔體內(nèi)壁之間通過，到達前門后折返回腔體內(nèi)部從中心處回到循環(huán)風(fēng)扇重新加壓進行循環(huán)，氣流循環(huán)工作的同時可以將加熱器發(fā)出的熱量均勻分布到腔體內(nèi)的每一處位置。

循環(huán)風(fēng)扇設(shè)置在腔體后部的中央位置，外側(cè)圓周圍繞著多支加熱器。根據(jù)動能轉(zhuǎn)換為勢能的原理，利用高速旋轉(zhuǎn)的葉片將氣體加速，然后減速、改變流向，使動能轉(zhuǎn)換成勢能（壓力）。氣體從軸向進入葉輪，氣體流經(jīng)葉輪時改變成徑向，然后進入預(yù)設(shè)的風(fēng)道中。在風(fēng)道中，氣體改變了流動方向造成減速，這種減速作用將動能轉(zhuǎn)換成壓力能。壓力增高主要發(fā)生在葉輪中，其次發(fā)生在擴壓過程。

3 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

為了進一步研究熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，我們將其簡化為圖3所示模型。

圖3 熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)熱模型示意圖

將入流通道與回流通道熱循環(huán)系統(tǒng)分為兩部分。外部系統(tǒng)表明入口流入熱量、出口流出熱量和外壁散出熱量之間的熱平衡，內(nèi)部系統(tǒng)反映出入流通道熱量、內(nèi)壁傳導(dǎo)熱量與回流通道熱量之間的熱平衡，可以表征出系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布均勻性[2]。

為了求解系統(tǒng)的溫度非均勻性，對穩(wěn)態(tài)熱平衡狀態(tài)的外部系統(tǒng)及內(nèi)部系統(tǒng)進行分析計算，可以得出下列的方程組：

該方程組含有和三個未知量，歸結(jié)為求解非線性聯(lián)立方程問題，溫度求解可借助MATLAB科學(xué)計算軟件提供的單變量方程求根函數(shù)fzero調(diào)用和多變量非線性方程求解函數(shù)調(diào)用fsolv完成。

通過對內(nèi)外壁對流換熱量、徑向熱傳導(dǎo)熱流量、及出流通道入口與出口熱量差的分析計算[3]我們了解到，內(nèi)外壁對流換熱量對腔體內(nèi)部溫度均勻性的影響較大。如果沒有保溫層，內(nèi)部加熱產(chǎn)生的熱量有很大一部分都會從表面散失到周圍的環(huán)境中去，這樣會導(dǎo)致設(shè)備不能嚴(yán)格的按照我們設(shè)定的工藝曲線進行工作，偏光片除泡機內(nèi)部溫度的均勻性很難達到用戶的要求。同時熱功耗較大也不利于“節(jié)能減排”的要求。

針對這一結(jié)果我們通過分析認(rèn)為，不影響設(shè)備現(xiàn)有的各種動作及加熱功率不變的情況下，在腔體外部增加一定厚度的保溫材料可以有效地減少設(shè)備正常工作時表面的散熱量。根據(jù)產(chǎn)品體積限制和保溫效果的要求，選擇性價比較好的保溫層材料的規(guī)格，通過計算，我們確定在設(shè)備外表面增加了一層厚度為40 mm左右的保溫材料。此時通過溫度控制儀進行PID算法調(diào)整可以更好地控制腔體內(nèi)的溫度值，使得設(shè)備工作時內(nèi)部溫度的均勻性更好，滿足用戶的要求。

4 設(shè)計驗證測試結(jié)果

通過計算分析，偏光片消泡設(shè)備表面散熱量對其工作過程中腔體內(nèi)溫度的均勻性會產(chǎn)生一定的影響。在保證不影響設(shè)備各項功能正常工作的前提下，我們根據(jù)以往相似類型工況條件處理經(jīng)驗在設(shè)備外表面增加了一層厚度為40 mm左右的保溫材料，然后利用三通道溫度記錄儀對工作中的偏光片消泡設(shè)備內(nèi)部的溫度情況進行記錄，測試結(jié)果如圖4所示。

為了確保檢測點的溫度值具有代表性，我們選擇中間層中間位置一點、上層靠近腔體后部一點及底部靠近腔體前端一點3個點進行試驗。

圖4 設(shè)定值為50℃兩組溫度曲線

左圖顯示過程中，腔體內(nèi)部工作溫度設(shè)定為50℃，溫度記錄儀的3只探頭放置在腔體內(nèi)中間部位上、中、下3個不同的點，從第8分鐘開始內(nèi)部溫度開始穩(wěn)定至18分鐘記錄結(jié)束，期間3點探測到的溫度見表1。

表1 工作溫度設(shè)定50℃時，3個探頭位置的溫度值

右圖顯示過程中，設(shè)置腔體內(nèi)部工作溫度為50℃，溫度記錄儀的3只探頭放置在腔體內(nèi)中間部位上、中、下3個不同的點，從第7分鐘開始內(nèi)部溫度開始穩(wěn)定至18分鐘記錄結(jié)束，期間3點探測到的溫度見表2。

表2 工作溫度設(shè)定50℃時，3個探頭位置的溫度值

上述兩組數(shù)據(jù)中，3只探頭所測溫度最大偏差值分別為1.4℃和1.5℃。與傳統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)及性能指標(biāo)比較，腔體內(nèi)溫度的均勻性有了很大的提高，可以滿足高品質(zhì)產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語

通過分析計算可以看出，在設(shè)備腔體外部增加一定厚度的保溫層可以對腔體內(nèi)溫度均勻性的控制起到良好的作用，提高設(shè)備的技術(shù)性能。這一設(shè)計也可以對其他相似類型設(shè)備的技術(shù)改造提供良好的借鑒作用。

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[1]應(yīng)根裕，胡文波，邱勇，等.平板顯示技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社.2003.

[2]戴鍋生.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[3]F.P.Incropera[美]，著，葛新石，葉宏，譯.傳熱和傳質(zhì)基本原理[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2007.

Study on the Hot Air Circulation System of Autoclave Machine

LIU Juntao
（The 2nd Research Institute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract:After pasting Polaroid，autoclave machine is used to improve LCD's display quality.The temperature uniformity is one of its key performance indicators of the machine.Hot air circulation system is the structure to ensure temperature uniformity of the equipment.Thought the analysis，determine the feasible and effective structure of the machine，according to the experiment with the structure of the equipment，the experimental data obtained，and then achieve precise control of temperature.

Keywords:Autoclave machine；Hot air circulation system；Temperature uniformity

TN605

B

1004-4507（2013）07-0057-04

2013-06-25

劉軍濤（1978-），男，山西太原人，工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)就職于中國電子科技集團公司第二研究所，主要從事液晶顯示器相關(guān)設(shè)備及其工藝研究。