基于正交試驗的液晶屏老化爐優化設計

孫家圓， 倪俊芳， 楊波

（1.蘇州大學機電工程學院，江蘇蘇州 215021；2.蘇州優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間內對液晶屏進行高溫烘烤，使其快速渡過失效期，并將其存在的潛在缺陷暴露出來，進入性能平穩階段的測試方法。隨著科技的發展和生活需要，液晶屏的需求變得越來越大，企業之間競爭也愈發激烈，液晶屏的品種和加工工藝也日趨復雜，其存在缺陷的概率也隨之增大[1]，因此新液晶屏需要經過老化測試以保證品質。老化測試受多個因素影響，主要有熱源功率、液晶屏尺寸、風機個數、風機風速等，目前主要根據經驗通過試錯法進行反復試驗來獲得更好的老化環境。但仍存在熱流場分布不均勻、達到熱平衡后溫度波動范圍大的問題。本文基于液晶屏老化爐對流傳熱理論模型，對老化爐體進行設計建模，并進行數值模擬，分析其內部熱流場分布，通過正交試驗找出其主要影響因素，并對其進行優化。

1 老化爐結構及液晶屏參數

液晶屏老化爐由2個子老化爐組合而成，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部分、承重部分及電控系統部分。老化爐內放置了紫銅材質的加熱器、環氧樹脂材質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臺離心風機。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，通過電控系統控制其自動開合，使用三軸運動叉爪將液晶屏運送至爐內[2]。其中，為了保證電控系統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部溫度不會過高。因此在進行建模及后續風道設計及溫度場和流體場仿真分析時，忽略此部分。子老化爐設計結構如圖1所示，其各參數如表1所示。

表1 液晶屏老化爐各材料參數

圖1 子老化爐結構圖

2 傳熱理論模型及加熱系統設計

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。根據熱傳遞的方式可知，選用對流傳熱進行理論分析。

對流換熱的表達式為

式中：Q為熱流密度，W/m2；h為對流換熱系數，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，且是通過導熱方式進行，則可導出

在加熱管給空氣加熱和空氣在爐內流動進行對流換熱的過程中，會損失一部分能量，同時老化爐壁也會像外部進行散熱，所以需要構建熱流循環，使熱流能均勻不斷地在爐內擴散，彌補熱量損耗，即W1+W2=0。其中：W1為老化過程中的熱量損耗；W2為熱源散發的熱量。

2.2 老化爐加熱系統設計

由于該老化爐原先使用二位式算法控制加熱器加熱，存在加熱波動幅度大且到達熱平衡時間較長的現象，故在原有基礎上取消使用算法控制，而是通過將加熱器分為2個子加熱器，在保證其總功率不變、能夠滿足快速加熱至目標溫度時，停止其中一個子加熱器，另一個子加熱器持續加熱以彌補熱量損失，以達到保持目標溫度的目的。

3 數值仿真分析及正交試驗

3.1 仿真模型建立

使用仿真軟件能夠對實際工況進行模擬[3]。本文使用Flotherm仿真軟件進行建模，如圖2所示。

圖2 老化爐仿真建模

3.2 邊界條件及設計參數

1）室內空氣設置為不可壓縮流體；2）室內壓力為標準大氣壓；3）老化爐不考慮漏風情況，視其氣密性良好；4）根據生產需求，依照表1所示材料屬性將老化爐模型一一對應設置。

3.3 影響因素的分析及水平的確定

考慮到液晶屏實際工作溫度范圍一般在-40～55 ℃[4]。因此液晶屏進行老化測試時，其老化設備設定的溫度應該高于55 ℃，而當環境溫度達到70 ℃以上時，屏幕內部液晶從液晶態變為液態的概率大大增高。為了使液晶顯示器在液晶不產生相變的情況下進行老化試驗，老化溫度設置為60 ℃，其允許波動范圍控制在±3 ℃。因此持續加熱的子加熱器總功率范圍設置為4.8～5.2 kW。

由于老化箱高度較高，氣流經由軸流風機送出后會形成擴散，考慮在氣流擴散處或流體速度較慢處增加風機，保證流體能夠被風機收束傳遞，均勻分布。因此增加軸流風機個數范圍為6～12個。同時考慮離心風機風壓大小，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，當老化爐滿載后，液晶屏之間距離的不同會對熱流的傳播產生影響。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。根據其實際情況，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 溫度場正交試驗有限元仿真分析

在仿真模型中布置監控點以獲得溫度，其熱電偶主要布置于爐體兩側和承重桿中部，如圖3所示。根據因素水平表排列出正交試驗表并進行仿真模擬。

圖3 測溫點布置圖

因為是4因素3水平的正交試驗[5]，所以選用L9（34）型標準正交表。

表3 正交試驗表

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為D＞C＞B＞A，而影響老化爐體均溫性的因素主次順序為B＞C、D＞A，均衡考慮均溫性和平均溫度，其最優水平組合為D1C3B3A2。此組合經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兩側溫度比中間略高，風機構建的循環風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 試驗驗證

根據正交試驗得出的影響因素優先級，結合現有的材料對老化爐進行布置，為了模擬實際工況，在爐內放置49～65 in的液晶屏20塊。由于仿真的設定為全封閉理想環境，實際老化爐蓋板及背板的氣密性仍有待加強，因此對于持續加熱的熱源功率上調至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12個點。圖6為現場測試。其達到熱平衡后溫度曲線如圖7所示，每步時間為20 s。仿真溫度、優化后測溫與優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?，經過結構優化后，老化爐達到熱平衡后溫度波動較優化前顯著變小，各點溫度更加均勻，能夠滿足±3 ℃的要求，驗證了加熱系統優化設計的有效性和準確性。

圖6 現場實測

圖7 實測測溫點溫度

圖8 實測溫度對比

5 結論

1）采用正交試驗對熱源功率、軸流風機個數、液晶屏尺寸及離心風機型號進行極差分析，得到理想水平組合：熱源功率為5.2 kW，添加風機個數為12，液晶屏尺寸為65 in，離心風機型號為CY125。2）根據實際條件優化后，爐內平均溫度為60.30 ℃，爐內溫度場分布均勻度為1.23，滿足生產需求；與優化前平均溫度61.16 ℃、爐內溫度場分布均勻度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行溫度場分析，能夠有效模擬出各點溫度及爐內流場分布，對老化爐均溫性結構優化具有指導性作用，實際應用效果良好。