干燥炉中热风循环温控系统的设计

黄 帅，赵梁博，朱林涛

（1.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德莱德大学电子与电气工程学院，澳大利亚阿德莱德）

干燥炉中热风循环温控系统的设计

黄 帅1，赵梁博2，朱林涛1

（1.中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176；2.阿德莱德大学电子与电气工程学院，澳大利亚阿德莱德）

热风循环温控系统主要应用于干燥炉中，为被干燥对象提供所需的高品质温控环境。目前，大多数干燥炉的温度控制偏差在5℃以上，同时热气流不均匀造成不同区域的干燥效果不尽相同。通过对以往干燥炉温控系统的总结与优化，提出了一种更为精确、全面的控制方案。该热风循环温控系统主要包括温控系统与风机系统两大部分，通过优化的温控算法整合成PID温控调节模块以实现温度的快速准确响应；同时引入风机系统，优化机械结构设计来改善气流的均匀性。通过温控系统与风机系统的有效整合，实现了分布均匀、温度可控的干燥环境。经过实际测试使用，该系统达到了设计要求，为干燥炉中温控系统的设计提供了一种可靠地选择。

干燥炉；温度调节模块；热风循环

长期以来，干燥炉被广泛的应用于各领域。这些干燥炉根据各自的功能特点分别被应用于食品、医疗、服装、电子等各行业。本文所探讨的干燥炉主要是指应用在电子行业如太阳能电池片、陶瓷基片等产品的干燥设备。该类干燥设备，按照外观，大致可以分为箱式干燥炉、网带干燥炉、回旋干燥炉（如图1所示）；按照热源，大致可分为电阻热风干燥炉、红外干燥炉、微波干燥炉等。其中大多需要用到热风循环温控系统，以提高干燥效率、增强被加热目标与周围环境气体的接触均匀性。

图1 箱式干燥炉、网带干燥炉、回旋干燥炉示意图

1 应用背景

干燥炉，是用来为需要干燥的对象提供高温环境的设备。有些干燥炉工作温度在400℃以下，此时的干燥炉常被称为烘干炉；而有些干燥炉的工作温度达到500℃以上，根据工艺区分，这种干燥炉通常被称为烧结炉。在太阳能电池晶硅片以及各种陶瓷基片的生产工艺中都有烘干或烧结流程。本文讨论的干燥设备以太阳能电池晶硅片生产工艺中使用的烘干或烧结炉为原型。

常规太阳能电池晶硅片生产工艺中有三道印刷工序，每次印刷后须经过一次烘干工序，使浆料中的水份蒸发掉，以便下一道工序的印刷。在经过三次印刷之后，进入烧结炉。烧结炉分为预烧结、烧结、降温冷却3个阶段。预烧结阶段目的是使浆料中的高分子粘合剂分解、燃烧掉，此阶段温度慢慢上升；烧结阶段中烧结体内完成各种物理化学反应，形成电阻膜结构，使其真正具有电阻特性，该阶段温度达到峰值；降温冷却阶段，玻璃冷却硬化并凝固，使电阻膜结构固定地粘附于基片上。

在烘干或烧结过程中，需要热风循环系统来提高热效率以便满足整个生产线的生产效率，同时，热风循环能改善炉内气体均匀性且能够及时排出腔内蒸发出的杂质物质。

2 系统组成

干燥炉热风循环系统由温控系统和风机系统两大部分组成。温控系统主要包括温度控制模块、红外灯管加热、热电偶反馈、过热保护等（见图2）。风机系统主要包括变频器、引风机、吹风机等（见图3）。

图2 温控系统工作流程示意图

图3 风机系统工作流程示意图

3 工作原理

3.1 温控系统

以太阳能晶硅电池片的干燥炉加热温区温度控制为实例，简单地结合控制理论，以浅显的方式将温度控制PID算法做一个简单的描述。温控框图见图4。

图4 温度控制框图

这是一个典型的闭环控制系统，用于控制加热温区的温度（PV）保持在恒定的温度设定值（SV）。系统通过温度采集单元反馈回来的实时温度信号（PV）获取偏差值（EV），偏差值经过 PID调节器运算输出，控制发热管的发热功率，以克服偏差，促使偏差趋近于零。例如，当某一时刻排风风机流量增大带走的热量较多时，即导致温度下降，此时通过反馈的调节作用使温度迅速回升。其调节过程如图5所示。

图5 温度调节流程示意图

温度控制的功率输出采用脉宽调制的方法。固态继电器SSR的输出端为脉宽可调的电压U-out。当SSR的触发端触发时，电源电压Uan通过SSR的输出端加到发热管的两端；当SSR的触发端没有触发信号时，SSR关断。因此，发热管两端的平均电压为 Ud=（t/T）Uan=KUan。其中 K=t/T，为一个周期T中，SSR触发导通的比率，称为负载电压系数或是占空比，K的变化值在0～1之间。一般是周期T固定不变，调节t，当t在0～T的范围内变化时，发热管的电压即在0～Uan之间变化，这种调节方法称为定频调宽法。

温度控制是一个惯性较大的系统。当给温区加热之后，并不能立即观察到温区温度的明显上升；同样，当关闭加热之后，温区的温度仍然有一定程度的上升。另外，热电偶对温度的检测与实际的温区温度相比，也存在一定的滞后效应。

这给温度的控制带来了困难。因此，如果在温度检测值（PV）到达设定值时才关断输出，可能因温度的滞后效应而长时间超出设定值，需要较长时间才能回到设定值；如果在温度检测值（PV）未到设定值时即关断输出，则可能因关断较早而导致温度难以达到设定值。为了合理地处理系统响应速度与系统稳定性之间的矛盾，我们把温度控制分为PID调节前和PID调节两个阶段。

将编好的算法写入温度控制模块，以实现温度控制自动调节。以3个温区为例，整个温控部分电路原理如图6。

3.2 风机系统

风机系统主要有变频器、热流风机、引风机、吹风机等几部分构成。一个温区有两个变频器，热流风机、引风机、吹风机各一个。变频器用来调节各风机转速。热流风机用来扩散加热管所形成的热量。引风机、吹风机共同作用形成风道，两个风机应对称安装，以便气流均匀顺畅。通过上位机通信指令或者IO模拟量输出模块输出模拟量电压来调整变频器的输出频率，进而改变各风机的转速。图7为风机系统电路原理图。

图6 温控系统电路原理图

图7 风机系统电路原理图

4 总 结

干燥炉除了在食品、医疗、服装等生活相关行业有重要的作用之外，在电子产品相关行业更是起到至关重要的作用。尤其在太阳能晶硅电池片、各种陶瓷基片的生产工艺中必不可少。热风循环温控系统能保证烘干炉提供精确的所需工艺温度环境，同时通过控制热气流流速和均匀性来提高烘干效率以及被烘干对象与环境气体接触的一致性，及时排出烘干炉内蒸发出的杂质物质，为被烘干对象提供一个优质的烘干环境。经过在本部LTCC陶瓷基片印刷线中干燥炉的实际应用，该热风循环系统完全满足温控工艺设计要求。

：

[1]彭立，张建洲，王少华.自适应温度控制系统的研制[J].东北师大学报（自然科学版），1994（1）：15-17.

[2]俞胜扬.环境湿热实验箱加湿系统的改进[J].电测与仪表，2004（02）：57-60.

[3]刘侃，张永泰，刘洛琨.ARM程序设计优化策略与技术[J].单片机与嵌入式系统应用，2004（4）：34-36.

[4]刘镇，姜学智，李东海.PID控制参数整定方法[J].电子技术应用，1997（5）：25-27.

[5]江孝国，王婉丽，祁双喜.高精度PID温度控制器[J].电子与自动化，2000（5）：23-25.

[6]陈谋义.环境温度变化对低温试验箱性能的影响[J].环境技术，1998（1）：12-16.

[7]郎德荣.温湿度闭环控制实验设备的开发与研制[J].沈阳航空工业学院学报，1999（2）：30-35.

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