注射模具的冷却

优胜设计史勇老师

今天，具有较大的横截面积和易于接近的模具区域的中等尺寸的模具通常采用直径为8-10 mm的冷却通道冷却，通道可用钻孔或嵌入的方法固定到模具上。

如果大量的塑料必须通过模具材料的一个小块区域来冷却，例如，在小直径的圆柱状模塑制品、凸起、圆角和双壁区域内的情况，问题就出现了。采用通常的冷却技术，这些区域或因空间的限制而不可接近，或因冷却效率低下而不足以除去热量。       
对注射成型模具的热分析常常显示，冷却通道总是位于空间允许它们存在的地方，而从物理角度看，需要冷却通道的地方却常常无法设置它们。结果，一些形同虚设的冷却系统增加了成本而全无作用。通常，液体冷却系统的小型化受到下述限制∶难于与冷却通道结合、压力下降、有堵塞的危险，以及冷却效率不能令人满意。
对相关文献所作的彻底研究揭示，已对常规尺寸的注射成型模具进行了研究，但对注射成型模具的小型化冷却系统迄今所知甚少。

冷却系统选择
为了冷却很小的区域，可以有以下的基本选择∶
◆ 尺寸
约为皮下注射用针管那样的微小冷却通道与高压冷却装置和超纯冷却介质进行组合，
◆ 用焊接或熔接的方法，将轮廓线互相匹配的通道连为一体，
◆ 导热销钉，插入件或管状件，
◆ 热传递介质替代物的使用，诸如二氧化碳、氮或压缩空气，
◆ 利用液体致冷剂的相变换(冰箱原理)。


图2 用于液体和气体的不同注射针状管设计（上：EOC标准单元 下：SKZ自己的设计）。
        小型冷却通道
可以采用小型冷却通道，例如，皮下注射针状管的形式(图2)。液体或气体通过针状管进入到需要冷却的模具的小区域。介质通过一个直径小于1 mm的中空针管进入并围绕一个环形环流通。该系统尺寸特别小，甚至可纳入模具中极小的空间。虽然如图2所示，这种针状管可作为标准元件在市场上获得，但在文献资料上很少提及它们的使用情况。

轮廓线匹配的冷却通道
轮廓线匹配的冷却通道，即很小的冷却通道可通过夹芯式拼合而

成，见图3。冷却通道可自由地组合进独立的各层上。各层又可以用特别的焊接或熔接加工方法进行连接，在机械特性上它们应当像单个的零件。除了压力下降较大的问题外，也必须解决成本和强度的问题。
导热销钉或插入件
导热插件，通常采用销钉的形式，以改善模具内的导热性能。具有很好导热值的材料包括，例如铜(384 W/mK)、铝(204 W/mK)和现在常常使用的铜-铍合金(105 W/mK)。另一方面，工具钢的导热性(大约15到45 W/mK)是相对地差的，因而不适于热传递，特别不适合长距离地传热。

在铜-铍的力学性能适合时，全部模具插件可以由这种材料制成。另一方面，钢插入件可用铜进行镶衬(Mecobond加工法)。镶衬的最简单形式是铜销钉。
导热管
导热管也与销钉相像，是气密的中空圆柱体，其内部具有极为有效的承担热传递的结构。在圆柱体内部，空腔内填注了以液相和气相两种形式存在的介质，两相间达到一种平衡。介质的成分制造商未加披露，但多半是取决于设计要求的，由水或酒精组成。从管的热区到冷区的热传递不是像传热销钉那样借助传导，而是借助于相转换有关的潜热。当热量加到管上或从管上散去时，上面提到的平衡被打破了。在管内的热区，发生了液体介质向气相的转变，而在冷区，则气体被再液化。借助压差和通常由管内壁金属网形成的类似油灯绳的毛细管作用，液体流回热区。用这种办法，在管内建立了循环机制。         

导热管按Wuebken的说法，热传递性能约比铜高10倍，其冷却效率取决于不同的运行条件，如管的设计和安装位置、被传递的热量总额和温度范围等。
致冷剂冷却的系统
有两种不同类型的致冷剂冷却系统。在第一种类型中，致冷剂在蒸发后散失了，而在另一种类型中，致冷剂回到致冷剂的循环中。两种方法都基于同一原理∶通过液体蒸发从最靠近的环境中移去热量。

在致冷剂散逸的类型中，也就是这里说的气冷型，使用二氧化碳或氮。二氧化碳加压保存在储存箱中，并进入一个构成模具芯的多孔金属元件，在那里蒸发，最后通过一个小缝逸出。此多孔芯可涂覆一层抛光的合金以改善表面质量。制造商设计和供应此系统时以整套方式供应，包括控制装置、致冷剂系统和模具材料(图4)。

将致冷器直接用于模具冷却是一种全新的发展。迄今为止，致冷器都是用于使冷却剂冷却到低温状态。因为冷却作用直接在模具中发生，所以，可以不用介质的间接通路。此时，模具的被冷却区域成为致冷器的蒸发器。

测量冷却效率
在文献的基础上，开发了一种冷却效率测量装置。该装置由一个圆柱形的铜加热块和一个冷却块构成，它们相互间的距离可以改变，以适合冷却元件。热量由被测试的冷却元件从加热块传递到冷却块。6只筒式加热器供应确定的热量到加热块。由于加热块是由铜制成的，热量在整个加热块上
图4 气体冷却原理。       

可以很均匀地分布，散失到环境中的热量值由校准试验确定。所测值与供应热量总额的差给出了冷却的效率。
流测量
停止冷却，供应一个确定量的热量，直到达到稳定的平衡状态。然后开始冷却并测量温度下降值。为了确定冷却效率，必须再次达到加热块和冷却块间的平衡状态。再由提供的热量减去早先以校准曲线形式确定的散失到环境中的热量来计算冷却效率。

冷却系统的效率
冷却系统的冷却功能启动后，芯尖端的温度下降。这一温度下降及可达到的最终温度表征了该元件的效率。

导热销钉
对于导热销钉，开始时采用两家不同的制造商的铜合金芯销钉。铜销钉借助导热软膏插进加热块插件。在长度为315 mm时，两种销钉均不显示可测量到的效果。仅在缩短到160 mm后，在芯尖端有明显的温度下降。以这样的长度及小的横截面，达不到有用的冷却效果。

导热管
在测试来自三家不同的制造商的导热管时，发现冷却效率差别颇大。据推测，效率的变化是由于导热管内的液体不同所致。制造商未披露填充介质的精确成分。所列出的介质的一项指标是最大允许工作温度(最有效的来自制造商C的导热管是150℃，来自制造商A和B的是250℃)。

另外，针对导热管C，研究了冷却效率与安装位置的关系。研究结果证实了已经熟知的效果∶管在垂直位置(热端向下)有最高的效率，相反的情况则效率最低。这可解释为∶内部的蒸发介质因自然对流向上升，而来自冷端的凝结物自然地向下流。主要取决于压差的内部循环，以这种方式被加强或减弱。在这种导热管安装到注射模具上时通常采用的水平位置，只可能达到稍高于50%的最大可能冷却效率。

CO2冷却
加压液化的CO2以气瓶方式供应。液态CO2流过一个螺线阀和一个毛细管进入冷却效率测量装置的加热块并在那里蒸发。所供应的CO2总量可利用螺线阀的接通/关闭周期进行控制。与汉堡的Aga Gas公司享有专利的Toolvac系统形成对照，热交换不是借助于多孔金属，而是CO2作为一种气体在毛细管四周的环形环内流通，并返回到大气中。这可以解释为什么比起用水的冷却针，温度下降得更低。由此可知，在一很短的时间段里，CO2冷却在所有被研究的冷却系统中，温度下降是最陡峭的。CO2气体的突出优点是易于供应和排放。

由于压差小，尽管横截面很小，较长的长度也是可行的。使用柔性毛细管的可能性使复杂的通道变得方便了，并且不存在密封问题。

冷凝剂冷却
致冷剂冷却系统可达到几乎与水冷却同样的最终温度，但要慢得多。这样，可以得出结论∶在水冷时，从冷却介质到金属的热传递较好。在冷却效率测试装置的非加热点，温度下降到-12℃，比水所可能达到的温度要低得多，然而，在测量点的冷却效率并不比水好。低温导致相当严重的冷凝，使试验装置迅速被腐蚀。由于致冷剂冷却装置昂贵并且难于操作，而冷却效率又不能达到期望值，所以，未再进一步对这种冷却技术进行追踪研究。

水针冷却
水针冷却相对便宜，到现在为止，这种方法已经给出了最好的结果。它最适合于大体积流量而又尺寸小的情况的冷却，因为大体积流量而又尺寸小的冷却系统导致大压差，而使通常市场上可获得的冷却装置不适用。借助专为此目的开发的设备，这种针式冷却系统甚至可进行串联。