传导加热器在模具内的应用：探索与挑战

对于模具所需要的大量热量和所用到的冷却系统，另一种控制模具壁温度的方法是在模具表面或附近利用传导加热。图13.24所示即为这样一种设计，其提供一个光滑的表面发泡成型高聚物制品的一侧^[73]。和每个传统的模具设计一样，该模具由型腔镶件镶件12和型芯镶件10组成，这两部分包含有网络状的冷却水道34和36。薄金属片38包裹着型腔镶件12的腔体表面。在金属片和型腔镶件间有一薄层氧化物绝缘层。薄金属片38有一开口40用作从浇口32到型腔14运输高聚物熔体的通道。连接到金属片38的电缆附件46和48与低电压、高电流电缆50和52相连。每次成型，通一段较短时间的高电流，然后断开开关54，电源56的电流激增，因此用由加热管62形成的旁路来减少开关处产生的电弧。相对于金属片38，加热管62的电阻很大，所以在接通开关54后，实际上主要形成的是通过金属片38的回路。合上开关54后，电源56的大部分电流通过金属片38。

图13.24 传导加热模具设计

即将合上模具时，合上开关54，一个高电流通过金属片。在这一设计中，金属片（钢板）厚0.2cm，其长和宽分别是30cm和10cm。钢板电阻率是30μΩ·cm，电缆50和52间钢板电阻为450μΩ。这项设计的专利说明书表明，试验中，通过的电流为500A的情况下，0.4s就可以产生200℃的高温。对于设定和计算的电流和电阻，如果驱动电压为0.23V，金属片功耗是113W。给定加热时间0.4s，那么每次成型的能耗是0.013kW·h。相比而言，4.68kg的钢片需要的最小加热能量是0.5MJ，或者说是0.13kW·h。所能提供的和需要的加热能量间存在一个很大的差距。(www.xing528.com)

进一步分析加热所需要的能量，一般典型的注射制品的比热容是2000J/（kg·℃），厚度为3mm，物料熔融的温度是240℃，推出时制品的温度是100℃，成型周期为30s。在这种情况下，ABS熔体对模具的传热速率是28kW/m²。由于冷却水道布置在模具的两侧，冷却水道的冷却速率约为1.4W/cm²。因此，在加热板温度开始显著上升前，30cm×10cm的加热板需提供比冷却水道带走的能量至少多420W的能量。

显然，传导加热要求加热器提供的热能密度超过250W/cm²。这样一个加热器，如果布置在型腔表面，可以在6s将一个30cm×10cm×0.2cm的钢板表面温度升至200℃。已做过将高功率、薄膜式加热器直接设置在型腔表面的尝试^[74]。然而，将传导加热器设置在模具内的努力并没有获得广泛的成功，至少存在下面三个原因。第一，高聚物熔体对加热器作用一个高的循环压力，其将使加热器产生疲劳破坏。第二，合理布置加热器、型腔和冷却水道以满足模具壁温均匀、外形美观、尺寸小，存在一定的困难。第三，加热器位于型腔和冷却水道之间，使得冷却时传热速率低，从而延长了冷却时间。