冷却系统简略计算方法

高温塑料熔体在模腔内凝固时将释放热量，注射模存在一个合适的模具温度。模温调节系统是使整个成型型腔，在整个批量生产中，保持这个合适温度。

1.温度调节系统的功用

（1）对制品质量的影响 注射模具温度的波动及分布不均匀，和模温的不合适，这两方面会使塑料制品质量变坏。模温直接关系制品的成型收缩率。模温波动会使批量生产制品尺寸不稳定，从而降低制品尺寸精度，甚至出现尺寸误差过大的废品。这对成型收缩率较大的结晶型塑料影响更为明显。

模具型腔温度分布的不均匀，例如模具型芯壁和型腔壁温差过大，会导致注塑件厚度截面上残余应力分布的不均匀，固化后注塑件会出现变形翘曲。注塑件中局部范围残余应力过大会引起裂纹和开裂。这对刚硬的聚碳酸酯等制品尤为重要。

提高模温能改善制品表面的粗糙度，使轮廓清晰，熔合缝不显现。提高模温有利于结晶型塑料的结晶过程，有利于高黏度熔体的充模流动，也有利于减小制品中的残余应力；但是会延长冷却时间和成型周期，也会使脱模温度过高，使注塑件在脱模中受到损伤。

（2）对生产效率的影响 冷却时间在整个成型周期中占50%～80%的时间。在保证注塑件质量的前提下，限制和缩短冷却时间是提高生产效率的关键。让高温熔体尽快降温固化，模温调节系统应有较高的冷却效率。注入模具的塑料熔体所具有的热量，由模具传导、对流和辐射，散失于大气和注射机仅占5%～30%。热量大部分由冷却水携走。缩短冷却时间的途径有三个方面。

1）让冷却水处于湍流状态。模具冷却管道中的冷却水应处于高速湍流状态，流速v=0.5～1.5 m/s，甚至更高。雷诺数Re>6000，使冷却管道孔壁与冷却介质之间的传热系数α提高。资料表明，湍流流体在Re>10⁴时，其传热能力比层流高10～20倍。

2）扩大模具与冷却水的温差。在模温一定时，采用低温的冷却水。但倘若设计不当，会加剧模温分布的不均匀。采用低于室温的冷却水时，有可能使型腔表面凝聚大气中的水分。

3）增大冷却介质的传热面积。也就是尽量增大管道孔径和增加孔数。但是受模具结构（例如脱模零件、镶块接缝）的限制，在型腔压力过大时，要防止冷却管道壁与成型壁面间钢材压塌的现象。

对于大型注射模，为提高制件的合格率，在开机前必须将模具预热到适宜温度。例如要把5t重的模具从室温20℃，升高到合适的模温60℃。对于碳钢模具，比热容为0.46kJ/（kg·℃），所需热量

Q_m=0.46×5000×（60-20）kJ=92000kJ倘若Q_m热量不是由预热获得，而是由注射到型腔内的ABS熔体传给，由表11-1，ABS熔体凝固放热热量Δ_i=300～400kJ/kg，设该模具每小时注入塑料熔体60kg，则ABS熔体传递给模具的热量

Q_p=60×350kJ=21000kJ这就需要连续注射成型

Q_m/Q_p=92000/21000=4.38在此期间的制品，由于模温太低而报废。在达到合适模温后，由于进入型腔的熔融塑料量大，积聚热量增多，为保持模温而需要对模具维持冷却。

2.冷却系统的简略计算

对于大多数中小型注射模具的水冷却系统，需要计算冷却传热面积，确定冷却水温度和流量。尽管作了一些简略的计算处理，但仍遵循了模具成型过程热平衡和冷却水湍流流动的两大原则。

（1）热平衡计算 进行注射成型过程热平衡计算，就是计算单位时间内熔体固化放出热量等于冷却水所携走的热量

Q_in=Δ_im_p=Δ_inG （11-1）

式中 Q_in——塑料熔体每小时冷却固化所放出的热量（kJ/h）；

Δ_i——每千克塑料熔体凝固时放出的热焓量（kJ/kg），由表11-1查得；

n——每小时注射次数；

G——每次注射的塑料用量（kg）；

m_p——每小时注射的塑料量（kg）。

表11-1 常用塑料熔体凝固时放出热焓量

Q_out=m_w^Cw（T_out-T_in） （11-2）

式中 Q_out——冷却水每小时的从模具携走的热量（kJ/h）；

m_w——冷却水每小时的用量（kg/h）；

C_w——冷却水比热容，4.187kJ/（kg·℃）；

T_out——模具的出水温度（℃）；

T_in——进入模具的冷却水温度（℃）。

由热平衡条件Q_out=Q_in可得

（2）湍流计算 经计算保证冷却水在管道中处于湍流状态，从而获得冷却水的体积流量V，并确定相应的管径d。

由水的密度ρ=1000kg/m³和每小时用水量m_w，可换算得冷却水的体积流量

圆管中湍流的雷诺数Re的计算式

式中 v——管中的最低流速；

μ——流体黏度。

可由式（11-4）计算得流量V后，直接查表11-2，得温度10℃时保证雷诺数Re=10⁴以上的管道直径d。

表11-2 冷却圆管中水的湍流流量V和管道直径d（Re=10⁴，10℃）

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在确定实际冷却管道的直径后，可求得在V（m³/min）和d（m）下的冷却水流速

（3）冷却面积计算 进一步确定能保证冷却效率的冷却管道长度和孔数。冷却水从模具中带走的热量

Q_out=αΔTφ （11-6）

ΔT=T_m-T_cp=T_m-0.5（T_out+T_in）

式中 T_m——模具温度（℃）；

T_cp——冷却水的平均温度（℃）；

ΔT——模具与冷却水的平均温度差（℃）；

α——冷却水的管壁传热系数[kJ/（m²·h·℃）]；

φ——管道的有效冷却面积（m²）。

长径比L/d>50的细长冷却管道，模具管壁对冷却水的传热系数

式中 ρ——冷却水密度（kg/m³）；

v——流速（m/s）；

d——管径（m）；

f_o——冷却水物理性质参量的函数。

水的热导率λ、比热容C_w及黏度μ均是水温的函数。现将模具冷却水的平均温度T_cp下的λ、C_w及μ计算得f_o，列于表11-3中。

表11-3　f_o与平均水温的关系

最后，可由下式求出管长L，或孔数n

φ=nπdL （11-8）

[例]注射成型ABS注塑件，产量为30kg/h。用22℃的常温水作为冷却液，模具出口的水温28℃，要求模具温度50℃，由结构设计获知冷却水管长度是200mm，求冷却水管直径及模具上应开设的水管孔数。

[解]由题意m_p=nG=30kg/h，T_oup=28℃，T_in=22℃得T_cp=25℃。T_m=50℃，得ΔT=T_m-T_cp=50-25=25℃

1）计算产生湍流的冷却水流量，相应的管径及水速

查表11-1得ABS的Δ_i=350kJ/kg。由式（11-4）

查表11-2取d=11×10^-3 m，代入式（11-5）

2）计算所需冷却面积及孔数

以T_cp=25℃查表11-3得f_o=7.93。由式（11-7）

用式（11-6）计算所需冷却面积

由式（11-8）得管道L=200mm的孔数

圆整后，取长200mm孔径11mm的圆管道3根。

3.模具温度控制机

注射生产用的模具温度控制机，简称模温机，是高效和精密注射的重要附属装备。模温机输给模具传热控制介质有水和油两种。水温机可控制模具温度15～120℃。油温机可控制模具温度25～200℃，有达到300℃的机型。模温机还需配有冷冻机，用3℃～常温的水作为冷却模温机的传热介质。一台注射机用一台模温机，也有定模和动模用两台模温机分别控制。模温机的输出介质的流量和压力应满足注射模热平衡所需。

高光无痕注射生产要用过热水模温控制机。当注塑件成型脱模后，注入100～150℃高温热水到模具，让模具在高温下注射和保压，然后再注入冷却水，使模具温度达到35～85℃。另一种是蒸汽模温控制机，用高温蒸汽加热模具，注射和保压后迅速注入冷却水或冷冻水。