CN102490330B - 基于相变蓄能材料的温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相变蓄能材料的温度控制方法，根据所需的控制温度选择相变蓄能材料，使相变蓄能材料的相变温度为装备的设定控制温度，制品加工过程中，在蓄能材料通道内通入所选的处于固液混合状态的相变储能材料，控温区域靠近相变蓄能材料通道，利用相变蓄能材料的蓄能特性来提供恒温的控温介质。采用本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，可使型腔周边温度稳定控制在所选材料的相变温度下，相变材料吸收热量后，相变材料由固态向液态熔化，温度不变，形成吸热机理，吸热量大，使型腔周边温度达到相对平衡；相变材料进行适当的冷却后，相变材料由液态向固态凝固，形成放热机理，温度任不变，使型腔周边温度相对平衡而不断循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工设备的温度控制方法，尤其是指精密成型制品加工装置的温度控制方法，采用相变材料的蓄能原理。
背景技术
航空航天、消费电子、生物医学等高尖端领域的兴起对高分子材料等制品的精密性提出了更高的要求。要求塑料制品既具有精细的尺寸结构特征又具有高强度；既要求力学性能优异又易于成型加工等。例如其中注射成型工艺方法作为最主要的高分子材料制品成型手段，其在高尖端技术领域具有广阔的应用前景和发展潜力。精密注射成型机早在20世纪80年代已经研制成功，历经几十年的发展，注射成型设备经过无数次的更新换代，成型模具却大同小异。温度，尤其是模具温度作为影响高分子材料等制品成型质量的主要因素，其稳定控制始终是制约整个行业发展的瓶颈。注射成型工艺属于间歇式生产，几百度高温的塑料熔体不断从注射机喷嘴进入模具型腔，随着生产时间的增加，在热传递的作用下模具温度逐渐升高，从而影响了成型工艺的稳定性，最终导致成型缺陷产生影响制品质量。
传统的模具温度控制是采用循环冷却水的方法，模具内部开设冷却水通道，在泵的作用下冷却水流经模具冷却水道并不断循环，从而实现模具温度的控制，然而这种方法随着生产时间的增加循环冷却水的温度也在不断升高，消除模具温升的效果越来越差，更换冷却水可以解决上述问题，却增加了冷却水的用量，同时也增加了成型周期。因此，开发低成本、高效率的温度控制方法既是精密塑料制品成型质量的保证，也是实现精密制品低成本大批量生产的有效途径。
专利ZL02124412.X公开了一种模具温度控制系统。该系统在冷却模具时，冷却水按照冷却机、辅助箱、循环泵、膨胀高压管、模具内部流体通路再返回冷水机这样顺序连接的路径循环。该发明可以有效地防止从模具流入的水受到背压的作用并实现管道内气泡的分离，但其结构复杂，冷却水定期更换的问题无法解决。
专利ZL 200710005691.4公开了一种模具温度控制装置及其控制方法。该装置通过温度判断线路判断注射机的模具温度与设定温度的关系，三通阀控制线路用于驱动三通阀的动作，三通阀不断切换实现模具温度的稳定控制，冰水阀控制线路是控制模具冷却的主回路。该发明可以实现模具温度的自动控制，控制精确度高，自动化程度高，但是冰水升温的问题仍然无法解决。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于相变蓄能材料的温度控制方法，相变蓄能材料的温度控制基于相变调温机理，通过蓄能介质的相态变化实现对热能储存和释放，当环境温度低于一定值时，相变材料由液态凝结为固态，释放热量；当环境温度高于一定值时，相变材料由固态熔化为液态，吸收热量，相变材料固态与液态相混时即使增加或带走一定的热量，其温度不会变化，因而能实现温度的稳定控制。利用基于蓄能材料的温度控制方法能够实现模具温度的稳定控制，消除模具温度不稳定所导致的制品成型质量缺陷，降低精密注射成型的废品率。该方法具有原理简单，易于实现，技术成熟等特点。
为了实现以上目的，本发明采用以下技术方案：一种基于蓄能材料的温度控制方法，根据所需的控制温度选择相变蓄能材料，使相变蓄能材料的相变温度为装备的控制温度，制品加工过程中，在蓄能材料通道内通入所选的处于固液混合状态的相变储能材料，控温区域靠近相变蓄能材料通道，利用相变蓄能材料的蓄能特性来提供恒温的控温介质。以塑料制品生产用注塑机为例，所述注塑机主要由相变蓄能材料、冷却水、成型模具、循环系统与塑化注射装置组成，成型模具依次由定模部分、动模部分、安装固定板、顶出推板、顶针、导柱、型腔板、循环冷却水通道、相变蓄能材料通道组成；顶出推板与顶针固定连接，可以水平方向移动，完成制品的顶出动作；型腔板安装于动模部分，型腔板后端布置相变蓄能材料通道，根据加工物料所需的控制温度选择相变蓄能材料，使相变蓄能材料的相变温度为加工物料的控制温度，在制品加工过程中，使蓄能材料通道内的相变储能材料处于固液混合状态，型腔内注入的塑料熔体在此恒温下冷却，至可以取出时开模取出，在蓄能材料通道附近或内部布置冷却水通道，相变蓄能材料通道实现制品的冷却定型，冷却水通道用于控制相变蓄能材料的相变状态，不干扰型腔温度；动模部分通过安装固定板安装于注射机合模系统动模板上，并通过导柱导向与定模部分配合使用；型腔板内开设制品型腔，用于成型最终制品。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，对于微型制件的成型，由于成型模具散热面积相对较大，不需要设置循环冷却水通道，只需设置相变蓄能材料通道即可保证型腔温度保持在相变温度，型腔熔体散热和模具周围的空气对流使相变蓄能材料保持在相变温度下。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，当预成型制品体积较大时，型腔内熔体散热量大，一次注射或多次注射的累积的热量使相变蓄能材料完全成为液态，此时需要增设循环冷却介质通道冷却相变材料控制其相变形态，以保证相变材料的冷却效率。冷却通道可以设置在相变蓄能材料的内部，例如在相变蓄能材料通道内安装同心管，管内通冷却液，冷却液用于冷却相变蓄能材料。如果相变蓄能材料温度太低，完全固化，那么该管内通热介质来给蓄能材料输入热量，使其保持在相变恒温状态。也可以在相变蓄能材料通道临近处设置冷却介质通道，例如将相变蓄能材料通道用隔板隔开，以便一边通相变蓄能材料，另一边通冷却介质，相变蓄能材料通道靠近型腔，制品冷却成型温度由相变蓄能材料控制，冷却介质控制相变蓄能材料的状态，不能干扰型腔的温度。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，蓄能材料可以为相变温度不同的各种固-液态相变材料，例如：相变温度40℃的棕榈酸-十六醇/膨胀珍珠岩复合相变储热材料；相变温度为60℃的纯聚乙二醇；相变温度为100℃的微囊包封相变材料等。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，为了提高换热效率，可将蓄能材料与金属或者其他高导热粉末材料混合使用，以提高相变蓄能材料的导热性及温度均匀性。
由以上技术方案可知，本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、采用基于相变蓄能材料的温度控制方法，可使型腔周边温度稳定控制在所选材料的相变温度下，相变材料吸收热量后，相变材料由固态向液态熔化，形成吸热机理，吸热量大，使型腔周边温度达到相对平衡；相变材料进行适当的冷却后，相变材料由液态向固态凝固，形成放热机理，使型腔周边温度相对平衡而不断循环利用，而在此过程中温度始终不变。本发明可以稳定控制精密注射成型过程中成型模具的温度，不仅能最大程度地减少模具冷却水的用量，而且提高了成型制品的质量；采用基于蓄能材料的精密注射成型方法，成型过程中模具的温度可以保持在稳定的较小范围内而不受设备工作时间长短的影响，彻底消除模具由于连续工作时间长而导致的温升，解决传统冷却水冷却方法导致的温度变化波动大，温度不易控制等难题。不仅能最大程度地减少模具冷却水的用量，而且提高了成型制品的质量，降低废品率。
2、采用基于相变蓄能材料的温度控制方法，甚至可以完全取消模具冷却水循环系统。
3、采用基于相变蓄能材料的温度控制方法，具有换热效率高，温度易于稳定控制等优点。
附图说明
图1是采用本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法的实施例1-注射成型模具结构示意图。
图2是本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法的实施例1中的相变蓄能材料通道与冷却介质通道的几种派生结构图。
图3是采用本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法的实施例2-塑化注射装置结构示意图。
图4是图3的B-B剖面的放大示意图。
1-1-顶出推板，1-2-固定板，1-3-动模部分，1-4-导柱，1-5-相变蓄能材料通道，1-6-循环冷却水通道，1-7-塑料制品，1-8-型腔板，1-9-顶针，1-10-定模部分，2-1-相变蓄能材料通道，2-2-循环冷却水通道，2-3-机筒，2-4-螺杆，2-5-前机筒，2-6-喷嘴
具体实施方式
实施例1
如图1所示是采用本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法的实施例1精密注射成型方法，成型装置主要由顶出推板1-1、固定板1-2、动模部分1-3、导柱1-4、相变蓄能材料通道1-5、循环冷却水通道1-6、型腔板1-8、顶针1-9、定模部分1-10组成，顶出推板1-1与顶针1-9固定连接，可以水平方向移动，完成塑料制品1-7的顶出动作；型腔板1-8安装于动模部分1-3，型腔板1-8后端布置若干冷却通道，相变蓄能材料通道1-5与循环冷却水通道1-6紧邻并前后布置，相变蓄能材料通道1-5实现制品的冷却定型，冷却水通道1-6用于控制相变蓄能材料的相变状态，保证循环利用；动模部分1-3通过固定板1-2安装于注射机合模系统动模板上，并通过导柱1-4导向与定模部分1-10配合使用；型腔板1-8内开设制品型腔，用于成型最终塑料制品1-7。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，对于塑料制品1-7为微型制件的情形，模具散热面积相对较大，不需要设置循环冷却水通道1-6，只需设置相变蓄能材料通道1-5即可保证型腔温度保持在相变温度。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，对于塑料制品1-7体积较大的情形，制品型腔大，型腔内熔体散热量大，需要移除更多的热量以保证型腔温度的稳定，因此需要增设循环冷却水通道1-6冷却相变材料控制其相变形态，以保证相变材料的冷却效率。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，成型模具开设的循环通道形状任意，数量可以为若干。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，循环冷却水通道1-6远离型腔，不干扰型腔的温度，型腔温度仅由相变材料控制。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，模具型腔应靠近相变蓄能材料通道1-5，保证热量的顺利移除和冷却条件的稳定，多次注射制品的重复精度。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，相变蓄能材料可以为相变温度不同的各种固-液态相变材料，例如：相变温度40℃的棕榈酸-十六醇/膨胀珍珠岩复合相变储热材料；相变温度为60℃的纯聚乙二醇；相变温度为100℃的微囊包封相变材料等，根据冷却恒定温度要求的不同来配置相变蓄能材料的配方。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，相变蓄能材料与循环冷却水由循环系统驱动，循环系统可以为压力泵或者其他驱动形式。
本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法，相变蓄能材料通道与循环冷却水通道布置方式可以有很多种方法，如图2所示模具控温板的结构，板的上侧靠近控温区域，图2中将三种结构水平放置在一起，图2中左边的结构是循环冷却水通道1-6位于相变蓄能材料通道1-5内部的结构；图2中的中间及右边所示是二者相邻布置，图2中的中间所示结构的四个小孔为循环冷却水通道1-6，图2中右边所示为用隔板将圆管通道隔成上下两个部分，一部分为循环冷却水通1-6，另一部分为相变蓄能材料通道1-5。相变蓄能材料通道1-5控制控温区域的温度，循环冷却水通道1-6用于控制相变蓄能材料的相变状态，不干扰型腔温度，为了提高换热效率，可将蓄能材料与金属或者其他高导热粉末材料混合使用。
注射机塑化完成的高温塑料熔体经喷嘴进入成型模具，模具通过固定板1-2安装于注射机合模系统动模板上，在成型模具相变蓄能材料通道1-5内充填相变蓄能材料，不同成型物料对模具温度的要求不同，即针对于不同的成型物料应适当地选择不同相变温度的相变材料，以适应最优的控温温度要求。例如：聚丙烯注射成型要求模具温度为50～90℃，可以选择相变温度为60℃的纯聚乙二醇作为相变材料；低密度聚乙烯注射成型要求模具温度为35～55℃，可以选择相变温度为40℃的棕榈酸-十六醇/膨胀珍珠岩复合相变储热材料作为相变材料；聚碳酸酯注射成型要求模具温度为85～120℃，可以选择相变温度为100℃的微囊包封相变材料作为相变材料。在循环冷却水通道1-6内通入冷却水，相变蓄能材料与冷却水分别由相应的循环系统驱动循环；将相变蓄能材料的相变温度设定为高于环境温度且适合脱模的适宜温度，注射时，熔体以150～300℃的高温快速充入型腔板1-8的模具型腔，相变蓄能材料处于相变温度吸收模具的温升并部分熔化，且始终维持在稳定的相变温度，制品冷却固化后相变蓄能材料又通过循环冷却水通道1-6或者模具散热凝固进入下一次注射，最终实现模具温度的稳定控制。相变蓄能材料通道1-5与循环冷却水通道1-6交错布置，相变蓄能材料通道1-5实现塑料制品1-7的冷却定型，循环冷却水通道1-6用于控制相变蓄能材料的相变状态，保证循环利用。充分冷却定型的塑料制品1-7由顶出推板1-1与顶针1-9组成的顶出系统顶出。
实施例2
参见图3，采用本发明基于相变蓄能材料的温度控制方法对注塑机的塑化注射装置的加料机筒进行温度控制，该实施例与实施例1的工作原理及效果基本相同。注射装置的加料系统加料口附近料斗的直径逐渐减小，如果固体输送区温度太高，热传递作用下导致加料口底部物料熔融，材料形成压实的固体，阻止原料进入塑化系统，这就是所谓的架桥现象。在加料口处适当地增加冷却系统可以有效地解决架桥现象的产生。因此，本实施例中，相变蓄能材料通道2-1与循环冷却水通道2-2交错布置，相变蓄能材料通道2-1用于稳定控制加料系统加料口附近的温度，循环冷却水通道2-2用于改变相变蓄能材料的相变状态，保证循环利用。循环冷却水通道2-2亦可以取消，由空气温度改变相变蓄能材料的相变状态，实现温度稳定控制。
塑料原料从加料口进入由螺杆2-4、机筒2-3、前机筒2-5、喷嘴2-6组成的塑化系统，机筒2-3外部加热的热传递作用导致固体输送区温度太高，使加料口底部物料熔融，材料形成压实的固体，阻止原料进入塑化系统，在相变蓄能材料通道2-1内加入相变蓄能材料，循环冷却水通道2-2内加入冷却水，相变蓄能材料和冷却水分别由循环系统驱动，图4所示为相变蓄能材料通道2-1的结构示意。相变蓄能材料用于稳定控制加料系统加料口附近的温度，循环冷却水用于改变相变蓄能材料的相变状态，保证原料顺利进入塑化系统。循环冷却水通道2-2可以取消，使用气体改变相变蓄能材料的相变状态。
Claims (4)
1.基于相变蓄能材料的温度控制方法，其特征在于：根据所需的控制温度选择相变蓄能材料，使相变蓄能材料的相变温度为装备的设定控制温度，制品加工过程中，在蓄能材料通道内通入所选的处于固液混合状态的相变储能材料，控温区域靠近相变蓄能材料通道，利用相变蓄能材料的蓄能特性来提供恒温的控温介质；在注塑机的模具的冷却孔内设置隔板，将其间隔成相邻的两个区域，一个区域作为蓄能材料通道通入相变蓄能材料，该区域靠近控温区域，另一个区域内通入冷却介质。
2.根据权利要求1所述的基于相变蓄能材料的温度控制方法，其特征在于：相变蓄能材料为棕榈酸-十六醇/膨胀珍珠岩复合相变储热材料、纯聚乙二醇或微囊包封相变材料。
3.根据权利要求1所述的基于相变蓄能材料的温度控制方法，其特征在于：相变蓄能材料中混入高导热粉末材料。
4.根据权利要求3所述的基于相变蓄能材料的温度控制方法，其特征在于：高导热粉末材料为金属粉末。
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