《模流分析基础入门》

6-5-2 其它的冷却装置

模具内可能有些远离冷却管路区域，无法达到正常的冷却效果，这些区域可以采用障板管(baffles)、喷流管(bubblers)或热管(thermal pins)来达到均匀的冷却效果。障板管、喷流管和热管都是冷却孔道的一部份，可以引导冷却剂流进平常难以冷却的区域，如图6-48所示。

图6-48 障板管、喷流管和热管。

障板管

实际上，障板管是垂直钻过主要冷却孔道的冷却管路，并且在冷却孔道加入一隔板将其分隔成两个半圆形流路，冷却剂从主要冷却孔道流进隔板一侧，进到末端再回流到隔板的另一侧，最后回流到主要孔道。

障板管提供冷媒最大接触面积，但是其隔板却很难保持在中央位置，公模心的两侧的冷却效果及温度分布可能不同。将金属隔板改成螺线隔板，可以改善此缺点，也符合制造上的经济效益。图6-49的螺线隔板让冷媒螺旋式地流到末端，再螺旋式地回流。另一种设计采用单螺旋或者双螺旋隔板，如图6-49所示，其管径大约在12~50 mm，可以获得均匀的温度分布。

图6-49 (左) 螺线隔板障板管(helix baffle))和(右) 螺旋式隔板障板管(spiral baffle)

(2) 喷流管

喷流管以小口径的内管取代障板管的隔板，冷却剂从内管流到末端，再像喷泉般喷出，从外管回流到冷却管路。细长的公模心之最有效的冷却方式是采用喷流管，其内、外管直径必须调整到具有相同的流动阻力，亦即：

内管直径／外管直径＝0.707

目前，喷流管已经商业化，可以用螺纹旋入公模。外管直径小于4mm的喷流管应该将内管末端加工成斜边，以增加喷流出口的截面积，如图6-50 所示。喷流管除了应用于公模心，也可以应用于无法钻铣冷却孔道的平面模板。

因为障板管和喷流管的流动面积窄小，流动阻力大，所以应该细心地设计其尺寸。藉由模流分析软件的冷却分析可以将它们的流动行为和热传行为模式化，并且进行分析模拟。

图6-50 （左）锁进公模心之喷流管；（右）喷流管末端斜面造就较大的流动。

(3) 热管

热管是障板管和喷流管以外的选择。它是一个内部充满流体的密封圆柱体，此流体于吸收热量后蒸发，于释放热量到冷却剂后凝结，如图6-51所示。热管的热传效率约铜管的10倍。使用热管时应该避免与模具之间的气隙填入高导热性的密封剂，以确保良好的热传导。

图6-51 热管

假如公模心的直径或宽度小于 3 mm，就只能以空气冷却而无法准确地保持固定模温。空气是在打开模具后从外部吹入公模心，或经由内部的中心孔吹入公模心，如图6-52所示。

尺寸小于5mm细长公模心的冷却以采用高热传导性材料作为镶埋件较佳，例如铜或是铍铜，将之压进公模心深处作为冷却管线，如图6-53。此镶埋件应尽可能采用大截面积以提高热传效果。

图6-52 使用空气冷却之细长公模心图6-53 使用高导热性材料之细长公模心

直径40mm以上的大型公模心应该使用冷却剂冷却，可以在公模心中央钻一深孔接近顶端，将螺旋式障板管插入公模心，再注入冷却剂调节温度，如图6-545。若是大口径的圆柱体和圆形塑件也可以使用双螺线隔板障板管搭配中央的喷流管进行冷却，冷却剂从一螺线孔道流到公模心顶端，再从另一个螺线孔道流出。此设计的公模心壁厚应维持在3mm以上，才能维持足够的强度，如图6-55。

图6-35 大型公模心使用螺旋式障板管冷却

图6-36 大型公模心使用双螺线隔板障板管搭配中央喷流管进行冷却

6-6 冷却系统之相关方程式 冷却时间

理论上，冷却时间与塑件最大肉厚的平方成正比，或是与最大的流道直径的1.6 次方成正比。 ())

(

2

熔膠之熱擴散係數

最大肉厚冷卻時間∝

()()

熔膠之熱擴散係數

最大流道直徑冷卻時間6.1

∝

熔胶的热扩散系数的定义为：

)()()

比熱

密度熱傳導係數

熱擴散係數

=

换言之，肉厚增加两倍时，冷却时间就要增加四倍。

冷却剂的流动是否形成扰流，可以用雷诺数Re 判断，请参考表6-3。雷诺数的定义为：

η

ρUd

(Re)=雷諾數

其中，ρ表示冷却剂密度，U 表示冷却剂的平均速度，d 表示冷却孔道的直径，η表示冷却剂的动态黏度。

表6-3 冷却剂流动型态与对应的雷诺数范围

6-6-1 冷却系统之设计规则

设计冷却系统的目的在于维持模具适当而有效率的冷却。冷却孔道应使用标准尺

寸，以方便加工与组装。设计冷却系统时，模具设计者必须根据塑件的肉厚与体积决定下列设计参数： 冷却孔道的位置与尺寸、孔道的长度、孔道的种类、孔道的配置与连接、以及冷却剂的流动速率与热传性质。

(1) 冷却管路的位置与尺寸

要维持经济有效的冷却时间，就应避免塑件肉厚过大。塑件所需的冷却时间随其肉厚增加而急速增长。塑件肉厚应该尽可能维持均匀，例如图6-56的设计。冷却孔道最好设置是在公模块与母模块内，设在模块以外的冷却孔道比较不易精确地冷却模具。

通常，钢模的冷却孔道与模具表面、模穴或模心的距离应维持为冷却孔道直径的1~2倍，经验要求，钢材冷却孔道要维持1倍直径的深度，铍钢合金要1.5倍直径的深度，铝材要2倍直径的深度。冷却孔道之间的间距应维持3~5倍直径。冷却孔道直径通常为10~14 mm （7/16~9/16英吋），如图6-57所示。

图6-37 应尽可能将塑件设计为均匀肉厚

图6-57 典型冷却孔道尺寸，d为冷却孔道直径，D为孔道深度，P为孔道间距。

(2) 流动速率与热传

塑件两侧的温度应维持在最小的差异，紧配塑件温差应维持在10℃以内。当冷却剂之流动从层流转变为扰流，热传效果变佳。层流在层与层之间仅以热传导传热；扰流则以径向方向质传，加上热传导和热对流两种方式传热，结果，热传效率显者增加，如图6-58所示。应注意确保冷却管路之各部份的冷却剂都是扰流。

图6-58 层流与扰流