《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：ηρUd(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 层流与扰流当冷却剂到达扰流流动状态后，流速的增加对于热传的改善很有限，所以，当雷诺数超过10,000时，就不须再增加冷却剂的流动速率，否则，只会小幅地改善热传，却造成冷却管路的高压力，需要更高的帮浦费用。

图6-59说明了一旦冷却剂变成扰流后，更高的冷媒流动速率并无法改善热传速率或冷却时间，但是压力降与帮浦成本却显著提高。

图6-59 热流动率与冷却剂流动率的关系图冷却剂会向阻力最低的路径流动。

有时候可以尝试使用限流塞(restrictive flow plugs)将冷却剂引导流向热负荷较高的冷却孔道。

气隙会降低热传效率，因此，应尝试消除镶埋件与模板之间的气隙，以及冷却管路内的气泡。

模流分析软件的冷却分析可以协助发现与修正静止冷却管路和快捷方式冷却管路，以及冷却管路的高压力降。

收缩与翘曲塑料射出成形先天上就会发生收缩，因为从制程温度降到室温，会造成聚合物的密度变化，造成收缩。

整个塑件和剖面的收缩差异会造成内部残留应力，其效应与外力完全相同。

在射出成形时假如残留应力高于塑件结构的强度，塑件就会于脱模后翘曲，或是受外力而产生破裂。

7-1 残留应力残留应力(residual stress)是塑件成形时，熔胶流动所引发(flow-induced)或者热效应所引发(thermal-induced)，而且冻结在塑件内的应力。

假如残留应力高过于塑件的结构强度，塑件可能在射出时翘曲，或者稍后承受负荷而破裂。

残留应力是塑件收缩和翘曲的主因，可以减低充填模穴造成之剪应力的良好成形条件与设计，可以降低熔胶流动所引发的残留应力。

同样地，充足的保压和均匀的冷却可以降低热效应引发的残留应力。

对于添加纤维的材料而言，提升均匀机械性质的成形条件可以降低热效应所引发的残留应力。

7-1-1 熔胶流动引发的残留应力在无应力下，长链高分子聚合物处在高于熔点温度呈现任意卷曲的平衡状态。

于成形程中，高分子被剪切与拉伸，分子链沿着流动方向配向。

假如分子链在完全松弛平衡之前就凝固，分子链配向性就冻结在塑件内，这种应力冻结状态称为流动引发的残留应力，其于流动方向和垂直于流动方向会造成不均匀的机械性质和收缩。

一般而言，流动引发的残留应力比热效应引发的残留应力小一个次方。

塑件在接近模壁部份因为承受高剪应力和高冷却速率的交互作用，其表面的高配向性会立即冻结，如图7-1所示。

假如将此塑件存放于高温环境下，塑件将会释放部份应力，导致.的收缩与翘曲。

凝固层的隔热效应使聚合物中心层维持较高温度，能够释放较多应力，所以中心层分子链具有较低的配向性。

可以降低熔胶剪应力的成形条件也会降低因流动引发的残留应力，包括有：•高熔胶温度。

•高模壁温度。

•长充填时间（低熔胶速度）。

•降低保压压力。

•短流动路径。

图7-1 充填与保压阶段所冻结的分子链配向性，导致流动引发之残留应力。

表示高冷却率、高剪应力或高配向性；(2)表示低冷却率、低剪应力或低配向性。

7-1-2 热效应引发之残留应力热效应引发残留应力的原因包括下列：•塑料从设定的制程温度下降到室温，造成收缩。

•塑料凝固时，塑件从表层到中心层经历了不同的热力历程和机械历程，例如不同的冷却时间和不同的保压压力等。

•由于密度和机械性质变化导致压力、温度、分子链配向性和纤维配向性的改变。

•模具的设计限制了塑件在某些方向的收缩。

塑料于射出成形的收缩可以用自由冷却的例子说明。

假如温度均匀的塑件突然被两侧的冷模壁夹住，在冷却的初期，塑件表层冷却而开始收缩时，塑件内部的聚合物仍然呈高温熔融状态而可以自由收缩。

然而，当塑件中心温度下降时，局部的热收缩受限于已经凝固的表层，导致中心层为拉伸应力，表层为压缩应力的典型应力分布，如图7-2所示。

塑件从表层到中心的冷却速率差异会引发热效应之残留应力。

更有甚者，假如模具两侧模壁的冷却速率不同，还会引发不对称的热效应残留应力，在塑件剖面不对称分布的拉伸应力与压缩应力造成弯曲力矩，使塑件产生翘曲，如图7-3的说明。

肉厚不均匀的塑件和冷却效果差的区域都会造成这种不平衡冷却，而导致残留应力。

复杂的塑件由于肉厚不均匀、模具冷却不均匀、模具对于自由收缩的限制等因素，使得热效应引发之残留应力的分布变得更复杂。

图7-2 塑件冷却不均匀和塑料温度历程的作用，导致热效应引发之残留应力。

图7-3 塑件剖面方向不均匀的冷却，造成不对称热效应引发之残留应力，使塑件翘曲。

图7-4说明了保压之压力历程所造成的凝固层比容变化。

其中，左图是塑件一个剖面的温度分布曲线。

为了方便说明，将塑件沿着肉厚方向分为8层，曲线上显示着各层的凝固时间为t1~t8。

注意，塑件从最外层开始凝固，越往中心层则需要越长的凝固时间。

中间的图形显示各层固化的典型压力历程分别为P1~P8。

充填阶段的压力通常逐渐上升，在保压初期达到最高压力，之后，因为冷却与浇口固化，压力逐渐下降。

结果，塑件表层与中心层在低压时凝固，其它的中间各层在高保压压力时凝固。

右图说明了第5层在PvT图上的比容历程，以及各层于最终凝固时的比容，并且以实心圆点标记。

图7-4 影响凝固层比容的因子已知各层的凝固比容，塑件各层收缩行为会根据PvT曲线发生不同的收缩。