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TWI415729B - Mold with the uniform heating and cooling structure - Google Patents

Mold with the uniform heating and cooling structure Download PDF

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TWI415729B
TWI415729B TW098106286A TW98106286A TWI415729B TW I415729 B TWI415729 B TW I415729B TW 098106286 A TW098106286 A TW 098106286A TW 98106286 A TW98106286 A TW 98106286A TW I415729 B TWI415729 B TW I415729B
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cooling
coil
mold core
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陳夏宗
張仁安
秦進傳
許評順
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私立中原大學
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Description

模具用之均勻加熱及冷卻結構
本發明係有關於一種模具用之均勻加熱及冷卻結構，特別是指一種可將熱量集中與阻斷以提高加熱效率，同時提高於冷卻時迅速帶走模仁熱量之冷卻效率的模具用加熱與冷卻結構。
按，塑膠成型的方法分成射出成型、吹塑成型、熱壓成型、壓縮成型、抽出成型...等等，其中，射出成型所能產出的塑膠成品在形狀上，從單純的杯子到複雜的汽車儀表板，而大小則從0.01公克的鐘錶小齒輪到超過20公斤的浴缸等大型成品都能夠製造，具有結構複雜、尺寸精確以及品質安定的優點，是各種塑膠成型方法中，最重要、業是最普遍的使用技術；而其常用的材料大致為聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)以及丙烯腈(ABS)等。
上述之射出成型、壓縮成型、熱壓成型等製程，都是加熱塑膠製融熔狀態而充填至模穴，並使塑膠包覆模具特定結構後冷卻凝固，用以複製模具結構，一般模具的溫度都小於塑膠玻璃轉換溫度，使融熔之塑膠於接觸模穴表面時即產生一層凝固層，凝固層與成品厚度之比值隨著成品厚度的減少而增加，當凝固層所佔的比例過高時，將使得融熔塑膠充填困難，造成短射，結構複雜複製不完全及殘 留應力等問題。
而射出成型機除了射出單元(壓出機)、電控及油壓系統外，在熔膠冷卻成型時，主要是以鎖模單元(亦稱夾模單元)為主要成型裝置；鎖模單元是由可相閉合鎖固或開啟的第一夾模座及第二夾模座(亦稱頭板及尾板)所構成，在第一夾模座及第二夾模座上分別設置俗稱公、母模的模塊後，令第一夾模座及第二夾模座相互閉合鎖固(合模)後，即可進行射出充填及冷卻成型的程序。
在前述射出成型的過程中，由於熔膠注入公、母模塊的模穴時，高溫熔膠與冷卻的模穴腔壁接觸會形成一層薄的凝固層，而且靠近壁面上的熔膠溫度亦會因此而降低，使得熔膠的流動速度在中心位置為最大，靠近腔壁的流速則幾近於零。這種熔膠在公、母模塊的模穴內流速不一致的情形，如果在結構比較複雜的公、母模塊內，就會形成亂流，使塑膠件成品上容易出現水波紋以及結合線，再加上部份模穴內的空氣因來不及排出所形成的氣泡，使得成品上的外觀瑕疵更顯嚴重。
而為因應現代產品輕薄短小的需求趨勢，以塑膠製造之產品設計要求越來越薄，甚至因應特殊需求必須設計出微小結構，如背光板、光纖聯接器等；若以傳統射出成型製程進行製造，將因凝固層及塑膠流動性原因而無法順利完成，因此，近年來逐漸發展且提出一套快速加熱模穴溫度的方法，並有部分發明是為了縮短製程循環時間合併發展出快速冷卻之方法，大致可將目前發明之加熱方法分為蒸汽式、電阻式以及高週波式，以下僅列出電阻式及高週 波式進行簡略說明。
請參考本國第M317917號新型專利，其所揭示之一種模具的加熱及冷卻裝置，係當第一及第二夾模座相互鎖固，使第一及第二夾模座形成閉合狀態，且熔膠射入第一及第二模塊之間的模穴空間時，透過電源線所提供之電源令加熱器瞬間產生高熱，可經過第二模塊的傳導而對模穴空間內的熔膠加熱，使進入第一及第二模塊之模穴空間中的熔膠流速能夠盡量一致，以避免產生亂流，並藉此以消除成品上的水波紋、氣泡以及結合線等外觀瑕疵。
然而，此法雖可較快速提昇模溫，但由於加熱器所產生的熱量卻會向四面擴散至整個模板，待熱量傳至與熔膠表面接觸時，已造成大量的熱源損失而使加熱效率降低，且熱量係接近加熱器的處會較高，遠離加熱器處會較低，使得熱量的分布不均勻，仍是會造成熔膠的流速不一致。
請參考本國第I279304號發明專利，係揭示一種以高週波感應電流快速加熱模仁表面的方法與裝置，於接近模具加熱面布置線圈導孔，以線圈環繞加熱面，通以高週波電流於線圈上，由於電流方向變化將在環形封閉線圈所包圍之金屬塊處產生磁滯損與渦流損，使金屬表面溫度急遽上升，達到快速加熱模具表面溫度之效果，並於模具加熱面及線圈導孔附近埋設冷卻孔，通入冷卻氣體或是冷卻液體，藉以帶走模具及線圈產生之額外熱量或將模具加以冷卻，調整冷卻孔佈置位置與冷卻氣體或液體溫度與流速，加以控制模具的溫度。
而由於係利用磁場加熱，因此線圈之間的距離必須加 以控制，若是為了要均勻地加熱而將線圈之間的距離設置的太接近，其間的電流所產生的磁場會相互影響而導致加熱效果降低，而若是將線圈之間的距離布置的太遠，會造成加熱的不均勻，導致熔膠的流速不一致。
請再參考本國第I228945號發明專利，係揭示一種促進磁力分布均勻之方法及其裝置，其係利用一具備傳導電磁能量之線圈體繞設呈高低起伏分布規律之層次狀構態，而於其上形成有若干相鄰的線圈部，緣於彼此相鄰之線圈部間係呈非同一平面佈設之非平面型態，故得以避免通過各相鄰二線圈部周圍之磁場產生相互排斥、抵消之情形，藉以達到加熱磁場分布不均勻之情形。
然而，因為其結構中的線圈體繞設呈高低起伏分布規律之層次狀構態，使得其裝設的空間必須加大，進而使整體體積變大，無法縮短加熱距離，因此無法降低加熱時間以及縮小整體體積。
所以，如何以磁場對模具(模仁)均勻地加熱，並能加以冷卻，更能降低加熱時間，是目前針對模具均勻加熱及冷卻結構方面，一個刻不容緩的課題。
有鑑於此，本發明之第一目的在於以冷卻板或冷卻層直接與模仁接觸，以提高模仁冷卻的效率。
本發明的第二目的，係在於使用隔熱層使熱量集中並避免熱量傳導至模座，以提高加熱效率。
本發明的第三目的，係在於以一支撐柱撐持大尺寸的模仁，以避免模仁產生下垂彎曲而導致射出不良品，同時藉由支撐柱與模仁材質相同且直接接觸，得以將熱量迅速傳導至模仁或是將模仁的熱量迅速帶走，以同時提高加熱與冷卻效率。
本發明的第四目的，係在於組成結構之每一層厚度變薄，可使加熱及冷卻效率提高，更可以縮小整體厚度及體積。
本發明提供一種模具用之均勻加熱及冷卻結構，該模具包括一模座及一模仁，該模座具有一模槽，用以放置該模仁，且該模仁具有一模穴，該高週波均勻加熱及冷卻結構係設置在該模座及該模仁之間，包含：一設置在該模槽四周及底面，以隔絕該模座與該模仁之間的熱傳導的隔熱層；一緊鄰該隔熱層而設置的磁粉層；一線圈，係從外圍朝中心環繞而鋪設在該磁粉層，該線圈具有一電流輸出口及一電流輸入口；以及一冷卻空間，其係位於該模仁與該磁粉層之間，用以通入一流體，該線圈係位於該冷卻空間中。
較佳者，該高週波均勻加熱及冷卻結構更包括一支撐柱，係設置在該模仁與該隔熱層之間，該支撐柱的材質係與該模仁的材質相同，且該支撐柱係設置在該環繞的線圈中央處。
較佳者，該線圈係為由絕緣材料所包覆的一中空銅管所組成，並具有一第一流體管路，用以通入該流體。
較佳者，該流體包括氣體或液體。
較佳者，該冷卻空間進一步具有一冷卻層，該冷卻層係與該模仁接觸，該線圈係位在該冷卻層與該磁粉層之間。
較佳者，一冷卻板係設於該模仁與該線圈之間，該冷卻板係與該模仁接觸，該冷卻板內具有多個第二流體管路，用以通入一流體。
藉此，當將一電流加載至該線圈，以產生磁場，並藉由該磁粉層使磁場均勻地分布，對該模仁進行均勻地加熱，在經由該隔熱層將熱量集中避免傳導至該模座，以提高加熱該模仁的效率，且該冷卻空間係直接與該模仁接觸，在該冷卻空間內通入該流體將該模仁的熱量帶走，以迅速冷卻該模仁，同時將該流體通入該第一流體管路，將該線圈本身的熱量帶走，以提高整體冷卻的效率。
以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖示，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。
茲配合圖式將本發明較佳實施例詳細說明如下。
在此先進行說明以磁場產生熱能的原理，請參考圖1，係表示以磁場加熱之電磁感應示意圖；一線圈R繞設在一導體C上，並於線圈R上加載一電源S，在特定電流方向 上產生外來磁場M變化影響下，導體C本身將會產生一個反抗磁通變化的感應電動勢，以抵消外來磁場變化，此電動勢不但與時變磁通有關，而且與物體及產生磁通變化兩者間相互移動速度成正比，可以下列方程式表示：
其中，e ：感應電動勢(伏特，Volt)，N ：線圈匝數(匝，Turn)，：磁通(韋伯，wb)，υ ：速度(米/秒，m/s)，此一電動勢造成電流(即渦電流E)，流經導體內部所產生的功率，依焦耳定律可以寫成P υ =ρ ．J 2 ，其中，P υ 為容積功率密度(Volumetric Power Density，W/m3 )，ρ 為材料電阻係數(Resistivity，Ωm)，J 為電流密度(Current Density，A/m2 )。
線圈R與導體C之間為非接觸型的電磁感應作用，由於導體C經由磁化、去磁、再磁化之分子往復運動，所造成的磁滯損失(Hysteresis Loss)，使得加工件產生熱能而達到溫度上升現象。在磁滯曲線中所包圍的面積越大，表示矯磁力Hc及剩磁Br之值越大，則磁滯損當然就越高，對於磁滯損的經驗公式P h =K h ．f ．．U ，其中，P h ：加工件的磁滯損，K h ：磁滯係數，f ：頻率(Hz)，B m ：最大磁通密度(T)，x ：材料係數，U ：加工件體積(m3 )。
電源提供不同頻率交流電流通過線圈R後，因電磁感應作用產生感應電動勢，此電動勢將在加工件上產生渦電流E，並在加工件各斷面層呈非均勻，且非等量流動，加工件將因電阻而產生熱能，此項渦流損與上述的磁滯損一 樣，在被加熱物上最終是以「熱」的形態表現出來；渦電流損失為P e =K e (B max ．f ．t )2 ，其中，P e ：單位重量下的渦電流損失(W/kg)，B max ：最大磁通密度(T)，f ：工作頻率(Hz)，K e ：渦流損比例常數，t ：加熱物件厚度(m)。
請參考圖2，係表示本發明一第一實施例的剖面示意圖；本實施例的模具2包括一模座21及一模仁22，模座21具有一模槽211，係用以放置模仁22，且模仁22具有一模穴221。
而本實施例模具用之均勻加熱及冷卻結構1，係設置在模座21與模仁22之間，包含一隔熱層11、一磁粉層12、一線圈13及一冷卻板14。
隔熱層11係設置在模座21的模槽211上，意即隔熱層11鋪設在模槽211的四周及底面，以隔絕模座21與模仁22之間熱量的傳導，使熱量能集中在模仁22上；而隔熱層係可使用一般高強度纖維複合材料所製成，以達保溫斷熱的效果。
請同時參考圖3，係表示本發明第一實施例之線圈鋪設在磁粉層上的頂視圖；磁粉層12係緊鄰隔熱層11而設置，亦即磁粉層12設置在隔熱層11之上，且線圈13係由絕緣材料所包覆且從外圍向中心圍繞而鋪設在磁粉層12，而線圈13係可設置在隔熱層11與磁粉層12之間，或者是設置在磁粉層12與冷卻板14之間，本實施例係以線圈13設置在隔熱層11與磁粉層12之間進行說明，而線圈更具有一電流輸入口131及一電流輸出口132(當然電流輸入口與電流輸入口的位置可以互換，仍能達到相同的加熱功 能)。
請同時參考圖8A及8B，係分別表示未加磁粉層時的磁場分布及加入磁粉層時的磁場分布示意圖；當電流輸入口131及電流輸出口132經由外部導線外接至一電源(圖未示)，於線圈13加載電流時，在未加入磁粉層12的狀態下，磁場會因線圈13之間的距離而產生疏密的變化，形成不均勻的分布；而在加入磁粉層12的狀態下，線圈13所產生的磁場將因磁粉層12的影響而均勻地分布，且因模仁22磁滯損與渦流損而使模仁22的溫度均勻地上升。
請再同時圖2，為了能將加熱後的模仁22迅速冷卻，因此將冷卻板14緊鄰磁粉層12而設置，亦即將冷卻板14設置在磁粉層12上，以直接接觸模仁22，由於模仁2係以線圈13通以電流，以產生磁滯損及渦流損而加熱，係以非接觸式加熱，因此在模仁22及線圈13之間加入冷卻板14，不會影響其加熱效果。
而冷卻板14內設置有第二流體管路141，由於冷卻板14係直接與模仁22接觸，因此藉由將流體(如氣體或液體)通入第二流體管路141，將模仁22的熱量帶走，以將模仁22迅速冷卻。
請同時參考圖4，係表示本發明第一實施例中線圈之放大剖視圖；為了加強迅速冷卻的效率，線圈13係為一中空銅管133，並具有一第一流體管路134，較佳者，中空銅管外係包覆有一絕緣材質(圖未示)；由於線圈13通以電流時，因其本身的電阻性而會產生熱能，使線圈13本身溫度上升，而藉由將流體(如氣體或液體)通入第一流體管 路134，將線圈13本身的熱量帶走，並同時與第二流體管路141將模仁22的熱量帶走，以提高冷卻的效率。
藉由上述的結構，將電流加載至線圈13，以產生磁場，並藉由磁粉層12使磁場均勻地分布，對模仁22進行均勻地加熱，在經由隔熱層11將熱量集中避免傳導至模座21，提高加熱模仁22的效率，且冷卻板14係直接與模仁22接觸，在冷卻板14的第二流體管路141內通入流體(如氣體或液體)將模仁22的熱量帶走，以達到迅速冷卻模仁的效果，同時將流體(如氣體或液體)通入第一流體管路134，將線圈13本身的熱量帶走，以提高整體冷卻的效率。
而由於線圈13的尺寸約為6mm，且磁粉層12的厚度約為5mm，再加上隔熱層11與冷卻板14的厚度，其整體厚度大約僅在20mm左右，因此厚度甚薄，且對於熱的傳導以及冷卻的效果而言，可說是非常地顯著。
請參考圖5，係表示本發明一第二實施例的剖面示意圖；由於射出成型時可能會有比較大尺寸的成品，或者是一模同時射出多個相同小尺寸成品，因此模仁的尺寸會比較大，當尺寸太大時，其中心部分即會因重力而產生下垂彎曲的現象，若是有下垂彎曲現象時，所射出的成品即會產生變形，導致不良品的增加；故為了避免此等狀況的產生，在模仁22與隔熱層11之間更設置一支撐柱15，用以支撐模仁22，以避免較大尺寸的模仁22產生下垂變形。
在本實施例中的模具用之均勻加熱及冷卻結構1a係包括隔熱層11、磁粉層12、一線圈13及冷卻層16。
隔熱層11、磁粉層12及線圈13的結構與作用，係與 前述第一實施例相同，故不在此贅述；而冷卻層16亦可由前述第一實施例的冷卻板14所實現，但本第二實施例可再以另一實施結構加以實現，詳述如後。
請同時參考圖7，係表示本發明第二實施例中線圈在磁粉層上的頂視圖；而冷卻層16係界於模仁22與磁粉層12之間，並由模仁22與磁粉層12界定出一冷卻空間161，而線圈13係可設置在磁粉層12上的冷卻空間161內，或者是設置在隔熱層11與磁粉層12之間，本實施例係以線圈13設置在磁粉層12上的冷卻空間161內進行行說明，且線圈13亦環繞著支撐柱15，而由於支撐柱15係為與模仁22相同的材質所製，因此當線圈13加載電流時，即能同時對模仁22及支撐柱15加熱，且支撐柱15係與模仁22直接接觸，可提供更多的熱量給模仁22，以提高加熱效率。
請再參考圖6，係表示本發明第二實施例之線圈設置在磁粉層上的冷卻空間內之剖面示意圖；線圈13係由一絕緣材質135所包覆的中空銅管133所組成，其中央形成第一流體管路134；在進行冷卻加熱後的模仁22時，係將流體(如氣體或液體)通入冷卻層16的冷卻空間161內，由於冷卻層16係直接與模仁22及支撐柱15接觸，故可將模仁22及支撐柱15的熱量直接帶走，而由於線圈13通以電流時，因其本身的電阻性而會產生熱能，使線圈13本身溫度上升，而藉由將流體(如氣體或液體)F通入第一流體管路134，將線圈13本身的熱量帶走，以提高冷卻的效率。
請再參考圖9，係表示本發明一第三實施例的剖面示 意圖，本實施例的原理及目的大致與前述第二實施例相同，即由於射出成型時可能會有比較大尺寸的成品，因此模仁的尺寸會比較大，當尺寸太大時，其中心部分即會因重力而產生下垂彎曲的現象，若是有下垂彎曲現象時，所射出的成品即會產生變形，導致不良品的增加；故為了避免此等狀況的產生，在模仁22與隔熱層11之間更設置多個支撐柱15b，用以支撐模仁22，以避免較大尺寸的模仁22產生下垂變形。
在本實施例中的模具用之均勻加熱及冷卻結構1b係包括隔熱層11、磁粉層12、一線圈13a及冷卻層16。
隔熱層11及磁粉層12的結構與作用，係與前述第二實施例相同，故不在此贅述；而冷卻層16亦可由前述第一實施例的冷卻板14所實現。
而本實施例與第二實施例的差異除了支撐柱的數量不同之外，其另一差異在於，由於支撐柱15b具有一高度H，因此本實施例的線圈13b可以環繞在支撐柱15b周圍且相互連結在一起，藉此可對每一支撐柱15b進行加熱，也因為有多個支撐柱15b直接接觸模仁22或者是與模仁22一體成型，能更有效地提高對模仁22加熱與冷卻的效率。
因此，本發明藉由上述的結構，將線圈13設置在冷卻層16的冷卻空間161內，更能縮減模仁22與線圈13之間的加熱及冷卻距離，再加上有支撐柱15的設置，不但避免大尺寸的模仁22產生下垂變形，而產生射出大量不良品，更可以藉由支撐柱15係與模仁22直接接觸且材質相同，在進行加熱與冷卻時，更能藉由支撐柱15的存在與特性， 迅速地將模仁22的熱量提升或帶走，以提高加熱及冷卻的效率。
綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧均勻加熱及冷卻結構
1a‧‧‧均勻加熱及冷卻結構
1b‧‧‧均勻加熱及冷卻結構
11‧‧‧隔熱層
12‧‧‧磁粉層
13‧‧‧線圈
13b‧‧‧線圈
131‧‧‧電流輸入口
132‧‧‧電流輸出口
133‧‧‧中空銅管
134‧‧‧第一流體管路
135‧‧‧絕緣材質
14‧‧‧冷卻板
141‧‧‧第二流體管路
15‧‧‧支撐柱
15b‧‧‧支撐柱
16‧‧‧冷卻層
161‧‧‧冷卻空間
2‧‧‧模具
21‧‧‧模座
211‧‧‧模槽
22‧‧‧模仁
221‧‧‧模穴
B‧‧‧電源
C‧‧‧導體
E‧‧‧渦電流
F‧‧‧流體
H‧‧‧高度
M‧‧‧磁場
R‧‧‧線圈
圖1 係表示以磁場加熱之電磁感應示意圖；圖2 係表示本發明一第一實施例的剖面示意圖；圖3 係表示本發明第一實施例之線圈鋪設在磁粉層上的頂視圖；圖4 係表示本發明第一實施例中線圈之放大剖視圖；圖5 係表示本發明一第二實施例的剖面示意圖；圖6 係表示本發明第二實施例之線圈設置在磁粉層上的冷卻空間內之剖面示意圖；圖7 係表示本發明第二實施例中線圈在磁粉層上的頂視圖；圖8A係表示未加磁粉層時的磁場分布示意圖；圖8B係表示加入磁粉層時的磁場分布示意圖；以及圖9 係表示本發明一第三實施例的剖面示意圖。
1‧‧‧均勻加熱及冷卻結構
11‧‧‧隔熱層
12‧‧‧磁粉層
13‧‧‧線圈
14‧‧‧冷卻板
141‧‧‧第二流體管路
2‧‧‧模具
21‧‧‧模座
211‧‧‧模槽
22‧‧‧模仁
221‧‧‧模穴

Claims (7)

  1. 一種模具用之均勻加熱及冷卻結構，該模具包括一模座及一模仁，該模座具有一模槽，用以放置該模仁，且該模仁具有一模穴，該均勻加熱及冷卻結構係設置在該模座及該模仁之間，包含：一隔熱層，設置在該模槽四周及底面，以隔絕該模座與該模仁之間的熱傳導；一磁粉層，係緊鄰於該隔熱層設置；一線圈，係從外圍朝中心環繞而鋪設在該磁粉層，該線圈具有一電流輸出口及一電流輸入口；以及一冷卻空間，其係位於該模仁與該磁粉層之間，用以通入一流體，該線圈係位於該冷卻空間中。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之模具用之均勻加熱及冷卻結構，其中，該流體包括氣體或液體。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之模具用之均勻加熱及冷卻結構，其中，更包括一支撐柱，係設置在該模仁與該隔熱層之間，該支撐柱的材質係與該模仁的材質相同，且該支撐柱係設置在該環繞的線圈中央處。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之模具用之均勻加熱及冷卻結構，其中，該冷卻空間進一步具有一冷卻層，該冷卻層係與該模仁接觸，該線圈係位在該冷卻層與該磁粉層之間。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之模具用之模具用之均勻加熱及冷卻結構，其中，該線圈係為由絕緣材料所包覆 的一中空銅管所組成，並具有一第一流體管路，用以通入該流體。
  6. 一種模具用之均勻加熱及冷卻結構，該模具包括一模座及一模仁，該模座具有一模槽，用以放置該模仁，且該模仁具有一模穴，該均勻加熱及冷卻結構係設置在該模座及該模仁之間，包含：一隔熱層，設置在該模槽四周及底面，以隔絕該模座與該模仁之間的熱傳導；一磁粉層，係緊鄰於該隔熱層設置；一線圈，係從外圍朝中心環繞而鋪設在該磁粉層，該線圈具有一電流輸出口及一電流輸入口；以及一冷卻板，該冷卻板係設於該模仁與該線圈之間，該冷卻板係與該模仁接觸，該冷卻板內具有多個第二流體管路，用以通入一流體。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之模具用之均勻加熱及冷卻結構，其中，該線圈係位在該磁粉層與該冷卻板之間。
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