纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，包括高温纳米流体发生与储存装置、低温纳米流体储存罐、纳米流体回收罐、高压气体供应装置、气体增压泵、注塑模具和模具温度控制单元。与现有的基于模具高温油、过热水或蒸汽加热和冷却水冷却的快速热循环注塑成型技术相比，本实用新型利用强化传热新工质—纳米流体作为模具的加热和冷却介质，可显著提高模具的加热和冷却效率，同时还兼备系统结构较简单、节材降耗、作业流程合理和替换现有技术时无需对已有模具的结构进行改造等优点，适合在工业生产中大规模地推广应用，属于高分子材料快速热循环注塑成型技术领域。
【专利说明】
纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及高分子材料快速热循环注塑成型系统，特别涉及一种纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统。
【背景技术】
[0002]塑料注塑具有生产效率高、成本低、适应能力强和产品多样化等特点，注塑制品广泛应用于信息、汽车、家电、航空航天和国防军工等领域。近年来，塑料制品正朝着高性能、高精度、低成本、轻量化和绿色化方向发展，这使得常规注塑工艺正面临着日益严峻的挑战，越来越难以满足现代注塑工业发展的要求。为此，近年产业界推出了一种新的注塑技术---决速热循环注塑，通过在注塑过程中对模具进行交替地加热和冷却以适应注塑不同阶段对模具温度的实时需求，实现变模温注塑成型。采用这种动态的模温控制方式，可在较高的模腔温度(高于聚合物热变形温度)下进行熔体充模，大大改善熔体的流动性能，明显提高塑件的品质，可直接获得高表面质量、高形状尺寸精度的注塑件，从而有效消除常规注塑所需的制品后续处理流程，显著缩短制品生产流程和降低生产成本。
[0003]如何快速地加热和冷却模具是实现快速热循环注塑成型需解决的关键问题之一，而行之有效的手段是研发高效的模具快速加热和冷却技术。直至目前，所开发的模具快速加热技术按加热方式可大致分为对流加热、电加热、感应加热、辐射加热等四大类。其中，模具对流加热方式因其具有稳定性好、可靠性高、成本低、容易实现等优点，因而在快速热循环注塑领域得到较广泛的应用。一般地，模具对流加热使用的介质通常为高温油、过热水和蒸汽三种，尽管它们具有诸多优点，但归纳起来仍存在以下几方面的不足:(I)油和水的热导率较低，导致高温油和过热水与模具管道内壁之间的换热能力较差，不利于模具快速加热；(2)由于水和蒸汽的固有物理属性，其加热的温升上限通常低于160°C，从而难以满足那些具有高热变形温度的工程塑料(如聚碳酸酯、尼龙等)或纤维增强塑料快速热循环注塑成型对高模温的要求;(3)用于加热模具的蒸汽通常不能回收，导致能量利用率低、能耗大。
[0004]至于模具快速冷却技术，最常用的方式是往模具冷却管道中栗入循环冷却水，利用水与模具冷却管道内壁之间进行对流换热以冷却模具。正如前面所述，因水的热导率较低，因此这种方式也难以实现模具的快速冷却。尽管通过采用降低冷却水的温度、提高冷却水的流速等措施可进一步提高模具冷却效率，但不可避免地增加了成本，且效果也较为有限。近年，有学者将水射流冷却技术引入注塑模具中，开发了模具水射流冷却技术，尽管这种技术可显著提高模具的冷却效率，但模具的结构复杂，设计和制造难度较大。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型在于克服现有的基于模具高温油、过热水或蒸汽加热和水冷却的快速热循环注塑成型系统的不足，提供一种纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统。
[0006]为了达到上述目的，本实用新型采用如下所述的技术方案。
[0007]纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，包括高温纳米流体发生与储存装置、低温纳米流体储存罐、纳米流体回收罐、高压气体供应装置、气体增压栗和注塑模具;所述气体增压栗的气体输出端与纳米流体回收罐的高压气体输入端连接;所述高温纳米流体发生与储存装置的高压气体输入端、低温纳米流体储存罐的高压气体输入端、气体增压栗的气体输入端通过高压气管与高压气体供应装置的高压气体输出端连接;所述高温纳米流体发生与储存装置的纳米流体输出端和低温纳米流体储存罐的纳米流体输出端通过纳米流体输入主管路与注塑模具加热/冷却管道的输入端连接;所述注塑模具加热/冷却管道的输出端通过纳米流体输出主管路与纳米流体回收罐的纳米流体输入端连接;所述纳米流体回收罐的纳米流体输出端通过高温纳米流体回收支路管和低温纳米流体回收支路管分别与高温纳米流体发生与储存装置的纳米流体输入端和低温纳米流体储存罐的纳米流体输入端连接;所述纳米流体回收罐的顶端部位还开设有泄压端。
[0008]优选地，所述高温纳米流体发生与储存装置包括高温纳米流体储存罐、加热元件和热电偶;所述加热元件可为安装于高温纳米流体储存罐内部的电热棒或绕制在高温纳米流体储存罐外壁面的电磁感应线圈，通电后以将纳米流体快速地加热至预定高温;所述热电偶安装在高温纳米流体储存罐的底端部位以实时地监测高温纳米流体储存罐内纳米流体的温度。
[0009]所述高温纳米流体储存罐和低温纳米流体储存罐内均设置有防止纳米流体中的纳米粒子发生团聚的超声波振荡器。
[0010]所述低温纳米流体回收支路管的管路上还设置有冷凝器。
[0011]所述高压气体供应装置的高压气体输出端与纳米流体输入主管道之间还连接有将纳米流体输入主管路和注塑模具加热/冷却管道内残留的纳米流体吹入纳米流体回收罐内的吹气管道。
[0012]所述注塑模具的模壁内安装至少一个模具温度传感器，以实时地对模具型腔表面的温度进行监测。
[0013]所述纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统还包括模具温度监控单元，优选地，模具温度监控单元包括控制器、模具温度传感器、高温纳米流体输出电磁阀、低温纳米流体输出电磁阀、高温纳米流体输入电磁阀、低温纳米流体输入电磁阀、进气电磁阀、吹气电磁阀、泄压电磁阀、热电偶及相应的控制信号线。泄压电磁阀的开度在实际允许的范围内应尽可能地大，以快速地释放纳米流体储存罐内的高压气体。
[0014]纳米流体辅助快速热循环注塑成型方法，具体包括如下步骤:
[0015](I)预备阶段:打开进气电磁阀，高压气体供应装置内的高压气体分别进入高温纳米流体储存罐和低温纳米流体储存罐内，启动超声波振荡器，然后使加热元件通电，将高温纳米流体储存罐内的纳米流体快速加热至预定高温。
[0016](2)模具加热阶段:打开高温纳米流体输出电磁阀，高温纳米流体在高压气体的作用下从高温纳米流体储存罐内流出，经纳米流体输入主管路进入注塑模具加热/冷却管道，然后经纳米流体输出主管路流入纳米流体回收罐内，待注塑模具的型腔表面达到预定高温后，关闭高温纳米流体输出电磁阀，模具进入高温保持阶段。
[0017](3)模具高温保持阶段:打开吹气电磁阀，将纳米流体输入主管路和注塑模具加热/冷却管道中残留的尚温纳米流体吹入纳米流体回收Si内，待残留的尚温纳米流体完全排出后，关闭吹气电磁阀，然后启动气体增压栗，同时打开高温纳米流体输入电磁阀，纳米流体回收罐内的高温纳米流体在气体增压栗输出的高压气体的作用下经高温纳米流体回收支路管流入尚温纳米流体储存触，待纳米流体回收触内的尚温纳米流体完全排出后，关闭高温纳米流体输入电磁阀和气体增压栗，同时打开泄压电磁阀释放纳米流体回收罐内的高压气体，泄压完毕后，关闭泄压电磁阀。
[0018](4)模具冷却阶段:打开低温纳米流体输出电磁阀，低温纳米流体在高压气体的作用下从低温纳米流体储存罐内流出，经纳米流体输入主管路进入注塑模具加热/冷却管道，然后经纳米流体输出主管路流入纳米流体回收罐内，待注塑模具的型腔表面达到预定低温后，关闭低温纳米流体输出电磁阀，模具进入低温保持阶段。
[0019](5)模具低温保持阶段:打开吹气电磁阀，将纳米流体输入主管路和注塑模具加热/冷却管路中残留的低温纳米流体吹入纳米流体回收罐内，待残留的低温纳米流体完全排出后，关闭吹气电磁阀，然后启动气体增压栗，同时打开低温纳米流体输入电磁阀，纳米流体回收罐内的低温纳米流体在气体增压栗输出的高压气体的作用下经低温纳米流体回收支路管和冷凝器后流入低温纳米流体储存罐，待纳米流体回收罐内的低温纳米流体完全排出后，关闭低温纳米流体输入电磁阀，同时打开泄压电磁阀释放纳米流体回收罐内的高压气体，泄压完毕后，关闭泄压电磁阀。
[0020]本实用新型的作用原理如下所述:纳米流体是指以一定的方式和比例在液体中(如水、油、醇等)中添加尺度在纳米级的金属或金属氧化物粒子，形成一类新的强化传热工质。与传统的纯液体工质相比，纳米流体的传热性能得到显著提高，对应的强化传热机理主要体现在以下两个方面:(I)纳米流体由于粒子与粒子、粒子与液体、粒子与壁面间的相互作用及碰撞，破坏了流动层和流底层，减小了传热热阻，增强了流动湍流强度，使传热速率得以强化；(2)添加在液体中的纳米粒子可显著增大原纯液体的导热系数，使液体内部的传热过程增强。可见，本实用新型利用纳米流体作为模具加热和冷却工质，与现有的利用高温油、过热水或蒸汽做为模具的加热工质和利用冷却水作为模具的冷却工质相比，模具的加热和冷却效率可得到明显提高。此外，高温纳米流体储存罐内的高压有利于显著提高纳米流体的加热温升上限，从而进一步提高模具的加热效率。
[0021 ]本实用新型相对于现有技术具有如下的优点和效果:
[0022](I)本实用新型利用纳米流体作为模具的加热和冷却工质，明显了提高了模具的加热和冷却效率。
[0023](2)本实用新型直接利用纳米流体储存罐内的高压作为纳米流体进入注塑模具加热/冷却管道的驱动力，从而简化了系统的结构，降低了生产成本。
[0024](3)本实用新型中的纳米流体可完全回收实现循环利用，极大地提高了能量利用率，节材降耗。
[0025](4)本实用新型作业流程合理，操作简单，工作可靠，且替换现有技术时无需改造已有模具的结构，因此适合在工业生产中大规模地推广应用。
【附图说明】
[0026]图1是本实用新型纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统的结构示意图。
[0027]其中，I为高温纳米流体发生与储存装置，2为低温纳米流体储存罐，3为纳米流体回收罐，4为高压气体供应装置，5为气体增压栗，6为注塑模具，7为高压气管，8为纳米流体输入主管路，9为纳米流体输出主管路，10为高温纳米流体回收支路管，11为低温纳米流体回收支路管，12为模具温度传感器，13为超声波振荡器，14为冷凝器，15为吹气管道，16为控制器，17为高温纳米流体输出电磁阀，18为低温纳米流体输出电磁阀，19为高温纳米流体输入电磁阀，20为低温纳米流体输入电磁阀，21为进气电磁阀，22为吹气电磁阀，23为泄压电磁阀，24为控制信号线。
[0028]1-1为高压气体输入端，1-2为纳米流体输出端，1-3为纳米流体输入端，1-4为高温纳米流体储存罐，1-5为电磁感应线圈，1-6为热电偶。
[0029]2-1为高压气体输入端，2-2为纳米流体输入端，2-3为纳米流体输出端。
[0030]3-1为高压气体输入端，3-2为纳米流体输入端，3-3为纳米流体输出端，3_4为泄压端。
[0031]4-1为高压气体输出端。
[0032]5-1为气体输出端，5-2为气体输入端。
[0033]6-1为注塑模具加热/冷却管道，6-2为输入端，6-3为输出端。
【具体实施方式】
[0034]下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型实施方式不限于此。
[0035]图1示出了本实用新型的具体结构。由图可见，本实用新型所提供的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统包括高温纳米流体发生与储存装置1、低温纳米流体储存罐2、纳米流体回收罐3、高压气体供应装置4、气体增压栗5和注塑模具6。
[0036]高温纳米流体发生与储存装置I包括高温纳米流体储存罐1-4、电磁感应线圈1-5和热电偶1-6。电磁感应线圈1-5绕制在高温纳米流体储存罐1-4的外壁面上，通电后可快速地将纳米流体加热至预定的高温(如300°C);热电偶1-6安装在高温纳米流体储存罐1-4的底端部位，以实时地监测纳米流体的温度。为防止纳米流体中的纳米粒子发生团聚从而影响其传热性能，在高温纳米流体储存罐1-4和低温纳米流体储存罐2内均设置了超声波振荡器13。
[0037]气体增压栗5的气体输出端5-1与纳米流体回收罐3的高压气体输入端3-1连接;高温纳米流体发生与储存装置I的高压气体输入端1-1、低温纳米流体储存罐2的高压气体输入端2-1、气体增压栗5的气体输入端5-2通过高压气管7与高压气体供应装置4的高压气体输出端4-1连接;高温纳米流体发生与储存装置I的纳米流体输出端1-2和低温纳米流体储存罐2的纳米流体输出端2-3通过纳米流体输入主管路8与注塑模具加热/冷却管道6-1的输入端6-2连接;注塑模具加热/冷却管道6-1的输出端6-3通过纳米流体输出主管路9与纳米流体回收罐3的纳米流体输入端3-2连接;纳米流体回收罐3的纳米流体输出端3-3通过高温纳米流体回收支路管10与高温纳米流体发生与储存装置I的纳米流体输入端1-3相接，并通过低温纳米流体回收支路管11与低温纳米流体储存罐2的纳米流体输入端2-2连接;为快速释放纳米流体回收罐3内的高压气体，在纳米流体回收罐3的顶端部位还开设有泄压端3-4;注塑模具6的模壁内安装至少一个模具温度传感器12以实时地监测注塑模具6型腔表面的温度;低温纳米流体回收支路管11的管路上还设置有冷凝器14;高压气体供应装置4的高压气体输出端4-1与纳米流体输入主管路8之间还连接有吹气管道15。
[0038]模具温度监控单元包括控制器16、安装在注塑模具6的模壁内的模具温度传感器12、位于高温纳米流体发生与储存装置I的纳米流体输出端1-2的高温纳米流体输出电磁阀
17、位于低温纳米流体储存罐2的纳米流体输出端2-3的低温纳米流体输出电磁阀18、设置在高温纳米流体回收支路管10上的高温纳米流体输入电磁阀19、设置在低温纳米流体回收支路管11上的低温纳米流体输入电磁阀20、位于高压气体供应装置4的高压气体输出端4-1的进气电磁阀21、设置在吹气管道15上的吹气电磁阀22、位于纳米流体回收罐3的卸压端3-4的泄压电磁阀23、安装在高温纳米流体发生与储存装置I底端部位的热电偶1-6及相应的控制信号线24。模具温度传感器12、高温纳米流体输出电磁阀17、低温纳米流体输出电磁阀
18、高温纳米流体输入电磁阀19、低温纳米流体输入电磁阀20、进气电磁阀21、吹气电磁阀22、泄压电磁阀23、热电偶1-6均通过控制信号线24与控制器16连接。
[0039]下面说明本实用新型的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统的工作过程，分为预备、模具加热、模具高温保持、模具冷却和模具低温保持五个阶段进行详细地阐述。
[0040](I)预备阶段:打开进气电磁阀21，高压气体供应装置4内的高压气体分别进入高温纳米流体储存罐1-4和低温纳米流体储存罐2内，启动超声波振荡器13，然后电磁感应线圈1-5通电，将高温纳米流体储存罐1-4内的纳米流体快速加热至预定高温(如300°C)。
[0041](2)模具加热阶段:打开高温纳米流体输出电磁阀17，高温纳米流体在高压气体的作用下从高温纳米流体储存罐1-4内流出，经纳米流体输入主管路8进入注塑模具加热/冷却管道6-1以对注塑模具6的型腔表面进行快速加热，然后经纳米流体输出主管路9流入纳米流体回收罐3内，模具温度传感器12实时地对注塑模具型腔表面温度进行监测，待注塑模具6的型腔表面达到预定高温(如220°C)后，关闭高温纳米流体输出电磁阀17，模具进入高温保持阶段。
[0042](3)模具高温保持阶段:打开吹气电磁阀22，将纳米流体输入主管路8和注塑模具加热/冷却管路6-1中残留的高温纳米流体吹入纳米流体回收罐3内，待残留的高温纳米流体完全排出后，关闭吹气电磁阀22，然后启动气体增压栗5，同时打开高温纳米流体输入电磁阀19，纳米流体回收罐3内的高温纳米流体在气体增压栗5输出的高压气体的作用下经高温纳米流体回收支路管10流入高温纳米流体储存罐1-4，待纳米流体回收罐3内的高温纳米流体完全排出后，关闭高温纳米流体输入电磁阀19和气体增压栗5，同时打开泄压电磁阀23以快速地释放纳米流体回收罐3内的高压气体，泄压完毕后，关闭泄压电磁阀23。
[0043](4)模具冷却阶段:打开低温纳米流体输出电磁阀18，低温纳米流体在高压气体的作用下从低温纳米流体储存罐2内流出，经纳米流体输入主管路8进入注塑模具加热/冷却管道6-1以对注塑模具6的型腔表面进行快速冷却，然后经纳米流体输出主管路9流入纳米流体回收罐3内，模具温度传感器12实时地对注塑模具型腔表面温度进行监测，待注塑模具6的型腔表面达到预定低温(如45°C)后，关闭低温纳米流体输出电磁阀18，模具进入低温保持阶段。
[0044](5)模具低温保持阶段:打开吹气电磁阀22，将纳米流体输入主管路8和注塑模具加热/冷却管路6-1中残留的低温纳米流体吹入纳米流体回收罐3内，待残留的低温纳米流体完全排出后，关闭吹气电磁阀22，然后启动气体增压栗5，同时打开低温纳米流体输入电磁阀20，纳米流体回收罐3内的低温纳米流体在气体增压栗5输出的高压气体的作用下经低温纳米流体回收支路管11和冷凝器14后流入低温纳米流体储存罐2，待纳米流体回收罐3内的低温纳米流体完全排出后，关闭低温纳米流体输入电磁阀20，同时打开泄压电磁阀23快速地释放纳米流体回收罐3内的高压气体，泄压完毕后，关闭泄压电磁阀23。
[0045]随后，系统进入下一个快速热循环注塑成型过程。
[0046]上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:包括高温纳米流体发生与储存装置、低温纳米流体储存罐、纳米流体回收罐、高压气体供应装置、气体增压栗和注塑模具;所述气体增压栗的气体输出端与纳米流体回收罐的高压气体输入端连接;所述高温纳米流体发生与储存装置的高压气体输入端、低温纳米流体储存罐的高压气体输入端、气体增压栗的气体输入端通过高压气管与高压气体供应装置的高压气体输出端连接;所述高温纳米流体发生与储存装置的纳米流体输出端和低温纳米流体储存罐的纳米流体输出端通过纳米流体输入主管路与注塑模具的注塑模具加热/冷却管道的输入端连接;所述注塑模具加热/冷却管道的输出端通过纳米流体输出主管路与纳米流体回收罐的纳米流体输入端连接;所述纳米流体回收罐的纳米流体输出端通过高温纳米流体回收支路管和低温纳米流体回收支路管分别与高温纳米流体发生与储存装置的纳米流体输入端和低温纳米流体储存罐的纳米流体输入端连接;所述纳米流体回收罐的顶端部位还开设有泄压端。2.根据权利要求1所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述高温纳米流体发生与储存装置包括高温纳米流体储存罐、加热元件和热电偶;将纳米流体快速地加热至预定高温的加热元件设置在高温纳米流体储存罐的内部或外壁面;实时地监测纳米流体的温度的热电偶安装在高温纳米流体储存罐的底端部位。3.根据权利要求2所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述高温纳米流体储存罐内还设置有防止纳米流体中的纳米粒子发生团聚的超声波振荡器。4.根据权利要求1所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述低温纳米流体回收支路管中还设置有冷凝器。5.根据权利要求1所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述高压气体供应装置的高压气体输出端与纳米流体输入主管道之间还连接有将纳米流体输入主管道和注塑模具加热/冷却管道内残留的纳米流体吹入纳米流体回收罐内的吹气管道。6.根据权利要求1所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述低温纳米流体储存罐内还设置有防止纳米流体中的纳米粒子发生团聚的超声波振荡器。7.根据权利要求1所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述注塑模具的模壁内安装至少一个模具温度传感器。8.根据权利要求5所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:还包括模具温度监控单元;所述模具温度监控单元包括: -控制器， -控制信号线， -安装在注塑模具的模壁内并与控制器通过控制信号线相连的模具温度传感器， -位于高温纳米流体发生与储存装置的纳米流体输出端并与控制器通过控制信号线相连的高温纳米流体输出电磁阀， -位于低温纳米流体储存罐的纳米流体输出端并与控制器通过控制信号线相连的低温纳米流体输出电磁阀， -位于高温纳米流体回收支路管并与控制器通过控制信号线相连的高温纳米流体输入电磁阀， -位于低温纳米流体回收支路管并与控制器通过控制信号线相连的低温纳米流体输入电磁阀， -位于高压气体供应装置的高压气体输出端并与控制器通过控制信号线相连的进气电磁阀， -位于吹气管道并与控制器通过控制信号线相连的吹气电磁阀， -位于卸压端并与控制器通过控制信号线相连的泄压电磁阀， -位于高温纳米流体发生与储存装置并与控制器通过控制信号线相连的热电偶。9.根据权利要求2所述的纳米流体辅助快速热循环注塑成型系统，其特征在于:所述加热元件为设置在高温纳米流体储存罐的内部的电热棒或绕制在高温纳米流体储存罐的外壁面的电磁感应线圈。
【文档编号】B29C45/73GK205661008SQ201620488137
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月25日
【发明人】肖成龙
【申请人】南华大学