（材料加工工程专业论文）热管式热喷嘴的研制开发.pdf

四川大学硕士学位论文 y 9 9 3 7 8 8 热管式热喷嘴的研制开发 专业：材料加工工程 研究生：孙建丽 指导教师：张杰副教授圈教授 摘要：热管式熟喷嘴技术将热管技术应用于热流道系统中，弥补了普通热 流道技术中存在的诸多缺点，是当今注塑及模具工业发展的一项前沿技术。本 文首先通过热管式热喷嘴的传热机理分析，从理论上对比了热管式热喷嘴和普 通热喷嘴的传热能力差异，然后设计了一支热管式热喷嘴以进行传热对比实验 及注塑实验，验证了该项技术的可行性。 实验表明：与普通热喷嘴相比，热管式热喷嘴具有更好的等温性和更优异 的传热能力。当两种热喷嘴具有相同的加热条件时，热管式热喷嘴流道内的轴 向温差更小，最大只有1 ；而普通热喷嘴流道内的轴向温差较大，最大有1 8 ，最小也有8 当只对热管式热喷嘴的一端加热而对普通热喷嘴的整个长 度进行加热时，热管式热喷嘴的传热能力是普通热喷嘴传热能力的9 3 倍，而 能量损耗只是普通热喷嘴的一半。在聚甲醛的注塑实验过程中，热管式热喷嘴 的运行稳定正常，没有闻到刺激的甲醛气味，制品外观良好，这说明热管式热 喷嘴流道内部的温度分布均匀稳定。因此，热管式热喷嘴可用于成型热敏性塑 料。 关键词：热流道；热管；热喷嘴；注塑成型 8 2 _ e e 热管式热喷嘱的研制开发 s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o fan e w t y p e n o z z l e w i t hh e a tp i p ei nh o tr u n n e rs y s t e m m a j o r ：m a t e r i a lp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：s u nj i a n - l i s u p e r v i s o r ：a p r o f z h a n gj i ep r o f 匦亘亟函 、 a b s t r a c t ：t h et e c h n o l o g yo ft h eh e a t - p i p e - t y p en o z z l ei nh o tg u n n e r s y s t e mi sa n o t h e ro r i # n a it e c h n o l o g yo fi n d u s t r i a ld e v e l o p m e n ti ni n j e c t i o n m o l d i n ga n dd i e , w h i c hm a k e su pt h es h o r t c o m i n g se x i s t e di nc o n l m o nh o t r u n n e rt e c h n i q u e sf o rt h ea p p l i c a t i o no fh e a tp i p ei nh o tr u n n e rs y s t e m i n o r d e r 幻v c r i f yt h ef e a s i b i l j t yo ft h i si l e wt e c h n i q u e t h ec o m p a r i s o no fh e a t t r a n s f e rc a p a c i t yb e t w e e nh e a t p i p e t y p en o z z l ea n dc o m m o nn o z z l ew a s s t u d i e di nt h e o r yf i r s t l y , a n dt h e na h e a t - p i p e t y p en o z z l ew a sd e s i g n e dt od o t h es u c c e s s i v e l yh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n ta n d 埘e c t i o nm o l d i n ge x p e r i m e n t a st h er e s u l t ss h o w , t h eh e a t - p i p e - t y p en o z z l eh a sp r e f e r a b l ei s o t h e r m a l p e r f o r m a n c ea n dm o r ee x c e l l e n th e a tt r a n s f e rc a p a c i t yi nc o n t r a s tt ot h e c o n l m o nn o z z l e t h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fc o l n n l o nn o z z l ej n a x i a ld i r e c t i o ni ss u r g i n gb e t w e e n8 c - - 1 8 cw h e r e a st h a to fh e a t p i p e - t y p e n o z z l ei sw i t h i nl u n d e r 蛆l n eh e a t i n gc o n d i t i o n s t h eh e a tt r a n s f e rc a p a c i t y o fh e a t - p i p e t y p en o z z l ei s9 3t i m e so ft h a to fc o m m o nn o z z l ew h i l et h e e n e r g yl o s si sh a l ft h a to fc o m m e 8n o z z l ew h e no n ee n do ft h eh e a t p i p e - t y p e n o z z l ei sh e a t e da n dt h ew h o l ee o n l r i o nn o z z l ei sh e a t e d i ne x p e r i m e n t a t i o n o fp o l y f o r m a l d e h y d e ( p o h d m j e c t i o nm o l d i n g , t h eh e a t - p i p e ，- t y p en o z z l ei s r u n n i n gw e l la n dt h ea r t i c l ea p p e a r a n c el o o k sg o o d k e y w o r d s ：h o tr u n n e r ；h e a tp i p e ：n o z z l e ：画e c t i o nm o l d i i i g 川大学硕十学位论文 第一章引言 1 1 概述 热流道技术自上世纪4 0 年代问世以来，以其省料省时、高速自动和 提高制品质量等显著优点倍受人们关注和青睐。热流道系统的理想温度应 该与由注射机注入的熔体温度相等，即熔体与热流道系统没有热交换的产 生，热流道系统仅仅维持熔体的注射温度热流道系统对主流道、分流道 及热喷嘴头部的等温性要求特别严格，精度很高。因而，在模具中应用热 流道系统关键是对其进行严格的加热和温度控制。 然而，一般的热流道模具在使用过程中存在以下缺点0 1 ： ( 1 ) 结构复杂。由于电加热器容易产生局部过热，把树脂烧焦而造 成产品报废，因而必须对热流道迸行分区多点加热及控温，这就导致模具 结构的复杂化； ( 2 ) 模具费用增高。由于采用分区加热，多点控温，必然使控温装 置费用提高而增加模具费用， ( 3 ) 检修复杂。由于温度控制不良等因素加热装置极易被烧损，从 而增加了检修项目。而且，每次检修往往都要将模具从注射机上卸下来， 拆模后进行检修，从而增加了生产上的辅助工时，使生产率降低； ( 4 ) 不能从根本上解决热流道系统中局部过热的问题。由于热流道 系统多采用分区加热，多点控温，必然需要多个加热及温控装置，而且这 些控温装置自身都存在精度误差的问题，使得热流道系统中各个区域的实 际温度并不均匀。因此，不能从根本上解决热流道系统中局部过熟的问题， 致使一些结晶度高、热稳定性差的树脂不能用热流道模具成型。 ( 5 ) 由于浇口和热流道喷嘴离模腔较近，采取绝热措施后仍不能避 免热量散失，使热流道喷嘴两端温差较大，难以维持温度均匀一致，从而 给注射成型带来不利影响。 针对以上不足，目前热流道技术的发展方向之一就是将热管技术应用 执管式趣喷嘴的研制开发 到热流道技术中来”“1 。热管是一种导热效果极好的超级导热元件，导热 能力超过铜的数百倍甚至上千倍。而且热管可以在微小的温差范围内响 应，迅速传输热量，从而自动调节其长度方向的温度分布，常被认为是等 温元件嗍。因此，若将热管技术与热流道技术相结合，无疑可以将热流道 技术推上一个新的台阶。 1 2 在热流道模具中应用热管技术的优点“”删 与普通热流道模具相比，应用热管技术的热流道模具具有以下突出优 势： ( 1 ) 热流道系统内温度均匀。温差可控制在2 以内； ( 2 ) 单点控温，温控装置简单； ( 3 ) 热流道系统内没有局部的高温部，不产生树脂烧焦现象，从而 可以成型一些结晶度高、热稳定性差的树脂； ( 4 ) 啕增加了热扩散效率，从而可以延长加热器的使用寿命； ( 5 ) 检修方便，当加热器损坏时，不需拆卸模具即可更换加热器： ( 6 ) 因是整体式喷嘴，不需分解清扫，制品改换颜色快； 由此可以看出，在热流道系统中使用热管技术的显著优越性在于：简 化热流道模具，降低模具的总体费用；加热装置放置在模具外侧，当加热 装置烧损后易于更换，不用卸模拆模，从而提高了生产效率；由于热管具 有较高的传热效率，使得这种热流道比一般热流道耗电量少且加热器不容 易损坏，降低生产成本：由于热管具有优异的等温性，从根本上解决了一 般热流道的局部过热问题，从而可以成型热敏感性较强的塑料，扩大了热 流道的使用范围。 1 3 热管技术简介d ”“帕 1 3 1 热管的结构及工作原理 热管的典型结构如图1 - 1 所示。典型的热管由管壳、吸液芯和工作液 2 四川人学硕t 学位论丈 组成，管壳多为密封的铜管、不锈钢管或加工的钢管；吸液芯多为极细的 圈i - 1 热管典型结构图 金属铜丝，密集的金属铜丝芯子中间形成细孔，起毛细管作用；工作液根 据热管使用温度范围的不同，可选用水、氨、甲醇、钠、萘、水银或其他 物质。将管内抽成1 3 ( 1 0 1 1 0 4 ) p a 的负压后充以适量的工作液体，使 紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为蒸 发段( 加热段) ，另一端为冷凝段( 冷却段) 。当热管的一端受热时毛细芯 中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液 体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不己，热量 由热管的一端传至另一端。如图1 2 所示，热管在实现这一热量转移的过 程中，包含了以下六个相互关联的主要过程： ( 1 ) 热量从热源通过热管管壁和充满工作液体的吸液芯传递到液 汽分界面； ( 2 ) 液体在蒸发段内的液汽界面上蒸发； ( 3 ) 蒸汽腔内的蒸汽从蒸发段流到冷凝段； ( 4 ) 蒸汽在冷凝段内的汽液界面上凝结； ( 5 ) 冷凝后的工作液体靠吸液芯内的毛细压力作用回流到蒸发段： 3 帆管式扭喷噼的研制开蹙 ( 6 ) 蒸汽凝结放出的热量从汽- 液分界面上通过吸液芯、液体和管壁 的热传导释放。 图1 - 2 热管的工作过程 i - ittt ， 毒晨曩l 一 笔暑丧l 斗囊曩 ，曩 l | ，一 l r _ h k 、l 1 _ _ _ _ _ - _ 一 图1 3 搏管管内汽一液交界面质量流，压力和温度沿管长变化示 4 四川太擘够1 学位论殳 图1 3 表示了热管管内汽液交界面形状、蒸汽质量流量( m ) 、压力 ( a p 。、p l 和p ，) 以及管壁温度( t 。、t 。) 和管内蒸汽温度( t v ) 沿管长的变化趋势。沿整个热管长度，汽液交界处的汽相与液相之间的 静压差都与该处的局部毛细压差相平衡。p c ( 毛细压头) 一是热管内部工 作液体循环的推动力，用来克服蒸汽从蒸发段流向冷凝段的压力降( p v ) 、冷凝液体从冷凝段流回蒸发段的压力降( p 1 ) 和重力场对液体流动 引起的压力降( a p 。可以是正值、是负值或为零。视热管在重力场中的位 簧而定) 。因此，p c p l + a p ，+ r 足热管正常工作的必要条件。 由此可总结出，热管工作时利用了以下三种物理学原理： ( 1 ) 在真空状态下，液体的沸点降低； ( 2 ) 同种物质的汽化潜热比显热高的多； ( 3 ) 多孔毛细结构对液体的抽吸力可使液体流动。 1 3 2 热管的基本特性 热管是依靠自身内部工作液体相变来实现传热的传热元件，具有以下 基本特性： ( 1 ) 高导热性。热管内部主要靠工作液体的汽、液相变传热，热阻 很小，因此具有很高的导热能力。与银、铜、铝等金属相比，相同尺寸的 热管可多传递几个数量级的热量； ( 2 ) 优良的等温性。热管内腔的蒸汽是处于饱和状态，饱和蒸汽的 压力决定于饱和温度，饱和蒸汽从蒸发段流向冷凝段所产生的压降很小， 根据热力学中的方程式可知，温降亦很小，因而热管具有优良的等温性； ( 3 ) 热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面 积，即以较小的加热面积输入热量，而以较大的冷却面积输出热量，或者 热管可以较大的加热面积输入热量，而以较小的冷却面积输出热量，这样 即可以改变热流密度，解决一些其他方法难以解决的传热难题； ( 4 ) 热流方向的可逆性。一根水平放霄的有芯热管，由于其内部循 环动力是毛细力，因此任意一端受热就可作为蒸发段，而另一端向外散热 5 热管式执疃嘴的研制开发 就成为冷凝段。此特点可用于宇宙飞船和人造卫星在空间的温度展平，也 可用于先放热后吸热的化学反应器及其他装置； ( 5 ) 热二极管与热开关性能。热管可做成热二极管或热开关，所谓 热二极管就是只允许热流向一个方向流动，而不允许向相反的方向流动。 热开关则是当热源温度高于某一温度时，热管开始工作，当热源温度低于 这一温度时，热管就不传热； ( 6 ) 恒温特性( 可控热管) 。普通热管的各部分热阻基本上不随加 热量的变化而变化，因此当加热量变化时，热管各部分的温度亦随之变化。 但人们发展了另一种热管可变导热管，使得冷凝段的热阻随加热量的 增加而降低、随加热量的减少而增加，这样可使热管在加热量大幅度变化 的情况下，蒸汽温度变化极小，实现温度的控制，这就是热管的恒温特性： ( 7 ) 环境的适应性。热管的形状可随热源和冷源的条件而变化，热 管可做成电机的转轴、燃气轮机的叶片、钻头、手术刀等等。热管也可做 成分离式的，以适应长距离或冷热流体不能混合的情况下的换热。热管既 可以用于地面( 重力场) ，也可用于空i 日j ( 无重力场) 。 1 3 3 热管的分类 由于热管的用途、种类和型式较多，再加上热管在结构、材质和工作 液体等方面各有不同之处，故而对热管的分类也很多，常用的分类方法有 以下几种： ( 1 ) 按照热管管内工作温度划分，热管可分为低温热管( - 2 7 3 - o ) 、 常温热管( 0 - 2 5 0 ) 、中温热管( 2 5 0 - 4 5 0 ) 和高温热管( 4 5 0 一l o o o ) ； ( 2 ) 按照工作液体回流动力区分，热管可分为有芯热管、两相闭式 热虹吸管( 又称重力热管) 、重力辅助热管、旋转热管、电流体动力热管、 磁流体动力热管、渗透热管等； ( 3 ) 按管壳与工作液体的组合方式划分( 这是一种习惯的划分方法) ， 可分为铜一水热管、碳钢一水热管、铜钢复合一水热管、铝一丙酮热管、碳 钢一萘热管、不锈钢一钠热管等； 6 四川大学顾e 学位论文 ( 4 ) 按结构形式区分，可分为普通热管、分离式热管、毛细泵回路 热管、微型热管、平扳热管、径向热管等； ( 5 ) 按热管的功用划分，可分为传输热量的热管、热二极管、热开 关、热控制用热管、仿真热管、制冷热管等。 1 3 4 热管的相容性及寿命 热管的相容性是指热管在预期的设计寿命内，管内工作液体同管壳 不发生显著的化学反应或物理变化，或有变化但不足以影响热管的工作性 能。常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及与之相容的壳体材料见 表1 - 1 。相容性在热管的应用中具有重要的意义，只有长期相容性良好的 热管，才能保证稳定的传热性能，长期的工作寿命及工业应用的可能性。 碳钢一水热管正是通过化学处理的方法，有效地解决了碳钢与水的化学反 应问题，才使得碳钢一水热管这种高性能、长寿命、低成本的热管得以在 工业中大规模推广使用。 影响热管寿命的因素很多，归结起来，造成热管不相容的主要形式有 以下三方面： ( 1 ) 产生不凝性气体。由于工作液体与管壳材料发生化学反应或电 化学反应，产生不凝性气体，在热管工作时，该气体被蒸汽流吹扫到冷凝 段聚集起来形成气塞，从而使有效冷凝面积减小，热阻增大，传热性能恶 化，传热能力降低甚至失效； 。 ( 2 ) 工作液体物性恶化。有机工作介质在一定温度下，会逐渐发生 分解，这主要是由于有机工作液体的性质不稳定，或与壳体材料发生化学 反应，使工作介质的物理性能改变，如甲苯、烃类等有机工作液体易发生 该类不相容现象； ( 3 ) 管壳材料的腐蚀和溶解。工作液体在管壳内连续流动，同时存 在着温差、杂质等因素，使管壳材料逐渐发生溶解和腐蚀，流动阻力增大， 使热管传热性能降低。当管壳被腐蚀后，引起湿度下降，甚至引起管壳的 腐蚀穿孔，使热管完全失效。这类现象常发生在碱金属高温热管中。 7 热管式热喷嘴的研制开发 表1 - t 常用热管的工作温度范围与典型的工作介质及与其相容的壳体材料 种类 丁作介质1 = 佧温度 相容壳体材料 低 氨 6 0 1 0 0 铝、不锈钢、低碳钢 温氟里昂- 2 1- 4 0 1 0 0铝、铁 热 氟里昂- 1 1 4 0 1 2 0铝，不锈钢、铜 管 氟里昂一1 1 3 - 1 0 1 0 0铝、铜 己烷0 1 0 0黄铜，不锈钢 常丙酮 0 1 2 0 铝、铜，不锈钢 温 乙醇0 1 3 0铜、不锈钢 热 甲醇 1 0 2 3 0 铜、不锈钢、碳钢 管 甲苯 0 2 9 0 不锈钢、低碳钢、低合金钢 水3 0 2 5 0铜、碳钢( 内罐经化学处理) 荣1 4 7 3 5 0铝不锈钢、碳钢 由 联苯 1 4 7 3 0 0不锈钢、碳钢 温 导热姆- a 1 5 0 3 9 5铜，不锈钢、碳钢 热 导热姆一e 1 4 7 3 0 0不锈钢、碳钢，镍 管 汞 2 5 0 6 5 0 奥氏体不锈钢 钾 4 0 0 1 0 0 0不锈钢， 高 铯 4 0 0 1 1 0 0钛、铌 温 钠 5 0 0 1 2 0 0 不锈钢、因康镍合金 热 锂 1 0 0 0 1 8 0 0 钨，钽，钼、铌 管 银1 8 0 0 2 3 0 0钨，钽 1 3 5 热管的发展及现状 1 3 5 1 国外的发展现状 热管的原理首先是由美国俄亥俄州通用发动机公司( t h eg e n e r a l m o t o r sc o r p o r a t i o n 。o h i o ，u s a ) 的r s g a u g l e r m l 于1 9 4 4 年在荚国号利 8 i ，l i 川犬学顾十学位论文 ( n o 2 3 5 0 3 4 8 ) 中提出。然而他的想法当时并没有被通用发动机公司所采纳 应用。1 9 6 2 年l t r e f e t h e n “”再次提出类似于g a u 四e l 的传热元件用于宇宙 飞船，但因这种建议并未经过实验证明，办未能付诸实施。1 9 6 3 年美国 l o s a l a m o s 国家实验室的g m g r o v e r “”重新独立发明了类似于g a u g l e r 提 出的传热元件，并进行了性能测试实验，在美国 5 0w 可见，热管式热喷嘴在使用条件下不会达到沸腾极限。 3 7 热管式热喷嘴和普通热喷嘴传热能力的理论比较 3 7 1 热管式热喷嘴传热系数的计算 传热系数的计算公式见第二章2 2 节式2 - 1 ，由式中可知，要计算传 璁首式热喷嘴的研制开发 热系数，必须先计算备环节的传热热阻。各环节的热阻公式己在第二章 2 2 节中列出，将各参数代入，即可得到各环节的热阻值。 1 ，蒸发段管壳壁的热阻 式中各参数值如下： - 0 0 1 2 5 m ，t p 。- 0 0 0 2 5 m ； t - 0 0 3 m ，k 。一2 7 6 w ( m k ) 。 将各参数值代入2 - 2 式中得到蒸发段管壳壁的热阻值为： rp。半竺。18910-5mzkwkp, e 。百石面五百。 2 r 。蒸发段浸满液体吸液芯的热阻 式中各参数值如下： ，。- 0 0 1 ，l ，t ，- 1 6 9 4 x 1 0 。5 m ； t 。一1 5 8 w ( m k x 将各参数值代入2 3 式中得到蒸发段管壳壁的热阻值为： 凡。：0 0 1 2 5 2 x 1 6 9 4 x l o - s 。2 7 9 1 0 。小2 k ，1 2 0 0 3 x 0 o l x l 5 8 。 3 。冷凝段浸满液体吸液芯的热阻 式中各参数值如下： 一0 0 0 5 5 m ， 一0 0 0 3 5 m ， t 一0 0 5 m t “- 1 6 9 4 x1 0 + 5 m ； 也。- i 5 8 w ( m k ) ； 将各参数值代入2 5 式中得到蒸发段管壳壁的热阻值为： 民户塑鬯垒! 筌哇l o 9 3 1 0 钳俐 2 0 0 5 0 0 0 3 5 x 1 5 8 叫川大学硕士学位论丈 4 ，冷凝段管壳壁的热阻 式中各参数值如下； - 0 0 0 5 5 m ，t p 一o 0 0 2 m ； t o 0 5 m ， k ，- 2 7 6 w ( m k ) 。 将各参数值代入2 2 式中得到蒸发段管壳壁的热阻值为： 尺。：业燮。0 4 l o - s m 2 k i w ”2 x 0 0 5 2 7 6 将计算所得的各环节的热阻值代入式2 - 1 中即可得出热管式热喷嘴的 传热系数： u 一话蔽而西页丽1 丽夏丽面而了 - 1 6 6 x 1 0 4 w ( m 2 k ) 3 7 2 普通热喷嘴传热系数的计算4 ” 忽略热对流和热辐射，普通喷嘴主要是靠喷嘴体的热传导来进行热量 传递的。将热量在热喷嘴轴向上的传递看成足平壁导热。根据傅立叶导热 定律，热喷嘴传热系数【厂的计算公式为： u ，- i k ( 3 一1 2 ) 式中： s 一普通热喷嘴的长度，所： 七一普通热喷嘴材料的导热系数，w ( m k _ l o 且对于相同尺寸相同材料的普通热喷嘴有： s 一0 0 6 5 m ， k 一2 7 6 w ( m k k 将数值代入3 1 2 式中得： q - 淼- 4 2 4 6 w ( m 2 目 批管式鸲喷嘴的研制开发 3 7 3 热管式热喷嘴和普通热喷嘴传热能力的理论比较 用热管式热喷嘴的传热系数除以普通热喷嘴的传热系数得： u 。1 6 6 x 1 0 4 。3 9 一_ u p 4 2 4 6 可见，就理论上来说，本项设计中的热管式热喷嘴的有效热导要比相 同材质相同尺寸的普通热喷嘴高3 9 倍。 3 8 热管式热喷嘴热膨胀变形量的计算嘲 热管式热喷嘴的使用温度在2 0 0 左右，加热后产生的热膨胀主要在 热喷嘴的轴向上。热喷嘴轴向的热膨胀变形量可按下式计算： 式中： 6 - l ( 五- r o x a ( 3 - 1 2 ) 6 膨胀变形量，m m ： 口钢材的热膨胀系数1 1 4 1 0 4 ，1 c ； t 1 一热喷嘴温度，； t 2 一室温，； l 热喷嘴尖端到喷嘴定位面处的距离，m i l l 。 且： a = 1 0 9 x1 0 。； t 2 = 2 0 ； 将各参数代入3 1 2 式中得： 五= 2 0 0 ； 工= 3 3 4 。 6 - 3 3 4 x ( 2 0 0 2 0 ) 1 0 9 x 1 0 6 - 0 0 6 6m l n 3 9 热管式热喷嘴的制造瞳侣“跏 热管的制造看似简单，但其对制造工艺的要求非常高。如图3 - 9 典型 朗川大学硕十学位论文 热管的制造工艺流程所示，热管式热喷嘴的主要制造过程如下： ( 1 ) 加工管壳、吸液芯、端盖并将工作液体提纯； ( 2 ) 清洗管壳、吸液芯及端盖； ( 3 ) 在端盖上焊接充液管； ( 4 ) 将吸液芯装在管壳内壁上； ( 5 ) 将管壳和端盖焊接在一起，形成环形空腔； ( 6 ) 对环形空腔抽真空后，向空腔内注入一定量的工作液体； ( 7 ) 最后，将充液管切断并焊接； ( 8 ) 检验。 图3 9 典型热管的制造工艺流程图 ， 在上述整个流程中最关键的步骤是焊接、建立真空及充装工质等几道 工序。每一道工序所采用的方法及设备如下： 1 清洗：根据壳体及吸液芯材料种类，采用不同类型和浓度的酸或 碱浸泡清洗，以去除锈蚀污物。然后用热水冲洗至中性状态，并及时烘干。 组装前，还常用丙酮，乙醚等清洗去除油污并烘干： 2 焊接：要求气密性及机械强度好。通常是用惰性气体保护焊( 如 拉管式执喷嘴的研制开发 氩弧焊等) ，也可以采用真空钎焊，电子束焊等。根据热管工作温度及压 力，采用的焊接方法也有所不同，高温，高压下使用的热管，应采用熔焊； 3 检漏：要求所有焊缝不产生微漏。一般检漏手段如气压、水压试 验难于发现极小的漏孔，不能满足高度气密性要求。要用氦质谱检漏仪或 其他精确检漏仪器，发现漏孔要进行补焊，然后再复检，直到通过为止： 4 除气：排除渗透到金属内部的气体，只有在一定温度及真空度下 才能彻底完成。因此，需要用真空加热炉。在5 1 0 毫米汞柱真空下将壳 体、吸液芯等加热到4 0 0 一6 0 0 度，保持该温度在3 小时以上，即可去除 金属中含有的气体物质。对于低温及常温下使用的热管可以免去除气过 程，因为在这种温度下，金属中的气体不会释放出来； 5 建立真空：热管的初始真空度一般要求1 0 。l 1 0 缶毫米汞柱，根据 工质性质、工作温度及热管用途而定。高真空需要用二级甚至三级真空机 组才能达到，而一般的机械真空泵只能达到1 旷毫米汞柱。抽真空时间要 长，还需对热管加热，使附着在金属表面上的气体易于排除； 6 工质提纯：水及有机液体易于提纯，在市场上也能买到纯度很高 ( 如分析纯) 的液体。对于钾、钠等易氧化金属，由于不能接触空气，提 纯相当困难，需要有一套特殊设备。工质中溶解的气体，在工质沸腾时即 自动排除： 7 充装工质：由于需要计量和防止混入空气，充液工序紧接着建立 真空后进行，并且要有一套专门的充液系统； 8 切断充液管及补焊切口：一般都是用冷焊钳对小管施以压力，使 其变形直至断开，切口处能自动密合( 无氧铜管，不锈钢及镍管具有这种 性能) 。由于切口断面很薄，热管焊后易被撕开，通常需对切口进行补焊。 采用氩弧焊，电子束焊均可满足要求。 在本项设计中，热管式热喷嘴由三部分组成：热管式热喷嘴内壳，热 管式热喷嘴外壳和端盖，且在端盖上加工有小孔，用来安装充液管。三者 之间的组合及焊接处如图3 1 0 所示。各零件加工好后，按照上述步骤制 造热管式热喷嘴。为使热管式热喷嘴具有较佳的传热性能，在制造过程中 必须注意以下几点： 卿川丈学r 埂士学位论文 ( 1 ) 尽可能彻底的清洁热管式热喷嘴壳体及吸液芯； ( 2 ) 热管式热喷嘴外壳的内表面和热管式热喷嘴的外表面尽量光滑； ( 3 ) 工作液体在热管式热喷嘴蒸发段的表面上具有较好的润湿性； ( 4 ) 完全除气，使用干净的、经处理及过滤的工作液体； ( 5 ) 吸液芯和热管式热喷嘴的壁面有较好的热接触； ( 6 ) 各零件焊接后表面尽量平整、光滑。 1 热管式热喷嘴内壳2 蒸汽腔3 一热管式热喷嘴外壳4 - 端盖 图3 - 1 0 热管式热喷嘴装配图 3 1 0 本章小结 管 ( 1 ) 提出了热管式热喷嘴的设计方案。拟将喷嘴体做成一根热管， 只在喷嘴靠近注射机的一端加热，将加热器露在模具定位圈的外面，且流 道中间不再加分流梭，以期在热喷嘴的轴向上获得更均匀的温度分布。 ( 2 ) 分析并总结了热管式热喷嘴工作液体的选择原则，并选择了经 过处理的水作为热管式热喷嘴的工作液体。 ( 3 ) 分析并总结了热管式热喷嘴体材料的选择原则，根据要求选用 了4 c r 5 m o s i v 钢作为热管式热喷嘴体的材料，并对其强度进行了校核。 ( 4 ) 分析并总结了热管式热喷嘴中吸液芯的选择原则，经比较及计 热管式堪喷嘴的研制开麓 算选用了铜材1 5 0 目单层卷制丝网作为热管式热喷嘴的吸液芯。 ( 6 ) 对本项设计中的热管式热喷嘴进行了以下三种常见传热极限的 校核，即：毛细极限、声速极限和沸腾极限。 ( 7 ) 对热管式热喷嘴和普通热喷嘴的传热系数进行了计算，本项设 计中的热管式热喷嘴的有效热导要比相同材质相同尺寸的普通热喷嘴高 3 9 倍。 ( 8 ) 归纳总结了热管的制造工艺流程，并指出了本项设计在制造过 程中需注意的问题。 旧1 1 1 人学颂卜学位论文 第四章热管式热喷嘴的实验研究阻秘羽 为体现本项设计中的热管式热喷嘴的优越性，对热管式热喷嘴和普通 热喷嘴在传热能力和均温性方面作了对比实验研究，量化二者在传热能力 和均温性方面的差异。并设计了一副简易实验模具，实现热管式热喷嘴在 注射机上的工业化验证。 4 1 实验模具的设计 1 定位圈2 热管式热喷嘴3 隔热垫圈4 - 定模底扳5 导柱6 定模镶块 7 定模板8 动模板9 模脚加动模底扳1 l - 内六角螺钉1 2 - 隔热垫圈 1 3 - 内六角螺钉 图4 - 1 热管式热喷嘴实验模具图 热管式热喷嘴的实验模具装配图如图4 1 所示，其实物如图4 2 所示。 为得到较佳的实验结果，应该尽量减少热管式热喷嘴的热损失。热管式热 5 1 执管式执疃嘴的研制开发 喷嘴( 2 ) 前端装在定模镶块( 6 ) 内，热喷嘴( 2 ) 和定模镶块( 6 ) 之间 用隔热罄圈( 3 、1 2 ) 和2 5 r a m 的空气间隙进行绝热，而定模镶块和定模 板之间用空气间隙来绝热。热管式热喷嘴在实验模具中关键部位结构如图 4 3 所示。图中a 面为热管式热喷嘴在模具中的周向定位面，从减少热损 失的角度出发，此面应尽量小。b 面为热管式热喷嘴在实验模具中的轴向 图4 - 2 热管式热喷嘴的实验模 具实物图 图4 - 3 热管式热喷嘴在模具中 关键部位放大图 定位面。d 面为本项设计中的热管式热喷嘴的封胶面，也就是说隔热垫圈 ( 1 2 ) 兼作隔热和封胶的作用。但这种设计并不足很好，尤其是当热喷嘴 的长度很长时，使热喷嘴的轴向定位面b 到热喷嘴前端的封胶面d 的距 离增大，从而热喷嘴的热膨胀预留量就不好控制。预留量过大，喷嘴前端 封胶不好；预留量过小，由于热喷嘴的膨胀可能会使喷嘴变弯。这点对热 管式热喷嘴性能的影响还不是很大，但对普通热喷嘴将会产生很大影响。 因为热喷嘴变弯后，导致喷嘴体和加热器之间产生间隙，从而降低加热器 的加热效率，甚至烧毁加热器。较好的设计应该选c 面作为封胶面。在 本项设计中，亦设计c 面为封胶面，但在热管式热喷嘴的制造过程中，c 面被破坏，所以只好改选d 面为封胶面。 t 四川大学硕十学位论史 4 2 热管式热喷嘴和普通热喷嘴的传热性能对比实验 4 2 1 实验设备 ( i ) 热管式热喷嘴：详见第三 章3 4 1 节。 ( 2 ) 普通热喷嘴：普通喷嘴结 构见图年3 ，其内部结构及尺寸与 熟管式热喷嘴的内部结构及尺寸完 全相同。考虑到加热和定位问题， 其外部形状与热管式热喷嘴的外部 也一j - ，。j , , ： t i 一? 钐? 杉 图4 - 4 普通热喷嘴结构图 形状稍有不同，但它们的主要尺寸部是一样的。 ( 3 ) 加热器：采用云母绝缘的圆柱形加热器。其参数见表4 , 1 。 表4 - i 电阻加热圈参数 内径m m高度m m功率w电压，v 2 33 05 0 1 0 02 2 0 ( 4 ) 温控器和温度显示器：采用余姚市东方电工仪器厂的砸d 系列 2 0 0 1 型温控仪。t e d 系列温控仪集测量、调节于一体，结构简单，显示 直观，操作方便。同时采用了上海长征开关厂的c j i o a 交流接触器来控 制加热器的启动和停止。控温和测温电路如图4 5 a 和4 5 b 所示。 图4 - 5 a 控温电路图 + 2 2 0 v 批管式热喷嘴的研制开篾 图4 - 5 b 测温电路图 ( 5 ) 热电偶：普通工业用j 型热电偶，测温范围为0 1 0 0 0 。 4 2 2 实验过程 实验时，热喷嘴水平放置。热 管式熟喷嘴的热电偶分布如图 4 - 6 所示。热电偶5 为控温点；1 、 2 为流道内部测温点，且2 点靠近 模具方向；3 ，4 为喷嘴体外部测 温点，3 点靠近模具方向。普通热 喷嘴的热电偶分布与热管式热喷 图4 - 6 热管式热喷嘴的热电偶分布图 嘴的热电偶分布完全相同。为比较两种热喷嘴在传热能力和均温性方面的 差异，首先比较两种热喷嘴用相同的加热器在相同位置加热时各点温度随 时问的变化，即两种热喷嘴都只在一端加热；然后再测量热管式热喷嘴只 在一端加热而普通热喷嘴的整个长度进行加热时各点温度随时间的变化。 测试时间3 0 r a i n ，控温点5 的设定温度为1 8 0 。 4 2 3 实验结果及讨论 4 2 3 1 普通热喷嘴和热管式热喷嘴具有相同的加热条件 热管式热喷嘴加热及热电偶的位置如图4 - 6 所示。而普通热喷嘴加热 位置及热电偶分布如图4 _ 7 所示。所测得的各点温度见表4 2 和表4 3 ， 【l i 川犬学颅卜学位论文 表中时间单位为s ，温度单位是 。因为我们主要关心的是流道 沿轴向的温度分布，所以这哩主 要对测温点1 、2 进行分析。 从袁4 2 中可以看出，热管 式热喷嘴轴向的等温性很好，测 温点1 、2 之间的温差很小，基 图4 - 7 普通热喷嘴加热位置及热电偶分布图 本上在加热后的六分钟左右两点的温度达到一致。此后继续加热时，两点 的温度基本相等，最大温差为1 度。这说明前六分钟为热管的启动时日j 。 在加热后的1 0 分钟左右1 、2 点同时达到设定温度。在升温的前两分钟内， 热管式热喷嘴有轻微的振动现象，内部有清脆的类似金属撞击的声音。这 可能是因为热管刚启动时，由于热管两端的温差较大，从而使热流密度较 大，大量的蒸汽高速流向热管式热喷嘴的冷凝段。在蒸汽移动过程中，热 管壁面吸液芯表面的液膜可能会被高速蒸汽撕裂，一些小液滴被携带并撞 击热管式热喷嘴冷凝段的壁面，导致热管式热喷嘴启动时出现不稳定现 象。 而由表4 3 的实验结果显示，普通热喷嘴的测温点1 、2 之间一直存 在着较大温差。随着加热时问的增加，1 、2 两点之间的温差逐渐缩小。 在加热后的1 4 分钟左右，测温点1 达到设定温度，而点2 在加热后的1 8 分钟左右达到设定温度，比点1 滞后4 分钟。1 、2 两点达到设定温度后， 两点之间仍有较大的温差，最大达1 8 ，最小也有8 c 图4 - 8 为热管式热喷嘴及普通热喷嘴测温点l 、2 的温度随时问的变 化曲线。由图中也可以看出，6 分钟左右后，曲线a 、b 基本重合，说明 热管式热喷嘴流道内轴向温差较小；而曲线c 、d 一直分开较大，说明普 通热喷嘴流道内轴向温差较大。同时可以看出，曲线b 的起伏较大，这说 明热管式热喷嘴的测温点2 对控温点5 的变化反应较灵敏：而曲线d 则较 平坦，说明普通热喷嘴的测温点2 对控温点5 的变化反应较迟钝。 批管式执喷嘴的研制严发 表4 - 2 热管式热喷嘴各点温度随时问的变化 点l 、2 之 求巡 l23 45 间的漏尊 o1 51 51 51 51 5o l2 01 71 5 1 5 3 73 1 53 0 1 9 1 51 76 0l l 24 02 51 5 2 1 8 01 5 2 55 l 3 5 1 52 81 0 01 6 36 l4 92 0 3 7 1 1 81 2 3 57 1 6 1 2 34 81 3 41 0 48 2 7 5 2 85 7 1 4 4 7 4 59 28 83 56 61 5 24 51 0 3 1 0 0 4 27 3 1 5 93 5 51 1 31 1 24 9 8 l 1 6 7l 61 2 31 2 35 29 01 7 3 0 6 51 3 51 3 55 5 9 9 1 7 9o 71 4 5 1 4 5 6 51 0 51 8 3 0 7 51 5 21 5 27 0 1 0 9 1 8 lo 81 5 8 1 5 8 7 21 1 31 7 0o 8 51 5 91 5 97 5 1 1 5 1 6 5o 91 6 21 6 27 81 1 91 7 0o 9 5 1 6 9 1 6 9 8 01 2 31 7 8o 1 01 7 8t 7 89 41 2 81 8 6o 1 0 51 8 11 8 28 51 3 01 8 6l 1 11 8 41 8 48 61 3 21 7 80 1 1 51 8 51 8 58 81 3 21 7 0o 1 21 8 31 8 49 01 3 31 6 9l 1 2 51 8 81 8 89 21 3 41 7 6o 1 31 9 01 9 19 5 1 3 6 1 8 51 1 3 51 9 61 9 89 91 3 91 8 82 1 41 9 91 9 91 0 01 3 91 8 30 1 4 51 9 91 9 91 0 01 3 91 7 40 1 5 1 9 81 9 b9 91 3 8 1 6 90 1 5 5 1 9 71 9 89 91 3 91 7 3l 1 61 9 9 1 9 9 1 0 01 4 0i 8 10 1 6 5 2 0 l2 0 21 0 01 4 31 8 91 h 叫川人学硕e 学位论文 1 72 0 4 2 0 5l o l 1 4 5 1 8 7 1 1 7 52 0 42 0 4i o t1 4 51 8 0o 1 82 0 l2 0 21 0 01 4 41 7 2l 1 8 52 0 12 0 l1 0 01 4 41 7 0o 1 92 0 l2 0 21 0 0 1 4 5 1 7 8 l 1 9 52 0 52 0 6l 1 4 91 8 7l 2 02 0 82 0 91 0 0 1 5 0 1 9 0 l 表4 _ 3 普通热喷嘴各点温度随时间的变化 点l 、2 之 撼 l2345 间的濡差 01 71 71 71 71 7o l 3 02 l 1 71 74 l9 1 54 02 3i 71 86 51 7 2 5 02 81 7 2 0 8 9 2 2 2 56 23 22 02 41 1 53 0 3 7 24 l2 5 2 7 1 3 2 3 1 3 58 55 02 93 21 4 63 5 48 8 6 l3 5 3 71 5 72 7 4 51 0 87 13 84 31 6 73 7 51 1 98 l4 54 81 7 53 8 5 51 2 99 25 05 41 8 33 7 6 1 3 81 0 25 5 6 01 8 43 6 6 51 3 8l l o6 06 51 7 32 8 71 3 91 1 56 56 91 6 52 4 7 51 4 4 1 2 1 7 07 31 6 7 2 3 81 5 21 2 87 57 61 7 62 4 & 5j 6 01 3 27 88 01 8 62 8 91 6 51 3 98 0 8 3 1 8 82 6 9 51 6 41 4 48 58 71 7 92 0 1 01 6 21 4 88 78 91 6 91 4 l o 51 6 41 5 09 09 l1 6 71 4 l l 1 7 01 5 2 9 29 3 1 7 61 8 1 1 51 7 81 5 89 5 9 5 1 8 82 0 1 21 8 l1 6 09 99 7 1 9 02 l 1 2 51 8 l1 6 21 0 09 91 8 41 9 执管式趣喷嘴的研制开豉 1 31 7 81 6 51 0 01 0 l1 7 41 3 1 3 51 7 91 6 8l o l1 0 21 6 8 i i 1 41 8 i1 6 8l o l1 0 3 1 7 41 3 1 4 51 8 81 6 91 0 21 0 41 8 71 9 1 51 9 11 7 21 0 51 0 51 9 2 1 9 1 5 51 9 11 7 51 0 61 0 7 1 8 71 6 1 61 8 81 7 81 0 91 0 71 7 7 1 0 1 6 51 8 71 7 8 l l o 1 0 8 1 7 09 1 71 8 81 7 81 0 91 0 81 7 4l o 1 7 51 9 31 7 8 1 0 91 0 81 8 81 5 1 81 9 81 8 00l l o1 9 21 8 1 8 51 9 81 8 2 1 1 0l l l1 8 91 6 1 91 9 51 8 21 1 0l l l1 8 i1 3 1 9 5 1 9 0 1 8 21 1 l1