一种采用半导体制冷器及相变材料的模具急冷急热装置

技术领域

本发明涉及成型制造技术领域，尤其是一种采用半导体制冷器及相变材料的模具急冷急热装置。

背景技术

注塑和模压成型作为塑料加工中的重要成型方法，在工业生产的各个领域都有广泛应用，对塑料产品的精度、表面质量和强度的要求日益提高。传统塑料成型过程，易出现存在熔接痕、橘皮、细纹等缺陷，如能采用优质的急冷急热方法，将模温快速升高至塑料的玻璃化温度温度以上，成型后再快速降低模温至顶出温度，可有效加以消除上述缺陷。其中，如何快速实现动态的模温变化与控制，是制约其实现的关键难题。

目前市场上所采用的塑料成型设备，在实际生产过程中，通常通过加热整个模具，由此制造出的产品常存在熔接痕、橘皮、细纹等外观问题，且需要表面进行二次加工；这不仅增加了能耗与生产成本，如何进一步缩短成型周期也存在瓶颈。

发明内容

本发明提出一种采用半导体制冷器及相变材料的模具急冷急热装置，通过结合半导体制冷器及相变材料的优点，并引入闭环反馈控制电路，能实现对模具进行高效节能的急冷急热调节。

本发明采用以下技术方案。

一种采用半导体制冷器及相变材料的模具急冷急热装置，用于对模具（10）进行急冷急热的温度调节作业，所述急冷急热装置包括控制模块、模具加热器、冷却液模具通道（9）、相变储冷器（1）、冷却液降温管（3）、半导体制冷器（6）；所述相变储冷器内贮有相变部件；所述冷却液模具通道设于模具（10）处；所述冷却液降温管设于相变储冷器处并经可控阀与冷却液模具通道相通；所述半导体制冷器的热端与模具相接，冷端与相变储冷器相接；当对模具进行急热作业时，半导体制冷器的热端加热模具而冷端对相变储冷器降温；当对模具进行急冷作业时，冷却液在冷却液降温管和冷却液模具通道中流动以快速对模具降温。

所述半导体制冷器的热端经下导热基板（8）与模具相接，冷端经上导热基板（4）与相变储冷器相接；上导热基板、下导热基板的上、下面处均涂有导热硅胶或石墨作为导热介质；所述上导热基板、下导热基板的材料包括铜或铝。

所述半导体制冷器与上、下导热基板的连接方式包括螺钉夹紧固定、树脂胶黏或焊接；所述上、下导热基板与相变储冷器的连接方式包括螺钉夹紧固定、树脂胶黏或焊接。

所述冷却液为水，所述冷却液降温管与辅助冷却水路相通；所述辅助冷却水路处设有驱动液体流动的供液泵；所述辅助冷却水路包括第一管、第二管；所述第一管连通冷却液降温管和冷却液模具通道；第二管与冷却液降温管相通且第二管处设有阀门。

所述冷却液模具通道的输出端处设有储水箱（13）用于暂存从冷却液模具通道输出的高温度冷却液，所述储水箱与第二管和冷却液模具通道相连。

所述模具内预置有电加热棒（12）作为辅助加热工具。

所述半导体制冷器的热端处设有用于感应所述下导热基板（8）中心温度的热端闭环控制电路，该热端闭环控制电路通过PID控制并根据所感应的温度来调节半导体制冷器（6）的工作电流，确保采用最合适的工作电流使模具成型面温度在预设的范围内调整，即通过所感应的下导热基板的温度自动调整半导体制冷器的制热/制冷效果来控制模具型腔工作面工作温度。

所述相变储冷器处设有散热风扇（2）；所述散热风扇连接所述用于感应所述上导热基板中心温度的冷端闭环控制电路，该冷端闭环控制电路通过温控开关控制，当感应到上导热基板（4）的中心温度超过设定值时，开启散热风扇，增加散热能力，使相变材料处的温度进一步降低，当上导热基板中心温度又降低到设定值以下时，关闭散热风扇。

所述相变部件的材质为具有一个熔点的单一相变材料或具有多个熔点的多种相变材料混合体，相变材料熔点范围为5~15摄氏度，且相变材料的熔点与半导体制冷器冷端非工作状态下的温度相匹配；当相变部件的材质为多种相变材料混合体时，相变材料混合体内的不同熔点的多种相变材料可随半导体制冷器冷端温度降低依次放热相变；所述相变材料包括低熔点石蜡。

所这急冷急热装置对模具的调温作业分为急速加热作业、快速冷却作业和相变材料恢复作业；

在急速加热作业中，所述可控阀关闭冷却液降温管与冷却液模具通道的连接；半导体制冷器以热端加热模具成型面使模具温度快速上升，以冷端对相变储冷器降温使相变部件的相变材料由液相凝固为固相，此时相变材料释放的相变潜热通过冷却液降温管、辅助冷却水路内流动的水散逸，热端闭环控制电路通过调节半导体制冷器的工作电流来确保对模具的加热满足要求；

在快速冷却作业中，所述半导体制冷器断电，所述可控阀导通冷却液降温管与冷却液模具通道的连接；所述供液泵驱动水在冷却液降温管和冷却液模具通道中流动以快速对模具降温；从冷却液模具通道输出的水在储水箱（13）内贮存并以储水箱内的大储量水快速降温；

在相变材料恢复作业中，可控阀关闭冷却液降温管与冷却液模具通道的连接，所述第二管、第三管与冷却液降温管连通，使储水箱内的热水快速进入冷却液降温管，并在冷却液降温管、辅助冷却水路内循环流动，加热相变材料使其相变为液相，同时使水路内的水温快速降低；此时如上导热基板的温度高于阈值，则冷端闭环控制电路启动散热风扇以强化散热。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明通过急冷急热的实现，可大幅提升成型制品的表面质量。注塑（模压）前结合半导体制冷器的热端将成型面快速加热至较高温度，，成型完成后结合制冷器对模具快速降温，由此实现急冷急热；对应产品成型质量好、可消除成型产品的熔接痕和橘皮等缺陷。

（2）充分利用半导体热端与冷端能量进行模具分阶段加热冷却，具有显著的节能优点。结合相变材料的运用，进一步充分利用热能、节能环保，缩短了热冷却液冷却时间，提高加工循环效率。

（3）由于半导体制冷器结构简单、体积紧凑，无移动部件，使得整个散热装置结构紧凑、可靠性强。此外，制冷器热端温度可控，可较为准确得控制型腔成型面的加热温度，保证成型面工作时的温度不高于设定值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：

图1是本发明的示意图；

图2是本发明急速加热作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图3是本发明快速冷却作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图4是本发明相变材料恢复作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图5是本发明以电加热棒辅助加热模具的示意图；

图6是本发明工作时相变材料能量传递的示意图图；

图7是本发明设有储水箱时的急速加热作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图8是本发明设有储水箱时的快速冷却作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图9是本发明设有储水箱时的相变材料恢复作业的原理示意图（图中箭头为冷却水流动方向）；

图10是本发明的热端闭环控制电路的原理示意图；

图11是本发明的冷端闭环控制电路的原理示意图。

图中：1-相变储冷器；2-散热风扇；3-冷却液降温管；4-上导热基板；6-半导体制冷器；8-下导热基板；9-冷却液模具通道；10-模具；11-水流动方向；12-电加热棒；13-储水箱；101-第一管；102-第二管；103-供液泵；104-可控阀；105-阀门。

具体实施方式

如图1-11所示，一种采用半导体制冷器及相变材料的模具急冷急热装置，用于对模具10进行急冷急热的温度调节作业，所述急冷急热装置包括控制模块、模具加热器、冷却液模具通道9、相变储冷器1、冷却液降温管3、半导体制冷器6；所述相变储冷器内贮有相变部件；所述冷却液模具通道设于模具10处；所述冷却液降温管设于相变储冷器处并经可控阀104与冷却液模具通道相通；所述半导体制冷器的热端与模具相接，冷端与相变储冷器相接；当对模具进行急热作业时，半导体制冷器的热端加热模具而冷端对相变储冷器降温；当对模具进行急冷作业时，冷却液在冷却液降温管和冷却液模具通道中流动以快速对模具降温。

所述半导体制冷器的热端经下导热基板8与模具相接，冷端经上导热基板4与相变储冷器相接；上导热基板、下导热基板的上、下面处均涂有导热硅胶或石墨作为导热介质；所述上导热基板、下导热基板的材料包括铜或铝。

所述半导体制冷器与上、下导热基板的连接方式包括螺钉夹紧固定、树脂胶黏或焊接；所述上、下导热基板与相变储冷器的连接方式包括螺钉夹紧固定、树脂胶黏或焊接。

所述冷却液为水，所述冷却液降温管与辅助冷却水路相通；所述辅助冷却水路处设有驱动液体流动的供液泵103；所述辅助冷却水路包括第一管101、第二管102；所述第一管连通冷却液降温管和冷却液模具通道；第二管与冷却液降温管相通且第二管处设有阀门105。

所述冷却液模具通道的输出端处设有储水箱13用于暂存从冷却液模具通道输出的高温度冷却液，所述储水箱与第二管和冷却液模具通道相连。

所述模具内预置有电加热棒12作为辅助加热工具。

所述半导体制冷器的热端处设有用于感应所述下导热基板8中心温度的热端闭环控制电路，该热端闭环控制电路通过PID控制并根据所感应的温度来调节半导体制冷器6的工作电流，确保采用最合适的工作电流使模具成型面温度在预设的范围内调整，即通过所感应的下导热基板的温度自动调整半导体制冷器的制热/制冷效果来控制模具型腔工作面工作温度。

所述相变储冷器处设有散热风扇2；所述散热风扇连接所述用于感应所述上导热基板中心温度的冷端闭环控制电路，该冷端闭环控制电路通过温控开关控制，当感应到上导热基板4的中心温度超过设定值时，开启散热风扇，增加散热能力，使相变材料处的温度进一步降低，当上导热基板中心温度又降低到设定值以下时，关闭散热风扇。

所述相变部件的材质为具有一个熔点的单一相变材料或具有多个熔点的多种相变材料混合体，相变材料熔点范围为5~15摄氏度，且相变材料的熔点与半导体制冷器冷端非工作状态下的温度相匹配；当相变部件的材质为多种相变材料混合体时，相变材料混合体内的不同熔点的多种相变材料可随半导体制冷器冷端温度降低依次放热相变；所述相变材料包括低熔点石蜡。

所这急冷急热装置对模具的调温作业分为急速加热作业、快速冷却作业和相变材料恢复作业；

在急速加热作业中，所述可控阀关闭冷却液降温管与冷却液模具通道的连接；半导体制冷器以热端加热模具成型面使模具温度快速上升，以冷端对相变储冷器降温使相变部件的相变材料由液相凝固为固相，此时相变材料释放的相变潜热通过冷却液降温管、辅助冷却水路内流动的水散逸，热端闭环控制电路通过调节半导体制冷器的工作电流来确保对模具的加热满足要求；

在快速冷却作业中，所述半导体制冷器断电，所述可控阀导通冷却液降温管与冷却液模具通道的连接；所述供液泵驱动水在冷却液降温管和冷却液模具通道中流动以快速对模具降温；从冷却液模具通道输出的水在储水箱13内贮存并以储水箱内的大储量水快速降温；

在相变材料恢复作业中，可控阀关闭冷却液降温管与冷却液模具通道的连接，所述第二管、第三管与冷却液降温管连通，使储水箱内的热水快速进入冷却液降温管，并在冷却液降温管、辅助冷却水路内循环流动，加热相变材料使其相变为液相，同时使水路内的水温快速降低；此时如上导热基板的温度高于阈值，则冷端闭环控制电路启动散热风扇以强化散热。