最新塑機(jī)用“機(jī)筒加熱器”的特性分析

翟海波，陳明華，畢宏偉

(上海錦珂塑膠科技有限公司，上海 20050)

塑料成型國民經(jīng)濟(jì)中的重要組成部分，塑料加工設(shè)備包括各種塑料機(jī)械，簡稱“塑機(jī)”，如注塑機(jī)、擠出機(jī)、吹塑機(jī)、中空成型等，其技術(shù)能級決定了塑料制品的檔次。目前中國國內(nèi)市場上高、中、低檔次并存，種類繁多，應(yīng)用類型層出不窮、更因注塑制品的不斷豐富，專用設(shè)備不斷衍生，評價(jià)塑機(jī)及其部件的指標(biāo)通常包括：精度、效率、能耗、使用壽命、性價(jià)比等。下面針對塑機(jī)的關(guān)鍵部件“機(jī)筒加熱器”進(jìn)行了綜合的分析，并特殊制作了測試顯示裝置，結(jié)合當(dāng)今市場上應(yīng)用的“料筒加熱器”的幾種最常見類型進(jìn)行了對比、分析，期望能對塑機(jī)制造企業(yè)和塑機(jī)使用企業(yè)對先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品品質(zhì)提升、降低能耗提供借鑒和參考。

1 “機(jī)筒加熱器”的性能評價(jià)指標(biāo)

“機(jī)筒加熱器”是塑機(jī)塑化系統(tǒng)中重要“溫度”控制執(zhí)行的關(guān)鍵部件，對塑料原料的塑化質(zhì)量、制品品質(zhì)、產(chǎn)出效率、能耗和制造成本均有重要影響。所以，在塑機(jī)制造選用“機(jī)筒加熱器”時(shí)需要兼顧以下因素，并綜合評估。

1.1 溫度精度

作為執(zhí)行元件，“機(jī)筒加熱器”執(zhí)行控制系統(tǒng)對“原料溫度”的控制，通常要求控制在±2℃，高標(biāo)準(zhǔn)在±1℃以內(nèi)?！霸蠝囟取睍苯佑绊懙剿芑系牧鲃有院退芑|(zhì)量，對塑料加工成形過程工藝參數(shù)設(shè)置和制品的內(nèi)、外在質(zhì)量均產(chǎn)生直接的影響，高的溫度精度執(zhí)行部件是高品質(zhì)、高合格率、高附加值產(chǎn)品的必備條件。

1.2 成型效率

同等機(jī)筒加熱功率的“機(jī)筒加熱器”，擁有快速的升溫和降溫速度，快速的響應(yīng)控制系統(tǒng)的命令要求，是評價(jià)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，高響應(yīng)速度意味著具有高的成型效率，單位產(chǎn)出更大，單位成本更低，市場競爭力更強(qiáng)。

1.3 安全性

電氣安全需完全符合國標(biāo)要求，例如注塑機(jī)的設(shè)計(jì)，須滿足GB22530—2008《橡膠塑料注射成型安全要求》 ，在額定條件下，機(jī)筒外部防護(hù)罩表面溫度≤ 70℃。

1.4 能耗

同等機(jī)筒加熱功率的“機(jī)筒加熱器”，滿足技術(shù)工藝溫度要求，所消耗的電能越少，能耗越低，將決定是否符合未來低能耗、綠色制造的發(fā)展趨勢，高效低能耗的“機(jī)筒加熱器”將擁有極大的發(fā)展?jié)摿εc機(jī)遇。

1.5 壽命

“機(jī)筒加熱器”作為塑機(jī)設(shè)備中的重要發(fā)熱部件，發(fā)熱溫度越低，被氧化的程度越低，不易老化，意味著發(fā)熱元件壽命更長，作為易損件的更換頻率更低，生產(chǎn)穩(wěn)定、維護(hù)成本越低、制造成本低。

1.6 性價(jià)比

高性能、低能耗、高壽命，便捷的安裝結(jié)構(gòu)，適宜的價(jià)格，符合未來低碳、綠色制造的高科技產(chǎn)品，將會是塑機(jī)用戶更新?lián)Q代的最佳選擇。

2 同等條件下的各種加熱器性能對比測試：特制測試裝置與“機(jī)筒加熱器”結(jié)構(gòu)與參數(shù)

2.1 特制測試顯示裝置

基于以上對“機(jī)筒加熱器”的需求，我們制作了特殊的測試顯示裝置，模擬塑機(jī)加工過程的“機(jī)筒加熱器”的工作狀況，可顯示、觀察、測試，用于比較、分析。該裝置選用了市場上主要應(yīng)用的四種“機(jī)筒加熱器”：陶瓷加熱器；陶瓷加熱器+節(jié)能保溫套；石英超導(dǎo)加熱器；紅外納米節(jié)能加熱器。配置了行業(yè)先進(jìn)的“KEBA”觸摸式顯示屏的電腦控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)高水準(zhǔn)的PID機(jī)筒溫度控制。此裝置測試條件在同等工況條件，具有可見的比較特性，如曲線、柱狀圖、比例及數(shù)值，并可觀察加熱器加熱絲的發(fā)熱狀況，外部配置防護(hù)罩，可參照注塑機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)，測試外殼表面溫度；特殊匹配四組特殊K型熱電偶可測試表芯溫度以便檢測溫度梯度變化，見下圖1顯示裝置示意圖。

圖1 顯示裝置示意圖

2.2 四種“機(jī)筒加熱器”

四種“機(jī)筒加熱器”見圖2陶瓷加熱器、圖3陶瓷加熱器+保溫套、圖4石英超導(dǎo)加熱器、圖5紅外納米加熱器及各種加熱器功能參數(shù)見表1。

表1 各種加熱器功能參數(shù)表

以下將根據(jù)測試顯示裝置，定性、定量分析以上四種“料筒加熱器”的功能特點(diǎn)，以供用戶的客觀判斷、選擇。

圖2 陶瓷加熱器

圖3 陶瓷加熱器+保溫套

圖4 石英超導(dǎo)加熱器

圖5 紅外納米加熱器

3 四種“機(jī)筒加熱器”結(jié)構(gòu)與原理分析

3.1 陶瓷加熱器

因成本優(yōu)勢，市場上大部分塑機(jī)都在采用。用陶瓷條穿絲方式，發(fā)熱體為圓絲繞成彈簧狀穿入陶瓷條圈成，外罩采用不銹鋼,中間采用高溫隔熱保溫棉防止溫度外泄。陶瓷條是高頻陶瓷具有堅(jiān)硬不易碎、高溫不變形、不易老化等特點(diǎn)。

陶瓷加熱器最大表面負(fù)載 6.5 W/cm2，特點(diǎn)是壽命長、耐高溫，絕緣性高，導(dǎo)熱慢，是目前注塑機(jī)、擠出機(jī)、吹膜機(jī)最適用的電加熱產(chǎn)品。安裝靈便，傳熱快，絕緣良好，制作不受型號和規(guī)格大小的限制等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)，熱效率低和保溫效果差，是內(nèi)壁傳遞熱能，而外壁的熱量大部分散失到空氣中，外表面的溫度和工作設(shè)定溫度保持相近，存在極大的熱損失，料筒外罩表面溫度高，安全性差，容易造成燙傷以及失火。

3.2 陶瓷加熱器+保溫套

在陶瓷加熱器的基礎(chǔ)上，節(jié)能方面采用耐高溫布質(zhì)材料，也可達(dá)到保溫節(jié)能作用，但發(fā)熱絲散熱差，壽命低，易損壞。

3.3 紅外加熱器

紅外加熱器也叫做納米紅外電熱圈、遠(yuǎn)紅外加熱圈等，工作原理是：電流在通過以特殊材料制成的石英加熱管的加熱絲時(shí)，加熱管會輻射出一定波長的紅外線，當(dāng)紅外線被物體吸收時(shí)，物體即被加熱。紅外輻射的熱慣性極小而熱效率高，利用短波、中波紅外輻射技術(shù)，可以高密度、高能量、高強(qiáng)度地對工件（機(jī)筒）進(jìn)行加熱，以達(dá)到提高加熱質(zhì)量、縮短加熱時(shí)間、節(jié)約加熱能源，不足在于熱量儲存在較厚的保溫層內(nèi)，易溫沖，控溫精度有影響，對于熱敏感工程塑料使用有局限。

3.4 石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器

石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器兼具：金屬的超強(qiáng)導(dǎo)熱性和遠(yuǎn)紅外熱輻射，采用石英透明絕緣、絕熱材料，特殊制作的加熱絲幾乎看不到發(fā)紅，完全具有遠(yuǎn)紅外熱輻射的高效特性，主要是波長1.6～4 μm左右的中波和波長大于4 μm的長波，均為人類肉眼不可看到的，相反可看到的可見光即短波的熱效應(yīng)差。遠(yuǎn)紅外線只能穿透了原子分子的間隙中，而不能穿透到原子、分子的內(nèi)部，會使原子、分子的振動加快、間距拉大，即增加熱運(yùn)動能量，從宏觀上看，物質(zhì)在融化、沸騰、汽化，但物質(zhì)的本質(zhì)（原子、分子本身）并沒有發(fā)生改變，即遠(yuǎn)紅外線的熱效應(yīng)。

同時(shí)，擁有特殊結(jié)構(gòu)的超高效熱傳導(dǎo)金屬材料，是陶瓷材料導(dǎo)熱性的數(shù)十倍之多、兼具鏡面反射的熱量單向性，發(fā)熱絲本體發(fā)熱梯度極低，慣性小，溫度控制精度高，壽命長；采用特效保溫的材料，不需很厚層，可以保溫節(jié)能，降低加熱器表面溫度，安全，防止?fàn)C傷；快速的升溫效率、極低的升溫和工作能耗，便利的安裝結(jié)構(gòu)和廣泛的結(jié)構(gòu)適應(yīng)性，是目前最新技術(shù)的“機(jī)筒加熱器”產(chǎn)品。

4 測試效果顯示與分析

4.1 關(guān)于效率對比測試——升溫時(shí)間及曲線

（1）測試條件

設(shè)定加熱溫度220℃，測試升溫從50～200℃所用時(shí)間，見圖6工藝溫度設(shè)置圖。

（2）測試結(jié)果

升溫時(shí)間及比例，見圖7升溫能耗柱狀圖及比例圖。

（3）升溫曲線

石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器：用時(shí) 6 min；納米遠(yuǎn)紅外加熱器：用時(shí)6.6 min；陶瓷加熱器：用時(shí)8.1 min；陶瓷加熱器+保溫套：用時(shí)8.9 min。同樣功率，石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器有效功率密度提高27%，熱響應(yīng)速度最快，加熱升溫效率最高，見圖8。

圖6 工藝溫度設(shè)置圖

圖8 升溫曲線圖

4.2 關(guān)于精度和工藝特性對比測試

（1）熱輻射光波比較（目測）

圖9紅外光波中，波長1.6～4 μm左右的中波和波長大于4 μm的長波，均為人類肉眼不可看到的，熱效應(yīng)效果最佳，即對機(jī)筒的加熱效果最好。石英超導(dǎo)加熱器發(fā)熱絲微暗紅，可見光不多的紅外發(fā)熱，為遠(yuǎn)紅外輻射熱，熱效率最高。

圖9 紅外輻射光波圖

（2）可視的發(fā)熱絲發(fā)光特性與發(fā)熱絲本體溫度（溫度梯度）

圖10 發(fā)熱絲狀態(tài)溫度圖

圖10發(fā)熱絲可見發(fā)光越明顯，溫度越高，容易老化、失效，壽命短；反之，發(fā)熱絲本體溫度低，暗光、壽命長。

（3）外殼表面溫度和保溫層厚度（安全性）

為了確定測試外殼表面溫度梯度變化和保溫層厚度，在每種加熱器的夾心層內(nèi)，安裝了同型號規(guī)格的熱電偶，測試實(shí)際溫度，見圖11夾心層溫度測試圖，同等條件設(shè)置加熱溫度240℃下，測試結(jié)果：石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器：夾層表面溫度約200℃ ；納米遠(yuǎn)紅外加熱器：夾層表面溫度約370℃ ；陶瓷加熱器：夾層表面溫度約270℃ ；陶瓷加熱器+保溫套：夾層表面溫度約270℃，見圖12夾層溫度曲線圖。我們知道，發(fā)熱絲溫度越高，易老化，壽命短，故障率高，石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器溫度梯度最小，納米遠(yuǎn)紅外節(jié)能加熱器最大。

關(guān)于保溫層厚度，見圖13石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器保溫層。

圖11 夾心層溫度測試圖

圖12 夾層溫度曲線圖

圖13 石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器保溫層

從上圖可以判斷，石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器：發(fā)熱體表面溫度約200℃，降低到符合注塑機(jī)的國標(biāo)要求70℃以下，隔熱保溫層不需要很厚，一般在8 mm以內(nèi)即可；而陶瓷加熱圈器和陶瓷加熱器+保溫套：夾心層表面溫度約270℃，要高出70℃，約35%，普通陶瓷加熱器熱量直接散發(fā)至空氣中，不節(jié)能，通過耐高溫的布質(zhì)保溫套節(jié)能，厚度也要30 mm以上；至于納米遠(yuǎn)紅外加熱器：夾心層表面溫度約370℃，盡管采用了一些納米級的阻隔熱量性材料，厚度也需30 mm，所以，石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器發(fā)熱體表面溫度低，不需要很厚的隔熱層，實(shí)現(xiàn)散熱快，精度高、效率快，不會干涉原主體塑機(jī)加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)風(fēng)格的同時(shí)，滿足國標(biāo)安全標(biāo)準(zhǔn)更容易。

（4）精度（溫度控制曲線）

塑機(jī)生產(chǎn)過程溫度是非常重要的工藝參數(shù)，對于塑料材料的流動性、制品性能以及外觀品質(zhì)有直接的影響，精度控制越穩(wěn)定，偏差越小，設(shè)備的級別越高，制品品質(zhì)越好。為此，各種加熱器在相同條件下，如工藝溫度設(shè)置240℃，工作時(shí)間15 min，測試結(jié)果見圖14溫度控制曲線圖，石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器：上下偏差 ± 1℃ ，精度最高；納米遠(yuǎn)紅外加熱器：上下偏差± 5℃ ；陶瓷加熱器 +保溫套 ：上下偏差 ± 11℃ ；陶瓷加熱器：上下偏差 ± 13℃，精度偏差最大。

圖14 溫度控制曲線圖

4.3 關(guān)于能耗對比測試

升溫能耗與工作能耗測試與對比，同等測試工藝條件，其中升溫能耗，溫度設(shè)置為240℃，工作能耗測試15 min，按比例開啟風(fēng)扇；工作能耗級計(jì)算從50～200℃，見圖15工作能耗對比圖及節(jié)能比例，可以看出：

圖15 工作能耗對比圖及節(jié)能比例

（1）升溫能耗

石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器能耗最低，升溫速度最快；快于陶瓷加熱器27%，節(jié)約能耗42%；納米遠(yuǎn)紅外加熱器：次之 。

（2）工作能耗

石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器能耗最低，節(jié)能41%；納米遠(yuǎn)紅外加熱器：次之，節(jié)能29% ；陶瓷加熱器+保溫套比陶瓷加熱器節(jié)能還要好些。

（3）綜合性能對比圖

根據(jù)測試結(jié)構(gòu)，統(tǒng)計(jì)升溫時(shí)間、精度、效率、能耗安全性度、保溫層厚度、使用壽命、性價(jià)比綜合比較，見圖16綜合性能比較圖。

圖16 綜合性能比較圖

5 綜述及市場應(yīng)用前景預(yù)測

通過特制的“機(jī)筒加熱器”測試裝置的測試結(jié)果雖然在量性方面與實(shí)際塑機(jī)的真實(shí)狀態(tài)和效果，有一定的誤差，但在定性方面，完全可以判斷：“石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器”綜合性能最佳，符合塑料加工領(lǐng)域的節(jié)能減排、綠色發(fā)展是當(dāng)今世界的主旋律，特別對注塑機(jī)的重要組成部份塑化裝置的電加熱技術(shù)也獲得了一個(gè)發(fā)展的重大契機(jī)，擁有綜合性能最佳的“石英超導(dǎo)節(jié)能加熱器”必將憑借其高效、高精度、安全、高節(jié)能等特點(diǎn)，逐步成為市場的熱點(diǎn)產(chǎn)品。

已經(jīng)被國家認(rèn)可，列為塑料加工行業(yè)的“國家發(fā)改委重點(diǎn)推薦節(jié)能產(chǎn)品”目錄。

我們預(yù)測，見圖17注塑加工節(jié)能趨勢圖，未來5年內(nèi)，在塑料加工節(jié)能方面，從動力伺服節(jié)能系統(tǒng)升級為含加熱節(jié)能的雙重節(jié)能系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)塑料加工全面節(jié)能，塑機(jī)的加熱節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)品，會迎來快速發(fā)展的新機(jī)遇！

圖17 注塑加工節(jié)能趨勢圖

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[4]陳明華，畢宏偉.注塑加工節(jié)能技術(shù)發(fā)展的過去、現(xiàn)在、未來.