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研究生:林育增
研究生(外文):Yu-Tseng Lin
論文名稱:內部式感應加熱應用於模具快速加熱之研究
論文名稱(外文):Investigation on Rapid Heating Injection Mold by Using Inner InductionHeating
指導教授:陳夏宗陳夏宗引用關係
指導教授(外文):Shia-Chung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:97
語文別:中文
論文頁數:113
中文關鍵詞:變溫技術內部感應加熱3D磁-熱耦合模擬
外文關鍵詞:thermal and electromagnetic analysisinner induction heatingDynamic mold temperature control
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近年來,模具快速加熱技術不斷的開發出來以配合各種不同需求的產品或提高產品品質。其中,利用可快速加熱模具的加熱設備,使模具能快速升溫與冷卻,以增加塑料充填時的流動性、微結構的複製性或縮短成型週期,並達到射出時提高產品品質的目的。基於此背景,在不改變製程並增加成本的負擔條件下,業界不斷的發展新的快速加熱設備來因應市場對於高品質塑膠產品的需求。
本研究是利用模溫控制機與內部感應加熱對於基礎模板進行加熱實驗效率比較,藉由改變不同的模板厚度分別為15mm和20mm、不同的線圈與模板距離分別為3mm和6mm與9mm、不同的開關水型式分別為開水和關水與排水進行實驗,並以分析軟體ANSYS®作3D基礎平面模板溫度場分析與熱傳分析驗證,以驗證分析之可行性。
研究結果顯示,使用15mm模板厚度可以有效提升加熱速度。內部感應加熱搭配關水模式的加熱結果,模板15mm升溫速度1.75℃/s;模板20mm升溫速度0.25℃/s。在三種不同型式的開關水中可得到其加熱速度為開水升溫速度1.375℃/s;關水升溫速度1.45℃/s;排水升溫速度1.72℃/s,由此結果可得排水的加熱效益遠高於開水的加熱效益25%,故可明確得知以排水的模式進行加熱可有效提升加熱速度。ANSYS®應用於3D基礎平面模板溫度場模擬分析與實驗結果之趨勢相當接近。
在實驗與分析中,成功的將感應線圈埋入模具內部進行基礎模板測試,並證明其可行性,成功建立內部感應加熱3D磁-熱耦合模擬分析技術。
In the recent years, mold rapid heating technologies have been developed all the time. In order to make the mobility of plastic and the replication of micro-structure higher or shorten cycle time, the objective of rapid heating technologies is to raise the mold temperature higher and cool down quickly. Based on this technology, many industries continue to develop new rapid heating technology for increasing the production quality.
This Experiment would use the mold temperature control and inner induction heating with mold plate for the mold base for heating experiments efficiency by changing the mold plate of different thickness respectively are 15mm and 20mm, different coil and the mold plate respectively are 3mm and 6mm and 9mm, different types of switches the water respectively are open water and close water and no water experiments. Simulation technology was also developed by integration of both thermal and electromagnetic analysis modules of ANSYS.
The results showed that using 15mm thickness can enhance effectively the template heating rate. Under template of 15mm thickness, inner induction heating mode with the close water can get 1.75oC/s of heating rate; with template of 20mm thickness is 0.25oC /s of heating rate. In three different types of water control are available to heat the open water at the speed of heating 1.375 oC /s; related water heating rate 1.45 oC /s; drainage heating rate 1.72 oC/s, This results show that the heating efficiency of the drainage water is much higher than 25% of the heating efficiency, it can be clearly informed that the drainage in the model can effectively upgrade the heating rate of heating. ANSYS used in 3D planar template based on analysis of temperature field simulation and experimental results are quite close to the trend.
In the experiment and analysis, the success of the induction coil embedded within the mold based on the template test, and already prove its feasibility, the success of the establishment of an inner 3D magnetic induction heating - thermal coupling simulation analysis techniques.
目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致謝 IV
目錄 V
表目錄 VIII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 塑膠射出成型技術與模具溫度控制簡介 2
1-2-1傳統射出成型製程簡介 2
1-2-2模具溫度對成型品質的影響 3
1-2-3傳統模具溫度控制簡介 4
1-2-4動態模具溫度控制方式 5
1-3 文獻回顧 7
1-4 研究動機與目的 11
1-5 本文架構 11
第二章 感應加熱製程介紹與應用 19
2-1前言 19
2-2感應加熱製程說明 20
2-3感應加熱製程特性說明 21
2-3-1磁滯損(Hysteresis Loss) 21
2-3-2渦流損(Eddy Current Loss) 21
2-3-3集膚效應(Skin Effect) 22
2-3-4鄰近效應(Proximity Effect) 23
2-3-5邊界效應 24
2-3-6電阻率(Resistivity) 24
2-3-7相對磁導係數 25
2-3-8電感 25
2-3-9加熱線圈 26
2-3-10感應加熱之優點 27
2-4內部感應加熱模具溫度場理論 28
第三章 實驗設備與研究方法 36
3-1實驗設備 36
3-1-1 硬體設備 36
3-1-2 軟體設備 38
3-2 研究方法 38
第四章內部感應加熱系統之評估與建置 49
4-1前言 49
4-2內部感應加熱模溫控制實驗結果 49
4-2-1內部感應加熱實驗 49
4-2-2內部感應加熱實驗結果 50
4-3內部感應加熱之熱傳效應 54
4-3實驗結論 58
第五章 內部感應加熱模擬與驗證分析 80
5-1前言 80
5-2ANSYS基本架構與分析流程 81
5-3ANSYS應用於磁熱耦合分析可信度評估 83
5-4分析結論 85
第六章 結論與未來發展方向 93
6-1結論 93
6-2未來發展方向 94
參 考 文 獻 96
作 者 簡 歷 98

表目錄
表1-1、三種模具表面加熱技術比較[8] 14
表3-1感應加熱溫度控制(IHTC)系統規格 40
表3-2百陽可變溫模溫機主要規格 40
表3-3紅外線熱影像儀規格表 41
表3-4溫度感測器規格表 41
表4-1 實驗參數表(15mm) 59
表4-2 實驗參數表(20mm) 59
表4-3 實驗參數表(15mm) 60
表4-4 實驗參數表(20mm) 60
表5-1 感應加熱模擬分析材料性質說明 86
表5-2 相關參數條件設定表設計 87

圖目錄
圖1-1 射出成型製程介紹 15
圖1-2 傳統的模具加熱系統設計 15
圖1-3 (a)層流及 (b)紊流速度分佈狀態圖[1] 16
圖1-4陶瓷電熱片加熱方式[2] 16
圖1-5蒸氣式快速加熱成型週期圖[3] 17
圖1-6阻隔式電加熱[4-6] 17
圖1-7 模具表面鍍層滯熱方式[7] 18
圖2-1 感應加熱架構方塊圖 32
圖2-2強磁性材料之磁滯曲線 32
圖2-3集膚效應所導致的感應電流分佈情形 33
圖2-4在平行的匯流板上的鄰近效應 33
圖2-5邊界效應所導致的功率分佈情形 34
圖2-6鋼的相對導磁性質與溫度的關係 34
圖2-7線圈結構與感應加熱之影響 35
圖2-8 一平板的對流熱傳遞 35
圖3-1 感應加熱設備系統 42
圖3-2線圈相關尺寸圖 42
圖3-3 模板與水路的相關尺寸 43
圖3-4 模具溫度控制器實體圖 43
圖3-5熱影像儀 44
圖3-6 熱影像分析軟體TAS95 44
圖3-7 接觸式溫度感測器 45
圖3-8 實驗流程圖 45
圖3-9 不同模板厚度之熱傳結果 46
圖3-10 內部感應加熱-開水示意圖 46
圖3-11 內部感應加熱-關水示意圖 47
圖3-12 內部感應加熱-排水示意圖 47
圖3-13 量測系統建置 48
圖3-14模具溫度量測位置 48
圖4-1感應加熱對模具加熱之實驗設備架設 61
圖4-2感應加熱實驗分析加熱及冷卻溫度量測點示意圖 61
圖4-3內部感應加熱不同量測點溫度分佈
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,排水狀態) 62
圖4-4內部感應加熱在不同模板與線圈距離之溫升曲線
(模板厚度15mm,排水狀態,量測點為左點) 62
圖4-5內部感應加熱在不同模板與線圈距離之溫度分佈
(模板厚度15mm,排水狀態,加熱20秒,量測點為左點) 63
圖4-6內部感應加熱在不同模板與線圈距離之溫升曲線
(模板厚度20mm,排水狀態,量測點為左點) 63
圖4-7內部感應加熱在不同模板與線圈距離之溫度分佈
(模板厚度20mm,排水狀態,加熱20秒,量測點為左點) 64
圖4-8內部感應加熱在不同模板厚度之溫升曲線
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 64
圖4-9內部感應加熱在不同模板厚度之溫度分佈
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,加熱20秒,量測點為左點) 65
圖4-10內部感應加熱在不同開關水型式之溫升曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,加熱20秒,量測點為左點) 65
圖4-11內部感應加熱在不同開關水型式之溫度分佈
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,加熱20秒,量測點為左點) 66
圖4-12內部感應加熱在不同開關水型式之溫升曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,加熱20秒,量測點為左點) 66
圖4-13內部感應加熱在不同開關水型式之溫度分佈
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,加熱20秒,量測點為左點) 67
圖4-14內部感應加熱在不同量測點之溫度分佈
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm) 67
圖4-15內部感應加熱在不同量測點之溫度分佈
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm) 68
圖4-16內部感應加熱在模板厚度15mm內外量測點之溫升曲線
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 68
圖4-17內部感應加熱在模板厚度20mm內外量測點之溫升曲線
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 69
圖4-18內部感應加熱在不同開關水型式內外量測點之溫升曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,量測點為左點) 69
圖4-19內部感應加熱在不同開關水型式內外量測點之溫升曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,量測點為左點) 70
圖4-20內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳曲線
(模板厚度15mm,排水狀態,量測點為左點) 70
圖4-21內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度15mm,排水狀態,熱傳時間3秒,量測點為左點) 71
圖4-22內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度15mm,排水狀態,熱傳時間6秒,量測點為左點) 71
圖4-23內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度15mm,排水狀態,熱傳時間9秒,量測點為左點) 72
圖4-24內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳曲線
(模板厚度20mm,排水狀態,量測點為左點) 72
圖4-25內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度20mm,排水狀態,熱傳時間3秒,量測點為左點) 73
圖4-26內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度20mm,排水狀態,熱傳時間6秒,量測點為左點) 73
圖4-27內部感應加熱在不同模板與線圈距離之熱傳分佈
(模板厚度20mm,排水狀態,熱傳時間9秒,量測點為左點) 74
圖4-28內部感應加熱在不同模板厚度之熱傳曲線
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 74
圖4-29內部感應加熱在不同模板厚度之熱傳分佈
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,熱傳時間3秒,量測點為左點) 75
圖4-30內部感應加熱在不同模板厚度之熱傳分佈
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,熱傳時間6秒,量測點為左點) 75
圖4-31內部感應加熱在不同模板厚度之熱傳分佈
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,熱傳時間9秒,量測點為左點) 75
圖4-32內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,量測點為左點) 76
圖4-33內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間3秒,左點) 76
圖4-34內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間6秒,左點) 77
圖4-35內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度15mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間9秒,左點) 77
圖4-36內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,量測點為左點) 78
圖4-37內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間3秒,左點) 78
圖4-38內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間6秒,左點) 79
圖4-39內部感應加熱在不同開關水型式之熱傳曲線
(模板厚度20mm,模板與線圈距離9mm,熱傳時間9秒,左點) 79
圖5-1感應加熱對模具加熱模擬分析流程 88
圖5-2內部感應加熱對模具加熱之分析模型 88
圖5-3電磁3D六面體元素 89
圖5-4 感應加熱對模具加熱之線圈網格圖 89
圖5-5內部感應加熱在不同模板厚度之模擬結果 90
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 90
圖5-6內部感應加熱在不同模板厚度之溫度分佈 90
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,加熱20秒) 90
圖5-7內部感應加熱在不同開關水型式之模擬結果 91
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 91
圖5-8內部感應加熱在不同開關水型式之模擬結果 91
(模板與線圈距離9mm,排水狀態,量測點為左點) 91
圖5-9內部感應加熱在不同模板厚度之溫度分佈 92
(模板厚度15mm、模板與線圈距離9mm,加熱20秒) 92
圖5-9內部感應加熱在不同模板厚度之溫度分佈 92
(模板厚度20mm、模板與線圈距離9mm,加熱20秒) 92
參考文獻
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