冷却通道设计计算方法详解

冷却系统的设计包括热传导面积的计算、冷却介质的通道尺寸和介质用量的计算以及通道回路的排布等，这项工作仍是压铸模设计中的一个难点，主要是理论方面缺乏精确的热传导分析和热计算基础。近年来借助计算机，已经在这些方面取得了一定的成果和进展，但有些问题仍需进一步探讨与完善。这里仅介绍压铸模冷却系统设计的基本思路和设计原则。

1.需要用冷却水传走的模具热量

根据能量守恒定律，压铸模在每个循环的正常工作中，熔融金属传给模具的热量、模具传走的热量以及冷却系统传走的热量应保持平衡。热平衡的表达式为

式中　Q——单位时间内熔融金属传给模具的热量，kJ/h；

Q1——单位时间内模具通过自然对流和向周围辐射传走的热量，kJ/h；

Q2——单位时间内通过压铸机上的特定部位传走的热量，kJ/h，特定部位指模具的动、定模座板与压铸机的移动模板和固定模板的接触部位，以及压铸模和压铸机上原来常设冷却通道的部位，如浇口套、分流锥、喷嘴、压室、压射冲头等；

Qw——单位时间内需要用冷却水传走的热量，kJ/h。

因此，需要用冷却水传走的热量为

（1）熔融金属传给模具的热量单位时间内熔融金属传给模具的热量Q可按下式计算

式中　n——每小时压铸的次数，次/h；

m——每次压铸的合金量，kg/次；

q——单位质量合金液的凝固热量，kJ/kg，如表10-5所示。

表10-5　各类合金的凝固热量q

（2）模具通过自然对流和向周围辐射所传走的热量单位时间内模具通过自然对流和向周围辐射所传走的热量Q1可用下式进行估算

式中　Φ1——模具自然对流和向周围辐射传热的热流密度，kJ/（h·m2），其值如表10-6所示；

A1——模具总的表面积，m2。

表10-6　模具自然对流与辐射传热的热流密度Φ1

（3）压铸机上特定部位传走的热量。

①通过动、定模座板传导给压铸机的热量。单位时间内通过动、定模座板与压铸机模板的安装接触面传给压铸机的热量可用下式计算

式中　——单位时间内模具传给压铸机移动模板和固定模板的热量，kJ/h；

h2——模具与压铸机移动模板和固定模板之间的传热系数，W/（m2·℃），其值与动、定模座板的材料有关，采用碳素钢时可取140W/（m2·℃）；

A2——动、定模座板与压铸机移动模板及固定模板之间安装的接触面积，m2；

θm——模具的平均温度，℃；

θr——室温，℃。

②由压射冲头等传走的热量。单位时间内由压铸机的压射冲头等传走的热量可以通过实际测量而定。

③由分流锥、浇口套、喷嘴和压室等部位传走的热量单位时间由上述几部分传走的热量可由下式进行估算

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式中　——单位时间内每个特定部位传走的热量，kJ/h；

Φ2——特定部位冷却传热的热流密度，kJ/（h·m2），如表10-7所示；

AL0——特定部位冷却通道的总表面积，m2。

表10-7　某些特定部位冷却传热的热流密度Φ2

上述几个特定部位单位时间内所传走的热量应是上述各部位传走热量的总和。

综上可见，单位时间内通过压铸机特定部位传走的热量可由下式表示

通过Q、Q1和Q2的计算，根据式（10-8）就可以得出单位时间内用冷却水传走的模具热量QW。

2.冷却通道的设计

知道了需要用冷却水传走的模具热量Qw后，就可计算出总的冷却通道表面积（热传导面积），然后再根据模具的具体情况确定冷却水道的直径和冷却水道的长度。

（1）冷却水道的总表面积的计算根据牛顿冷却定律，用水流冷却模具时需用的热传导面积（即冷却水道表壁的面积）为

式中　Aw——热传导面积，m2；

hw——冷却水对其通道表壁的传热系数，W/（m2·℃）；

Δθ——热传导面的平均温度与冷却水平均温度的差值，℃，其中冷却水的平均温度为冷却水在进口处和出口处温度的平均值。

当冷却水在圆形断面直管中呈紊流状态时，模具材料与冷却水之间为稳定换热，则

式中　λw——冷却水的导热系数，W/（m·℃）；

dw——冷却水道的直径，m；

g——重力加速度，m/s2；

v——冷却水的速度，m/s；

ρw——冷却水的平均密度，kg/m3；

μw——冷却水的平均黏度，Pa·s；

Cpw——冷却水的平均比热容，J/（kg·℃）。

上式中第1个括号内的数群称为雷诺数，，为了确保冷却水处于紊流状态，要求Re≥104。第2个括号内的数群称为普朗特数，，要求Pr＝0.7～2500。另外，使用上式时，要求冷却水道的长度与直径比＞50。

式（10-15）的计算比较复杂，尤其是确定其中的参数有困难，所以生产中也可用简化公式计算hw，当冷却水平均温度在20℃以上，Re＝6×103～104时，简化式的计算结果与式（10-15）的误差在±2%以内。

式中　θw——冷却水的平均温度，℃。

由式（10-14）和式（10-15）可知，热传导面积Aw与冷却水道的直径dw有关，设计时两者中先确定一个数据，然后通过计算求出另一个数据。

（2）冷却水道直径和长度的计算如果热传导面积Aw和冷却水道直径dw均已确定，则冷却水道的总长度Lw为

至于实际压铸模的冷却水通道直径是否变化，每一通道的长度是否一致，可视具体的模具而定。