浅谈立式注塑机的各种电热圈

为了顺应国家建设资源节约型、环境友好型社会发展的方向，大力实施绿色发展战略，紧紧抓住节能环保产品成为市场热点的机遇，立式注塑机加热器厂商也加快传统技术改造、升级换代的步伐，并不断采用节能降耗新技术、新产品、新工艺、新材料，以满足各类生产厂家的不同需求。本文主要论述了目前立式注塑机常用电热圈的结构及工作原理，并将它们之间的性能与特点进行比较，提出了个人的见解，供有关人士参考。
1 立式注塑机常用电热圈的工作原理与结构
1.1 电阻式电热圈
目前市场上的大部分立式注塑机仍然采用电阻式电热圈，电阻式电热圈是基于电流热效应来产生热量，即当电流通过导体时，导体的电阻对电流有阻碍作用，而电流要克服导体的阻力要做功，也就将电能转化成热能，并通过传导的方式进行传递，故需将加热圈的内壁与料筒的外壁可靠接触才能将热能传递到料筒上，而加热圈外壁的热量大部分散失到空气中，造成热效率下降，环境温度上升。
其内部结构主要由接线端子、紧固螺钉、外壳、绝缘体、电阻丝5部分组成。
1.2 电磁感应加热圈
电磁感应加热圈是利用磁场感应涡流加热原理进行工作。将输入工频50Hz/220V交流电通过整流电路变成315V的直流电，再通过控制电路转换成频率为20~35kHz的高频电流，高频电流通过线圈时会产生高速变化的磁场，当磁场内的磁力线通过金属时，会在金属体内产生无数的小涡流，使金属本身自行高速发热。用于立式注塑机料筒加热的电磁感应装置通常由隔热保温材料、电磁线圈、护罩、控制器等组成。
1.3 纳米红外电热圈
当纳米红外电热圈通上交流电后，其自身已变成远红外辐射热源，其表面温度会逐渐升高，导致温度梯度增大，使被加热物体的热传导强度增强，吸热能力大大提高。通过远红外涂层将辐射热能转换成远红外热能，增强了被加热物体的热能吸收速度。高效纳米电热层的表面黑度高，故能吸收大量的辐射热能，又因其发射率高，故能将吸收的辐射热能转换成被加热物体易吸收的远红外热能，热转化率高。
纳米红外电热圈一般由远红外涂层、铝合金导热层、纳米电热层、隔热层、外壳、防辐射涂层等部分组成。
2 各种电热圈的性能
以上介绍了在立式注塑机上广泛运用的电热圈结构与工作原理，下面从多角度对不同种类的电热圈进行分析比较。
2.1 节能
由于立式注塑机电加热系统占整机能耗的15%~30%左右，如果能合理的选用不同种类的电热圈，就能降低能耗，从而降低生产成本。电阻式电热圈是电阻丝发热，通过接触传导方式将热量传递到料筒上，且只有电热圈内壁传递热能，而其外壁的热量大部分散失到空气中，外表面的温度一般在100℃以上，存在比较大的热能损失，节能效果不明显。而电磁感应加热圈本体并不发热，且实际使用中会在料筒外部包裹一定厚度的保温材料，电磁感应加热圈的表面温度在60℃以下，料筒内部的热量只有微量辐射到空气中，这样热能损失会大大降低，提高了热效率，因此节能效果显著。红外电热圈采用纳米红外电热发生器，纳米级电热涂层的热阻大、反射率高，安装于料筒表面，可将散失的热能转换成远红外热能以红外辐射单向传导至料筒表面，减少了热能损失，节能效果明显。
2.2 安全性
电阻式加热圈由于采用电阻丝为发热元件，对人体健康无不良影响。而电磁感应加热圈是由高频电流通过线圈产生高速变化的交变磁场，当磁场强度到达一定量时会对人体的中枢神经系统构成危害。笔者曾以一台锁模力为90t的立式注塑机为测试样机，该机配置三段电磁感应加热圈，每段额定功率为2.25kW，根据EN62233-2008电磁场的测量方法，使用电磁场分析仪ELT-400逐段通电进行测试，测试的数据如表1所示。
分析表1的检测数据可知：当分别将各段电磁加热圈逐个通电时，测出磁通量密度还较小，而如果同时对两段以上的加热圈通电后，我们发现磁通量密度会显著增大，加权值W达到1.804，而根据欧盟EN62233标准中规定此值需小于1，故可认为是不符合此标准的。但目前国内仅对家用和类似用途电器的电磁设备作了具体的规定，并没有适用于工业用途而设计的电磁设备的相关标准。电磁感应加热圈的厂商也只根据欧盟标准，对单个加热圈的四周进行EMF测试，没有对多个加热圈在实际工况下进行检测，电磁加热圈的电磁辐射强度仍然较大，存在不确定的危险性。红外电热圈通电后只产生热辐射，热量通过红外辐射传导，不产生高频辐射，且红外线的波长是对人体健康有益的光波，有促进人体血液循环的功能，对人体有益而无害。
2.3 热惯性与温控精度
立式注塑机的温控精度对制品的质量影响较大，特别是对温度较敏感的塑料，要求温度控制在±3℃。电阻式加热圈是电阻丝发热，然后将热量慢慢的从料筒外表面传导至料筒的中心，料筒外表面温度与料筒的塑料温度有较大的误差，当温度到达设定值后，虽然电阻丝已停止加热，但因其热惯性大，料筒表面仍然继续向料筒内部传导热量，造成温控精度降低，温度容易过冲10℃以上。而电磁感应加热圈是利用磁场感应涡流加热原理，被加热的料筒通过自身的电流发热，热量由料筒整体产生，加热迅速，料筒的内外温度基本一致，温度控制实时准确。但如果在产生高剪切热的系统中使用，温度容易过冲15℃以上，故对温度敏感的塑料是不适用的。红外电热圈采用纳米红外电热发生器，电热转换率高，热效率95%以上，加热速度比电磁感应加热圈慢，但因其本身热惯性小，温控精度较高，可明显改善制品的品质。
2.4 对电网的影响
电阻式加热圈与红外电热圈都属于直热型发热圈，不产生谐波，对电网无不良影响。而电磁感应加热圈由于采用了电子整流装置与大功率的IGBT，会产生高次谐波，对电网存在谐波污染，使电网的电压与电流波形发生畸变，造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短和不安全运行。另外对周边的精密仪器也会带来不良影响，如测温热电偶、位移传感器、立式注塑机控制器，则会出现温度波动、位置跳动、控制器失控等现象。
2.5 成本和经济效益
笔者以一台锁模力为90t的立式注塑机为试验机，该机共有四段电加热圈，电热总功率为7.38kW，分别配置不同类型的加热圈，连续工作24h后，测得相关数据如表2所示。
上述数据表明，虽然电磁加热圈与红外电热圈较电阻式加热圈初期的投资成本很高，回收投资成本差额的周期约3个月左右，但节能的经济效益还是比较可观的。
2.6 发热功率及使用寿命
电阻式加热圈由于电阻丝发热，发热功率较小，其加热温度可至300℃左右，如需要更高的温度时，则需将表面功率密度加大，这样就会使电阻丝在高温下快速老化而烧断，所以电阻式加热圈需要不定期的更换，使用寿命大约为6个月。电磁感应加热圈特点就是只在被感应的金属内部才产生高温，而加热圈本体的温度很低，自身的电损耗很小，所以即使发热功率很大时也不会影响加热圈的使用寿命，但由于立式注塑机的料筒都有多个加热区，每个加热区都分别配置加热圈和电磁感应控制器，故料筒上缠绕着多个电磁线圈，当流过电磁线圈的电流发生变化时，变化的磁通量会使线圈产生感应电动势，也就是自感电动势，且相邻的两个电磁线圈之间也存在互感电动势，自感电动势与互感电动势的存在，直接造成控制器的同步电路紊乱，电磁感应控制器经常烧坏，使用寿命一般在1年左右。红外电热圈发热功率与电阻式相同，但其使用寿命为2年左右。
3 小结
综上所述，立式注塑机领域内常用的加热圈各有其优缺点，而节能减排、绿色发展又是当今世界的主旋律，立式注塑机的电加热技术也迎来了一个发展的重大契机，合理运用不同种类的电热圈，可以达到降低能耗，节约生产成本的目的，进一步提高企业的市场竞争力。