在常规注塑工艺中，塑件的冷却时间与其厚度的平方成正比，对于厚壁塑件，塑件的冷却时间较长，进而影响注塑成型周期和生产效率。由于快速热循环注塑冷却介质的温度远低于常规注塑冷却介质的温度，故快速热循环注塑冷却介质可在相同的时间内带走更多的热量，具有更强的冷却能力。因此，尽管冷却开始前快速热循环注塑的模具温度高于常规注塑的模具温度，但快速热循环注塑冷却介质可在一定时间内将模具温度冷却至比常规注塑模具温度更低的水平，所以快速热循环注塑工艺具备减少冷却时间和缩短注塑成型周期的潜力，尤其是对于厚壁塑件。为研究塑件厚度对快速热循环注塑和常规注塑冷却效率的影响，下面将对不同壁厚塑件的快速热循环注塑和常规注塑冷却过程进行传热分析，分析模型如图5-18所示。

在对快速热循环注塑和常规注塑工艺进行传热分析时，假设塑件有四种不同的壁厚，分别为3mm、4mm、5mm和6mm，塑件的初始温度为250℃，其热物理性能可参见表5-9。在快速热循环注塑的传热分析中，模具型腔表面将首先被加热至120℃，并以此作为冷却分析的初始温度条件，加热介质和冷却介质分别为180℃高温蒸汽和20℃冷却水。在常规注塑传热分析中，假设模具材料的初始温度为65℃，冷却介质为65℃冷却水，其密度、动力黏度、热导率和普朗特数分别为980.52kg/m³、4.42×10^-7 m²/s、0.659W/（m·℃）和2.75，其在冷却管道中的流速为2m/s，与快速热循环注塑模具加热冷却管道中冷却水的流速相同。

图5-32所示为快速热循环注塑和常规注塑冷却过程中不同壁厚塑件中心层上M₂点的温度响应曲线。从图中可以看出，随着塑件壁厚增大，塑件的冷却速度逐渐减小。对比快速热循环注塑和常规注塑塑件中心层的温度响应曲线可以发现，在塑件壁厚相同的条件下，冷却的初始阶段，快速热循环注塑塑件的冷却速度低于常规注塑塑件的冷却速度，但随着冷却时间的延长，常规注塑塑件的冷却速度减小得更快，快速热循环注塑塑件的冷却速度将逐渐超过常规注塑塑件的冷却速度。与常规注塑塑件相比，快速热循环注塑塑件可以冷却至更低的温度。这是因为冷却初期快速热循环注塑模具型腔的温度远高于常规注塑模具型腔的温度，相应地快速热循环注塑模具型腔中的塑件冷却较慢，但随着冷却进行，快速热循环注塑模具型腔将被冷却至更低的温度，相应地冷却阶段后期快速热循环注塑塑件的冷却将更快。对于快速热循环注塑工艺，3mm、4mm、5mm和6mm塑件完全冷却至顶出温度104.5℃以下时对应的冷却时间分别为24.1s、35.6s、49.7s和66.4s，而对于常规注塑工艺，不同壁厚塑件对应的冷却时间则分别为21.3s、36.4s、55.4s和78.3s。图5-33所示为不同壁厚塑件快速热循环注塑与常规注塑冷却时间的对比。从图中可以看出，当塑件壁厚较薄时，常规注塑冷却时间小于快速热循环注塑的冷却时间，而当塑件壁厚较厚时，快速热循环注塑具有更短的冷却时间，并且随着塑件壁厚增大，快速热循环注塑高冷却效率的优势越加明显。

图5-32 快速热循环注塑和常规注塑冷却过程中不同壁厚塑件中心层上M₂点的温度响应曲线

图5-33 不同壁厚塑件快速热循环注塑和常规注塑所需冷却时间的对比

为了验证传热数值模拟计算的有效性，下面将对基于有限元数值模拟和基于理论经验公式计算获得的不同壁厚塑件的冷却时间进行对比分析。在过去几十年里，围绕常规注塑塑件冷却时间的预测和计算，研究人员已开展了大量的工作，提出了许多理论计算公式。其中，在White提出的冷却时间计算方程式中[178]，塑件冷却时间指的是塑料熔体中心层冷却至塑料顶出温度所需要的时间，这与对塑件冷却时间的定义一致。因此，可以利用该冷却时间计算方程式来验证数值模拟计算的有效性。White给出的塑件冷却时间计算方程式为(www.daowen.com)

式中，t_c表示冷却时间；S表示塑件厚度；α_eff表示有效热扩散系数；T_i、T_e分别表示塑料的注射温度和顶出温度；T_w表示型腔的温度。

根据传热分析条件和塑件的属性，S的值分别为3mm、4mm、5mm和6mm；α_eff的值为0.080×10^-6m²/s；T_i、T_e、T_w分别为250℃、104.5℃和65℃。

图5-34所示为数值模拟计算结果与理论公式计算结果的对比。从图中可以看出，数值模拟结果与理论计算结果具有很好的一致性，最大相对误差仅为3.8%，从而验证了传热数值模拟的有效性。

图5-34 数值模拟计算结果与理论公式计算结果的对比