从20世纪50年代，第一台注射成型机（注塑机）开始，距今已经有了60多年的历史，美国、德国、日本作为注射成型机的传统技术强国，在市场上依然保持着领先的定位，中国作为制造业的后起之秀，据不完全统计已超过60家生产企业。中国注塑机的产量占据了全球注塑机产量的2/3。因此中国的注塑机配套企业得以高速发展，其中主要以铸件、螺杆、电机、伺服驱动器、机械手、料斗干燥机等行业均诞生了行业龙头企业，并发展成为全球的塑机配套供应商，其中以信易干燥机为代表。只有注塑机的加热圈部分，目前在国内没有形成优势的龙头企业，形成了百家争鸣，百花齐放的竞争态势，就目前而言，加热圈这个偏门行业正在因为红外节能加热圈的出现打破混乱的市场格局，逐步形成行业龙头及优势企业。鉴于此，有着多年加热圈从业经历的笔者，就目前中国市场上的主流塑机加热圈做一个横向对比，以发展的眼光看待目前市场的发展方向。目前全球正在以巴黎气候峰会为契机，国内正在组建统一的碳资产交易市场，因此中国产注塑机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，注塑机加热器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，以满足各类生产家的低能耗需求。本文主要论述了目前注塑机常用加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注塑机普通加热圈的工作原理与结构
1 .1电阻式加热圈
目前市场上的大部分注塑机仍然采用电阻式加热圈，电阻式加热圈是基于电流电阻热效应来产生热量，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，将电能转化成热能，并通过接触式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且紧密接触才能将热能传递到料筒上。
其内部结构如图1所示，主要山接线端子、紧固螺钉、外壳、绝缘体、电阻丝5部分组成。
图1电阻式加热圈结构圈
如图1所示，电阻式加热圈具有价格便宜，结构简单，因结构简单而带来的故障率低等优势。但是电阻式加热圈的缺点也同样明显，因为是接触式传热，而注塑机在高速运作过程中的震动，会影响普通加热圈的加热效率，从而带来耗能的增加。
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50 Hz/220 V交流电通过整流电路变成315 V的直流电，再通过控制电路转换成频率为20-35 kHz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。用于注塑机料筒加热的电磁感应装置通常山隔热保温材料、电磁线圈、护罩、控制器等组成，如图2所示。
图2 电磁感应加热圈结构图
电磁感应技术，在2000年初期开始在塑机加热圈领域应用，经过近10年的发展，电磁感应技术逐步成为节能加热圈的代名词，而这在红外节能加热圈出现之后发生了根本性的变化。
1.3红外节能加热圈
目前也有叫做纳米红外电热圈、远红外加热圈、纳米加热圈等，其本质就是红外线加热圈，其典型代表企业包含了VICHUN伟川红外节能加热圈、NEZOY纳米红外电热圈、AIKSEN纳米红外电热圈。当红外节能加热圈的电阻丝通上交流电后，其自身已变成远红外辐射热源，具有高强度、高热效、高穿透性、低能耗等特点，并且，利用红外辐射加热技术不论是对被加热工件还是对环境都没有污染。因此，高红外辐射加热管是一种真正意义上的“绿色产品”高红外辐射加热管的工作原理是：电流在通过以特殊材料制成的加热管的加热丝时，加热管会辐射出一定波长的红外线，当红外线被物体吸收时，物体即被加热。利用这一特性来加热物体的技术就叫做红外辐射加热技术。由于不同材质的物料对不同波长的红外线的吸收程度不同,为了适应不同的加热对象，通过改变加热丝的材料成分和绕制方法，可以产生不同波长的红外线辐射。现在，用于工业用途的红外辐射主要是波长0.76～1.6μm左右的短波、波长1.6～4μm左右的中波和波长大于4μm的长波。短波红外辐射又叫近红外辐射，中波和长波又叫远红外辐射。由于红外辐射的热惯性极小而热效率很高，利用短波、中波红外辐射技术，可以高密度、高能量、高强度地对工件（这里所指为炮筒又叫机筒）进行加热，以达到提高加热质量、缩短加热时间、节约加热能源。目前市场上知名度较高的伟川红外节能加热圈加热温度可达500---700度，其远红外发射率可达90%以上，同时伟川红外节能加热圈的红外辐射源材质匹配了目前注塑机采用的铬钼合金钢材质的物理特性，使得该品牌节能加热圈相对其他同类产品具有更佳的节能效果。
图3 以伟川红外节能加热圈结构图为例
2 各种加热圈的性能
以上介绍了在注塑机上广泛运用的加热圈结构与工作原理，下面从多角度对不同种类的加热圈进行分析比较。
2.1节能
由于注塑机全电趋势明显，伺服系统的采用使得电加热系统占整机能耗的30%以上，如果能合理的选用不同种类的加热圈，就能降低能耗，从而降低生产成本。电阻式加热圈是电阻丝发热，通过接触传导方式将热量传递到料筒上，且只有加热圈内壁传递热能，而其外壁的热量大部分散失到空气中，因为热平衡的原因，外表面的温度和工作设定温度保持一致，在200~300℃以上，存在极大的热损失。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摄氏度以下，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。红外加热圈采用高品质电阻加石英管的方式组成红外发生器，其本身可高密度、高能量、高强度地对工件进行加热，同时反射结构的采用，以及航天级保温隔热材料的应用，使得增加了红外辐射效率，减少了热能损失，节能效果明显。综合实验数据，三种加热圈的表面温度与最高节能率如图4所示。
图4 三种加热圈节能率比较
从图示可以看到电磁加热圈的表面温度以及相对普通加热圈节能率都有优势，但是为什么现在是红外节能加热圈占据了节能加热圈市场的主导地位呢？接下来详细分析。
2.2安全性
电阻式加热圈山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。笔者参考互联网的一个案例做分析，以一台锁模力为90 T的注塑机为测试样机，该机配置三段电磁感应加热圈，每段额定功率为2.25 kW，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。
表1 某电磁感应加热圈磁通量值
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，特别是对注塑机这样的精密机械，可能产生极为严重的干扰。而红外加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
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，虽然电阻丝已停比加热，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。
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内部分子碰撞发热，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。
红外加热圈采用红外线加热管，因红外线辐射加热方式本身具有热惯性小的特点，因此可以实现精准的温度控制，从而避免温度过冲等问题。
2.4对电网的影响
电阻式加热圈与红外节能加热圈都属于直热型发热圈，不产生谐波，对电网无不良影响。而电磁感应加热圈山于采用了电子整流装置与大功率的1GST，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、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的注塑机为试验机，同时参考伟川红外节能加热圈市场售价在400元/KW的报价进行计算，该机共有四段电加热圈，电热总功率为7.38 kW，分别配置不同类型的加热圈，连续工作24 h后，测得相关数据如表2所示。
表2 三种加热圈数据分析表
注:电费按1元/kW. h计算，1月按30天计算，1年按365天计算
上述数据表明，虽然电磁加热圈与红外加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
电阻式加热圈山于电阻丝发热，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。红外加热圈发热功率与电阻式相同，伟川红外节能加热圈因其新材质电热元件，但其使用寿命为5000小时以上。
3小结
综上所述，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，注塑机的电加热技术也迎来了一个发展的重大契机，红外节能加热圈必将凭借其高效、高密度等特点，逐步成为市场的主流产品，而加热圈产业方向必将在红外节能加热圈厂家中间产生加热圈方向的龙头企业，建议重点关注伟川红外节能加热圈、艾克森纳米红外电热圈。
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