具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图6所示，本发明的实施例提供了一种加热模具，该加热模具包括加热模板和蒸汽加热管路，加热模板具有成型模腔30，成型模腔30内用于放置待成型件。蒸汽加热管路嵌设在加热模板内，蒸汽加热管路与成型模腔30相对设置，蒸汽加热管路具有相互连通的进口和出口，进口和出口间隔设置，进口和出口之间具有多个依次连通的加热支路，蒸汽加热管路为圆管；其中，蒸汽加热管路的流通截面的中心与成型模腔30之间距离为H，蒸汽加热管路的直径为φ，相邻两个加热支路之间的距离为S，加热模板的导热系数为λ，蒸汽加热管路的上述参数满足的关系式为：

需要说明的是，本实施例中的待成型件主要可以为纸坯，还可以为其他材料的待成型件，加热模具的主要功能是将待成型件内的水分加热蒸发走，以使待成型件内的水分降低后成型成成型件。具体的，当待成型件为纸坯时，加热后成型为纸浆餐具。

采用本实施例提供的加热模具，通过根据上述等式关系以及加热过程中的热量传递规律，能够得到蒸汽加热管路的多个具体参数尺寸之间的关系，上述关系式基于蒸汽加热管路的长度、蒸汽加热管路的直径对蒸汽加热管路压降的影响规律、以及加热支路的间距对成型模腔30和成型模腔30闭幕按温度分布的影响规律，提升了成型模腔30和成型模腔30壁面温度的均匀性，保证了纸浆餐具制品的合格率，提高了纸浆餐具制品的生产效率。

具体的，本实施例中加热模板包括第一模板10和第二模板20，第一模板10具有凸模12，第二模板20具有凹模22，凹模22与凸模12配合设置以形成成型模腔30；蒸汽加热管路包括第一蒸汽加热管路11和第二蒸汽加热管路21，第一模板10内嵌设有第一蒸汽加热管路11，第二模板20内嵌设有第二蒸汽加热管路21。其中，第一蒸汽加热管路11的流通截面的中心与成型模腔30之间距离为H₁，第一蒸汽加热管路11的直径为φ₁，第一蒸汽加热管路11包括多个依次连通的第一加热支路111，相邻两个第一加热支路111之间的距离为S₁，第一模板10的导热系数为λ₁，第一蒸汽加热管路11的上述参数满足的关系式为：

和/或，

其中，第二蒸汽加热管路21的流通截面的中心与成型模腔30之间距离为H₂，第二蒸汽加热管路21的直径为φ₂，第二蒸汽加热管路21包括多个依次连通的第二加热支路211，相邻两个第二加热支路211之间的距离为S₂，第二模板20的导热系数为λ₂，第二蒸汽加热管路21的上述参数满足的关系式为：

优选的，第一蒸汽加热管路11和第二蒸汽加热管路21的设计参数均符合上述两个关系式，这样能够提高第一模板10的成型模腔30和第二模板20的成型模腔30的温度分布均匀性，提高了纸浆餐具成品的质量和合格率。

具体的，第一模板10的厚度为δ₁，和/或，第二模板20的厚度为δ₂，

优选的，本实施例中的第一模板10的厚度和第二模板20的厚度分别满足上述关系式，这样，能够便于满足结构强度，防止因成型模腔30内压力和第一蒸汽加热管路11内的蒸汽压力而使得第一模板10发生变形的情况，并防止因成型模腔30内的压力和第二蒸汽加热管路21内的蒸汽压力而使得第二模板20发生变形的情况。

具体的，第一蒸汽加热管路11的管长为L₁，和/或，第二蒸汽加热管路21的管长为L₂，

优选的，本实施例中的第一蒸汽加热管路11的管长和第二蒸汽加热管路21的管长分别满足上述两个管长要求，以使第一蒸汽加热管路11内的蒸汽压降和第二蒸汽加热管路21内的蒸汽压降均能够满足压降要求。具体的，在第一模板10内布置有多个第一蒸汽加热管路11，在第二模板20内布置有多个第二蒸汽加热管路21。

具体的，S₁≥2φ₁；和/或，S₂≥2φ₂。

优选的，相邻两个第一加热支路111之间的间距和相邻两个第二加热支路211之间的间距分别满足上述两个关系式，这样，能够防止第一加热支路111因管内高温高压蒸汽压力作用而发生变形，也能够防止第二加热支路211因管内高温高压蒸汽压力作用而发生变形。

具体的，多个第一加热支路111沿第一预设方向间隔设置，多个第二加热支路211沿第二预设方向间隔设置。第一蒸汽加热管路11为多个，多个第一蒸汽加热管路11沿第一预设方向间隔设置，相邻两个第一蒸汽加热管路11之间的距离为S₃，S₃＝S₁；和/或，第二蒸汽加热管路21为多个，多个第二蒸汽加热管路21沿第二预设方向间隔设置，相邻两个第二蒸汽加热管路21之间的距离为S₄，S₄＝S₂。

优选的，相邻两个第一蒸汽加热管路11和相邻两个第二蒸汽加热管路21之间的间距关系均满足上述关系式，这样，能够便于使得与相邻两个第一蒸汽加热管路11对应的成型模腔30内的加热温度分布均匀，也能够便于使得与相邻两个第二蒸汽加热管路21对应的成型模腔30内的加热温度分布均匀，从而更好地提高第一蒸汽加热管路11和第二蒸汽加热管路21对成型模腔30的加热均匀性，从而保证纸浆餐具的合格率。

在本实施例中，多个第一加热支路111沿第一预设方向间隔设置，多个第二加热支路211沿第二预设方向间隔设置。第一蒸汽加热管路11为两个，两个第一蒸汽加热管路11沿第一预设方向间隔设置，第一蒸汽加热管路11与第一模板10的边缘之间的距离为S₅，S₅≥S₁/2；和/或，第二蒸汽加热管路21为两个，两个第二蒸汽加热管路21沿第二预设方向间隔设置，第二蒸汽加热管路21与第二模板20的边缘之间的距离为S₆，S₆≥S₂/2。

优选的，本实施例中的两个第一蒸汽加热管路11与第一模板10的边缘之间的距离关系和两个第二蒸汽加热管路21与第二模板20之间的距离关系分别满足上述两个关系式，以便于更好地提高第一模板10和第二模板20对成型模腔30的加热均匀性，从而便于提高纸浆餐具的合格率。

具体的，第一模板10由金属材料制成；和/或，第二模板20由金属材料制成。优选的，第一模板10和第二模板20均由金属材料制成，这样，能够便于提高热传导效果，以提高纸浆餐具的成型合格率。

具体的，当第一加热支路与凸模错位设置时，凸模的边缘与该第一加热支路的管壁之间的距离为b₁，b₁≤5φ₁。采用这样的结构设置，能够便于提高对凸模加热的均匀性。具体的，有部分第一加热支路将与凸模相对设置(具体指第一加热支路和凸模在第一模板的板面上的投影具有重叠区域)，有部分第一加热支路与凸模错位设置(具体指第一加热支路和凹模在第二模板的板面上的投影不重叠)，上述方案主要对第一加热支路与凸模的错位设置的结构布局而言。

具体的，当第二加热支路与凹模错位设置时，凹模的边缘与该第二加热支路的管壁之间的距离为b₂，采用这样的结构设置，能够便于提高对凹模加热的均匀性。具体的，有部分第二加热支路将与凹模相对设置(具体指第二加热支路和凹模在第二模板的板面上的投影具有重叠区域)，有部分第二加热支路与凹模错位设置(具体指第二加热支路和凹模在第二模板的板面上的投影不重叠)，上述方案主要对第二加热支路与凹模的错位设置的结构布局而言。

需要说明的是，上述所有实施例中的型芯是凸模凸出于第一模板10的板体的部分，型腔是凹模凹陷至第二模板20内的部分。型芯和型腔合在一起后的空隙形成成型模腔30。本实施例中的型芯表面最大温差小于等于10℃，型腔表面最大温差小于等于10℃。

现有技术中蒸汽加热模具的蒸汽管路设计依靠经验、反复试模和改模，缺乏高温蒸汽管路设计方法，一是需要反复试模和改模，试模周期长、改模成本高，模具设计效率低，增加模具开发成本；二是可能会出现蒸汽管路设计太长，管路直径设计过小，造成管路压降大，管路蒸汽入口和出口温差过大，蒸汽管路间距过大，模具型腔或型芯温度分布不均匀，纸浆餐具制品部分因过度烘干而变色、部分制品没有烘干，制品质量合格率低，并且生产周期长、生产效率低、生产成本高。通过理论推导和实验验证，发现了管路长度、管路直径对蒸汽管路压降的影响规律、以及管路间距对模具型腔和型芯壁面温度分布的影响规律，获得了蒸汽模具高温蒸汽管路设计方法，实现蒸汽加热模具内蒸汽管路快速设计，提高模具设计效率，减少试模和改模次数，降低模具开发成本，提升模具型腔和型芯温度均匀性，保证纸浆餐具制品合格率，提高纸浆餐具制品生产效率。

纸浆餐具热压成型蒸汽加热模具由凹模22和凸模12组成，第一模板10如图1所示，第二模板20如图3所示。第二模板20一般采用不锈钢、铝等金属材料加工而成，材料导热系数为λ₁；凹模22型腔与凸模12型芯共同组成纸浆餐具热压成型模腔30，用于放置湿纸浆餐具毛坯，进行模压和烘干，凹模22厚度为δ₁，即凹模22型腔底面至凹模22模具外壁面之间的距离；凹模22上布置蒸汽管路，通入高温高压干饱和蒸汽，作为加热热源，为湿纸浆餐具毛坯烘干提供热量，蒸汽管路直径为蒸汽管路截面中心与凹模22型腔底面距离为H₁，蒸汽管路间距为S₁。第一模板10一般采用不锈钢、铝等金属材料加工而成，材料导热系数为λ₂，凸模12厚度为δ₂，即凸模12上下壁面之间的距离；在凸模12上布置蒸汽管路，通过高温高压干饱和蒸汽，作为加热热源，为湿纸浆餐具毛坯烘干提供热量，蒸汽管路直径为蒸汽管路截面中心与凸模12型芯顶面之间的距离为H₂，蒸汽管路间距为S₂。

蒸汽管路布置示意图如图2和图4所示，蒸汽模具内布置n根蒸汽管路，蒸汽管路长度为L，管路间距为S。

蒸汽加热成型模具材料的导热系数为λ，蒸汽模具厚度为δ，蒸汽管路直径为，蒸汽管路截面中心与模具型腔(或型芯)之间的距离为H，蒸汽管路间距为S，蒸汽管路长度为L。

模具型腔(型芯)温度分布不均匀，容易造成纸浆餐具制品部分因过度烘干而变色、部分没有烘干，制品质量合格率低，且生产周期长、生产效率低、生产成本高。为了保证模具型腔(型芯)表面的加热温度均匀性，必须使单个的加热单元中模具表面温度稳定，并且相邻的加热单元之间的温度相差不应太大。具体的加热温度均匀性可以通过蒸汽管路截面中心对应的模具型腔(型芯)表面温度与两条蒸汽管路之间中点对应的模具型腔(型芯)表面温度的差值来评价，蒸汽加热单元的温度均匀性计算示意图如图4所示。A、B两点的模具型腔(型芯)表面温度之差绝对值的公式为：

T_AB＝|T_A-T_B|；

式中，T_A和T_B为A、B两点的温度(℃)；T_V为高温蒸汽的温度(℃)；Q为湿纸浆餐具吸收的热量(J/m²)；λ为模具材料的导热系数(W/(m·℃))；h为模具和高温蒸汽之间的传热系数(W/(m²·℃))；为蒸汽管路直径(m)；H为蒸汽管路截面中心与模具型腔(或型芯)之间的距离(m)，S为蒸汽管路间距(m)；τ为烘干时间(s)。

高温蒸汽的某一饱和压力必对应于某一饱和温度，饱和蒸汽压力决定温度，若蒸汽压力降低，蒸汽温度也会降低。高温饱和蒸汽管路设计过长、管路直径设计过小，会造成管路压降过大，蒸汽管路内饱和蒸汽温度沿管路流动方向逐渐降低，从而引起蒸汽加热模具温度分布不均匀，蒸汽管路入口阶段对应位置的模具温度高，湿纸浆餐具水分蒸发快，纸浆餐具烘干速度快，容易过度烘干；蒸汽管路出口阶段对应位置的模具温度较低，湿纸浆餐具水分蒸发慢，烘干速度慢，生产周期长、生产效率低。因此，蒸汽管路压降需一定要求，保证管内高温蒸汽温度变化不大。

管内两相流动压降由三部分组成：加速压降、摩擦压降和重力压降，蒸汽在水平管内的流动凝结过程中重力压降为零。分相流理论模型中假设蒸汽的流速和凝结液的流速不相同，采用分相流模型计算两相压降：

两相等效压降ΔP_f：

式中，φ_G为汽相部分乘数；ΔP_G为汽相部分压降；x为蒸汽干度；G为汽液两相液体质量流量；ρ_G为汽相密度；f_G为摩擦因子；L为蒸汽管路长度；φ为蒸汽管路直径。

根据蒸汽加热模具加热过程中的传热特性和压降特性，结合实验数据，获得了管路长度、管路直径对蒸汽管路压降的影响规律、以及管路间距对模具型腔和型芯壁面温度分布的影响规律，建立了蒸汽加热模具高温蒸汽管路设计方法。

纸浆餐具热压成型蒸汽加热模具分为凹模22和凸模12，凹模22材料的导热系数为λ₁，单位为W/m·℃，凹模22蒸汽管路直径为单位为m，凹模22蒸汽模具厚度为δ₁，单位为m，凹模22蒸汽管路截面中心与模具型腔之间的距离H₁，单位为m，凹模22内蒸汽管路长度为L₁，单位为m，蒸汽管路间距为S₁，单位为m；凸模12材料的导热系数为λ₂，单位为W/m·℃，凸模12蒸汽管路直径为单位为m，凸模12蒸汽模具厚度为δ₂，单位为m，凸模12蒸汽管路截面中心与模具型芯之间的距离H₂，单位为m，凸模12蒸汽管路总长度为L₂，单位为m，蒸汽管路间距为S₂，单位为m。

蒸汽管路设计方法适用于纸杯、纸碗、纸餐盒、纸盘、纸蝶等纸浆餐具成型机蒸汽加热模具，纸浆餐具可以为圆形、方形、椭圆形等形状。

通过理论推导和实验验证，获得了管路直径与模具厚度δ、管路长度L与管路直径以及管路间距S与管路截面中心与模具型腔(型芯)之间距离H的关系，可实现蒸汽加热模具内蒸汽管路快速设计，提高模具设计效率，减少试模和改模次数，降低模具开发成本，提升模具型腔和型芯温度均匀性，保证纸浆餐具制品合格率，提高纸浆餐具制品生产效率。

热压成型蒸汽加热模具凹模22内蒸汽管路设计应满足如下关系式：

(1)蒸汽管路管壁与凹模22型腔壁面、以及管路壁面与凹模22下壁面之间的距离应大于等于以防止模具因型腔内压力和管内蒸汽压力而发生变形，因此，管路直径与凹模22厚度应满足：

(2)根据模具结构尺寸，模具凹模22内需布置n₁根蒸汽管路，每根管路内蒸汽压降需满足压降要求，因此，每根蒸汽管路长度与管路直径应满足：

(3)为防止因管内高温高压蒸汽压力作用引起变形，凹模22内蒸汽管路间距应满足：S₁≥2φ₁；

(4)为保证凹模22型腔壁面温度均匀性，蒸汽管路间距S₁与管路截面中心与模具型腔之间距离H₁的关系应满足：

热压成型蒸汽加热模具凸模12内蒸汽管路设计应满足如下关系式：

(1)蒸汽管路管壁与凸模12上下壁面之间的距离应大于等于以防止模具因型腔内压力和管内蒸汽压力而发生变形，因此，蒸汽管路直径与凸模12厚度应满足：

(2)根据模具结构尺寸，模具凸模12内需布置n₂根蒸汽管路，每根管路内蒸汽压降需满足压降要求，因此，每根蒸汽管路长度与管路直径应满足：

(3)为防止因管内高温高压蒸汽压力作用引起变形，凸模12内蒸汽管路间距应满足：S₂≥2φ₂；

(4)为保证凹模22型腔壁面温度均匀性，蒸汽管路间距S₂与管路截面中心与模具型腔之间距离H₂的关系应满足：

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：提供一种蒸汽加热模具高温蒸汽管路设计方法，提高蒸汽加热模具蒸汽管路设计效率，减少试模和改模次数，缩短模具开发周期，降低模具开发成本，保证纸浆餐具制品合格率，提高纸浆餐具制品生产效率。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。