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Einrichtung zur Wärmeverbindung von Materiallagen
Die Erfindung bezieht sich auf Einrichtungen zum Verbinden von blattförmigen Materiallagen unter Wärme und Druck, wobei die Wärme- entwicklung die Folge dielektrischer Verluste ist, welche im Inneren des zu verbindenden Materials auftreten, sobald dieses durch ein elektrisches
Hochfrequenzfeld hindurchgeführt wird.
Bekanntlich können plastische Massen durch solche Verfahren einem Schmelzbindevorgang unterworfen werden. Derartige, einem weiten
Stoffbereich zugehörige Materialien werden vor- liegend als schmelzbindefähige Stoffe bezeichnet.
Ihr, was die vorliegende Erfindung betrifft, gemeinsames Merkmal besteht darin, dass sie erweichen, wenn man sie einem genügend hoch- frequenten elektrischen Feld aussetzt, so dass ein auf sie ausgeübter Druck eine Vereinigung mit je nach den Erfordernissen der besonderen
Anwendung gleichartigen oder andersartigen benachbarten Materialbereichen zur Folge hat, was nach Wiedererhärtung eine Schmelzver- bindung oder Verschweissung ergibt.
Der in dieser Beschreibung verwendete Aus- druck "elektrisches Feld" soll jenes Feld bezeichnen, welches zwischen leitenden Elektroden, welchen eine Wechselspannung aufgedrückt wird, besteht.
Hauptgegenstandder Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten, diesem Zwecke dienenden Schaltungsanordnung, welche befähigt ist, eine befriedigende, wesentlich gleichartige und vorzugsweise ununterbrochene Schmelzverbindung oder Verschweissung zu liefern, z. B. zwischen Lagen aus thermoplastischem Blattmaterial, ohne Rücksicht auf Änderungen besonders hinsichtlich ihrer Dicke, welchen man in handelsüblichen schmelzbindefähigen Stoffen begegnet und welche durch Querverbindungen bedingt sein oder aus anderen Ursachen auftreten können.
Gemäss vorliegender Erfindung werden in einer Einrichtung zur Wärmeverbindung von eine veränderliche Gesamtdicke aufweisenden Materiallagen, von denen mindestens eine aus thermoplastischem Material besteht und welche übereinanderliegend durch ein hochfrequentes elektrisches Feld hindurchgeführt werden, Abfühlmittel verwendet, welche vor dem Bereich der maximalen Feldintensität angeordnet, Änderungen der Gesamtdicke der übereinanderliegenden
Materiallagen feststellen und Mittel beeinflussen, welche die Frequenz des Feldes in Abhängigkeit von den festgestellten Änderungen der Gesamt- dicke der Materiallagen so verändern, dass mit zunehmender Materialdicke die Feldfrequenz vergrössert wird und umgekehrt.
In der Zeichnung ist das durch Wärme- einwirkung zu verbindende Material durch zwei übereinanderliegende Blätter 1 dargestellt, die zwischen Elektroden hindurchgeführt werden, welche Walzen 2 und 3 sein können, die alle beide oder von denen nur eine, wie z. B. die
Walze 3, durch einen Vorschubmotor 4 mit regelbarer Geschwindigkeit angetrieben sein können bzw. kann. Die Walzen werden durch nicht gezeichnete Mittel gegeneinander gedrückt.
Der Abstand der Walzen, der durch das zwischen ihnen liegende, durch Wärme zu verbindende
Material bestimmt ist, stellt den Spalt vor, in welchem, wie ersichtlich, ein hochfrequentes Wechselfeld zwecks Erwärmung des Materials errichtet wird.
Für die vorliegenden Zwecke sei angenommen, dass die Walzen 2 und 3 aus geeignetem leitendem Material bestehen, von denen die eine, angenommen die Walze 3, bei 5 auf Masse liegt und die Walze 2 über eine geeignete Verbindung, wie z. B. ein koaxiales Kabel, mit einer Ausgangsklemme 6 einer Quelle hochfrequenten Wechselstroms verbunden sei. Die andere Ausgangsklemme 7 liegt ebenfalls an Masse. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Hochfrequenzquelle als Röhrenoszillator der bekannten Gegentakttype dargestellt.
Die dargestellte Schaltung ist durch zwei Schalter gesteuert ; den Hauptschalter 8, welcher den Eingang von einer Einphasen-Wechselstromquelle 9 beherrscht und durch einen Schalter 10, den man als Arbeitsschalter bezeichnen könnte und der von der Bedienungsperson von Zeit zu Zeit betätigt wird, um den Vorschubmotor 4 in Gang zu bringen oder stillzusetzen und damit gleichzeitig den Oszillator zu schalten. Der Arbeitsschalter wirkt über das Relais 11 zwecks Betätigung der Steuerschalter 12, 13 und 14.
Das Schliessen des Arbeitsschalters 10 bewirkt über das Relais 11 ein Schliessen des Steuer-
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schalters 12, wodurch dem Vorschubmotor 4 von der Stromquelle 9 und über die Wicklung 37 (eine die Motordrehzahl regelnde Reaktanz, deren Wirkungsweise im einzelnen später beschrieben wird) Energie zugeführt wird.
Der Oszillatorsteuerkreis ist von gewöhnlicher Art und wirkt wie folgt : Durch Schliessen des Hauptschalters 8 wird der Transformator 15 unter Spannung gesetzt, wodurch die Kathoden der Gleichrichterröhren 16, 17 geheizt werden.
Ferner kommt der Transformator 18 unter Spannung, der die Kathode der Oszillatorröhren 19 und 19 a heizt. Ein Schliessen des Arbeitsschalters 10 bewirkt (über das Relais 11) ein Schliessen der Schalter 13 und 14, wodurch der Transformator 20 über den Regeltransformator 21 unter Spannung kommt, wodurch an die Gleichrichterröhren 16 und 17, welche den Oszillatorröhren 19 und 19 a Gleichstrom liefern, Spannung angelegt wird.
Ein üblicher Filterkreis nach Art eines'It-Netz- werkes, bestehend aus einer Glättungsdrossel 22 und Kondensatoren 23, 24, dient der Glättung der von den Gleichrichtern zu den Anoden der Oszillatorröhren 19 und 19 a gelieferten Gleichspannung. Diese Gleichspannung erscheint an einem Vorbelastungswiderstand 25, der einerseits über eine Hochfrequenzdrosselspule 27 zum Mittelpunkt der Anodenspeisekreisspule 26, anderseits zum Mittelpunkt der Sekundärseite des Heiztransformators 18 geführt ist.
Ein Gitterableitwiderstand 28 liefert auf bekannte Weise die Vorspannung für die Gitter der Röhren 19 und 19 a.
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Speisekreisspule 26 hochfrequente Energie, wodurch in der Sekundärspule 29 des Ausgangstransformators Energie induziert wird ; diese hochfrequente Wechselstromenergie wird von den Ausgangsklemmen 6 und 7 den Walzen 2 und 3 zugeführt, u. zw. mittels eines koaxialen Kabels, um unnötige Strahlungen und Verluste zwischen dem Oszillator und dem Feldspalt zu vermeiden, wie dies bekannt ist.
Als Ergebnis des Schliessens des Schalters 10 wird demnach der Oszillator hochfrequenten Wechselstrom den Walzen 2 und 3 zuführen, der Motor 4 läuft und fördert das zu verbindende Material zwischen den Walzen 2 und 3 durch die Maschine hindurch. Man beachte, dass die Ausgangsleistung des. Oszillators durch Ver- änderung seiner Anodenspannung mittels des Regeltransformators 21 geregelt wird, welcher von Hand aus voreingestellt werden kann, um eine Ausgangsleistung zu liefern, welche dem besonderen durch Wärme zu verbindenden Material, seiner Dicke und seiner Vorschubgeschwindigkeit entspricht.
Ein so beschaffene Gerät hat sich in mancher Hinsicht als unbefriedigend erwiesen, besonders wenn ein Schmelzverbinden mit grosser Arbeitsgeschwindigkeit angestrebt wird, insbesondere aber hinsichtlich der Gleichmässigkeit der Schmelzverbindungsnaht über jede gegebene Material- strecke. Es wurde gefunden, dass dieser Mangel an Gleichmässigkeit zum Grossteil auf Dickeschwankungen des zu verbindenden Materials zurückzuführen ist, welche Schwankungen gering sein können und oberflächlich gar nicht wahrnehmbar sein brauchen, d. h. Dickeänderungen der Grössenordnung von 0-01 mm und weniger sein können.
Es ist auch gefunden worden, dass eine besonders befriedigende Wärmeverbindung erhalten werden kann, wenn man die Vorschubmotorgeschwindigkeit und demgemäss das Ausmass der Vorschubgeschwindigkeit in Übereinstimmung mit diesen Dickeschwankungen des Materials verändert, u. zw. umgekehrt zu der sich ändernden Dicke, so dass die Motorgeschwindigkeit um so geringer ist, je grösser die Dicke wird und umgekehrt. Eine bevorzugte und besonders wirksame Schaltungsanordnung zur Regelung der Geschwindigkeit des Vorschubmotors wird nunmehr beschrieben.
In dem durch den Hauptschalter 8 gesteuerten Leitungskreis liegen Transformatoren 30, 31 und 32, durch welche Röhren 33, 34 und 35 gespeist werden. Die Röhren 33 und 34 bilden einen Vollweggleichrichter, dessen Ausgang mit der Gleichstromwicklung 36 eines die Motordrehzahl regelnden Reaktanzgliedes verbunden ist, das eine im Kreis des Vorschubmotors 4 liegende Wechselstromwicklung aufweist. Die Drehzahl des Vorschubmotors 4, die ungefähr proportional der ihm angelegten Spannung ist, wächst mit fallender Impedanz, die in der Wechselstromwicklung des Reaktanzgliedes auftritt, wobei aber diese Impedanz ihrerseits um so kleiner ist, je grösser der die Gleichstromwicklung durchfliessende Gleichstrom wird.
Die Röhre 35 ist ein Halbwellengleichrichter, der mittels des Transformators 38 induktiv an die Gitter der Röhren 33 und 34 gekoppelt ist ; der Anodenkreis der Röhre 35 schliesst zwei in Serie liegende Spulen 39, 40 ein, welche entgegengesetzte Induktionsfelder liefern und in bezug aufeinander beweglich sind, um einen Spalt ver- änderlichen magnetischen Widerstands zu bilden.
Die besondere Art der Lagerung und gegenseitigen Bewegung der Spulen 39 und 40 bildet keinen Bestandteil der vorliegenden Erfindung ; es genügt für die vorliegenden Zwecke, anzugeben, dass eine der Spulen, etwa die untere Spule 40, ortsfest sein kann, während sich die obere Spule nach oben oder unten in dem Masse bewegt, wie die Dicke des Materials 1 zu-oder abnimmt.
Zum "Abfühlen", d. h. Feststellen der Änderungen der Dicke des zwischen den Walzen 2 und 3 hindurchgehenden Materials und zur entsprechenden Lageeinstellung der Spule 39, wodurch : das Mass der gegenseitigen Beeinflussung der von den Spulen 39 und 40 aufgebauten Felder ge- ändert wird, kann jedes geeignete Mittel verwendet werden. Die Veränderung der Feld- beeinflussung in dem durch die Spulen gebildeten : Spalt, führt in den Anodenkreis der Röhre 35 eine veränderte Impedanz ein, was eine Änderung der Ausgangsspannung des Transformators 38
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zur Folge hat. Dadurch ändert sich die den
Röhren 33,34 zugeführte Gitterspannung, so dass durch die Gleichstromwicklung 36 des die
Motorgeschwindigkeit regelnden Reaktenzgliedes mehr oder weniger Strom fliessen wird.
Die
Spule 36 wird von einem Kondensator 41 über- brückt, um jegliche Wechselstromwellen, welche von der Spule 37 und ihren angeschlossenen
Schaltkreisen induziert werden könnten, auszu- sieben.
Um die dem Transformator 38 aufgedrückte
Eingangsspannung voreinzustellen, wird ein serien- geschalteter Regelwiderstand 48 verwendet und von Hand aus eingestellt, um eine befriedigende
Wärmeverbindung eines Materials mitgegebener
Grunddicke bei gegebener Grundvorschubge- schwindigkeit zu erhalten. Um diese Grund- geschwindigkeit schwankt die jeweilige Geschwin- digkeit in Abhängigkeit von der Relativlage der
Spulen 39 und 40, wie dies oben beschrieben wurde. Der Widerstand 49 begrenzt die Gitter- ströme der Gleichrichterröhren 33 und 34.
Gemäss Vorstehendem wird die Motorgeschwin- digkeit und damit die Geschwindigkeit, mit der das Material durch das hochfrequente, im Spalt bestehende Feld vorgeschoben wird, in engster Abhängigkeit von der Materialdicke geregelt, wobei die Regelung so wirkt, dass die Geschwindigkeit des Vorschubmotors sich umgekehrt zu den Dickeschwankungen des Materials verhält ; dadurch werden die Schwierigkeiten, die der Herstellung einer ununterbrochen gleichmässigen und befriedigenden Schmelzverbindung bisher entgegenstanden, wenn diese bei grosser Geschwindigkeit und ohne übermässige Leistungsverluste vor sich gehen soll, in weitem Masse ausgeschaltet.
Es ist jedoch auch gefunden worden, dass hinsichtlich der genannten Forderungen noch bessere Ergebnisse erzielbar sind, wenn Vorkehrungen getroffen werden, um die Frequenz der Oszillatorspannung entsprechend den Änderungen der Materialdicke ändern zu können, um eine konstante Leistungsabgabe an den Spalt zu sichern, in welchem das hochfrequente Feld auftritt. In diesem Zusammenhang erscheint es zwecks Sicherung des grösstmöglichen Gesamtwirkungsgrades nötig, die Oszillatorfrequenz in dem Masse zu verändern, in welchem Material- änderungen Schwankungen der kapazitiven Lastimpedanz und im Vorschubausmass bedingen, und es sind, entsprechend vorliegender Erfindung, Mittel vorgesehen, welche eine solche Frequenzänderung völlig selbsttätig und mit nur geringen Hinzufügungen zur bereits beschriebenen Schaltungsanordnung ermöglichen.
In dem bevorzugten, dargestellten System wird die Regelung der Oszillatorfrequenz durch einen Zweiphasenmotor 42, wie solche für Fernsteuerungszwecke benützt werden, erzielt, der einen Abstimmkondensator 43 veränderlicher Grösse betätigt, welcher die Anodenspeisekreisspule 26 des Oszillators, wie dargestellt, überbrückt. Es ist bekannt, dass die Ausgangsfrequenz von Oszillatoren dieser Art durch die elektrischen
Konstanten des Speisekreises bestimmt ist. Daher ist es möglich, die Oszillatorausgangsfrequenz durch Einstellung des Kondensators 43 zu regeln.
Eine Wicklung des Motors 42 ist durch Leitungen 44 mit dem Wechselstromnetz 9 über den Hauptschalter 8 verbunden. Es ist dies die Bezugsphase ; sie bleibt dauernd unter Spannung, solange der Schalter 8 geschlossen ist. Die andere Wicklung des Motors 42 ist durch Leitungen 45 an die Wicklung 36 des die Motorgeschwindigkeit regelnden Reaktanzgliedes gelegt und den Schwankungen des vom Vollweggleichrichter stammenden Gleichstromes unterworfen, welche von Dicken- änderungen des Materials herrühren, wie dies im Zusammenhang mit der Vorschubregelung bereits beschrieben wurde.
Es hat sich herausgestellt, dass der Läufer des Motors 42 stillsteht, wenn diesem Motor eine bestimmte Grundspannung vom Vollweggleichrichter geliefert wird, welche einer bestimmten und vorgegebenen Grunddicke des zu verbindenden Materials entspricht. Des weiteren wird, sobald die vom genannten Gleichrichter zum Motor 42 gelieferte Gleichspannung über den Grundspannungswert ansteigt oder unter diesen sinkt, u. zw. als Folge einer Abnahme bzw.
Zunahme der Materialdicke bezogen auf die Materialgrunddicke, der Rotor sich bei entgegengesetzten Änderungen von Spannung und Dicke in entgegengesetzten Richtungen drehen. Es ist gefunden worden, dass das Ausmass der Lage- änderung des Rotors des Motors 42 innerhalb gewisser Grenzen im wesentlichen dem Betrag der Spannungsänderung proportional ist. Demzufolge kann, durch geeignete Bemessung der Kreiskonstanten, erreicht werden, dass für eine gegebene Schwankung der Dicke des schmelzverbindbaren Materials eine Gleichspannung richtiger Grösse dem Motor 42 zugeführt wird, um den Abstimmkondensator in eine solche Lage zu bringen, dass die Oszillatorfrequenz der Lastimpedanz angepasst ist.
Dies bedeutet, dass die Oszillatorfrequenz fortwährend berichtigt wird, so dass sie immer ungefähr die Resonanzfrequenz der Lastimpedanz einschliesslich der Übertragungsleitung ist, u. zw. ungeachtet etwaiger Änderungen dieser Impedanz.
Dies bedeutet, dass der Motor 42, in dem Masse wie sich der Abstand der Spulen 39, 40 entsprechend den Änderungen der Dicke des zu verbindenden Materials ändert, seine Rotorlage und damit die Lage des variablen Kondensators 43 ändert, was wieder eine Frequenzeinstellung des Oszillatorausganges zur Folge hat, welche ausreicht, um ein gleicherweise gutes Verbinden ungeachtet der Dickenänderungen zu bewirken, wodurch man zu einer gleichmässig festen Naht kommt.
Die beliebigen Orts angeordneten Signallampen 46 und 47 sind vorgesehen, um anzuzeigen, ob der Oszillator ein-oder ausgeschaltet ist.
Aus dem Vorhergehenden ist ersichtlich, dass eine verbesserte Schaltungsanordnung zur
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Schmelzverbindung von plastischen Stoffen durch Verwendung hochfrequenter Wechselfelder geschaffen wurde, welche selbsttätige Regelmittel zur gleichzeitigen Regelung des Vorschubs des verbindbaren Materials und der Oszillatorausgangsleistung umfasst, welche von Dickeänderungen der genannten Stoffe abhängig sind.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Einrichtung zur Wärmeverbindung von eine veränderliche Gesamtdicke aufweisenden Materiallagen, von denen mindestens eine aus thermoplastischem Material besteht, welche Lagen übereinanderliegend durch ein elektrisches Hochfrequenzfeld hindurchgeführt werden, gekennzeichnet durch vor dem Bereich der maximalen Feldintensität angeordnete Abfiihlmittel (39, 40), welche Änderungen der Gesamtdicke der übereinanderliegenden Materiallagen (1) feststellen und Mittel (42, 43) beeinflussen, welche die Frequenz des Feldes in Abhängigkeit von den festgestellten Änderungen der Gesamtdicke der Materiallagen so verändern, dass mit zunehmender Materialdicke die Feldfrequenz vergrössert wird und umgekehrt.