Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Textiltechnik und betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen gemäss den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche 1 rsp. 14, mit deren Hilfe die Umlenkung von sich kontinuierlich bewegenden Fäden an Fadenführungselementen thermisch beherrscht werden können.
Fadenführungselemente werden benötigt, wo immer bei der Herstellung, der Bearbeitung oder der Weiterverarbeitung von Fäden die Richtung von kontinuierlich sich bewegenden Fäden geändert werden muss. Dabei können die Fäden aus den verschiedensten Materialien bestehen, d.h. sie können aus pflanzlichen, tierischen oder synthetischen Ausgangsstoffen hergestellt sein und damit die verschiedensten Eigenschaften haben. Es werden denn auch je nach Anwendung im Prozess und je nach Faden Fadenführer verschiedenster Formen mit Fadenführungsoberflächen verschiedenster Eigenschaften benutzt, die in mechanischer Hinsicht den Anforderungen bestens gerecht werden, das heisst, den Faden mechanisch nicht in unerwünschter Weise verändern und vor allem nicht beschädigen.
In thermischer Hinsicht wird den Fadenführern bis anhin nur in sehr beschränktem Masse Aufmerksamkeit geschenkt, was auch für thermisch stabile Fäden und vor allem für relativ langsam laufende Fäden nicht notwendig ist. Bei den heutigen Fadengeschwindigkeiten von beispielsweise 6000 m/min und den heutigen höchsten Anforderungen an den Faden und das aus dem Faden hergestellte Produkt wäre es aber sehr vorteilhaft, die Umlenkung an Fadenführungselementen auch in thermischer Hinsicht in den Griff zu bekommen. Durch die Steigerung der Fadengeschwindigkeit nimmt an einem gegebenen Fadenführer die durch die Reibung zwischen Faden und fadenführender Oberfläche entstehende Wärme zu, was zu höheren Fadentemperaturen führt. Aus diesem Grunde stellt die Umlenkung an bekannten Fadenführungselementen vielfach eine Grenze für die Fadengeschwindigkeit dar.
Die Herstellung und Verarbeitung von Fäden höchster Qualität bedingt Temperaturen, die sich in bestimmten Grenzen halten müssen und es können nicht beliebige Temperaturschwankungen während eines Prozesses in Kauf genommen werden. Solche Bedingungen wirken sich in unerwünschter Weise einschränkend auf Fadenherstellungs-, Fadenbearbeitungs- und Fadenverarbeitungsverfahren und vor allem auch auf die Auslegung entsprechender Vorrichtungen aus.
Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, Massnahmen aufzuzeigen, die es ermöglichen, die Wärmebilanz der Umlenkung eines sich kontinuierlich bewegenden Fadens an einem Fadenführungselement derart zu beeinflussen, dass die Fadentemperatur nach einem Fadenführungselement oder die Differenz der Fadentemperaturen vor und nach der Umlenkungsstelle an einem Fadenführungselement in gewissen Grenzen frei wählbar, einstellbar und/oder kontinuierlich regulierbar wird.
Diese Massnahmen sollen es erlauben, durch entsprechend konfigurierte und mit Hilfsvorrichtungen versehene Umlenkungsstellen einen bestimmten Prozess für eine bestimmte Fadenqualität von bekannten Einschränkungen thermischer Natur, die durch die Fadenumlenkung bedingt sind, zu befreien. Die Fadengeschwindigkeit soll durch Anwendung der erfindungsgemässen Massnahmen also beispielsweise nicht mehr in bekanntem Masse beschränkt sein durch die an Fadenführern entstehenden, zu hohen Fadentemperaturen. Die Wahl von Material und Beschaffenheit von umlenkenden Oberflächen soll beispielsweise durch Anwendung der erfindungsgemässen Massnahmen viel weniger eingeschränkt werden durch die thermischen Bedingungen, die durch sie im Betrieb geschaffen werden.
Der Fadenverlauf im Prozess soll beispielsweise durch Anwendung der erfindungsgemässen Massnahmen nicht mehr bedingt sein durch auf Fadenführungselemente notwendigerweise folgende Abkühlungsstrecken und durch die Unmöglichkeit einer Umlenkung eines Fadens mit bereits erhöhter Temperatur.
Ferner sollen die erfindungsgemässen Massnahmen Operationsparameter schaffen, die während dem Betrieb durch eine entsprechende Regulierung verändert werden können. Dadurch soll die Wärmebilanz von Umlenkungsstellen derart reguliert werden können, dass irgendwo im Prozess oder ausserhalb des Prozesses entstandene Temperaturschwankungen am Faden bei der Umlenkung kompensiert werden. Ebenso soll beispielsweise die Fadentemperatur bei der Umlenkung auch bei Schwankungen von Prozessparametern (bspw. Fadengeschwindigkeit) auf einen konstanten Wert reguliert werden können. Durch Einsatz derartig ausgerüsteter Umlenkungsstellen kann der Temperaturverlauf über den ganzen Prozess in einem für den Prozess und die Erhaltung oder Erhöhung der Fadenqualität optimalen Bereich einreguliert werden.
Die erfindungsgemässen Massnahmen sollen es auch ermöglichen, dass die Fadenführungselemente neben der Umlenkung thermische Funktionen übernehmen können, dass sie also den umzulenkenden Faden auch gezielt kühlen oder aufwärmen können.
Es ist auch Aufgabe der Erfindung Vorrichtungen zu erschaffen, die die Durchführung der beschriebenen Massnahmen ermöglichen. Diese Vorrichtungen sollen einerseits derartig thermisch konfigurierte Fadenführungselemente aufweisen, dass sie auch für schnellere Prozesse mit empfindlicheren Fäden keine Einschränkung bedeuten, und Hilfsvorrichtungen, die eine Regulierung der Wärmebilanz der Umlenkungsstelle ermöglichen. Durch die erfindungsgemässen Fadenführungselemente und zugehörigen Hilfsvorrichtungen sollen bestehende und zu entwickelnde Vorrichtungen zur Durchführung von Fadenherstellungs-, Fadenbearbeitungs- und Fadenverarbeitungsverfahren für bestimmte Fäden und bestimmte Verfahrenserfordernisse konfiguriert und/oder mit Möglichkeiten zur thermischen Regulierung ausgestattet werden können.
Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtungen gemäss den kennzeichnenden Teilen der unabhängigen Patentansprüche 1 rsp. 14. Verfahren und Vorrichtungen sollen anhand der folgenden Figuren beschrieben werden. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein Schema der wichtigsten thermischen Grössen bei der Umlenkung eines Fadens an einem Fadenführungselement und ihres Zusammenwirkens zur Wärmebilanz der Umlenkung,
Fig. 2 (a und b) beispielhafte Ausführungsformen von Fadenführungselementen konfiguriert für erhöhten Wärmefluss vom Fadenführungselement an die Umgebung (QFF-U),
Fig. 3 (a bis f) beispielhafte Ausführungsformen von Fadenführungselementen konfiguriert für steuer- oder regulierbare Fadentemperatur durch Steuerung oder Regulierung des Wärmeflusses vom Fadenführungselement an die Umgebung (QFF-U),
Fig.
4 eine beispielhafte Ausführungsform einer Umlenkungsstelle, die zusätzlich zur Umlenkungsfunktion eine Applikationsfunktion übernimmt.
Fig. 1 zeigt die wichtigsten thermischen Grössen, die das thermische Verhalten bei der Umlenkung eines Fadens an einem Fadenführungselement bestimmen. Es sei F der Faden und zwar Fe der in die Umlenkungsstelle einlaufende Faden, Fa der aus der Umlenkungsstelle auslaufende Faden, FF das Fadenführungselement und U die Umgebung, die im weitesten Sinne alles umfasst, was nicht Faden und nicht Fadenführungselement ist.
Der in die Umlenkungsstelle einlaufende Faden hat einen Wärmeinhalt QFe, der die Temperatur TFe dieses Fadens bestimmt. Bei der Umlenkung entsteht durch Reibung zwischen Faden und Fadenführungselement Reibungswärme QR und durch Veränderungen innerhalb des Fadens, bspw. Streckung des Fadens oder Reibung der einzelnen Fibrillen aneinander, die Molekularwärme QM. An der Umlenkungsstelle fliesst Wärme zwischen Faden und Fadenführungselement (QF-FF), zwischen Faden und Umgebung (QF-U) und zwischen Fadenführungselement und Umgebung (QFF-U)- Die Wärmemenge QFa, die der aus der Umlenkungsstelle auslaufende Faden pro Zeiteinheit dt wegführt (dQFa/dt), und damit die Fadentemperatur TFa des aus der Umlenkungsstelle auslaufenden Fadens sind abhängig von allen erwähnten Wärmemengen Q und zwar gemäss der folgenden Gleichung:
dQFa/dt = dQFe/dt + dQR/dt +
dQM/dt - dQF-U/dt - dQF-FF/dt
(wobei die von einem Element zum andern fliessenden Wärmemengen in der Richtung der in den Indizes gewählten Reihenfolge ein positives Vorzeichen haben sollen.)
In einem konstant laufenden Prozess mit konstant bleibenden Prozess- und Umgebungsparametern wird sich für die Umlenkung eines bestimmten Fadens an einem bestimmten Fadenführungselement nach einer bestimmten Anlaufzeit ein thermisches Gleichgewicht einstellen, das heisst, der Wärmefluss dQFa/dt, der mit dem aus der Umlenkung auslaufenden Faden aus der Umlenkungsstelle fliesst, und damit die Fadentemperatur TFa werden sich auf einen Gleichgewichtswert einstellen.
Die Wärmemengen QFe, QR, QM, QF-U und QF-FF sind ihrerseits abhängig von sehr vielen Parametern. Ein Teil dieser Parameter, im folgenden Prozessparameter genannt, beeinflussen nicht nur die Umlenkung sondern vor allem den übergeordneten Prozess und sollen gemäss der Aufgabenstellung von Einschränkungen durch die Umlenkung möglichst befreit werden.
Als Prozessparameter sollen die folgenden definiert sein:
- Fadentemperatur (des in die Umlenkungsstelle einlaufenden Fadens),
- Fadengeschwindigkeit bei der Umlenkung,
- Fadenspannung bei der Umlenkung,
-minimaler Umlenkungswinkel (Umschlingungswinkel),
- alle Fadenparameter, wie bspw. Material, Masse pro Längeneinheit, Fibrillenanzahl, -dicke und -orientierung, Oberflächenbeschaffenheit,
- alle Parameter, die Prozessschritte vor und nach der Umlenkung bestimmen.
Um die Umlenkungsstelle derart thermisch kontrollieren zu können, dass die Prozessparameter in weiten Grenzen frei wählbar werden, werden durch die erfindungsgemässen Massnahmen diejenigen Parameter, die sich nur auf die Umlenkung auswirken und im folgenden Umlenkungsparameter genannt werden, kontrolliert, eingestellt, gesteuert oder reguliert. An einem einfachen Beispiel heisst das: soll ein temperaturempfindlicher Faden umgelenkt werden bei einer Fadengeschwindigkeit, die an einem bekannten Fadenführungselement eine zu hohe Temperatur erzeugen würde, wird nicht die Fadengeschwindigkeit entsprechend herabgesetzt (sie ist als Prozessparameter definiert), sondern es werden Mittel geschaffen, die die Herabsetzung der Fadentemperatur über mindestens einen Umlenkungsparameter erlauben, das heisst der Fadenführer wird beispielsweise aktiv gekühlt.
Die Umlenkungsparameter sollen in der folgenden Betrachtung herausgearbeitet werden, in der für jede der in der Gleichung für den Wärmeinhalt QFa auftretenden Wärmemenge aufgezeigt wird, von welchen Parametern (Prozess- und Umlenkungsparameter) sie abhängig ist. Gleichzeitig werden Beispiele von Massnahmen aufgelistet, mit denen die Umlenkungsparameter im Sinne des erfindungsgemässen Verfahrens beeinflusst werden können. Anschliessend werden dann einige für spezielle, beispielhafte Anwendungen vorteilhafte Massnahmen und Ausführungsbeispiele von erfindungsgemässen Vorrichtungen anhand der weiteren Figuren im Detail beschrieben.
Die aufgelisteten Massnahmen lassen sich dabei in zwei Gruppen aufteilen. Einerseits sind es Massnahmen zur Konfiguration der Umlenkungsstelle für angepasstes thermisches Verhalten, andererseits Massnahmen, die neben einer Konfiguration der Umlenkungsstelle auch Möglichkeiten zur thermischen Regulierung der Umlenkungsstelle eröffnen. Die aufgelisteten Massnahmen sind mit einer entsprechenden Bemerkung in Klammern bezeichnet.
Der Wärmemenge pro Zeiteinheit dQFe/dt, die der einlaufende Faden in die Umlenkungsstelle bringt, ist abhängig von der prozessbedingten Fadenbehandlung vor der Umlenkung, von der Fadengeschwindigkeit und vom Wärmefluss zwischen Umgebung und Faden Fe vor der Umlenkung. Die Parameter der prozessbedingten Fadenbehandlung und die Fadengeschwindigkeit sind Prozessparameter und sollen gemäss Aufgabenstellung für die Beherrschung der Wärmebilanz an der Umlenkungsstelle nicht herangezogen werden. Der Wärmefluss zwischen Umgebung und Faden unmittelbar vor der Umlenkung kann aber im weitesten Sinne beeinflusst werden. Viele Verfahren zur Kühlung oder Erwärmung kontinuierlich laufender Fäden sind aus der Praxis bekannt oder ohne weiteres vorstellbar.
Die folgende Liste gibt einige Beispiele:
- forcierte Luftbewegung im Bereiche des Fadendurchlaufes (Konfiguration und Regulierung),
- Durchlaufen von Kammern mit einer Kühl- oder Heizflüssigkeit, evtl. im Gegenstrom (Konfiguration und Regulierung),
- Abschälen der vom Faden mitgerissenen Luftschicht durch entsprechende Schikanen (Konfiguration und Regulierung),
- Besprühen des Fadens mit einer Heiz- oder Kühlflüssigkeit (Konfiguration und Regulierung),
- Verdampfung von mitgeführtem Wasser im Unterdruck, den der laufende Faden beispielsweise in einer abgeschlossenen Kammer erzeugt (Konfiguration).
Die Funktion, die den Wärmeinhalt QFe des einlaufenden Fadens mit der entsprechenden Fadentemperatur TFe verbindet, ist hauptsächlich bestimmt durch das Fadenmaterial und die Fadenmasse pro Längeneinheit. Beide diese Parameter sind eigentlich Prozessparameter, können aber eventuell durch Benetzen des Fadens mit einer Flüssigkeit in einem engen Rahmen noch beeinflusst werden.
Die Reibungswärme dQR/dt, die pro Zeiteinheit bei der Umlenkung entsteht, entspricht der Arbeit, die pro Zeiteinheit zur Überwindung der Reibungskraft geleistet werden muss. Unter den vereinfachenden Annahmen, dass die gesamte Reibungsarbeit in Wärme umgesetzt wird, gilt für die bei der Umlenkung pro Zeiteinheit entstehende Reibungswärme dQR/dt:
dQR/dt = f * S * alpha * (v-vu)
wobei: f Reibungskoeffizient, in erster Näherung unabhängig von v,
S Fadenspannung,
alpha Umlenkungswinkel,
v-vu Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Faden und Fadenführungselement.
Die entstehende Reibungswärme pro Zeiteinheit ist nicht abhängig vom Umlenkungsradius und von der Grösse der Berührungsfläche.
Der Reibungskoeffizient f ist abhängig von den Materialien und der Oberflächenbeschaffenheit sowohl des Fadens als auch des Fadenführungselementes, wobei die Eigenschaften des Fadens Prozessparameter sind. Der Reibungskoeffizient kann zum Beispiel mit den folgenden Verfahren und Massnahmen beeinflusst werden:
- Einsatz von Fadenführungselementen mit entsprechend bearbeiteten, fadenführenden Oberflächen (Konfiguration),
- Einsatz entsprechender Materialien für die fadenführende Oberfläche des Fadenführungselementes, das aber auch eine gewünschte minimale Abrasionsfestigkeit haben muss (Konfiguration),
- Benetzen des Fadenführungselementes oder des Fadens mit einer schmierenden Flüssigkeit (Konfiguration und Regulierung).
Die Fadenspannung ist gemäss Definition Prozessparameter und soll nicht beeinflusst werden. Die Normalkraft, die vom Faden auf das Umlenkungselement wirkt kann aber reduziert werden, indem durch Flüssigkeits- oder Gasdruck eine ihr entgegengesetzte Druckkraft erzeugt wird (siehe Fig. 3d).
Der Umlenkungswinkel alpha besitzt ein prozessbedingtes Minimum, das heisst der Faden muss an einer bestimmten Stelle prozessbedingt um einen Winkel alpha min umgelenkt werden, wenn zwei aufeinanderfolgende Prozessschritte dies verlangen. Der Umlenkungswinkel kann aber durch Anordnung des oder der Umlenkungselemente vergrössert werden und ist deshalb oberhalb alpha min Umlenkungsparameter. Das prozessbedingte alpha min kann auch gleich null sein (keine prozessbedingte Umlenkung an der Stelle des Fadenführungselementes). Die Reibungswärme kann also beeinflusst werden durch Veränderung der Umlenkungswinkels alpha . Dies kann realisiert werden durch:
- Einsatz von relativ zum Fadenlauf und/oder relativ zueinander verschiebbaren Fadenführungselementen (Konfiguration und Regulierung).
Das thermische Verhalten der Umlenkung kann auch beeinflusst werden, indem eine Umlenkung um den Winkel alpha in mehrere Umlenkungen um die Winkel alpha 1, alpha 2, alpha 3 ... aufgeteilt wird derart, dass alpha 1 + alpha 2 + alpha 3 ... = alpha . Zwischen zwei Umlenkungsteilschritten wird der Wärmeinhalt des Fadens durch passiven Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft oder durch ein Verfahren ge mäss der Beschreibung im Abschnitt über den Wärmeinhalt des einlaufenden Fadens QFe verändert.
Entsprechende Vorrichtungen wären zum Beispiel:
- Umlenkung über mehrere Fadenführungselemente mit dazwischen geschalteten Verfahrensschritten zur Beeinflussung des Wärmeinhaltes des Fadens (Konfiguration und Regulierung),
- Einsatz von Fadenführungselementen mit senkrecht zur Fadenlaufrichtung gerippten fadenführenden Oberflächen, wobei durch die Rippen z.B. auch Luft geblasen werden kann (Konfiguration und Regulierung),
- Einsatz von hohlen Fadenführungselementen mit unterbrochenen, fadenführenden Oberflächen, durch die ebenfalls Luft geblasen werden kann (Konfiguration und Regulierung).
Die Differenz v-vu zwischen der Fadengeschwindigkeit (Prozessparameter) und der Geschwindigkeit der fadenführenden Oberfläche (Umlenkungsparameter) kann beeinflusst werden durch in Fadenlaufrichtung bewegliche oder bewegte Fadenführungselemente. Die Reibungswärme ist am höchsten, wenn die fadenführende Oberfläche stillsteht (oder sich in der entgegengesetzten Richtung zum Faden bewegt), sie ist gleich null, wenn Faden und fadenführende Oberfläche sich mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen. Die durch eine Bewegung der fadenführenden Oberfläche entstehende Lagerreibung kann durch entsprechende Material- und Schmiermittelwahl besser kontrolliert werden als die Reibung zwischen Faden und Fadenführungselement.
Zur Kontrolle der Reibungswärme bieten sich also zum Beispiel die folgenden Verfahren an:
- Einsatz von eventuell mit variabler Geschwindigkeit angetriebenen, zylindrischen Fadenführungselementen (Konfiguration und evtl. Regulierung),
- Lagerung der zylinderförmigen Fadenführungselemente derart, dass sie durch die Reibung mit dem Faden gedreht werden (Konfiguration).
Die pro Zeiteinheit entstehende Molekularwärme dQM/dt ist abhängig von den Fadenparametern und von der Fadentemperatur, die alle Prozessparameter sind. Das heisst mit anderen Worten, die Molekularwärme kann nicht über einen Umlenkungsparameter beeinflusst werden.
Die pro Zeiteinheit zwischen Faden und Umgebung fliessende Wärmemenge dQF-U/dt besteht aus zwei Teilen, einer durch Wärmeleitung abfliessenden Wärmemenge und einer durch Konvektion abtransportierten Wärmemenge.
Beide Teile sind abhängig von der Wärmeübergangszahl zwischen Faden und Umgebung, der Temperaturdifferenz zwischen Faden und Umgebung und von der Grösse der Berührungsfläche. Der Konvektionsteil ist zudem abhängig von der relativen Geschwindigkeit zwischen Faden und Umgebung. Die Wärmemenge QF-U ist beispielsweise durch die fo]genden Verfahren und Massnahmen beeinflussbar:
:
- Änderung der Temperatur der Umgebungsluft in der Gegend der Umlenkung durch bekannte Massnahmen (Konfiguration),
- Änderung der Wärmeübergangszahl durch Änderung der Zusammensetzung der Umgebungsluft, bspw. der Luftfeuchtigkeit (Konfiguration),
- Ventilation in der Gegend der Umlenkung (Konfiguration und Regulierung),
- Änderung der Wärmeübergangszahl durch Benetzen des Fadens mit einer geeigneten Flüssigkeit (Konfiguration),
- Kontaktierung des Fadens auf der der fadenführenden Oberfläche entgegengesetzten Seite durch spezielle, eventuell mit dem Faden mitlaufende Kühl- oder Heizflächen (Konfiguration und Regulierung),
- Ersetzen der durch die Umlenkung abgeschleuderten Flüssigkeit (Konfiguration und Regulierung).
- Beeinflussung der Berührungsfläche zwischen Umgebung und Faden durch entsprechende Fadenführung, bspw für grosse Berührungsfläche möglichst eine Fibrille neben der anderen (Konfiguration),
- Durchführung der Umlenkung in einer Flüssigkeits-durchstömten Kammer (Konfiguration und Regulierung).
Die pro Zeiteinheit zwischen Faden und Fadenführungselement fliessende Wärmemenge dQF-FF/dt ist abhängig von der Wärmeübergangszahl zwischen Faden und fadenführender Oberfläche, von der Temperaturdifferenz zwischen Faden und fadenführender Oberfläche und von der Grösse der Berührungsfläche zwischen Faden und fadenführender Oberfläche.
Die Temperatur TFF der fadenführenden Oberfläche ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit, von der Masse und von der spezifischen Wärme des Fadenführungselementes und von der Wärmemenge dQFF-U/dt, die pro Zeiteinheit zwischen Fadenführungselement und Umgebung fliesst.
Die Wärmemenge dQF-FF/dt kann beispielsweise durch die folgenden Verfahren und Massnahmen beeinflusst werden:
- Einsatz von Fadenführungselementen mit entsprechend bearbeiteten, fadenführenden Oberflächen aus entsprechenden Materialien für bestimmten Wärmeübergang (Konfiguration),
- Benetzen des Fadens mit einer entsprechenden Flüssigkeit für bestimmten Wärmeübergang (Konfiguration),
- Einsatz von Fadenführungselementen aus entsprechenden Materialien und mit entsprechender Masse für bestimmte Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität (Konfiguration),
- Einsatz von Fadenführern mit entsprechendem Radius und entsprechende Fadenführung für eine bestimmte Berührungsfläche zwischen Faden und fadenführender Oberfläche, bspw.
für eine grosse Berührungsfläche grosser Radius und möglichst eine Fibrille neben der anderen (Konfiguration),
- Beeinflussung der zwischen dem Fadenführungselement und der Umgebung fliessenden Wärmemenge QFF-U durch:
Ventilation der Umgebung (Konfiguration und Regulierung),
Veränderung der Zusammensetzung der Umgebungsluft, z.B. Luftfeuchtigkeit (Konfiguration),
Einsatz von hohlen Fadenführungselementen, die mit Luft oder Flüssigkeit durchströmt werden (Konfiguration und Regulierung),
Einsatz von Fadenführungselementen mit entsprechend wärmeleitenden Befestigungsmitteln (Konfiguration),
Einsatz von Fadenführungselementen mit entsprechender Berührungsoberfläche mit der Umgebung, bspw. mit Kühlrippen (Konfiguration).
Die obige Betrachtung über die thermischen Verhältnisse bei der Umlenkung eines kontinuierlich sich bewegenden Fadens an einem Fadenführungselement basiert auf vielen Vereinfachungen. Zum Beispiel wurden vernachlässigt:
- die aerodynamische Reibung zwischen Umgebung und Faden,
- die Wärmeleitung zwischen Fadenstellen mit verschiedenen Temperaturen.
Im folgenden soll nun auf für spezielle, beispielhafte Anwendungen vorteilhafte Massnahmen zur Beherrschung der Umlenkungsthermik und entspre-chende Ausführungsformen von Vorrichtungen zur Fadenführung oder -umlenkung eingegangen werden. Dabei sollen die folgenden Anwendungsgebiete behandelt werden:
A Durch entsprechend konfigurierte Fadenführungselemente werden auch für hohe Fadengeschwindigkeiten und wärrneempfindliche Fäden zu hohe Fadentemperaturen verhindert.
B Durch entsprechend konfigurierte, mit Hilfe von entsprechenden Hilfsvorrichtungen aktiv gekühlte oder geheizte Fadenführungselemente wird eine Möglichkeit geschaffen, an der Umlenkungsstelle die Fadentemperatur in bestimmten durch Prozess und Fadenmaterial gegebenen Grenzen zu regulieren.
C Durch entsprechende Konfiguration der Fadenführungselemente werden neue Materialien für die fadenführenden Oberflächen zugänglich, die beispielsweise nur bei definierten Temperaturen die gewünschten Eigenschaften haben.
D Durch entsprechende Konfiguration und aktive Kühlung oder Heizung können Fadenführungselemente zusätzlich zu ihrer Führungs- und Umlenkungsfunktion andere Funktionen übernehmen, bspw. gezielte, von Prozessparametern weitgehend unabhängige Fadenkühlung oder -aufheizung, Fadenlaufstabilisation, Auftrag von Applikationen in flüssiger oder fester Form, wie bspw. Farbpulver oder Haftverbesserer.
E Durch entsprechende Konfiguration und aktive Kühlung oder Heizung können Fadenführungselemente an beliebigen Prozessstellen eingesetzt werden (bspw. unmittelbar nach einer Streckung).
F Die Fadentemperatur des aus einer entsprechend konfigurierten Umlenkungsstelle auslaufenden Fades kann zur Regulierung von Prozessparametern von der Umlenkungsstelle vor- oder nachgeschalteten Prozessschritten verwendet werden, bspw. Temperatur- oder Geschwindigkeitsgrössen.
Gruppe A: Verhinderung von zu hohen Fadentemperaturen durch entsprechend konfigurierte Fadenführer:
Natürliche Fasermaterialien können durch Überhitzung chemisch verändert werden, was ihre Eigenschaften stark beeinflusst. Synthetische Fäden können durch Überhitzung ihre mechanische Stabilität verlieren und unerwünscht verstreckt werden oder gar reissen. Ferner können vom Faden mitgeführte Stoffe wie \le, Fette, Wachse, Zucker-artige Stoffe wie Honigtau oder andere natürliche polymere Ausscheidungsstoffe durch Überhitzung chemisch verändert werden, wobei sie beispielsweise verkrusten und dadurch irreparable Qualitätseinbussen am Faden bewirken. Solche thermische Schädigungen müssen verhindert werden, indem Fadenführungselemente eingesetzt werden, die auch bei den heute gefragten sehr hohen Fadengeschwindigkeiten mit tolerierbaren Fadentemperaturen betrieben werden können.
Fadenführungselemente nach dem Stande der Technik bestehen meist aus keramischen Werkstoffen mit feinst geschliffenen Oberflächen. Solche Materialien eignen sich für Fadenführungselemente vor allem wegen ihrer hohen Abrasionsfestigkeit und weil ihre Oberflächen zu einer Qualität geschliffen werden können, die die darüberlaufenden Fäden nicht schädigen. Keramische Materialien besitzen aber im allgemeinen eine schlechte Leitfähigkeit und mit steigender Fadengeschwindigkeit und damit steigender Reibung zwischen Faden und Fadenführungselement steigt die Fadentemperatur rasch, weil nicht genügend Wärme durch das keramische Material abgeleitet werden kann.
Damit mehr Wärme aus dem Fadenführer abgeleitet werden kann und damit die Fadentemperatur bei gleicher Fadengeschwindigkeit auf einem tieferen Wert gehalten werden kann, ist es vorteilhaft, das keramische Material nur als äusserste Schicht oder sogar nur als sehr dünne Beschichtung auf ein Fadenführungselement, das aus einem besser wärmeleitenden Material, zum Beispiel aus einem Metall besteht, aufzubringen.
Die Fig. 2a und b zeigen beispielhafte Ausführungsformen solcher Fadenführungselemente. In beiden Figuren sind stabförmige Fadenführungselemente dargestellt. Das Fadenführungselement der Fig. 2a besteht aus einem wärmeleitenden Kernteil 21a und einem abrasionsfesten, beispielsweise aus keramischem Material bestehenden Mantelteil 22a. Das Fadenführungselement der Fig. 2b weist ebenfalls einen wärmeleitenden Kernteil 21b auf. Dieser ist mit einem abrasionsfesten Material 22b beschichtet.
Gruppe B: Regulierung der Fadentemperatur durch entsprechende Konfiguration des Fadenführungselementes und durch Zuschalten von Hilfsvorrichtungen:
Die Fig. 3a bis f zeigen beispielhafte Fadenführungselemente, die aktiv gekühlt oder geheizt werden können und die, wenn sie mit einer entsprechenden Hilfsvorrichtung verbunden sind, auch zur Regulierung der Fadentemperatur bei der Umlenkung eingesetzt werden können. Für eine derartige Regulierung wird beispielsweise die Temperatur des aus der Umlenkungsstelle auslaufenden Fadens als Regelgrösse und irgend ein Umlenkungsparameter als Stellgrösse verwendet. Mit unveränderten oder unveränderbaren Umlenkungsparametern sind die folgenden Ausführungsbeispiele auch Ausführungsvarianten der vorgenannten Gruppe A. Sind die Hilfsvorrichtungen genügend leistungsstark können sie auch zu einer zusätzlichen gezielten Wärmezufuhr zum Faden oder Wärmeabfuhr vom Faden verwendet werden, was dann zu einer Umlenkungsstelle mit einer zusätzlichen thermischen Prozessfunktion führt (Gruppe D).
Das in Fig. 3a dargestellte Fadenführungselement hat die Form einer offenen \se und besteht aus einem Rohr 30. Ein solcher Fadenführer kann mit Luft einer beliebigen Temperatur durchblasen werden oder er kann in einen geschlossenen Kreislauf einer wärmeübertragenden Flüssigkeit integriert werden. Durch Regulierung der Geschwindigkeit und der Temperatur des wärmeübertragenden Mittels kann die Fadentemperatur in weiten Grenzen eingestellt und während dem Prozessablauf reguliert werden.
Fig. 3b zeigt ein Fadenführungselement mit der Form einer geschlossenen \se. Die eigentliche fadenführende \se 31 besteht aus einem abrasionsfesten Material und wird eng umgeben von einem Halter 32, der aus einem Rohr besteht. Das Rohr kann wiederum von Luft durchströmt oder an einen geschlossenen Wärmeübertragungskreislauf angeschlossen sein.
Fig. 3c zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Fadenführungselementes, das vor allem zusammen mit einer entsprechenden Vorrichtung zur Ventilation als geregelt gekühltes Fadenführungselement vorteilhaft sein kann. Die sattelförmig ausgestaltete, aus einem abrasionsfesten Material bestehende, fadenführende Oberfläche 33 sitzt auf einem perforierten oder geschlitzten Trägerrohr 34. Die durch die Reibung zwischen Faden und fadenführender Oberfläche entstehende Wärme fliesst in das Trägerrohr und wird von dort auf die Ventilationsluft übertragen. Regulierbarer Parameter ist auch hier die Geschwindigkeit und Menge der Ventilationsluft.
Fig. 3d zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Umlenkungsvorrichtung, bei der ein Faden F über ein zylinderförmiges Umlenkungselement 35 umgelenkt wird und dabei mit Luft, Dampf oder Flüssigkeit aus einer Düse 36 gekühlt oder erwärmt wird. Auch in diesem Falle sind Menge und/oder Temperatur des wärmeübertagenden Mittels für eine Regulierung verstellbar. Die Düse kann in radialer Richtung gegen das Umlen kungselement gerichtet sein, wie dies in der Figur dargestellt ist, oder aber in achsialer oder irgend einer anderen Richtung.
Fig. 3e zeigt ein Fadenführungselement als Draufsicht und als Schnitt senkrecht zu seiner Achse, dessen fadenführende Oberfläche 37 in achsialer Richtung gerippt ist und das mit einem achsialen Kanal 38 und Verbindungskanälen 39 zwischen dem achsialen Kanal und der grippten Oberfläche ausgerüstet ist. Der Faden F läuft senkrecht über die Rippen, während durch den achsialen Kanal und durch die Verbindungskanäle Gas oder Flüssigkeit mit der gewünschten Temperatur in die Täler 37.1 zwischen den Rippen 37.2 ausgepresst wird. Das ausgepresste Mittel dient dabei nicht nur als wärmeübertragendes Mittel, sondern beeinflusst durch den Pressdruck auch die Normalkraft des Fadens auf die Rippen des Umlenkungselementes und damit direkt die bei der Umlenkung entstehende Reibungswärme.
Fig. 3f zeigt ein Fadenführungselement, dessen Temperatur durch direktes Eintauchen in ein Kühl- oder Heizbad eingestellt und/oder reguliert wird. Der beispielsweise aus Stahl bestehende und mit Keramik beschichtete, zylinderförmige Umlenkungsstift 40 ist derart teilweise in ein Flüssigkeitsbad 41 eingetaucht, dass die Flüssigkeitsoberfläche parallel zu seiner Achse verläuft. Der Faden F läuft auf der vom Flüssigkeitsbad abgewandten Seite über den Umlenkungsstift und wird desshalb nicht benetzt. Die einstellbaren und/oder regulierbaren Umlenkungsparameter einer derart ausgerüsteten Umlenkungsstelle sind die Badtemperatur, eventuell eine Zirkulation der Badflüssigkeit und die Eintauchtiefe des Umlenkungsstiftes in das Bad.
Gruppe D: Umlenkungsstellen mit zusätzlichen Funktionen:
Fig. 4 zeigt dieselbe Umlenkungsvorrichtung wie Fig. 3f, aber mit einem Fadenlauf, durch den die fadenführende Oberfläche unter den Flüssigkeitsspiegel zu liegen kommt. Enthält das Bad eine Applikationsflüssigkeit, wie zum Beispiel einen Haftverbesserer, Farbstoff oder magnetische Additive, übernimmt die Umlenkungsstelle zusätzlich die Funktion der Applikation. Das Applikationsmittel ist dann gleichzeitig auch Wärmeübertragungsmittel, Schmier- und Gleitmittel.
The invention is in the field of textile technology and relates to a method and devices according to the preambles of independent claims 1 rsp. 14, by means of which the deflection of continuously moving threads on thread guide elements can be thermally controlled.
Thread guiding elements are required wherever the direction of continuously moving threads has to be changed during the manufacture, processing or further processing of threads. The threads can consist of a wide variety of materials, i. H. They can be made from plant, animal or synthetic raw materials and thus have a wide variety of properties. Depending on the application in the process and depending on the thread, thread guides of various shapes with thread guide surfaces of various properties are used, which meet the requirements in mechanical terms, that is, do not mechanically change the thread in an undesirable manner and, above all, do not damage it.
From a thermal point of view, the thread guides have so far received only a very limited amount of attention, which is also not necessary for thermally stable threads and, above all, for relatively slow-running threads. With today's thread speeds of, for example, 6000 m / min and today's highest demands on the thread and the product made from the thread, it would be very advantageous to get the deflection of thread guide elements under thermal control. By increasing the thread speed, the heat generated by the friction between the thread and the thread-guiding surface increases on a given thread guide, which leads to higher thread temperatures. For this reason, the deflection of known thread guide elements often represents a limit for the thread speed.
The production and processing of threads of the highest quality requires temperatures that have to be kept within certain limits and it is not possible to accept any temperature fluctuations during a process. Such conditions have an undesirable restrictive effect on thread manufacturing, thread processing and thread processing methods and above all on the design of corresponding devices.
The object of the invention is to present measures which make it possible to influence the heat balance of the deflection of a continuously moving thread on a thread guide element such that the thread temperature after a thread guide element or the difference in thread temperatures before and after the deflection point on a thread guide element is freely selectable, adjustable and / or continuously adjustable within certain limits.
These measures are intended to allow a certain process for a certain thread quality to be freed from known thermal restrictions, which are caused by the thread deflection, by appropriately configured deflection points provided with auxiliary devices. The thread speed should therefore no longer be restricted to a known extent by the application of the measures according to the invention, due to the thread temperatures being too high, which occur on thread guides. The choice of material and nature of deflecting surfaces should, for example, be much less restricted by the use of the measures according to the invention due to the thermal conditions created by them during operation.
The course of the thread in the process should no longer be caused, for example, by applying the measures according to the invention, by cooling sections necessarily following thread guide elements and by the impossibility of deflecting a thread at an already elevated temperature.
Furthermore, the measures according to the invention are intended to create operational parameters which can be changed during operation by a corresponding regulation. The aim of this is to be able to regulate the heat balance of deflection points in such a way that temperature fluctuations on the thread that occur anywhere in the process or outside the process are compensated for during the deflection. Likewise, for example, the thread temperature during the deflection should also vary in the case of process parameters (e.g. Thread speed) can be regulated to a constant value. By using deflection points equipped in this way, the temperature profile can be regulated over the entire process in an area that is optimal for the process and for maintaining or increasing the thread quality.
The measures according to the invention should also make it possible for the thread guide elements to take on thermal functions in addition to the deflection, so that they can also specifically cool or warm up the thread to be deflected.
It is also an object of the invention to provide devices which enable the measures described to be carried out. On the one hand, these devices should have such thermally configured thread guide elements that they mean no restriction even for faster processes with more sensitive threads, and auxiliary devices which enable regulation of the heat balance of the deflection point. The thread guide elements and associated auxiliary devices according to the invention are intended to be able to configure and / or equip existing and to be developed devices for carrying out thread manufacturing, thread processing and thread processing methods for specific threads and specific process requirements and / or to provide them with possibilities for thermal regulation.
This object is achieved by the method and the devices according to the characterizing parts of the independent claims 1 rsp. 14. Methods and devices will be described with reference to the following figures. Show:
Fig. 1 shows a diagram of the most important thermal variables in the deflection of a thread on a thread guide element and their interaction for the heat balance of the deflection,
Fig. 2 (a and b) exemplary embodiments of thread guide elements configured for increased heat flow from the thread guide element to the surroundings (QFF-U),
Fig. 3 (a to f) exemplary embodiments of thread guide elements configured for controllable or adjustable thread temperature by controlling or regulating the heat flow from the thread guide element to the environment (QFF-U),
Fig.
4 shows an exemplary embodiment of a redirection point, which takes on an application function in addition to the redirection function.
Fig. 1 shows the most important thermal variables that determine the thermal behavior when a thread is deflected on a thread guide element. Let F be the thread, namely Fe the thread entering the deflection point, Fa the thread leaving the deflection point, FF the thread guide element and U the environment, which in the broadest sense encompasses everything that is not thread and not thread guide element.
The thread entering the deflection point has a heat content QFe, which determines the temperature TFe of this thread. During the deflection, friction between the thread and the thread guide element generates frictional heat QR and changes in the thread, e.g. Stretching the thread or rubbing the individual fibrils together, the molecular heat QM. At the deflection point, heat flows between the thread and the thread guiding element (QF-FF), between the thread and the surroundings (QF-U) and between the thread guiding element and the surroundings (QFF-U) - the amount of heat QFa that the thread escaping from the deflection point leads away per unit of time dt (dQFa / dt), and thus the thread temperature TFa of the thread running out of the deflection point, are dependent on all the heat quantities Q mentioned, in accordance with the following equation:
dQFa / dt = dQFe / dt + dQR / dt +
dQM / dt - dQF-U / dt - dQF-FF / dt
(whereby the amounts of heat flowing from one element to the other should have a positive sign in the direction of the order selected in the indices. )
In a constantly running process with constant process and environmental parameters, a thermal equilibrium is established for the deflection of a specific thread on a specific thread guide element after a certain start-up time, i.e. the heat flow dQFa / dt, which is associated with the thread running out of the deflection flows out of the deflection point, and thus the thread temperature TFa will adjust to an equilibrium value.
The heat quantities QFe, QR, QM, QF-U and QF-FF are dependent on a large number of parameters. Some of these parameters, called process parameters in the following, influence not only the redirection but above all the higher-level process and should be freed from restrictions by the redirection as possible according to the task.
The following should be defined as process parameters:
- thread temperature (of the thread entering the deflection point),
- thread speed during deflection,
- thread tension during deflection,
-minimal deflection angle (wrap angle),
- All thread parameters, such as Material, mass per unit length, number, thickness and orientation of fibrils, surface quality,
- All parameters that determine the process steps before and after the redirection.
In order to be able to thermally control the deflection point in such a way that the process parameters can be freely selected within wide limits, the inventive measures control, set, control or regulate those parameters which only affect the deflection and are referred to below as deflection parameters. Using a simple example, this means: If a temperature-sensitive thread is to be deflected at a thread speed that would generate a too high temperature on a known thread guide element, the thread speed is not reduced accordingly (it is defined as a process parameter), but means are created that allow the thread temperature to be reduced via at least one deflection parameter, that is to say the thread guide is actively cooled, for example.
The deflection parameters are to be worked out in the following consideration, in which it is shown for each of the heat quantities occurring in the equation for the heat content QFa, on which parameters (process and deflection parameters) it depends. At the same time, examples of measures are listed with which the deflection parameters can be influenced in the sense of the method according to the invention. Then, some measures and exemplary embodiments of devices according to the invention which are advantageous for special, exemplary applications are described in detail with reference to the further figures.
The measures listed can be divided into two groups. On the one hand, there are measures for configuring the deflection point for adapted thermal behavior, and on the other hand measures that, in addition to configuring the deflection point, also open up possibilities for thermally regulating the deflection point. The measures listed are marked with a corresponding comment in brackets.
The amount of heat per unit time dQFe / dt that the incoming thread brings to the deflection point depends on the process-related thread treatment before the deflection, on the thread speed and on the heat flow between the environment and the thread Fe before the deflection. The parameters of the process-related thread treatment and the thread speed are process parameters and, according to the task, should not be used to control the heat balance at the deflection point. The heat flow between the surroundings and the thread immediately before the deflection can be influenced in the broadest sense. Many methods for cooling or heating continuously running threads are known from practice or are easily imaginable.
The following list gives some examples:
- forced air movement in the area of the thread passage (configuration and regulation),
- Passing through chambers with a cooling or heating liquid, possibly in counterflow (configuration and regulation),
- peeling off the air layer entrained by the thread by means of appropriate baffles (configuration and regulation),
- spraying the thread with a heating or cooling liquid (configuration and regulation),
- Evaporation of water carried in the vacuum, which the running thread generates, for example in a closed chamber (configuration).
The function that connects the heat content QFe of the incoming thread with the corresponding thread temperature TFe is mainly determined by the thread material and the thread mass per unit length. Both of these parameters are actually process parameters, but can possibly still be influenced by wetting the thread with a liquid in a narrow range.
The frictional heat dQR / dt that arises per unit of time during the deflection corresponds to the work that has to be done per unit of time to overcome the frictional force. Under the simplifying assumptions that the entire friction work is converted into heat, the following applies to the frictional heat dQR / dt generated per unit of time:
dQR / dt = f * S * alpha * (v-vu)
where: f coefficient of friction, in the first approximation independent of v,
S thread tension,
alpha deflection angle,
v-vu speed difference between thread and thread guide element.
The frictional heat generated per unit of time is not dependent on the deflection radius and the size of the contact surface.
The coefficient of friction f depends on the materials and the surface properties of both the thread and the thread guiding element, the properties of the thread being process parameters. The coefficient of friction can be influenced, for example, with the following methods and measures:
- Use of thread guide elements with correspondingly machined, thread-guiding surfaces (configuration),
- Use of appropriate materials for the thread-guiding surface of the thread-guiding element, which, however, must also have the desired minimum abrasion resistance (configuration),
- Wetting the thread guide element or the thread with a lubricating liquid (configuration and regulation).
According to the definition, the thread tension is a process parameter and should not be influenced. The normal force that acts on the deflection element from the thread can, however, be reduced by generating an opposing pressure force by means of liquid or gas pressure (see Fig. 3d).
The deflection angle alpha has a process-related minimum, i.e. the thread has to be redirected by an angle alpha min at a certain point depending on the process if two successive process steps require this. The deflection angle can, however, be increased by arranging the deflection element (s) and is therefore above the alpha min deflection parameter. The process-related alpha min can also be zero (no process-related deflection at the point of the thread guide element). The frictional heat can therefore be influenced by changing the deflection angle alpha. This can be done by:
- Use of thread guide elements which can be displaced relative to the thread run and / or relative to one another (configuration and regulation).
The thermal behavior of the deflection can also be influenced by a deflection by the angle alpha into several deflections by the angles alpha 1, alpha 2, alpha 3. . . is divided in such a way that alpha 1 + alpha 2 + alpha 3. . . = alpha. Between two partial deflection steps, the heat content of the thread is changed by passive heat exchange with the ambient air or by a method as described in the section on the heat content of the incoming thread QFe.
Appropriate devices would be, for example:
- Redirection over several thread guide elements with process steps interposed between them to influence the heat content of the thread (configuration and regulation),
- Use of thread guide elements with ribbed thread-guiding surfaces perpendicular to the thread running direction, with z. B. air can also be blown (configuration and regulation),
- Use of hollow thread guide elements with interrupted, thread-guiding surfaces, through which air can also be blown (configuration and regulation).
The difference v-vu between the thread speed (process parameter) and the speed of the thread-guiding surface (deflection parameter) can be influenced by thread guide elements that are movable or moving in the thread running direction. The frictional heat is highest when the thread-guiding surface stands still (or moves in the opposite direction to the thread), it is zero when the thread and thread-guiding surface move at the same speed. The bearing friction resulting from a movement of the thread-guiding surface can be controlled better by appropriate choice of material and lubricant than the friction between the thread and the thread-guiding element.
The following methods can be used to control the frictional heat:
- Use of cylindrical thread guide elements possibly driven at variable speed (configuration and possibly Regulation),
- Storage of the cylindrical thread guide elements such that they are rotated by the friction with the thread (configuration).
The molecular heat dQM / dt generated per unit of time depends on the thread parameters and the thread temperature, which are all process parameters. In other words, the molecular heat cannot be influenced via a redirection parameter.
The quantity of heat dQF-U / dt flowing per unit of time between the thread and the surroundings consists of two parts, a quantity of heat that flows away by conduction and a quantity of heat that is removed by convection.
Both parts are dependent on the heat transfer coefficient between thread and environment, the temperature difference between thread and environment and on the size of the contact surface. The convection part also depends on the relative speed between the thread and the environment. The amount of heat QF-U can be influenced, for example, by the following methods and measures:
:
- Change in the temperature of the ambient air in the area of the deflection by known measures (configuration),
- Change in the heat transfer coefficient by changing the composition of the ambient air, e.g. the humidity (configuration),
- ventilation in the area of the redirection (configuration and regulation),
Change in the heat transfer coefficient by wetting the thread with a suitable liquid (configuration),
- Contacting of the thread on the side opposite to the thread-guiding surface by means of special cooling or heating surfaces possibly running with the thread (configuration and regulation),
- Replacement of the liquid thrown off by the deflection (configuration and regulation).
- Influencing the contact area between the surroundings and the thread by appropriate thread guidance, for example, for large contact areas, if possible one fibril next to the other (configuration),
- Execution of the deflection in a liquid-flow chamber (configuration and regulation).
The amount of heat dQF-FF / dt flowing per unit of time between the thread and the thread guiding element depends on the heat transfer coefficient between the thread and the thread guiding surface, the temperature difference between the thread and the thread guiding surface and the size of the contact surface between the thread and the thread guiding surface.
The temperature TFF of the thread-guiding surface depends on the thermal conductivity, the mass and the specific heat of the thread-guiding element and the amount of heat dQFF-U / dt that flows between the thread-guiding element and the environment per unit of time.
The amount of heat dQF-FF / dt can be influenced, for example, by the following methods and measures:
- Use of thread guiding elements with correspondingly machined, thread guiding surfaces made of appropriate materials for specific heat transfer (configuration),
- wetting the thread with an appropriate liquid for specific heat transfer (configuration),
- Use of thread guide elements made of appropriate materials and with appropriate mass for specific thermal conductivity and thermal capacity (configuration),
- Use of thread guides with a corresponding radius and thread guide for a certain contact surface between thread and thread-guiding surface, e.g.
for a large contact area, large radius and, if possible, one fibril next to the other (configuration),
- Influence of the amount of heat QFF-U flowing between the thread guide element and the environment by:
Ventilation of the environment (configuration and regulation),
Change in the composition of the ambient air, e.g. B. Humidity (configuration),
Use of hollow thread guide elements through which air or liquid flows (configuration and regulation),
Use of thread guide elements with corresponding heat-conducting fasteners (configuration),
Use of thread guide elements with a corresponding contact surface with the environment, e.g. with cooling fins (configuration).
The above consideration of the thermal conditions when deflecting a continuously moving thread on a thread guide element is based on many simplifications. For example, the following were neglected:
- the aerodynamic friction between the environment and the thread,
- The heat conduction between thread locations with different temperatures.
In the following, measures for controlling the deflection thermals which are advantageous for special, exemplary applications and corresponding embodiments of devices for thread guidance or deflection will be discussed. The following areas of application should be dealt with:
A With appropriately configured thread guide elements, thread temperatures that are too high are prevented even for high thread speeds and threads sensitive to heat.
B A correspondingly configured thread guide element, which is actively cooled or heated with the help of appropriate auxiliary devices, creates a possibility at the deflection point to regulate the thread temperature within certain limits given by the process and thread material.
C Appropriate configuration of the thread guide elements opens up new materials for the thread-guiding surfaces that, for example, only have the desired properties at defined temperatures.
D With appropriate configuration and active cooling or heating, thread guide elements can take on other functions in addition to their guiding and deflecting functions, e.g. targeted thread cooling or heating, process run stabilization, application of applications in liquid or solid form, such as, for example, largely independent of process parameters. Color powder or adhesion promoter.
E With appropriate configuration and active cooling or heating, thread guide elements can be used at any process point (e.g. immediately after stretching).
F The thread temperature of the thread running out of a correspondingly configured deflection point can be used to regulate process parameters of the upstream or downstream process steps, for example. Temperature or speed parameters.
Group A: Prevention of too high thread temperatures by appropriately configured thread guides:
Natural fiber materials can be chemically modified by overheating, which greatly affects their properties. Synthetic threads can lose their mechanical stability due to overheating and can be undesirably stretched or even torn. In addition, substances carried by the thread such as oils, fats, waxes, sugar-like substances such as honeydew or other natural polymeric excretions can be chemically changed by overheating, causing them to crust, for example, and thereby cause irreparable quality losses on the thread. Such thermal damage must be prevented by using thread guide elements that can be operated with tolerable thread temperatures even at the very high thread speeds that are in demand today.
State-of-the-art thread guide elements mostly consist of ceramic materials with finely ground surfaces. Such materials are particularly suitable for thread guide elements because of their high abrasion resistance and because their surfaces can be ground to a quality that does not damage the threads running over them. However, ceramic materials generally have poor conductivity and the thread temperature rises rapidly with increasing thread speed and thus increasing friction between the thread and the thread guide element, because not enough heat can be dissipated through the ceramic material.
So that more heat can be dissipated from the thread guide and so that the thread temperature can be kept at a lower value at the same thread speed, it is advantageous to apply the ceramic material only as an outermost layer or even only as a very thin coating to a thread guide element that consists of a better apply heat-conducting material, for example made of a metal.
The Fig. 2a and b show exemplary embodiments of such thread guide elements. Rod-shaped thread guide elements are shown in both figures. The thread guide element of Fig. 2a consists of a heat-conducting core part 21a and an abrasion-resistant jacket part 22a, for example made of ceramic material. The thread guide element of Fig. 2b also has a heat-conducting core part 21b. This is coated with an abrasion-resistant material 22b.
Group B: Regulation of the thread temperature by appropriate configuration of the thread guide element and by switching on auxiliary devices:
The Fig. 3a to f show exemplary thread guide elements which can be actively cooled or heated and which, if they are connected to a corresponding auxiliary device, can also be used to regulate the thread temperature during the deflection. For such regulation, for example, the temperature of the thread running out of the deflection point is used as the control variable and any deflection parameter is used as the control variable. With unchanged or unchangeable deflection parameters, the following exemplary embodiments are also design variants of the aforementioned group A. If the auxiliary devices are sufficiently powerful, they can also be used for an additional targeted supply of heat for the thread or heat removal from the thread, which then leads to a deflection point with an additional thermal process function (group D).
The in Fig. 3a shown thread guide element has the shape of an open \ se and consists of a tube 30th Such a thread guide can be blown through with air of any temperature or it can be integrated into a closed circuit of a heat-transferring liquid. By regulating the speed and the temperature of the heat transfer medium, the thread temperature can be set within wide limits and regulated during the process.
Fig. 3b shows a thread guide element in the form of a closed \ se. The actual thread guiding 31 consists of an abrasion-resistant material and is closely surrounded by a holder 32, which consists of a tube. Air can flow through the tube or it can be connected to a closed heat transfer circuit.
Fig. 3c shows a further exemplary embodiment of a thread guide element, which can be particularly advantageous together with a corresponding device for ventilation as a controlled cooled thread guide element. The saddle-shaped thread-guiding surface 33 made of an abrasion-resistant material sits on a perforated or slotted carrier tube 34. The heat generated by the friction between the thread and the thread-carrying surface flows into the carrier tube and is transferred from there to the ventilation air. The adjustable parameter is the speed and amount of ventilation air.
Fig. 3d shows a further embodiment of the deflection device according to the invention, in which a thread F is deflected via a cylindrical deflection element 35 and is cooled or heated with air, steam or liquid from a nozzle 36. In this case, too, the amount and / or temperature of the heat-transferring agent can be adjusted for regulation. The nozzle can be directed in the radial direction against the deflection element, as shown in the figure, or in the axial or any other direction.
Fig. 3e shows a thread guide element as a top view and as a section perpendicular to its axis, the thread-guiding surface 37 of which is ribbed in the axial direction and which is equipped with an axial channel 38 and connecting channels 39 between the axial channel and the gripped surface. The thread F runs vertically over the ribs, while gas or liquid at the desired temperature into the valleys 37 through the axial channel and through the connecting channels. 1 between the ribs 37. 2 is squeezed. The pressed-out medium not only serves as a heat-transfer medium, but also influences the normal force of the thread on the ribs of the deflection element and thus directly the frictional heat generated during the deflection.
Fig. 3f shows a thread guiding element, the temperature of which is set and / or regulated by direct immersion in a cooling or heating bath. The cylindrical deflection pin 40, for example made of steel and coated with ceramic, is partially immersed in a liquid bath 41 such that the liquid surface runs parallel to its axis. The thread F runs over the deflection pin on the side facing away from the liquid bath and is therefore not wetted. The adjustable and / or adjustable deflection parameters of a deflection point equipped in this way are the bath temperature, possibly a circulation of the bath liquid and the depth of immersion of the deflection pin in the bath.
Group D: Redirection points with additional functions:
Fig. 4 shows the same deflection device as FIG. 3f, but with a thread path through which the thread-guiding surface comes to lie below the liquid level. If the bath contains an application liquid, such as an adhesion promoter, dye or magnetic additives, the deflection point also takes on the function of the application. The application medium is then also heat transfer medium, lubricant and lubricant.