[0001] Die Aufgabe des Heizers bei einem Streck- oder Texturierprozess für thermoplastische Filamentgarne besteht darin, das mit grosser Geschwindigkeit durchlaufende Garn über seinem ganzen Querschnitt auf eine präzis vorbestimmte Temperatur zu bringen. Dies erfolgt in der am häufigsten eingesetzten Methode durch den körperlichen Kontakt des Garns mit einem geheizten, feststehenden oder beweglichen Körper, dessen Temperatur mit einem Regler konstant gehalten wird. Die Wärme wird durch einen elektrischen Heizstab im Kanal oder aber mit einem flüssigen oder dampfförmigen Wärmeträger eingebracht. Der Körper kann eine langgestreckte Platte (Heizplatte) oder ein Kanal (Heizkanal) sein, oder aber ein drehender Zylinder, der gleichzeitig zum Fördern des Garns dient (Heizgalette).
[0002] Ein feststehender Kontaktheizer in Form eines Heizkanals ist beispielsweise in der Patentschrift WO 2005/007 951 aufgezeigt. Bei dieser Form des Kontaktheizers hängt dessen Länge direkt zusammen mit der Geschwindigkeit des laufenden Garns, weil eine bestimmte Dauer des Kontaktes erforderlich ist, um eine bestimmte Wärmemenge zu übertragen. Bei akzeptablen Verarbeitungsgeschwindigkeiten im Bereich von 600...1200 m/min ergibt dies eine Länge des Heizkanals von deutlich mehr als 1 m. Die grosse Länge des Heizers führt zu langen Wegen für das Garn, zu ungünstigen Bedingungen für das Einlegen des Garns vor dem Aufstarten der Produktion und zu einem grossen Raumbedarf der gesamten Maschine. Auch bei guter Wärmeisolation der ganzen Einrichtung sind die Wärmeverluste, die sich aus der grossen Oberfläche ergeben, beträchtlich.
Kennzeichen des Kontaktheizers ist, dass die Temperatur des besagten Körpers identisch ist mit der für das Garn vorgesehenen Endtemperatur beim Durchlauf durch den Heizer. Üblich sind Temperaturen von 150...300 Grad C.
[0003] Heizgaletten andererseits stellen technisch wie betrieblich hohe Anforderungen. Weil die mit hoher Geschwindigkeit rotierende Galette entsprechend hohe Luftgeschwindigkeiten an ihrer Oberfläche mit sich bringt sind die Wärmeverluste um eine Grössenordnung höher als bei einer unbeweglichen Wärmequelle. Um die Wärmeabgabe an die umgebende Luft in Grenzen zu halten werden Heizgaletten oft mit einer thermischen Isolation verschalt. Dies erhöht den technischen Aufwand nochmals erheblich, verunmöglicht das Überwachen des laufenden Garns und erschwert zusätzlich das Einziehen des Fadens. Eine derartige Anordnung beschreibt die Patentschrift EP 1 536 196.
[0004] Ein intensiverer Wärmeübergang als beim Kontaktheizer findet bei den sogenannten Kurz oder Hochtemperaturheizern statt, die wieder in Form eines Kanals mit elektrisch geheizten Wänden aufgebaut sind, jedoch mit wesentlich höherer Temperatur arbeiten. Diese liegt im Bereich von 400...800 Grad C. Der Wärmeübergang ins Garn erfolgt kontaktlos durch Konvektion und Wärmestrahlung. Die Länge eines solchen Heizkanals für den bereits genannten Geschwindigkeitsbereich liegt bei 0,5 bis Im. Ein Heizer dieser Art ist in der Patentschrift EP 0 551 987 beschrieben. Der Faden läuft in einem rohrförmigen Kanal, der von einem parallel zum Fadenlauf angeordneten Heizelement elektrisch geheizt wird. Kanal und Heizelement sind gegenüber der Umgebung thermisch isoliert. Der Faden wird von je einem Fadenführer am Eintritt und Austritt geführt.
Im Betrieb ist die zum Einführen des Fadens benützte Öffnung des Kanals durch einen thermisch isolierenden Deckel geschlossen. Ein besonderes Problem besteht darin, dass das im Heizer befindliche Garn die heissen Wände des Kanals keinesfalls berühren darf, damit es nicht schmilzt. Die in der genannten Patentschrift vorgeschlagene Konstruktion gewährleistet dies infolge des grossen Abstandes der beiden Fadenführer vor und nach dem Heizer nicht.
[0005] Ein weiterer derartiger Heizer, der das erwähnte Problem löst, ist in der Patentschrift EP 0 905 295 beschrieben. Um die Wärmeverluste an der äusseren Oberfläche zu vermindern sind hier zwei parallel verlaufende Heizkanäle zu einem System vereinigt. Das Garn wird durch Fadenführer gestützt, die einen gleichbleibenden Abstand zu den heizenden Wänden des Kanals gewährleisten. Die Temperatur dieser Wände ist infolge der unsymmetrischen Lage der Heizelemente nicht gleichmässig. Von dieser zumindest im Querschnitt örtlich unterschiedlichen Temperatur und damit von der jeweiligen Position des Fadens hängt die Intensität des Wärmeübergangs ab. Ein zeitweises Abheben des Fadens von einem Fadenführer führt deshalb zu einer unregelmässigen Erwärmung des Fadens.
Bei der dargestellten Konfiguration der Fadenführung lässt sich ein solches Abheben vor allem bei höheren Fadengeschwindigkeiten nicht vermeiden. Die beschriebene Konstruktion ist deshalb auf den in der Patentschrift beschriebenen Geschwindigkeitsbereich von 600 bis 800 m/min begrenzt.
[0006] Ein ähnlich aufgebauter Kanal mit einer Vielzahl von Führungselementen für einen oder mehrere parallel durchlaufende Fäden ist in der Patentschrift PTC/WO 00/73 557 beschrieben. Um den Fadenlauf im Kanal geometrisch genau zu definieren verläuft er bei dieser Lösung im Zickzack durch wechselweise gestaffelt angebrachte Fadenleitelemente. Dies erschwert einerseits das Einlegen des Fadens. Andererseits führt die reibende Berührung des Fadens zu den allgemein bekannten Verschleiss- und Verschmutzungserscheinungen an den Fadenführern und damit zu einem unzumutbaren Instandhaltungsbedarf.
[0007] Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, sowohl die Abmessungen des Heizers zu verkleinern, die mögliche Garngeschwindigkeit zu erhöhen und die Bedienung zu vereinfachen, als auch den Wirkungsgrad zu verbessern, das heisst die Wärmeverluste zu senken. Die dazu eingesetzte Vorrichtung wird in der Folge beschrieben. Fig. 1zeigt das Gesamtsystem im Überblick. Der Faden 1 durchläuft den aus einem Unterteil 2 und einem Deckel 3 bestehenden Heizer und wird darin von einem Heizelement 4 aufgeheizt. Ein Temperatursensor 5 gibt ein Istwertsignal 9 für die Temperatur an den Heizungsregler 6 ab. Dieser wird vom elektrischen Netz über die Zuleitung 7 gespeist und gibt seinerseits eine Speisespannung 8 an das Heizelement 4 ab. Dieses ist vorzugsweise als linearer Halogenstrahler ausgebildet, dessen Glühdraht aus Wolfram mit Temperaturen um 2100 Grad C arbeitet.
Der Wärmeübergang an das Garn erfolgt einerseits durch Infrarotstrahlung, andererseits über die umgebende Luft im Heizer, also grundsätzlich kontaktlos.
[0008] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Heizer in Arbeitsstellung bei geschlossenem Deckel. Der Unterteil 2 ist schalenförmig ausgebildet. Er enthält eine Innenschale 11, die als Reflektor für die vom Heizelement 4 ausgehende Infrarotstrahlung ausgebildet ist. Diese Strahlung überträgt die Wärme vom Heizelement 4 auf den durchlaufenden Faden 1. Die Innenschale 11 ist vom Unterteil 2 durch eine thermische Isolation 13 getrennt, welche eine Wärmeabgäbe an das Unterteil 2 und somit an die Umgebung des Heizers vermindert. Um einen optimalen Reflexionsgrad für Infrarotstrahlung zu gewährleisten ist die reflektierende Innenfläche der Innenschale 11 ist mit Gold beschichtet. Der Deckel 3 ist mit dem Unterteil 2 mit einem seitlichen Scharnier 10 verbunden.
Er enthält einen dem Heizelement 4 zugewandten Reflektor 12, der zusammen mit der Innenschale 11 des Unterteils 2 ein geschlossenes Kompartiment bildet. Der Reflektor 12 ist gegenüber dem Deckel 3 analog zur Innenschale 11 thermisch isoliert und auf der dem Heizelement 4 zugewandten Seite mit Gold beschichtet.
[0009] Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch den Heizer und damit die gleichen Komponenten wie in Fig. 2, jedoch mit dem Deckel 3 in geöffneter Stellung, wie sie für das Einlegen des Fadens 1 benützt wird. Die bezeichneten Komponenten entsprechen jenen von Fig. 2.
[0010] Der innere Aufbau des Heizers mit dem Durchlauf des Fadens 1 ist in Fig. 4 in einer seitlichen Ansicht, in Fig. 5in der Draufsicht dargestellt. Der Unterteil des Heizers 2 trägt die Innenschale 11 über die thermische Isolation 13. Das Heizelement 4 wird durch die elektrisch isolierten Kontaktstifte 15 und 16 in seiner Lage fixiert und gleichzeitig elektrisch kontaktiert. Zwei rotierende Umlenkrollen 17 und 18, hier in zweistöckiger Ausführung dargestellt, legen den Lauf des Garns 1 derart fest, dass dieses auf beiden Seiten des Heizelementes 4 mehrfach mit im wesentlichen gleichbleibendem Abstand und parallel zu diesem durchläuft. Die einzelnen Abschnitte des durchlaufenden Garns 1 sind unter sich soweit distanziert, dass eine zufällige Berührung ausgeschlossen ist.
Bei diesem mehrfachen Durchlauf erwärmt die von der Innenschale 11 im Inneren des Heizers intensiv reflektierte Infrarotstrahlung den Faden im Wesentlichen unabhängig von seiner Lage und Laufrichtung.
[0011] Fig. 6 zeigt die im Inneren des Heizers zirkulierende Luftströmung. Der Faden 1 tritt an der Stelle des Fadenführers 19 durch den Unterteil 2 ins Innere des Heizers ein, wo er zwischen dem Heizelement 4 und der Innenschale 11 mehrfach durchläuft. Die thermische Isolation 13 vermindert den Wärmeübergang von der Innenschale 11 zum Unterteil 2. Die Kontaktstifte 15 und 16 sowie die Umlenkrollen 17 und 18 sind in Fig. 4und 5beschrieben. Der Faden tritt durch den Fadenführer 20 aus dem Heizer aus. Die beiden Fadenführer 19 und 20 sind als schmale Schlitze ausgebildet, wodurch der Ein- und Austritt der vom Faden mitgeschleppten Luft auf ein Minimum reduziert wird. In der Folge zirkuliert die im Innenraum des Heizers befindliche Luft entsprechend dem Fadenlauf, wie dies die Pfeile 21 andeuten.
Damit kommt ein intensiver Austausch von Wärme zwischen der zirkulierenden Luft und den Oberflächen von Heizelement 4 und Innenschale 11 zustande. Die genannten Oberflächen wie auch die zirkulierende Luft weisen im Wesentlichen die gleiche Temperatur auf. Das Garn 1 nimmt im Zug seiner Durchläufe durch die intensive Konvektion im Wesentlichen ebenfalls die Temperatur der zirkulierenden Luft an. Dasselbe gilt für den Temperatursensor 5, der von der zirkulierenden Luft bestrichen wird.
[0012] Fig. 7 zeigt schematisch das Konzept der Temperaturregelung. Die Stellgrösse 22 als Ausgangsignal einer Kette von drei in bekannter Weise verschachtelten Reglern bestimmt die elektrische Spannung, welche an das Heizelement gelegt wird. Der Regler 24 übernimmt an seinem Eingang als Istwert 23 die Temperatur des Heizelementes selbst. Diese wird aus dem elektrischen Widerstand des Heizelementes hergeleitet, dessen Wert von der Temperatur des Heizelementes abhängt. Der Zusammenhang dieser Temperatur mit der am Heizelement angelegten elektrischen Spannung ist unmittelbar und vergleichsweise sehr rasch. Der Regler 24 ist ein rasch reagierender PI-Regler mit Zeitkonstanten im Bereich einiger 10 ms.
[0013] Der ihm vorgeschaltete Regler 25 erzeugt an seinem Ausgang den Sollwert für die Temperatur des Heizelementes. Er übernimmt als Istwert an seinem Eingang die Temperatur der im Inneren des Heizers zirkulierenden Luft, welche in Form des Temperatursignals 9 vom Temperatursensor geliefert wird, der im Heizer eingebaut ist. Diese Temperatur entspricht im Wesentlichen der vom Faden beim Verlassen des Heizers eingenommenen Temperatur. Sie folgt mit einiger Verzögerung der dem Heizer zugeführten elektrischen Leistung. Der Regler 25 reagiert deutlich langsamer als der Regler 24. Regler 25 ist ebenfalls als PI-Regler ausgeführt. Seine Zeitkonstanten liegen im Bereich von einigen Sekunden.
[0014] Der den ganzen Prozess steuernde Regler 26 am Eingang der Reglerkette übernimmt an seinem Eingang als Istwert die auf das Garn wirkende Zugspannung 27 im Bereich des Heizers. Diese wird auf bekannte Weise mit einem Fadenspannungssensor erfasst. Die Fadenspannung bei vorgegebenem Verzugsverhältnis ist das massgebende Merkmal für die Wirkung der Fadentemperatur auf die innere polymere Struktur des Fadens. Der Sollwert 28 für die Fadenspannung ist deshalb der für den Prozess massgebende Parameter. Die Fadenspannung folgt in negativem Sinn der Temperatur, das heisst bei höherer Temperatur nimmt die Fadenspannung ab. Dieser Effekt ist ausgesprochen nichtlinear. Der Regler 26 ist in seiner Reaktionsgeschwindigkeit gleich wie der darauf folgende Regler 25.
Seine Zweckbestimmung ist die Aufbereitung und Linearisierung des Fadenspannungssignals im Bereich, der durch Regelung der Heizertemperatur konstant zu halten ist.
[0015] Die Vorteile des beschriebenen Systems liegen zusammenfassend in den folgenden Punkten.
[0016] Der mehrfache Durchlauf des Fadens nützt den zur Verfügung stehenden Raum gut aus und führt zu einer besonders kurzen Baulänge des gesamten Heizers. Dies wiederum erlaubt den Aufbau kleinerer Maschinen, bei denen der gesamte Fadenlauf im Griffbereich des davor stehenden Bedieners liegt. Versuche haben ergeben, dass ein derartiger Heizer mit einer Länge von 330 mm vergleichbare Ergebnisse bringt wie die vorgängig aufgeführten Kontakt-und Hochtemperaturheizer.
[0017] Mit der höheren Temperatur der Strahlungsquelle (mehr als 1500 Grad C, vorzugsweise im Bereich von 1800 bis 2100 Grad C) gegenüber den bekannten und üblichen Wärmestrahlern mit 700 bis 800 Grad C ergibt sich somit ein wesentlich intensiverer Wärmeübergang auf den Faden, wobei allfällig daraus resultierende Wärmeverluste gegenüber diesem Gewinn vernachlässigbar sind. Dies beruht auf dem Effekt, dass die Intensität der Wärmestrahlung mit der 4. Potenz der Temperatur zunimmt, während Verluste durch Wärmeleitung und Konvektion grundsätzlich linear von der Temperatur abhängen. Dies trägt zu einem deutlich besseren Wirkungsgrad der Anordnung bei.
[0018] Mit dem Einsatz hochwirksamer, auf der Aussenseite thermisch isolierter Reflektoren und dem Ein- und Austritt des Garns durch schlitzförmige Fadenführer von geringem Durchlassquerschnitt ergibt sich ein thermisches Gleichgewicht im Heizer, das typisch bei den folgenden Werten liegt. Die Temperatur des strahlenden Wolframwendeis in Halogenstrahler liegt bei 1800...2100 Grad C, jene der Reflektoren und der im Heizer befindlichen Luft bei 300...600 Grad C, und schliesslich die Aussenwand des Heizers bei 80...120 Grad C.
[0019] Durch Einsatz dieser Reflektoren wird die Strahlung im geschlossenen Raum räumlich optimal ausgenützt. Sie wirkt allseitig und somit auf das Garn weitgehend unabhängig von dessen Lage und Orientierung. Dies wiederum macht eine exakte Führung des Garnes überflüssig und ermöglicht erst einen mehrfachen, gefalteten Durchlauf des Garns im Heizer. Hieraus ergeben sich zunächst die bereits genannten kleineren Dimensionen des Heizers, in der Folge aber auch eine reduzierte Abgabe von Wärme an die Umgebung. Dies wiederum trägt zu einem deutlich besseren Wirkungsgrad des Heizers bei.
[0020] Der intensive Kontakt des mehrfach ein identisches Luftvolumen durchlaufenden Garns mit der im Heizer zirkulierenden Luft und der ebenso intensive Kontakt des Temperatursensors im Heizer mit dieser Luftmasse ergeben einen gut reproduzierbaren Zusammenhang in den Temperaturen von Garn und Sensor. Die beschriebene Regelung gewährleistet somit eine gute Beherrschung der Garntemperatur. Jedenfalls eine viel bessere als bei den bekannten Anordnungen, in denen der Temperatursensor im heizenden Festkörper untergebracht ist und dem Einfluss der umgebenden Luft entzogen ist.
[0021] Die Steuerung der Heizertemperatur ausgehend von einer für den Prozess charakteristischen Fadenzugkraft berücksichtigt das generische Verhalten thermoplastischer Garne beim Verzug und trägt dazu bei, diesen Prozess in seinen Auswirkungen auf die Garneigenschaften exakt gleichförmig und wiederholbar zu halten.
The object of the heater in a stretching or texturing process for thermoplastic filament yarns is to bring the traversing at high speed yarn over its entire cross section to a precise predetermined temperature. This is done in the most common method by the physical contact of the yarn with a heated, fixed or movable body whose temperature is kept constant with a regulator. The heat is introduced by an electric heating element in the channel or with a liquid or vapor heat transfer medium. The body may be an elongated plate (heating plate) or a channel (heating channel), or a rotating cylinder which simultaneously serves to convey the yarn (heating godet).
A fixed contact heater in the form of a heating channel is shown for example in the patent WO 2005/007 951. In this form of contact heater whose length is directly related to the speed of the running yarn, because a certain period of contact is required to transmit a certain amount of heat. At acceptable processing speeds in the range of 600 ... 1200 m / min, this results in a length of the heating channel of significantly more than 1 m. The large length of the heater leads to long paths for the yarn, to unfavorable conditions for the insertion of the yarn before the start of production and to a large space requirement of the entire machine. Even with good thermal insulation of the whole device, the heat losses resulting from the large surface, considerable.
Characteristic of the contact heater is that the temperature of the said body is identical to the final temperature for the yarn as it passes through the heater. Common are temperatures of 150 ... 300 degrees C.
Heizgaletten other hand, make high demands both technically and operationally. Because the galette rotating at high speed entails correspondingly high air velocities on its surface, the heat losses are an order of magnitude higher than with a stationary heat source. In order to limit the heat transfer to the surrounding air Heizgaletten are often boarded with a thermal insulation. This increases the technical effort again considerably, makes it impossible to monitor the running yarn and also makes it difficult to pull in the thread. Such an arrangement is described in the patent EP 1 536 196.
A more intense heat transfer than the contact heater takes place in the so-called short or high temperature heaters, which are again constructed in the form of a channel with electrically heated walls, but operate at a much higher temperature. This lies in the range of 400 ... 800 degrees C. The heat transfer into the yarn takes place without contact by convection and heat radiation. The length of such a heating channel for the above-mentioned speed range is 0.5 to Im. A heater of this type is described in the patent EP 0 551 987. The thread runs in a tubular channel which is electrically heated by a parallel to the yarn path arranged heating element. Channel and heating element are thermally insulated from the environment. The thread is guided by a thread guide at the entrance and exit.
In operation, the aperture of the channel used to introduce the thread is closed by a thermally insulating lid. A particular problem is that the yarn in the heater must not touch the hot walls of the channel, so it does not melt. The proposed in the cited patent design does not ensure this due to the large distance between the two yarn guides before and after the heater.
Another such heater which solves the mentioned problem is described in the patent EP 0 905 295. In order to reduce the heat losses on the outer surface, two parallel heating channels are combined to form one system. The yarn is supported by yarn guides, which ensure a constant distance to the heating walls of the channel. The temperature of these walls is not uniform due to the asymmetrical position of the heating elements. The intensity of the heat transfer depends on this at least locally different temperature and thus on the respective position of the thread. A temporary lifting of the thread from a thread guide therefore leads to an irregular heating of the thread.
In the illustrated configuration of the thread guide, such a lift can not be avoided especially at higher thread speeds. The construction described is therefore limited to the speed range of 600 to 800 m / min described in the patent.
A similarly constructed channel with a plurality of guide elements for one or more parallel yarns is described in the patent PTC / WO 00/73 557. In order to define the yarn path in the channel geometrically accurate, it runs in this solution in zigzag by alternately staggered attached thread guide elements. On the one hand, this makes it difficult to insert the thread. On the other hand, the rubbing contact of the thread leads to the well-known signs of wear and tear on the thread guides and thus to an unreasonable maintenance requirement.
The present invention aims to reduce both the dimensions of the heater, to increase the possible yarn speed and to simplify the operation, as well as to improve the efficiency, that is to reduce the heat losses. The device used for this purpose will be described below. Fig. 1 shows the overall system at a glance. The thread 1 passes through the heater consisting of a lower part 2 and a cover 3 and is heated therein by a heating element 4. A temperature sensor 5 outputs an actual value signal 9 for the temperature to the heating controller 6. This is fed by the electrical network via the supply line 7 and in turn is a supply voltage 8 to the heating element 4 from. This is preferably designed as a linear halogen radiator whose filament of tungsten with temperatures around 2100 degrees C works.
The heat transfer to the yarn takes place on the one hand by infrared radiation, on the other hand via the surrounding air in the heater, so basically contactless.
Fig. 2 shows a cross section through the heater in working position with the lid closed. The lower part 2 is cup-shaped. It contains an inner shell 11, which is designed as a reflector for the emanating from the heating element 4 infrared radiation. This radiation transmits the heat from the heating element 4 to the continuous thread 1. The inner shell 11 is separated from the lower part 2 by a thermal insulation 13, which reduces heat dissipation to the lower part 2 and thus to the surroundings of the heater. In order to ensure an optimum reflectance for infrared radiation, the reflective inner surface of the inner shell 11 is coated with gold. The lid 3 is connected to the lower part 2 with a lateral hinge 10.
It contains a heating element 4 facing reflector 12, which forms a closed compartment together with the inner shell 11 of the lower part 2. The reflector 12 is thermally insulated from the lid 3 analogously to the inner shell 11 and coated on the side facing the heating element 4 with gold.
Fig. 3 shows the cross section through the heater and thus the same components as in Fig. 2, but with the lid 3 in the open position, as it is used for the insertion of the thread 1. The designated components correspond to those of FIG. 2.
The internal structure of the heater with the passage of the thread 1 is shown in Fig. 4 in a side view, in Fig. 5in the plan view. The lower part of the heater 2 carries the inner shell 11 via the thermal insulation 13. The heating element 4 is fixed by the electrically insulated contact pins 15 and 16 in position and at the same time electrically contacted. Two rotating pulleys 17 and 18, shown here in two-storey design, set the course of the yarn 1 so that it passes through on both sides of the heating element 4 several times with substantially constant distance and parallel to this. The individual sections of the continuous yarn 1 are distanced to one another so far that a random contact is excluded.
During this multiple pass, the infrared radiation intensively reflected by the inner shell 11 inside the heater heats the yarn essentially independently of its position and running direction.
Fig. 6 shows the circulating inside the heater air flow. The thread 1 occurs at the location of the yarn guide 19 through the lower part 2 into the interior of the heater, where it passes through several times between the heating element 4 and the inner shell 11. The thermal insulation 13 reduces the heat transfer from the inner shell 11 to the lower part 2. The contact pins 15 and 16 and the deflection rollers 17 and 18 are described in FIGS. 4 and 5. The thread exits through the thread guide 20 from the heater. The two yarn guides 19 and 20 are formed as narrow slots, whereby the inlet and outlet of the entrained by the thread air is reduced to a minimum. As a result, the air in the interior of the heater circulates according to the yarn path, as indicated by the arrows 21.
This results in an intensive exchange of heat between the circulating air and the surfaces of heating element 4 and inner shell 11. The surfaces mentioned as well as the circulating air have substantially the same temperature. The yarn 1, in the course of its passes through the intense convection, also substantially assumes the temperature of the circulating air. The same applies to the temperature sensor 5, which is coated by the circulating air.
Fig. 7 shows schematically the concept of temperature control. The manipulated variable 22 as output signal of a chain of three knobs nested in a known manner determines the electrical voltage which is applied to the heating element. The controller 24 assumes at its input as the actual value 23, the temperature of the heating element itself. This is derived from the electrical resistance of the heating element, the value of which depends on the temperature of the heating element. The relationship between this temperature and the electrical voltage applied to the heating element is immediate and comparatively very rapid. The controller 24 is a fast-reacting PI controller with time constants in the range of a few 10 ms.
The upstream of him controller 25 generates at its output the setpoint for the temperature of the heating element. It takes over as the actual value at its input the temperature of the air circulating inside the heater, which is supplied in the form of the temperature signal 9 from the temperature sensor, which is installed in the heater. This temperature corresponds essentially to the temperature assumed by the thread when leaving the heater. It follows with some delay the electric power supplied to the heater. The controller 25 reacts much slower than the controller 24. Controller 25 is also designed as a PI controller. Its time constants are in the range of a few seconds.
The controller 26 controlling the whole process at the input of the regulator chain accepts at its input as an actual value the tensile stress 27 acting on the yarn in the region of the heater. This is detected in a known manner with a yarn tension sensor. The thread tension at a given draft ratio is the determining factor for the effect of the thread temperature on the inner polymeric structure of the thread. The set value 28 for the thread tension is therefore the decisive parameter for the process. The thread tension follows the temperature in a negative sense, ie at higher temperature the thread tension decreases. This effect is very nonlinear. The controller 26 is in its reaction rate the same as the subsequent controller 25th
Its purpose is the preparation and linearization of the yarn tension signal in the area, which must be kept constant by controlling the heater temperature.
The advantages of the system described are summarized in the following points.
The multiple pass of the thread makes good use of the available space and leads to a particularly short length of the entire heater. This in turn allows the construction of smaller machines, in which the entire yarn path is in the grip area of the operator standing in front. Experiments have shown that such a heater with a length of 330 mm comparable results as the previously listed contact and high temperature heater.
With the higher temperature of the radiation source (more than 1500 degrees C, preferably in the range of 1800 to 2100 degrees C) over the known and usual heat radiators with 700 to 800 degrees C thus results in a much more intense heat transfer to the thread Any resulting heat losses compared to this profit are negligible. This is due to the effect that the intensity of the heat radiation increases with the 4th power of the temperature, while losses due to heat conduction and convection basically depend linearly on the temperature. This contributes to a significantly better efficiency of the arrangement.
With the use of highly effective, on the outside thermally insulated reflectors and the entry and exit of the yarn through slit-shaped yarn guide of low passage cross-section results in a thermal equilibrium in the heater, which is typically at the following values. The temperature of the radiating tungsten change ice in halogen lamps is 1800 ... 2100 degrees C, that of the reflectors and the air in the heater at 300 ... 600 degrees C, and finally the outer wall of the heater at 80 ... 120 degrees C.
By using these reflectors, the radiation in the closed space is spatially optimally utilized. It acts on all sides and thus on the yarn largely independent of its position and orientation. This in turn makes an exact guidance of the yarn superfluous and allows only a multiple, folded passage of the yarn in the heater. This initially results in the already mentioned smaller dimensions of the heater, but in consequence also a reduced release of heat to the environment. This in turn contributes to a much better efficiency of the heater.
The intensive contact of several times an identical volume of air passing yarn with the air circulating in the heater and the equally intense contact of the temperature sensor in the heater with this air mass give a good reproducible relationship in the temperatures of yarn and sensor. The described regulation thus ensures good control of the yarn temperature. In any case, a much better than in the known arrangements in which the temperature sensor is housed in the heating solid and is removed from the influence of the surrounding air.
Controlling the heater temperature based on a yarn tension characteristic of the process takes into account the generic behavior of thermoplastic yarns during warpage and helps keep this process exactly uniform and repeatable in its effects on yarn properties.