CH700754B1 - Vorrichtung zum Aufheizen eines durchlaufenden Fadens. - Google Patents

Abstract

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. Der Faden (1) durchläuft den aus einem Unterteil (2) und einem Deckel (3) bestehenden Heizer in einem mehrfach gefalteten Pfad und wird darin von einem Heizelement (4) aufgeheizt. Ein Temperatursensor (5) gibt ein Istwert-Signal (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 als linearer Halogenstrahler ausgebildet, dessen Glühdraht aus Wolfram mit Temperaturen um 2100 °C arbeitet. Der Wärmeübergang an das Garn erfolgt einerseits durch Infrarotstrahlung, andererseits über die umgebende Luft im Heizer, also grundsätzlich kontaktlos. Der Heizer ist innen ausgekleidet mit Reflektoren für die Strahlung und einer thermischen Isolation. Die Regelung der Temperatur erfolgt durch verschachtelte Regelkreise. Der Sollwert für die Heizertemperatur wird aus der Fadenzugspannung abgeleitet.

Description

[0001] Die Aufgabe des Heizers bei einem Streck- oder Texturierprozess für thermoplastische Filamentgarne besteht darin, den mit grosser Geschwindigkeit durchlaufenden Faden über seinem ganzen Querschnitt auf eine präzis vorbestimmte Temperatur zu bringen. Dies erfolgt in der am häufigsten eingesetzten Methode durch den körperlichen Kontakt des Fadens mit einem geheizten, fest stehenden 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 fest stehender 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° 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° 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 1 m. 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. <tb>Fig. 1<sep>zeigt die Vorrichtung im Überblick. <tb>Fig. 2<sep>zeigt den Heizer mit geschlossenem Deckel. <tb>Fig. 3<sep>zeigt den Heizer mit offenem Deckel. <tb>Fig. 4<sep>zeigt den inneren Aufbau des Heizers in seitlicher Ansicht. <tb>Fig. 5<sep>zeigt den inneren Aufbau des Heizers in der Draufsicht. <tb>Fig. 6<sep>zeigt die im Heizer zirkulierende Luftströmung. <tb>Fig. 7<sep>zeigt das Konzept der Temperaturregelung.

[0008] Der Fadenlauf geht aus Fig. 1hervor. 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 Istwert-Signal 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° C arbeitet. Der Wärmeübergang an das Garn erfolgt einerseits durch Infrarotstrahlung, andererseits über die umgebende Luft im Heizer, also grundsätzlich kontaktlos.

[0009] Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Heizer in Arbeitsstellung bei geschlossenem Deckel. Das 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 Wärmeabgabe 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 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.

[0010] 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.

[0011] 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 so weit 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.

[0012] 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 5gezeigt. 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] Die Vorteile der beschriebenen Vorrichtung liegen zusammenfassend in den folgenden Punkten.

[0017] 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 davorstehenden 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.

[0018] Mit der höheren Temperatur der Strahlungsquelle (mehr als 1500 °C, vorzugsweise im Bereich von 1800 bis 2100 °C) gegenüber den bekannten und üblichen Wärmestrahlern mit 700 bis 800 °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.

[0019] 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 Wolframwendels in Halogenstrahler liegt bei 1800 ... 2100 °C, jene der Reflektoren und der im Heizer befindlichen Luft bei 300 ... 600 °C, und schliesslich die Aussenwand des Heizers bei 80 ... 120 °C.

[0020] 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 Garns 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.

[0021] 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.

[0022] 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.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Aufheizen eines durchlaufenden Fadens mit einem Heizer, dadurch gekennzeichnet, dass im Heizer als Wärmequelle zumindest ein elektrisch geheizter, strahlender Körper als Heizelement mit einer Temperatur von mehr als 1500 °C eingesetzt ist.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Heizelement ein langgestreckter Halogenstrahler eingesetzt ist.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizer ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse umfasst, dessen Innenwand mindestens abschnittsweise als Reflektor für die wärmeübertragende Strahlung ausgebildet ist, und dass das Heizelement im Gehäuse untergebracht ist.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche einen Reflexionsgrad im gesamten Infrarotbereich von mehr als 99% aufweist.

5. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse doppelwandig ausgeführt ist.

6. Vorrichtung gemäss Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen den beiden Gehäusewänden ein wärmeisolierendes Material enthält.

7. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine für den Ein- und Austritt des Fadens dienende Öffnung als Fadenführer ausgeführt ist.

8. Vorrichtung gemäss Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als Fadenführer ausgebildete Öffnung einen freien Querschnitt von höchstens 50 mm<2> aufweist.

9. Vorrichtung gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus zwei Teilen besteht, die beweglich miteinander derart verbunden sind, dass sich der laufende Faden bei geöffnetem Gehäuse einlegen lässt.

10. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie derart ausgebildet ist, dass der Faden die von der Wärmequelle beaufschlagte Zone mehrfach durchlaufen kann.

11. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Temperatur ein von der Luft im Innenraum des Heizers beeinflussbarer Temperatursensor eingesetzt ist.

12. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung gemäss Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überwachung oder zur Regelung der Temperatur der elektrische Widerstand des Heizelementes gemessen und in ein seiner Temperatur entsprechendes Signal umgewandelt wird.

13. Verfahren gemäss Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Heizleistung in Abhängigkeit von der mechanischen Zugspannung auf dem durchlaufenden Faden gesteuert oder geregelt wird.