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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Detektieren von Löchern in der Wandung eines Rohrs, insbesondere eines Kunststoffrohrs, während dessen Herstellung.
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Rohre oder Rohrstücke aus Kunststoff finden insbesondere in der Automobilbranche einen breiten Anwendungsbereich. Insbesondere bei Fluidanwendungen, in welchen Kraftstoff, Öle oder auch Wasser durch die Rohre geleitet werden, sind die Anforderungen an die Dichtheit sehr hoch. Deshalb müssen diese während oder nach der Produktion auf Dichtheit überprüft werden.
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Hierfür sind bislang die Verfahren der Druckprüfung oder der Durchlaufspannungsprüfung bekannt. Bei der Druckprüfung werden händisch oder maschinell die zu prüfenden Rohre oder Rohrstücke in eine Apparatur eingelegt und einzeln auf Dichtigkeit geprüft. Dies ist sehr zeit- und kostenaufwändig. Bei der Durchlaufspannungsprüfung ist die Produktionsgeschwindigkeit stark begrenzt. Ferner können hierdurch systembedingt lediglich Löcher von über 500 µm erkannt werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren bereitzustellen, welche(s) es erlaubt, die Produktionsgeschwindigkeit als auch die Detektionsgenauigkeit gegenüber dem bekannten Stand der Technik zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch eine Vorrichtung zum Detektieren von Löchern in der Wandung eines Rohrs, insbesondere eines Kunststoffrohrs, während dessen Herstellung gelöst, wobei die Vorrichtung umfasst:
- eine Rohr-Ausbildungseinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, aus Grundmaterial ein Rohr auszubilden,
- eine Gas-Zuführeinheit, welche dazu eingerichtet ist, in das Innere des auszubildenden bzw. ausgebildeten Rohrs ein Gas oder ein Gasgemisch einzuleiten, wobei das Gas bzw. Gasgemisch ein Detektionsgas umfasst, und
- eine Detektionseinheit, welche an einer Außenseite des Rohrs angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, Detektionsgas zu detektieren, welches von der Innenseite des Rohrs aufgrund von Leckage durch die Wandung des Rohrs nach außen tritt.
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Dabei kann die Detektionseinheit, welche beispielsweise eine Schnüffelsonde und/oder einen Massenspektrometer zum Detektieren des Detektionsgases umfasst, zumindest oberhalb des Rohrs, vorzugsweise das Rohr in einer Umfangsrichtung umschließend, angeordnet sein.
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Das Detektionsgas, welches aufgrund eines Überdrucks innerhalb des Rohrs im Vergleich zu einem äußeren Umgebungsdruck und/oder aufgrund von Diffusion durch die Wandung des Rohrs austritt, kann so von der Detektionseinheit erfasst werden, so dass eine Leckage und somit eine Undichtigkeit des Rohrs erkannt werden kann.
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Im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen des Stands der Technik kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die Detektionseinheit einen Teil einer Herstellungsanlage für Rohre bilden, so dass die Detektion auf Undichtigkeit der Rohre direkt in den Herstellungsprozess mit eingebunden werden kann. Folglich kann darauf verzichtet werden, die zu überprüfenden Rohre in eine separate Prüfvorrichtung einlegen zu müssen.
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Natürlich ist die erfindungsgemäße Vorrichtung ebenso für Glattrohre wie für Wellrohre anwendbar.
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Die Gas-Zuführeinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Beimischung des Detektionsgases zu dem Gasgemisch in Abhängigkeit einer Strömungsrate des Gasgemischs in dem zu überprüfenden Rohr einzustellen. Somit kann die Beimischung unabhängig von einem Gasdruck innerhalb des Rohrs eigestellt werden. Insbesondere kann dadurch der Gasdruck auf rheologische Eigenschaften des Kunststoffs eingestellt werden, aus welchem das Rohr auszubilden ist, ohne dass das Mischungsverhältnis verändert wird. Zur Erfassung der Strömungsrate des Gasgemischs kann die Vorrichtung ferner wenigstens eine Strömungsmesseinrichtung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrate des Gasgemischs zu detektieren.
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Ferner kann die Vorrichtung, insbesondere die Gas-Zuführeinheit, ferner einen Druckbehälter umfassen, welcher Detektionsgas und/oder Gasgemisch umfasst und dazu eingerichtet ist, Druckschwankungen beim Einleiten des Detektionsgases und/oder des Gasgemischs zu reduzieren.
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Vorteilhafterweise kann die Detektionseinheit dazu eingerichtet sein, auch Löcher von einem Durchmesser kleiner 0,5 mm zu detektieren. Wie bereits eingangs beschrieben, liegt ein besonders vorteilhafter Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bekannten Stand der Technik darin, dass nun auch kleinste Löcher bei der Herstellung von Rohren detektiert werden können.
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In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann die Vorrichtung ferner einen Dorn, insbesondere einen fliegenden Dorn, umfassen, welcher innerhalb des Rohrs angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrate des Gases durch das Rohr zu reduzieren, wobei die Detektionseinheit zwischen der Rohr-Ausbildungseinrichtung und dem Dorn angeordnet ist. Der sogenannte „fliegende Dorn“ unterscheidet sich von einem feststehenden Dorn, welcher üblicherweise noch innerhalb des Corrugators angeordnet ist, dadurch, dass er mit dem Corrugator, beispielsweise über ein Seil, verbunden ist und innerhalb des Rohrs an einer dem Corrugator nachgelagerten Stelle angeordnet ist. Gegenüber einem feststehenden Dorn, wie er insbesondere bei einer Durchlaufspannungsprüfung verwendet werden muss, kann ein fliegender Dorn eine höhere Produktionsgeschwindigkeit erlauben. Ferner kann durch einen fliegenden Dorn eine Reibung zwischen dem Dorn und dem Rohr im Vergleich zu einem feststehenden Dorn reduziert werden, so dass reduziert oder sogar vermieden werden kann, dass durch diese Reibung Schmierstellen an dem noch formbaren Rohr auftreten können.
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Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch ohne Dorn betrieben werden kann. Dafür kann zum Beispiel ein entsprechender Gasverlust durch eine erhöhte Zuführung ausgeglichen werden oder es kann das Rohr an seinem offenen Ende abgedichtet werden. So kann insbesondere bei der Herstellung von Glattrohren, welche üblicherweise ohne einen solchen Dorn hergestellt werden, das Rohr an seinem offenen Ende abgedichtet werden. Bei derartigen Glattrohren kann die dem Extruder nachgelagerte Nachfolgeeinheit, welche beim Wellrohr durch den Corrugator ausgebildet ist, eine Kalibriereinheit sein.
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Das Detektionsgas kann vorteilhafterweise Helium, insbesondere 4He, umfassen. Helium bietet den Vorteil, dass die Atome sehr klein sind und es daher auch durch kleinste Öffnungen hindurchtreten kann. Daher kann ein gutes Ausströmverhalten und somit eine hohe Detektionsgenauigkeit erreicht werden. Ferner ist Helium ungiftig, günstig und nicht brennbar. Ein weiterer Vorteil von Helium ist, dass es gegenüber Luft nach oben steigt und somit in Relation zu dem zu überprüfenden Rohr an einer gut definierbaren Stelle erfasst werden kann. Alternativ oder zusätzlich zu Helium könnte auch Wasserstoff verwendet werden, beispielsweise in Form von Formiergas.
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Das Detektionsgas kann zum Beispiel einen Anteil von 0,5% bis 3%, insbesondere 1%, des in das Innere des auszubildenden bzw. ausgebildeten Rohrs einzuleitenden Gasgemischs bilden.
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Die Detektionseinheit kann ferner ein Detektionsrohr umfassen, welches das zu überprüfende Rohr derart umgibt, dass das zu überprüfende Rohr nach seiner Herstellung durch das Detektionsrohr geführt wird. Auf diese Weise kann Detektionsgas, welches aus dem zu überprüfenden Rohr austritt, während es durch das Detektionsrohr hindurchtritt, durch die Detektionseinheit erfasst werden. Auch kann das Detektionsrohr ermöglichen, dass Schnüffelsonden bzw. das Massenspektrometer in einer den Außenumfang des Rohres umgebenden Weise an dem Detektionsrohr angeordnet sind.
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Dabei kann das Detektionsrohr einen Innendurchmesser aufweisen, welcher dem 1,1 bis 1,3 fachen des Außendurchmessers des zu überprüfenden Rohrs entspricht, so dass das zu überprüfende Rohr störungsfrei durch das Detektionsrohr hindurchtreten kann, jedoch möglichst eng anliegend von dem Detektionsrohr umgeben wird, um eine hohe Detektionsgenauigkeit des aus dem Rohr austretenden Detektionsgases zu ermöglichen.
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Ferner kann die Länge des Detektionsrohrs in etwa dem 10 bis 40 fachen des Außendurchmessers des zu überprüfenden Rohrs entsprechen. Ein langes Detektionsrohr kann verhindern, dass aus dem Rohr ausgetretenes Detektionsgas in Längsrichtung aus dem Detektionsrohr austritt, ohne durch die Detektionseinheit detektiert worden zu sein. In einem solchen Fall könnte die Detektionseinheit ein in dem Rohr vorhandenes Loch möglicherweise nicht detektieren. Das Detektionsrohr mit einer Länge auszubilden, welche in etwa dem 10 bis 40 fachen des Außendurchmessers des zu überprüfenden Rohrs entspricht, kann mit einer hohen Zuverlässigkeit gewährleisten, dass während des Durchtritts des fehlerhaften Abschnitts des zu überprüfenden Rohrs durch das Detektionsrohr genug Detektionsgas aus dem Rohr austreten kann, dass die Detektionseinheit den fehlerhaften Abschnitt des Rohrs zuverlässig detektieren kann.
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Insbesondere kann die Detektionseinheit eine Entlüftungseinrichtung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, in die Detektionseinheit eingetretenes Detektionsgas abzuführen. Das Abführen von Detektionsgas kann ermöglichen, dass die Detektionseinheit, nach der Detektion von Detektionsgas, möglichst schnell wieder bereit für eine neue Detektion sein kann. Anders ausgedrückt, könnte ein mangelndes Abführen von Detektionsgas aus der Detektionseinheit dazu führen, dass dasselbe Detektionsgas mehrmals oder über einen längeren Zeitraum durch die Detektionseinheit detektiert wird, wodurch fälschlicherweise mehrere fehlerhafte Abschnitte des Rohrs angezeigt werden könnten.
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Das zu überprüfende Rohr kann beispielsweise ein mehrschichtiges Rohr sein, welches wenigstens zwei in radialer Richtung des mehrschichtigen Rohrs übereinander angeordnete Schichten umfasst, wobei die Gas-Zuführeinheit dazu eingerichtet ist, das Detektionsgas in wenigstens einen Raum zwischen zwei benachbarten Schichten einzuleiten. Das Detektionsgas kann in diesem Fall auch als „Stützgas“ bezeichnet werden, welches alternativ oder zusätzlich zu einem Einleiten von Detektionsgas in das Innere des Rohrs zwischen einer glatten Innenwand und einer glatten oder gewellten Außenwand eingeleitet worden ist. Das Stützgas kann dabei zugleich mit einem derartigen Druck eingeleitet werden, dass es zur Ausbildung des wellenhaften Verlaufs der Außenwand dienlich ist.
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Die Vorrichtung kann ferner eine Rohr-Bearbeitungseinheit umfassen, welche der Detektionseinheit, in Bezug auf eine Bewegungsrichtung des zu überprüfenden Rohrs, nachgelagert ist, wobei die Rohr-Bearbeitungseinheit insbesondere dazu eingerichtet ist, das Rohr zu markieren und/oder das Rohr zu schneiden. So kann die Rohr-Bearbeitungseinheit auch in Kommunikation, beispielsweise über eine Steuereinheit, mit der Detektionseinheit stehen, so dass detektierte fehlerhafte Abschnitte des Rohrs von der Rohr-Bearbeitungseinheit automatisch markiert oder geschnitten werden. Natürlich könnte die Rohr-Bearbeitungseinheit auch eine Reparatureinrichtung umfassen, welche dazu eingerichtet ist, die fehlerhafte Stelle des Rohrs zu reparieren, wie beispielsweise zu verkleben oder zu verschweißen, falls dies möglich und/oder für eine beabsichtigte Verwendung des Rohrs zulässig ist. Der Rohr-Bearbeitungseinheit kann zum Beispiel eine Aufwickeleinheit nachgelagert sein, welche das Rohr bzw. Rohrstücke auf einen Träger aufwickelt.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Detektieren von Löchern in der Wandung eines Rohrs, insbesondere eines Kunststoffrohrs, während dessen Herstellung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- Ausbilden eines Rohrs, insbesondere eines Kunststoffrohrs,
- Einleiten in das Innere des auszubildenden bzw. ausgebildeten Rohrs eines Gases oder eines Gasgemischs, wobei das Gas bzw. Gasgemisch ein Detektionsgas umfasst, und
- Detektieren an einer Außenseite des Rohrs von Detektionsgas, welches von der Innenseite des Rohrs aufgrund von Leckage durch die Wandung des Rohrs nach außen tritt.
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Es sei bereits an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass sämtliche in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschriebene Merkmale, Effekte und Vorteile ebenso auf das erfahrungsgemäße Verfahren anwendbar sind, und umgekehrt.
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So ermöglicht das erfahrungsgemäße Verfahren einen in ein Herstellungsverfahren eines Rohrs integrierten Überprüfungsprozess, welcher insbesondere voll automatisiert durchgeführt werden kann.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Schritt des Ausbildens des Rohrs und der Schritt des Einleitens des Gases oder des Gasgemischs gleichzeitig ausgeführt werden. So kann das Detektionsgas direkt beim Extrudierten des Rohrs in das Rohr eingeleitet werden. Wie beispielhaft mit Bezug auf das Stützgas beschrieben worden ist, kann das Detektionsgas ganz generell (auch bei einem einschichtigen Wandungsaufbau des Rohrs), insbesondere als Gasgemisch, mit einem vorbestimmten Überdruck in das zu überprüfende Rohr während dessen Extrusion und/oder Corrugation eingeleitet werden, um das Rohr in dem Coorugator in den dafür vorgesehenen Formbacken auszubilden.
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Das Verfahren kann ferner den Schritt eines Markierens und/oder eines Zuschneidens des Rohrs in dem Fall umfassen, dass Detektionsgas an der Außenseite des Rohrs detektiert wird. So kann beispielsweise in einem vollautomatisierten Herstellungsprozess ein fehlerhafter Abschnitt, an welchem Detektionsgas durch die Wandung des Rohrs nach außen tritt, aus dem Rohr entfernt werden, beispielsweise indem ein Rohrstück einer vorbestimmten Länge abgeschnitten wird, oder die fehlerhafte Stelle kann in diesem Fall repariert werden.
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Vorteilhafterweise kann eine Beimischung des Detektionsgases zu dem Gasgemisch in Abhängigkeit einer Strömungsrate des Gasgemischs in dem zu überprüfenden Rohr eingestellt werden. Hierdurch kann ein Druck, mit welchem Gas in das Rohr eingeleitet wird, frei eingestellt werden, um den Herstellungsprozess des Rohres zu optimieren, ohne dass es zu einer Veränderung der Konzentration des Detektionsgases kommen würde, wodurch möglicherweise eine Detektionsgenauigkeit der Detektionseinheit vermindert werden könnte.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in größerem Detail mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden. Es stellt dar:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
- 2 eine schematische Ansicht von Fluidleitungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Rohr-Ausbildungseinrichtung 12, welche hier wiederum einen Extruder 14 und einen Corrugator 16 umfasst. Zu Beginn des Corrugators 16 ist eine Gas-Zuführeinheit 18 angeordnet, über welche ein Gasgemisch in ein auszubildendes Rohr 20 eingeleitet werden kann. Die Gas-Zuführeinheit 18 ist hier integral in einem Spritzkopf für das herzustellende Rohr 20 ausgebildet, wobei das Gasgemisch seitlich, quer zu einer Produktionsrichtung, in den Spritzkopf eingeführt wird. Das Gasgemisch umfasst hier sowohl Druckluft als auch ein Detektionsgas, welches in dieser Ausführungsform Helium ist.
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Innerhalb des Rohrs 20 ist ein Dorn (nicht gezeigt) angeordnet, welcher gegenüber einem Innendurchmesser des Rohrs 20 im Wesentlichen abdichtet, so dass durch das über die Gas-Zuführeinheit 18 eingeleitete Gasgemisch ein Überdruck innerhalb des Rohrs 20 im Bereich des Corrugators 16 erzeugt werden kann. Auf eine Herstellungsrichtung des Rohrs 20 bezogen, ist dem Corrugators 16 eine Detektionseinheit 24 nachgelagert, welche hier aber noch vor dem Abschnitt des Rohrs 20 angeordnet ist, an welchem sich der Dorn befindet.
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Die Detektionseinheit 24 ist, zum Beispiel unter Verwendung von Schnüffelsonden, dazu eingerichtet, Helium zu detektieren, welches aus einem Inneren des Rohrs 20 zu einer Außenseite hin austritt. Dieses Austreten von Helium zu einer Außenseite weist darauf hin, dass das Rohr 20 fehlerhafte Abschnitte aufweist, wie beispielsweise kleine Löcher, durch welche das Helium durch die Wandung des Rohrs 20 hindurch gelangen kann. Die Detektionseinheit 24 umfasst zu diesem Zweck ein Detektionsrohr 26, welches das zu überprüfende Rohr 20 in Umfangsrichtung umgibt. Um detektiertes Helium aus der Detektionseinheit 24 abführen zu können, ist die Detektionseinheit 24 mit einer Entlüftungseinrichtung 28 versehen, über welche das Gasgemisch aus der Detektionseinheit 24 ausgeleitet werden kann.
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Die Vorrichtung 10 kann eine Umlenkeinheit umfassen, welche dazu eingerichtet ist, das Rohr 20 derart umzulenken, dass es in demjenigen Abschnitt, in welchem der Dorn angeordnet ist, vertikal nach oben verläuft, so dass der Dorn durch die Schwerkraft im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial, zu einer Mittelachse X des Rohrs 20 nach unten gezogen wird. Hierdurch kann vermieden werden, dass der Dorn auf einen unteren Umfangsabschnitt des Rohrs 20 eine größere Kraft auswirkt als auf einen diametral gegenüberliegenden Umfangsabschnitt des Rohrs 20. Dadurch kann eine gleichmäßige Ausbildung des Rohrs 20 gewährleistet sein.
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Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Rohr-Bearbeitungseinheit 32, welche dazu eingerichtet ist, das Rohr 20 an denjenigen Längenabschnitten zu markieren, welche von der Detektionseinheit 24 als fehlerhaft bestimmt worden sind.
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In 2 ist nun die Gas-Zuführeinheit 18 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 in größerem Detail dargestellt. Dabei sind ganz links Gasquellen für Druckluft 34 und für Helium 36 dargestellt. Die Gasquellen 34 und 36 sind über jeweilige Fluidleitungen 38 und 40 mit einem in dieser Ausführungsform vorhandenen Speicher 42 in Form eines Druckbehälters verbunden. Dabei ist in der Fluidleitung 38, welche mit der Gasquelle für Druckluft 34 verbunden ist, eine Einrichtung zur Durchflussmessung 44 angeordnet, das heißt eine Einrichtung, welche eine Strömungsrate der Druckluft innerhalb der Fluidleitung 38 erfasst. In der Fluidleitung 40, welche mit der Gasquelle für Helium 36 verbunden ist, ist ein Durchflussregler 46, das heißt eine Regulierungseinheit, welche dazu eingerichtet ist, eine Strömungsrate von Helium in der Fluidleitung 40 einzustellen, angeordnet. Der Durchflussregler 46 ist dabei mit der Einrichtung zur Durchflussmessung 44 direkt oder über eine nicht dargestellte Steuerungseinheit verbunden.
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Das durch die Zusammenführung der beiden Fluidleitungen 38 und 40 erzeugte Gasgemisch verlässt den Speicher 42 in Produktionsrichtung (angezeigt durch den Pfeil P) über eine Fluidleitung 48. Die Fluidleitung 48 endet an einem dem Speicher 42 entgegengesetzten Ende in einer Düse 50, über welche das Gasgemisch in ein auszubildendes Rohr 20 eingeleitet werden kann. Um innerhalb des Rohrs 20, welches hier als Wellrohr ausgebildet ist, einen vorbestimmten Druck erzeugen zu können, ist an einer in Bezug auf die Produktionsrichtung P relativ zu der Düse 50 stromabwärtigen Stelle ein Dorn innerhalb des Rohrs 20 angeordnet, welcher einen Durchfluss des Gasgemischs in Produktionsrichtung P innerhalb des Rohrs 20 durch Abdichten gegenüber der Wandung des Rohrs 20 reduzieren kann.
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In der Fluidleitung 48 ist in der in 2 dargestellten Ausführungsform ein optionaler Druckregler 52 angeordnet, über welchen ein Druck des Gasgemischs, welches in das Rohr 20 eingeleitet wird, eingestellt werden kann. Zu diesem Zweck kann das Gasgemisch innerhalb des Speichers 42 mit einem vorbestimmten Druck zwischengespeichert werden.
