DE1052602B

DE1052602B - Vorrichtung zur Hochfrequenzverschweissung aufeinandergelegter Folien aus dielektrischem Material mit einem oder mehreren dazwischen eingebrachten Rohren, ebenfalls aus dielektrischem Material

Info

Publication number: DE1052602B
Application number: DEF20979A
Authority: DE
Inventors: Edward Sohier Welch Jun
Original assignee: Fenwal Laboratories Inc
Current assignee: Fenwal Laboratories Inc
Priority date: 1955-08-09
Filing date: 1956-08-07
Publication date: 1959-03-12
Also published as: US2816596A; FR1156616A; DE1052602C2; GB796913A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Hochfrequenzverschweißung aufeinandergelegter Folien oder Schichten aus dielektrischem Material mit einem oder mehreren dazwischen eingebrachten Rohren, ebenfalls aus dielektrischem Material, wobei 5 die miteinander zu verschweißenden Teile zwischen entsprechend geformte Elektroden gelegt und in die Rohre elektrisch leitende Stabelektroden zum Anschluß an die Hochfrequenzstromquelle eingeführt sind. Eine solche Vorrichtung ist vorzugsweise anwendbar auf Geräte und Anlagen oder Zubehörteile, wie kommunizierende Flüssigkeitskammern und -leitungen, die aus Polyvinyl oder sonstigem biegsamem, mittels Hochfrequenzenergie verschweißbarem Kunststoff hergestellt sind.

Zweck der Erfindung ist die gleichzeitige Verschweißung der miteinander zu verbindenden Teile aus dielektrischem Material. Dabei sind unterschiedliche Abstände der verschiedenen Schweißstellen zu berücksichtigen und muß eine für den Schweißvorgang erforderliche, hinreichend gleichmäßige Feldstärke an den verschiedenen Schweißstellen gewährleistet sein.

Die Vorrichtung zur Hochfrequenzverschweißung ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochfrequenzgeneratoren verschiedener Frequenz vorgesehen sind, von denen der eine mit der entsprechend geformten Elektrode verbunden ist und zur Erzeugung einer ausreichenden elektrischen Feldstärke für die Verschweißung der Folien oder Schichten dient und von denen der andere einerseits mit dem bzw. den in das Rohr bzw. die Rohre eingeführten Stabelektroden verbunden ist und andererseits galvanisch und über einen kapazitiven Spannungsteiler mit der Spannungsmitte des ersten Hochfrequenzgenerators verbunden ist und die für die Verschweißung des bzw. der Rohre mit den Folien oder Schichten erforderliche Feldstärke erzeugt, wobei die beiden Hochfrequenzgeneratoren für die Verschweißung gleichzeitig eingeschaltet sind.

Im folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung zum Verschweißen oder Verbinden von flach aufeinandergelegten Folien oder Schichten aus dielektrischem Material mit einem dazwischen eingebrachten Rohr ebenfalls aus dielektrischem Material;

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines aus dielektrischem Material bestehenden Behälters für flüssige oder gasförmige Medien, der beispielsweise mittels einer Anordnung gemäß Fig. 1 durch dielektrische Wärmeeinwirkung verschweißt sein kann;

Fig. 3 zeigt ein übliches Gerät zum Verschweißen lediglich von Wandungsteilen;

Vorrichtung

zur Hochfrequenzverschweißung

aufeinandergelegter Folien

aus dielektrischem Material

mit einem oder mehreren dazwischen

eingebrachten Rohren,
ebenfalls aus dielektrischem Material

Anmelder:

Fenwal Laboratories, Inc.,
Framingham, Mass. (V. St. A.)

Vertreter: Dr. E. Wiegand, München 9,

und Dipl.-Ing. W. Niemann, Hamburg I₁

Ballindamm 26, Patentanwälte

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 9. August 1955

Edward Sohier Welch jun., Framingham, Mass.

(V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

Fig. 4 erläutert die Arbeitsweise eines üblichen Gerätes zum Verschweißen zweier die Wandungen eines Werkstücks bildenden Folien, das die Form einer Leiste hat, mit einer Röhre;

Fig. 5 zeigt eine Anordnung zum Verschweißen von Folien aneinander sowie Folien mit Rohren mittels einer bekannten Schaltungsanordnung;

Fig. 6 zeigt die gleichzeitige Herstellung von Hochfrequenzverschweißungen Folie mit Folie sowie Folie mit Rohr mittels eines Gerätes gemäß der Erfindung, das für derartige Verschweißungen mit zwei unterschiedlichen Frequenzen ausgebildet ist.

Für medizinische, Krankenhaus- und chirurgische Zwecke z. B. ist die Verwendung der hier behandelten verschweißten Kunststoffölen- und Rohranordnungen besonders vorteilhaft, vor allem wegen ihres leichten Gewichtes, ihrer Biegsamkeit, Handlichkeit und Eignung zur Handhabung von flüssigen oder gasförmigen Medien, insbesondere für sterile medizinische Zwecke. In Fig. 2 ist ein derartiges Ausrüstungsteil dargestellt, das einen zusammenfaltbaren Behälter 10 für parenterale und intravenöse Lösungen umfaßt. Dieser Flüs-

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sigkeitsbehälter 10 ist von einer Länge einer dünnwandigen, biegsamen Kunststoffhülse oder Röhre großen Durchmessers abgeschnitten und durch Zusammenlegen und Verschweißen der flach aufeinandergelegten Folien 11, 11 (Fig. 3) z. B. an den Rändern 12, 12 des Behälters gefertigt. Der Behälter 10 kann zum Sammeln und Abgeben von Flüssigkeit durch die damit aus einem Stück bestehende flüssigkeitsdichte Anschlußstelle an einem oder beiden Rändern 12, 12 des Behälters in Form eines oder mehrerer Rohre 13 kleinen Durchmessers angeschlossen werden. Das Verschweißen des Behälters an den Rändern 12, 12 wird in bekannter Weise durch Zusammendrücken der einander aufeinanderliegenden Folien 11, 11 zwischen zwei Elektroden 14, 14 (Fig. 3) vorgenommen.

Während die Werte für Abstand und der Feldstärke und somit das Maß der Erwärmung über den gesamten Bereich einer Folien - Folien-Verschweißung gemäß Fig. 3 gleichmäßig sind, sind sie unterschiedlich demgegenüber bei einer Folien-Rohr-Verschweißung gemäß Fig. 4. Dort ist ein leistenähnlicher Verschweißungsteil dargestellt, dessen Besonderheit in einer Umfangsberührung der Folien 11, 11 mit einem dazwischen eingeführten Rohr 13 besteht. Insbesondere ist wegen der ausgesparten Form der Elektroden 14, 14 zwecks Aufnahme der eingeführten Enden der Röhren 13 sowie auch der dieselben umgebenden Folien der Abstand zwischen den Matrizen im Bereich der Wand-Rohr-Verschweißung größer, und daher ist hier das Maß der Erwärmung geringer als im Bereich der Folien-Folien-Verschweißung. Dabei ist das Erwärmungsmaß naturgemäß proportional der Feldstärke; diese ist an der Stelle des Rohres 13 gleich der Gesamtspannung E geteilt durch den Abstand d₂. Es

beträgt adiso e_s = —. Wenn d₂ größer ie* als d_v so

ist e₂ kleiner als e_v Demgemäß erfordert das Verschweißen der Kunststoffschichten im Bereich der eingeführten Röhren 13 eine längere Anlegung der Hochspannungsfrequenz als das Verschweißen der Schichten in den dazwischenliegenden Bereichen flachliegender Folien.

Hieraus geht hervor, daß ein Versuch mit dem Gerät gemäß Fig. 4 zum Verschweißen eines leistenähnlichen Teiles mit abwechselnden Bereichen flacher und entsprechend dem Umfang eines Rohres verlaufender Folien entweder eine unvollständige Verschweißung im Bereich des eingeführten Rohres, der eine niedrige Feldstärke aufweist, oder, zumindest dann, wenn die Gesamtspannung E gesteigert wird, um gerade noch eine minimale Verbindung der Folien-Rohr-Schweißstelle zu bewirken, ein Überhitzen des Kunststoffs in dem Bereich der flachliegenden Folien-Folien-Schweißung, die eine höhere Feldstärke aufweist, zur Folge hat. Dieses Überhitzen ist ebenso nachteilig wie eine unvollständige Verschweißung, insofern, als sie zu einer chemischen Zerstörung des Kunststoffes führt und von Durchschlägen durch das Dielektrikum begleitet sein kann.

Dieser Schwierigkeit suchte man bisher mit einem Gerät nach Fig. 5 zu begegnen, bei welchem eine Stabelektrode 16 in den durch das Rohr 12* und die das Rohr umschließenden Teile der Wandungen 11, 11 gebildeten Kunststoffring eingeführt wurde, wobei sich in bezug auf die ausgesparten Teile der Elektroden 14, 14 ein radialer oder ringförmiger Abstand d_g ergab, der mit Ausnahme der Verbindungsstellen des Ringes mit den kontinuierlich verlaufenden, in das Rohr übergehenden, flachliegenden Wandungsteilen gleichmäßig war. Ferner sind bei dem Gerät nach Fig. 5 die Elektroden 14, 14 durch ein doppelpoliges Schaltgerät oder Relaiskontakte 17 verbunden und in einer Stellung desselben außerdem an die Pole des Generators 15 angeschlossen. Die Elektroden 14, 14 sind ferner in der anderen Stellung der Relaiskontakte 17 parallel an den einen Pol eines zweiten Generators 18 angeschlossen, dessen anderer Pol an der Stabelektrode 16 liegt.

Bei der einen Arbeitsweise des Geräts nach Fig. 5

ίο wird der Generator 15 erregt, wobei sich die Relaiskontakte 17 in der durch volle Linien bezeichneten Stellung befinden und die flachliegenden, parallel einander gegenüber befindlichen Teile der Folien 11, 11 zu einer Folien-Folien-Verschweißung verbunden werden. Dann wird der Generator 15 ausgeschaltet, die Relaiskontakte in die mit gestrichelten Linien angedeutete Stellung gebracht und der zweite Generator 18 erregt, um die vorerwähnte Ring- oder Folien-Rohr-Verschweißung herzustellen. Während indessen der Generator 18 den Bereich der Stabelektrode 16 und den Ringraum oder Ringabstand d_s gleichmäßig beheizt, was infolge der vorstehend beschriebenen Verbindung der Elektroden 14, 14 möglich wird, kann der Bereich der Folien-Folien-Verschweißung nicht behandelt werden. Daraus folgt, daß die Generatoren 15 und 18 verschieden gewählt oder getrennt gesteuert werden können, wie beispielsweise für eine besondere Behandlung der Folien-Rohr-Verschweißung mit einer niedrigeren Feldstärke, wodurch eine bessere Verbindung des Kunststoffs bewirkt wird, ohne daß dabei ein Überhitzen oder ein Spannungsdurchschlag an der Folien-Folien-Schweißstelle mit der höheren Feldstärke erfolgt.

Das beschriebene Verfahren kann auch mit nur einem Generator ausgeführt werden; jedoch wird die vielseitigere Zweigeneratorenanordnung vorgezogen, insbesondere im Hinblick auf die unterschiedlichen Spannungs- und Leistungserfordernisse der beiden nacheinander herzustellenden Schweißstellen. Beispielsweise können Folien-Folien-Schweißstellen zwischen parallel sich gegenüberliegenden Elektrodenteilen in manchen Fällen eine größere Länge oder ein größeres Volumen als die Stabelektroden oder Folien-Rohr-Schweißstellen aufweisen. Es kann also bei dem angedeuteten Beispiel erwünscht sein, die Elektroden 14, 14 mit ainem Generator von hoher Leistung, aber niedrigerer Spannung, die Stabelektroden 16 dagegen mit einem Generator niedriger Leistung, aber mit einer höheren Spannung zu erwärmen.

Außerdem kann es erwünscht sein, eine Mehrzahl von Rohren 13, beispielsweise durch Verbinden entsprechend vieler Stabelektroden 16 in paralleler Anordnung, mit dem Behälter 10 zusammenzuschweißen und in solchen Fällen die beiden Generatoren 15, 18 so auszugestalten, daß sie ungefähr den gleichen Leistungsbetrag abgeben.

Jedoch ist das bekannte Behälter-Rohr-Schweißverfahren und -gerät, wie vorstehend beschrieben, im Hinblick auf verschiedene wichtige Gesichtspunkte von Nachteil. Der Betrieb ist langsam und zeitraubend, da die gesamte erforderliche Schweißzeit die Summe der einzelnen aufeinanderfolgenden Schweißungen zwischen Matrize und Stab ist. Im übrigen gestattet die angegebene Maßnahme nur eine Schweißung in Stufen und ergibt somit die Abkühlung einer Schweißstelle, während eine andere erwärmt wird, und erschwert so die erwünschte einheitliche und gleichzeitige Zusammenfügung und Verschweißung aller Kunststoff schichtteile. Endlich weisen auch das Schaltgerät bzw. die Relaiskontakte Kontaktüber-

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gangswiderstände auf, was zu Betriebsstörungen führen kann.

Die vorstehenden Schwierigkeiten und Nachteile werden durch die Erfindung, mit deren Hilfe eine schnellere und bessere Verschweißung erstrebt wird, vermindert.

In Fig. 1 ist ein Gerät gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt. Es umfaßt eine Schweißanordnung mit Elektrode und Stabelektrode ähnlich der gemäß Fig. 5 und enthält die Elektroden 14, 14 zum Zusammenklemmen der Behälterfolien 11, 11 mit der Stabelektrode 16, die in das dazwischengelegte Rohr 13 eingeführt wird.

Zum Verschweißen der Folien-Folien-Verbindung zwischen den Elektroden und zugleich, gleichmäßig hiermit, zum Verschweißen der Folie-Rohr-Verbindung zwischen der Stabelektrode 16 und den Elektroden 14 ist ein Hochfrequenzgenerator 19 in Gegentaktschaltung, der mit Elektronen 20 ausgerüstet ist, vorgesehen. Der Generator 19 hat einen Kreis, der eine Induktanz 21 und eine Kapazität 22 mit einer Anzapfung 23 sowie Anschlußleitungen 24 zu den Elektroden 14, 14 aufweist. Der Wechselstromkreis umfaßt auch die veränderbaren Kapazitäten 25 zum Einstellen der Impedanz der Last unter Berücksichtigung der Ausgangserfordernisse der Rohre 20. Auch ist die Induktanz 21 mit einer Mittelanzapfung bei 23 und mit einer Erdung bei 26 versehen, so daß die an die Elektroden 14, 14 in bekannter Weise angelegten Spannungen um 180° phasenverschoben sind, wenn sie gegenüber der Erde gemessen werden, und Spannungen haben, die durch die Lage der Anzapfungen 24 und die Einstellung der Kapazitäten 25 bestimmt ist. Die Anzapfung befindet sich normalerweise an der Stelle des halben Kapazitätswertes des Kondensators 22; sie kann aber auch nach jeder Seite hin verstellt werden, um eine Unsymmetrie in der Elektrodenanordnung auszugleichen.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 1 kann die Stabelektrode 16 beispielsweise ein mittleres Potential zwischen den Elektroden 14 annehmen, so daß also das Maß der Erwärmung der doppelten ringförmigen Verschweißung mindestens im Falle gleicher Stärke von Folie und Rohr die Hälfte der Erwärmung einer einzelnen, flachliegenden Verbindung zwischen den flachen Teilen der Elektroden beträgt.

Ferner ist gemäß einem Merkmal der Erfindung eine Einrichtung zur Erzeugung eines zweiten elektrischen Wechselfeldes in dem Kunststoff zwischen dem Stab und den Elektroden 14 vorgesehen, wodurch zusätzlich die ringförmigen Schichten und somit gleichzeitig und gleichmäßig die Wand-Wand- und Wand-Rohr-Verbindungen mit ihren unterschiedlichen Erfordernissen erwärmt werden. In Fig. 1 ist ein zweiter Hochfrequenzgenerator 27, vorzugsweise in Eintaktschaltung, vorgesehen, der durch die Elektrodenröhre 28 gespeist wird. Die Induktanz 29 des Generators hat eine Klemme, die durch die Kapazität 31 mit der Stabelektrode 16 verbunden ist. Es ist zweckmäßig, die Frequenz des Generators 27 ohne harmonische Beziehung zu der des ersten Generators 19, und zwar viel höher als jene zu setzen.

Die Ausgangsklemme 32 des Generators 27. ist an die Mittelanzapfung 23 des Generators 19 angeschlossen, wodurch, wie schon erwähnt, der Kondensator 22 als Weg niedriger Impedanz für die Hochfrequenzströme des Generators 27 wirkt und wodurch die Elektroden 14, 14 auf ein gemeinsames Potential gegenüber der Stabelektrode 16, welches niedriger ist als das Potential der Stabelektrode, gebracht werden.

Somit ist der Generator 27 mit dem Generator 19 zusammengeschaltet, ohne sich mit diesem gegenseitig zu stören. Dadurch wird gleichzeitig und ohne gegenseitige Beeinträchtigung durch das von dem ersten Generator 19 hervorgebrachte elektrische Feld den Folien-Rohr-Verbindungen ein elektrisches Wechselfeld aufgedrückt.

An Stelle des hier beispielsweise in Gegentaktschaltung dargestellten Generators 19 kann auch ein

ίο Generator in Eintaktschaltung vorgesehen sein.

Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich nicht auf die hier im einzelnen gebrachten Beispiele. Es können insbesondere die parallelen bzw. ringförmigen Folien-Folien- und Folien-Rohr-Verschweißungen unterschiedliche Abstände und Volumen bzw. sonstige Bemessungen haben. Auch beschränkt sich die Erfindung nicht auf die Verwendung von Schweißungen mit nur einer Stabelektrode oder auf das Verschweißen bzw. Verschließen runder Rohre. Demgemäß soll die hier gewählte Bezeichnung »Rohr« Flüssigkeitsleitungen jeglicher Anzahl und von jeglicher gewünschter Querschnittsform und Abmessung umfassen.

Zur besseren Veranschaulichung der Vielseitigkeit und Anwendbarkeit der Erfindung ist in Fig. 6 ein Mehrfachverschweißungsgerät für mehrere unterschiedliche Rohre 37, 38, 39 dargestellt. Bei diesem Beispiel ist das Rohr 39 oval, das Rohr 37 ist von größerem Durchmesser und, ebenso wie das Rohr 38, von kreisförmigem Querschnitt, jedoch von größerem Durchmesser als diese, und sie hat dickere Wandungen als die Rohre 38, 39. Außerdem sind die Elektroden 33, 33 durch veränderbare Kapazitäten 25, 25 an den Generator der tieferen Frequenz und alle Stabelektroden 34, 35, 36 über eine veränderbare Kapazität 31 an den Generator der höheren Frequenz angeschlossen, der auch mit der Mittelanzapfung 23 des Kondensators 22 verbunden sein kann, in ähnlicher Weise, wie es bei der Anordnung nach Fig. 1 der Fall ist.

Es ist damit zu rechnen, daß, wenn die Stabelektroden 34, 35, 36 gemeinsam an die Kapazität 31 angeschlossen werden und die Rohre 37, 38, 39 an der gleichen Gesamtspannung liegen, in diesem Fall ungleicher Rohre mit unterschiedlicher Form und Wandstärke die Feldstärke an einigen Röhren, insbesondere an den Rohren 38, 39, größer ist als an den übrigen Rohren, insbesondere dem Rohr 37, so daß die Rohre mit den höheren Feldstärken überhitzt werden, ehe die Rohre mit den niedrigeren Feldstärken eine ausreichende Schweißtemperatur erreichen. Zur Einstellung der Feldstärken zwischen den verschiedenen Stabelektroden 34, 35, 36 und den Elektroden 33, 33 sind die Kondensatoren 40 und 41 in Reihenschaltung vorgesehen, mit denen die an den Stäben 35, 36 anliegenden Spannungen herabgesetzt werden.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, wie sie hier beschrieben wurde, ist unabhängig von der Zahl der verschiedenen Folien-Rohr-Verschweißungen, die gleichzeitig ausgeführt werden sollen; die Zahl der Schweißungen ist allerdings durch die Leistung des Generators begrenzt.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Hochfrequenzverschweißung

aufeinandergelegter Folien oder Schichten aus dielektrischem Material mit einem oder mehreren dazwischen eingebrachten Rohren, ebenfalls aus dielektrischem Material, wobei die miteinander zu

verschweißenden Teile zwischen entsprechend geformte Elektroden gelegt und in die Rohre elektrisch leitende Stabelektroden zum Anschluß an die Hochfrequenzstromquelle eingeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Hochfrequenzgeneratoren verschiedener Frequenz vorgesehen sind, von denen der eine mit den entsprechend geformten Elektroden verbunden ist und zur Erzeugung einer ausreichenden elektrischen Feldstärke für die Verschweißung der Folien oder Schichten dient und von denen der andere einerseits mit dem bzw. den in das Rohr bzw. die Rohre eingeführten Stabelektroden verbunden ist und andererseits galvanisch und über einen kapazitativen Spannungsteiler mit der Spannungsmitte des ersten Hochfrequenzgenerators verbunden ist und die für die Verschweißung des bzw. der Rohre mit den Folien oder Schichten erforderliche Feldstärke erzeugt, wobei die beiden Hochfrequenzgeneratoren für die Verschweißung gleichzeitig eingeschaltet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Generatoren erzeugten Frequenzen ohne gegenseitige harmonische Beziehung zueinander stehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Generator die Stabelektrode über den elektrischen MittelabgrifF des ersten Kreises einspeist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vom zweiten Generator eine gemeinsame Zuleitung zu den Stabelektroden führt, wobei zum Einstellen der Feldstärke an den unterschiedlichen Folien-Rohr-Schweißstellen Kondensatoren in Reihe mit den Stabelektroden geschaltet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Stromkreis einen mit einer den Einspeisepunkt des zweiten Generators bildenden Mittelanzapfung versehenen Kondensator aufweist, dessen Belege mit den Elektroden verbunden sind, wobei der Kondensator eine solche Größe hat, daß er einen Stromweg niedriger Impedanz für den zweiten Stromkreis bildet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen