-
Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Heizeinrichtung zum
Aufheizen von Materialien, insbesondere zum Aufheizen von Kunststoffasern vor deren
Verstreckung.
-
Es ist üblich, Kunststoffasern vor ihrer Verstreckung bzw. während
der Verstreckung über eine Heizeinrichtung zu führen und dabei zu erwärmen. Für
eine einwandfreie Verstreckung der Kunststofffasern ist es dabei außerordentlich
wichtig, daß die von der Kunststoffaser aufgenommene Wärme konstant gehalten wird,
d. h., die Oberflächen-Temperatur der Heizeinrichtung muß auf einer bestimmten,
vorgegebenen Höhe gehalten werden. Bereits geringfügige Schwankungen in der Oberflächentemperatur,
die beispielsweise durch ungleichmäßige Beheizung entstehen können, sind mit unerwünschten
Nachteilen verbunden.
-
Es ist also wichtig, -die Wärmeabgabe zu der Heizeinrichtung im wesentlichen
konstant zu halten. Auf der anderen Seite muß jedoch eine Änderung und Anpassung
der Wärmezufuhr nach Maßgabe der sich möglicherweise verändernden Einflüsse der
Umgebung ermöglicht werden. Eine häufig auftretende Voraussetzung für die Änderung
der Temperaturbedingungen, die durch die Heizeinrichtung mit möglichst geringer
Verzögerung ausgeglichen werden muß, entsteht dadurch, daß bei einer Unterbrechung
des Heizvorganges, wenn also beispielsweise der Faden reißt oder die Fertigung zeitweilig
unterbrochen wird, die Oberflächentemperatur um einen gewissen Betrag ansteigt,
der der von dem Faden entzogenen Wärme entspricht. So kann beispielsweise die Betriebstemperatur
bei etwa 150° C liegen, bei Unterbrechung des Streckvorganges steigt die Temperatur
der Heizeinrichtung auf 200° C an. Die Schwierigkeit entsteht dann bei der Wiederaufnahme
der Fertigung, wenn der Faden auf die Heizeinrichtung bei ,der höheren Temperatur
aufgelegt werden muß. Im allgemeinen bleibt nämlich der Faden infolge der zu hohen
Temperatur an der Oberfläche der Heizeinrichtung haften, mit dem Ergebnis, daß der
Faden reißt und eine erneute Unterbrechung des Produktionsablaufes eintritt, was
bei der hohen Fördergeschwindigkeit des Fadens (zwischen 100 und 500 m/min.) jedes
Mal mit einem beträchtlichen Materialverlust verbunden ist.
-
Diese Schwierigkeiten treten bei zahlreichen bisher bekannten Heizeinrichtungen
auf.
-
Es sind auch bereits Heizeinrichtungen bekannt, bei denen die vorstehend
genannten Schwierigkeiten behoben werden sollen. Die Beheizung dieser bekannten
Einrichtungen erfolgt durch Öl, das für den jeweiligen Streckvorgang auf die erforderliche
Temperatur erwärmt wird und durch die verschiedenen Heizkörper der Einrichtung läuft.
Der dabei erforderliche Aufwand für die Verlegung der Rohrleitungen und für die
Wärmeerzeugung selbst ist verhältnismäßig groß, insbesondere da die Anlage in der
Wärmezufuhr überdimensioniert sein muß, um die Oberflächentemperatur der Heizfläche
vom Wärmeentzug weitgehend unabhängig zu halten.
-
Bei einer ebenfalls bekannten, elektrisch beheizten Einrichtung wird
versucht, die Temperatur der Heizkörper durch in den Heizkörpern gespeicherte Wärme
über lange Zeit konstant zu halten. Die Heizkörper weisen also eine große Wärmekapazität
auf. Der Nachteil dieser bekannten Einrichtung liegt jedoch darin, daß die erforderliche
Oberflächentemperatur erst nach einer beträchtlichen Einschaltzeit erreicht wird.
Weiterhin besteht die Gefahr einer überregelung, d. h. eines übersteigens der Solltemperatur.
-
Die Wärmeregelung bei dem Gegenstand der Erfindung beruht auf dem
bekannten Prinzip der Ausnutzung der temperaturabhängigen Widerstandsänderungen
eines Heizdrahtes als Regelgröße.
-
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Heizeinrichtung zum Aufheizen von
Kunststoffasern vor deren Verstreckung geht aus von einer Anordnung, bei der die
Kunststoffasern über eine Heizfläche gleiten, die durch einen in einem elektrisch
isolierenden Träger von hoher Wärmeleitfähigkeit eingebetteten Heizwiderstand beheizt
wird, und kennzeichnet sich dadurch, daß der Träger als Zylinderring von geringer
Wärmekapazität konzentrisch innerhalb der als dünnwandiger Zylindermantel ausgebildeten
Heizfläche angeordnet ist und in einer Schicht, die zwischen der Heizfläche und
der Einbettungsschicht des Heizwiderstandes liegt, einen an sich bekannten Meßwiderstand
zur Regelung des Speisestromkreises des Heizwiderstandes eingebettet enthält, wobei
die ringförmigen Schichten fest miteinander verkittet und die Zwischenräume durch
ein wärmeleitendes, elektrisch isolierendes Material ausgefüllt sind.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist unmittelbar
unterhalb des dünnwandigen, außenliegenden Heizringes, auf dessen äußerer Oberfläche
der Faden entlanggezogen wird, der Meßwiderstand für die Steuerung der Heiztemperatur
auf der dem Heizring zugekehrten Oberfläche des Meßringes angeordnet. Zweckmäßig
ist dabei der Meßring mit schneckenförmig verlaufenden Rillen versehen, in die der
Meßwiderstand mit einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material eingebettet
ist.
-
Grundsätzlich ist es wichtig, zwischen den einzelnen Ringen einen
guten Wärmeaustausch bei guter elektrischer Isolierung zu erhalten. Temperaturschwankungen
im Heizring müssen nämlich unmittelbar vom Meßwiderstand wahrgenommen werden, dessen
Veränderung bewirkt eine Verringerung oder Erhöhung der Heizleistung des Heizdrahtes,
wobei diese Veränderung ebenfalls mit möglichst geringer zeitlicher Verzögerung
auf den Heizring übertragen werden muß. Dieses Ziel wird durch die erfindungsgemäße
Heizeinrichtung erreicht.
-
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung liegt darin, daß auf
Grund der geringen Wärmespeicherung eine schnelle und konstante Temperaturregelung
bei Wärmeentzug erreicht wird. Das Gewicht sowie die räumlichen Abmessungen der
Vorrichtung sind verhältnismäßig klein, so daß nur eine geringe Heizleistung erforderlich
ist.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden im folgenden
an einem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die
Zeichnung gibt einen Querschnitt des Ausführungsbeispiels wieder.
-
Erfindungsgemäß besteht die zeichnerisch dargestellte Heizeinrichtung
aus drei konzentrisch ineinander angeordneten Ringen. Der äußere Heizring 1 besteht
zweckmäßig aus einem dünnwandigen Material von guter Wärmeleitfähigkeit. Im Querschnitt
weist der Heizring 1 die Form eines U-Profils auf, dessen Flansche 2, 3 zugleich
die Begrenzung der Lauffläche für das aufzuheizende Material, also beispielsweise
eine Kunststoffaser, bildet, damit der umlaufende
Faden nicht von
der Heizfläche abgleiten kann. Weiterhin erhält der Heizring durch die dargestellte
Querschnittsform eine erhöhte Stabilität, die eine außerordentlich geringe Wandstärke
zuläßt.
-
Innerhalb des Heizringes 1 ist der Meßring 4 gelagert, der auf der
dem Heizring zugekehrten Oberfläche einen Meßwiderstand 5 trägt. Vorzugsweise besitzt
der Meßwiderstand 5 die Form eines mehrmals, jedoch gleichmäßig um den Meßring 4
gewundenen Drahtes, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel in gewindeförmig
verlaufenden Rillen 6 mit dreieckigem Querschnitt liegt. Der Meßwiderstand kann
aber auch in anderer Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Metallstreifen in
der Breite des Heizringes 1.
-
Um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Heizring 1 und dem Meßring
2 sowie dem Meßwiderstand 5 zu erhalten, kann der Meßwiderstand mit einem wärmeleitenden,
elektrisch isolierenden Material in der gewindeförmigen Rille 6 eingebettet sein.
Für diesen Zweck ist beispielsweise Aluminiumoxyd, das mit einem Bindemittel vermischt
sein kann, geeignet. Zweckmäßig ist der gesamte Querschnitt der Rille mit diesem
Material ausgefüllt, so daß ein guter wärmeleitender Kontakt zwischen den beiden
Ringen besteht.
-
Innerhalb des Meßringes 4 ist ein weiterer Ring 7 als Träger für einen
Heizwiderstand 8 angeordnet. Der Innenring 7 ist auf der dem Meßring zugekehrten
Oberfläche mit schneckenförmig verlaufenden Nuten 9 versehen, die im dargestellten
Ausführungsbeispiel rechteckigen Querschnitt aufweisen und die zur Aufnahme der
Heizspirale 8 dienen. Die in dieser Nut gebildeten freien Räume sind zweckmäßigerweise
ebenfalls mit einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Material ausgefüllt.
Alle drei Ringe sind fest miteinander verkittet, so daß ein guter Wärmeübergang
und -austausch zwischen allen Teilen erzielt wird.
-
Der Meßring 4 kann aus jedem geeigneten Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
bestehen. Zweckmäßigerweise ist jedoch der Meßring 4 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
hergestellt und seine Oberfläche mit einer im Eloxierverfahren aufgebrachten elektrisch
isolierenden Schicht überzogen. Dieser Aufbau des Meßringes hat den Vorteil, daß
der als Meßwiderstand 5 verwendete elektrisch leitende Draht ohne besondere Isolierung
verlegt sein kann. Es ist aber auch möglich, an Stelle des Meßringes den Draht des
Meßwiderstandes 5 mit einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden überzug zu versehen.
Eine derartige Eigenschaft weisen beispielsweise anodisierte Aluminiumdrähte auf.
-
Für die Anordnung des Meßwiderstandes 5 ist weiterhin eine gleichmäßige
Verteilung der Windungen über die Oberfläche des Meßringes 4 sowie ein möglichst
geringer Abstand zum Heizring wichtig, damit jede Schwankung der Temperatur des
Heizringes 1 ohne zeitliche Verzögerung an jeder Stelle der Oberfläche erfaßt werden
kann. Jede Abweichung der Temperatur vom Sollwert bewirkt über den Meßwiderstand
eine Änderung der Heizleistung des Heizdrahtes B.
-
Der Heizdraht 8, der aus einem Material mit niedrigem Temperaturkoeffizienten
bestehen kann, ist zweckmäßig spiralenförmig ausgebildet, da bei dieser Form der
Widerstand vor dem Einbau gut auf einen vorgegebenen Wert abgeglichen werden kann.
Es ist aber auch jede andere geeignete Querschnittsform des Heizdrahtes möglich.
Der Innenring 7 als Träger des Heizdrahtes 8 besteht vorzugsweise aus einem Isoliermaterial,
das porös sein kann, oder ein gesintertes Material, z. B. Steatit. Der Innenring
7 kann aber auch aus einem Metall, wie Aluminium oder Aluminiumlegierung, hergestellt
sein, dessen Oberfläche durch ein Eloxierverfahren mit einer elektrisch isolierenden
Schicht überzogen ist. Weiterhin kann an Stelle der Isolierschicht für den Innenring
7 der Heizdraht 8 mit einer wärmeleitenden Isolierschicht versehen sein.
-
Die ineinanderliegenden Ringe werden beidseitig durch kreisförmige
Scheiben 10 und 11 zusammengehalten und zentriert. Die Scheiben sind
auf einem Gewindebolzen 13 gelagert und sind durch eine Schraubenmutter 14 befestigt.
Der Abstand der Scheiben 10 und 11 voneinander wird durch einen Distanzring 12 bestimmt.
Das freie Ende des Bolzens 13 ist ebenfalls mit einem Gewinde 15 versehen, mit dem
die Heizeinrichtung an der gewünschten Stelle befestigt werden kann.
-
Die Scheiben 10 und 11 sind im Bereich der Ringe 1,
4 und 7 mit axialen Erweiterungen 16,17 zur Zentrierung der Ringe versehen. Zwischen
den einander zugekehrten Flächen der Ringe und der Scheiben sind kreisringförmige
Isolierungen 18 und 19 angeordnet, die beispielsweise aus Glimmer od. dgl. bestehen
können. Die Lage dieser kreisringförmigen Isolierungen wird am äußeren Rand durch
abgewinkelte Verlängerungen 20 und 21 der Flansche 2 und 3 des Heizringes 1 bestimmt.
Um einen Kontakt der Scheiben 10 und 11 mit dem Heizring 1 zu verhindern, ist der
Außendurchmesser der Scheiben etwas kleiner gewählt als der durch die Verlängerungen
20 und 21 bestimmte Durchmesser, so daß zwischen den Scheiben 10 und 11 einerseits
und dem Heizring 1 andererseits beidseitig ein kreisringförmiger Spalt verbleibt.