DE1735003A1 - Heizvorrichtung fuer laufende Chemiefaeden - Google Patents

Description

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Heizvorrichtung für laufende Chemiefäden

Barmer Maschinenfabrik Aktiengesellschaft Wuppertal-Oberbarmen

Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Chemiefäden und fadenartigen Gebilden, bei v/elcher diese über einen Heizkörper laufen, der durch ein elektrisches Widerstandselement aufgeheizt wird oder als solches ausgebildet ist und dessen Form sich in Richtung des Padenlaufes ändert.

Bei der Herstellung und Nachbehandlung von Chemiefäden ist es häufig, namentlich zum Verstrecken und/oder Texturieren der laufenden Fäden erforderlich, diese auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen. HierfUr sind bereits die verschiedensten Vorrichtungen vorgeschlagen worden. Bekannte Heizvorrichtungen sind als Platte, Schiene, Rohr oder dergleichen ausgebildet und werden elektrisch, insbesondere durch unmittelbaren Stromdurchgang, beheizt. Der Faden berührt dabei entweder eine längere gekrümmte Fläche oder läuft berührungsfrei in geringem Abstand längs einer ebenen Heizfläche.

Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen die mit dem Faden in Kontakt tretende gekrümmte Fläche quer auf einem von einer Heizflüssigkeit durchströmten Rohr sitzt und dadurch so erwärmt wird, daß in Fadenlaufrichtung ein Temperaturanstieg erfolgt. Der Tempera-

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turverlauf soll bei dieser Anordnung auch noch beeinflußt werden, Indem man den Querschnitt und/oder die Fläche des Heizelementes entlang der Fadenbahn ändert. ...,., ._; ...

Bei allen diesen Anordnungen 1st es sehr schwer, den Faden bei großer Abzugsgeschwindigkeit über seinen Querschnitt gleichmäßig zu erhitzen, um ihm die zur Nachbehandlung erforderliche Plastizität zu geben. Er darf aber auch nicht teilweise überhitzt werden, da sich bei überhöhten Temperaturen das Fadenmaterial zersetzt. Die zur Fadennachbearbeitung erforderlichen unteren und zulässigen oberen Temperaturwerte liegen überdies häufig nahe beieinander. Man ist deshalb gezwungen, zur guten Plastizierung des Fadens eine verhältnismäßig niedrige Fadengeschwindigkeit einzuhalten. Eine aus Gründen größerer Wirtschaftlichkeit geforderte Erhöhung der Fadengeschwindigkeit konnte bisher nur durch wesentliche Verlängerung der Heizflächen erreicht werden.

Messungen des Temperaturverlaufes an elektrisch unmittelbar beheizten Kontaktflächen haben ergeben, daß in der Praxis nur etwa die halbe Länge des Heizelementes den Temperatursoliwert erreicht, während am Anfang und Ende der Heizstrecke Temperaturen herrschen, die erheblich unter den erforderlichen Mindestwerten liegen, so daß tatsächlich nur etwa t>0 % der Heizstrecke ausgenutzt wird.

Aus diesem Grunde wurde bereite zur besseren Ausnutzung der gesamten Heizlänge vorgeschlagen, den Temperaturverlauf über dem Heiselement mit Hilfe einer mehrschichtigen Heizplatte zu vergleichmäßlgen. Sie besteht im wesentlichen aus zwei plattenförmigen Silber- bzw. Kupferelektroden, die als Stromzu- und Ableitung für einen dazwischenliegenden elektrischen Heizwiderstand dienen, dessen spezifischer elektrischer Widerstand mit der Aufheizung zunimmt. Außer ihren hohen Kosten und dem großen Gewicht arbeiten diese Heizwiderstände auch sehr träge und schließen deshalb die Gefahr Ortlicher Überhitzung bzw. Abkühlung nicht aus.

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Jer Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, in Weiterentwicklung der elektrischen Heizvorrichtungen mit unmittelbar beheizter Fadenlauffläche den Temperaturverlauf in Padenlaufrichtung so zu verbessern, daß er sich dem vorgegebenen Sollwert möglichst genau über die ganze Länge der Heizfläche angleicht, indem die Wärmeentwicklung in den Einzelbereichen des Widerstandselementes durch Änderung des elektrischen Widerstandes dieser Bereiche den vorgegebenen Temperaturverlauf über der Heizfläche einstellt.

Um dies auf einfachste Weise zu erreichen , wird neuerungsgemäß vorgeschlagen, daß sich der jeweilige Querschnitt de<j elektrischen Widerstandselementes in Fadenlauf rieht uns, in den Teilbereichen des Heizkörpers derart ändert, daß der tats^ich Ii ehe Temperaturver lauf unabhängig von durch äußere Einflüsse Dedingten Wärmeverlusten über den Fadenweg annähernd konstant ist oder einen anderen vorgegebenen Verlauf aufweist. Der Querschnitt des Stromwärme erzeugenden Widerstandselementes muß demnach an Stellen großen Wärmebedarfs kleiner ausgebildet sein als an solchen mit geringerem Wärmebedarf. Diese Querschnittsänderung erfolgt, indem sich die Breite und/oder Höhe des Widerstandeelementes ändert, oder durch Ausnehmungen, z.B. Bohrungen, in seiner Fläche. Eine weitere Möglichkeit der Querschnittsänderung besteht in der Anordnung zusätzlicher stromleitender Verbindungen zwischen den einzelnen Bereichen des elektrischen Widerstandes.

Bekanntlich ist im Ohmschen Gesetz der Zusammenhang zwischen elektrischer Spannung U; Widerstand R und Stromstärke I in der Gleichung

U=R-I (1)

aufgezeigt. Weiter gilt auch die Beziehung der elektrischen Leistung W

W-U-I (2)

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Ersetzt man in Gleichung (2) U durch die rechte Seite von (l)_t so ergibt sich:

W - R · I² (3)

Da Über die Lunge der Heizbahn der elektrische Widerstand in den Teilabschnitten des Heizelementes entsprechend den unterschiedlichen Querschnitten des Elementes In Fadenlaufrichtung gesehen verschieden groß ist, setzt sich In Gleichung (J) der Wert R aus der Summe der Einzelwerte R₁ +R₂ + —·♦ R_x zusammen, wobei χ die Anzahl der Querschnitte des Heizelementes 1st. Entsprechend den Einzelwiderständen R.; Rg ~~~ R_x findet In den Querschnitten des Heizelementes ein Spannungsabfall Δ^υχϊΔ^υ2 "*~Δ ^u _x etatt, wobei die Summe allerA U wieder gleich der angelegten Spannung U 1st. Da die obengenannten drei Gleichungen selbstverständlich auch für die Einzelquerschnitte des Heizelementes gelten, kann (3) auch In der Form W_x · R_x · I geschrieben werden. Durch Querschnitts- und damit elektrische Widerstandsänderung an der Stelle χ der Heizfläche kann also die Heizleistung an dieser Stelle verändert werden. Dabei 1st jedoch zu beachten, daß beispielsweise bei einer Vergrößerung des Widerstandes R₁ der Oesamtwiderstand R ebenfalls größer wird. Damit muß, konstante Spannung U am Heizelement vorausgesetzt, die Stromstärke Z laut (1) abnehmen und außerdem die Heizleistung W laut (2) kleiner werden. Eine Querschnittsänderung an einer Stelle des Heizwlderatandes wirkt sich also auf den Gesamttemperaturverlauf über die Länge des Heizelementes aus. Um daher die Höhe und den Verlauf der. Temperatur an einem Heizelement entsprechend einer vorgegebenen Kurve einstellen zu können, 1st es erforderlich, mit dem Heizwiderstand einen Regelwiderstand zum Einstellen der Gesamtspannung U in Reihe oder zur Stromregulierung parallel zu schalten. Da eine Maschine, z.B. Streckzwirn- oder Kräuselmaschlne, meist eine Vielzahl von Arbeitsstellen besitzt und ebensoyiele Heizelemente benötigt, können mit Hilfe der Bandwiderstand« möglichst gleich· Arbeltsbedingungen an -allen Arbeltsstellen eingestellt werden. Die oben niedergeschriebenen Gedankengänge beziehen sich in dieser Form zwar auf Gleichstrom

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können aber in diesem Pall ohne beachtenswerte Einschränkungen auch auf Wechselstrom angewandt werden.

Mit der neuerungsgemgßen Vorrichtung besteht aber auch die Möglichkeit, den Temperaturverlauf derart festzulegen, daß er einer vorbestimmten Kurve folgt. Gegebenenfalls IaSt sich so eine bearbeitungsmäSig notwendige KÜhl2one vorsehen.

Da für die Heizelemente vorzugsweise Bleche aus elektrischem Wider-Standsmaterial von 0,1 bis 1 mm Dicke gebraucht werden, wird vorge- ™ schlagen, diese mit einem ihrer Form angepaßten Stützkörper fest zu verbinden. Dieser Stützkörper ist seinerseits gegen Stromdurchgang isoliert oder besteht selbst aus Isoliermaterial. Beispielsweise kann die gebogene Heizschiene aus dünnem Stahlblech gefertigt und auf eine entsprechend gekrümmte Fläche eines Aluminiumträgers, der einige Zentimeter dick und durch eine feine Eloxier-Schicht gegen Stromdurchgang isoliert ist, aufgeklebt sein. Ebenso ist es möglich, die Heizschiene in Chamotte zu betten. Dabei hat der Stutzkörper nicht nur die Aufgabe, dem dünnen Heizelement einen zusätzlichen Halt zu geben, sondern er soll, da er von dem Heizelement mit erwärmt wird, zusätzlich große Temperaturgefälle auf verhältnismäßig kleinen Heizbahnlängen durch Wärmeleitung ausgleichen. Solche Temperaturgefälle können bei schroffer^ Querschnittsänderungen am Heizelement leicht auftreten. Hier wirkt der Stutzkörper also zusätzlich "glättend" auf den Verlauf der Temperaturkurve .

Die nt-'uerungbgemäßt Ausbildung und Anordnung kann auch bei sogenanntsn Mehrfachsystemen, bei denen sich z.B. zwei gleichartig gebogene Heizflächen mit ihrer konkaven Seite gegenüberstehen, angewandt werden. Zur Erzielung gleicher oder unterschiedlicher Temperaturen weisen sie die gleichen oder unterschiedliche Querschnittsänderungen auf. Dabei i3t es auch möglich, am Auflauf- sowie am Ablaufende des Plattenpaaree

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in bekannter Weise je eine Umlenkrolle vorzusehen, von denen eine oder beide angetrieben sein können, und deren beider Umfang von den Platten teilweise überdeckt ist. Vorteilhafterweise können bei einer solchen Anordnung die Platten auf oder mit ihrem, Träger drehbeweglich angeordnet und als Wicklerabtaster und Absteller eingerichtet sein.

Die aufgezeigte Vorrichtung kann weiterhin auch so ausgebildet sein, daß der Heizwiderstand nicht zum unmittelbaren Strojadurchgang an eine ' Spannungsquelle angeschlossen ist, sondern, daß in ihm Wirbelströiae induziert werden, welche die erforderliche Aufheizung bewirken.

Das Widerstandseleraent kann zur Verringerung der Verluste durch Wärmestrahlung oder zur Erzielung einer besonderen Karainwirkung von einem Gehäuse umgeben sein bzw. selbst ganz oder teilweise ein solches Gehäuse bilden. Dieses Gehäuse besitzt gegebenenfalls einen Schlitz oder eine Klappe zum Einfädeln des Fadens.

Schließlich kann der Heizkörper mit fadenführenden Einrichtungen versehen sein, die den Laufweg des Fadens festlegen und ihn eventuell in bestimmtem Abstand von der Heizfläche halten.

Die neuerungsgemäße Vorrichtung wird,nicht nur bei der Behandlung herkömmlicher Chemiefäden eingesetzt, sondern auch zum Verstrecken und Texturieren von fadenartigen Gebilden, die aus thermoplastischen Kunststoffen bestehe», und die unter der Bezeichnung Händchen, Mehrkomponentenstrelfen, Hohlfäden und dergleichen in neuerer Zeit bekannt wurden.

Anhand eines Beispiels soll der mit der Neuerung erzielte besondere wirtschaftliche Vorteil aufgezeigt werden. Ein Paden von 70 den konnte bei genügender Aufheizung mit einer Geschwindigkeit von 90 m/min über eine gebogene Heizßchine aus gewöhnlichem Chrom-Nickel-Stahl geführt werden. Die Heizschiene war 1 000 mm lang, 0,3 ram dick und hatte eine konstante Breite von 23 mm. Bei einer vorgeschriebenen Sollwert-

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temperatur von 190 ⁰C verlief die Istwerttemperatur entsprechend der in Figur 2 gezeigten Kurve. Durch Besehneiden der Heizschienenbreite derart, daß das Auflaufende 19 mro breit ist und über 600 mm Länge linear auf 25 mm zunimmt und daß das Ablaufende auf der Bahnlänge von 850 mm bis .1 000 mm ebenfalls linear von 2;> mm Breite auf 22 mm abnimmt,- konnte der Temperatursollwert von I90 ⁰C über mehr als 90 % der Heizelementenlänge eingestellt werden. Mit dieser Änderung war es möglich, bei weiterhin vollständiger Durchwärmung des Fadens eine Fadengeschwindigkeit von 180 m/min au erreichen.

In der Zeichnung sind außer einer bisher üblichen Heizplatte und deren Temperatürkurve mehrere Ausführungsbeispiele der neuerungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es aeigen

Fift, 1 die Vorderansicht einer elektrisch unmittelbar beheizten,

gebogenen Platte üblicher Form,
Fig. 2 die Teraperaturfeurve der in Figur 1 gezeigten Platte,

Fig_Tii(g die Vorderansicht einer gemäß der ■ Neuerung-. ausgebildeten

Heizplatte,
Fig. 4 die Seitenansicht der in Figur 3 gezeigten Platte,

Fig. 3 die Vorderansicht einer weiteren Ausführungsform der Heizplatte gemäß der Neuerung *
Fig. 6 eine dritte Äusführungsmöglichlceit in Seitenansicht„

Fig. 7 eine gehäuseartige Heizplattenausführung,

Fift. 8 den EÄngsschnitt durch eine Heizschiene mit Stützkörper in Perspektive; .

Fig. 9 ein Heizplatten-Poppelsystem gemäß der Neuerung in Seitenansicht.

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Pig. 1 zeigt eine übliche, senkrecht stehende, gebogene Heizplatte in Vorderansicht. Der in Pfeilrichtung laufende Faden ist strichpunktiert dargestellt. In Fig. 2 wurde der-gemessene Temperaturverlauf bei von unten nach oben laufendem Faden über der Heizstrecke nach Figur 1 aufgetragen. Der Temperatursollwert ist als Gerade in das Diagramm eingesetzt. Demgegenüber zeigt der tatsächliche Temperaturverlauf eine stark geschwungene Kurve, die der Sollwertgeraden nur im mittleren Teil der Heizbahnlänge angenähert ist, so daß ein großer Teil der Bahnlänge unausgenutzt bleibt. Entsprechend ähnlich ungünstige Temperaturfelder können bei ebenen oder rohrförmigen Heizflächenbahnen beobachtet werden.

In den Figuren 3 und h ist eine neuerungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Die gebogene und durch unmittelbaren Stromdurchgang beheizte Heizplatte 1 weist einen solchen in Laufrichtung des Fadens 2 abhängig vom zu- oder abnehmenden Querschnitt sich ändernden elektrischen Widerstand auf, daß der tatsächliche Wärmeverlauf Über die Bahnlänge des Fadenlaufweges stets angenähert dem in Figur 2 dargestellten Sollwert entspricht. Die Querschnittsänderung erfolgt hier nur durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung der Plattenbreite. Eine solche Querschnitts· änderung kann aber auch, wie in Figur 5 dargestellt, durch Bohrungen 3 im Rand der Heizplatte 4 erfolgen, welche die sonst übliche rechteckige Form hat. Der Abstand der Bohrungen nimmt in Fadenlaufrichtung zu bzw. ab,. Ebenso kann die erforderliche Querschnittsänderung durch feste elektrische Verbindung mit einer oder mehreren untergelegten stromleitenden Platten 5 erfolgen. Diese Ausführungsform zeigt Fig. 6. Der Heizkörper kann aber auch, wie in Fig. 7 dargestellt, als ge- -schlossenes oder- lfingsgeschl±t^tes-Rohr"6""Bxisgebl~ldetr GnoTTtIf~<2re~Köntaktflächenheizung gebogen sein. Der Heizkörper hat hier durch seine gehäuseförmige Ausbildung eine oft günstige Kaminwirkung. Das Einlegen ies· fadenartigen Gebildes erfolgt einfach durch den schmalen Schlitz 7

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Eine besonders vorteilhafte Ausführung zeigt Pig. 8. Hier besteht das Heizelement 8 aus sehr dünnem Stahlblech von 0,1 bis 0,3 mm Dicke. Die neuerungsgemaße £uerSchnittsänderung erfolgt durch Änderung der Bahnbreite. Die Schiene 8 liegt auf einem Stützkörper 9 aus Aluminium oder einem anderen Material auf und ist mit ihm, beispielsweise durch Kleben, fest verbunden. Um den Stromdurchgang durch den Stützkörper 9 zu verhindern, ist dieser gegen das Heizelement 8 durch eine Eloxier-Schicht 10 isoliert. ·

Fig. 9 zeigt ein Heizplatten-Doppelsystem, bei welchem sich die beiden gebogenen Heizplatten 11 und 12 mit ihrer konkaven Seite gegenüberstehen und auf einem Träger IJ> befestigt sind. Der Träger 1> ist um den Zapfen 14 drehbar angeordnet. Das Plattenpaar 11, 12 bedeckt in geringem Abstand einen Teil der beiden Umlenkrollen If? und 16. .Eine oder beide Rollen können angetrieben sein. Der Plattenträger IJ ist so eingerichtet, daß er bei Wicklerbildung auf den Rollen 15* l6 aus seiner Betriebslage gedrückt wird und dabei durch Betätigung des Mikroschalters I9 den Antrieb der Arbeitsstelle abstellt. In der Betriebslage wird der Plattenträger 13 durch die Feder YJ und den Anschlag 18 gehalten.

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Claims (11)

- /- JO Bag. 607 Gm Schutzansprüche

1.) Vorrichtung zum Erwärmen von Chemiefäden und fadenartigen Gebilden, bei welcher diese über einen Heizkörper laufen, der durch ein elektrisches Widerstandselement aufgeheizt wird oder als solches ausgebildet ist und dessen Form sich in Richtung des Padenlaufes ändert, dadurch gekennzeichnet, daß sich der jeweilige Querschnitt des elektrischen Widerstandselementes in Fadenlaufrichtung in den Teilbereichen des Heizkörpers derart ändert,- daß der tatsächliche Temperaturverlauf unabhängig von durch äußere Einflüsse bedingten Wärmeverlusten über den Fadenweg annähernd konstant ist oder einen anderen vorgegebenen Verlauf aufweist.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsänderung des elektrischen Widerstandselementes durch dessen Breiten- und/oder Höhenänderung erfolgt. ^v

2.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsänderung des elektrischen Widerstandselementes durch Ausnehmungen in seiner Fläche, z.B. Bohrungen, erfolgt.

4.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsänderung durch zusätzliche stromleitende Verbindungen zwischen den einzelnen Abschnitten des elektrischen

Widerstandes erfolgt. .

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5.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Widerstandselement aus dünnem Blech von vorzugsweise 0,1 bis 1 mm Dicke besteht und über die Länge des Fadenweges mit einem seiner Form angepaßten wärmeleitenden Stützkörper fest verbunden ist, der seinerseits elektrisch isoliert ist bzw. selbst aus Isoliermaterial besteht.

6.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5'mit zwei gleichartig gekrümmten, sich mit ihrer.konkaven Seite gegenüberstehenden elektrischen Heizelementen, dadurch gekennzeichnet, daß diese gleiche ^P oder unterschiedliche Querschnittsänderungen aufweisen.

7.) Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Auflauf- sowie am Ablaufende des Plattenpaares in bekannter Weise je eine Umlenkrolle vorgesehen ist, deren beider Umfang von den Platten teilweise überdeckt ist und vor, denen die eine oder beide angetrieben sein können.

8.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Plattenpaar auf oder mit seinem Träger drehbar angeordnet und als Wieklerabtaster und Absteller eingerichtet ist.

9.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4 und 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die Aufheizung der elektrischen Widerstandselemente in diesen induzierte Wirbelströme benutzt werden.

10.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement schachtförmig ausgebildet und von einem Gehäuse umgeben ist oder selbst ganz-oder zum Teil ein sohachtförmiges Gehäuse bildet, wobei das Gehäuse gegebenenfalls einen Schlitz in Padenriehtung oder eine Klappe besitzt.

11.) Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Heizkörper Padenführungselemente angebracht sind.

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