DE3512843C2

DE3512843C2 -

Info

Publication number: DE3512843C2
Application number: DE3512843A
Authority: DE
Inventors: Naomichi Yamagishi; Kenji Mori; Tsuguo Ibaraki Jp Okumura; Tatsubumi Hiratsuka; Masayoshi Tsuchiura Ibaraki Jp Sugiyama
Original assignee: Mitsubishi Monsanto Chemical Co
Current assignee: Mitsubishi Kasei Corp
Priority date: 1983-10-11
Filing date: 1985-04-10
Publication date: 1989-02-02
Also published as: GB2173147B; JPH0415087B2; JPS6079916A; DE3512843A1; GB2173147A; GB8508934D0; FR2580217B1; FR2580217A1; US4634840A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuierlichen Erwärmung einer thermoplastischen Kunststoffbahn gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Unter einer Kunststoffbahn wird ein flaches, filmartiges, band- oder streifenförmiges Kunststoffmaterial verstanden. Unter Erwärmung wird weiterhin eine bestimmte Wärmebehandlung der Kunststoffbahn verstanden, die monoaxial oder biaxial gereckt bzw. gezogen wird, die Wärme verfestigt und Beschichtungs- oder Lamellierungsoperationen ausgesetzt wird, wobei die Kunststoffbahn in besonders gleichförmiger Weise erwärmt wird, um die Kunststoffbahn mit einem vorbestimmten Temperaturprofil quer zu seiner Längserstreckung zu versehen.

Aus der DE-OS 22 42 285 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Beeinflussung und Änderung des Dickenprofils quer zur Bahnlaufrichtung von thermoplastischen Folienbahnen innerhalb eines Streckvorganges bekannt, bei dem man die Folienbahn vor und/oder während der Längsstreckung quer über die Bahnbreite ungleichmäßig zonenweise erwärmt und hierdurch die Temperaturverteilung quer zur Folienbahn zeitlich verändert.

In der DE-OS 27 31 075 ist ein Durchlaufofen für mit Kunststoffpulver oder Paste beschichteten Warenbahnen beschrieben, wobei zum Sintern des Pulvers oder der Paste Infrarotstrahler sowie ein Saug- und Blasluftsystem vorgesehen sind und wobei durch die Infrarotstrahler auch die zum Trocknen der Paste dienende Warmluft aufgeheizt wird.

Bei diesen bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen sind jedoch keine Thermometer zum Messen der Film- oder Folientemperatur in der Nähe des Auslasses der Film- oder Folienaußenseite einer jeden der Vielzahl von Strahlungserwärmungsvorrichtungen vorgesehen, von denen jede aus einer Reihe oder einer Vielzahl von Reihen von Heizkörpern besteht. Vielmehr dient die Anordnung von mehreren Heizkörpern hintereinander bei der Heizeinrichtung gemäß der DE-OS 27 31 075 lediglich dazu, einer Harzfolie über einen langen Zeitraum hinweg eine ausreichende Wärmemenge zuzuführen.

Es ist bekannt, Kunststoffbahnen indirekt zu erwärmen. Hierzu gehört beispielsweise eine Erwärmung durch Heißluft, die gegen die Kunststoff geblasen wird, um diese zu erwärmen. Bei einem solchen Verfahren erreicht das Kunststoffmaterial sehr rasch die Temperatur der erhitzten Luft. Die Temperatur kann daher relativ einfach eingestellt werden. Der Einfluß der Umgebungstemperatur außerhalb der Heißlufterwärmungsvorrichtung ist relativ gering und die Genauigkeit der eingestellten Temperatur ist hoch. Dennoch wird bei einer solchen Erwärmung die Kunststoffbahn leicht wellig und es werden Deformationen des Kunststoffmaterials bei einer Temperatur nahe der Erweichung des Kunststoffmaterials erhalten. Es wird nämlich dabei eine sogenannte Aufweitung ("flaring") verursacht. Wenn die Kunststoffbahn abgewickelt wird, werden Wellen auf der Oberfläche erzeugt, wodurch die Qualität des Produktes verringert wird. Außerdem werden aufgrund der Wellenbildung leicht Risse und Brüche verursacht, wenn die Kunststoffbahn relativ dünn ist.

Weiterhin ist eine indirekte Wärmebehandlung der Kunststoffbahn durch Bestrahlung mit elektromagnetischen Wellen im infraroten und langwelligen infraroten Strahlenbereich bekannt. Ein solches Erwärmungsverfahren ist vorteilhaft, da a) die Strahlungserwärmungsvorrichtung zu relativ geringen Kosten hergestellt werden kann, b) die Wartung einer solchen Vorrichtung relativ einfach ist und c) die Wärmeausnützung besonders hoch ist. Andererseits ist eine Strahlungserwärmungsvorrichtung der herkömmlichen Art unbefriedigend, da d) die Strahlungserwärmungsvorrichtung leicht von der Strahlungsenergiequelle beeinflußt wird, die an die Heizkörper der Strahlungserwärmungsvorrichtung angeschlossen ist und e) die Erwärmungstemperatur leicht von der Umgebung beeinflußt wird, so daß eine hohe Genauigkeit der Erwärmung der Kunststoffbahn mit den bekannten Strahlungserwärmungsvorrichtungen schwer zu erreichen ist.

Das Prinzip der Wärmezuführung beim Erwärmen einer Kunststoffbahn ist in Fig. 1 dargestellt. Hier wird die Temperatur TF einer Kunststoffbahn 11 durch die Änderung der Umgebungstemperatur beeinflußt, wenn die Temperatur TH eines Heizkörpers 12 konstant gehalten wird. Um die Bahntemperatur TF konstant zu halten, ist es daher notwendig, den Sollwert der Heizungstemperatur TH in Abhängigkeit von der Änderung der Umgebungstemperatur zu korrigieren.

Wird eine Kunststoffbahn durch Strahlung erwärmt, wirken eine Vielzahl von Heizungskörpern in der Strahlungserwärmungsvorrichtung zusammen. Ein solches Zusammenwirken einer Vielzahl von Heizungskörpern ist prinzipiell in Fig. 2 dargestellt, in der die Bezugszahlen 22, 23, 24 und 25 der Reihe nach mehrere Strahlungsheizkörper, eine Wärmestrahlen reflektierende Fläche, seitliche Halterungen für die Kunststoffbahn und zugehörige Halterungsschienen bezeichnen.

Bezugnehmend auf Fig. 2 ist hinsichtlich der Stelle oder des Ortes i auf der Kunststoffbahn 21 (Orte rechts von dem Ort i quer zur Bahn sind mit i + 1, i + 2, . . . und Orte links von dem Ort i quer zur Bahn sind mit i-1, i-2, . . . bezeichnet) ein zentraler Heizkörper in der Position j genau gegenüber dem Ort i (die Orte i, i + 1, i + 2, i-1 und i-2 auf der Kunststoffbahn entsprechen den Positionen j, j + 1, j + 2, j-1 und j-2 weiterer Heizkörper) angeordnet, um den Ort i der Kunststoffbahn 21 am wirkungsvollsten zu bestrahlen. Dabei können jedoch die Heizkörper in den Positionen j-2, j-1, j + 1 und j + 2 nicht vernachlässigt werden. Wenn also nur der Sollwert der Temperatur des zentralen Heizkörpers in der Position j genau gegenüber dem Ort i der Kunststoffbahn geändert wird, um die Temperatur an dem Ort i der Kunststoffbahn 21 zu korrigieren, so wird hierdurch die Temperatur nicht über der vollen Breite der Kunststoffbahn 21 auf den richtigen Wert eingestellt.

Für den Fall, daß eine biaxial gereckte Kunststoffbahn eines thermoplastischen Kunststoffes bei einer Erwärmung durch Bestrahlung hergestellt wird, ist die Temperatur der Kunststoffbahn im Zentrum der Strahlungserwärmungsvorrichtung höher als an ihren seitlichen Rändern. Um daher die Temperatur weitgehend genau über den gesamten Querschnitt der Bahn einstellen zu können, ist a) ein Verfahren bekannt, bei dem ein flacher Körper verwendet wird, der durchgehende Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern aufweist, wobei dieser Körper zwischen den Heizkörpern und der Kunststoffbahn in einer Position angeordnet ist, in der die Bahn einer Überhitzung ausgesetzt wäre. Es ist auch bekannt, anstelle des flachen plattenartigen Körpers mehrere netzartige Körper vorzusehen, die Löcher mit unterschiedlichen Durchmessern aufweisen. Auch wenn die bekannten Verfahren a) und b) angewendet werden, ist eine genaue Temperatureinstellung über den Querschnitt der Bahn sehr schwierig und es ist nicht leicht, die Position, die Durchmesser der Löcher und die Anzahl der zwischen den Heizkörpern und der Kunststoffbahn angeordneten platten- oder netzartigen Teile entsprechend den jeweiligen Bedingungen zu ändern. Außerdem ist der Erwärmungsgrad wesentlich reduziert, da die zwischen den Heizkörpern und der Kunststoffbahn angeordneten Körper Strahlungswärme abschirmen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugegeben, mit dem gegenüber dem Stand der Technik eine wesentlich gleichförmigere Erwärmung einer Kunststoffbahn auf möglichst einfache und energiesparende Weise erreicht wird und wobei die Einstellung der Temperatur der Kunststoffbahn über ihren Querschnitt mit einem bestimmen Temperaturprofil hoher Genauigkeit sichergestellt ist und das Temperaturprofil den jeweiligen Erfordernissen leicht angepaßt werden kann.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Die Erfindung wird weiterhin anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die in den Zeichnungen schematisch dargestellt sind. Hierin zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer bekannten Strahlungserwärmungsvorrichtung;

Fig. 2 eine bekannte Strahlungserwärmungsvorrichtung mit einer Vielzahl von Heizkörpern;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Strahlungserwärmungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 und 5 jeweils Draufsichten auf beispielsweise Anordnungen von Heizkörpern der Strahlungserwärmungsvorrichtung;

Fig. 6 ein Blockschaltbild für eine Steuervorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und

Fig. 7A bis 7C Stärken bzw. Dicken der Kunststoffbahn und der erzielten Temperaturprofile beim Erwärmen der Bahnen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Die vorliegende Erfindung schließt alle thermoplastischen Kunststoffe ein, die als Bahnen entsprechend der eingangs angegebenen Definition herstellbar sind. Ohne jede Beschränkung handelt es sich bei den thermoplastischen Kunststoffen z. B. um folgende Stoffe: Polymer, Styrolharze, polymere Vinylchloridharze, polymere Olefinharze, Polyamide, Polyester, Polycarbonate, Acrylharze, Silikonharze, Fluorharze, Polyvinylalkohole, Polyvinylbutyrale, Polyacetale, Polysulfone und Polyphenylenoxide. Die verwendbaren Kunststoffbahnen können eine Stärke bzw. Dicke zwischen etwa 0,5 µm bis einige mm aufweisen.

Das erfindungsgemäßee Verfahren ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn eine thermoplastische Kunststoffbahn mono- oder biaxial gereckt bzw. gedehnt wird, ein kristallines Bahnmaterial durch Wärmeeinwirkung nach dem Recken erstarrt, eine Flüssigkeit, die die Kunststoffbahn bedeckt, getrocknet wird, das Bahnmaterial mit einem Stoff beschichtet wird oder das Bahmaterial in einem besonderen Preßformverfahren zu einem Preßkörper geformt wird.

Die Erfindung wird anschließend anhand von Ausführungsbeispielen mehr im Detail beschrieben, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, ohne dabei den Rahmen der Erfindung zu begrenzen.

Das erfindungsgemäße Erwärmungsverfahren dient zum Erwärmen einer relativ breiten, ununterbrochenen thermoplastischen Kunststoffbahn, wobei der Ausdruck "Bahn" eingangs definiert worden ist.

Erfindungsgemäß werden eine Vielzahl von einzelnen Heizkörpern in Kombination miteinander verwendet. Auf diese Weise läßt sich eine graduelle Erwärmung vorteilhaft bewerkstelligen.

Wie Fig. 3 zeigt, ist es vorteilhaft, daß mehrere Strahlungs erwärmungsvorrichtungen vorhanden sind, durch die die Kunststoffbahn 31 hindurchläuft, wobei die einzelnen Vorrichtungen in geeigneter Weise aufeinanderfolgen, wie Fig. 3 veranschaulicht, in der die Bahn biaxial gereckt wird.

Wie Fig. 3 außerdem zeigt, ist es vorteilhaft, die Bahn durch die zentralen Abschnitte der Strahlungserwärmungsvorrichtungen 32 a bis 32 f hindurchzuführen. Jede der Strahlungserwärmungs vorrichtungen 32a bis 32 f ist derart gestaltet, daß eine Vielzahl von Heizkörpern oberhalb und/oder unterhalb der Bahn angeordnet ist, die durch die Strahlungsheizvorrichtung hindurchläuft. Es ist vorteilhaft, daß eine Vielzahl von Heizkörpern in einer oder mehreren Reihen rechtwinklig zur Durchlaufrichtung der Bahn angeordnet ist, wobei die Durchlaufrichtung in der Zeichnung durch einen Pfeil dargestellt ist. In Fig. 3 bezeichnen die Ziffern 33a bis 33 f jeweils Thermometer. Wenn die Länge der einzelnen Heizkörper relativ kurz ist, kann eine Anordnung der Heizkörper nach Fig. 4 gewählt werden, in der mehrere Reihen von Heizkörpern in einer Strahlungserwärmungsvorrichtung zusammengefaßt sind. Dabei besteht jede Reihe aus mehreren einzelnen Heizkörpern, die rechtwinklig zur Durchlaufrichtung der Bahn angeordnet sind. Ist die Länge der Heizkörper jedoch relativ groß, wie Fig. 5 veranschaulicht, dann ist es vorteilhaft, eine Vielzahl von Heizkörpern 52 parallel zur Durchlaufrichtung der Bahn anzuordnen, wie der Pfeil in Fig. 5 veranschaulicht. Die einzelnen Heizkörper bilden dabei gemeinsam eine Heizkörperreihe, die sich rechtwinklig zur Durchlaufrichtung der Bahn erstreckt. In den Fig. 4 und 5 bezeichnen die Bezugszeichen 45 und 55 thermoelektrische Elemente und die Bezugszeichen 44 und 54 bezeichnen Gehäuse einer Strahlungserwärmungsvorrichtung. Wenn die Heizkörper 42 oder 52 an beiden Seiten der Kunststoffbahn angeordnet sind, können die Heizkörper auf beiden Seiten der Bahn in der gleichen Weise angeordnet sein und sie können auch in der gleichen Richtung zur Bahn liegen. Heizkörper, die nur auf einer Seite der Bahn angeordnet sind, können entsprechend Fig. 4 oder 5 angeordnet sein oder es können auch beide Anordnungen miteinander kombiniert sein. Wenn die Heizkörper nur oberhalb oder nur unterhalb der zu erwärmenden Kunststoffbahn angeordnet sind, ist es besonders vorteilhaft, wärmereflektierende Flächen auf der Seite der Bahn anzuordnen, auf der keine Heizkörper angeordnet sind. Eine Wärmestrahlen reflektierende Fläche kann von einem dünnen Aluminiumblech oder Aluminiumfolie oder von einem mit Gold, Silber oder Aluminium vakuumbeschichteten Metallblech gebildet sein. Als Heizkörper kann jeder wärmeerzeugende Körper verwendet werden, der in der Lage ist, infrarote oder langwellige infrarote Wärmestrahlen abzugeben. Z. B. kann es sich um eine Infrarotlampe, einen Infrarotheizkörper oder einen Langwellen infrarotheizkörper handeln. Die Erfindung ist jedoch auf solche Heizkörper nicht beschränkt. Um die Kunststoffbahn mit Wärmestrahlen der Heizkörper mit hohem Wirkungsgrad bestrahlen zu können, ist es vorteilhaft, einen Wärmestrahlenreflektor in Kombination mit den Heizkörpern zu verwenden. Um die Wirksamkeit der Erwärmung der Heizkörper weiter zu steigern, besteht das Gehäuse für die Heizkörper vorzugsweise aus Metall und die Gehäuseinnenfläche besitzt vorzugsweise spiegelnde Eigenschaften oder ist mit einer Aluminiumfolie oder dgl. zum Reflektieren von Wärmestrahlen geeignetem Material ausgekleidet. Um außerdem Wärmeverluste über die Außenfläche der Gehäusewand zu vermeiden, ist diese vorzugsweise mit einem wärmeisolierenden Material abgedeckt. Wenigstens ein Temperatursensor ist in einer Reihe von Heizkörpern angeordnet, die rechtwinklig zur Durchlaufrichtung der zu erhitzenden Kunststoffbahn angeordnet sind. Der Temperatursensor ist in der Nachbarschaft der Heizfläche, um die Temperatur an dem Ort zu messen, an dem sich der Sensor befindet. Der dabei gemessene Temperatur-Ist-Wert wird mit einem Temperatur-Soll-Wert verglichen, der in einem Computer eingespeichert ist und der zur Steuerung der Heizleistung (Spannung oder Strom) für die Heizkörper dient. Wie Fig. 4 zeigt, kann je ein Temperatursensor für jeden Heizkörper vorgesehen sein, es kann aber auch ausreichend sein, jedem zweiten oder jedem dritten Heizkörper einen Temperatursensor zuzuordnen. Nach Fig. 5 kann jedem Heizkörper 52 ein Temperatursensor 55 zugeordnet sein. Als Temperatursensor kann beispielsweise ein thermoelektrisches Element oder auch ein Platinwiderstand dienen. Erfindungsgemäß ist jeder Strahlenerwärmungsvorrichtung ein Thermometer zur Messung der Temperatur der Kunststoffbahn zugeordnet, wobei das Thermometer in der Nachbarschaft des Ausganges der Strahlenerwärmungsvorrichtung angeordnet ist, aus dem die Kunststoffbahn heraustritt. Dabei werden die Strahlungen der einzelnen Heizkörper gesteuert, die unmittelbar vor dem Thermometer angeordnet sind, wobei der schon erwähnte Computer eingesetzt wird, in den die einzelnen Temperatur-Soll-Werte eingespeichert sind. In Fig. 6 ist das Thermometer 67 vorgesehen, die Temperatur der Bahn 61 zu messen. Der gemessende Temperatur-Ist-Wert c wird mit einem Temperatur-Soll-Wert d der Kunststoffbahn im Computer 66 verglichen, um danach die Spannung oder den Strom für die Heizung 62 zu steuern. In Fig. 6 bezeichnet der Buchstabe e eine Energiequelle und die Bezugsziffern 63, 64, 65 und 70 bezeichnen der Reihe nach eine wärmestrahlen reflektierende Platte, das Gehäuse einer Strahlungs erwärmungsvorrichtung, ein thermoelektrisches Element und einen Thyristor.

Das Thermometer 67 ist in der Nähe des Ausgangs des Gehäuses 64 der Strahlungserwärmungsvorrichtung 65 außerhalb dieser angeordnet. Der Grund, warum das Thermometer außerhalb der Strahlungserwärmungsvorrichtung angeordnet ist, besteht darin, daß das Thermometer dadurch nicht von der Strahlungs erwärmungsvorrichtung beeinflußt wird (Strahlen der Heizkörper und reflektierende Strahlen innerhalb der Strahlungs erwärmungsvorrichtung). Der Abstand des Thermometers von dem Austritt der Kunststoffbahn 61 aus dem Gehäuse 64 der Strahlungserwärmungsvorrichtung 65 ist abhängig von der jeweiligen Ausbildung der Strahlungserwärmungsvorrichtung, insbesondere der Ausbildung des Austrittsspaltes der Strahlungserwärmungsvorrichtung und der jeweiligen Austrittsgeschwindigkeit der Kunststoffbahn 61. Die Weite des Austrittsspaltes, der von einer oberen und einer unteren Gehäusewand der Strahlungserwärmungsvorrichtung gebildet wird, kann in dem Bereich von etwa 3 cm bis etwa 20 cm liegen. Das Thermometer 67 kann entweder oberhalb oder unterhalb der Bahn angeordnet sein.

Es ist vorteilhaft, wenn die Temperatur auf der Kunststoffbahn an einer Vielzahl von Punkten quer zur Bahn gemessen wird. Das gilt insbesondere dann, wenn die Kunststoffbahn relativ breit ausgebildet ist oder wenn ein bestimmtes Temperaturprofil quer zur Kunststoffbahn eingestellt werden soll.

Das Thermometer 67 kann beispielsweise ein Strahlenthermometer, insbesondere ein Infrarot-Strahlenthermometer, sein. An einem Meßort können wenigstens zwei Thermometer angeordnet sein, um dabei die Temperatur quer über der Bahn zu messen, d. h. in einer Richtung rechtwinklig zur Fortbewegungsrichtung der Kunststoffbahn. Das Thermometer kann ein Punktmeßgerät sein, das mit einem oszillierenden Mechanismus versehen ist. Es kann sich auch um ein Thermometer handeln, das die Temperatur entlang einer Linie mißt und eine Reihe von Infrarotstrahlensensoren aufweist, die entlang einer Linie angeordnet sind. Experimente ergaben, daß, wenn eine thermoplastische Kunststoffbahn erhitzt wird, gute Resultate dann erzielt werden, wenn die Heizkörper nach der folgenden Formel (I) eingestellt sind:

worin T'Hj einen neuen Sollwert für die Heizung an dem Ort j bedeutet, THj bezeichnet einen ursprünglichen Soll-Wert der Heizungstemperatur an dem Ort j, TFi bedeutet einen ursprünglichen Soll-Wert der Temperatur der Bahn an dem Ort i. TFxi bedeutet einen gemessenen Wert der Bahntemperatur an dem Ort i. Der Buchstabe j bezeichnet die Position eines Heizkörpers in einer Heizkörperreihe der Strahlungserwärmungsvorrichtung, wobei j den Wert 1 bis m annehmen kann. Der Buchstabe i bezeichnet den Ort auf dem Kunststoffband auf einer Linie quer zur Bewegungsrichtung der Bahn, wobei i den Wert 1 bis n annehmen kann. Die Koeffizienten-Matrix m × n ist eine Konstante, die durch die charakteristischen Merkmale der jeweils benutzten Strahlungserwärmungsvorrichtung bestimmt ist.
TFxi in der Formel (I) wird durch das Thermometer 67 zum Messen der Temperatur der Kunststoffbahn bestimmt (der gemessene Temperaturwert ist mit c bezeichnet). Die experimentell ermittelte Differenz von TFxi mit dem Temperatur-Soll-Wert TFi der Kunststoffbahn wird durch eine numerische Prozeßeinheit 68 des Computers 66 ermittelt. Diese Differenz wird als Temperaturabweichung bezeichnet. Bei einem Temperatur- Soll-Wert b der Kunststoffbahn ist die Heizung 62 für die Temperaturabweichung vorgesehen. Dieser Soll-Wert b und der gemessene Ist-Wert a der Bahntemperatur werden einem Temperatureinstellgerät 69 aufgegeben. In dem Temperatureinstellgerät 69 wird der gemessene Ist-Wert a der Heizungstemperatur mit dem Soll-Wert b der Heizungstemperatur verglichen und für den Fall, daß a < b wird die Spannung bzw. der Strom für die Heizung so verändert, daß der gemessene Ist-Wert a der Heizungstemperatur ansteigt. Für den umgekehrten Fall, bei dem a < b wird der Strom bzw. die Spannung für die Heizung so verändert, daß der gemessene Wert a der Heizungstemperatur sinkt.
THj, TFi und TFxi in der Formel (I) können durch Rechnungen und Messungen in Richtung der Breite der Bahn bestimmt werden. T'Hj wird von der numersichen Prozeßeinheit 68 im Computer 66 ermittelt. Ein Mikrocomputer, ein Personal-Computer oder ein Minicomputer können als Computer 66 verwendet werden. Das Temperatureinstellgerät 69 ist vorgesehen, den Ausgang des Heizkörpers 62 einzustellen und zu steuern. Eine Einstellsteuerung kann mit einem DDC-Digitalumsetzer oder einem vermaschten Regelkreis vorgenommen werden und die Steuerung kann vervollständigt werden mit einem Ein-Aus-Steuerungsverfahren, dem P-Steuerungsverfahren (proportionales Rück kopplungssteuerverfahren, das eine der Abweichung proportionale Befehlsgröße abgibt), dem PI-Steuerungsverfahren [eine Kombination des P-Steuerungsverfahrens und des I-Steuerungsverfahrens (ein integriertes Rückkopplungs- Steuerungsverfahren, das einen integrierten Abweichungswert als eine Befehlsgröße abgibt)] oder die PID-Steuerungsmethode [die Kombination der PI-Steuerungsmethode und der D-Steuerungsmethode (differentielle Rückkopplungs-Steuerungsmethode, die einen differentiellen Abweichungswert als eine Befehlsgröße abgibt)].

Die Werte der Koeffizienten-Matrix m × n in der Formel (I) können durch wiederholte numerische Operationen (simultan) und/oder durch Experimente mit der entsprechenden Strahlungs erwärmungsvorrichtung bestimmt werden. Dabei entspricht m der Anzahl der Heizkörper, die in einer Reihe senkrecht zu der Fortbewegungsrichtung der Kunststoffbahn angeordnet sind. n entspricht der Anzahl der Temperaturmeßpunkte in einer Reihe der Heizkörper in Richtung senkrecht zu der Forbewegungsrichtung der Kunststoffbahn.

Das Verfahren zur Bestimmung der einzelnen Größen zur Steuerung der verschiedenen Heizkörper (Bestimmung der Koeffizienten-Matrix von m × n) wird nachstehend näher beschrieben.

(1) Eine numerische Operation wird vorgenommen, um näherungsweise die Matrixelemente zu bestimmen.
(2) Numerische Werte werden geändert, während die Kunststoffbahn durch die Strahlungsheizvorrichtung geführt wird, so daß eine optimale Steuerung erreicht wid.

Die numerische Operation wird in folgender Weise ausgeführt:
1 bis m sind in einer Reihe rechtwinklig zu der Fortbewegungsrichtung der Kunststoffbahn angeordnet und die Temperaturen auf der Kunststoffbahn werden an 1 bis n Punkten direkt unter den Heizkörpern gemessen. Angenommen der Abstand zwischen den benachbarten Heizkörpern beträgt d und der Abstand zwischen einem Heizkörper und der Kunststoffbahn ist 1 (siehe Fig. 2), dann ist die Strahlungsenergie Qÿ, die von dem Heizkörper in der Position j zu dem Ort i auf der Kunststoffbahn abgegeben wird, bestimmt durch die folgende Formel (II):

Hierbei betrifft Tj die Temperatur des Heizkörpers, Ti die Temperatur auf der Kunststoffbahn, R bezeichnet den Winkel, unter dem die Strahlung auf die Bahn in dem Punkt i auftrifft, die von dem Heizkörper in der Position j abgestrahlt wird und δ bezeichnet die Boltzmann'sche Konstante, die berücksichtigt, daß sowohl der Heizkörper als auch die Kunststoffbahn schwarz sind.

In der obigen Formel wird das Variieren der Fraktion entsprechend der örtlichen Beziehung zwischen i und j ausgedrückt durch die folgende Formel (III):

Hierbei bezeichnet Kÿ "einen Konfigurations-Koeffizienten" und stellt die Matrix von n × m dar, wobei n die Werte von 1 bis n annehmen kann und j die Werte 1 bis m aufweisen kann. Die vorstehende Formel bezeichnet den Grad des Einflusses des Heizkörpers in der Position j auf dem Ort i auf der Kunststoffbahn. In der Nähe des Temperaturgleichgewichtes läßt sich die kleine Änderung Δ TFi der Bahntemperatur näherungsweise mit der sehr kleinen Änderung Δ THi der Heizungstemperatur gleichsetzen, wobei sich dann Kÿ nach der folgenden Formel (IV) bestimmt:

Δ TFi C [Kÿ] · Δ THj (IV)

wobei C eine Konstante ist.
Die inverse Matrix von Kÿ ist durch die folgende Formel (V) bestimmt:

Δ THj = C′ [Kÿ]^-1 · Δ TFi (V)

wobei C′ eine Konstante ist.
[Kÿ] ^-1 in der Formel (V) ist im Einklang mit (Koeffizienten- Matrix von m × n) in der oben angegebenen Formel (I). [Kÿ] und [Kÿ] ^-1 sind bestimmt durch die Substitution der aktuellen Werte von j, i, d und l in der oben angegebenen Formel (III). Wenn der daraus berechnete Wert eine reale Zahl ist, die ein Dezimalteil aufweist, so wird für eine geeignete Berechnung der Wert in eine integrale Zahl geändert, indem der Dezimalteil des Wertes abgetrennt wird und der erhaltene integrale Wert für die Berechnung benutzt wird.

Im Falle, daß die Koeffizienten-Matrix, die durch die oben bezeichnete numerische Operatin erhalten worden ist, in dem Computer gespeichert wird und der Temperaturmessungs- und Steuerungstest wirksam ausgeführt worden ist, indem die Kunststoffbahn durch die Strahlungserwärmungsvorrichtung geführt wird, wird manchmal, wenn der Meßwert c der Bahntemperatur nicht in Übereinstimmung mit dem Soll-Wert der Bahntemperatur ist, die Soll-Temperatur b des Heizkörpers nicht geändert. Dieser Schwierigkeit wird abgholfen durch Wiederholung des Tests, wobei der numerische Wert der Koeffizienten-Matrix von m × n leicht korrigiert wird, so daß eine verbesserte Koeffizienten-Matrix von m × n erhalten wird.

Da die folgenden wichtigen Ergebnisse mit der vorliegenden Erfindung erhalten werden können, ist die Erfindung auch industriell verwertbar.

1. Im Falle, daß die thermoplastische Kunststoffbahn durch Bestrahlung einer Strahlungserwärmungsvorrichtung erwärmt wird, die eine Vielzahl von Heizkörpern herkömmlicher Techniken aufweist, ist es durch geeignete Beeinflussung der Heizkörper oftmals schwierig, die Temperatur einheitlich auf genaue Werte einzustellen. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann jedoch der gegenseitige Einfluß der Heizkörper wesentlich verringert werden und die Temperatur der Kunststoffbahn kann einheitlich eingestellt werden. Dabei kann auch quer zur Kunststoffbahn ein besonders ausgewähltes Temperaturprofil eingestellt und aufrechterhalten werden.
2. Im Falle, daß die thermoplastische Kunststoffbahn durch eine Bestrahlungserwärmungsvorrichtung erwärmt wird, die eine Vielzahl von Heizkörpern herkömmlicher Technik aufweist, ist es schwierig, die Temperatur der Kunststoffbahn einheitlich auf einen besonders präzisen Wert einzustellen und zu steuern, da die Temperatur der Kunststoffbahn wesentlich durch die Luft inner- und außerhalb der Betätigungseinrichtung beeinflußt wird. Erfindungsgemäß werden die Temperaturen außerhalb und innerhalb der Temperaturerwärmungsvorrichtung rasch bestimmt, indem Temperatursensoren vorhanden sind, die die Temperatur der Heizkörper messen und außerdem ein Thermometer vorhanden ist, daß die Temperatur der Kunststoffbahn mißt und wobei die Meßwerte zu einer Temperatureinstellvorrichtung zurückgeführt werden, um dadurch die Einstellung und die Steuerung der Temperatur zu erreichen und gleichzeitig den Einfluß der Luft außerhalb und innerhalb der Strahlungswärmungsvorrichtung weitgehend zu reduzieren.
3. Sogar wenn die die thermoplastische Kunststoffbahn einer hohen Fördergeschwindigkeit ausgesetzt ist, kann die Bahn erfindungsgemäß leicht schrittweise auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden, indem eine Vielzahl von Strahlungserwärmungsvorrichtungen hintereinander angeordnet werden, die von der Kunststoffbahn durchlaufen werden.
4. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Heizleistung wesentlich erhöht und eine präzise Temperaturkontrolle ist möglich, da kein schildartiges Bauteil zur Kontrolle der Temperatur in einer herkömmlichen Strahlungserwärmungsvorrichtung zwischen dem Heizkörper und der Kunststoffbahn mehr erforderlich ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles mehr im einzelnen beschrieben, durch das die Erfindung in keiner Weise beschränkt wird.

Beispiel 1

Das Beispiel bezieht sich auf eine Kunststoffbahn, bei welcher das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet, wobei die Kunststoffbahn aus einem Polyamid-Material besteht und gereckt wird sowie durch eine Wärmebehandlung verfestigt wird.

Ein Polyamid (Novamid 1020J, vertrieben durch Mitsubishi Chem. Ind. Ltd.) wurde durch einen Extruder geschmolzen und durch eine Form- und Druckrolle in eine Bahn gebracht. Die Bahn wurde in Längsrichtung von einer Anzahl von Longitudinal- Zugrollen gezogen bzw. gereckt. Die Bahn wurde in Punkt in Pfeilrichtung in Fig. 3 ausgegeben, von wo sie sechs Strahlungserwärmungsvorrichtungen 32 a bis 32 f durchläuft, um vorgeheizt, in Längsrichtung gezogen und durch anschließende Erwärmung verfestigt zu werden. In Punkt in Fig. 3 besitzt die Kunststoffbahn 31 eine Breite von etwa 600 mm und eine Stärke von etwa 50 µm. Von den sechs Strahlungserwärmungsvorrichtungen diente die erste Strahlungserwärmungsvorrichtung 32a zur Vorerwärmung der Kunststoffbahn. Die zweite und dritte Strahlungserwärmungsvorrichtung 32 b und 32 c dienten zur Erwärmung der Kunststoffbahn für den Zieh- bzw. Rechvorgang. Die vierte, fünfte und sechste Strahlungserwärmungsvorrichtung 32 d, 32e und 32 f wurden zur Verfestigung der direkten Bahn verwendet. In jeder Strahlungserwärmungsvorrichtung waren Langwellen- Infrarotstrahlungs-Heizkörper (Radiant Heaters 200 V-2 KW der japanischen Firma Ishihara Heater K. K.) vorhanden, die eine Länge von etwa 150 cm aufwiesen und die in Abständen von etwa 10 cm angeordnet waren, und zwar nur auf der Oberseite der Bahn und entsprechend der Fig. 5. Eine mit Aluminium beschichtete Eisenplatte befand sich als Reflektorplatte auf der Unterseite der Bahn. Im Kontakt mit jedem Langwellen- Infrarotstrahlen-Heizkörper war ein Thermoelement vorhanden, so daß alle zwanzig Heizkörper unabhängig voneinander mit einer automatischen Temperaturregelung verbunden waren. Es wurde ein vermaschter Regelkreis (Modell REX-Z 2000 der japanischen Firma Rika Kogyo K. K.) zur Temperatursteuerung verwendet und der Regelkreis war zur Temperaturregelung mit einem PID-Regler in Verbindung. Dort, wo die Kunststoffbahn jeweils aus einer Strahlungserwärmungsvorrichtung austrat, befand sich gegenüber der Kunststoffbahn ein Strahlungsthermometer 33a bis 33 f (Pyroscanners der japanischen Firmal Chino Seisakusho K. K.). Die Strahlungsthermometer befanden sich in Positionen 2m oberhalb der Bahnoberfläche. Dabei wurde die Temperatur in der Nähe der Austrittsöffnung jeder Strahlungserwärmungsvorrichtung gemessen. Die Bahntemperatur wurde dabei jede Sekunde an Punkten gemessen, die einen Abstand voneinander von etwa 10 cm in Richtung der Breite der Bahn aufwiesen. Die Meßwerte wurden in einen Computer eingebracht. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlungserwärmungsvorrichtungen und die Entfernung zwischen einem Austritt einer Strahlungserwärmungsvorrichtung und dem Punkt der Messung der Bahntemperatur und der eingestellte Temperaturwert an jedem Meßpunkt sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Alle fünf Minuten wurde die numerische Operation entsprechend der folgenden Berechnungsformel (1) ausgeführt. Dabei wurde automatisch die Temperatureinstellung und Temperaturregelung vorgenommen, wobei die eingegebenen Werte für die Heiztemperaturen korrigiert wurden:

In der Formel (I) ist ein integraler Wert der (Koeffizienten- Matrix m × n) nachstehend wiedergegeben, die vorstehend näher beschrieben und im Hinblick auf die experimentellen Resultate bestimmt worden ist.

Das Ergebnis, das durch automatiscche Temperatureinstellung und Temperaturregelung erhalten wurde, während die Berechnung hierzu nach der obigen Formel (I) vorgenommen wurde, ergibt sich aus der Spalte "Genauigkeit" in Tabelle 1.

Entsprechend dem spezifischen Profil in Querrichtung der Kunststoffbahn, wie es in Fig. 7-B gezeigt ist, wurde quer zur Kunststoffbahn ein Temperaturprofil angelegt, das der Dickenverteilung der Bahn in dem Punkt in Fig. 3 (siehe Fig. 7-A) entsprach. Die fertige Kunststoffbahn besaß eine Breite von etwa 2000 mm und eine Stärke von etwa 15 µm. Die Dickenverteilung der Bahn 31′ in Punkt in Fig. 3 entsprach der Darstellung in Fig. 7-C.

Tabelle 1

Claims

1. Verfahren zur kontinuierlichen Erwärmung einer thermoplastischen Kunststoffbahn durch Wärmestrahlen mittels eine Vielzahl von in Reighe angeordneten Strahlungsheizkörpern aufweisenden Strahlungserwärmungsvorrichtungen, wobei die Reihen rechtwinklig zur Bewegungsrichtung der Kunststoffbahn angeordnet sind und wobei die Temperatur mittels eines Rechners gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbahn durch mehrere mit Abstand aufeinanderfolgende, jeweils eine Vielzahl von Strahlungsheizkörpern aufweisende, in einer oder mehreren Reihe angeordnete Strahlungserwärmungsvorrichtungen hindurchgeleitet wird, und daß außerhalb der Strahlungserwärmungsvorrichtung in der Nähe der Bahnaustritte der Strahlungserwärmungsvorrichtung jeweils ein Thermometer zur Messung der Temperatur der Kunststoffbahn unmittelbar nach ihrem Austritt aus der zugehörigen Strahlungs- erwärmungsvorrichtung angeordnet ist, wobei die Strahlungsausgänge der Heizkörper, die innerhalb der Strahlungs- erwärmungsvorrichtungen in Bewegungsrichtung der Kunststoffbahn dem zugehörigen Thermometer jeweils nach vorgeordnet sind, unter Verwendung der von den Thermometern gemessenen Temperaturen rechnergesteuert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbahn zwischen in einer oder mehreren Reihen angeordneten Heizkörpern einer Strahlungserwärmungsvorrichtung auf der einen Seite und einer Vielzahl von Reflektoren auf der anderen Seite hindurchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur jeweils mittels wenigstens eines an eine Heizkörperreihe jeder Strahlungswärmungsvorrichtung angeschlossenen Temperatursensors gemessen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur jeweils mittels wenigstens eines an einen Heizkörper wenigstens einer Heizkörperreihe jeder Strahlungs- erwärmungsvorrichtung angeschlossenen Temperatursensors mißt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Kunststoffbahn an mehreren Punkten auf einer Meßlinie quer zur Längserstreckung der Kunststoffbahn gemessen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, daurch gekennzeichnet, daß die Kunststoffbahn von den Heizkörpern der Strahlungs- erwärmungsvorrichtungen erwärmt und die Erwärmung der Kunststoffbahn von den Thermometern außerhalb der Strahlungserwärmungsvorrichtungen gemessen wird und daß aufgrund der Temperaturmeßdaten der Thermometer und der Temperatursensoren in den Strahlungserwärmungsvorrichtungen Einstellungswerte zur Steuerung des Strahlungsausganges der Heizkörper nach der nachstehenden Formel (I) ermittelt werden, wobei T′Hj ein neuer Soll-Wert der Heiztemperatur des betreffenden Heizkörpers in der Position j ist, THj ein ursprünglicher Soll-Wert der Heiztemperatur des Heizkörpers in der Position j ist, TFi der ursprüngliche Soll-Wert der Temperatur der Kunststoffbahn an dem Meßort ist, TFxi ein gemessener Wert der Bahntemperatur in dem Meßort i ist, j die Position eines Heizkörpers in einer Heizkörperreihe einer Strahlungserwärmungsvorrichtung ist und den Wert 1 bis m aufweist, i den Meßort auf der Kunststoffbahn auf einer Meßlinie quer zur Längserstreckung der Bahn ist und den Wert 1 bis n aufweist, und der Ausdruck (Koeffzienten-Matrix m × n) eine Konstante ist, die von thermalen Charakteristiken der zugehörigen Strahlungserwärmungsvorrichtung bestimmt ist.