DE3686513T2

DE3686513T2 - Anordnung bestehend aus einem durchlochten kern, einer harzhaltigen rohrplatte und einem selbstfixierenden spiralfoermig gewickelten hohlfaserbuendel.

Info

Publication number: DE3686513T2
Application number: DE8686107991T
Authority: DE
Inventors: Patricia A Thibos
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1985-06-24
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1993-04-01
Anticipated expiration: 2006-06-12
Also published as: JPS62121606A; KR870000230A; DE3686513D1; EP0206130A2; BR8603081A; US4824566A; CA1275629C; CN86103358A; EP0206130B1; US4838970A; EP0206130A3; KR910005828B1

Description

US-A-4,080,296 offenbart eine Hohlfaserpermeatoreinheit, die für sich in der Lage ist, 946 m³ (250.000 Gallonen) aufbereitetes Wasser pro Tag zu produzieren. Die Einheit enthält ein langgestrecktes, geordnetes Bündel von selektiv durchlässigen Hohlfaserlängen, das durch einen zentralen Rohrboden mit Druckausgleich durchgeführt ist und um ein perforiertes Zuführrohr gebildet ist, das eine koaxial angeordnete Permeatorauslaßleitung, die über radial angeordnete Querleitungen mit Permeat-Sammelbohrungen in dem Rohrboden verbunden ist, enthält. Die resultierende Baugruppe ist von einem Gehäuse aus gewickelten Fasern umschlossen, das nur von den von seinen Enden ausgehenden Rohren durchbrochen ist. Die Enden der Hohlfaserbündel sind in Wandelemente aus Harz eingegossen, die nicht als Rohrboden fungieren, aber dazu dienen, das Faserbündel fest mit dem Kern zu verbinden und den radialen Abstand zwischen den Teilen der Faserlängen an jedem Ende des Bündels aufrechtzuerhalten. Mittel, wie z. B. Faserumwicklungen können verwendet werden, um das Bündel zu begrenzen und/oder die Gleichförmigkeit der Verteilung des Zuführflusses durch die Faserlängen zu verbessern.
Die vorstehende Art von Einheit, das sog. "quantum module", stellt einen beträchtlichen Fortschritt in der Permeatortechnologie dar, wäre aber noch besser, wenn auf die endständigen Wandelemente aus Harz - "dead end tubesheets" - verzichtet werden könnte. Das bedeutet, daß die Teile der Faserbündel die in den endständigen Wandelementen eingegossen werden, unproduktiv sind, aber zur Permeation verwendet werden könnten, wenn sie nicht derartig eingegossen wären. Aber bis jetzt ist es nicht ersichtlich, wie die benötigte Verankerung und Abstandhaltung in Abwesenheit dieser Wandelemente oder in diesem Bereich der Technik bekannten äquivalenten Begrenzungsmitteln erreicht werden könnte.
Ein Problem, das beim spiralförmigen Wickeln von Bündeln mit einem großen Durchmesser aus Hohlfaserlängen auftritt, - eine Methode zur Bündelausbildung, die sonst sehr attraktiv wäre - ist die Ausbildung von endständigen Beulen oder Buckeln in der Nähe des Bündelendes. Das bedeutet, daß als Folge der notwendigen Schleife, wenn die Wickelrichtung am Ende des entstehenden Bündels umgekehrt wird, die Baugruppe eine hantelförmige Konfiguration annimmt, die allgemein als "Hundeknochenform" bezeichnet wird. Diese Form verhindert eine wirksame Ausnutzung des Raumes zwischen der Gehäusewand und der Bereiche geringeren Durchmessers des Bündels und vergrößert ebenfalls die Durchflußverteilungsprobleme.
Das Problem der Ausbildung einer "Hundeknochenform" wird noch gravierender, wenn die Bereiche des Wickelkerns, die unterhalb der Faserschleifen an jedem Ende der Windungen liegen, keinen konstanten Durchmesser haben, selbst wenn die Änderung des Durchmessers nicht abrupt erfolgt, d. h. wenn sie gleichförmig über mehrere Zentimeter der Wickelkernlänge verteilt ist.
Eine bekannte Methode, das "Hundeknochenproblem" zu vermeiden, ist, die Bündel zu verlängern und Wandelemente an der Innenseite der Endausbeulungen auszubilden und dann ausreichend von jedem Wandelement abzuschneiden, um es in eine Rohrwand umzuformen. Die beulenförmigen Bereiche des Bündels werden dabei gleichzeitig abgeschnitten; dabei fällt unerwünschter Abfall an. Eine weitere Methode beinhaltet, die Fasern (Strang, Tau, Garn oder Band) bei der Umkehrung nicht um den Wickelkern herumzuführen (richtiges spiralförmiges Wickeln), sondern spiralförmiges Wickeln unter einem flachen Wicklungswinkel durch Umwickeln einer separaten Einzelfaser an jedem Ende der Konstruktion in einer solchen Weise, daß die Faserlängen um diese Einzelfasern bei der Umkehrung geschlungen werden, anzunähern. Daraus ergibt sich eine gewisse, aber deutlich verringerte Ausbildung einer "hundeknochenähnlichen" Form des Bündels. Die Möglichkeit, sprialförmiges Wickeln anzuwenden, ohne auf Endschlingen und Faserverschwendung zurückzugreifen oder sich mit "hundeknochenförmigen" Faserbündeln zufriedenzugeben, ist sehr erwünscht.
Ein weiteres Problem beim Wickeln großer Bündel, das besonders dann auftritt, wenn die Fasern feucht sind, ist das Verrutschen und Absacken des Bündels, d. h. die Bündelinstabilität. Es ist möglich, Faserbündel mit geringem Durchmesser durch Einbeziehen von Endbereichen mit abrupt verringertem Durchmesser in den Wickelkern und Wickeln über die dadurch entstehende ringförmige "Schulter" oder "Stufe", und darüber hinaus, zu verankern. Dies ist aber nicht ausreichend, um ein Bündel mit großem Durchmesser festzulegen.
Der Stand der Technik, soweit dem Erfinder bekannt, legt es nicht nahe, daß spiralförmig gewickelte Faserbündel mit großem Durchmesser einfach durch Veränderung der Parameter, die beim Legen der spiralförmigen Windungen um eine axial rotierende Mittelspule eine Rolle spielen, stabil und selbstbefestigend ausgebildet werden können. Aber selbst, wenn dies der Fall wäre, würde die Frage bestehen bleiben, ob oder ob nicht diese Parameter weiterhin innerhalb der Grenzen, die sich daraus ergeben, wenn die Fasern relativ zerbrechliche Hohlfasern sind und das geformte Bündel in einer Permeabilitätstrennvorrichtung effektiv funktionieren muß, gehalten werden können.
Es ist eine vordringliche Aufgabe der Erfindung, eine Baugruppe zur Verfügung zu stellen, die in einem Permeator verwendet werden kann und einen mit Löchern versehenen Wickelkern, eine Rohrwand mit Druckausgleich und ein stabiles, spiralförmig gewickeltes Hohlfaserbündel mit großem Durchmesser, das selbstbefestigend an dem Wickelkern angebracht ist, enthält und die allgemeine Form eines zylindrischen Druckbehälters mit abgerundeten Enden aufweist.
Eine daraus folgende Aufgabe ist es, getrennte Mittel zur Befestigung der Endbereiche des Bündels zu vermeiden und darin einen gleichförmigen Abstand zwischen den Fasern aufrechtzuerhalten.
Eine weitere Aufgabe ist es, die Verschwendung von Fasern und Gußmaterialien zu vermeiden.
Eine andere Aufgabe ist es, die Verwendbarkeit des Faserbündels per se zu maximieren.
Eine zusätzliche Aufgabe ist es, eine Baugruppe der vorhergehenden Art zur Verfügung zu stellen, in der die Strömung durch das Bündel (zwischen den Fasern) inherent gleichförmiger ist.
Es ist ebenfalls eine Aufgabe, die Vorteile des Zuflußstromes von außen nach innen voll anzuwenden.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Ausbilden einer Baugruppe durch
(i) spiralförmiges Wickeln einer oder mehrerer Hohlfasern um einen festen, im allgemeinen zylindrischen, langgestreckten Kanal mit zwei Endbereichen und einem dazwischen liegenden, mit Öffnungen versehenen Bereich, der als rotierender Wickelkern dient, und Steuern des spiralförmigen Wickelns dieser Fasern, so daß ein stabiles, selbstverankertes, im allgemeinen zylindrisches Hohlfaserbündel mit im allgemeinen kuppelförmigen Enden erhalten wird, das aus einer Vielzahl von Schichten sukzessiv zunehmender Länge besteht, wobei jede Schicht aus einer bis zu einer Vielzahl von Lagen besteht, so daß die Lage der Buckel in jeder Formation (I, II, III, IV) vor- und zurückverschoben wird, so daß aufeinanderfolgende Buckel nicht direkt übereinander liegen und sich aufschichten, sondern statt dessen so zusammengefügt sind, daß den Bündelenden eine im wesentlichen glatte, abgerundete, kuppelförmige Form verliehen wird,
(ii) Ausbilden eines oder mehrerer harzhaltiger, radial an einer Stelle der Kernoberfläche angeordneter, im allgemeinen ringförmiger Wandelemente, durch die die Fasern und der Wickelkern in dichtem Eingriff hindurchführen an einer nicht an den Bündel enden gelegenen Stelle.
Diese Lösung enthält ebenfalls eine Baugruppe, die für den Gebrauch als Bestandteil eines Permeators angepaßt werden kann und die einen Wickelkern, ein Faserbündel und ein oder mehrere Wandelemente enthält, wobei der Wickelkern ein fester, im allgemeinen zylindrischer, langgestreckter Kanal mit zwei Endbereichen und einem dazwischenliegenden, mit Öffnungen versehener Bereich ist, das Bündel Hohlfaserlängen enthält, die als einzelne Längen oder als daraus gebildete Bänder um den Wickelkern in Form von zwei, im allgemeinen kuppelförmigen Endbereichen und einem dazwischenliegenden, im allgemeinen zylindrischen Bereich, angeordnet sind und jedes der Wandelemente ein im allgemeinen ringförmiger Harzkörper ist, durch den der Wickelkern und die Faserlängen in dichtem Eingriff damit hindurchführen, die Faserlängen in Serien sich überkreuzender Spiralen von sukzessiv zunehmendem Durchmesser um den Wickelkern gewickelt werden, u.z. so, daß die nicht mit Harz behandelten Bereiche des Bündels stabil sind und am Wickelkern verankert sind, wenigstens eines der einen oder mehreren Wandelemente angepaßt werden kann, um als Rohrboden im Permeator zu dienen und jedes Ende der Faserlängen oder Bänder innerhalb eines der Wandelemente angeordnet ist.
Die Erfindung beinhaltet ebenfalls einen Permeator mit einem Gehäuse, einer inneren Baugruppe nach jedem der Ansprüche 5-9, einem Einlaßanschluß, einem Auslaßanschluß, einem Austrittsrohr für das Permeat und einer Kreuzstromeinheit.
Fig. 1 ist eine idealisierte, perspektivische Ansicht einer Baugruppe der vorliegenden Erfindung, die nur einen hohlen Wickelkern, ein spiralförmig gewickeltes Bündel von durchlässigen Hohlfaserlängen und ein zentral angeordnetes, ringförmiges, harzhaltiges Wandelement, das durch Bohren, Schneiden etc. in einen Rohrboden umgewandelt werden kann, enthält. Ein Teil der verflochtenen Fasern, die die Oberflächenschicht des Bündels bilden, sind vergrößert dargestellt.
Fig. 2 zeigt einen Permeator in gebrochenem, verkürzten, vertikalen Querschnitt in einer Fläche, die die Wickelkernachse enthält. Zwei wichtige Merkmale der inneren Baugruppe aus Wickelkern/Rohrboden/Faserbündel sind (1), daß keine Wandelemente am Ende des Faserbündels ("dead end tubesheets") vorhanden sind, und (2), daß das Faserbündel ein spiralförmig gewickeltes Bündel ist, das in vier Formationen, jeweils bestehend aus einer Vielzahl von Schichten, die entsprechend der Methode der vorliegenden Erfindung geformt sind, unterteilt ist. Die Baugruppe leitet sich von einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab, die im wesentlich gleich der von Fig. 1 ist, enthält aber im Wickelkern einen Anschluß für den Einlaßstrom, eine zentrale Kreuzstromeinheit, ein Auslaßrohr für das Permeat und einen koaxialen Anschluß für den Auslaß der Sole. Nur die Teile der Faserschichten, die den oberen rechten Anteil des Faserbündels bilden, sind in Fig. 2 dargestellt. Eine vergrößerte Ansicht des zuletztgenannten Bündelteils wird in Fig. 2A gezeigt.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der Kreuzstromeinheit und eines Teils des Permeatauslaßrohres in Fig. 2. Wie gezeigt, sind die (Kreuzstrom)-Einheit, das Rohr und die Anschlüsse in den Wickelkern eingefügt worden, bevor das Faserbündel und das Wandelement (Vorstufe zum Rohrboden) geformt worden sind.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer unvollständigen Form einer Kreuzstromeinheit, die (zusammen mit dem Permeatrohr) nachträglich in die Wickelkernkomponente einer vorgeformten Baugruppe der Erfindung, wie die in Fig. 1 dargestellte, eingesetzt werden kann. (Die Einheit kann durch Einbringen und Härten eines Harzes in den Zwischenräumen zwischen dem Kern und dem Teil des Permeatrohres innerhalb der Einheit (in der Art, wie später beschrieben) vervollständigt und an den Wickelkern gebunden werden.)
Fig. 5 stellt in der Art von Fig. 2A einen Teil eines größeren Faserbündels dar, das durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung gebildet ist, in dem die Faserschichten zahlreicher und anders angeordnet sind wie die in Fig. 2A.
Fig. 6 ist eine Übersicht, die lediglich zur Verfügung gestellt wird, um das Verständnis, in welcher Beziehung der zylindrische Wickelwinkel A zu den normalen, axialen und umschließenden Bandbreiten oder zu dem Rohrdurchmesser und der ungewickelten, geradlinigen Länge eines Umlaufs einer Wicklung steht, zu erleichtern.
Fig. 7 ist eine halbschematische Darstellung, die die Definitionen von C, die Anzahl von Umläufen pro Muster, und P, das Fortschreiten des Musters, beschreibt. Die Beziehung zwischen C und Z, die Anzahl von Umläufen pro Lage, wird ebenfalls gezeigt.
Es wird darauf hingewiesen, daß in Fig. 2, 2A und 5 die letzte Schicht einer jeden Formation, obwohl sie durch eine etwas dickere Linie dargestellt ist, sich tatsächlich nicht von anderen Schichten entsprechender Art unterscheidet.
Die Faserbündel in Fig. 2, 2A und 5 bestehen ebenfalls aus einer großen Anzahl von haarfeinen Hohlfasern, die bei einem tatsächlichen Querschnitt unter einem weiten Bereich von Winkeln durchtrennt werden würden. Der Versuch, die durchtrennten Faserenden in den Querschnittsansichten der Zeichnungen darzustellen, würde es allerdings sehr schwierig machen, die relativen Positionen und Formen der Schichten zu unterscheiden, was für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung wichtig ist.
Es wurde gefunden, daß die vorstehenden Aufgaben durch das Steuern des spiralförmigen Wickelns der Fasern in einer Weise, daß das resultierende Bündel aus sukzessiv kürzeren oder längeren Formationen von sukzessiv längeren Schichten besteht, gelöst werden können, wobei jede Schicht aus ungefähr einer bis zu einer Vielzahl von Lagen besteht. Dies resultiert in einer Vor- und Rückverschiebung der Lage des "hundeknochenartigen" Teils oder Buckels in einer jeden Formation, so daß aufeinanderfolgende Buckel nicht direkt übereinanderliegen, sondern statt dessen so zusammengefügt sind, daß den Bündel enden eine im wesentlichen glatte, abgerundete Form verliehen wird. Es führt ebenfalls dazu, daß darunterliegende Schichten durch darüberliegende Schichten örtlich fixiert werden.
Normalerweise wird der harzhaltige Körper, aus dem der Rohrboden entsteht, als ein radial angeordnetes Wandelement in die Baugruppe eingegliedert, das durch Aufbringen eines Bandes von viskosem Gießharz, das an Ort und Stelle gehärtet oder härten gelassen wird, am Äquator der Baugruppe, während sie entsteht, ausgebildet wird. Nach Beendigung des Wickelns und Gießens ist die resultierende Baugruppe in dem Sinne verwendbar, daß das Wandelement in einen "lebenden" Rohrboden umgewandelt werden kann und die Baugruppe dann in eine vollständige Permeatoreinheit eingebaut werden kann.
Fakultativ kann mehr als ein (potentieller) "lebender" Rohrboden in die Baugruppe eingebaut werden. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können auch noch in einem großen Ausmaß realisiert werden - insbesondere, wenn die Länge des Bündels relativ groß ist - selbst wenn Wandelemente ("dead end tubesheets") in die Baugruppe, wie weiter unten definiert, mit einbezogen werden.
Vorzugsweise weisen die Fasern durchlässige Wände auf und die Wickelkernkomponente der Baugruppe hat innerhalb der Baugruppe angeordnete Installationsmittel, wie z. B. Kreuzstrommittel für jedes Wandelement, das in einen Rohrboden umgewandelt werden soll, und ein oder zwei Endanschlüsse, die für die Funktion als Flüssigkeitseinlaß oder Auslaßmittel etc. angepaßt sind. (Siehe Fig. 2.)
Unter Verfahrensaspekten kann die Erfindung als Methode zum Ausbilden einer Baugruppe, wie oben dargelegt, definiert werden durch:
A. Zurverfügungstellen des Wickelkerns und Auswählen einer oder mehrerer Stellen der Kernoberfläche zum Anbringen von Wandelementen an diesen Stellen,
B. Ausbilden des Bündels und der Wandelemente auf dem Wickelkern durch
(1) spiralförmiges Wickeln eines Bandes oder einer Folge von Bändern aus Hohlfaserlängen in alternierenden Serien von rechts- und linksdrehenden Spiralen um den Wickelkern, wobei jedes Band ungefähr an der Mittellinie einer dieser Stellen beginnt und in einer Ebene ungefähr an der Mittellinie der gleichen oder einer der anderen Stellen endet, während
(2) ein härtbares Harz auf den Wickelkern und auf das Band an jeder der Stellen aufgebracht wird und anschließend Fortsetzen des Aufbringens solchen Harzes auf die entstehenden Harz/Faserkörper, die an diesen Stellen gebildet werden, und
C. Aushärtenlassen oder Härten der Harz/Faserkörper, wobei das Wickeln zum Ausbilden des Bündels in einer Abfolge von Stufen, wie folgt, durchgeführt wird, um das Bündel als eine radiale Folge von sukzessiv kürzeren oder längeren Formation, jede aus sukzessiv längeren Schichten, wobei jede Schicht aus ungefähr einer bis zu einer Vielzahl von Lagen besteht, auszubilden; in Stufe I
(a) werden mehrere (Na) Lagen von ungefähr gleicher axialer Länge und sukzessiv größerem Durchmesser aufgewickelt, um eine erste Schicht zu erzeugen, die sich bis zu keinem der beiden Enden des Wickelkerns erstreckt und die zumindest geringfügige Buckel in der Nähe beider Enden der Schicht als Folge der stärker lokalisierten Anhäufung von Fasern im Umkehrbereich einer jeden Wicklung von Ende zu Ende aufweist, die Länge des Umkehrbereiches, der Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht, der Wert von Na und die Spannung der Faserlängen werden entsprechend der Faser- und Bandabmessungen so gewählt, daß die erste Schicht nicht auf dem Wickelkern verrutscht und die Verjüngung der nichtzylindrischen Endbereiche der Schicht ausreichend abrupt ist, um einen beträchtlichen Widerstand für eine axiale Bewegung einer darüberliegenden, längeren, zweiten Schicht zu gewährleisten, wenn Letztere entsprechend (b) geformt und plaziert wird;
(b) die zweite Schicht wird im wesentlichen wie die erste Schicht geformt und hat eine solche Länge, daß die zweite Schicht über jedes der Enden der ersten Schicht hinausragt;
(c) eine Folge zusätzlicher Schichten wird, wie in (b), zugeführt, bis die beiden Enden der resultierenden ersten Formation I zumindest wahrnehmbare Buckel aufweisen,
in Stufe II
wird Schritt a wiederholt, mit der Ausnahme, daß die resultierende erste Schicht kürzer oder länger als die vorhergehende erste Schicht ist, und Schritte b und c werden wiederholt, bis die resultierende zweite Formation EI zumindest wahrnehmbare Buckel an jedem Ende aufweist, mit der Folge, daß die Buckelspitzen der zweiten Formation näher zusammen oder weiter auseinanderliegen als die der darunterliegenden ersten Formation;
in jeder darauffolgenden Stufe werden Schritte a-c wiederholt, wobei die Längen und N-Werte der aufeinanderfolgenden Schichten so sind, daß jede Formation einen deutlich verschiedenen Abstand zwischen den Buckelspitzen hat, als bei der unmittelbar vorhergehenden Formation, und daß jedes Ende des fertiggestellten Bündels im allgemeinen die Form einer Kuppel mit einer zentralen Öffnung aufweist, die dem Wickelkernende entspricht, das durch diese Öffnung hinaustritt.

Begriffsdefinitionen

Begriffe, die nicht spezifisch für Wickeloperationen sind.
Mit "im allgemeinen zylindrisch" ist gemeint, daß Wickelkerne und Bündel, die einen mehrkernigen Querschnitt aufweisen, mit einbezogen sind. Wenn nicht das Gegenteil angegeben ist, wird das Wort "zylindrisch" hierin verwendet als gleichbedeutend mit "im allgemeinen zylindrisch".
"Stelle der Wickelkernoberfläche" - Oberfläche eines kurzen zylindrischen Abschnitts des Wickelkerns.

Permeator

Jede Vorrichtung, die als permeable Membran Wände aus einer großen Zahl von Hohlfasern verwendet - eine permeable Membran ist eine, durch die wenigstens eine Komponente eines Fluidstroms (gasförmig oder flüssig) unter einer Druckdifferenz, die geringer ist als die, bei der die Membran reißt, hindurchtritt. Vorzugsweise ist die Membran selektiv durchlässig.

Faserband

Eine gurt- oder bandförmige Mehrzahl von im allgemeinen parallelen Längen individueller Fasern oder getrennter Fasergarne. Die Fasern, die ein Garn bilden, sind nicht notwendigerweise ungekreuzt, und die Dicke des Garnes ist normalerweise größer als der Durchmesser einer einzelnen Faserlänge.

Stabiles Bündel

Ein Bündel von Faserlängen (die um einen Wickelkern angeordnet sind), das Änderungen des Abstandes oder der Positionierung der Faserteile innerhalb des Bündels und auch Deformationen widersteht.

Selbstverankernd

Die Fähigkeit, ohne die Hilfe eines Klebstoffes, Gießharzkörper oder mechanischer Beschränkungen sich Kräften, die sonst ein Verrutschen des Bündels entlang des Wickelkerns bewirken würden, stark zu widersetzen. Darunter ist zu verstehen, daß der Einbau von unwirksamen endständigen Rohrböden, Wickelkernschultern, Klebstoffen etc. in die Baugruppe die Baugruppe nicht aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung hinausführt, so lang das Bündel selbstverankernd gewesen wäre, wenn diese Hilfsverankerungsmittel nicht in die Baugruppe eingebaut worden wären.

Bündelende

Bezüglich der Plazierung eines radialen Wandelementes entweder ein im allgemeinen kuppelförmiger Endbereich des Bündels oder, wenn der letztgenannte Bereich bei der nachfolgenden Anpassung abgeschnitten wird, der Teil des zylindrischen Bereiches, der dem kuppelförmigen Bereich direkt benachbart ist.

Abstand zwischen den Buckelspitzen

Der Abstand parallel zu der Wickelkernachse von der Spitze eines Buckels an einem Ende einer Formation (oder Schicht) zu der entsprechenden Spitze am anderen Ende.
Um die Baugruppen der vorliegenden Erfindung in praktischer Weise aufzubauen, ist es besonders bevorzugt, eine Wickelmaschine zu verwenden, die den Wickelkern um seine Längsachse rotieren läßt (auf einer Achse oder Spindel), während ein Band, Garn, Faden, Strang oder Streifen aus zumindestens im allgemeinen parallelen Faserlängen durch eine gewisse Führung, die sich auf einer Linie parallel zu der Wickelachse hin- und herbewegt, dem Wickelkern zugeführt wird. Es ist aber auch möglich, die notwendige Bewegung der Führung relativ zu dem Wickelkern dadurch zu erreichen, daß die Führung in einer festen Position gehalten wird und der Wickelkern vor und zurück entlang seiner eigenen Achse bewegt wird, während er rotiert, so daß die Führung um einen sich linear hin- und herbewegenden, nichtrotierenden Wickelkern gedreht wird oder daß die Führung hin- und herbewegt und um einen bewegungslosen Wickelkern gedreht wird.
Die zuvor als bevorzugte Art des Wickelns beschriebene Weise ist in der Technik eingeführt (z. B. das Wickeln von Druckbehältern aus Verbundmaterial) und verwendet handelsübliche Wickelmaschinen, die ebenfalls dazu verwendet werden können, das Gehäuse, in das die vollständige Permeatorbaugruppe eingesetzt wird, herzustellen. Bei dieser Verfahrensweise beginnt die Führung jeden "Takt" (Bewegung von einem Ende zum anderen) bei Geschwindigkeit Null ("dwell"), beschleunigt auf eine vorbestimmte Endgeschwindigkeit, behält diese Geschwindigkeit bis kurz vor dem Ende des Taktes bei, bremst auf Geschwindigkeit Null ab und verharrt kurz in ihrer Position maximaler Auslenkung. Der zylindrische Teil des Bündels wird während der Zeiten konstanter Geschwindigkeit aufeinanderfolgender Takte ausgebildet, und die im allgemeinen kuppelförmigen Endbereiche werden während der "Umkehrungen" (Abbremsung, Stillstand und Beschleunigung in umgekehrter Richtung) ausgebildet.

Wickelterminologie

Bei spiralförmigem Wickeln wird der Abschnitt des Faserbandes, der während einer Umdrehung auf den Wickelkern (oder auf das entstehende Bündel) aufgebracht wird, als Windung bezeichnet. Die Wendel aus Windungen, die während eines Taktes gebildet werden, ist eine rechtshändige oder linkshändige Spirale, und die entgegengesetzten (aber über die Endschlaufe miteinander verbundenen) Paare solcher Spiralen, die bei einem Umlauf oder "Kreislauf" gebildet werden, sind eine Doppelspirale. Da sich aufeinanderfolgende Windungen einer jeden Spirale seitlich nicht berühren, müssen eine Anzahl von Doppelspiralen in einer bestimmten Art und Weise aufgewickelt werden, um die Lücken auszufüllen, um die darunterliegende Oberfläche vollständig in gleichförmiger Weise zu bedecken. Dies ist eine "Lage", die aus zwei miteinander verwobenen Gewebeauflagen ("Schichten") besteht, jede bestehend aus Spiralen der gleichen (rechts oder links) "Händigkeit". Es können von einer halben Lage bis zu mehreren Lagen aufgewickelt werden, ohne den Satz der Einstellungen der Wickelmaschine zu verändern (d. h. die Wickeleinstellung oder das Maschinenprogramm, was nicht mit einem Computerprogramm verwechseln werden soll.)

Kreislauf

Ein Umlauf der Führung von einem Ende des Wickelkerns oder Bündels zu dem anderen und wieder zurück (die Führung ist die letzte Vorrichtung, durch die die Fasern hindurchtreten unmittelbar, bevor sie die Oberfläche, auf die sie aufgewickelt werden, erreichen).

Muster

Berücksichtigt nur Spiralen, die in der gleichen Richtung gewickelt sind, ein Wicklungsmuster ist eine Serie von Spiralen, in denen die Windungen der später aufgebrachten Spiralen zwischen (und parallel dazu) den Windungen der ersten Spirale einer Serie in einer regelmäßigen Art und Weise angeordnet sind, so daß die Lage einer jeden folgenden Spirale der vorhergehenden Spirale entlang der Achse voreilt oder nachfolgt, bis die Windungen der letzten Spirale der Reihe unmittelbar benachbart (gerade davor oder gerade dahinter) zu den Windungen der ersten Spirale sind.
Das Muster wird so lange wiederholt, wie es notwendig ist, die Lage zu vervollständigen.
P Der Wert von P steht für die getroffene Auswahl einer nacheilenden oder voreilenden Wicklungsmuster-"Progression", d. h. der Vor- und Rückweg entlang der Sehne eines Kreises zwischen Punkten auf dem Umfang des Wickelkerns (oder Bündels), an dem aufeinanderfolgende Spiralen begonnen wurden. (Erinnern an die Kreuzsequenz, in der die Kopfschrauben von Verbrennungsmotoren angezogen werden.)
C Die Zahl von Umläufen pro Muster. (Siehe Fig. 7)
Z Die Zahl der Umläufe pro Lage.
N Die Zahl von Lagen pro Wicklungseinstellung, d. h. pro Schicht.
L Taktlänge: der Abstand zwischen beiden Enden, auf dem sich die Führung bewegt; diese ist normalerweise größer als die axiale Länge der Wicklung, die durch den Takt aufgebracht wurde, weil das Bündel kuppelförmige Enden hat, hinter denen die Führung während des Stillstandes positioniert werden muß.
E Die axiale Länge des zylindrischen Teils der zu formenden Wicklung; die Schlittenbewegung pro Drehung der Spule ist konstant innerhalb dieses Abstandes.
R Bereich Die Strecke, die die Führung, während sie abgebremst wird (um mechanische Belastung zu vermeiden) oder beschleunigt wird während der Umkehrung, zurücklegt. Die Umdrehung der Spindel pro Minute verändert sich nicht, aber die Strecke, die der Schlitten zurücklegt pro Umdrehung der Spindel, ändert sich (wie auch der Wicklungswinkel) während dieser Bewegung.
"Schicht" Ein Bündelabschnitt, der als Anhäufung von aufeinanderfolgenden Lagen, die ohne Veränderung der Wicklungseinstellung aufgebracht worden sind, geformt ist; dies beinhaltet jeden Bruchteil einer Lage, die nach der letzten vollständigen Lage zugefügt wurde.
S Die Zahl von zusätzlichen Takten, die durchgeführt wurden, um die letzte, nur teilweise ausgebildete Lage, falls vorhanden, in einer Schicht aufzubringen. (S ist gewöhnlich Null.)
f Fasergeschwindigkeit - lineare Bewegungsrate der Fasern durch die Führung und auf das Rohr.
"Formation" Ein Hauptanteil des Bündels, der als Anhäufung von Schichten geformt ist; die Unterteilung des Bündels in mehrere Formationen kann an den Enden des Bündels visuell wahrnehmbar sein.
W Die normale Bandbreite - gemessen unter rechtem Winkel zu den (Parall-) Fasern, die das Band aufbauen. (Siehe Fig. 6).
X Die "Umfangbandbreite" ist der geradlinige Abstand zwischen den Schnittpunkten der Bandkanten mit einer Fläche senkrecht zu der Wickelkernachse. Bestimmt durch W und durch den Wicklungswinkel
Wa Axialbandbreite - gemessen entlang einer Linie parallel zu der Wickelkernachse.
D Als Durchmesser der Wicklung wird im allgemeinen der Durchmesser der zylindrischen "Rohr"- (Spindel - oder Bündel-) Oberfläche, auf die die Windungen gewickelt werden, angenommen. Dies ist gewöhnlich als etwas willkürliche Anpassung notwendig, um der Beziehung zwischen W und dem Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht (dwell), Genüge zu tun.
A Wicklungswinkel des zylindrischen Anteils des Bündels Der Winkel zwischen (1) der Berührungslinie zwischen der "Rohr"-Oberfläche und einer Fläche parallel zu der Rohrachse und (2) einer der Kanten einer Halbwindung des Faserbandes, das auf die Fläche entwickelt wurde. (Siehe Fig. 6). Mechanisch wird A durch das Verhältnis der Schlittengeschwindigkeit zu den Umdrehungen pro Minute der Spindel (πD) bestimmt.
Ap Polarer Wicklungswinkel. Der Wicklungswinkel, der für einen stabilen Faserweg über eine Kuppel benötigt wird. (Siehe Fig. 7.) In der konventionellen Wicklungspraxis übernimmt Ap die Stellung von A im Verlauf der Wicklung eines Zylinders mit kuppelförmigen Enden.
H Spindelstockposition Der Abstand von dem Spindelstock (die angetriebene "Einspannvorrichtung", die ein Ende des Wickelkerns, der Spindel oder der Welle umfaßt) zu dem entsprechenden Ende der Wicklung oder des Bündels.
l Die entwickelte Länge einer Windung einer Spirale.
Dwell Der Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht.
T Umkehrzeit Die Summe der Zeitspannen, in denen die Führung abgebremst wird, stillsteht und beschleunigt wird; da der Wickelkern gewöhnlich mit gleichmäßiger Winkelgeschwindigkeit rotiert, wird die Umkehrzeit zweckdienlich als Umdrehungswinkel ausgedrückt.
B "Polare Öffnung" Der Durchmesser der Öffnungen in den Enden der fertiggestellten Bündel, durch die der Wickelkern heraustritt, d. h. der Wickelkerndurchmesser an der Austrittsfläche.
Achse Eine Komponente - wie die Spindel, der Schlitten, der Kreuzzuführarm oder die drehbare Öse -, die relativ zu den Komponenten, mit denen sie in Wechselwirkung steht oder auf der sie befestigt ist, sich bewegt.
M Eine Zahl, die einen Wert aufweist in Abhängigkeit von der jeweiligen Einstellung der verwendeten Spindelantriebsgeschwindigkeit. Der Wert von M ist die Anzahl von elektronischen Pulsen, die von dem Spindelkodierer pro Umdrehung der Spindel an den Computer übermittelt werden, dividiert durch 10.000, und der unabhängig von der Winkelgeschwindigkeit der Umdrehung der Spindel ist. Durch Zählen der Anzahl von Pulsen, die während der Bewegung einer jeden Achse von ihrer Referenzposition empfangen wird, kann der Computer der Position dieser Achse folgen.

Mathematische Beziehungen für spiralförmiges Wickeln auf einen Zylinder mit kuppelförmigen Enden

Z = πD cos A/X cos A = W/X
sin A = W/Wa
Für den Wicklungswinkel des stabilen Faserweges (in Rad.):
Ap = (arc sin B/D)+W/D
lc = n (πD)²+n² und E = nh
worin lc = aufgewickelte Länge der Wendel,
n = Anzahl der Windungen der Wendel mit der axialen Länge E,
D = Wendeldurchmesser,
h = axiales Fortschreiten pro Windung ("pitch") Wenn n = 1, l² = πD + n² und sin A = πD/lc.
Wenn man sich nun der Fig. 1 der Zeichnung zuwendet, besteht die dargestellte Baugruppe (im allgemeinen als 1 bezeichnet) aus einem porösen Wickelkern (2), weitgehend als Phantom gezeigt, einem Faserbündel (3) und einem harzartigen Wandelement (4). Nur wenige der Poren (5) des Wickelkerns (2) sind gezeigt (beträchtlich vergrößert). Das Faserbündel (3) besteht aus spiralförmigen Umwicklungen (nur wenige vergrößerte Teile sind dargestellt) von wenigstens einer Länge (6) eines Bandes von permeablen Hohlfaserfäden, die in einem spiralförmigen Muster um den Kern (2) gewickelt sind. Das im allgemeinen ringförmige Wandelement (4), durch das die Faser und der Wickelkern in dichtem Eingriff hindurchführen, ist aufgebaut worden, während die Fasern aufgewickelt wurden, und ist an Ort und Stelle gehärtet worden.
In Fig. 2 ist der Permeator (im allgemeinen als 10 bezeichnet) in drei verkürzten Segmenten dargestellt, hat aber normalerweise ein Länge:Durchmesser Verhältnis von mindestens 6:1. Der Permeator enthält eine innere Baugruppe (im allgemeinen mit 11 bezeichnet), zwei einander angrenzende, aufgesprühte Glasfaserhälften einer Gehäusewicklungsvorform (12; nur als Phantombild gezeigt) und ein spiralförmig gewickeltes Glasfasergehäuse (13, ebenfalls als Phantombild gezeigt). Die innere Baugruppe weist auf: einen Rohrboden (im allgemeinen als 14 bezeichnet), eine gleichförmige Unter-Baugruppe (nicht getrennt numeriert), die einen porösen Glasfaser/Epoxykern (15) hat, der in dichtem Eingriff mit bereits zusammengesetzten Kombinationen von Installationselementen, die einen Einlaßanschluß (16) aus rostfreiem Stahl, einen Auslaßanschluß (17) für die Sole ("Raffinat") aus rostfreiem Stahl, ein Permeatauslaßrohr (18) aus rostfreiem Stahl und eine Kreuzstromeinheit (19) enthält, die durch Umgießen des inneren Endes (20) des Permeatauslaßrohres mit Epoxyharz in einer Art und Weise, so daß das Rohrende (20) teilweise mit einem Stopfen (21) gefüllt ist, der Bestandteil des Blockes (19) ist und durch Bohren von sich in Längsrichtung erstreckenden Zufuhrleitungen geformt worden ist (22; im Phantombild gezeigt). Der Auslaßanschluß (17) ist dicht mit dem äußeren Ende (23) des Permeatauslaßrohres durch einen zylindrischen Körper (24) aus Gießharz verbunden, der eingebaut wurde, bevor der Wickelkern (15) ausgebildet wurde. Der Rohrboden oder die Rohrplatte (14) ist ein im allgemeinen ringförmiges, harzhaltiges Wandelement (25), das dicht mit dem Wickelkern (15) verbunden ist, und in einem Bereich des Durchmessers von einer Hauptbohrung (26) ("permeate header") durchsetzt wird, die diametral entgegengesetzten diamantgebohrten Öffnungen (27) in dem Wickelkern entsprechen, die wiederum Öffnungen (28) in der Kreuzstromeinheit (19) entsprechen, die letztgenannten Öffnungen entsprechen Öffnungen (29) in der Wand des Rohres (18). Das Wandelement (25) ist ebenfalls von einer Anzahl kleinerer Bohrungen (30) durchsetzt. Bohrungen (26) und (30) durchtrennen die Fasern, die im Wandelement (25) miteinander vergossen sind, um einen Austritt für das Permeat aus dem Faserlumen zu ermöglichen. Bohrungen (26) und (30) kommunizieren ebenfalls miteinander durch und in Abhängigkeit eines flachen Grabens (31), der den äußeren Bereich des Wandelementes umläuft und von einem daran gebundenen, umfassenden Glasfaserreifen (32) verschlossen wird. Eine Vielzahl von daran gebundenen Abstandsrippen (33) sind in Intervallen um den Umfang des Rohrbodens (14) zwischen dem Reifen (31) und der Vorform (12) angeordnet, um die Gesamtstruktur zu verfestigen, ohne den Zufuhrstrom zu beeinträchtigen.
Es wird darauf hingewiesen, daß die endständigen und zentralen Teile des Wickelkerns (15) aus aufgelegtem, nichtporösen Glasfasergewebe hergestellt sind, aber der Rest des Wickelkerns porös ist, um einen Auslaß des Raffinates (Sole oder Konzentrat) zwischen den Fasern zu ermöglichen. Wie gezeigt, folgt der Zufuhrstrom einem Pfad von außen nach innen durch das Bündel. Ein Fluß von innen nach außen, obwohl im allgemeinen weniger erwünscht, ist aber genauso gut ausführbar.
Das Faserbündel (34) ist idealisiert dargestellt mit der Ausnahme des oberen rechten Bereichs, der realistischer abgebildet ist und aus vier Formationen (I, II, III, IV) von Schichten (35) besteht, wobei einige der Letztgenannten teilweise in Formation I weggelassen wurden, um die Unterscheidbarkeit der Linien aufrechtzuerhalten. Der letztgenannte Bündelteil ist, vergrößert und mit allen Schichten vollständig, in Fig. 2A gezeigt.
Fig. 3 ist eine vergrößerte, perspektivische Ansicht der Kreuzstromeinheit (19) und des Teils am inneren Ende (20) des Permeatauslaßrohres (18; Fig. 2); Zufuhrleitungen (22) und Permeatleitungen (28) führen den Zufuhrstrom und das Permeat in im allgemeinen rechtwinklich zueinanderstehenden Wegen durch die Einheit.
Fig. 4 stellt in ähnlicher Weise eine Unterbaugruppe aus einem Rahmen der Kreuzstromeinheit und einem Permeatauslaßrohr, die einer bereits ausgebildeten dreiteiligen ("bare bones") Version der Baugruppe der Erfindung (wie in Fig. 1 dargestellt) zugefügt werden kann. Das innere Ende (40) des Rohres ist, wie gezeigt, innerhalb eines im allgemeinen U-förmigen Glasfaser/Epoxyrahmens (Klammer; 41) angeordnet, der eine Bodenplatte (42), an der das Ende des Rohrbereiches (40) anliegt, und zwei im allgemeinen parallele Seitenplatten (43), die, wie gezeigt, mit der Platte (42) verbunden sind, enthält. Elemente (40), (42) und (43) sind miteinander mit ein wenig Epoxyharz (nicht gezeigt) entlang ihrer Kontaktlinien miteinander verbunden, und die daraus resultierende Unterbaugruppe (nicht getrennt numeriert) wird in den Kern der Baugruppe eingefügt. Die Baugruppe wird dann senkrecht angeordnet; die entgegengesetzten Zwischenräume zwischen der inneren Oberfläche des Wickelkerns (im Phantombild gezeigt, aber nicht numeriert), den Klammerplatten (42), (43) und dem Rohrende (40) werden dann mit einem Epoxyharz (nicht gezeigt) gefüllt und werden an Ort und Stelle aushärten gelassen oder gehärtet. Diese Vorgehensweise setzt allerdings voraus, daß die Wickelkernenden für die darauf folgende Einsetzung der Zufuhreinlaß- und Permeataustrittanschlüsse angepaßt sind, gefolgt von Einbringen und Härten von geeigneten Körpern aus verklebendem Harz zwischen den Anschlüssen und den Wickelkernenden.
Fig. 5 ist ein ausreichend genaue Längsschnittdarstellung eines Teils (50) eines Faserbündels, das auf einem Wickelkern (51) ausgebildet ist, wie in Beispiel 1 hierin beschrieben. Es besteht aus fünf Formationen (V, VI, VII) VIII, IX) von 7, 10, 5, 12 bzw. 7 Schichten (52). Der Wickelkern (51) besteht aus Glasfaser/Epoxyharz und weist einen gleichförmigen inneren Durchmesser auf, hat aber, wie gezeigt, Endbereiche (53) mit konisch zunehmender Wanddicke. Die nichtkonischen Bereiche (54) des Wickelkerns sind mit Poren (55) durchsetzt. Die Dimensionen in Längs- und Radialrichtung des dargestellten Wickelkern/ Bündel -Baugruppenteils werden von dem mittleren Umfang (nicht gezeigt) des Wickelkerns bzw. von der Kernachse aus gemessen und werden durch die bereitgestellten horizontalen (Ls/2) und vertikalen (Radius) Skalen bezeichnet. (Ls/2=s1/2 der Schichtlänge).
Es ist zu erkennen, daß der Buckel am Ende der ersten Schicht einer jeden Formation beträchtlich von der axialen Position des unmittelbar vorausgehenden ersten Schichtbuckels versetzt ist und die Wickelparameter so eingestellt sind, daß der Grad der "hundeknochenähnlichen" Ausbildung des Bündels im Ganzen relativ klein ist. Das in der Figur dargestellte Bündel hat einen maximalen Durchmesser von ungefähr 40,6 cm (16 inch) in der gezeigten Stufe der Vervollständigung, aber der Aufbau hätte in gleicher allgemeiner Weise weitergeführt werden können, um ein Bündel mit einem maximalen Durchmesser von ungefähr 61 cm (24 inch) zu ergeben, ohne den absoluten Unterschied zwischen dem größten und kleinsten Durchmesser zu vergrößern.
In Fig. 6 sind zwei voneinander getrennte Halbwindungen einer spiralförmigen Wicklung eines Faserbandes (60) von normaler Breite W vom Kern (61) abgewickelt mit Radius D/2 in der Ebene des Zeichnungsblattes gezeigt (tangential zu dem Wickelkern von hinten gesehen).
Der Windungswinkel A ist der Winkel zwischen einer der Kanten des abgeflachten Bandsegmentes und der Kontaktlinie zwischen Wickelkernoberfläche und diesem Segment.
Die Beziehung zwischen sin A, W und Wa (die axiale Bandbreite) ist durch die Darstellung einer Halbwindung und der Beziehung zwischen cos A, W und X (die auf den Umfang bezogene Bandbreite) durch die anderen gezeigt. Aus dem Dreieck PQU und den Längen der Linien QU und PQ (πD/2) bzw. 1/2) ist ersichtlich, daß sin A=πD/l ist.
In Fig. 7 sind fünf verschiedene geometrische Muster, entsprechend gleich vieler verschiedener Sätze von Z, C und P Werten, gezeigt. In jedem Muster zeigt der gebogene Pfeil die Drehrichtung eines sich entwickelnden Faserbündels (als solches nicht gezeigt) an, der innere Kreis steht für die Oberfläche (70) des Bündels an der Grundfläche eines kuppelförmigen Endbereiches (nicht gezeigt) und der äußere Kreis (in Phantomdarstellung; nicht numeriert) steht für die nächste solche Oberfläche, die gebildet wird, wenn eine oder mehrere Lagen vervollständigt worden sind. Die radialen Linien zwischen den beiden Kreisen stehen für die Kanten von Z Querschnitten des Bandes (71) von Faserfäden (72), aus denen das Bündel geformt wird. Zur Vereinfachung sind nur die rechtsdrehenden Spiralen in der Lage durch die letztbeschriebenen Bereiche repräsentiert. Die geraden, ausgezogenen Pfeile zeigen den Fortlauf durch die Sequenz von Positionen auf der Oberfläche (70), die durch die Anzahl (C) von Spiralen belegt wird, die aufgelegt werden, bevor die letzte dieser sich unmittelbar benachbart zu dem Abschnitt (71), der bereits an Ort und Stelle ist, befindet (an diesem Punkt wird das erste Muster vervollständigt sein). Die geraden, gestrichelten Pfeile zeigen, wie das Muster wiederholt wird, bis die Lage vollständig ist.
Es wird angenommen, daß es möglich ist, Baugruppen der vorliegenden Erfindung herzustellen unter Verwendung von Wickelmaschinen, die flexibel und hoch automatisiert, wenn auch nicht computergesteuert sind, aber wirtschaftliche Überlegungen und Überlegungen der Qualitätskontrolle geben den Ausschlag für computergesteuerte Systeme. Ausgehend von dem Stand der Technik im Bereich von Wicklerformen, elektronischen Kontrollschaltkreisen und Computerprogrammierung sind die Fachleute sehr wohl in der Lage, ein durch Computerprogramm gesteuertes Wicklersystem, das an die Durchführung der Erfindung angepaßt ist, zusammenzusetzen. Ein computergesteuertes Wickelsystem mit "drei Achsen" (eine Achse ist eine erkennbar getrennte Baugruppe - wie ein Schlitten, eine Spindel oder eine Führung - die sich zumindest in einer Richtung, unabhängig von den anderen Baugruppen, bewegen kann, mit denen sie verbunden ist), ist im Handel von McClean-Anderson, Inc., Milwaukee, Wisconsin (U.S.A.), erhältlich, die ebenfalls die dazugehörige Software (in Form von Kassetten oder Disketten) zur Verfügung stellt. Ein System der zuletztgenannten Art, das sog. "N-101", wird hier im Beispiel verwendet.
Zusätzlich zur räumlichen Umverteilung der endständigen Buckel (dog-boning) und der Verankerung und Stabilisierung des Bündels ist es wesentlich, daß das Bündel einen geringen Strömungswiderstand (geringes Δp), der in dem Permeator aufzuarbeitenden Zufuhrflüssigkeit aufweist. Ebenso ist die Gleichförmigkeit der Faserpackung und die Kreuzstromführung durch das Bündel wesentlich zur Vermeidung eines Kanaleffektes (und gleichzeitiger Polarisation und Verkrustung). Sie erleichtert Spülen und Reinigen/ Entschlammen im Gegenstromverfahren. Es ist weiterhin erwünscht, daß die Länge der (kürzesten) Strömungswege durch die kuppelförmigen Endbereiche des Bündels zu dem porösen (oder durchlässigen) Abschnitt des Wickelkerns vergleichbar mit der Länge der (kürzesten) Strömungswege zu dem Wickelkern durch den Rest des Bündels sind.
Wenn die Fasern, aus denen sich das Band zusammensetzt, mit einer Flüssigkeit feucht gehalten werden müssen, um ihre Permeabilität (oder andere Eigenschaften) zu bewahren, ist der kleinste Wicklungswinkel, bei dem die Windungen fixiert bleiben, größer und der größte Winkel (wenn spiralförmiges und nicht Wickeln entlang des Umfanges angenommen wird) kleiner. Eine weitere Beschränkung des Wicklungswinkelbereiches liegt in der Auswahl eines Wickelkerns mit einem relativ großen L/D Verhältnis (um die Ausbildung eines langgestreckten Bündels zu ermöglichen). Das bedeutet, daß, wenn das L/D Verhältnis größer wird, der Minimalwinkel für einen "stabilen Faserverlauf" zunimmt und der Maximalwinkel abnimmt. Daher wurde, wenn feuchte Celluloseacetatfasern auf Glasfaserkerne mit einem L/D Verhältnis von ungefähr 16-20 aufgewickelt wurden, keine befriedigende Wicklungsstabilität beobachtet, wenn der Wicklungswinkel außerhalb des Bereiches von 25º-50º lag.
Der minimale Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht (dwell), der benötigt wird, hängt von Faktoren ab wie Faserspannung, Reibungskoeffizient zwischen den Fasern und dem Oberflächenbereich, an dem die Umkehrung stattfindet, und der Konfiguration des Körpers (Wickelkern- oder Bündelteil), der diese Oberfläche definiert. Je mehr eine Schulter vorhanden ist, an der das Band "aufgehängt" werden kann, wenn sich die Händigkeit der Spirale umdreht, umso geringer kann der benötigte Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht, sein oder umso größer kann die Faserspannung oder umso kleiner der Reibungskoeffizient sein. Daher hat sich, wenn feuchte Bänder von Celluloseesterfasern auf einen Glasfaser/ Epoxyverbundwerkstoffkern aufgewickelt werden, ein relativ großer Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht (dwell) (z. B. ungefähr 110º), zum Aufbau der ersten Schicht des Bündels als geeignet erwiesen. Der Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht (dwell) für die zweite Schicht kann dann deutlich verringert werden (z. B. um ungefähr 15º), wenn L zunimmt, so daß die zweite Schicht über die Enden der ersten Schicht hinausragt und diese Enden als "Haken" verwendet werden können. (Dies ist hilfreich, um die Dicke der Buckel in der zweiten Schicht zu reduzieren und ihre Spitzen nach außen im Vergleich zu den Buckelspitzen der ersten Schicht zu verschieben.) Für darauffolgende, sukzessiv längere Schichten kann ein Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht, (dwell) im Bereich zwischen 45-60º aufrechterhalten werden, bis die erste Formation vollständig ist. Wenn die erste Schicht der nächsten Formation nicht über die Spitzen der Buckel der ersten Formation hinausragt, wird wiederum ein relativ großer Umdrehungswinkel (dwell z. B. 134º) angewendet. Der Umdrehungswinkel kann aber für die folgenden, zunehmend längeren Schichten der zweiten Formation wiederum auf 45-60º verkleinert werden. (Allerdings muß der exakte Umdrehungswinkel (dwell) für jede Schicht weitgehend den inherenten Beziehungen zwischen Umdrehungswinkel und den anderen ausgewählten Wicklungsparameterwerten genügen, um sicherzustellen, daß keine Umkehrendschlaufe in der gleichen Lage eine vorhergehende Schlaufe überlagert und daß keine Lücken zwischen Schlaufen darin übrigbleiben).
Je größer die Faserspannung, umso effektiver fixieren die darüberliegenden Lagen die darunterliegenden Lagen. Offensichtlich kann die Spannung nicht so groß sein, daß daraus ein Flachdrücken der darunterliegenden Fasern resultiert, aber eine Grenze ergibt sich bereits aus anderen Gründen, bevor derartig hohe Spannungen erreicht werden. Das bedeutet, die Spannung sollte nicht groß genug sein, um die Fasern bis zu dem Punkt zu strecken, an dem sie sich, falls sie Möglichkeit dazu haben, anschließend wieder zusammenziehen. Die dünne salzabweisende Oberflächenschicht, die entscheidend für die Anwendung der meisten bekannten Hohlfasern in der Umkehrosmose ist, kann ebenfalls durch Dehnung zerstört werden. Daher haben sich bei nassen Celluloseesterfasern Spannungen im Bereich von 150-350 Gramm pro Faser aus 24 oder 30 Fasern als geeignet erwiesen. (Obwohl normalerweise zehn Fäden zu einem Band zusammengesetzt werden, d. h. parallel zusammen auf den Wickelkern oder das sich entwickelnde Bündel gezogen werden - wird jeder Faden getrennt gespannt.) Wenn die Baugruppe der Erfindung nur einen Rohrboden haben soll, ist es notwendig, daß der Druckabfall durch die Faserlumen auf beiden Seiten des Rohrbodens gleich ist. Daher sollte das einzige Wandelement, von dem der Rohrboden stammt, in gleichen Abständen von den Bündelenden angeordnet sein (unter der Annahme gleichförmiger Fasergröße etc. in dem Bündel).
In gleicher Weise sollte, wenn die Anzahl der Wandelemente, die in der Baugruppe enthalten sind, zwei oder mehr ist, und die Anzahl dieser an den Bündel enden angeordneten Elemente (wo sie endständige funktionslose (dead-end) Rohrböden sind) 0, 1 oder 2 ist, der axiale Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Wandelementen, von denen sich keines am Ende des Bündels befindet, ungefähr doppelt so groß wie der Abstand von jedem der Bündel enden zu dem diesem Ende am nächsten liegenden Wandelement sein. Dies liegt daran, daß die Faserbereiche zwischen dem Bündelende und dem diesem Ende am nächsten liegenden Wandelement Schleifen sind, deren Länge ungefähr doppelt so groß wie der Abstand von dem Bündel ende zu dem nächstliegenden Wandelement ist (im Gegensatz dazu, wenn ein Wandelement an diesem Ende angeordnet ist).
Das Rohr, das, oder der Kanal, der als Wickelkern verwendet wird, kann jede Form mit gleichmäßigem Querschnitt haben, auf der spiralförmige Faserbandwicklungen stabil sind, ist aber vorzugsweise im allgemeinen zylindrisch. Es kann aus jedem oder mehreren auch sonst geeigneten Materialien, wie Metallen, wärmehärtbaren Kunststoffen, gehärteten Harz/ Faserverbundwerkstoffen, Graphit oder Keramik (einschließlich Glas) bestehen. Die benötigen Öffnungen können in dem Material, aus dem der Wickelkern gebildet wird, vorhanden sein, z. B. ein poröser Sinterkörper oder ein zylindrisches Laminat aus einem mit Harz imprägnierten porösen Gewebe. Alternativ können die Wände eines vorgeformten, unperforierten Rohres durch Bohren, Auslaugen oder "Lasernadeln" porös gemacht werden.
Die Porosität der Kanalwand ist vorzugsweise von einem Ende des mit Öffnungen versehenen Bereichs zu dem anderen einheitlich, kann aber auch entsprechend eines vorgewählten Musters variiert werden, wenn es notwendig ist, Differenzen im Strömungswiderstand von Strömungswegen zwischen Fasern in einen) uneinheitlichen Bündel zu kompensieren.
Wie bereits früher hierin angedeutet, können andere Permeatorelemente, wie die "Installations-Unterbaugruppe", in den Wickelkern eingesetzt werden, bevor mit der Bündelherstellung begonnen wird (oder können, nachdem das Bündel ausgebildet worden ist, eingesetzt werden).
Der Wickelkern kann in der Wickelmaschine durch übliche Mittel, wie Spindeln oder Wellen, die in die Wickelkernenden eingesetzt sind (oder in die bereits installierten Endanschlüsse), festgelegt werden und kann zwischen den Backen des Ober- und Unterteils eines drehbankähnlichen Spindelstocks oder durch jedes auch sonst geeignete, funktionell äquivalente Mittel eingespannt werden.
Mit dem Aufbringen des Harzes, mit dem ein Wandelement (zum sich bildenden Rohrboden) aufgebaut wird, wird normalerweise nicht begonnen, ehe zumindest eine Faserlage auf den Wickelkern gewickelt worden ist. Dies wird leicht durch Zufuhr einer abgemessenen Menge eines Harzes mit geeigneten Viskositäts- und Härtungseigenschaften zu einer Düse bewerkstelligt, die oberhalb des sich entwickelnden Faserbündels an der ausgewählten axialen Position und unmittelbar vor einem Abstreifmesser angeordnet ist, das das Harz verteilt und es in die Bündeloberfläche einreibt. Diese Operationen können mit jedem beliebigen Gießharz, das auch anderweitig für die Art der verwendeten Fasern geeignet ist und die Bedingungen und Materialien des zu werdenden Permeators berücksichtigt, durchgeführt werden. Die Auswahl des Harzes ist nicht ein Teil der vorliegenden Erfindung. Rohrbodenharze, die im Stand der Technik offenbart sind, sind für die Praxis der vorliegenden Erfindung geeignet. Sie können durch die Wirkung von Härtern, die in den Harzformulierungen enthalten sind und/oder durch Anwendung von Wärme oder Strahlung gehärtet werden.
Praktischerweise werden die Fasern gewöhnlich in Form eines Bandes von mindestens mehreren Fäden oder Strängen aus mehreren Fasern, die unabhängig voneinander gespannt sind (durch übliche Mittel, wie ein einstellbarer Rotationswiderstand, gegenüberliegende Paare von Walzen mit Schaumstoffoberfläche, gefolgt von Walzen, die an einem unter Federspannung stehenden Führungsarm angebracht sind). Das Band wird über oder durch geeignete Führungen (Haken, Öhren, Rollen etc., die Letzteren dieser sind eine Wickelmaschinenkomponente, die parallel zur Wickelkernachse vor- und zurückbewegt wird, wenn der Wickelkern gedreht wird), zugeführt. In der N-101 Maschine, auf die bereits vorher hierin Bezug genommen wurde, z. B. ist diese Komponente eine Öse oder - vorzugsweise - eine Rolle mit mehreren Rillen, die am Ende eines vor- und zurückbeweglichen Querzuführungsarmes angeordnet ist, der sich von einem Schlitten, der entlang des Wickelkerns vor- und zurückläuft, zum Wickelkern hin erstreckt. Das Öhr oder die Achse der sich drehenden Rolle kann in eine oder andere Richtung bei jeder Umkehrung um eine Achse gemeinsam mit oder parallel zu der des Querzuführarms in einer vertikalen Ebene in Zusammenwirkung mit/oder als Reaktion auf den Zug des Bandes vor- und zurückgedreht werden, oder drehengelassen werden. Der zuletztgenannten Bewegung der Rolle steht in gewissem Maße eine Spiralfeder entgegen, um "Rattern" zu vermeiden. Der Querzuführungsarm wird anfänglich nach vorne bewegt, bis die Rolle sich auf einem vorgewählten Abstand vom Bündel (Wickelkern) befindet, und wird dann in periodischen Abständen zurückbewegt - im allgemeinen unmittelbar nachdem eine Schicht vervollständigt wurde - was notwendig ist, um den ursprünglichen Abstand wiederherzustellen. Wenn der Querzuführarm nicht darauf programmiert ist, sich während der Umkehrung zu bewegen, nimmt der Abstand zwischen Rolle und Bündel zu, wenn der Stillstandspunkt angenähert wird. Der Winkel und Zug des Faserbandes ändert sich während der Umkehrung, selbst wenn sich der Querzuführarm bewegt.
Das Aufstellen einer Wicklungseinstellung (die Abfolge von gegebenen Werten der verschiedenen Wicklungsparameter, während das Bündel oder der Bündelabschnitt wächst) ist in gewissem Maße ein Prozeß des Ausprobierens, zumindest bei Maschinen des Standes der Technik, die in Wirklichkeit nicht dafür entwickelt sind, relativ dicke Anhäufungen von Wicklungen aufzubauen. Gewisse Werteparameter werden abgeschätzt und eine oder mehrere Lagen werden aufgewickelt und auf Verrutschen, Wicklungslücken oder Überlappungen und auf die Angemessenheit (oder Übermaß) des Umdrehungswinkels des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht, untersucht. (Im Speicher des Systemcomputers sind die Beziehungen zwischen den ausgewählten Parameterwerten abgespeichert; die Software verwendet diese Beziehungen, um die Bewegungen, die für die verschiedenen Maschinenachsen notwendig sind zu berechnen, und steuert die Betriebsweise der Maschine entsprechend.) Wenn notwendig, wird die erhaltene erste Schicht abgeschnitten und verworfen und das Experiment aber mit solchen Veränderungen, die für mehrere Wicklungsparameter angezeigt erscheinen, wiederholt. Dieser Versuch wird wiederholt, bis eine befriedigende erste Schicht erhalten wird und das resultierende "Programm" für die Maschine gespeichert ist, und so weiter, bis eine Abfolge solcher Programme entworfen worden ist, mit denen ein Bündel mit den gewünschten Dimensionen, Form und Stabilität hergestellt werden kann.
Die tatsächliche Breite (W) des Faserbandes, wie es auf der "Rohr"-Oberfläche aufliegt, kann nicht über die Weite des Bandes hinausgehen, wie es die Rolle verläßt, und ist geringfügig geringer als die letztgenannte Weite, proportional zu dem Abstand von der Rolle zu der Rohroberfläche. Um die geradlinige Länge der Wicklungen von einem Ende zum anderen Endes des Bündels zu minimieren, sollte der Winkel A relativ klein sein, er muß aber groß genug sein, damit ein stabiler Faserweg erhalten wird.
Die Vorgehensweise für das Herausarbeiten von Einstellungen für aufeinanderfolgende Schichten werden nun genauer beschrieben. Die tatsächlichen ausgewählten Dimensionen des Wickelkerns und des Faserbandes sind natürlich bekannt, und über die erlaubten Abweichungen des Wicklungswinkels wird im allgemeinen aufgrund von anderen Überlegungen als die der Bündelstabilität entschieden. Genauso wird N - die gewünschte Zahl der Lagen pro Schicht - und aus der Geschwindigkeit (f) zumindest versuchsweise ausgewählt.
Die tatsächliche Breite (W) des Bandes, während es auf die Rohroberfläche aufgebracht wird, kann durch Zurückbewegen der Führung (Öhre oder Rolle), aber nur auf Kosten eines schnell zunehmenden Verlustes an Kontrolle über das Auflegen verringert werden. Als Konsequenz ist der Wicklungswinkel der Parameter, der sich leicht verändern läßt, um sicherzustellen, daß Z - die Zahl der Umläufe pro Lage - eine ganze Zahl ist. Dabei ist Z = πD/X und X - die Bandbreite entlang des Umfangs - ist gleich mit A/cosA. (Für spiralförmiges Wickeln muß X kleiner als πD/2 sein.) Der Parameter R (Abbrems- oder Beschleunigungsbereich) hat eine untere Grenze, die aus der Notwendigkeit, die mechanische Beanspruchung der Maschine bei der Umkehrung zu minimieren, resultiert. Für den N-101 ist diese Grenze 2,54 cm (1'') zurückgelegten Weges des Schlittens (Führung) pro 3 m/sek (10 ft/sek) Schlittengeschwindigkeit vor der Abbremsung. Die Schlittengeschwindigkeit ist = cot A/(πD·Spindelumdrehung pro Minute). Um die Ausbildung der hundeknochenähnlichen Form zu minimieren, wird R gewöhnlicherweise so klein wie möglich gehalten. Entsprechend der Praxis der vorliegenden Erfindung werden die resultierenden Buckel ("dog-boning") eher verteilt, als aufeinander aufgeschichtet (und anschließend abgeschnitten). Daher, so lange die gewünschte Kuppelform der Bündelenden nicht deswegen in einem nicht tolerierbaren Grad verzerrt wird, kann R in gewissem Maße vergrößert werden, wenn dies die Festlegung einer Umkehr-"Zeit" (T) erleichtert, die zu einer vollständigen Lage durch eine ganze Anzahl von Umläufen (C) führt.
Die Umkehrzeit - gegeben in Grad der Rohrumdrehung - ist
T = TanA R 360/D + Umdrehungswinkel
Die konventionellen Minimal- und Maximalwerte für T resultieren, wenn der Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt (dwell) gleich 0º bzw. 360º ist. Ein Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt (dwell) von null Grad ist in der Praxis der vorliegenden Erfindung nicht durchführbar; der Umdrehungswinkel kann gleich oder größer als 360º sein, ist aber normalerweise kleiner als 360º. Im allgemeinen genügen nicht viele T-Werte der Bedingung, daß jede Lage vollständig sein soll. Wenn der Wert von Z so ist, daß verschiedene Werte für C möglich sind und wenn mehr Faserüberkreuzungen akzeptabel sind, dann sind mehr T-Werte, aus denen ausgewählt werden kann, möglich.
Je mehr Werte C annehmen kann, umso wahrscheinlicher ist es, daß ein T-Wert gefunden werden kann, für den der Ort, wo das Band den Grundumfang der Kuppel kreuzt, mit Positionen in einem der Muster, die diesen C-Werten entsprechen, übereinstimmt. (Siehe Fig. 7.) Wenn Z-1 eine Primzahl ist, kann C nur 1 sein, wenn aber Z-1 keine Primzahl ist, dann kann C jeder in Z-1 enthaltene Teiler (mit der Ausnahme von Z-1) sein. (Wenn z. B. Z=12, Z-1=11, dann kann C nur 1 sein, wenn aber Z=13, Z-1=12, dann kann C 1, 2, 3, 4 oder 6 sein. Wenn Z=10, Z-1=9, dann kann C gleich 1 oder 3 sein).
Beim spiralförmigen Wickeln auf Spindeln oder Vorformen mit kuppelförmigen Enden ist es gebräuchliche Praxis (mit Wickelmaschinen mit z. B. den N-101), spezielle Werte für einige der Parameter (T, A und R) beim spiralförmigen Wickeln anzuwenden, den Parameter B, der Durchmesser der "polaren Öffnungen" um die hindurchtretenden Wickelkernenden) mit einzubeziehen und den Querzuführarm (und vielleicht die "rotierende Öhre") als Hilfsachsen während des Umkehrzeitraums ins Spiel zu bringen, um jeden Takt des Schlittens zu beenden oder zu beginnen. Die notwendigen Bewegungen dieser Achsen werden durch Ausprobieren unter Verwendung eines, wie bei Modellflugzeugen üblichen, manuell bedienbaren Steuerhebels ("joy stick") bestimmt. Der Schlitten wird entsprechend der Einstellung für spiralförmiges Wickeln, die im Computerspeicher gespeichert ist, betrieben, und die Bewegungen der Hilfsachsen sind darin als separate Einstellungen abgespeichert. Falls notwendig, kann die Reihenfolge von Ortskoordinaten, die für die Bewegung einer Hilfsachse aufgezeichnet wurden, abgeändert werden, um die letztgenannte Einstellung zu glätten ("polish"). Die Einstellungen für den Schlitten und die Hilfsachsen können dann miteinander kombiniert werden, so daß die Maschine den vollständigen Wickelvorgang automatisch durchführen kann.
Um einen stabilen Faserweg auf der Kuppel zu erreichen, muß der Wert von A folgender Beziehung mit B, W und D genügen:
Ap = (arc sin B/D) + W/D (in Rad.)
Der benötige Wert für R (der nominell gleich (L-E)/2 ist), ist tatsächlich die Kuppel-"Länge" (Radius einer halbkugelförmigen Kuppel, verringert um die Abflachung bei der polaren Öffnung.) Die für das Wickeln ausgewählte Fasergeschwindigkeit sollte so sein, daß die entsprechende Schlittengeschwindigkeit (=f CosA) die angemessene Grenze für die verwendete Wickelmaschine nicht überschreitet (bis zu 10R, aber nicht mehr als 0,76 m/sek (150 ft/Minute) für den N-101). Die benötigte Spindelumdrehung pro Minute wird dann zu (Fasergeschwindigkeit· sin A)/πD bestimmt.
Als eine erste Annäherung wird der geeignete Wert für T für einen stabilen Faserweg auf der Kuppel durch Auflegen einer Faser auf der Oberfläche in einem Weg, der tangential zu dem heraustretenden Wickelkern ("Hals") verläuft und den Umfang an der Basis der Kuppel an zwei unterschiedlichen Punkten kreuzt, durch Vor- und Zurückbewegen der Faser innerhalb dieses Weges und durch Beobachten, ob sie innerhalb dieses Weges bleibt oder entweder in Richtung der Basis oder des Endes der Kuppel verrutscht, gefunden. Wenn ein Abstand entlang des Umfanges zwischen den letztgenannten Punkten gefunden wird, bei dem der Faserweg stabil ist, wird der gegenüberliegende Bogen zwischen den Punkten gemessen und seine Länge in Winkelgraden berechnet. Der resultierende T-Wert wird dann korrigiert - entsprechend der Voraussetzungen des spiralförmigen Anteils der Windung - unter Verwendung des größten geeigneten C-Wertes.
Der geeignetste Wert für P (die Auswahl eines nacheilenden oder voreilenden Wicklungsmusters) wird dann bestimmt. Falls notwendig, können "Korrekturen" von W, T, C und/oder A durchgeführt werden (vorzugsweise mit einem Computer), um den bestmöglichen Kompromiß zu erreichen.
Es hat sich als durchführbar erwiesen, Faserbündel mit kuppelförmigen Enden ohne Rückgriff auf Hilfsachsen zu wickeln. Das bedeutet, daß der Querzuführarm und die drehbare Öhre nicht relativ zu dem Schlitten während des Aufbaus einer Schicht (während der Vervollständigung einer Wicklungseinstellung) bewegt werden müssen. Der Querzuführarm wird als erster Schritt einer jeden folgenden Einstellung bewegt, aber nur, um die Position der Führung so zu verändern, daß der Abstand zwischen Rohroberfläche und Führung innerhalb des vorgewählten Bereiches (wie z. B. 5-7,5 cm (2-3'')) bleibt, während der Bündeldurchmesser zunimmt.
Mit Ausnahme der folgenden Modifikationen bezüglich der Wickelparameter werden die Einstellungen für die Schichten, die die Formationen aufbauen, so festgelegt, als ob das gesamte Bündel eine im allgemeinen zylindrische Form aufweisen würde. Für die erste Schicht der ersten Formation sind die anfänglich dem Computer gegebenen Parameterwerte im allgemeinen die richtigen Werte. Wenn der vom Rechner berechnete Umdrehungswinkel des Wickelkerns am Umkehrpunkt als hoch genug eingestuft wird, um eine gute Befestigung ("locking on") der ersten Schicht sicherzustellen, wird die Einstellung hierfür an diesem Punkt akzeptiert. Anderenfalls werden die Werte von L, D, W etc., die in den Rechner eingegeben werden (für einen zweiten Versuch) ausgehend von ihren richtigen Werten geringfügig verändert, um zu versuchen, von dem Rechner einen größeren Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt zu erhalten. Für die restlichen Schichten nach der ersten einer jeden Formation besteht die Vorstellung, den Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt zu minimieren, um die Ausbildung einer hundeknochenähnlichen Form ("dog-boning") zu minimieren, wobei die Parameterwerte, die benötigt werden, um einen relativ kleinen (aber noch geeigneten) Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt zu ergeben, die aktuellen Werte sein mögen oder nicht. Für die erste Schicht in jeder Formation nach der Ersten ist es oft möglich, geeignete abgeänderte Werte beim ersten Versuch zu erraten, um die gewünschten erweiterten Werte für den Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt zu erhalten.
Um sicherzustellen, daß der Wert für Z entsprechend den aktuellen Werten von D, W, A etc. aufrechterhalten wird, werden D und W nur so verändert, daß das Verhältnis von D zu W nicht verändert wird. Anderenfalls sind die Größenordnungen der für den gewünschten Umdrehungswinkel am Umkehrpunkt benötigten Abänderungen nicht so gewesen, daß sie die Bündeleigenschaften nachteilig in einem wahrnehmbaren Grad beeinflußt hätten.

Beispiel 1

Ein Faserbündel mit den in Fig. 5 der Zeichnungen dargestellten Merkmale wurde auf einen Wickelkern der in der Figur dargestellten Konfiguration gewickelt. Die resultierende Unterbaugruppe weist keinen zu bildenden Rohrboden auf, könnte aber einen aufweisen, ohne daß dabei die Struktur der Bündel enden verändert würde. Eine sonst wesentlich identische Baugruppe, die das in Fig. 1 gezeigte Wandelement enthält, ist verändert worden, indem das Wandelement in einen Rohrboden umgewandelt und in einem Permeator (siehe Fig. 2) eingefügt wurde. Der Permeator wurde getestet, und es wurde festgestellt, daß er zufriedenstellend als ein Mittel zur Rückgewinnung von Trinkwasser aus Brackwasser funktioniert.
Das Faserband, das zum Aufbau des Bündels verwendet wurde, bestand aus zehn Fäden aus jeweils 24 Fasern, wobei die Fasern Celluloseacetatfasern mit einem Außendurchmesser von 305 um sind. Die Dicke einer jeden Lage war 2,71 mm (0,1069''). Für alle Schichten war S=0, A=45º und P=2. C war 1 für alle Schichten, mit der Ausnahme der Nummern 2-7, für die C=2 war. Die Einstellungen der in Fig. 5 dargestellten Schichten sind in der folgenden Tabelle 1 aufgelistet. TABELLLE 1 EINSTELLUNGEN FÜR DAS BÜNDEL NACH Fig. 5 Schicht Dwell TABELLE 1 (FORTS.) EINSTELLUNGEN FÜR DAS BÜNDEL NACH Fig. 5 Schicht Dwell

ANMERKUNG:

(1) Formationsnummer
(2) Schichtlänge ./.2
(3) Nominelle oder aktuelle Breite 25,4 mm (1''), wobei die gezeigten anderen Werte dem Computer eingegeben wurden anstelle der tatsächlichen Breite
(4) 13 Lagen·2,72 mm (0,1069'') = 353 mm (1,3897) Dicke der Formation für den zylindrischen Bereich des Bündels
(5) 10·2,72 mm (0,1069) = 27,2 mm (1,069'')
(6) 5·2,72 mm (0,1069) = 13,6 mm (0,5345'')
(7) 12·2,72 mm (0,1069) = 32,6 mm (1,2828'')
(8) 2·2,72 mm (0,1069) = 5,4 mm (0,2138'')
(9) 7·2,72 mm (0,1069) = 19,0 mm (1,7483'')
(10) Totale Dicke des zylindrischen Teils des Bündels:
47·2,72 mm (0,1069) = 127,6 mm (5,0243'') Zylindrischer Durchmesser = 2·127,6 mm
(5,0243'') + 162,5 mm
(6,4'') = 417,7 mm (16,45'')

Claims

1. Verfahren zum Ausbilden einer Baugruppe (1) durch

(i) spiralförmiges Wickeln einer oder mehrerer Hohlfasern um einen festen, im allgemeinen zylindrischen, langgestreckten Kanal mit zwei Endbereichen (53) und einem dazwischenliegenden, mit Öffnungen versehenen Bereich (54), der als rotierender Wickelkern (2, 15, 51, 61) dient, und Steuern des spiralförmigen Wickelns dieser Fasern, so daß ein stabiles, selbstverankertes, im allgemeinen zylindrisches Hohlfaserbündel (3, 34) mit im allgemeinen kuppelförmigen Enden erhalten wird, das aus einer Vielzahl von Schichten (35, 52) sukzessiv zunehmender Längen besteht, wobei jede Schicht (35, 52) aus einer bis zu einer Vielzahl von Lagen besteht, so daß die Lage der Buckel in jeder Formation (I, II, III, IV) vor- und zurückverschoben wird, so daß aufeinanderfolgende Buckel nicht direkt übereinanderliegen und sich nicht aufschichten, sondern statt dessen so zusammengefügt sind, daß den Bündelenden eine im wesentlichen glatte, abgerundete kuppelförmige Form verliehen wird,

(ii) Ausbilden eines oder mehrerer harzhaltiger, radial an einer Stelle der Kernoberfläche angeordneter, im allgemeinen ringförmiger Wandelemente (4), durch die die Fasern und der Wickelkern (2, 15, 51, 61) in dichtem Eingriff hindurchführen an einer nicht an den Bündel enden (3, 34) gelegenen Stelle.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch

A. fakultatives Auswählen einer oder mehrerer zusätzlicher Stellen der Kernoberfläche zum Anbringen zusätzlicher solcher Wandelemente (4) an diesen Stellen,

B. Ausbilden des Bündels (3, 34) und des einen oder mehrerer Wandelemente (4) auf dem Wickelkern (2, 15, 51, 61) durch

(1) spiralförmiges Wickeln eines Bandes oder einer Folge von Bändern aus Hohlfaserlängen in alternierenden Serien von rechts- und linksdrehenden Spiralen um den Wickelkern (2, 15, 51, 61), wobei jedes Band ungefähr an der Mittellinie eines dieser Stellen beginnt und in einer Ebene ungefähr an der Mittellinie der gleichen oder einer der anderen Stellen endet, während

(2) Aufbringen eines härtbaren Harzes auf den Wickelkern (2, 15, 51, 61) und auf das Band an jeder der Stellen und anschließend Fortsetzen des Aufbringens solch eines Harzes auf die entstehenden Harz/Faserkörper, die das (die) Wandelement(e) (4) formen, und

C. Aushärtenlassen oder Härten der Harz/Faserkörper, wobei das Wickeln zum Ausbilden des Bündels (3, 34) in einer Abfolge von Stufen durchgeführt wird, in Stufe I

(a) werden mehrere (Na) Lagen von ungefähr gleicher axialer Länge und sukzessiv größerem Durchmesser aufgewickelt, um eine erste Schicht (35) zu erzeugen, die sich bis zu keinem der beiden Enden des Wickelkerns (2, 15, 51, 61) erstreckt und die zumindest geringfügige Buckel in der Nähe beider Enden der Schicht (35) als Folge der stärker lokalisierten Anhäufung von Fasern im Umkehrbereich einer jeden Wicklung von Ende zu Ende aufweist, die Länge des Umkehrbereiches, der Umdrehungswinkel des Wickelkerns, während die Faserführung am Umkehrpunkt stillsteht, der Wert von Na und die Spannung der Faserabschnitte werden entsprechend der Faser- und Bandabmessungen so gewählt, daß die erste Schicht (35) nicht auf dem Wickelkern (2, 15, 51, 61) verrutscht und die Verjüngung der nichtzylindrischen Endbereiche der Schicht (35) ausreichend abrupt ist, um einen beträchtlichen Widerstand für eine axiale Bewegung einer darüberliegenden, längeren, zweiten Schicht (35) zu gewährleisten, wenn Letztere entsprechend (b) geformt und plaziert wird;

(b) die zweite Schicht (35) wird im wesentlichen wie die erste Schicht (35) geformt und hat eine solche Länge, daß die zweite Schicht (35) über jedes der Enden der ersten Schicht (35) hinausragt;

(c) eine Folge zusätzlicher Schichten (35) wird, wie in (b), zugefügt, bis die beiden Enden der resultierenden ersten Formation (I) zumindest wahrnehmbare Buckel aufweisen,

in Stufe II

wird Schritt a wiederholt mit der Ausnahme, daß die resultierende erste Schicht (35) kürzer oder länger als die vorhergehende erste Schicht (35) ist, und Schritte b und c werden wiederholt, bis die resultierende zweite Formation (II) zumindest wahrnehmbare Buckel an jedem Ende aufweist, mit der Folge, daß die Buckelspitzen der zweiten Formation (II) näher zusammen oder weiter auseinander liegen als die der darunterliegenden ersten Formation (I); in jeder darauffolgenden Stufe werden die Schritte a-c wie bei der Stufe II wiederholt, wobei die Längen und N-Werte der aufeinanderfolgenden Schichten (35) so sind, daß jede Formation (I, II, III, IV) einen deutlich verschiedenen Abstand zwischen den Buckelspitzen hat als bei der unmittelbar vorhergehenden Formation und daß jedes Ende des fertiggestellten Bündels (3, 34) im allgemeinen die Form einer Kuppel mit einer zentralen Öffnung, die dem Wickelkernende entspricht, das durch diese Öffnung hindurchtritt, aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserwände durchlässig sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen vorbereitenden Schritt, in dem Rohranschlüsse, die für den Gebrauch der Baugruppe (1) in einem Permeator (10) notwendig sind, in den Wickelkern (2, 15, 51, 61) eingebaut werden.

5. Eine Baugruppe (1), die für den Gebrauch als Bestandteil eines Permeators (10) angepaßt werden kann und die einen Wickelkern (2, 15, 51, 61), ein Faserbündel (3, 34) und ein oder mehrere Wandelemente (4) enthält, wobei der Wickelkern (2, 15, 51, 61) einen ersten, im allgemeinen zylindrischen, langgestreckten Kanal mit zwei Endbereichen (53) und einem dazwischenliegenden, mit Öffnungen versehenen Bereich (54) ist, das Bündel (3, 34) Hohlfaserlängen enthält, die als Einzelfasern oder als daraus gebildete Bänder um den Wickelkern (2, 15, 51, 61) in Form von zwei im allgemeinen kuppelförmigen Endbereichen und einem dazwischenliegenden, im allgemeinen zylindrischen Bereich angeordnet sind, und jedes der Wandelemente (4) ein im allgemeinen ringförmiger Harzkörper ist, durch den der Wickelkern (2, 15, 51, 61) und die Faserlängen in dichtem Eingriff hindurchführen; die Faserlängen in Serien sich überkreuzender Spiralen von sukzessiv zunehmendem Durchmesser um den Wickelkern (2, 15, 51, 61) gewickelt werden, u.z. so, daß die nicht mit Harz behandelten Bereiche des Bündels (3, 34) stabil sind und am Wickelkern (2, 15, 51, 61) verankert sind; wenigstens eines des einen oder der mehreren Wandelemente (4) an die Funktion als Rohrboden (14) im Permeator (10) angepaßt werden kann und jedes Ende einer jeden Faserlänge oder Bandes innerhalb eines der Wandelemente (4) angeordnet ist.

6. Baugruppe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände der Faserlängen selektiv durchlässig sind.

7. Baugruppe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der darin enthaltenen Wandelemente (4) eins ist und daß das Wandelement (4) axial in gleicher Entfernung von den Bündel enden (3, 34) angeordnet ist.

8. Baugruppe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der darin enthaltenen Wandelemente (4) zwei oder mehr ist, die Anzahl der Wandelemente (4) an den Bündel enden 0, 1 oder 2 ist und der axiale Abstand zwischen zwei beliebigen benachbarten Wandelementen (4), von denen sich keines an einem Ende des Bündels (3, 34) befindet, doppelt so groß ist wie der Abstand von jedem der Bündel enden (3, 34) zu dem diesem Ende am nächsten liegenden Wandelement (4).

9. Baugruppe (1) nach jedem der Ansprüche 5, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungswinkel der Spiralen im Bereich zwischen 40º und 50º liegt und das Bündel (3, 34) eine radiale Abfolge von sukzessiv längeren oder kürzeren Formationen ist, von denen jede aus sukzessiv längeren Schichten (35, 52) dieser Spiralen besteht.

10. Permeator (10) mit einem Gehäuse (13), einer inneren Baugruppe (11), nach jedem der Ansprüche 5-9, einem Einlaßanschluß (16) und einem Auslaßanschluß (17) und einem Auslaßrohr (18) für das Permeat und einer Kreuzstromeinheit (19).

11. Permeator (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungswinkel der Spiralen im Bereich zwischen 40º und 50º liegt und das Bündel (3, 34) eine radiale Abfolge von sukzessiv längeren oder kürzeren Formationen ist, von denen jede aus sukzessiv längeren Schichten (35) dieser Spiralen besteht.