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Die Erfindung betrifft eine sich drehende Kalibriereinrichtung für die Herstellung
eines Wellrohrs aus thermoplastischem Harz.
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Heutzutage werden flexible gewellte Polymerschläuche für verschiedene Zwecke
auf zahlreichen technischen Gebieten verwendet. Pceispielsweise können solche Rohre
als Kabelkanäle, Transferschläuche zum Transport von Medien, wie beispielsweise
chemischen Agentien, ebenso wie auf dem Gebiet der Energietechnik, beispielsweise
für den Einsatz in Wärmetauschern oder Heizungsvorrichtungen, aber auch für die
Beförderung von Abgasen jeder Art verwendet werden.
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Solche spiralförmigen, das heißt, mit Wellen versehenen Rohre werden
gegenwärtig mit kleinen Durchmessern von bis zu ungefähr 40 mm mittels eines
Drehkalibrier-Extrusionsverfahrens hergestellt. Geeignet sind alle thermoplastischen Harze,
einschließlich von elastomer modifizierten Thermoplasten, ebenso wie Modifikationen
dieser Polymere mit verschiedenen organischen und anorganischen Zusätzen. Eine
typische bekannte Anordnung für die Durchführung eines Formverfahrens bzw. für eine
sich drehende Kalibriereinrichtung für Helix-Polyrnerrohre ist in Fig. 3 gezeigt (siehe
auch FR-A-2 125 158). Die Figur zeigt schematisch den Querschnitt einer bekannten
Anordnung. Ein Kühlrohr - Leitrohr 31, das das Wellrohr in seinem Inneren aufnimmt
und führt, wird so an eine Mediumkammer 42 geflanscht, die ein Kühlmedium,
beispielsweise Wasser, enthält, daß das Kühlmedium das Rohr von außen umspült. Das
Kühlrohr 31 weist Perforationen 39 auf, die so auf das Kühlmedium 40 wirken können,
daß es mit dem Wellrohr 45 in Kontakt kommt. Das Rohr 31, das sich nicht dreht, ist im
Inneren der Mediumkammer 42 mittels eines gleitenden Dichtungsverschlusses 35 mit
einem sich drehenden Kalibrier-Rohrstück 32, das sich um die Mittelachse dreht,
verbunden. Das sich drehende Kalibrier-Rohrstück seinerseits ist gegenüber der
Mediumkammer 42 mittels eines Dichtungsrings 34 abgedichtet. Das Kühlrohr 31, das
starr an der Mediumkammer 42 befestigt ist, führt durch die Mediumkammer hindurch,
um an der anderen Seite der Mediumkammer 42 mittels eines gleitenden
Dichtungsverschlusses 35 mit einer sich drehenden Kalibriervorrichtung verbunden zu werden.
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Die sich drehende Kalibriervorrichtung 32 enthält eine Kalibrierhelix, die so geformt ist,
daß das Wellrohr 45 mit der gewünschten Spiralform hergestellt werden kann. Am
Außenrand der Kalibrierhelix befinden sich an der Außenseite des sich drehenden
Kalibrier-Rohrstücks 32 Öffnungen 46, die ebenfalls mit dem Kühlmedium 40
kommunizieren. Ein Vakuum wird an diesem Kühlmedium 40 angelegt, so daß der
Schmelzkonus 44, der in die Öffnung des sich drehenden Kalibrier-Rohrstücks 32 tritt,
radial zu den äußeren Öffnungen über die Kalibrierhelix 33 gezogen wird. Gleichzeitig
bringt das vorhandene Kühlmedium die Schmelze zum Erstarren. Das so geformte Rohr
wird anschließend im Kühlrohr 31 mittels zusätzlicher Kühlöffnungen 39 abgekühlt.
Das Wellrohr muß am Ausgang der Mediumkammer 42 gegen das Kühlrohr 31
abgedichtet werden, um ein Lecken des Kühlmediums zu verhindern und um das für das
Formverfahren nötige Vakuum aufrechtzuerhalten. Aus diesem Grund werden
Dichtungsmembrane 36, die eine Öffnung aufweisen, durch die das Wellrohr
durchgezogen wird, so am Ausgang des Kühlrohres 31 befestigt, daß die Dichtungsmembrane
das Rohr fest abdichten. Im allgemeinen bestehen solche Membrane aus einem flexiblen
Polymer, wie Siliciumkautschuk. Um die Dichtungswirkung zu verstärken, werden
mehrere Membrane verwendet, die gegenseitig mittels Abstandhaltern 37 justiert
werden. Um den Widerstand, der durch diese Dichtungsmembrane 36 erzeugt wird, zu
überwinden und weil diese Anordnung nicht selbst-transportierend ist, muß für das
Wellrohr am Ausgang der Mediumkammer eine Raupen-Fördervorrichtung 38
verwendet werden. Die Raupenkette dieser Anordnung ist so konstruiert, daß sie mit dem
Rand des Wellrohrs zusammenpaßt, um dessen Transport zu ermöglichen. Es leuchtet
ohne weiteres ein, daß spiralförmige, beispielsweise mit Wellen versehene Rohre,
schwierig abzudichten sind. Da diese Anordnung ein ständiges Lecken verursacht, wird
Luft kontinuierlich durch die Dichtungsmembrane 36 in die Mediumkammer 42
gesaugt, die unter Vakuum betrieben wird. Dies wirkt sich negativ auf die Toleranz des
Extrudats aus, da das Vakuum starke Schwankungen aufweist. Insbesondere bei großen
Rohrdurchmessern, wie einem Durchmesser von ca. 40 mm, erhöht sich die Gangtiefe
des Rohrs, was bedeutet, daß die Leckrate sich auf nicht tolerierbare Werte erhöht.
Diese bekannte Anordnung kann mit Erfolg bis zu maximalen Rohrdurchmessern von
40 mm und Gangtiefen von 3 mm eingesetzt werden. Größere Rohrdurchmesser können
mit
dem geschilderten Verfahren aufgrund des Auftretens von Dichtungsproblemen und
den daraus resultierenden Druckschwankungen nicht hergestellt werden. Versuche zur
Lösung dieses Problems, bei denen die Siliciumkautschuk-Dichtungen enger eingestellt
wurden oder zusätzliche Dichtungen hintereinander angebracht wurden, waren nicht
erfolgreich, da der wachsende Widerstand, gegen den das Extrudat aus dem Kühlrohr 31
gezogen werden muß, aufgrund des Ziehharmonikaeffekts, der eine axiale Schwingung
bzw. ein Zusammendrücken oder Auseinanderziehen des spiralförmigen (mit Wellen
versehenen) Rohrs zur Folge hat, keinen kontinuierlichen Transport mehr erlaubt.
Verglichen mit einem glatten Rohr zeigt ein Wellrohr bei einer vergleichbaren Wanddicke
und einem vergleichbaren Polymertyp aufgrund seiner Spiralform einen viel höheren
Stauchwiederstand bzw. eine viel größere Trägheit. Die bekannte Ausrüstung hat den
zusätzlichen Nachteil, daß eine weitere Erhöhung des Ausstoßes und damit der
Produktivität aufgrund der vorstehend beschriebenen Probleme nicht möglich ist.
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Diese Erfindung hat die Nachteile des Standes der Technik gelöst, indem sie
insbesondere versuchte, eine verläßliche Lösung für eine Dreh-Kalibriereinrichtung, die die
Herstellung von Rohren mit großen Durchmessern neben Rohren mit kleinen
Durchmessern auf sehr wirtschaftliche Weise ermöglicht, zu realisieren. Diese Aufgabe wird
gemäß der Erfindung durch das Verfahren zum Formen eines Polymer-Wellrohrs aus
einem geschmolzenen röhrenförmigen Extrudat gelöst, welches umfaßt: Einleiten des
geschmolzenen röhrenförmigen Extrudats in das Innere eines sich drehenden
röhrenförmigen Teils mit einem Helix-Innengewinde, das eine das Extrudat aufnehmende
Deformationszone und eine Kühlzone stromabwärts von der Deformationszone
aufweist, Ineingriffbringen des röhrenförmigen Extrudats mit dem Spiralgewinde in dessen
Deformationszone, wodurch das geschmolzene röhrenförmige Extrudat spiralförmig mit
Wellen versehen wird, und Halten des resultierenden Wellrohrs im Eingriff mit dem
Spiralgewinde in dessen Kühlzone, um das Wellrohr zu kühlen, wobei durch die
Drehung des röhrenförmigen Teils und das Ineinandergreifen des Spiralgewindes und
des Wellrohrs in der Kühlzone das Wellrohr, während es geformt wird, von der
Deformationszone weg und durch die Kühlzone hindurch transportiert wird.
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Dieses Verfahren zum Formen des Polymer-Wellrohrs ist in der Lage, solche
Schläuche mit großen Durchmessern, z. B. bis zu 50 cm Außendurchmesser, und mit
kleinen Durchmessern, z. B. so wenig wie 1 cm Außendurchmesser, herzustellen und
vermeidet den Ziehharmonika-Effekt, der erhalten wurde, wenn die Raupenkette abseits
von der Formung des Wellrohrs verwendet wurde. Das Verfahren ist besonders
geeignet, um größere Wellrohre, die beispielsweise einen Außendurchmesser von
mindestens 40 mm, vorzugsweise von mindestens 50 mm, aufweisen, herzustellen. Die
Spiral-Wellenbildung des Rohrs, das gemäß dem Verfahren der Erfindung geformt wird,
ist selbstverständlich die gleiche wie eine Helix-Wellenbildung und das Spiralgewinde,
das die Wellen bildet, ist ebenfalls helikal.
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Die Einrichtung, um die Erfindung zur Herstellung von Wellrohren
durchzuführen, umfaßt einen Extruder zum Extrudieren eines geschmolzenen röhrenförmigen
Extrudats, ein rotierendes röhrenförmiges Teil, das so positioniert ist, daß es das
Extrudat im Inneren des rotierenden Teils aufnimmt, wobei das rotierende Teil eine
Deformationszone und eine Kühlzone und ein inneres Spiralgewinde, das sich von der
Deformationszone bis in die Kühlzone erstreckt, aufweist, und eine Vorrichtung zum
Ineingriffbringen des Extrudats mit dem Spiralgewinde in der Deformationszone, um das
Extrudat mit Wellen zu versehen, wodurch aus dem Extrudat das Wellrohr gebildet
wird, wobei die Drehung des röhrenförmigen Teils bewirkt, daß das Wellrohr in das
Spiralgewinde in der Kühlzone eingreift, wodurch das Wellrohr abgekühlt und aus der
Deformationszone weg und durch die Kühlzone hindurch transportiert wird.
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Die Deformationszone in dem Verfahren und der Einrichtung beinhaltet ebenfalls
ein gewisses Abkühlen des darin geformten Wellrohrs, was dadurch erreicht wird, daß
das geschmolzene Polymer des röhrenförmigen Extnidats mit der Oberfläche des
Spiralgewindes in Kontakt kommt und darüber hinaus eine weitere Kühlung durch den
Kontakt mit Kühlmedium erhält. Die Kühlzone sorgt für ein weiteres Abkühlen, wodurch
sichergestellt wird, daß sich das Polymerharz des Wellrohrs unter dem Schmelzpunkt
des Polymers und ebenso unter der Temperatur befindet, bei der das Wellrohr sich in
der Kühlzone unter dem Einfluß des Ineinandergreifens mit dem Spiralgewinde
deformieren
kann. Das Verfahren und die Einrichtung der Erfindung können verwendet
werden, um aus jedem beliebigen thermoplastischen Harz Wellrohre zu formen. Die
Ausdrücke Harz und Polymer werden hierin austauschbar verwendet.
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Es werden nun verschiedene Ausführungsformen der Erfindung lediglich als
Beispiele und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 in einer schematischen Querschnitts-Seitenansicht eine Ausführungsform oder
Einrichtung zur Durchführung der Erfindung zeigt;
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Fig. 2 eine vergrößerte schematische Querschnitts-Seitenansicht einer sich drehenden
Kalibriervorrichtung zeigt, die im oberen und unteren Teil der Figur zwei
Ausführungsformen des Spiralgewindes zeigt, wobei beide Ausführungsformen in
der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung verwendet werden können;
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Fig. 3 in einer Querschnitts-Seitenansicht eine Einrichtung des Standes der Technik
zum Herstellen von Polymer-Wellrohren zeigt, im Vergleich zu der die
Erfindung eine Verbesserung darstellt.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird eine Drehkalibriervorrichtung in
ihrem Inneren gewindeartig geformt, d. h. das Spiralgewinde wird im Inneren des sich
drehenden Teils geformt, und das geschmolzene röhrenförmige Extrudat wird auf
selbst-abdichtende Weise über diese gewindeartige Form gezogen, so daß keine
zusätzlichen Dichtungselemente nötig werden, um das Wellrohr an der Ausgangsseite
abzudichten. Das Treiben des geschmolzenen Extrudats gegen das Spiralgewinde kann
erreicht werden, indem man das Extrudat mittels Öffnungen, die mit einem
Kühlmedium unter Vakuum versorgt werden, zum Gewinde hin zieht, wodurch das
gewünschte spiralförmige (mit Wellen versehene) Rohr geformt wird.
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Da das Spiralrohr aufgrund seiner großen Trägheit bzw. seines hohen
Stauchwiderstands sofort nach der Schmelzdeformation selbsttragend ist, wird das Vakuum
nur für
den Augenblick dieser Deformation in der Deformationszone des
Spiralgewindes benötigt, nicht jedoch ständig, um das Rohr unter dem Einfluß des Vakuums
in der Kalibrierkammer weiterhin stabil zu halten. Somit findet die Deformation
selbstdichtend statt, da die weiche Schmelze unter dem Vakuum, das durch die Öffnungen im
Gewinde auf das Rohr einwirkt, entlang der ersten Windung des Spiralgewindes, wo die
Deformation stattfindet, eng an das Gewinde gezogen wird. Aufgrund der Verfestigung
bereits nach der ersten Windung, entlang einer sich um 360ºC drehenden Spirale,
erstarrt das Rohr in seiner Form, wodurch es selbsttragend wird. Nach der Deformation
der Schmelze und dem anschließenden Abkühlen der Schmelze auf unter den
Erstarrungspunkt des thermoplastischen Polymers, aus dem das röhrenförmige Extrudat
zusammengesetzt ist, dienen die weiteren Windungen der sich drehenden
Kalibriervorrichtung dazu, das Rohr weiter zu kühlen und zu transportieren. Auf der Grundlage
der Drehungen der Kalibriervorrichtung und der Gewindesteigung des Wellrohrs ist die
Transportleistung gleich dem Produkt von Drehungen mal Gewindesteigung. Aufgrund
der ausgewogenen Einstellung der Schmelztemperatur, der Menge des für die
Deformation nötigen Vakuums ebenso wie der Geometrie des Gewinderings, der in die
Drehkalibriervorrichtung eingesetzt wird, wird die Reibung zwischen der sich drehenden
Kalibriervorrichtung und dem durch das Gewinde transportierten Extrudat niedrig
gehalten, wodurch jede Verziehung des Extrudats vermieden wird, die zu einer sofortigen
Destabilisierung der in die sich drehende Kalibriervorrichtung eintretenden Schmelze
führen würde. Geeignet für den Aufbau der sich drehenden Kalibriervorrichtung sind
mehrere Windungen, wobei 1 bis 3 Windungen für die Deformationszone bevorzugt
sind. Besonders einfach und wirtschaftlich ist die Konstruktion, bei der nur eine
Windung für die Deformation verwendet wird. Für den Transport werden mehrere
zusätzliche Windungen verwendet, die möglicherweise überhaupt keine Öffnungen für
das Kühlmedium mehr aufweisen. Diese spiralförmige Anordnung liefert eine
Abdichtung gegen Atmosphärenbedingungen, wodurch ein Lecken des Kühlmediums
kaum möglich ist. Das Vakuum kann stabil, reproduzierbar und ohne
Druckschwankungen gehalten werden. Um den Eintritt des Schmelzkonus in Bezug zum
Gewinde zu zentrieren und um zu verhindern, daß aufgrund von Asymmetrien
möglicherweise Umgebungsluft beim Eintritt der Schmelze in die Drehkalibriervorrichtung eingesaugt
wird, wird ein Zentrierring vor die erste Gewindesteigung gesetzt. Die Öffnung
dieses Rings liegt im Bereich zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser des
Wellrohrs. Vorzugsweise entspricht diese Öffnung ungefähr dem Mittelwert des inneren
bzw. des äußeren Rohrdurchmessers. Eine gute Entfernung des Führungs- und
Zentnerrings von der sich drehenden Kalibriervorrichtung bzw. der ersten Gewindesteigung
liegt in der Größenordnung von maximal zwei Gewindesteigungen.
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Um für die Anwendung des Kühlmediums und insbesondere des Vakuums zu
sorgen, werden entlang des Gewindes am Außendurchmesser Da des Gewindes
Öffnungen für die Anwendung des Mediums angebracht (Fig. 1). Solche Öffnungen
sollten insbesondere entlang der ersten und zweiten Windung, jedoch vorzugsweise
entlang der ersten Windung, angebracht werden. Solche Öffnungen können
beispielsweise in Form von Löchern oder Schlitzen im Gewindegang angebracht werden,
beispielsweise entlang des Umfangs jeweils bis zu alle 60º, vorzugsweise jedoch
alle 30º, wobei sehr gute Ergebnisse bei alle 20º oder darunter erzielt werden. Um eine
feste Passung (Anpassung) des Extrudats entlang der Gewindeoberfläche zu erhalten,
sieht man es als günstig an, wenn die ersten Mediumöffnungen vor dem Anfang der
ersten Windung angebracht werden, beispielsweise etwa 90º vor einem solchen Anfang.
Wenn die sich drehende Kalibriervorrichtung mehrere Windungen enthält, was eine
Drehung von n mal 360º bedeutet, sieht man es als günstig an, wenn nur die ersten
beiden Windungen oder sogar nur die erste Windung als Deformierungswindung
konstruiert werden, und die nachfolgenden Windungen beispielsweise einen steileren
Gewindegang zeigen, was bedeutet, daß der Neigungswinkel abnimmt, wodurch die
Reibung zwischen der sich drehenden Kalibriervorrichtung und dem geschmolzenen
Wellrohrs verringert wird, was einen guten Transport ermöglicht. Vorzugsweise werden
die Gewinde, je weiter nach hinten man im Gewinde kommt, mit progressiv steiler
werdenden Gewindegängen konstruiert. Die Öffnungen im Gewinde der sich drehenden
Kalibriervorrichtung dienen dazu, sowohl die Einwirkung des Kühlmediums auf das
geschmolzene Extrudat zu ermöglichen, als auch das geschmolzene Extrudat (in Form
eines Schmelzkonus) mittels eines Vakuums bzw. eines Druckes, der unter dem
Atmosphärendruck liegt, über die erste Formwindung des Spiralgewindes zu ziehen. Das
benötigte
Vakuum darf nicht zu stark sein und darf auch keine Schwankungen aufweisen.
Bei einem zu hohen Vakuum würde die Schmelze in die Öffnungen gesaugt, wodurch
eine kontrollierte Deformierung der Schmelze verhindert würde. Der eingestellte Druck
an den Öffnungen sollte um mindestens 0,1 Bar (10 kPa) unter dem Umgebungsdruck
liegen, was normalerweise 100 kPa sind, wobei noch bessere Ergebnisse erzielt werden,
wenn der Druck um mindestens 0,2 bar (20 kPa) unter dem Umgebungsdruck liegt. Um
reproduzierbare Bedingungen und eine fehlerfreie Formung des Rohrs zu gewährleisten,
sollten die Druckschwankungen so gering wie möglich sein, etwa maximal 0 bis
±0,15 bar, wobei sehr gut Ergebnisse erzielt werden, wenn sie etwa 0 bis ± 0,05 bar
betragen.
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Um die Einstellungen weiter zu verbessern und um einen gleichmäßigen Strom
der Schmelze zu liefern, sollte der freistehende Schmelzkonus, der zwischen dem
Extrusionskopf und der ersten Gewindesteigung der sich drehenden
Kalibriervorrichtung austritt, vorzugsweise nicht länger als 100 mm, stärker bevorzugt jedoch nicht
länger als 40 mm, sein. Bei zu großen Abständen würde der Konus sich durchbiegen
oder verformen und daher zu ungleichmäßigen Ergebnissen bei der Formung des Rohrs
führen.
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Die Anordnung ermöglicht eine sehr hohe Produktivität, indem sie die
Fördergeschwindigkeit für das Wellrohr erhöht, ohne die Qualität negativ zu beeinflussen.
Eine weitere Erhöhung der Produktivität ist möglich, wenn die Spiralform des
Weilrohrs als Helix mit mehrfachen Gewindegängen konstruiert ist, was bedeutet, daß
mehrere Windungen nebeneinander angeordnet sind, d. h. das Spiralgewinde aus einer
oder mehreren Spiralwindungen bestehen kann. Wenn mehrere Spiralwindungen
vorhanden sind, sind sie ineinander eingeschoben. Ohne die einzelne Windung zu
erweitern, wodurch die Schwierigkeiten der Deformation durch die erste formgebende
Windung erhöht wird, kann auf dieser Grundlage die Steigung des gesamten Gewindes
drastisch erhöht werden. Wenn beispielsweise ein Wellrohr einen Durchmesser von
130 mm und einen Gewindegang von 6 mm bei einer Gewindesteigung von 8 mm
(zwischen benachbarten Windungen) aufweist, ist es möglich, unter Verwendung eines
Gewindes mit Mehrfach-Gewindegängen, d. h. dem Positionieren von 5 einzelnen
Windungen von 8 mm Breite nebeneinander, eine Steigung des Gewindes mit
Mehrfach-Gewindegängen von 40 mm pro Windung zu erhalten. Somit würde die
Produktivität um den Faktor 5 erhöht. Für industrielle Anwendungen, die auf kostengünstige
Weise realisiert werden müssen, beispielsweise für den Einsatz in Kaminauskleidungen,
ist eine hohe Produktivität bei einer aufrechterhaltenen hohen Flexibilität des Rohrs
unverzichtbar. Solche hohen Steigungen können mit Gewinden mit Einzelgewinden
nicht erreicht werden, da das Rohr infolge von Abknicken seine Flexibilität verlieren
würde.
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Die Einrichtung von Fig. 1 ist in der Lage, Polymer-Wellrohre herzustellen,
einschließlich solcher Rohre mit größeren Rohrdurchmessern, beispielsweise mindestens
40 mm.
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In der Einrichtung von Fig. 1 ist eine Rohrschablone 1 (ein drehbares
röhrenförmiges Teil), angetrieben von einer Motoreinheit (nicht gezeigt), drehend aufgehängt.
Die Rohrschablone 1, die abgedichtet ist, führt durch eine Kühlkammer 12, die das
Medium 11 enthält. Die Rohrschablone 1 ist an beiden Seiten der Mediumkammer in
Lagern 17 und 19 aufgehängt, die sich vor bzw. hinter der Mediumkammer 12 befinden.
Außer den Lagern 17, 19 sind Wellendichtungsringe, wie beispielsweise die
Dichtungsringe 16 und 18, an der Vorder- und Rückseite befestigt, um die äußere Oberfläche der
Rohrschablone 1, die sich in dem Kühlmedium dreht, abzudichten. Die
Mediumkammer 12 wird mit einer Dichtung 13 fest verschlossen, so daß ein erwünschtes
Vakuum durch eine Vakuum-Zuleitung, die in die Mediumkammer 12 führt, erzeugt
und mittels einer Vakuumpumpe 15 zurückgehalten werden kann. Das Kühlmedium 11,
vorzugsweise Wasser, kann durch ein Medium-Zuleitungsrohr 14 zugeführt werden.
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Die Rohrschablone 1 hängt auf abdichtende Weise innen im Vorder- (Führungs-)
Teil, der sogenannten sich drehenden Kalibriervorrichtung 2. Mittels der sich drehenden
Kalibriervorrichtung 2 wird das Wellrohr 24 geformt und transportiert (Fig. 2). Die sich
drehende Kalibriervorrichtung 2 weist in ihrem Inneren eine Windung 20 auf, die die
Form zum Formen
des Rohrs 24 bereitstellt. Die Windungen 20, 21, 22 sind außerdem
verantwortlich für den Transport des Rohrs. Das Rohr 24 selbst dreht sich nicht mit der
sich drehenden Kalibriervorrichtung 2 und wird so gemäß den Drehungen der
Einrichtung und der Gewindesteigung transportiert. Dies wird erreicht, indem man den
Vorgang justiert. Der Schmelzkonus 4, der aus dem Extrusionkopf 25 tritt, wird über die
erste Windung 20 auf die Oberfläche der Gewindeform gezogen. Zumindest diese erste
Windung stellt die Deformationszone dar. Dies wird durch Öffnungen 6 ermöglicht, die
entlang der Rille der ersten Gewindesteigung angebracht sind, die mit dem unter
Vakuum stehenden Kühlmedium 11 verbunden sind. Diese Öffnungen 6
kommunizieren über ein Rohr 6a mit den Öffnungen 6b in der Rohrschablone 1, die aus dem
Mediumtank 12 mit Kühlmedium 11 und Vakuum versorgt werden. Das bedeutet, daß
die Schmelze 4 an der ersten Windung so über das Gewinde gezogen wird, daß die
Schmelze an der Windung 20 deformiert wird und dicht abschließt, während sie
gleichzeitig gekühlt und zum Erstarren gebracht wird. Bereits an der zweiten Windung bzw.
den nachfolgenden Windungen 21, 22, wo eine weitere Kühlung stattfindet, d. h. in der
Kühlzone, ist der Schlauch fest genug und ist leicht (um bis zu mehrere %)
geschrumpft, so daß er entlang des Gewindes ohne unerwünschte Deformation und
Verziehung transportiert werden kann. Die Ermöglichung der kombinierten Funktionen des
Formens, des Abdichtens und des Transportierens direkt in der sich drehenden
Kalibriervorrichtung 2 ermöglicht schließlich die Herstellung von Rohren mit großen
Durchmessern auf sehr wirtschaftliche Weise. Die Öffnungen 6, 6a, 6b können als
Löcher oder Schlitze gestaltet sein. Beispielsweise können die Rillen auf der
Drehkalibriervorrichtung 2 von außen eingeschnitten werden, so daß Öffnungen 6a auf
solche Weise gebildet werden, daß die Windungen 20, 21, 22 am Gewindeboden
eingeschnitten werden, um die erwünschten Öffnungen 6 in der Größenordung von
Millimetern zu liefern. Bevorzugt für das Formen ist es, wenn die Öffnungen 6, die das
Medium liefern, am Umfang vor der ersten Windung 20 angebracht werden. Diese
Öffnungen können vorzugsweise um bis zu etwa 90º vor dem Anfang der Windung 20
bzw. vor dem Anfang des Gewindegangs angebracht werden. Solche Öffnungen 6, die
vor dem ersten Gewinde anfangen und nach dem ersten Gewinde 3 enden, können
beispielsweise alle 60º entlang des Umgangs der Gewinderille angeordnet sein.
Bevorzugt
wird eine gleichmäßigere Verteilung der Öffnungen, wie beispielsweise alle 30º
oder noch enger, wobei alle 20º oder noch enger bevorzugt werden.
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Die sich drehende Kalibriervorrichtung zeigt in dem Beispiel mehrere
Gewindegänge, wobei die ersten für das Formen verwendet werden. Die Verwendung von ein bis
drei Formungswindungen 20, 21, 22 (Fig. 2) ermöglicht es, die Anordnung weiter zu
vereinfachen. Sogar mit nur einer Formungswindung 20 ist die Anordnung noch
funktionell und ermöglicht damit die Realisierung einer sehr einfachen und
wirtschaftlichen Anordnung.
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Wenn man mehrere Windungen 20, 21, 22 verwendet, ist es günstig, wenn nach
der ersten Windung 20 die Gewinde zunehmend, noch besser progressiv, steiler werden,
bzw. wenn der Neigungswinkel kleiner wird. Beispielsweise kann der Neigungswinkel
von 30º auf 10º abnehmen, im Extremfall sogar auf 0º. Dies erleichtert den Transport,
da das Lösen aus der Form zusätzlich durch Erstarrungs- und Schrumpfungsprozesse
erleichtert wird, und somit die Reibung zwischen dem Rohr und der sich drehenden
Kalibriervorrichtung verringert wird. Somit kann eine Verziehung des Rohrs sicher
verhindert werden.
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Um konstante und genaue Formungsergebnisse zu erhalten, ist es günstig, wenn
der Schmelzkonus 4 zentral in die Öffnung der sich drehenden Kalibriervorrichtung 2
eingeführt wird. Der Schmelzkonus weist vorzugsweise eine Entfernung von maximal
100 mm, stärker bevorzugt von maximal 40 mm, zwischen der ersten Windung und dem
Ausgang 25 des Extrusionskopfes auf. Daher sollte ein Zentrierring 5 vor der ersten
Windung 20 angebracht werden. Der Ring 5 sollte eine kreisförmige Öffnung
aufweisen, deren Durchmesser Db etwa zwischen dem inneren Gewindedurchmesser Di und
dem äußeren Gewindedurchmesser Da liegen sollte. Die besten Ergebnisse werden mit
einem Durchmesser erhalten, der in der Mitte zwischen diesen beiden Durchmessern
liegt. Der Abstand des Rings zum Anfang des Gewindes sollte eine Größenordung von
bis zu 2 Gewindesteigungen nicht überschreiten.
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Das gesamte Systems wird vorzugsweise so ausgelegt, daß an den
Ansaugöffnungen 6 ein Druck von um mindestens 0,1 Bar unter Umgebungsdruck ausgeübt
wird, der möglichst konstant gehalten wird. Noch besser ist es, wenn der Druck um
mindestens 0,2 bar unter dem Umgebungsdruck liegt und er kann sogar so niedrig wie
0,4 bar unter dem Umgebungsdruck sein, aber das Vakuum sollte nicht so hoch sein,
daß es ein Sieden des Kühlmediums verursacht. Die Druckschwankungen sollten
maximal im Bereich von 0 ± 0,15 bar liegen. Bei größere Schwankungen können die Rohre
nicht mehr geformt werden oder sie zeigen unreproduzierbare, unerwünschte
Deformationen. Die Lösung gemäß der Erfindung ermöglicht es, die Druckschwankungen im
Bereich von 0 bis ± 0,05 bar zu halten, was für eine hohe Qualität und hohe
Ausstoßraten sorgt. Was die Druckschwankungen betrifft, so wird bei über ± 0,3 bar die
Formstabilität des Rohrs schlecht, es treten beispielsweise Abmessungsabweichungen von
mehr als 2% auf, was zur Produktion von Ausschuß führt. Bei Druckschwankungen
unter ± 0,15 bar verbessern sich die Ergebnisse sofort, die maximalen
Toleranzabweichungen liegen dann im Bereich von 1 bis 2%. Wenn die Druckschwankungen
unter ± 0,05 bar liegen, liegen die Toleranzabweichungen unter 1%, was die
gewünschte Genauigkeit liefert. Die angestrebte Toleranz für Anwendungen von Polymer-
Wellrohren ist immer besser als 1%.
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Als Option für besonders hohe Ausstoßraten kann die sich drehende
Kalibriervorrichtung 2 so konstruiert sein, daß mehrere Gewinde nebeneinander angeordnet sind.
Dies führt zu einer Gewindeanordnung mit mehreren Gewindesteigungen, wobei die
Hauptsteigung mit der Zahl der einzelnen Gewinde, die nebeneinander angeordnet sind,
multipliziert werden kann. Somit kann die Produktivität drastisch erhöht werden, wobei
die hohe Flexibilität mittels einer ausreichend engen Spiralbildung des Gewindes
aufrecht erhalten wird. Eine verlängertes Gewinde (eine lange Gewindesteigung) würde zu
einem unflexiblen Rohr führen, das leicht abknicken würde.
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Als weitere Möglichkeit, die Reibung zwischen dem Rohr und dem
Kalibriergewinde zu verringern, kann das Gewinde leicht konisch geformt sein, wobei es nach
hinten
weiter wird. In den meisten Fällen hält man eine Konstruktion mit einer
progressiv zunehmenden Steilheit der Gewindegänge für ausreichend.
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Darüber hinaus weist die sich drehende Kalibriereinrichtung gemäß Fig. 1 in
Verlängerung der sich drehenden Kalibriereinrichtung ein Führungsrohr 3, das die Funktion
hat, das fertige Wellrohr entlang der Innenseite aus dem System hinaus zu führen und
zusätzlich abzukühlen. Das Führungsrohr 3 dreht sich darum zusammen mit der sich
drehenden Kalibriereinrichtung 2 konzentrisch zur Rohrschablone 1 um die Längsachse
des Systems. Das Führungsrohr 3 ist so angebracht, daß es sich in einiger Entfernung
von der Rohrschablone 1 befindet, um Platz für die Abkühldusche 10, 10a, die zwischen
ihnen angebracht ist, zu lassen. Die Dusche ist stationär und beispielsweise mit
perforierten Leitungen 10a, die um das Führungsrohr 3 herum angeordnet sind, aufgebaut,
welche beispielsweise Kühlwasser auf das sich drehende Führungsrohr 5 sprühen. Das
Kühlwasser benetzt das 24 mittels der perforierten Schlitze 28, die im Führungsrohr
angebracht sind. Das Führungsrohr 3 ist für die Atmosphäre frei zugänglich, da die
Abtrennung des Mediums, insbesondere die Abtrennung vom Vakuum der
Drehkalibriervorrichtung 2 mittels des Dichtungsringe 26, 27 bewerkstelligt wird.
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Die gesamte Anordnung kann verkürzt werden, wenn beispielsweise weniger
Windungen vorgesehen sind. In diesem Fall reicht beispielsweise eine einseitige
Lageraufhängung der nunmehr kurzen Rohrschablone 1 aus, was eine weitere Kostensenkung
für die Einrichtung ermöglicht.
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In Fig. 2 zeigt ein Querschnitt schematisch und beispielhaft einen vergrößerten
Drehkalibriereinsatz 2. Der obere Teil der Achse zeigt ein gleichmäßiges
Kalibriergewinde mit insgesamt 12 Windungen. Die ersten acht Formungswindungen werden
von außen mit Rillen 6a bearbeitet, so daß am Boden des Gewindes Öffnungen 6
bereitgestellt werden, die dann mit dem Kühlmedium, das sich unter Vakuum befindet,
kommunizieren. Der Schmelzkonus 4 wird in einer deformierenden und abdichtenden
Weise auf die erste Windung gezogen. Wie bereit erwähnt, reicht es im allgemeinen
aus, wenn nur einige Windungen, beispielsweise 1 bis 3, mit Ansaugöffnungen 6 versehen
werden. Vorzugweise wird nur eine Windung mit Öffnungen 6 ausgestattet,
wobei diese bereits for der ersten Gewindesteigung beginnen sollten. Die nachfolgenden
Windungen übernehmen die Transportfunktion. Darum sollten ca. 4 bis 10 Windungen
vorgesehen werden, abhängig von der Betriebs-Drehgeschwindigkeit. Bei einer hohen
Drehgeschwindigkeit werden im Vergleich zu einer niedrigen Drehgeschwindigkeit
mehr Windungen benötigt.
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Im unteren Teil der Achse ist ein Beispiel für ein Gewinde gezeigt, bei dem der
Gewindegang nach hinten mit jeder Drehung progressiv steiler wird. Beispielsweise ist
der vordere Neigungswinkel 23 so ausgelegt, daß er 30º aufweist, und der hintere
Neigungswinkel 23a ist so ausgelegt, daß er 10º aufweist. Die hinteren Steigungen
können sogar steiler ausgelegt sein, ähnlich einem trapezförmigen Gewinde. Die
progressive Neigungsänderung kann auch nur nach den ersten Formwindungen stattfinden,
die die Mediumöffnungen 6 aufweisen. Die verschiedenen Betriebszonen sind ebenfalls
schematisch gezeigt. Die formgebende Deformationszone 7 beginnt am Eingang zum
ersten Gewinde 20. Die erste Windung 20 ist daher bestimmend. Hier findet das
Abdichten unmittelbar durch die Schmelzdeformierung statt. Die anschließende
Erstarrungs- und Transportzone 8 stellt eine Art von Übergangszone dar. Hier findet im
vorderen Teil 7, wo Mediumöffnungen 6 vorhanden sind, ein weiteres Kühlen statt,
wobei gleichzeitig ein Transport des Gewindes, das mit dem Wellrohr in Kontakt steht,
vorzugsweise im hinteren Gewindeabschnitt stattfindet.
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Mittels der beschriebenen Einrichtung wurden mehr als 1000 m Polymer-Wellrohr
mit hohen Ausstoßraten und von höchster Qualität hergestellt. Der äußere
Rohrdurchmesser Da betrug bei einer Gangtiefe von 6 mm und einer Steigung von 8 mm 132 mm.
Die benötigte Toleranz von besser als 1% wurde problemlos erreicht. über die
gesamten 1000 m wurde typischerweise eine Toleranzabweichung von unter 0,5%
gemessen. Dieses Rohr wurde aus Fluorkohlenstoffharz, genauer einem Copolymer aus
Tetrafluorethylen mit Perfluorpropylvinylether hergestellt, obwohl auch Harze wie
Tetrafluorethylen-Copolymer mit Hexafluorpropylen oder -ethylen, ebenso wie Nicht-
Fluorkohlenstoffharze, wie Polyethylen und Polypropylen, verwendet werden können.