DE69621306T2

DE69621306T2 - Mehrschichtige Flüssigkeitsleitungen

Info

Publication number: DE69621306T2
Application number: DE69621306T
Authority: DE
Inventors: Andrew L. Auvil; Fred Brannan; Girish Trikamal Dalal; Thomas L. Evans; George G. Meyer; Steven J. Meyer; Schiavone; Theodore Joseph Schmitz
Original assignee: Central Sprinkler Co; Noveon IP Holdings Corp; Central Sprinkler Corp
Current assignee: Lubrizol Advanced Materials Inc; Central Sprinkler Corp
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2016-10-31
Also published as: EP0771984A1; CN1158947A; CA2189320A1; AU7043696A; SG47189A1; JPH09257191A; CA2189320C; KR970028031A; CN1081772C; DE69621306D1; MY115869A; EP0771984B1; KR100482387B1; US5769128A; ATE217948T1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft Fluidleitungen mit mehrschichtigen Komponenten, insbesondere solche, die für die Verwendung in Feuerlösch-Sprinkler- und -Düsensystemen geeignet sind.

Hintergrund der Erfindung

Sprinklersystem-Einbaufirmen verwenden typischerweise Metallleitungen, und zwar entweder Kupfer- oder häufiger Eisen- oder Stahlrohre, als Zuführleitungen in automatischen Sprinklersystemen. Solche Metallleitungen sind bekanntermaßen in stärkerem Maße feuer- und temperaturbeständig als andere Baumaterialien, die verwendet werden können. Jedes Metall bietet relative Kostenvorteile und -nachteile. Typischerweise werden Rohrleitungen in festen Längen bereitgestellt und müssen vor dem Einbau auf die passende Größe geschnitten werden. Eisenhaltige Rohre wurden typischerweise vor Ort mit einem Gewinde versehen und mit einer Gewindekupplung verbunden. Die Verwendung von Gewindekupplungen bei eisenhaltigen Rohren erhöht in beträchtlichem Maße die Arbeitskosten für den Einbau solcher Systeme. Kupferrohre sind schneller einbaubar als eisenhaltige Rohre, da die geschnittenen Längen von Kupfer leicht auf geeignete Fittings aufgeschoben und dann verlötet werden können. Bei Kupfer entstehen jedoch im Vergleich zu eisenhaltigen Rohren ziemlich hohe Materialkosten.
Andere Arten von gewindelosen Systemen wurden für Metall- und insbesondere Stahlrohre entwickelt. Es sind z. B. Crimpsysteme bekannt, bei denen crimpbare Fittings zum Verbinden kleiner Durchmesser der leichtesten Schedule 5-Stahlrohre verwendet werden können. Andere Arten von mechanischen Kompressions-Fittings sind bekannt, die abdichtend mit den äußeren Enden genuteter Rohre verbunden werden. Bei weiteren Arten von mechanischen Verbindungssystemen werden ein rohrförmiger Einsatz, der in jedem offenen Ende eines Paars benachbarter Rohrelemente positioniert ist, und ein äußeres Kompressions-Fitting, das über den Enden und dem Einsatz platziert ist, um die Enden gegen den Einsatz zu drücken, verwendet. Solche Systeme machen entweder das mechanische Formen und Unterbrechen der glatten zylindrischen Enden der Rohrleitung durch Einarbeiten von Nuten, Flanschen o. ä. und/oder die Verwendung einzigartiger und typischerweise teurer Kompressions-Fittings erforderlich.
Bestimmte Kunststoffe haben für den Einsatz in Feuerlösch-Sprinklersystemen, die im Wohnbereich und in gewissem Maße bei geringem Gefahrenpotential verwendet werden, Akzeptanz gefunden. Kunststoffrohre und -Fittings aus chloriertem Polyvinylchlorid (CPVC) werden von Underwriters Laboratorieren vertrieben. Ein vertriebenes CPVC-Verbundmaterial ist BLAZEMASTER® von The B. F. Goodrich Co., Cleveland, Ohio. BLAZEMASTER® ist eine eingetragene Marke von The B. F. Goodrich Co. Underwriters Laboratories vertreiben ferner in den Vereinigten Staaten die Flameaway-CPVC-Rohre und -Fittings von Flameaway Plastics, Inc., Beverly Hills, CA.. Underwriters Laboratories vertreiben außerdem bestimmte Polybutylen-Sprinklerrohre und -Fittings für Feuerlösch-Sprinklersysteme für den Einsatz im Wohnbereich und bei geringem Gefahrenpotential.
Rohrleitungen aus Kunststoff haben sich hinsichtlich der Materialkosten als kostengünstiger erwiesen als Kupfer, während die Einbaukosten denen für Kupferrohre vergleichbar sind. Es werden ähnliche Schritte beim Verbinden von Kunststoff- und Kupferrohren ergriffen. Kunststoffrohre sind jedoch flexibler als Metallrohre. Bei Kunststoffrohren muss häufiger eine Abstützung bereitgestellt werden als bei Metallrohren, und dies ist noch häufiger bei Polybutylen als bei CPVC der Fall. Dadurch können sich sowohl die Materialkosten als auch die Arbeitskosten für den Einbau von Kunststoffrohrsystemen erhöhen, was zu einem Anstieg der Gesamtkosten solcher Kunststoffsysteme über die Kosten von Metallsystemen bei einigen Anlagen führt. Kunststoffrohrleitungen für Sprinklersysteme finden primär im Wohnbereich Anwendung, wo das Kunststoffrohr leichter durch fehlausgerichtete Öffnungen und durch und/oder um Sparren und Balken herum installierbar ist als eine Metallrohrleitung.
Gemäß den jüngsten von der Industrie veröffentlichten Zahlen machen im Wohnbereich verwendete Sprinklerköpfe ungefähr fünfzehn Prozent sämtlicher verkaufter Sprinklerköpfe aus. Aufgrund der größeren Abmessung der Rohrleitung und der teureren Sprinkler, die typischerweise bei Anlagen für geringes und normales Gefahrenpotential verwendet werden, wird der tatsächliche Dollarwert von im Wohnbereich eingesetzten Sprinklern jedoch auf nur ungefähr zehn Prozent oder weniger des Gesamt-Dollarwerts für Sprinkleranlagen, die im Wohnbereich und für geringes und normales Gefahrenpotential eingesetzt werden, geschätzt.
Hybridrohrleitungen und -kupplungen aus Kunststoff/Metall werden seit vielen Jahren für Fluidleitungssysteme vorgeschlagen.
Das US-Patent 5,143,407 von Cokeh betrifft z. B. einen Vorschlag zur Verwendung einer Kupferrohrleitung, die zum Schutz gegen Einbeulen mit Polyvinylchlorid (PVC) beschichtet ist, und beschreibt eine Vielzahl von Kupfer-Fittings, die zur Bildung von Verbindungsstellen zwischen den Enden der Längen einer solchen mehrschichtigen Leitung mit PVC beschichtet sind. Cokeh sagt nicht, wie eine solche Verbundrohrleitung hergestellt wird oder werden könnte oder ob eine solche hergestellt worden ist. Die Rohrleitung wird durch einen geeigneten Kunststoffkleber, der auf die Außenfläche der Kunststoffleitung aufgebracht ist, mit den Fittings verbunden, wobei die Außenfläche mit der um den Metallrohrteil der Kupplung gebildeten PVC-Buchse verbondet wird. Es ist auch eine Rohrverschraubung zum Sichern der Rohrenden an der Kupplung beschrieben. In jedem Fall wird jedoch die Verwendung von elastischen Scheiben zur Bildung einer lecksicheren Fluiddichtung beschrieben. Diese ist notwendig, da PVC nicht mit Kupfer verbondbar ist.
Es sind andere Arten von kunststoffbeschichteten Rohren für andere Zwecke vorgeschlagen worden. In US-A 3,502,492 ist z. B. die elektrostatische Ablagerung eines leichten Staubs eines Epoxidharzes auf der Oberfläche eines Metallsubstrats, wie z. B. der Außenfläche eines Metallrohrs, die elektrostatische Ablagerung von PVC-Harzpartikeln in einer dickeren Schicht auf der Oberfläche und das Erwärmen des Substrats zum Zusammenwachsenlassen des PVC und der Epoxidharze zur Bildung einer mit der Oberfläche des Substrats verbundenen PVC-Schicht beschrieben. Die körperliche Struktur der Rohre oder seiner Verbindungsstellen sind nicht beschrieben.
US-A 4,481,239 beschreibt ein Verfahren zum Beschichten metallischer Substrate, wie z. B. eines Eisenrohrs, bei dem ein oder mehrere Vernetzungsharze auf die Rohrfläche aufgebracht und in ausreichenden Maße erwärmt werden, um eine Vernetzung zu bewirken, und ein Olefinpolymer als Außenschicht auf das erwärmte beschichtete Substrat aufgebracht wird. Die Strukturen des Rohrs und seiner Verbindungsstellen sind nicht beschrieben.
In US-A 2,646,822 ist die Verwendung von Polyethylen (PE) oder Polystyrol als korrosionsbeständige Außenbeschichtung für Metallrohre beschrieben. In dem einzigen in diesem Patent dargestellten Beispiel weisen die PE-beschichteten Metallrohre kunststofffreie, auf herkömmliche Weise mit Gewinde versehene Enden auf. Die Enden sind in kunststoffbeschichteten Metallkupplungen mit kunststofffreien Innengewinden aus Metall aufgenommen, um durchgehende Längen eines kunststoffbeschichteten Metallrohrs zu bilden. Das Koppeln an der Verbindungsstelle erfolgt durch mechanisches Angreifen der Gewinde an dem äußeren Ende des Rohrs, wobei sich die Gewinde in dem Metallrohr der Kupplung befinden. Es ist nicht angegeben, ob die Kunststoffschicht klebend mit dem Rohr verbunden ist.
In DE 22 55 084 B ist ein Verbundrohr beschrieben, das ein eisenhaltiges Kernrohr mit einer Kleberschicht auf seiner Außenfläche und eine Außenummantelung aus Polyethylen oder einem ähnlichen thermoplastischen Material aufweist. Das Klebermaterial ist ein wärmehärtendes Duroplastmaterial. Der Zweck der Polyethylen-Ummantelung ist die Bildung einer feuchtigkeitsbeständigen Barriere für die innere Metallleitung, da die Leitung unterirdisch zum Einsatz kommt. Somit ist der Zweck der thermoplastischen Ummantelung das Verhindern von Korrosion des eisenhaltigen Kernrohrs.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein feuerfestes, mit einem Lösungsmittel bondungsfähiges mehrschichtiges Fluidleitungssystem bereitzustellen, das mit einem Kunststoff-Fitting verbindbar ist, so dass es z. B. als Sprinkler-Leitung in einer Feuerlöschanlage geeignet ist.
Die erfindungsgemäße feuerfeste Fluidleitung ist durch den Anspruch 1 definiert.
Bei einem anderen Aspekt handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zum Herstellen der mehrschichtigen Fluidleitung mit folgenden Schritten: Aufbringen einer Schicht eines wärmeaktivierten Klebers entlang und vollständig um eine vollständig geschlossene rohrförmige Außenfläche einer Länge eines eisenhaltigen Metallrohrs, Aktivieren der Schicht durch Erwärmen und Extrudieren einer rohrförmigen Schicht aus CPVC vollständig um und vollständig entlang der rohrförmigen Außenfläche der Länge eines eisenhaltigen Metallrohrs, die zumindest im wesentlichen die geschlossene rohrförmige Außenfläche des Metallrohrs von einem Ende zum anderen bedeckt, so dass das CPVC durch die aktivierte Klebeschicht mit der rohrförmigen Außenfläche gebondet wird.

Figurenkurzbeschreibung

Der vorstehende zusammenfassende Überblick sowie die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen werden anhand der beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Zur Erläuterung der Erfindung zeigen die Zeichnungen schematisch die derzeit bevorzugten Ausführungsformen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die spezifischen Ausführungsformen, Mittel, Elemente und Verfahren beschränkt ist, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 eine teilweise weggebrochene Länge der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Leitung;
Fig. 2 einen Querschnitt eines beispielhaften Kunststoffrohr-Rohrfittings;
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Teils eines automatischen Decken- Sprinklersystems, bei dem die in Fig. 1 und 2 gezeigten mehrschichtige Leitungen und Fittings zum Einsatz kommen;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang den Linien 4-4 aus Fig. 3;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang den Linien 5-5 aus Fig. 4;
Fig. 6 eine viertelgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Metall-/Kunststoff-Adapter-Fittings mit T-förmigem Gewinde, das mit einem herkömmlichen, mit einem Gewinde versehenen Feuerlösch-Sprinkler oder einer Düse in einem mehrschichtigen Leitungssystem, wie dem in Fig. 3 gezeigten, zusammenpasst;
Fig. 7 eine viertelgeschnittene Seitenansicht eines weiteren Beispiels für ein erfindungsgemäßes Fitting mit einer zu den in Fig. 6 gezeigten Formen alternativen Form des Befestigens;
Fig. 8 eine Endansicht eines weiteren Beispiels für ein erfindungsgemäßes Fitting mit einer zu den in Fig. 6 und 7 gezeigten Formen alternativen Form der Befestigung;
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen Rohrs;
Fig. 10 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Extrusionskopfs zum Aufbringen einer Schicht CPVC-Harz auf die mit Kleber bedeckte Außenfläche eines eisenhaltigen Rohrs;
Fig. 11 eine schematische Endansicht eines Extrusionszapfens des in Fig. 10 gezeigten Extrusionskopfs;
Fig. 12 eine schematische Darstellung des Inneren eines Luftkalibrierkragens auf dem Extrusionskopf.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

In der folgenden Beschreibung wird eine bestimmte Terminologie verwendet, die nur der Einfachheit halber gewählt worden ist und nicht als Einschränkung gedacht ist. Die Ausdrücke "rechts", "links", "untere" und "obere" beziehen sich auf Richtungen in den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. Die Ausdrücke "radial" und "axial" beziehen sich auf Richtungen rechtwinklig zu und entlang der Mittelachse eines Objekts, eines Elements oder einer Struktur, auf die Bezug genommen wird, oder einer anderen bezeichneten Achse. Die Ausdrücke "innen" und "außen" beziehen sich auf Richtungen auf die bzw. weg von der geometrischen Mitte des Objekts, des Elements oder der Struktur. Die Terminologie umfasst die vorstehend spezifisch genannten Ausdrücke, Ableitungen davon und Ausdrücke mit ähnlicher Bedeutung. Ferner bezeichnen in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Beispiels für eine erfindungsgemäße mehrschichtige Fluidleitung, die generell mit 10 bezeichnet ist. Die Leitung 10 ist aus einer Länge eines hohlen Metallrohrs 12 mit einer vollständig geschlossenen rohrförmigen Außenfläche 13 und einer gegenüberliegenden geschlossenen rohrförmigen Innenfläche 14 gebildet. Die mehrschichtige Fluidleitung 10 weist ferner eine vorzugsweise gleichmäßig dicke Thermoplastschicht 20 auf, die vorzugsweise mindestens im wesentlichen die geschlossene, rohrförmige Außenfläche 13 des eisenhaltigen Rohrs 12 von einem Ende 15 zu einem entgegengesetzten Ende 16 des Rohrs 12 und der Leitung 10 bedeckt. Eine Klebeschicht 22 ist zwischen dem Metallrohr 12 und der Thermoplastschicht 20 vorgesehen, die die Thermoplastschicht mit der rohrförmigen Außenfläche 13 des Metallrohrs 12 verbondet. Die rohrförmigen Innen- und Außenflächen 14 und 13 des Metallrohrs 12 sind bei dieser Ausführungsform vom Ende 15 zum Ende 16 gleichmäßig glatt ausgebildet (innerhalb der Herstellungstoleranzen) und verleihen dem eisenhaltigen Rohr 12 von einem Rohrende 15 zum anderen Ende 16 gleichbleibende Innen- und Außendurchmesser.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Fittings 30 einer Vielzahl von Fittings, die in Zusammenhang mit der mehrschichtigen Fluidleitung 10 zum Herstellen von erfindungsgemäßen mehrschichtigen Fluidleitungssystemen, wie dem generell mit 40 bezeichneten System aus Fig. 3, verwendet werden können.
Fig. 2 zeigt ferner, dass das Fitting 30 ein herkömmlicher "T"-förmiger Sprinklerkopfadapter ist. Das Fitting 30 weist einen einstückig ausgebildeten thermoplastischen Körper mit ersten und zweiten einander entgegengesetzten rohrförmigen offenen Enden 32 und 33 auf. Die rohrförmigen offenen Enden 32, 33 sind über einen zentral angeordneten rohrförmigen Abzweig 34 mit einem dritten rohrförmigen offenen Ende 35 miteinander verbunden. Ein metallischer Einsatz 36 mit einem Innengewinde zum Aufnehmen des mit einem Gewinde versehenen Endes eines Feuerlösch-Sprinklers oder einer Düse oder eines anderen komplementären, mit einem Gewinde versehenen Elements ist vorzugsweise in den Fitting-Körper eingeformt, um eine mit einem Innengewinde versehene Öffnung des dritten offenen Endes 35 zu bilden. Die freiliegenden innersten rohrförmigen Flächen der rohrförmigen offenen Enden 32 und 33 sind thermoplastisch und wiederum vorzugsweise gleichmäßig glatt ausgebildet und haben einen konstanten Innendurchmesser.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils eines Brandschutzsystems 40, bei dem erfindungsgemäße mehrschichtige Fluidleitungen 40 zum Einsatz kommen. Der in Fig. 3 gezeigte Teil des mehrschichtigen Fluidleitungssystems weist mehrere mehrschichtige Fluidleitungen 10 auf, die an ihren Enden durch mehrere der T-förmigen Fittings 30 miteinander verbunden sind. Hohle Enden benachbarter Längen der mehrschichtigen Leitungen 10 sind jeweils in den entgegengesetzten ersten und zweiten offenen Enden 32 und 33 jedes T-förmigen Fittings 30 aufgenommen. Die rohrförmige Öffnung 35 jedes T-förmigen Fittings 30 nimmt das mit einem Gewinde versehene Ende eines herkömmlichen Feuerlösch-Sprinklers 38 oder einer herkömmlichen Düse 39 auf. Ein Feuerlösch-Sprinkler 38 weist einen Stecker und einen Auslösemechanismus auf, der den Stecker bis zu Freigabe in seiner Position hält. Eine Feuerlöschdüse ist ähnlich wie ein Sprinkler ausgeführt, weist jedoch keinen Stecker und keinen Auslösemechanismus auf. Möglicherweise weist sie ferner keinen Deflektor auf und realisiert die Wasserverteilung durch besondere Ausbildung ihrer Düsenöffnung.
Wie am besten aus Fig. 4 und 5 ersichtlich, ist die äußere Thermoplastschicht 20 jeder Leitung 10 bei 46 mit der freiliegenden innersten rohrförmigen Fläche eines der rohrförmigen offenen Enden 32 oder 33 des thermoplastischen Fittings 30 (oder eines anderen geeigneten Fittings) verbondet, um eine abgedichtet Verbindung zwischen der Leitung 10 und dem Fitting 30 zu bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass der zentrale Abzweig 34 einen freiliegenden thermoplastischen rohrförmigen Innenflächenabschnitt des Leitungssystems 40 bildet.
Es sei angemerkt, dass zusätzlich zu der Verbindung durch thermoplastische Fittings, wie das Fitting 30, die mehrschichtige Leitung 10 erfindungsgemäß mit anderen Fittings mit standardmäßiger Ausbildung, die derzeit in Zusammenhang mit vollständig aus CPVC bestehenden Rohrleitungen für Brandschutzsysteme und anderen Kunststoffleitungssystemen für andere Anwendungen verwendet werden, verbunden oder anderweitig kombiniert sein können. Diese umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, andere Arten von Sprinkleradaptern, gerade Kupplungen, Krümmer, Buchsen, Kreuzstücke, Kappen, Stecker, Flansche, genutete Kupplungsadapter und Verschraubungen jeweils mit Aufsteck-, Schaft- oder Aufsteck-Schaft-Enden und sich verkleinernden oder gleichmäßigen Innendurchmessern.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des zu Brandschutzzwecken vorgesehenen Systems 40 ist das Metallrohr 12 der Leitung aus einem eisenhaltigen Material, vorzugsweise Stahl, gefertigt. Die Thermoplastschicht 20 ist vorzugsweise aus einem für Brandschutz eingestuften chlorierten Polyvinylchlorid (CPVC), wie z. B. CPVC der Marke BLAZEMASTER® von The B. F. Goodrich, gefertigt. Die Klebeschicht 22 verbondet die CPVC-Schicht 20 fest mit der Außenfläche 13 des aus eisenhaltigem Metall gefertigten Rohrs 12 und kann sich den unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten von Stahl und CPVC anpassen, um die Verbondung aufrechtzuerhalten. Die Fittings 30 und ähnliche Fittings für Brandschutzsysteme sind vorzugsweise aus einem für Brandschutz eingestuften CPVC, wie z. B. das CPVC BLAZEMASTER®, gefertigt, weisen mit Gewinde versehene Messingeinsätze 36 auf und sind derzeit bei verschiedenen Quellen, einschließlich Central Sprinkler Co., Lansdale, PA, erhältlich.
Insbesondere die Verwendung von CPVC ist in verschiedener Hinsicht ein wichtiger Aspekt der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Was Brandschutzsysteme betrifft, so entsprechen nur CPVC und Polybutylen den industriellen Standards für Brandschutz und sind somit die einzigen Kunststoffe, die derzeit für Feuerlöschleitungssysteme an praktisch allen Orten, an denen Kunststoff in solchen Systemen zulässig ist, verwendet werden können. Polybutylensysteme sind jedoch für niedrigere maximale Umgebungs- Betriebstemperaturen von 48,9ºC (120ºF) gegenüber 65,6ºC (150ºF) für CPVC ausgelegt, sind flexibler als CPVC und erfordern das Herstellen von wärmegebondeten mechanisch gecrimpten Verbindungsstellen. Wärmegebondete Verbindungsstellen aus Polybutylen haben sich nach längerer Temperaturwechselbeanspruchung als anfällig gegen Beschädigung erwiesen. CPVC kann direkt mit CPVC verbondet werden, um bei Umgebungstemperaturen von ungefähr -17,8ºC (0ºF) bis 37,8ºC (100ºF) oder mehr mit bekannten Bonding-Mitteln auf Lösungsmittelbasis lecksichere Verbindungsstellen zu bilden. CPVC kann mit weniger Aufhängeeinrichtungen und an Orten mit höheren Umgebungstemperaturen und weniger strukturellem Schutz eingebaut werden als Polybutylen. Von den normalerweise geformten oder extrudierten Kunststoffen ist CPVC derjenige, der am schwierigsten zu bearbeiten ist. Extrusionstemperaturen für CPVC-Polymere liegen generell zwischen ungefähr 204ºC (400ºF) und ungefähr 232ºC (450ºF). Die Extrusionstemperaturbereiche für spezielle Extrusionseinrichtungen und CPVC-Rezepturen können jedoch viel kleiner sein, d. h. nur bei ungefähr -12,2 bis -6, 7ºC (10 bis 20ºF) liegen. Ein CPVC-Verbundmaterial der Marke BLAZEMASTER® hat z. B. nur einen bevorzugten Extrusionstemperaturbereich zwischen ungefähr 213ºC (415ºF) und 221ºC (430ºF) bei dem nachstehend beschriebenen Extrusionskonzept.
Das für die Extrusion bevorzugte CPVC für die Außenschicht 22 der Leitung ist das Verbundmaterial BLAZEMASTER® Nr. 88745 von The B. F. Goodrich Co. Dieses CPVC-Verbundmaterial weist die folgenden physikalischen und thermischen Charakteristiken auf:
Sehr dünner kaltgewalzter Stahl, z. B. Stahl SAE C1010 der Stärke zwanzig, wird derzeit für das eisenhaltige Metallrohr 12 der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Leitung 10 bevorzugt, da dieser Kostenvorteile bietet, die sich bei keinem anderen Metall finden. Andere eisenhaltige Metalle, die verwendet werden können, umfassen verzinkten Stahl, nichtrostenden Stahl oder einen Stahl mit höheren Kohlenstoffwerten als C1010, um die Wandstärke durch erhöhte Festigkeit zu minimieren.
Ein Verkleben des bevorzugten CPVC-Materials mit dem eisenhaltigen Rohr 12 ist erforderlich, da CPVC nicht direkt mit Metall bondet, selbst wenn es in geschmolzener Form auf Metall extrudiert wird. Die Klebeschicht 22 soll verhindern, dass Wasser zwischen das Metallrohr 12 und die das Rohr 12 bedeckende CPVC-Außenschicht 20 gelangt, wenn die Leitungen 10 zur Bildung eines Fluidleitungssystems miteinander verbunden werden. Die Klebeschicht 22 ist ferner ausreichend elastisch, um die unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten des Metallrohrs 12 (ungefähr 6 bis 7 · 106/0,56ºC) und der CPVC- Außenschicht 20 (ungefähr 3, 4 · 105/0,56ºC) aufzunehmen, um eine Beschädigung der Verbondung zwischen dem CPVC und dem eisenhaltigen Rohr während der Benutzung zu verhindern, Wenn es möglich sein muss, die Leitung 10 für den Gebrauch in beliebige Längen zu schneiden, muss die Klebeschicht vollständig um das und vollständig von einem Ende zum anderen entlang dem Rohr verlaufen. Eine Folge separater einzelner Kleberinge kann entlang dem Rohr vorgesehen sein, eine durchgehende Klebeschicht, die über die gesamte Länge des Rohr vollständig um das Rohr herum verläuft, wird jedoch aus Gründen der Vielseitigkeit bevorzugt. Wenn die Leitung 10 ohne weiteres Schneiden verwendet wird, braucht nur eine Klebeschicht um ein Ende des Rohrs 12 vorgesehen zu sein, die sich über eine ausreichende Strecke vom Rohrende weg erstreckt, um eine dauerhafte wasserdichte Dichtung zwischen dem Rohr 12 und der CPVC-Schicht 20 um jedes Ende des Rohrs 12 zu bilden.
Bevorzugte Bonding-Materialien für das oben genannte Stahlrohr und das CPVC-Verbundmaterial der Marke BLAZEMASTER® sind der Kleber Nr. A1718B von The B. F. Goodrich Co. und ein zweiteiliges System aus Chemlok® 485 und Curative 44 von Lord Corporation, Elastomer Products aus Erie, Pennsylvania.
A1718B von The B. F. Goodrich ist ein Primer auf Lösungsmittelbasis. Es ist eine Flüssigkeit, die eine gesetzlich geschützte Mischung aus Methylethylketon, Toluen, Butylalkohol, Ethanol und Isopropylalkohohl und Propylenoxid enthält. Die Bestandteile von Chemlok® 485/Curative 44 bilden einen Zweikomponenten-Elastomerkleber. Chemlok® enthält Xylen, Methylethylketon und Ethylbenzol in einer gesetzlich geschützten Kombination, Chemlok® Curative 44 enthält Xylen, aromatisches Polyisocyanat, 4,4'-Diphenylmethandiisocyanat, Ethylbenzol und Diphenylmethandiisocyanat in einer gesetzlich geschützten Kombination. Die beiden Mittel werden in einem vorgeschlagenen Verhältnis von 100 Gewichtsteilen Chemlok® 485 zu 6-10 Gewichtsteilen Curative 44 gemischt.
Jedes Mittel wird vorzugsweise unverdünnt in einer solchen Menge auf die Außenfläche 13 des Rohrs 12 gesprüht, die ausreicht, um nach der Trocknung eine Dicke von ungefähr zwei bis drei Milli-Inch zu erreichen. Vorzugsweise hat die mehrschichtige Leitung 10 Außendurchmesser, die Nenn-Rohraußenabmessungen entsprechen, z. B. Schedules 40 und/oder 80 (ASTM F438), die für Fittings mit Nennmaß verwendet werden. Sämtliche Dicken des Metallrohrs 12, der Thermoplastschicht 20 und der Klebeschicht 22 der mehrschichtigen Leitung 10 sind nur gerade so groß, dass sie die Festigkeit und Starrheit bieten, die für ein sicheres leckfreies Leitungssystem für die Anwendungen, für die ein solches Leitungssystem vorgesehen ist, benötigt werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei den Außendurchmessern der mehrschichtigen Leitungen 10 um herkömmliche Außendurchmesser entsprechend den Außendurchmessern von Rohren mit Nennmaß (NPS), z. B. von drei Viertel Inch bis mindestens vier Inch Durchmesser, bei Verwendung mit entsprechenden Fittings mit Nennmaß. ASTM Schedule 40- und Schedule 80-Fittings sind Standardgrößen für in Feuerlöschleitungssystemen verwendeten Kunststoff. Kunststoff-Fittings zur Verwendung in Kunststoffrohren mit Nenngrößen von ungefähr zwei Inch oder weniger können in Brandschutzsystemen mit Schedule 40-Abmessungen (ASTM F438) eingesetzt werden, obwohl Schedule 80-Abmessungen (ASTM F439) mit dickeren Wänden ebenfalls anwendbar sind. Ein Kunststoff-Fitting zur Verwendung mit Kunststoffrohren mit NPS von mehr als 5,1 cm (zwei Inch) müssen bei Einsatz in Brandschutzsystemen Schedule 80-Abmessungen entsprechen. Andere Standardabmessungen für Rohre und Fittings können für andere Anwendungen des Leitungssystems angewandt werden. Rohr- und Fitting-Schedules nach ASTM-Standard liegen z. B. zwischen Schedule 5 und Schedule 100.
Mindestens für Feuerlöschleitungssysteme wird die bevorzugte CPVC-Schicht 20 in einer Wanddicke von weniger als 2,54 mm (0,1 Inch), besser noch weniger als 2,03 mm (0,08 Inch) und vorzugsweise nur ungefähr 1,02 mm (0,04 Inch) hergestellt, obwohl kleine Dicken von ungefähr 0,5 mm (0,020 Inch) und große Dicken von 1,9 mm (0,075 Inch) bei dieser Anwendung ebenfalls in Betracht kommen.
Bei Feuerlösch-Sprinklersystemen ist das eisenhaltige Rohr 12 der mehrschichtigen Fluidleitung 10 vorzugsweise aus sehr dünnem, kaltgewalzten Stahl mit einer Wanddicke von weniger als 2,5 mm (0,1 Inch), besser noch weniger als 2,03 mm (0,08 Inch) und sogar 1,5 mm (0,06 Inch) und vorzugsweise nur ungefähr 1,02 mm (0,04 Inch) (z. B. 1,7 mm (0,042 Inch)) gefertigt, obwohl Dicken zwischen ungefähr 0,89 mm (0,035) und 1,65 mm (0,065 Inch) bei Nennrohrgrößen ("NPS") von bis zu mindestens drei Inch in Betracht kommen. Die kleinste Wanddicke eines mit Gewinde versehenen Stahlrohrs, die laut ASTM-Standard-Schedules für Feuerlösch-Sprinklersysteme zulässig ist, wird mit 0,087 Inch angenommen. Die kleinste Wanddicke von CPVC, die für Feuerlösch-Sprinkler zulässig ist, beträgt 2,16 mm (0,085 Inch) bei einer Nenn-Rohrgröße von drei Viertel Inch. Bei Nenn-Rohrgrößen von einem Inch oder mehr müssen die Wanddicken von CPVC mehr als 2,54 mm (0,100 Inch) betragen.
Die Größe von Rohrleitungen wird normalerweise durch die Außendurchmesser spezifiziert. Die Fittings, mit denen sie verwendet werden, weisen eine Innenabmessung relativ zu den für die von den Fittings aufzunehmenden Rohrleitungen spezifizierten Außendurchmessern auf. Bei Standard-Fittinggrößen weisen die erfindungsgemäßen Leitungen 10 mindestens marginal größere Innendurchmesser auf als sämtliche Kunststoffrohre und sogar Standardstahlrohre. Ein ein Inch (NPS) großes Schedule 10-Stahlrohr, das in hohem Maße in Feuerlösch-Sprinklersystemen verwendet wird, hat einen Ist-Innendurchmesser von 27,86 mm (1,097 Inch) und eine Wanddicke von 2,77 mm (1,097 Inch) und eine Wanddicke von 2,77 mm (0,109 Inch). Obwohl dieses Rohr für Walzkaliber ausgelegt ist, ist es so dick, dass ein Gewinde hergestellt werden kann. Das dünnste in Brandschutzsystemen verwendete Rohr entspricht Schedule 5. Es ist in Nenn-Rohrgrößen von einem bis zwei Inch im Handel erhältlich. Sämtliche Rohre haben Nenn-Wanddicken von 1,65 mm (0,065 Inch). Ein solches dünnwandiges Rohr kann nicht mit einem Gewinde versehen werden. Die ASTM-Bezeichnung: A795-93, "Standard-Spezifikation für ein... Stahlrohr für den Brandschutz" beinhaltet folgende Schedules für Nenn-Rohrgrößen, Ist-Außendurchmesser und Soll-Wanddicken für Schedule 10- und 40-Stahlrohre, die mit Gewinde versehen werden können: TABELLE
Die Wanddicken für ein CPVC-Rohr sind ähnlich denen eines Stahlrohrs, das mit einem Gewinde versehbar ist, bei den kleinsten Nenn-Rohrgrößen, z. B. 2,21 mm (0,087 Lnch) gegenüber 2,16 mm (0,085 Inch) für ein 12,7 mm (1/2 Inch) (NPS) großes Stahlrohr bzw. eine CPVC-Rohrleitung. In allen Fällen ist das eisenhaltige Metallrohr der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Leitung dünner als die kleinste Nenn-Wanddicke für das dünnste Rohr mit dem gleichen Nenndurchmesser, das früher in Brandschutzsystemen zum Einsatz kam.
Die Anforderungen hinsichtlich der Wanddicke steigen schneller bei CPVC in einem Bereich von 2,72 mm (0,107 Inch) für Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 25,4 mm (einem Inch) (NPS) (Ist-Innendurchmesser von 28,0 mm (1,101 Inch)) bis 7,6 mm (0,300 Inch) für Rohrleitungen mit einem Durchmesser von 76 mm (drei Inch) (NPS). Es wird damit gerechnet, dass der größere Innendurchmesser, der durch Verwendung der erfindungsgemäßen mehrschichtigen Leitung 10 mit Standard-CPVC-Fittings geschaffen werden kann, zu einem um ungefähr 4% größeren Wasserdurchfluss als bei herkömmlichen dünnwandigen Stahlrohrsystemen (unter Schedule 10) und zu einem um 8% größeren Wasserdurchfluss als bei herkömmlichen Schedule 10- und 40-Stahlrohrsystemen bei ungefähr den gleichen Nenn-Rohrgrößen führt. Die Leistungssteigerung ist sogar größer beim Vergleich mit vollständig aus CPVC bestehenden Systemen, insbesondere bei Größen von mehr als einem Inch. Diese effektive Vergrößerung des Innendurchmessers ermöglicht es dem Kontraktor in einigen Fällen, die Rohrgröße für ein Sprinklersystem zu reduzieren, was zur Einsparung von zusätzlichen Arbeitskräften und zusätzlichem Material für den Kontraktor führt.
Wenn der Außendurchmesser der mehrschichtigen Leitung 10 durch den Innendurchmesser der herkömmlichen Fittings, mit denen sie verwendet wird, festgelegt wird, hängen die Außendurchmesser des Metallrohrs 12 von den Dicken der Thermoplast- und Klebeschichen 20 und 22 ab. Folglich hat das erfindungsgemäße Metallrohr im wesentlichen keine Standard-Außen- und Innendurchmesser.
Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung 10 bietet hinsichtlich der Fertigung sämtliche Vorteile, die auch sämtliche Kunststoffrohrleitungen bieten. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung 10 kann vor Ort mit normalen Schneideinrichtungen in beliebige Längen geschnitten werden. Das geschnittene Ende wird vorzugsweise entgratet, und die CPVC-Schicht kann zur Erleichterung des Einbaus abgeschrägt werden. Für die Herstellung von Verbindungsstellen ist keine Ausbildung von Gewinden oder Nuten oder anderen Unterbrechungen der Leitungsenden oder insbesondere des Metallrohrs erforderlich. Ein bei Umgebungstemperatur wirksam werdendes Bonding-Mittel wird einfach um die Enden der Leitung 10 auf die freiliegende Thermoplastschicht 20 und/oder die freiliegende innerste Fläche des das Leitungsende aufnehmenden Fittings, die von der freiliegenden Thermoplastschicht gebildet ist, aufgebracht. Die Teile werden durch Einsetzen des Leitungsendes in das offene Ende des Fittings miteinander verbunden und verdreht, um das Bonding- Mittel zu verteilen. Die daraus resultierende verbondete Verbindungsstelle härtet aus und kann bei Verwendung der genannten bevorzugten Bonding- Mittel innerhalb von Minuten Druck standhalten. Die thermoplastische Außenschicht 20 bietet den weiteren Vorteil, dass sie die Außenseite des Metallrohrs 12 vor Korrosion schützt.
Einstufige Klebemittel auf Lösungsmittelbasis von IPS Corp., Gardena, CA, und Oatey Company, Cleveland, OH, sind die bevorzugten, bei Umgebungstemperatur wirksam werdenden Bindemittel zum Verbinden der oben beschriebenen CPVC-beschichteten Leitungen 10 und CPVC-Fittings 30 und zum Herstellen von Verbindungsstellen, die bei Drücken von mindestens 875 psi oder mehr lecksicher und unversehrt bleiben. Die IPS-Rezeptur ist als Central Sprinkler CSC-300 Solvent Cement bekannt. Sie ist ferner als WELD-ON 723 (für BLAZEMASTER®-CPVC-Rohr modifiziert) bekannt. Die Oatey-Rezeptur wird als "Oatey Medium Red BLAZEMASTER® Cement CPVC-Low VOC" bezeichnet. Diese Bonding-Mittel werden unverdünnt direkt aufgetragen und sind für die Verwendung bei Umgebungstemperatur geeignet, d. h. bei Temperatur(en) zwischen ungefähr -17,73ºC (0ºF) und 48,9ºC (120ºF). Jedes Bonding-Mittel ist als eine Mischung aus CPVC-Harz und organischen Lösungsmitteln, einschließlich Tetrahydrofuran, Methylethylketon, Cyclohexan und Aceton beschrieben. Jedes Bonding-Mittel wird unverdünnt aufgetragen und härtet bei Zimmertemperatur (z. B. ungefähr -17,73 (0ºF) bis 48,9ºC (120ºF)) aus.
Fig. 6 zeigt schematisch eine viertelgeschnittenen Ansicht eines erfindungsgemäßen mehrschichtigen T-förmigen Fittings vom Typ mit Gewinde versehenem Sprinkleradapter aus Metall/Kunststoff, das generell mit 130 bezeichnet ist und das für den erhöhten Wärmeschutz bei Feuergefahr mit höherem Gefahrenpotential einsetzbar ist. Das verbesserte Fitting 130 weist ein innenliegendes, herkömmliches, thermoplastisches, vorzugsweise aus CPVC bestehendes Fitting 30, wie das in Fig. 2 gezeigte Fitting 30, und eine dieses umgebende Ummantelung auf, die generell mit 132 bezeichnet ist. Die Metallummantelung 132 kann ausgestanzt, geformt und um das T-förmige Fitting 30 gefaltet und auf vielerlei Weise, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Löten, das generell mit 134 bezeichnet ist, oder Bandbefestigung, die durch das Band 136 dargestellt ist, an dem Fitting 30 befestigt sein. Andere Arten der Befestigung sind in Fig. 7 und 8 gezeigt. Gemäß Fig. 7 sind Paare einander zugewandter Flansche (von denen einer unter 138 gezeigt ist) auf einer modifizierten Metallummantelung 132' einer weiteren Fitting-Ausführungsform 130' mit Öffnung(en) 140 zum Aufnehmen eines herkömmlichen Befestigungsmittels 142 vorgesehen, bei dem es sich um einen Niet-, Schrauben- oder Bolzenteil einer Mutter- und Schraubenkombination handeln kann. Fig. 8 zeigt eine Endansicht einer weiteren Fitting-Ausführungsform 130", bei der nach außen gedrehte und nach innen gedrehte einander gegenüberliegende Flansche 138",139" einer Metallummantelung 132" einander überlappen und an dem Fitting 30 angreifen. Jede Ummantelung 132, 132' und 132" bildet eine Metallschicht, die mindestens im wesentlichen die andernfalls äußere Fläche des Fittings 30 in ausreichendem Maße bedeckt, um eine messbare Verbesserung der Beständigkeit des Fittings 30 gegenüber Wärme zu bewirken.
Fig. 9 zeigt ein Blockschaltbild der vorgeschlagenen Schritte zum Herstellen der mehrschichtigen Leitung 10. Vorzugsweise wird das dünnwandige Stahlrohr 12 in einzelne geschnittene Standardlängen vorgeformt bereitgestellt. Das Stahlrohr wird bei Schritt 60 von verbliebenem Zunder und anderen Schmutzstoff(en) gereinigt und entfettet und dann vom Entfettungsmittel gereinigt, und zwar z. B. durch Dampfstrahlen bei Schritt 62. Als nächstes wird mit einem geeignete Mittel ein geeignetes Klebematerial 24 in einem Kleberaufbringschritt 64 auf die vollständig geschlossene rohrförmige Außenfläche 13 aufgebracht. Das Besprühen der gesamten Außenfläche des Metallrohrs 12 wird bevorzugt, das Klebematerial 24 kann jedoch auf das Rohr 12 aufgebürstet oder aufgewalzt werden, oder das Rohr 12 kann getaucht werden. Das Klebematerial 24 wird dann in einem Trocknungsschritt 66 getrocknet. Bei den beschriebenen bevorzugten Klebern erfolgt das Trocknen vorzugsweise durch Erwärmen bei einer Temperatur unter der Aktivierungstemperatur, z. B. bei ungefähr 66ºC (150ºF), um Lösungsmittelträger in ausreichendem Maße aus dem Kleber zu eliminieren, damit das Rohr mit der Kleberbeschichtung oder der Schicht gehandhabt werden kann. Das mit Kleber beschichtete Rohr erhält danach das Bezugszeichen 12'. Das Rohr mit der Klebematerialschicht 12' kann durch Erwärmen auf eine Temperatur, bei der der Kleber aushärtet ohne aktiviert zu werden, getrocknet werden. Diese Temperatur liegt bei ungefähr 171-225ºC (340-350ºF) bei einem Kleber von The B. F. Goodrich, jedoch bei nur ungefähr 121ºC (250ºF) bei dem System von Lord Co.
Das Rohr mit der Kleberbeschichtung 12' durchläuft einen Extrusionskopf 88, wie in Fig. 10 gezeigt. Die bevorzugte Klebematerialschicht 24 wird von einer Gruppe von Vorwärmern 85a,85b,85c und den Werkzeugen des Kopfs 88 auf eine Aktivierungstemperatur über der Trocknungstemperatur, wünschenswerterweise ungefähr 225ºC (350ºF), vorgewärmt, und zwar in einem Wärmeaktivierungschritt 68 unmittelbar vor dem Aufbringen des geschmolzenen CPVC. Die genannten Kleber werden zur Aktivierung auf ungefähr 192ºC (360ºF) oder mehr erwärmt. Das System von Lord Co. kann bei einer Temperatur unter 225ºC (350ºF) wärmeaktiviert werden, falls dies gewünscht ist. Der Kleber 24 wird vorzugsweise wärmeaktiviert, bevor er physisch in den Extrusionskopf 88 eintritt, er kann jedoch auch in dem Kopf wärmeaktiviert werden. Durch Vorwärmen der Oberfläche des Rohrs 12' am Eingang des Kopfs 88 kann das Rohr 12' noch von außerhalb des Kopfs gehandhabt werden, um es durch die Vorwärmer und den Kopf zu bewegen. Das Vorwärmen des Rohrs 12' hilft bei der Aufrechterhaltung der Temperatur des extrudierten Kunststoffs. CPVC 21 und andere extrudierbare thermoplastische Materialien werden in einem Extrusionsschritt 70 in einer rohrförmigen Schicht 20 aufgebracht.
Die mehrschichtige Leitung 10 kann auf vielerlei Weise durch den Extrusionskopf 88 bewegt werden, einschließlich Drücken, Ziehen oder vorzugsweise einer Kombination aus anfänglichem Drücken und nachfolgendem Ziehen, z. B. mittels (nicht gezeigter) Andruckrollen.
Die Leitung 10 kann in einem Kalibrierschritt 72, in dem die Außenfläche einer Endbearbeitung unterzogen wird, um eine genauere und gleichmäßigere Kalibrierung des Außendurchmessers der CPVC-Schicht 20 und der Leitung 10 zu erreichen, behandelt werden. Es wird angenommen, dass der Außendurchmesser der Leitung 10 auf vielerlei Arten, die bei der Kalibrierung von Kunststoffrohrleitungen standardmäßig angewandt werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, mechanisches Walzen, Vakuumkalibrieren oder einer Kombination solcher Verfahren sowie durch Luftüberdruck, wie anhand von Fig. 12 beschrieben wird, kalibrierbar ist.
Wenn mechanisch geschnittene Längen des Stahlrohrs 12 sequentiell dem Extrusionskopf 88 zugeführt werden, sind die Enden solcher Rohre durch den Schneidvorgang leicht nach innen gerollt oder "leicht eingedrückt". Diese geringfügige Verkleinerung des Rohrdurchmessers an den Rohrenden liegt innerhalb der normalen Fertigungstoleranzen für solche Rohre. Obwohl die Dimensionsabweichung nur gering ist, sollte sie bei Rohren 12, die an den Enden aneinandergefügt sind, von einem berührungslosen Grenztaster o. ä. detektierbar sein. Ferner ist es möglich, die Position der Rohrenden zu verfolgen, und zwar durch Vorsehen eines Kodierers oder von Kodierern an einer oder mehreren Servoeinrichtungen, die die Räder steuern, welche das Rohr durch den Extrusionskopf führen, wobei ein Sensor oder Sensoren vorgesehen ist/sind, der/die den Anfang und das Ende des Rohrs detektieren kann/können. Alternativ können die Rohre derart in den Extrusionskopf geführt werden, dass Spalte zwischen jedem Rohr verbleiben. Ein Zwischenraum von ungefähr 1/32" oder mehr kann je nach Zuführart zwischen benachbarten Enden benachbarter Rohrlängen entstehen. Der Zwischenraum wird von einem durchgehenden Rohr aus CPVC-Material überspannt, das aufgrund der fehlenden innen vorgesehenen Unterstützung kollabieren sollte, um die Rohrenden zu markieren. Da diese Veränderungen ausgeprägter sind als die gerollten Rohrenden, wird angenommen, dass andere unterschiedliche Sensoren (z. B. Ultraschall-, magnetische, elektrische und/oder optische Detektiereinrichtungen) ebenfalls zum Lokalisieren der aus dem Extrusionskopf 88 austretenden Rohrenden verwendbar sind. Die vorgeschnittenen Längen des Metallrohrs 12 können somit identifiziert und voneinander getrennt werden, und die Enden der daraus resultierenden mehrschichtigen Leitungen 10 können in einem Endbearbeitungsschritt 74 von überschüssigem CPVC gereinigt werden.
Fig. 10 zeigt schematisch die Haupt-Werkzeugkomponenten eines bevorzugten Extrusionskopfs 88 zum Aufbringen von CPVC-Material auf das mit Kleber beschichtete Metallrohr 12'. Eine herkömmliche Extrusionseinrichtung ist teilweise dargestellt und generell mit 80 bezeichnet. Die Extrusionseinrichtung 80 weist einen Behälter mit CPVC auf, das erwärmt wird und unter Druck auf herkömmliche Weise über eine Kupplung 82 in eine Zuführleitung 86 des Kopfs und in den Extrusionskopf 88 selbst geführt wird. Das CPVC läuft durch eine Öffnung 87a in einer Buchse 87 des Kopfs 88 und in eine Kompressionskammer 96, die zwischen einer rohrförmigen Innenfläche der Buchse 87 und einer Außenfläche eines Extrusionszapfens 90 gebildet ist. Der Extrusionszapfen 90 weist eine (in Phantomdarstellung gezeigte) zentrale Bohrung 91 zum Aufnehmen und Weiterleiten des mit Kleber beschichteten Rohrs 12' und einen Zuführkanal 92 auf seiner Außenfläche zur Aufnahme von CPVC aus der Zuführleitung 86 auf. Der Extrusionskopf 88 weist ferner einen den Zapfen 90 von seinem stromaufwärtigen Ende aus haltenden Dorn 94 auf. Falls gewünscht, kann das stromabwärtige Ende des Zapfens 90 von einer zwischen dem Zapfen 90 und der Buchse 87 oder zwischen einem mit der Buchse 87 verbundenen Mundstück 98 und dem Zapfen verlaufenden Schneidenspinne gehalten werden. Die Buchse 87 umfasst das proximale Ende des Zapfens 90, und das Mundstück 98 umfasst das distale Ende des Zapfens 90.
Der Zuführkanal 92 weist zwei symmetrische Hälften auf, von denen eine mit 92a bezeichnet und in Fig. 10 gezeigt ist. Die verdeckte Hälfte ist ein Spiegelbild auf der anderen Seite des Zapfens 90. Beide Hälften 92a,92b sind in Phantomdarstellung in Fig. 11 gezeigt, bei der es sich um eine Endansicht des Zapfens 90 handelt. Jeder Zuführkanalteil 92a,92b verläuft spiralförmig von der Öffnung 87a zu einer gegenüberliegenden Seite des Zapfens 90, nämlich von der Öffnung 87a weg und um 180º um den Zapfen herum. Vorzugsweise sind die Zuführachse der Extrusionseinrichtung 80 und die Mittenachsen der Kupplung 82 und der Zuführleitung 86 miteinander und mit den Zuführkanälen 92a,92b koplanar, um Stagnation und Scherung zu minimieren. Der Querschnittsbereich jedes Zuführkanalteils 92a,92b verkleinert sich sanft und allmählich von einem im wesentlichen echten Halbkreis, der direkt an die Öffnung 87a angrenzt, zu einem Nichtquerschnittsbereich, in dem sich der Zuführkanal 92a und sein Spiegelbild 92b auf der der Öffnung 87a gegenüberliegenden Seite des Zapfens 90 treffen. Der Zapfen 90 weist einen im wesentlichen zylindrischen Teil 90a auf, der den Kanal 92 hält. Der Zapfen 90 verjüngt sich dann nach innen in einem konischen Teil 90b zu einem zweiten zylindrischen Teil 90c mit kleinerem Durchmesser und mit einer Wanddicke von weniger als 0,1 Inch und einem Innendurchmesser, der nur ungefähr 60 Milli- Inch größer ist als der Außendurchmesser des Stahlrohrs 12. Falls gewünscht, können mehrere radial nach innen und in Längsrichtung verlaufende Messerschneiden in der Bohrung des Zapfens 90 vorgesehen sein, die dabei helfen, das Rohr 12' zentriert zu halten, wenn dieses von dem Ende des Zapfens 90 transportiert wird. Der Innendurchmesser der Buchse 87 unterhalb des Kanals 92 ist um ungefähr 0,3 Inch größer als der Durchmesser des Zapfens 90 unmittelbar unterhalb des Kanals 92. Diese Differenz definiert im wesentlichen die radiale Abmessung der ringförmigen Kompressionskammer 96. Das Mundstück 98 weist einen sich verjüngenden Teil 98a auf, der dem sich verjüngenden Teil 90b des Zapfens 90 zugewandt ist, und eine Bohrung 98b mit gleichförmigem Durchmesser, die das einen gleichförmigen Durchmesser aufweisende distale Ende 90c des Zapfens 90 aufnimmt. Die in dem Mundstück 98 ausgebildete Bohrung 98b mit gleichförmigem Innendurchmesser kann z. B. um ungefähr 0,09 Inch bis ungefähr 0,12 Inch größer sein als der Außendurchmesser des äußersten distalen Endes 90c des Zapfens 90, und zwar zum Extrudieren eines CPVC-Rohrs mit einer Wanddicke von ungefähr 1,14 mm bis 1,52 mm (45 bis 60 Milli-Inch), um CPVC oder ein anderes Thermoplast mit einer Dicke von ungefähr 1 mm (vierzig Milli-Inch) auf das Rohr 12' aufzubringen. Das Rohr 12' durchläuft den Extrusionskopf mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die Geschwindigkeit, mit der das CPVC-Verbundmaterial extrudiert wird. Vorzugsweise wird die Geschwindigkeit gesteuert, um das CPVC-Verbundmaterial auf ungefähr 1 mm (40 Milli-Inch) zu dehnen, was geringfügig weniger ist als die ursprünglich extrudierte Dicke.
Zum Steuern der Temperatur des CPVC-Verbundmaterials werden Erwärmungszonen in oder auf den Extrusionskopf-Werkzeugen oder an anderer Stelle aufrechterhalten. Vorzugsweise werden separate, unabhängig gesteuerte Erwärmungszonen auf der Kupplung 82, dem Zuführkanal 86, dem über der Buchse 87 angeordneten Kopfgehäuse 84 und der unterhalb des Zuführkanal 86 vorgesehenen Buchse 87 selbst aufrechterhalten. Ferner wird jeder Vorwärmer 85a,85b,85c vorzugsweise stromaufwärts vom Kopf 88 separat gesteuert, um das Rohr 12' vorzuwärmen und die Klebebeschichtung 22 unmittelbar vor dem Durchlaufen des Extrusionskopf 88 zu aktivieren. Die Extrusionskopf-Erwärmungszonen werden vorzugsweise bei ungefähr 185ºC (365ºF) gehalten, um einen gewissen Grad an Schererwärmung des CPVC- Verbundmaterials bei dessen Durchlaufen der Extrusionseinrichtung 80 und des Kopfs 88 zu ermöglichen.
Die Orientierung und progressive Reduzierung des Querschnittsbereichs der Kanalteile 92b,92a sind für das Gelingen des CPVC-Extrusionsschritts sehr wichtig. Der Teil 92a und sein spiegelbildliches Gegenstück 92b bewegen das Harz schneller zu der gegenüberliegenden Seite des Zapfens 90 als sich das Harz ohne den Kanal 92 dorthin bewegt hätte, um ein ungleichmäßiges Abkühlen des Harzes um den Umfang des Zapfens 90 zu verhindern. Die Kanalhälften 92a,92b liegen in einer gemeinsamen Ebene mit der Mittellinie des Zuführkanals 86 und der Buchsenöffnung 87a. Die Tiefe jeder Kanalhälfte 92a,92b erfährt eine lineare Reduzierung im Verlauf jeder Kanalhälfte von der Buchsenöffnung 87a (0º-Position auf dem Zapfen 90) zu der gegenüberliegenden Seite des Zapfens 90 (180º-Position). Ferner ist der zylindrische Teil des Zapfens auf der stromabwärtigen Seite der Nut weiter zurückgeschnitten, und zwar von ungefähr der halben Strecke jeder Kanalhälfte 92a,92b (d. h. ungefähr 90º- und 270º-Positionen) zu der entfernten Seite des Zapfens 90 (d. h. 180º-Position) zurückgeschnitten, wobei auch hier im wesentlichen auf ungefähr halber Strecke (d. h. ungefähr 90º- und 270º-Positionen) linear begonnen wird bis zu einer Tiefe von ungefähr 22,9 mm (0,090 Inch) auf der gegenüberliegenden Seite (d. h. 180º-Position) des Zapfens 90. Die im wesentlichen gleichförmige Abkühlung des geschmolzenen CPVC ist sehr wichtig, da dadurch die Bildung einer erkennbaren Schmelz- oder Verbindungslinie oder eine hohe Spannungskonzentration an einer Stelle verhindert wird, an der sich eine solche Linie normalerweise auf einer Seite des Zapfens 90 gegenüber einer Öffnung 88a befindet.
Das Vorwärmen des mit Kleber beschichteten Rohrs 12' auf nahezu die Temperatur des extrudierten CPVC (z. B. innerhalb von mindestens 10ºC (50ºF) und vorzugsweise innerhalb von weniger als 10ºC (50ºF) von der Temperatur des aufgebrachten CPVC) unterstützt das Aufrechterhalten der Temperatur des CPVC-Verbundmaterials im Extrusionskopf 88 in einem bevorzugten Temperaturbereich. In dem Extrusionskopf 88 beträgt dieser Bereich nur ungefähr (15ºF) (von ungefähr 213ºC (415ºF) bis ungefähr 221ºC (430ºF). Das bevorzugte CPCV-Verbundmaterial ist aufgrund seiner durch das Chlorieren hervorgerufenen Viskosität beständig gegen Ziehen auf die bevorzugte Dünne. Das bevorzugte Verbundmaterial neigt zum Reißen, wenn es sich auf 410ºF oder darunter abkühlen kann und neigt zum Verbrennen oder Festfressen, wenn es ungefähr 232ºC (450ºF) übersteigen kann. Wenn das CPVC zu schnell durch die Werkzeuge gezogen wird, kann es sich durch die Reibung überhitzen und verbrennen. Die ideale Temperatur zum Ausgeben des CPVC liegt gerade unter oder ungefähr bei 232ºC (450ºF). Es wird angenommen, dass die oben beschriebene Anordnung das CPVC-Verbundmaterial bei ungefähr 221ºC (430ºF) dem Zapfen 90 (oder dem Rohr 12') zuführt. Ein Rohr mit einem Durchmesser von einem Inch mit dem markierten CPVC- Verbundmaterial, dem Stahlrohr und den wärmeaktivierten Klebern durchläuft zurzeit die beschriebenen Werkzeuge mit einer Rate von ungefähr dreißig bis fünfunddreißig Fuß pro Minute.
Fig. 12 zeigt eine vorgeschlagene Anordnung zur Kalibrierung. Ein rohrförmiger Kalibrierkragen 100 ist in dem freiliegenden Ende des Mundstücks 98 befestigt. Der Kragen weist einen innenliegenden Durchgang 102 auf, durch den das kunststoffbeschichtete Rohr 10 läuft, wenn es das Mundstück 98 verlässt. Eine ringförmige Sammelleitung 104 ist in dem Kragen vorgesehen und mit einer Zuführleitung 106 gekoppelt, durch die Druckluft, die durch Pfeil 108 angezeigt ist, oder ein anderes geeignetes Gas transportiert werden kann. Mehrere Einzelbohrungen 110 verlaufen von der Sammelleitung 104 radial nach innen in den innenliegenden Durchgang und bilden einen Ring von Luftdüsen, die eine durch den Extrusionskopf 88 laufende Leitung 10 umgeben. Die Dicke der Thermoplastschicht 20 wird von einer Kombination von Betriebsparametern, einschließlich Zuführrate des Rohrs 10', Zuführrate und Temperatur des CPVC-Verbundmaterials oder eines anderen extrudierten Thermoplasts und Druck der Luft oder des anderen Gases, die/das durch die Bohrungen 110 geblasen wird, bestimmt.
Die mehrschichtige Leitung und das Leitungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung bieten beträchtliche Vorteile hinsichtlich der Kosten und der einfachen Anwendbarkeit gegenüber anderen bekannten Metall-, Kunststoff- oder Metall-/Kunststoff-Verbund-Leitungssystemen, insbesondere bei Brandschutzsystemen. Die bevorzugte erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung bietet eine größere Festigkeit und eine größere Steifigkeit bei reduzierter Wanddicke als sämtliche Kunststoffrohrleitungen. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung kann so leicht zu Systemen zusammengefasst werden wie sämtliche Kunststoffsysteme, und zwar ohne die Feuergefahr oder die Kosten, die beim Einbauen verlöteter Kupfersysteme besteht bzw. entstehen, und ohne die Kosten, die beim Einbauen sämtlicher Stahlsysteme entstehen. Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung ermöglicht den Einbau der Leitungssysteme durch weniger qualifizierte Arbeitskräfte und ohne Kosten für Gewindeschneideinrichtungen, Aufweiteinrichtungen, Schweißbrenner, Einrichtungen zum thermischen Verbonden oder Crimpen oder andere teuere mechanische Fitting-Kupplungssysteme.
Da das erfindungsgemäße System nicht das Vorsehen von Gewinden oder anderen Unterbrechungen der rohrförmigen Innen- und Außenflächen des eisenhaltigen Metallrohrs 12 oder der mehrschichtigen Leitung 10 oder das Zusammendrücken der Rohr- oder Leitungsenden erforderlich macht, können nun dünnere Stahlrohrleitungen als die bekannten Stahlrohrleitungen, die bis jetzt in solchen Systemen verwendet worden sind, eingesetzt werden und führen zu einem leichten Gewicht und Kosteneinsparungen bei gleichzeitigem Bieten der Steifigkeit von Metall und Standhalten von Drücken von 875 psi und mehr. Die erfindungsgemäße Leitung ist wahrscheinlich das erste Leitungssystem, bei dem Kunststoff zum Einsatz kommt und das zur Verwendung bei normalem Gefahrenpotential, wie von National Fire Protection Association (NFPA) 13 definiert, vorgesehen ist. Es wird jedoch davon ausgegangen, dass die Vorteile des bevorzugten Verbundsystems zu einer viel größeren Akzeptanz und der Verwendung in Systemen führen werden, welche in Fällen von geringem Gefahrenpotential zum Einsatz kommen, in denen derzeit vollständig aus Metall bestehende Rohrleitungen in Brandschutzsystemen den Vorzug haben. Es wird insbesondere damit gerechnet, dass das Erfordernis einer Aufhängeeinrichtung für die bevorzugte erfindungsgemäße Verbundleitung 10 mindestens ebenso günstig ist wie Stahl (maximale Beabstandung von fünfzehn Fuß zwischen den Halterungen). Aufgrund des erheblich reduzierten Gewichts sollte es möglich sein, die erfindungsgemäße Leitung in größeren Abständen zwischen den Halterungen (z. B. sechzehn Fuß bis möglicherweise zwanzig Fuß) sicher anzuordnen, um die Einbaukosten bei gleichzeitigem Bieten einer größeren Einbauflexibilität weiter zu reduzieren.
Die erfindungsgemäße mehrschichtige Leitung hat den Vorteil, dass sie mit vielen bestehenden CPVC-Fittings verwendet werden kann und über diese Fitting mit anderen Kupfer-, Stahl- und herkömmlichen Kunststoff- (z. B. PVC-, ABS- etc.) Leitungssystemen und Rohrleitungen gekoppelt werden kann.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und bestimmte Modifikationen vorgeschlagen worden sind, sind weitere Modifikationen und Änderungen für Fachleute auf dem Sachgebiet offensichtlich. Obwohl z. B. CPVC für die Fittings und verklebtes CPVC für die Leitungen für Sprinklersysteme bevorzugt wird, können andere Polymere verwendet werden. Andere extrudierbare, verklebbare, bei Umgebungstemperatur verbondbare Polymere, die verwendet werden können, umfassen zusätzlich zu CPVC Polyvinylchlorid (PVC), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polyurethane (sowohl Polyester als auch Polyether) und Mischungen dieser Materialien miteinander und mit CPVC. Sämtliche Materialien sind extrudierbar, mit Metall verklebbar und mit Lösungsmittel verbondbar. Zur Unterscheidung zwischen PVC und CPVC wird jedes PVC-Polymer mit mehr als 57 Gewichts-% Chlor als chloriertes PVC angesehen.
Die bevorzugte CPVC-Thermoplastschicht komplementiert das bevorzugte Stahlrohr auf andere Weise. Das bevorzugte CPVC ist selbst sehr stark. Die CPVC-Außenschicht 22 schützt das Stahlrohr 12 gegen äußere Korrosion. Da eine solche Rohrleitung bis zu ihrer Aktivierung trocken ist oder stehendes (nicht fließendes) Wasser enthält, tritt typischerweise nur geringe Korrosion in solchen Systemen auf. Somit kann für den Brandschutz sogar dünnerer Stahl verwendet werden als bei anderen aktiveren Leitungssystemen (in denen Fluide fließen). Andere Polymere können im Zusammenhang mit eisenhaltigem Metall oder anderen, mit Gewinde versehenen Metallrohren für andere Zwecke als den Brandschutz verwendet werden.
Die Erfindung ist nicht auf die spezifischen bevorzugten Ausführungsformen und die beschriebenen alternativen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst sämtliche Ausführungsformen, die in den beiliegenden Ansprüchen dargestellt sind.

Claims

1. Feuerfeste, mit einem Lösungsmittel bondungfähige mehrschichtige Fluidleitung, die mit einem Kunststoff-Fitting (30) verbindbar ist, wobei ein auf einem Lösungsmittel basierendes Bonding-Mittel zur Bildung einer abgedichteten Verbindung zwischen der mehrschichtigen Fluidleitung und dem Kunststoff-Fitting verwendet wird und die Fluidleitung aufweist:

eine Länge an hohlem eisenhaltigen Metallrohr (12) mit einer vollständig geschlossenen rohrförmigen Außenfläche (13);

eine gleichmäßig dicke CPVC-Schicht (20), die zumindest im wesentlichen die geschlossene rohrförmige Außenfläche (13) des Metallrohrs (12) vom Ende des Rohrs aus und eine wärmeaktivierte Klebeschicht (22) um und entlang der vollständig geschlossenen rohrförmigen Außenfläche (13) der Rohrlänge zwischen dem Metallrohr (12) und der CPVC-Schicht (20) vollständig bedeckt und somit die CPVC-Schicht mit der rohrförmigen Außenfläche (13) des Metallrohrs bondet.

2. Leitung nach Anspruch 1, bei der das Rohr (12) eine rohrförmige Innenfläche aufweist und bei der die rohrförmigen Außen- (13) und Innen- (14) Flächen des eisenhaltig Metallrohrs von einem Ende des Rohrs zum anderen gleichmäßig glatt sind.

3. Leitung nach Anspruch 1, bei der das Material des eisenhaltigen Metallrohrs (12) Stahl ist.

4. Leitung nach Anspruch 1, bei der das eisenhaltige Metallrohr (12) eine Wanddicke aufweist, die zum Tragen von Gewinden unzureichend ist.

5. Leitung nach Anspruch 1, bei der das eisenhaltige Metallrohr eine Wanddicke von weniger als 2,0 mm (0,08 Inch) aufweist.

6. Leitung nach Anspruch 5, bei der das eisenhaltige Metallrohr eine Wanddicke von ungefähr 1,52 mm (0,06 Inch) oder weniger aufweist.

7. Leitung nach Anspruch 6, bei der das eisenhaltige Metallrohr eine Wanddicke von ungefähr 1,02 mm (0,04 Inch) aufweist.

8. Leitung nach Anspruch 1, bei der das eisenhaltige Metallrohr eine Wanddicke von weniger als 2,0 mm (0,08 Inch) bei Nenn-Rohrgrößen der Leitung von bis zu 76 mm (drei Inch) aufweist.

9. Leitung nach Anspruch 1, bei der die CPVC-Schicht eine Wanddicke von weniger als 2,0 mm (0,08 Inch) aufweist.

10. Leitung nach Anspruch 1, bei der die CPVC-Schicht eine Wanddicke von ungefähr 1,02 mm (0,04 Inch) aufweist.

11. Leitung nach einem der Ansprüche 1-10, bei der die CPVC-Schicht eine Wanddicke zwischen ungefähr 0,51 mm (0,02 Inch) und 1,90 mm (0,075 Inch) aufweist.

12. Leitung nach Anspruch 11 und rückbezogen auf Anspruch 5, bei der das eisenhaltige Metallrohr eine Wanddicke zwischen ungefähr 0,89 mm (0,035 Inch) und ungefähr 1,65 mm (0,065 Inch) aufweist.

13. Leitung nach einem der Ansprüche 1-12, bei der die Klebeschicht nur bei einer Temperatur über 148, 4ºC (300ºF) aktiviert wird.

14. Leitung nach einem der Ansprüche 1-13, bei der die rohrförmigen Außen- und Innenflächen (13, 14) des Rohrs (12) an den Enden der Leitung keine Flächenabweichungen aufweisen, die ein interferierendes Angreifen der Rohrenden (15, 16) an einem dazugehörigen Fitting (30) ermöglichen.

15. Leitung nach einem der Ansprüche 1-14, bei der die Klebeschicht (22) die rohrförmige Fläche des eisenhaltigen Metallrohrs (12) vollständig umschließt und von den Enden des Rohrs aus in ausreichendem Maße entlang des Rohrs verläuft, um eine ununterbrochene ringförmige wasserdichte Abdichtung zwischen dem Rohr (12) und der CPVC-Schicht (20) zu bilden.

16. Mehrschichtige Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1-15 in einem Fluidleitungssystem, ferner mit:

einem an der Leitung (10) angebrachten rohrförmigen Fitting (30), von dem mindestens ein Ende ein rohrförmiges offenes Ende der Leitung aufnimmt und überlappt, wobei das rohrförmige Fitting (30) eine freiliegende innerste rohrförmige CPVC-Fläche (20) aufweist, die der Leitung zugewandt ist, um eine abgedichtete Verbindung zwischen der Leitung (10) und dem Fitting (30) zu bilden,

einer Schicht eines bei Umgebungstemperatur aktiv werdenden Bonding-Mittels (46), die die CPVC-Materialschicht (20) der Leitung (10) und die innerste rohrförmige CPVC-Fläche des Fittings (30) direkt berührt, um eine abgedichtete Verbindung unmittelbar zwischen der Leitung (10) und dem Fitting (30) zu bilden.

17. System nach Anspruch 16, bei dem das rohrförmige offene Ende der Leitung (10) und das eine Ende des Fittings (30) jeweils keine Struktur aufweisen, die ein interferierendes Angreifen zwischen der Leitung und dem Fitting ermöglicht.

18. System nach Anspruch 16, bei dem das Fitting ferner eine Metallschicht (132) aufweist, die eine Außenfläche des rohrförmigen Fittings zumindest im wesentlichen vollständig bedeckt.

19. System nach Anspruch 16, bei dem das Fitting ferner eine Außenschicht aus einem eine Schaumschicht bildenden Material aufweist.

20. System nach Anspruch 16, ferner mit einem automatischen Feuerlösch- Sprinkler, der mit dem Fitting fluidgekoppelt ist.

21. System nach Anspruch 16, ferner mit einer Feuerlöschdüse (39), die mit dem Fitting (30) fluidgekoppelt ist.

22. System nach Anspruch 16, bei dem die Wanddicke des Metallrohrs (12) und die Wanddicke der CPVC-Schicht (20) der Leitung jeweils weniger als 2,0 mm (0,08 Inch) beträgt.

23. System nach einem der Ansprüche 16-22, bei dem die kombinierte Wanddicke des Metallrohrs (12) und der CPVC-Schicht (20) der Leitung ungefähr 2,54 mm (0,10 Inch) oder weniger beträgt.

24. Verfahren zum Herstellen einer feuerfesten, mit einem Lösungsmittel bondungsfähigen mehrschichtigen Fluidleitung nach einem der Ansprüche 1-23, mit folgenden Schritten:

Aufbringen einer Schicht (22) eines wärmeaktivierten Klebers entlang und vollständig um eine vollständig geschlossene rohrförmige Außenfläche einer Länge eines eisenhaltigen Metallrohrs (12),

Aktivieren der Schicht (22) durch Erwärmen, und

Extrudieren einer rohrförmigen Schicht (20) aus CPVC vollständig um und vollständig entlang der rohrförmigen Außenfläche der Länge eines eisenhaltigen Metallrohrs (12), die zumindest im wesentlichen die geschlossene rohrförmige Außenfläche des Metallrohrs von einem Ende zum anderen bedeckt, so dass das CPVC durch die aktivierte Klebeschicht mit der rohrförmigen Außenfläche gebondet wird.