DE69726468T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Verbinden durch Schmelzen von einem Rohr mit Kupplungsstücken - Google Patents
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bilden einer Schmelzverbindung zwischen einem Rohr und einem Fitting, und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren, bei denen ein neuartiges Heizelement zwischen einen Fitting und einen Bereich des Rohres eingeschoben wird.
- Zum Bilden einer Schmelzverbindung zwischen Polyethylenrohren bestehen verschiedene herkömmliche Vorrichtungen und Verfahren, bei denen beispielsweise Warmschmelz-, Elektroschmelz- oder Induktionsschmelztechniken verwendet werden. Beim Elektroschmelzen wird ein herkömmliches Widerstandsheizverfahren angewandt, bei dem in der Regel eine Drahtwendel einstückig in den thermoplastischen Fitting eingeformt ist. Über Anschlüsse an dem Fitting wird direkt ein elektrischer Strom an die Drahtwendel angelegt, was dazu führt, daß die Spule das thermoplastische Material auf eine Temperatur erwärmt, bei der das thermoplastische Material so erweicht ist, daß zwischen Rohr und Fitting eine Schmelzverbindung gebildet werden kann.
- In GB 1 149 716 ist eine Widerstandsheizspule zur Verwendung als Schweißmuffe zum Verbinden von Kunststoffrohren mit Fittings beschrieben, bei der das Rohr und der Fitting einen Kreisring beschreiben, innerhalb dessen die Schweißmuffe befestigt ist. Die Spule weist einen Widerstandsdraht auf, der in eine Kunststoffhülle von genau festgelegten Abmessungen eingebettet ist, um, wie man sagt, eine angemessene Schweißeffizienz zu erbringen. Die vorgeschlagene Ausgestaltung erschwert die Herstellung, und die Verbindung der Spule mit einer externen Energiequelle ist schwierig. Außerdem bilden die vorhandenen Drähte potentielle Leckstrecken aus dem Verbindungsbereich heraus.
- Bei einem herkömmlichen Induktionsschmelzverfahren zum Verbinden eines Rohres und eines Fittings ist ein Heizelement in den thermoplastischen Fitting eingeformt. Der Stromfluß durch das Heizelement wird von einer Primärinduktionsspule induziert, die um den das Heizelement enthaltenden Bereich des Fittings angeordnet ist. Die Temperatur des Heizelements wird so weit erhöht, daß das Material des Fittings und des Rohres weich wird oder schmilzt, was eine Schmelzverbindung zwischen dem Fitting und dem Rohr zur Folge hat. Beispiele für Induktionsschmelzverfahren und – vorrichtungen sind in DE-A-2 136 656, EP-A-026191 und EP-A-513391 beschrieben. Diese Vorrichtungen erfordern einen Fitting mit einem eingeformten Heizelement. Somit können diese Verfahren nicht mit vorhandenen herkömmlichen Kunststofffittings, die kein eingeformtes Heizelement enthalten, verwendet werden.
- GB 2272663 beschreibt ein Kunststoffrohr mit einem Bereich mit vergrößertem Durchmesser an einem Ende, der an seiner Innenfläche oder in der Nähe seiner Innenfläche mit einer Heizeinheit versehen ist. Ein anzufügendes zweites Kunststoffrohr wird in den erweiterten Bereich eingeschoben und die Heizeinheit mit Energie beaufschlagt. Bei der Herstellung des Rohres mit dem Bereich vergrößerten Durchmessers wird bei einem Ausführungsbeispiel ein Ende des Rohres erwärmt und erweicht, die erweiterte Muffe gebildet und die Heizeinheit durch Einführen der Heizeinheit auf einer Kernform in die Muffe mit Druck eingebaut. Die Heizeinheit kann eine in Kunststoff eingebettete Elektroschmelzspule oder ein freiliegendes Induktionsschmelzelement sein.
- Aufgrund der Notwendigkeit des Vorsehens eines großen Flansches zur Aufnahme der Anschlüsse der Wendel ist die Elektroschmelzwärmeerzeugungseinheit der GB 2 272 663 unpraktisch, schwierig zu überformen und kostspielig in der Herstellung. Selbst wenn das freiliegende Induktionsschmelzelement mit Druck in die Muffe eingefügt wird, ist es nicht vollständig von Kunststoff umgeben und neigt zu Überhitzung und thermischer Zerstörung. Sobald die thermische Zerstörung in einem Teil des Elements eingesetzt hat, verändert sich sein Widerstand dramatisch und dieser Bereich des Elements nimmt in einer Weise Strom (Spannung, Energie) auf, daß der Rest des Elements sich nicht erwärmt. Der überhitzte Bereich des Elements kann auch eine örtlich begrenzte Verschlechterung des thermoplastischen Materials verursachen. In solchen Fällen kann der Schmelzbereich in der Regel nicht zurückgehalten werden und somit läßt sich keine gute Schmelzverbindung herstellen.
- In
DE 930 203 ist ein Abzweigfitting beschrieben, der mit einem Kunststoffrohr verschweißt werden kann. Der Fitting ist mit einem Widerstandsheizdraht versehen, der in eine Kunststoffverbindungsfläche des Fittings eingebettet und von einer inneren Bohrung des Kunststoffteils ausgehend spiralig angeordnet ist. - Offensichtlich besteht Bedarf an einer Vorrichtung und einem Verfahren, die für die Bildung einer Schmelzverbindung zwischen einem Fitting und einem Rohr verwendbar sind, wobei Induktionstechniken und ein herkömmlicher Fitting verwendet werden, welcher kein eingeformtes Heizelement enthält.
- CH-A-336980, CH-A-349404 und CH-A-576326 offenbaren jeweils einen Elektroschmelzfitting, bei dem vor dem Schmelzen ein separater Kragen aus Kunststoff und eingebetteten Widerstandsdrähten zwischen einen Fitting (z. B. eine Muffenkupplung) und ein Rohr einsetzbar ist. CH-A-532996 offenbart eine Abänderung dessen in Form einer Matte aus mit Kunststoff beschichteten elektrischen Leitern, die zwecks anschließenden Schmelzens zwischen die Paßflächen eines Sattelfittings eingesetzt ist.
- Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren für eine Elektroschmelzverbindung zu schaffen, die bei herkömmlichen Fittings zum Verbinden eines Rohres entweder direkt mit einem oder in Bezug auf einen Fitting oder ein anderes Rohr verwendet werden können.
- Eine andere Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ein neuartiges Induktionsheizelement zu schaffen, das vor Ort rasch und schnell innerhalb eines herkömmlichen thermoplastischen Fittings oder innerhalb eines Elektroschmelzfittings installiert werden kann, bei dem das eingeformte Heizelement weggelassen wurde.
- Die obigen und andere Aufgaben dieser Erfindung werden mit einer Vorrichtung gelöst, die ein neuartiges Induktionsheizelement verwendet.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Induktionsheizelement gemäß Anspruch 1 geschaffen.
- Vorzugsweise weist das Induktionsheizelement eine zylindrisch verformte flache Matte auf.
- Das Induktionsheizelement kann vorgeformten leitfähigen Draht aufweisen.
- Vorzugsweise ist das Induktionsheizelement von einem schmelzbaren thermoplastischen Polymermaterial vollständig umschlossen oder mit diesem beschichtet, welches mit Umfangsbereichen aus Kunststoff versehen ist, welche den Käfig nicht einschließen, so dass Kaltzonen gebildet sind, welche das Rückhalten der Schmelze während des Schmelzschritts unterstützen.
- Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung zum Schmelzverbinden eines Rohrs mit einem Fitting vor, die ein Element in der oben angegebenen Form und einen Fitting aufweist.
- Der Fitting kann mit einem Flansch versehen sein, wobei das Induktionsheizelement derart an dem Flansch anbringbar ist, dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden.
- Nach einem anderen Aspekt sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Schmelzverbinden eines Rohrs mit einem Fitting vor, mit:
einem Induktionsheizelement, das von einem schmelzbaren thermoplastischen Polymermaterial vollständig umschlossen oder mit diesem beschichtet ist,
einem Fitting, der mit einem Flansch versehen ist, an welchem das Induktionsheizgerät anbringbar ist, so dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden, und
einem Bereich des Rohrs, der an dem Flansch anbringbar ist, wobei das Induktionsheizelement, wenn es mit Energie beaufschlagt wird, eine Schmelzverbindung zwischen dem Fitting und dem Bereich des Rohres erzeugen kann,
dadurch gekennzeichnet, daß das Induktionsheizelement einen Induktionsheizkäfig in Reihe mit einer außerhalb des Fittings angebrachten Induktionsschleife aufweist. - Nach einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Schmelzverbinden eines Rohres mit einem Fitting unter Verwendung einer Vorrichtung in der oben angegebenen Form vor, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Anbringen des Induktionsheizelements am Flansch des Fittings, so dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden,
Anbringen eines Bereichs des Rohrs an dem Flansch und Induzieren von Wechselstrom in die Induktionsschleife, der durch den Induktionsheizkäfig fließt, um eine Schmelzverbindung zwischen dem Fitting und dem Bereich des Rohres zu bilden. - Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß dieser Erfindung können zum Bilden einer Schmelzverbindung zwischen herkömmlichen gebrauchsfertigen thermoplastischen Fittings direkt miteinander oder mit einem Rohr verwendet werden. Das Wort Fitting soll sich in seiner in dieser Beschreibung und in den Ansprüchen durchgehend verwendeten Form auf jegliches Verbindungsteil oder jeglichen anderen geeigneten Fitting beziehen, der eine Muffe oder einen Flansch zum Verbinden mit einem Rohr oder einem ähnlichen Teil bildet.
- Der Heizelementbereich eines Induktionsheizelements kann einen vorgeformten leitfähigen Draht, einen leitfähigen rohrförmigen Festkörper, ein leitfähiges Gitter in Rohrform oder einer beliebigen anderen, für den Fachmann auf dem Gebiet ersichtlichen Form oder eine Kombination derselben aufweisen. Geeignete Formen für das Induktionsheizelement sind auch beispielsweise in GB 2272643 und in EP-A-572546 beschrieben.
- Zur Herstellung des Induktionsheizelements der Erfindung kann jedes beliebige geeignete Verfahren verwendet werden. Bei einem besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren jedoch wird das leitfähige Material des Induktionsheizelements, das leitfähiges Material in Form einer Wicklung, eines Käfigs oder in anderer geeigneter Form aufweisen kann, mit einem geeigneten thermoplastischen Polymermaterial überformt. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines Käfigs aus leitfähigem Material, da dadurch die separate Herstellung des Käfigs aus leitfähigem Material und seine anschließende Überformung mit einer dünnen Schicht (vorzugsweise von 1,0 bis 10,0 mm) aus thermoplastischem Polymermaterial möglich ist. Das thermoplastische Material ist vorzugsweise Polyethylen, obwohl auch andere Polyolefine und andere thermoplastische Polymere verwendet werden können.
- Vor dem Bilden einer Schmelzverbindung ist es eine gängige und herkömmliche Praxis, eine Außenschicht des Rohrmaterials abzuschaben oder auf andere Weise zu entfernen.
- In einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung kann das Induktionsheizelement vor dem Versand des Fittings zum Kunden fabrikseitig in dem Fitting installiert werden. Eine solche Installierung kann beispielsweise das Verschmelzen des Induktionsheizelements mit dem Fitting durch Beaufschlagen des Induktionsheizelements mit Energie in einem ersten Erwärmungsschritt umfassen. Bei entsprechender fabrikseitiger Steuerung kann eine derartige Verschmelzung eine gasdichte Verschmelzung des Induktionsheizelements mit dem Fitting gewährleisten.
- Der Stromfluß durch das leitfähige Material kann beispielsweise durch Induzieren eines Wechselstroms in einer Primärspule erzeugt werden, die um bzw. rund um das Heizelement angeordnet ist. Dem Fachmann auf dem Gebiet sind geeignete Induktionserzeuger und andere geeignete Induktionsverfahren und -vorrichtungen zum Erzeugen von Wechselstrom bekannt, wie beispielsweise die in EP-A-566316 und EP-A-566317 offenbarten. In einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren weist der Induktionserzeuger einen Hochfrequenzstromerzeuger gemäß der EP-A-566316 auf.
- Polymermaterialien für Fittingrohre und die auf das Heizelement aufgebrachte Ummantelung oder Beschichtung sind dem Fachmann auf dem Gebiet wohlbekannt, und in Kombination mit oder anstatt Polyethylen kann jedes geeignete Material verwendet werden. Unter der Voraussetzung, daß genügend schmelzbares Polymermaterial zur Bildung einer Schmelzverbindung zur Verfügung steht, können das Polyethylen oder andere Polymermaterialien vollständig oder teilweise vernetzt sein. Materialien und Konfigurationen für das Heizelement sind dem Fachmann auf dem Gebiet ebenfalls bekannt und können ausgetauscht werden, ohne von den erwünschten und erzielten Ergebnissen gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren dieser Erfindung abzuweichen.
- Diese und andere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, welche zeigen:
-
1 ,2 und3 eine Draufsicht, Seitenansicht bzw. Endansicht eines zylindrischen Matteninduktionsheizelements gemäß der Erfindung; und -
4 und5 eine Ansicht von unten bzw. eine perspektivische Ansicht von einer Seite eines Abzweig-T-Fittings, der mit einem zylindrischen Matteninduktionsheizelement gemäß der Erfindung versehen ist. - Die
1 bis5 stellen die Verwendung eines Induktionsheizelements dar, das eine flache Scheibe oder zylindrische Matte aufweist. In den1 und2 weist das Induktionsheizelement60 zunächst einen flachen Induktionsheizkäfig61 auf, der Sätze miteinander und mit Anschlüssen63 ,64 verbundene leitfähige Drähte62 aufweist. - Wie am besten in
3 zu erkennen, sind die Anschlüsse ihrerseits mit einer aufragenden Induktionsschleife65 verbunden. Das gesamte Heizelement ist von einem schmelzbaren thermoplastischen Polymermaterial umschlossen, welches um den Innen- und Außenumfang des Heizelements zu "Kaltzonen"-Bereichen66 ,67 und Schnappsitzvorsprüngen geformt ist, wobei der erste,68 , an einer elastischen Zunge69 oder einem Ansatz70 und die beiden zweiten,71 , an der aufragenden Induktionsschleife65 angebracht sind. - Die
4 und5 zeigen die Verwendung des Induktionsheizelements der1 bis3 mit einem Abzweig-T-Fitting. Der generell bei80 dargestellte Fitting ist mit einem Sattelbereich61 mit einer Innenfläche82 , die mit einer Rohroberfläche eine Schmelzverbindung eingehen kann, einem aufragenden Hohlkörper83 und einem Abzweigrohr84 versehen. Oben an dem Körper83 befindet sich ein Gewindeaufsatz85 , der einen Gewindecutter aufweisen kann, der durch den Körper83 abwärts geschraubt werden kann, um ein Loch in den (nicht gezeigten) Rohrkörper zu schneiden. Der Fitting weist ferner eine Ausnehmung86 auf, die den ersten Schnappsitzvorsprung68 aufnehmen kann, sowie einen gegenüberliegenden Rand87 , um den die Vorsprünge71 angeordnet sein können. - Die Anordnung des Fittings und des Induktionsheizelements ist am besten in
4 zu erkennen, in der der Käfig61 in seiner an der Unterseite des Fittings80 befestig ten Position dargestellt ist. Der Käfig ist ausreichend flexibel, um der Kontur der Innenfläche82 des Sattels81 zu folgen, und ist vor dem Schmelzen durch die Schnappsitzvorsprünge68 und71 in Position gehalten. Im Betrieb wird ein Wechselstrom in die Induktionsschleife65 induziert und fließt durch den Induktionsheizkäfig61 , wobei der umgebende thermoplastische Kunststoff geschmolzen oder erweicht wird und eine Schmelzverbindung zwischen dem Sattelbereich81 und der Rohroberfläche bildet.
Claims (12)
- Induktionsheizelement (
60 ) zum Bilden einer Schmelzverbindung zwischen einem Fitting (80 ) und einem Rohr durch einen Schmelzschritt, wobei das Element mit Einrichtungen (68 ,71 ) versehen ist, um vor dem Schmelzschritt seine Position in Bezug auf den Fitting oder das Rohr oder beide zu lokalisieren und beizubehalten, dadurch gekennzeichnet, daß das Element einen Induktionsheizkäfig (61 ) aufweist, der mit einer aufragenden Induktionsschleife (65 ) verbunden ist, in welche Wechselstrom induziert werden kann, um durch den Käfig zu fließen. - Element nach Anspruch 1, bei dem das Induktionsheizelement eine zylindrische verformte flache Matte (
60 ) aufweist. - Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Induktionsheizelement vorgeformten leitfähigen Draht (
62 ) aufweist. - Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Induktionsheizelement (
60 ) von einem schmelzbaren thermoplastischen Polymermaterial vollständig umschlossen oder mit diesem beschichtet ist, welches mit Umfangsbereichen (66 ,67 ) aus Kunststoff versehen ist, welche den Käfig nicht einschließen, so dass Kaltzonen gebildet sind, welche das Rückhalten der Schmelze während des Schmelzschritts unterstützen. - Element nach Anspruch 4, bei dem die Bereiche des Kunststoffs mit dem das Induktionsheizelement umschließenden Kunststoff gegossen sind.
- Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Lokalisieren und Beibehalten einen oder mehr Vorsprünge (
68 ,71 ) auf weist, die entweder am Fitting oder am Rohr oder an beiden schnappend angebracht werden. - Vorrichtung zum Schmelzverbinden eines Rohrs mit einem Fitting, die ein Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen Fitting (
80 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 7, bei dem der Fitting (
80 ) mit einem Flansch (81 ) versehen ist, wobei das Induktionsheizelement (60 ) derart an dem Flansch anbringbar ist, dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden. - Vorrichtung zum Schmelzverbinden eines Rohrs mit einem Fitting (
80 ), mit: einem Induktionsheizelement (60 ), das von einem schmelzbaren thermoplastischen Polymermaterial vollständig umschlossen oder mit diesem beschichtet ist, einem Fitting (80 ), der mit einem Flansch (81 ) versehen ist, an welchem das Induktionsheizelement anbringbar ist, so dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden, und einem Bereich des Rohrs, der an dem Flansch anbringbar ist, wobei das Induktionsheizelement, wenn es mit Energie beaufschlagt wird, eine Schmelzverbindung zwischen dem Fitting und dem Bereich des Rohres erzeugen kann, dadurch gekennzeichnet, daß das Induktionsheizelement einen Induktionsheizkäfig (61 ) in Reihe mit einer außerhalb des Fittings angebrachten Induktionsschleife (65 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der das Induktionsheizelement einem der Ansprüche 1 bis 6 entspricht.
- Verfahren zum Schmelzverbinden eines Rohres mit einem Fitting unter Verwendung einer Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Anbringen des Induktionsheizelements am Flansch des Fittings, so dass der Fitting und das Element zusammen eine Durchgangsbohrung bilden, Anbringen eines Bereichs des Rohrs an dem Flansch und Induzieren von Wechselstrom in die Induktionsschleife (
65 ), der durch den Induktionsheizkäfig (61 ) fließt, um eine Schmelzverbindung zwischen dem Fitting und dem Bereich des Rohres zu bilden. - Verfahren nach Anspruch 11, bei dem eine externe Materialschicht des Rohrbereichs, der in Kontakt mit dem Induktionsheizelement steht, entfernt wird, bevor er in Kontakt mit dem Induktionsheizelement gebracht wird.
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