TW572822B - Spirally wound tube with enhanced inner diameter stiffness, and method of making same - Google Patents

Description

572822 玖、發明說明： 發明所屬之技術領域 本發明係關於藉由圍繞一成形心軸螺旋捲繞複數個紙板 層並將各紙板層黏著一起而製成之紙板管。 先前技術 螺旋捲繞管係用於其外徑承受向心壓力之各種應用場合 。舉例而言’紙板管所形成之捲繞芯體上通常可捲繞紙、 塑膠膜、金屬片及紡織物等連續性材料。將該等材料捲繞 成一穩足之材料卷所需之捲繞張力會造成捲繞材料在管之 鲁 向心方向上施加相當大之壓力，該些力集中於一個方向勢 必導致f之内徑尺寸收縮。該種現象稱作「ID縮小」。 在本又中，一給疋紙板管在一給定負載下抵抗此種内徑 _ 給定内徑減小量條件下， 心均勻壓力值。因此，舉 英吋内徑縮小」。 U、〈程度稱作紙板管之1]〇勁度。m勁度可表示為：在一 ，紙板管之外徑（〇D)所能耐受的向 舉例而言，ID勁度單位可採用「卩" 在卷材捲繞應用中，紙 在一卷卷材捲繞至管上後

84297 紙板管須具有較高之ID勁度’藉以 _ 後，紙板管能夠容易地自捲繞裝置 572822 中與位於遠中央區域徑向内側及徑向外侧之管'辟 順從性相比，上述徑向中央區域之徑向順從性得到提古 例如，可參見第5,505,395號美國專利，其揭示内容。 方式併入本文中。在該‘395號專利中，此順從性 用 疋1王又知鬲係藉 由在管壁之中央區域使用較低密度及強度之紙板層（相對= 位於孩中央區域徑向内側及徑向外側之紙板層之密度及a 度而言）而達成。 ^ 儘管第‘395號專利所揭示之方法可有效提高紙板管之⑴

勁度，但吾人仍希望能夠進一步改良m勁度，且以—種具 有成本效益之方式實施之。 内容 本發明可解決上述之需求並達成其他之優點，其係藉由 在紙板管之管壁徑向中央區域（最内層與最外層之間）内— _ 或多層中有意地產生較寬之層間隙而達成。每一具有較寬 、 層間隙之紙板層^匕窄於通常採用之以（該Μ通常以一給 足之螺旋捲繞角度達成紙板層之連續捲繞圈相鄰邊緣間之 對接）’且紙板層係以該給定之螺旋捲繞角度捲繞，藉以將鲁 間隙界疋在紙板層足連續捲繞圈相鄰邊緣之間。較寬之層 間隙具有可提高管壁中間區域之徑向順從性之效果。傾發 現，與採用相同之材料製成但中間區域無層間隙之紙板管 相比，此一徑向順從性之提高可改良管之⑴勁度。藉此， 本發明可為紙板管設計者提供另—參數，藉由控制該參數 可達成一特定應用所需之ID勁度。本發明之製程完全不同 方；紙板言之常規捲繞方法，在常規方法中，所有紙板層皆 84297 572822 具有基本相同之寬度，或其以較小之增量自管内樣至管外 徑逐漸變寬，以期在每一紙板層中皆達成對接。 管壁之中間區域可包含一個以上具有較寬層間隙之紙板 層。該些具有間隙之紙板層可相互鄰接；另一選擇為，具 有間隙之紙板層與無間隙之紙板層可徑向交替佈置。當存 在複數個具有間隙之紙板層時，各紙板層之間隙相互軸向 交錯排列較佳。 一紙板層之連續捲繞圈之相鄰邊緣間之間隙寬度較佳為 正常「全寬」層寬度（即當該全寬紙板層以與實際紙板層相 同之螺旋捲繞角度捲繞時可達成對接之寬度）之約6.5 %至約 5 〇 /。’更佳為全層莧之約1 0 %至約4 0 %。因此，舉例而言， 對方；4英寸之全寬紙板層，間隙寬度較佳為約0.2 6英寸至 約2.0英寸’更佳為約〇4英寸至約ι6英寸。 若需要’每一具有間隙之紙板層皆可由一其順從性高於 /、他典間隙之紙板管層之材料製成。藉由此一方式，紙板 層在管徑向上之有效順從性可得到更進一步之提高。舉例 而。么' 於管壁徑向内侧及徑向外側區域内之紙板層可選 擇八有相對較向之模數’而位於徑向中間區域之紙板層 可選擇具有一相對較低之模數，且一或多個中間層可具有 層間隙。 在本盔明之較佳具體實施例中，所有管層皆以基本相同 足螺旋捲繞角α捲繞。因此，依據螺旋捲繞之幾何形狀，為 在一以該螺旋捲繞角α(自管軸線量測）捲繞之紙板層中達成 一芫美對接，該紙板層之寬度％必須等於 84297 572822

Wi = KDiCOsa， 其中’仏為該紙板層之捲繞直徑。然而，依據本發明，在管 壁之中間區域（即管之徑向最外層與管之徑向最内層間之莱 一位置）内至少有一個紙板層，其寬度可依據下列公式得出： W^k^KDiCosa 5 其中’ ki為一比例因數，其具有一個介於約〇 5至約〇 ·93 5么 間的值’且介於約0.6至約〇 9之間更佳。因此，中間層之速 繽捲繞圈之相鄰邊緣之間存在間隙，中間層在管之徑向順 k性因該間隙之存在而得到提高。當存在兩個或多個具有· 間隙之紙板層時，該些紙板層可具有不同之比例因數h，進 而具有不同之間隙寬度，或者比例因數及間隙寬度亦可相 同。 - 實施方式 - 上文已對本發明予以概逑，現在請參閱附圖（該等附圖未 必按比例、纟會製）。 下又將茶照附圖對本發明予以更詳細之說明，附圖中展 7F 了本些但非本發明之全部具體實施例。事實±，本發明籲 亦可有眾夕不同形式之貢施例，因此不應認為本發明僅限 # I X所it 4具體實施例；相反，提供此等具體實施例僅 意在使該發明揭示内容滿足現行法律之要求。所有附圖巾、 相同之編號皆代表相同之元件。 圖1及圖1A展示本發明最簡單形式之一螺旋捲繞管1〇，其· 僅具有三個層：層12、層14及層16。最内層12及最外層16 之捲、儿方式使其每一層之連續捲繞圈之相鄰邊緣間標稱上 84297 572822 不存在間隙。「標稱上」意指：其目的係捲繞内層及外層 ，以使該些層之邊緣間形成完美之對接。然而，實際上7 並非始終能夠達成一完美之對接，紙板層邊緣間可能會非 有意地形成較小之間隙。一般說來，此種非有意之間隙相 對較小。 ^ 相反，對於中間層14，則在該層之連續捲繞圈相鄰邊緣 《間有意形成一相對較寬之間隙1 8。該間隙1 8以層丨4所用 之螺旋捲繞角度α沿該紙板管螺旋延伸。在本發明之較佳具 體貫施例中，該間隙1 8係藉由以其他層1 2、1 6所用之相同 螺旋捲繞角度α捲繞層1 4，但層1 4所選用之寬度窄於層〗2、 16之寬度而形成。 更具體言之，吾人可由適用於螺旋捲繞之幾何因素得知 •為達成一完美之對接，一單獨紙板層之寬度（即Wi)依據下 列之公式與該紙板層之螺旋捲繞角度α及捲繞直徑仏相關 聯：

Wi = πϋι〇〇8α ° 藉此，依據内層1 2及外層1 6擬採用之已知捲繞直後及已 知螺旋捲繞角度α，吾人可確定内層及外層之層寬度，其可 在理想化之捲繞條件下達成完美之對接。實際上，該些紙 板層僅可採用某些既定之寬度，因此，螺旋捲繞角度必須 受到稍許之調整’藉以使現有之層寬度滿足上述之公式， 及/或使用一寬度接近理論最佳寬度（依據上述公式確定）之 可用紙板層，此時該紙板層邊緣之間較小之間隙或較小之 重疊皆在可容許範圍内。此種較小足間隙並非起因於紙板 84297 -10 - 572822 管設计者之本意，而係起因於紙板層材料之可用性限制及 約束’及/或起因於紙板層寬度及/或捲繞角度之控制不精確 性，因此本文中將該等小間隙稱作「非有意」紙板層間隙 。在良好品質控制條件下，此種非有意之間隙通常較小（例 如小於0.25英寸）。因此，内層12及外層16之層邊緣之間或 不存在間隙或至多存在相對較小之非有意間隙。 藉由選用其寬度小於通常形成對接所用寬度（藉由上述公 式確疋）之中間層，可有意地在該中間層丨4形成間隙。具有 有意層間隙之紙板層，其寬度可用下列公式表示： W = ki.KDiCosa， 其中k i為一標量，其值介於約〇 5至約〇 9 3 5之間，且介於約 〇·6至約0.9之間更佳。換言之，紙板層之寬度為通常藉以達 成完美對接（即零間隙）所用層寬度之5〇%至93 5%(6〇%至 90%更佳）。因此，在紙板層邊緣之間所形成之間隙約為該 紙板層正常寬度之6.5%至50%，更佳約為正常紙板層寬度之 10%至 40% 〇 圖4展示一用以製造圖1及圖ία所示三層管之製程，内層 1 2係螺旋捲繞至一圓柱形心軸2 0上。内層1 2之外表面塗敷 黏著劑’然後在該内層12上捲繞中間層14並在層14之外表 面塗敷黏著劑。最後，在中間層1 4上捲繞外層1 6。所有層 皆以相同之螺旋捲繞角度以實施捲繞。各層藉由塗敷於其相 向表面之黏著劑黏著在一起，從而在心軸上形成一紙板管 。捲繞帶22係以一螺旋方式旋轉該管，以使該紙板管沿心 車由向下（朝圖4中之右側）移動。此後，該紙板管藉由適當之 84297 -11 - 572822 切斷裝置（未圖示）切成單獨之長度段。 如圖所示，中間層14窄於内層及外層，由此可在層14夂 連續捲繞圈相鄰邊緣之間形成間隙18(在圖ία中最易看出）。 為使較窄之層1 4在捲繞於心軸上時保持正確之軸向位置 ，以達成間隙1 8沿該紙板管基本上均勻分佈之目的，該捲 繞裝置較佳包栝一紙板層定位裝置。該紙板層定位裝置可 包含一對用以導引紙板層之一邊緣之邊緣限位器26或類似 構件。吾人可調整邊緣限位器2 6之軸向位置，藉以對該紙 板層貫施正確之足位’藉由此一方法，紙板管之捲繞方式 可保證紙板層邊緣之間形成吾人所樂見之間隙。其他紙板 層定位機構亦可用於取代邊緣限位器。亦可於捲繞之前將 較+之層14黏著其中一較見（即正常寬度）之管層上，藉以 形成一兩層層壓板結構，爾後，再以與其他較寬層基本相 同之捲繞方式捲繞兩層層壓板至心軸上。 本發明適用於具有不同層數及不同層類型之管。舉例而 言’圖2及圖2A係展示一自内至外由五個層32，34，36，38 及40組成之紙板管30，其中中間三層34，36，38中之每一 層皆在其相鄰邊緣之間具有間隙】8，而最内層及最外層則 不存在間隙。如圖所示，鄰接層（層34與層36，及層36與層 3 8)中之間隙1 8係相互义錯’以使一個層中之間隙較佳不與 一相鄰層中之間隙發生重疊，即使係部分之重疊。藉由該 等間隙之交錯排列，該等間隙可較佳地以基本上均勾之方 式分佈於管壁之整個中間區域。 圖3展示本發明i另一具體實施例，該實施例採用一紙板 84297 -12 - 572822 管5 〇之形式 該管50具有六個層52，54，56，58，60及62

巨50與則逑之管3〇之不同處在於：管5〇之中央層56不具 有間隙， ^ Μ包於該中央層兩侧之非鄰接層5 4及5 8則具有間 隙 18。管 5〇、 <不同處還包括··其包含一相當薄之外層62。 。ί: 一外層，可在管之外表面達成一特殊之性質， ^ 3之表面光潔度、一特定之顏色等。若管之内表面 需要一特定之性質，則亦可包含此一層作為管之最内層。 ^發明適用於在同—f壁内*有各種等級紙板層之多等 及、2板g。舉例而言，由於在管壁之中間區域引入較寬層 間隙 < 一目的係提高該區域徑向方向之可壓縮性或順從性 、此土少邰分採用具有更高順從性（較管壁徑向内侧及 k向外側區士或所用之紙板）之紙板形成中間·域較佳。舉例 而。在圖2及圖2A所示之管30甲，内層32及外層40可包含 具有相對較低之順從性之紙板，中間層34，36及38可包： 具有相對較高之順從性之紙板。較低順從性之紙板一般係 為：高等級之紙板，其密度一般高於較高順從性之紙板。

人θ衣成四種不同結構之紙板管並並 。所有紙板管皆具有丨4或15層的紙板，其所形成；壁厚:; 為〇.肩央寸。管之内徑皆為3 7Gi英寸（94毫米），外徑皆為 4·3(η英寸（1G9毫米），且所有層皆以7Q。之螺旋捲繞角度加以 捲繞。第-種結構具有15層標稱4英寸寬、0 020英寸厚且具 有相：較高密度之紙板(本文中稱為板A)，且所有層皆無間 隙。弟二種結構具有5個内|、4個外層及5個中間層，里中 5個内層及4個外層採用標稱4英寸寬之相同高密度板八，而$ 84297 -13 - 572822 個中間層則採用Q.024英寸厚、約4英寸寬之低密 文中稱為板B);同樣，所有声 ^氏板（本 啕層白操間隙。弟二種結構係盥 第二種結構相似由板B構成之5個中間層約為 ：: 藉此在該等層中形成約#寸寬之間隙。第 = , 、居構係與第 、'°構相似’但由板B構成之5個中間層 英寸寬，藉此在該等層中形成約15英寸寬之間隙y五人^ 測試了每種結構之複數個紙板管之ID勁度並對每種:構: 紙板管結構 全板A型 Ί且取7F Α/Β/Α 無間隙 無間隙 ID勁度 (104pS1/英寸） ------—-二— 與全板A型 之比率 A/B/A B層内有 寸間隙 7.28 A/B/A B層内有 丄送史曰，隙 8.64 結果顯示，若僅使用一更高順從性之紙板（板B)藉以提高 管。壁中間區域之順從性’ ID勁度僅較全板A型管略微提高： 1 6%，，.兵而，右在板B層中引入i英寸之間隙，則可使I。勁产 較全板A型管提高77%’而、5英寸之間隙更可使ι〇勁度^ 全板A型管⑴勁度之兩倍以上。藉由各種a/b/a型管之相互 對比，吾人可看出：具有i英寸層間隙之紙板管之⑴勁度較 無層間隙之紙板管高出約5 2 % ;具有} 5英寸間隙之紙：； 之ID勁度則較無間隙之紙板管高出約8ι%。由此，很明:: 層間隙對增強ID勁度具有顯著之效果。 凡熱叫此技蟄者皆可聯想出具有本發明說明書及相關附 84297 -14 - 572822 圖中所多種修改及其它 解，本發明並未偈限於所揭示之因此，應瞭 其它具體實施例亦岸勺4、人 "貝她例，各種修改及 本文雖然使用了特定之術語，作圍之範略内。 及描述性思钱，而非用於限定之目的。 υ 圖式簡單說明 圖1為一依據本發明之一且舍、 管具有三個結構層，：:广管片斷剖面圖’該 /、甲宁間層具有間隙； 圖1 Α為圖1所示管之正視圖，並其 以便顯示中間層； …卜層已部分剥除 圖2為一與圖丨相似之視並 ，、I不本發明另一且有五個 結構層之具體實施例，其中二 之間隙； 、中一個紼接中間層具有相互交錯 圖2A為圖2所示管之一却八、 4刀 < 轴向剖面圖，其展示交錯排 列之間隙； 圖3為與圖1及圖2相似之視圖’其展示本發明另一具有五 口構層之具貝她例’其中中央層無間隙，而中央層兩 側之層具有間隙； 立圖4為-用於製成本發明之紙板f之裝置之垂直俯視示 思圖’其展示正捲繞於-成形心軸上之三個紙板層，其中 中間層窄於另外兩個層。 10 12 圖式代表符號說明 螺旋捲繞管 最内層 84297 -15 - 572822 14, 34, 36, 38 16 18 20 22 26 30 32 40, 62 50

52, 54, 58, 60 56 α A 中間層 最外層 層間隙 圓柱形心軸 捲繞帶 邊緣限位器 管 内層 外層 管 層 中央層 螺旋捲繞角度α 黏著劑 84297.DOC -16-

Claims (1)

1. 572822 拾、申請專利範圍： 1. —種螺旋捲繞管，其製成方式使其在向心壓力負載下具 有増強之ID勁度，該管包括： 複數個層，其圍繞一軸螺旋捲繞並黏著在一起，藉以 冓成、，·氏板管，忒管之一管壁包括一徑向内側區域、一 徑向外側區域，及一位於該内側區域與外側區域之間之 後向中間區域，其中每一區域均包含至少一個紙板層； 中間區域，其包括一較窄之紙板層，該層之寬度小於 内側區域及外側區域之紙板層之寬度，該狹窄之紙板層 _ 之捲繞方式可使其連續捲繞圈之相鄰邊緣之間存在一 間隙’所述中間區域内之間隙使該中間區域在所述紙板 官 < 徑向上之模量低於所述内側區域及外側區域之模 量’進而可增強所述紙板管之ID勁度。 2. 根據申睛專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該狹窄之 紙板層相鄰邊緣間之間隙寬度為當以與該狹窄之紙板 層相同之螺旋捲繞角度捲繞時形成完美對接所需層寬 度之約6.5°/。至50%。 籲 3 ·根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該狹窄之 紙板層相鄰邊緣間之間隙之寬度為當以與所述狹窄之 紙板層相同之螺旋捲繞角度捲繞時形成完美對接所需 層寬度之約10%至40%。 4·根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該中間區 域包含一個以上狹窄之紙板層，每一狹窄之纸板層之連 續捲繞圈相鄰邊緣之間皆具有一間隙。 84297 572822 5. 根據申請專利範圍第4項之螺旋捲繞管，其中該具有間. 隙之狹窄紙板層相互鄭接。 6. 根據申請專利範圍第4項之螺旋捲繞管，其中該具有間 隙之狹¥之紙板層相互鄰近，且相鄰層之間隙在轴向上 相互交錯排列。 7. 根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該中間區 域包含一紙板層，該紙板層係由具有較内侧區域及外側 區域之紙板層更高徑向順從性之材料所製成。 8. 根據申請專利範圍第7項之螺旋捲繞管，其中該具有更鲁 高順從性之紙板層亦係一在其連續捲繞圈相鄰邊緣間 具有間隙之狹窄紙板層。 9. 根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管’其中該内側區 . 域及外側區域之紙板層之捲繞在標稱上不會在其連續 捲繞圈之間產生間隙，但可能會因製造公差而具有非有 ' 意之間隙，且其中該中間區域内狹窄之紙板層係有意捲 繞以使違紙板層之連、纟買捲繞圈間存在間隙，且該等間隙 顯著大於内側區域及外侧區域中任一非有意形成之間 鲁 隙。 10. 根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該内側區 域包括複數個紙板層。 11. 根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該外侧區 域包括複數個紙板層。 1 2.根據申請專利範圍第1項之螺旋捲繞管，其中該中間區 域包括複數個紙板層。 84297 572822 1 3 .根據申凊專利範圍第1 2項之螺旋捲繞管，其中該中間區 - 域包括至少一紙板層，該紙板層明顯寬於該狹窄紙板層 ‘ 且以與該狹窄紙板層大體相同之螺旋捲繞角度捲繞。 1 4· 一種螺旋捲繞紙板管，其製成之方式使其在向心壓力負 載下具有增強之ID勁度，該紙板管包括： 複數個紙板層’其以一標稱螺旋捲繞角度α圍繞一車由 捲、’：7〇並黏著在一起，藉以構成一紙板管，每一紙板層皆 以一單獨之層直徑以捲繞，該紙板層包括至少一徑 向外側層、一徑向内侧層，及一位於該外側層與内側層 鲁 之間之徑向中間層； 其中每一該外側層及内側層皆具有一單獨之寬度Wi ’該寬度W i實質上由下列公式得出 Wj = πϋι〇〇5α j 且所述中間層具有一由下列公式得出之寬度 W = ki”DiC〇sa， 其中h為一比例因數，其值介於約〇 5至約〇 935之間， 藉此該中間層之連續捲繞圈相鄰邊緣之間可形成間隙 春 ’且孩中間層在該紙板管之徑向方向之模數因該等間隙 之存在而得以有效降低。 1 5.根據申請專利範圍第1 4項之螺旋捲繞紙板管，其中該紙 板嘗包括複數個位於該外側層與内側層之間之中間層 ’複數個該中間層之寬度為w = haDiCosa，從而每一 該紙板層皆具有間隙。 1 6.根據申請專利範圍第1 5項之螺旋捲繞紙板管，其中該具 84297 572822 有間隙之中間層之鄰接層之捲繞可使各紙板層之間隙 - 在軸向上相互交錯排列。 1 7 . —種製造一螺旋捲繞管之方法，其可增強該管在向心壓 力負載下之ID勁度，該方法包括： 圍繞一成形心轴而螺旋捲繞一至複數個内側層，藉以 在該心軸上形成一内側管壁區； 圍繞該心軸上之該内侧管壁區而螺旋捲繞一至複數 個中間層，藉以形成一中間管壁區；及 圍繞該中間管壁區而螺旋捲繞一至複數個外側層，藉 _ 以形成一外側管壁區； 將鄰接之紙板層黏著在一起，藉以構成一紙板管； 該内側層及外側層之捲繞基本上可使其連續捲繞圈 之相鄰邊緣間不會產生間隙； 至少提供一個中間層，其連續捲繞圈相鄰邊緣間具有 實質上非零之間隙，以便降低該中間管壁區在該紙板管 徑向上之模數，進而增強該紙板管之iD勁度。 1 8.根據申請專利範圍第1 7項之方法，其中提供複數個中間 _ 層，其連續捲繞圈之相鄰邊緣間具有實質上非零之間隙。 19. 根據申請專利範圍第17項之方法，其中該至少一個中間 層之ό又JL可使其相鄰邊緣間之間隙寬度約為當以與該 中間層相同之螺旋捲繞角度捲繞時形成一完美對接所 需層寬度之6.5%至50%。 20. 根據申請專利範圍第1 7項之方法，其中該至少一個中間 層之設置可使其相鄰邊緣間之間隙寬度約為當以與該 84297 572822 中間層相同之螺旋捲繞角度捲繞時形成一完美對接所 需層寬度之1 0 °/。至4 〇 〇/。。 21. 22. 23. 根據申請專利範圍第1 7项之方法，其中該一個中間層相 鄭邊緣間之間隙係藉由提供該中間層，使其具有一明顯 小於該内側層及外侧層之寬度，然後以與該内側層及外 側層實質上相同之螺旋捲繞角度捲繞該中間層而形成。 根據申請專利範圍第2 1項之方法，其中，在捲繞之前， 知個中間層黏著至該内側層及外側層上，藉以形成〆 兩層層壓板，爾後捲繞該兩層層壓板。 根據申凊專利範圍第2 1項之方法，其中一個中間層在心 轴上之軸向定位係利用一紙板層定位裝置於捲繞過擇 中達成，以將該中間層定位於一所需之軸向位置，藉以 形成該間隙。

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