Die Erfindung betrifft einen Wasserbalken zur Erzeugung von Fluidstrahlen zur hydrodynamischen Verfestigung einer Materialbahn sowie eine Anlage zur Verfestigung einer solchen Materialbahn, umfassend einen solchen Wasserbalken.

Derartige Vorrichtungen werden zur Wasserstrahlverfestigung z.B. von aus Fasern gebildeten Materialbahnen verwendet. Mittels der Erfindung können also beispielsweise Vliese von niedrigen bis zu sehr hohen Vliesgewichten aus Naturfasern, Synthesefasern und Spinnvliesen verfestigt werden. Zusätzlich dazu sind Strukturierungen und/oder Perforierungen der Materialbahn mit einem solchen Wasserbalken möglich.

DE 20 2008 004 650 U1 und DE 10 2010 004 172 A1 offenbaren exemplarisch derartige Vorrichtungen. So ist jeweils ein Wasserbalken vorgesehen, der eine Vielzahl von Düsenöffnungen aufweist. Die Düsenöffnungen sind beispielsweise entlang der Längserstreckung des Wasserbalkens in einer Reihe hintereinander angeordnet. Dabei ist die Unterseite der Wasserbalken, also die Seite, die der Materialbahn zugewandt ist, beidseits des Austritts der Düsenöffnungen abgeschrägt. Diese Schräge kann auch mit einem Blech abgedeckt sein.

Nachteilig an diesen Vorrichtungen ist, dass trotz der Schräge Luft, die von der relativ zum Wasserbalken vorbeieilenden Materialbahn mitgeschleppt wird, zu Verwirbelungen im Bereich der Unterseite des Wasserbalkens führt. Dadurch werden die aus dem Wasserbalken austretenden Fluidstrahlen gestört, worunter die Festigkeit der Materialbahn leidet. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Wasserbalken und eine Anlage zur Verfestigung einer Materialbahn bereitzustellen, mittels dem/der sich die Verfestigung einer solchen noch weiter verbessern lässt. Insbesondere sollen Luftverwirbelungen an der Unterseite des Wasserbalkens vermieden werden.

Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch einen Wasserbalken sowie eine entsprechende Anlage zur Verfestigung einer Materialbahn gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die wahlweise miteinander kombiniert werden können. Ein erfindungsgemäßer Wasserbalken zur Erzeugung von Fluidstrahlen zur hydrodynamischen Verfestigung einer Materialbahn weist eine Vielzahl von Düsenöffnungen zum Ausbringen der Fluidstrahlen auf die Materialbahn auf. Die Düsenöffnungen sind entlang der Längserstreckung des Wasserbalkens zueinander beabstandet angeordnet. Dabei weist die der Materialbahn zugewandte Unterseite des Wasserbalkens eine Teilfläche auf, die in Breitenerstreckung des Wasserbalkens gesehen beidseits der Düsenöffnungen von der Materialbahn weg geneigt ist. Dadurch ergibt sich ein keilförmiger Freiraum zwischen der Unterseite des Wasserbalkens, also der Teilfläche, und der Materialbahn. Der keilförmige Freiraum verjüngt sich entlang der Breitenerstreckung des Wasserbalkens gesehen in Richtung auf die Düsenöffnungen hin. Der Wasserbalken kann prismatisch ausgeführt sein und sich neben der Längen- (Y) und Breitenerstreckung (X) auch in die Höhe (Z) erstrecken. Die Bezeichnungen X, Y, Z entsprechen den gleichnamigen Achsenbezeichnungen eines kartesischen Koordinatensystems. Die Längenerstreckung Y des Wasserbalkens entspricht der Breitenerstreckung der Materialbahn und umgekehrt entspricht die Breitenerstreckung X des Wasserbalkens der Längenerstreckung der Materialbahn, jeweils im eingebauten Zustand des Wasserbalkens gesehen.

Grundsätzlich kann der Wasserbalken in ein Ober- und ein Unterteil aufgeteilt sein. Die erfindungsgemäßen Merkmale betreffend die schräge Teilfläche können dann im Unterteil verwirklicht sein. Dies hat den Vorteil, dass das Unterteil dann einfach ausgewechselt werden kann, ohne das Oberteil auch ausbauen zu müssen. Wird der Neigungswinkel der Teilfläche der Unterseite des Wasserbalkens nun zwischen 5° und 25° gewählt, so ergibt sich überraschender Weise eine deutliche Verringerung der Luftverwirbelungen innerhalb diesen keilförmigen Freiraums. Hierdurch werden die aus den Düsenöffnungen austretenden Fluidstrahlen weniger beeinflusst, wodurch sich die Verfestigung der Materialbahn erheblich verbessert. Zudem kann nun die Unterseite des Wasserbalkens noch näher an die Materialbahn gebracht werden.

Der Neigungswinkel der Teilfläche ist anders ausgedrückt - in einer Ansicht in Blickrichtung der Längserstreckung des Wasserbalkens gesehen - der Winkel, den eine Tangente an die Teilfläche und eine Parallele zur Breitenerstreckung des Wasserbalkens bzw. die Materialbahn im Bereich des Wasserbalkens gemeinsam einschließen. Dabei ist stets der kleinste Winkel, den beide gemeinsam einschließen, gemeint.

Wenn gemäß der Erfindung von Materialbahn die Rede ist, dann ist damit eine aus Fasern hergestellte Faserstoffbahn gemeint. Diese kann in Form von Geweben, Gewebegewirkbahnen oder Vliesen vorliegen und bevorzugt die eingangs genannten Fasern umfassen. Ist die Rede von Längsachsen der Düsenöffnungen, dann sind darunter z.B. die Symmetrieachsen selbiger gemeint. Da die Längsachsen im Wesentlichen der Ausbringungsrichtung der Fluidstrahlen entsprechen, gilt das zu den Längsachsen Gesagte grundsätzlich auch für die Fluidstrahlen selbst.

Die erfindungsgemäßen Vorteile werden besonders gut erzielt, wenn der Neigungswinkel zwischen 7° bis 10° und bevorzugt 10° beträgt.

Eine besonders effiziente Verfestigung der Materialbahn wird erreicht, wenn die Längsachsen der jeweiligen Düsenöffnungen gegenüber der Materialbahn derart ausgerichtet sind, dass die Fluidstrahlen senkrecht auf die Materialbahn auftreffen.

Grundsätzlich kann die Teilfläche der Unterseite des Wasserbalkens eine ebene Fläche nach Art einer Schrägen, eine gekrümmte Fläche nach Art eines Radius oder einer Freiformfläche sein. In diesem Fall wird der Neigungswinkel - bevorzugt an jedem Punkt entlang des Verlaufs der gekrümmten Fläche - zwischen der Tangente an die gekrümmte Fläche und einer Parallelen zur Breitenerstreckung des Wasserbalkens gemessen, jeweils in einer Ansicht in Blickrichtung auf die Längserstreckung des Wasserbalkens gesehen. Unter Freiformfläche ist eine mittels Splines hergestellte Fläche gemeint, wobei Splines einen Polynomzug bedeuten, dessen Funktion stückweise aus Polynomen n-ten Grades zusammengesetzt ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Unterseite des Wasserbalkens im Bereich des Austritts der Fluidstrahlen beidseits der Düsenöffnungen jeweils eine Austrittsfläche, wobei sich die jeweilige Austrittsfläche jeweils mittels einer Übergangsfläche mittelbar oder unmittelbar an die jeweilige Teilfläche anschließt. Wenn davon die Rede ist, dass sich eine Fläche mittelbar an eine andere anschließt, dann ist darunter zu verstehen, dass sie sich unter Zwischenschaltung einer weiteren Fläche an diese anschließt. Ein unmittelbares Anschließen bedeutet demnach, dass keine weitere Zwischenfläche vorgesehen ist und beide Flächen sich somit z.B. eine gemeinsame Kante teilen. Hierdurch kann, wie nach nachstehend beschrieben wird, eine Tropfkante erzielt werden.

Mit Vorteil kann sich die Übergangsfläche über eine Stirnfläche mittelbar an die Teilfläche anschließen, wobei die Stirnfläche bevorzugt parallel zu den Längsachsen der Düsenöffnungen verläuft. Die Übergangsfläche verläuft bevorzugt jeweils rechtwinklig zu den Längsachsen der Düsenöffnungen, in einer Ansicht in Längserstreckung des Wasserbalkens gesehen. Bevorzugt kann zumindest auf die Teilfläche oder die gesamte Unterseite ein Abdeckblech aufgesetzt sein, das bevorzugt dem Verlauf der Teilfläche oder der gesamten Unterseite folgt und bevorzugt die Stirnseite der Begrenzung des Abdeckblechs an der Stirnfläche abgestützt ist. Damit kann das Abdeckblech bevorzugt mit Vorspannung gegen die genannte Stirnfläche des Wasserbalkens abgestützt sein. Damit vereinfacht sich die Montage des Abdeckblechs und gleichzeitig der konstruktive Aufwand des Wasserbalkens, da das Abdeckblech nun ohne weitere Mittel, wie zusätzliche Schrauben an dem Wasserbalken an dieser Stelle abgestützt wird.

Bevorzugt können die Stirnfläche und die Übergangsfläche gemeinsam eine Tropfkante begrenzen, an der das Fluid der Fluidstrahlen abtropfen kann. So kann eine Reinigungswirkung des Abdeckblechs mittels des Fluids, das z.B. von der Materialbahn reflektiert wird, erzielt werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann die der Materialbahn zugewandte Unterseite des Wasserbalkens und bevorzugt bei Vorsehen eines erfindungsgemäßen Abdeckblechs, die der Materialbahn zugewandte Oberfläche des Abdeckblechs eine gemittelte Rautiefe Rz zwischen 1 pm und 50 pm bevorzugt 25 pm aufweisen. Die Oberfläche des Abdeckblechs kann bevorzugt gestrahlt, wie glaskugelgestrahlt sein. Damit wird erreicht, dass das Fluid der Fluidstrahlen, wie Wasser als Film auf der Oberfläche des Abdeckblechs haften bleibt. Hierdurch trocknen Anhaftungen von Fasern der Materialbahn, die beim Wasserstrahlverfestigen durch die Fluidstrahlen auf das Abdeckblech gelangen, nicht ein. So können diese Fasern durch den Film von der Außenfläche des Abdeckblechs wieder abgeführt werden, ohne daran haften zu bleiben. So können größere Ansammlungen von Fasern, die auf die Materialbahn herabfallen könnten, verhindert werden.

Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Verfestigung einer Materialbahn, umfassend wenigstens einen Wasserbalken zur Erzeugung von Fluidstrahlen zur hydrodynamischen Verfestigung der Materialbahn, wobei der Wasserbalken nach der Erfindung ausgeführt ist.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.

Es zeigen: Fig.1 : eine Ausführungsform der Anlage gemäß der Erfindung;

Fig. 2 bis 4: je eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wasserbalkens in einem

Schnitt A-A gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer stark schematischen, teilgeschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Anlage 1 zur Verfestigung einer Materialbahn 2, umfassend einen erfindungsgemäßen Wasserbalken 4. Die Materialbahn 2 wird auf einem umlaufenden Band 3 transportiert und mittels Fluidstrahlen 6 verfestigt. Im vorliegenden Fall treffen die Fluidstrahlen 6 senkrecht auf die Materialbahn 2 auf. Der Wasserbalken 4 kann, wie dargestellt prismatisch dargestellt sein und eine Breitenerstreckung in X-Richtung, eine Längenerstreckung in Y-Richtung und eine Höhenerstreckung in Z-Richtung aufweisen. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Wasserbalken 4 eine einzige Reihe von Düsenöffnungen 5 auf, die vorliegend in Längserstreckung (Y-Richtung) parallel zueinander beabstandet angeordnet sind. Es können erfindungsgemäß auch mehrere Reihen an Düsenöffnungen 5 vorgesehen sein. Der Wasserbalken 4 ist mit einem Reservoir an Fluid, wie Wasser z.B. unter Zwischenschaltung von nicht gezeigten Pumpen fluidleitend verbunden. Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Anlage 1 gelangt somit das unter Druck stehende Fluid zum Wasserbalken 4. Von dort tritt es aus der Vielzahl von im Wasserbalken 4 angeordneten Düsenöffnungen 5 aus. Das Fluid bildet am Austritt der Düsenöffnungen 5 aus dem Wasserbalken 4 eine Vielzahl von Fluidstrahlen 6. Diese beaufschlagen die darunter vorbeilaufende Materialbahn 2 zu deren hydrodynamischen Verfestigung. Unterhalb des Bandes 3 ist eine Absaugvorrichtung 7 zum Abführen des die Materialbahn 2 durchdringenden Fluids angeordnet. Der Wasserbalken 4 kann aus zwei Teilen zusammengesetzt sein, nämlich einem Oberteil und einem Unterteil, die beide entlang der Schnittlinie A-A trenn- und zusammensetzbar sind. Das Unterteil kann am Oberteil z.B. mittels Schrauben befestigbar sein.

Die Darstellungen der Fig. 2 bis 4 zeigen jeweils in einer Ansicht einem Teilschnitt (in einer XZ- Ebene) das Unterteil des Wasserbalken 4 unterhalb der Schnittlinie A-A aus Fig. 1 drei unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung. Dabei ist der Wasserbalken 4 jeweils in Bezug auf die Längsachse L der Düsenöffnungen 5, symmetrisch ausgebildet. Die Symmetrieebene kann eine zur YZ-Ebene parallele Ebene sein, die durch die Längsachse L geht. In den Darstellungen erkennt man, dass die Unterseite, also die der Materialbahn 2 zugewandte Seite des Wasserbalkens 4, eine Teilfläche 8 aufweist, die schräg ausgeformt ist. Diese Teilfläche 8 ist in Breitenerstreckung X gesehen von der Materialbahn 2 weggeneigt. Die Teilfläche 8 spannt in der dargestellten Ansicht der Fig. 2 eine Ebene auf, die winklig zu der XY-Ebene verläuft.

Mit der Teilfläche 8 ist dabei jene Fläche gemeint, die sich über eine Übergangsfläche 10 an eine Austrittsfläche 11 des Wasserbalkens 4 anschließt. Dabei ist die Austrittsfläche 11 jene Fläche im Bereich des Austritts der Fluidstrahlen 6 aus den Düsenöffnungen 5. Es ist anders ausgedrückt die Fläche, die die Düsenöffnungen 5 begrenzt. In Blickrichtung von den Düsenöffnungen 5 weg- also entlang der Breitenerstreckung (X-Achse) gesehen - schließt sich an die Austrittsfläche 11 dann die Übergangsfläche 10 an, die z.B. parallel zur X-Achse oder zur Materialbahn 2 verlaufen kann. In dieser Blickrichtung gesehen schließt sich unmittelbar an die Übergangsfläche 10 dann die Teilfläche 8 an. An die Teilfläche 8 können sich dann in der genannten Blickrichtung weitere, auch anders geneigte Teilflächen anschließen.

Wie in den Fig. 2 bis 4 gezeigt, begrenzen die Teilfläche 8 und die Materialbahn 2 einen keilförmigen Freiraum 9 miteinander. Dabei verjüngt sich der keilförmigen Freiraum 9 - in Breitenerstreckung des Wasserbalkens 4 (in X-Richtung) gesehen - auf die Düsenöffnungen 5 hin.

Grundsätzlich könnte die Teilfläche 8 nicht nur eine ebene Fläche, sondern auch eine gekrümmte Fläche nach Art eines Radius oder einer Freiformfläche sein. Der Neigungswinkel a, der die Neigung der Teilfläche 8 angibt, kann dann als der Winkel aufgefasst werden, den einen Tangente an die Teilfläche 8 mit einer Parallelen zur Breitenerstreckung Wasserbalkens 4 (z.B. der X-Achse oder der Materialbahn 2) einschließt, jeweils in der XZ-Ebene gesehen.

Wird nun der Neigungswinkel a in den Ausführungsformen der Erfindung gemäß den Fig. 2 bis 4 so gewählt, dass er zwischen 5° und 25° liegt, so können Luftverwirbelungen in dem keilförmigen Freiraum 9 reduziert werden. Diese entstehen z.B. dadurch, dass die unterhalb des Wasserbalkens 4 vorbeilaufende Materialbahn 2 Luft mitschleppt. Gemäß der Erfindung werden durch die geringeren Luftverwirbelungen die aus dem Wasserbalken 4 austretenden Fluidstrahlen 6 weniger beeinflusst. So kann eine höhere Verfestigung der Materialbahn 2 erzielt werden. Der Effekt tritt besonders hervor, wenn der Neigungswinkel a bei 10° eingestellt wird.

Fig. 3 zeigt eine Weiterbildung des Gegenstands aus Fig. 2. Dort springt die Übergangsfläche 10 vor, d.h. sie ist in Richtung auf die Materialbahn 2 verlängert. So bildet sich an deren Seiten eine Stirnfläche 13, sodass die Teilfläche 8 nun nicht mehr direkt an die Übergangsfläche 10, sondern über die Stirnfläche 13 an diese angrenzt. Die Kante, die nun die Übergangsfläche 10 und die Stirnfläche 13 miteinander begrenzen, kann als Tropfkante dienen. An dieser Tropfkante kann sich das Fluid, das von der Materialbahn 2 bzw. dem Band 3 reflektiert wird, abtropfen. Der Abstand der Übergangsfläche (10) zur Teilfläche (8) kann 0,5mm bis 5mm betragen, vorzugsweise 0,5mm bis 3 mm.

In Fig. 4 ist der Wasserbalken 4 aus Fig. 3 gezeigt. Auf dessen der Materialbahn 2 zugewandten Außenseite ist ein Abdeckblech 12 aufgesetzt. Letzteres ist derart ausgeführt, dass es sich mit dessen Innenseite an die der Materialbahn 2 zugewandte Außenseite des Wasserbalkens 4 anschmiegt und auf dessen Teilfläche 8 anliegt. Das Abdeckblech 12 kann dazu dienen, die Schraubenlöcher für die Schrauben, die das Unterteil des Wasserbalkens 4 am Oberteil festhalten, abzudecken. Dabei liegt die Stirnseite der Begrenzung des Abdeckblechs 12 mit Vorspannung an der Stirnfläche 13 an. Die Stirnfläche 13 hält somit die Begrenzung, also den Rand des Abdeckblechs 12, ohne, dass es an diesem Ende mit weiteren Mitteln, wie zusätzliche Schrauben an dem Wasserbalken 4 abgestützt werden muss. Das Abdeckblech 12 weist im Übergang von der geneigten Teilfläche 8 senkrecht in Z-Richtung, parallel zur Längsachse L, einen gerundeten Übergang 14 oder großen Radius, Bogen oder ein Polygon auf. Damit wird an dieser Stelle eine Tropfkante vermieden, die hier unerwünscht ist. Der Radius des Übergangs 14 beträgt mindestens 5 mm.

Die der Materialbahn 2 zugewandte Außenseite des Abdeckblechs 12 kann mittels einer Oberflächenrauigkeit versehen werden. So kann z.B. bei einer gemittelten Rautiefe Rz zwischen

I pm und 50 pm, bevorzugt 25 pm eine hydrophile Oberfläche geschaffen werden, an der das Fluid als Film hängen bleibt und die Bildung großer Tropfen vermieden werden. Der Fluidfilm tropft an dem Übergang der Teilfläche 8 zur Übergangsfläche 10 in Form von kleinen Tropfen ab. Dadurch, dass das Fluid ständig die genannte Außenfläche des Abdeckblechs 12 benetzt, können von der Materialbahn 2 hochgespritzte Fasern besser von dieser abgeführt werden, sodass sich Verunreinigungen schlechter an dem Abdeckblech 12 festsetzen.

In einer weiteren Ausführungsform kann die Stirnfläche 13 in Richtung der Austrittsfläche 11 verschoben werden, so dass die Übergangsfläche 10 kleiner wird. Der Abstand der Austrittsfläche

II zur Stirnfläche 13 kann beispielsweise 0,5mm bis 2mm betragen. Gleichzeitig kann die Übergangsfläche 10 in Richtung der Materialbahn 2 um 0,5mm bis 5mm herausgezogen, vorzugsweise um 0,5mm bis 3mm. So wird eine Tropfkante herausgebildet, die in der Nähe der Fluidstrahlen 6 liegt. Bezugszeichen

1 Anlage

2 Materialbahn

3 Band 4 Wasserbalken

5 Düsenöffnung

6 Fluidstrahl

7 Absaugvorrichtung

8 Teilfläche 9 keilförmiger Freiraum

10 Übergangsfläche

11 Austrittsfläche

12 Abdeckblech

13 Stirnfläche 14 Übergang

L Längsachse Düsenöffnung

X, Y, Z Breiten-, Längs- und Höhenerstreckung des Wasserbalkens a Neigungswinkel