DE68913534T2

DE68913534T2 - Verfahren und vorrichtung, die leitfähige polymere zum verbinden von gegenständen verwenden.

Info

Publication number: DE68913534T2
Application number: DE68913534T
Authority: DE
Inventors: Hans Cordia; Hondt Johann D; John Hughes; Corey Mcmills; Robert Ritter
Original assignee: Raychem Corp
Current assignee: Raychem Corp
Priority date: 1988-06-22
Filing date: 1989-06-22
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2009-06-23
Also published as: ATE102120T1; KR0141363B1; DK304890A; AU3863289A; EP0420933A1; FI906319A7; AU638934B2; BR8907510A; KR900701512A; JP2622421B2; FI906319A0; JPH03505311A; DE68913534D1; DK304890D0; EP0420933B1; WO1989012545A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbinder, der eine leitfähige polymere Komponente enthält und aufgrund dieser Komponente mit einem anderen Gegenstand, insbesondere mit einem Rohr, verbunden werden kann, sowie ein Verfahren zum Verbinden eines Rohrs mit einem Verbinder gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 bzw. 14.
Leitfähige Polymere sind wohlbekannt. Sie weisen eine polymere Komponente und darin dispergiert oder anderweitig verteilt einen teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff, z. B. Ruß, auf. Leitfähige Polymere werden in elektrischen Heizeinrichtungen viel verwendet, wobei auch laminare Heizeinrichtungen eingeschlossen sind, die ein laminares leitfähiges Polymerheizelement aufweisen, das zwischen laminaren Elektroden eingeschlossen ist, so daß Strom durch das leitfähige Polymer rechtwinklig zu der Ebene der Heizeinrichtung fließt. Solche laminaren Heizeinrichtungen können als wärmerückstellbare Gegenstände ausgebildet oder an wärmerückstellbaren Gegenständen befestigt sein, so daß durch Stromzufuhr zu der Heizeinrichtung der Gegenstand veranlaßt werden kann, sich rückzustellen. Typischerweise resultiert die Rückstellung des Gegenstands im Verbinden, in der Reparatur, in der Verstärkung oder einer sonstigen Modifizierung von ein oder mehr Substraten, um die herum oder auf die sich der Gegenstand rückstellt. Vor kurzem wurde gezeigt, daß leitfähige Polymere, die erhebliche Festigkeit oberhalb ihres Schmelzpunkts behalten, insbesondere gesinterte leitfähige Polymere auf der Basis von ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE), besonders brauchbar für wärmerückstellbare Verbinder sind, die verwendet werden können, um aus organischen Polymeren bestehende Rohre (Kunststoffrohre) miteinander zu verbinden. Bei solchen Verbindern liefert die leitfähige Polymerkomponente die strukturelle Festigkeit des fertigen Verbinders und hat daher eine Dicke, die mit derjenigen der Rohre vergleichbar ist; es wird erhebliche elektrische Energie benötigt, um solche Verbinder auf ihre Rückstelltemperatur aufzuheizen. Beispielsweise kann auf die US-Patentschriften 3 987 276, 4 085 286, 4 177 376, 4 177 446, 4 421 582, 4 455 482, 4 570 055, 4 575 618, 4 686 071, die GB-Patentschriften 1 265 194, 1 449 539 und 2 124 439, die DE-Patentanmeldung 3 442 674 und die EP-Anmeldungen 157 640, 153 199, 231 068, 197 759, 220 003, 267 234 und 251 482 hingewiesen werden.
Verbinder zum Verbinden mit polymeren Rohren, die elektrisch aktivierbare, nichtleitfähige polymere Heizelemente enthalten, sind ebenfalls bekannt. Beispielsweise beschreibt die FR-A-1 416 207, die die Basis für den Oberbegriff der nebengeordneten Patentansprüche bildet, eine zylindrische polymere Abstützung mit einem eingebetteten, spiralförmig gewickelten Draht an ihrer Innenfläche, der an eine Stromversorgung angeschlossen werden kann. Die Abstützung kann um die beiden aneinanderstoßenden polymeren Rohrenden herum positioniert werden, und der Draht kann mit Strom gespeist werden, um die Abstützungen aufzuheizen und auf die Rohre aufzuschmelzen.
Ebenso beschreibt DE-A-1 081 288 eine zylindrische polymere Verbindungsvorrichtung, die elektrisch leitfähige Drähte hat, die in Axialrichtung spiralförmig um sie herumgewickelt sind. Diese Vorrichtung hat verjüngte Enden und paßt zwischen ein Innenrohr und eine Hülse mit größerem Durchmesser (mit entsprechend verjüngten Enden) und kann mit Energie versorgt werden, um das Rohr mit der Hülse zu verbinden.
Wir haben nunmehr erkannt, daß ein ausgezeichneter Verbinder zum Verbinden von zwei Gegenständen miteinander hergestellt werden kann, der ein laminares leitfähiges Polymerheizelement enthält. Das Heizelement braucht nicht wärmerückstellbar zu sein; in den meisten Fällen ist es sogar bevorzugt nicht wärmerückstellbar. Die Wärme wird bevorzugt in dem Heizelement erzeugt, indem elektrischer Strom durch es geleitet wird, wobei ein erheblicher Anteil des Stroms (bevorzugt der gesamte Strom) parallel zu den Oberflächen des Heizelements fließt. Ein wichtiger Grund für diese Präferenz ist, daß, wenn die Elektroden auf dem Heizelement so angeordnet sind, daß Strom rechtwinklig zu seinen Oberflächen fließt, die Elektroden dann in dem Verbindungsbereich anwesend sind und die Festigkeit der Verbindung zwischen den Gegenständen herabsetzen.
Ein Vorteil des Verbinders ist, daß Wärme an der Grenz- bzw. Zwischenfläche erzeugt wird, wo sie benötigt wird, und nicht anderswo, wodurch der Energiebedarf und die Gefahr einer Überhitzung herabgesetzt werden. Dieser Vorteil und weitere Voteile werden nachstehend erläutert.
Der neue Verbinder ist besonders wirkungsvoll beim Verbinden (oder anderweitigen Modifizieren) von Gegenständen aus einem elektrisch isolierenden polymeren Material, insbesondere Kunststoffrohren. Wenn die Gegenstände aus einem thermoplastischem Material bestehen, wird bevorzugt, daß das Aufheizen das thermoplastische Material und das leitfähige Polymer ausreichend zum Schmelzen bringt, um eine Verschmelzung zwischen dem Gegenstand und dem Heizelement zu bewirken. Wenn einer oder beide Gegenstände aus einem Material bestehen, das nicht auf diese Weise verschmilzt, muß irgendeine Form von durch Wärme aktivierbarem Klebstoff, z. B. ein härtbares Harz, eingesetzt werden.
Ein erster Aspekt der Erfindung gibt einen Verbinder an, der zur Verbindung mit einem anderen Gegenstand, bevorzugt einem Rohr geeignet ist, wobei der Verbinder aufweist: ein rohrförmiges Element, das aus einer elektrisch isolierenden polymeren Zusammensetzung besteht, ein Heizelement, das an der Innenfläche des rohrförmigen Elements befestigt ist, und wenigstens zwei Elektroden, die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können, um zu bewirken, daß elektrischer Strom durch das Heizelement fließt, dadurch gekennzeichnet, daß:
(1) das rohrförmige Element aus ein oder mehreren rohrbildenden Komponenten besteht;
(2) das Heizelement laminar ist und aus einem leitfähigen Polymer besteht, wobei das Heizelement Teil einer Dichtung bildet, die an der Innenfläche (den Innenflächen) der rohrbildenden Komponente(n) befestigt ist, und zusätzlich die wenigstens zwei Elektroden aufweist, die, wenn sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, bewirken, daß Strom durch das Heizelement (die Heizelemente) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche davon fließt, und
(3) die rohrbildende(n) Komponente(n) und Dichtung(en) derart sind, daß
(i) sie relativ zueinander zusammengesetzt und/oder verformt werden können, um einen rohrförmigen Verbinder zu bilden, der um einen Gegenstand wie beispielsweise ein Rohr herum oder in einem solchen positioniert ist, und
(ii) sie durch das Aufbringen von Umfangskräften auf den Verbinder in innigen Kontakt mit dem Gegenstand gebracht werden können.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung gibt ein Verfahren an zum Verbinden (a) eines Verbinders, der ein elektrisch isolierendes polymeres rohrförmiges Element mit einem Heizelement, das an seiner Innenfläche befestigt ist, und wenigstens zwei Elektroden, die an dem Heizelement befestigt sind, aufweist, mit (b) einem anderen Gegenstand, bevorzugt einem Rohr, wobei das Verfahren das Verbinden der Elektroden mit einer elektrischen Stromquelle aufweist, um zu bewirken, daß elektrischer Strom durch das Heizelement fließt, dadurch gekennzeichnet, daß
(1) das rohrförmige Element aus ein oder mehreren rohrbildenden Komponenten besteht und das Verfahren folgende Schritte aufweist:
(a) Zusammensetzen dieser Komponente(n) und/oder Verformen dieser Komponente(n) relativ zueinander, um einen rohrförmigen Verbinder zu bilden, der entweder um den Gegenstand wie beispielsweise ein Rohr herum oder in einem solchen Positioniert ist, und
(b) Aufbringen von Umfangskräften auf die relativ zueinander Zusammengesetzte(n) oder verformte(n) rohrbildende(n) Komponente(n), um die rohrbildende(n) Komponente(n) in innigen Kontakt mit dem Gegenstand zu bringen; und
(2) das Heizelement laminar ist und aus einem leitfähigen Polymer besteht, wobei das Heizelement Teil einer Dichtung bildet, die an der Innenfläche der rohrbildenden Komponente(n) befestigt ist, und wobei, wenn der Verfahrensschritt des Verbindens der Elektroden mit einer elektrischen Stromquelle durchgeführt wird, die Elektroden so positioniert werden, daß elektrischer Strom durch das Heizelement im wesentlichen parallel zu seiner Oberfläche fließt.
Der Ausdruck "inniger Kontakt" soll hier eine ausreichend enge Übereinstimmung zwischen den Oberflächen bezeichnen, um sicherzustellen, daß, wenn die Wärme in dem leitfähigen Polymer erzeugt wird, die Warme ihren gewünschten Zweck des Verbindens der in Kontakt befindlichen Oberflächen miteinander erfüllt und keine erhebliche Beschädigung des Gegenstands, mit dem der Verbinder verbunden wird, oder mit irgendeinem Teil des Verbinders einschließlich der Dichtung bewirkt. Wenn an den verschiedenen Zwischenflächen Hohlräume vorhanden sind, können sie in einer Überhitzung resultieren, was eine Verschwendung bedeutet und zu Schäden führen kann, insbesondere, wenn die Stromerzeugungsrate hoch ist.
Der Ausdruck "Verbinden" wird hier gebraucht, um eine Verbesserung bei einer bestehenden Verbindung einzuschließen, indem beispielsweise Oberflächen miteinander verschmolzen werden, die bereits auf irgendeine andere Weise miteinander verbunden sind, oder indem eine Verschmelzung zwischen Oberflächen vervollständigt wird, die bereits an voneinander beabstandeten Stellen miteinander verschmolzen sind. Die Verbindung zwischen dem Verbinder und dem Gegenstand ist bevorzugt gas- und flüssigkeitsdicht und ist bevorzugt derart, daß bei einem geeigneten physikalischen Test, z. B. einem Biege-, Zug-, Torsions- oder Berstversuch, entweder der Verbinder oder der Gegenstand ausfällt, bevor die Verbindung versagt.
Der Verbinder gemäß der Erfindung ist besonders nützlich, wenn die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, (A) aus polymeren Zusammensetzungen bestehen, die die gleichen sind oder bei denen mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, insbesondere im wesentlichen 100 % der sich wiederholenden Einheiten des Polymers die gleichen sind, und (B) miteinander verbunden werden durch (i) Verschmelzung mit entgegengesetzten Seiten eines laminaren leitfähigen Polymerelements, das eine polymere Komponente aufweist, bei der mindestens 80 %, bevorzugt mindestens 90 %, insbesondere im wesentlichen 100 % der sich wiederholenden Einheiten die gleichen wie bei der rohrbildenden Komponente bzw. den rohrbildenden Komponenten des Verbinders und bei dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, sind. Das bevorzugte Polymer bei jeder der Komponenten ist Polyethylen. Die Polyethylene in den verschiedenen Komponenten brauchen nicht die gleichen zu sein und sind es normalerweise auch nicht. Beispielsweise können zwei Rohre, die aus schmelzextrudiertem Polyethylen niedriger, mittlerer oder hoher Dichte bestehen, mit einem Verbinder, der aus dem gleichen oder einem davon verschiedenen schmelzextrudierten Polyethylen niedriger, mittlerer oder hoher Dichte besteht, mittels einer Dichtung miteinander verbunden werden, die ein leitfähiges Polymer auf Basis eines gesinterten ultrahochmolekularen Polyethylens aufweist.
Der Ausdruck "Verschmelzung" wird verwendet, um ein Verfahren zu bezeichnen, bei dem zwei polymere Substrate mit Hilfe von Wärme direkt miteinander verbunden werden und eine hinreichende molekulare Kompatibilität zwischen den Substraten besteht, so daß unter den Bedingungen des Verfahrens eine molekulare Diffusion über die Grenzfläche zwischen den Substraten stattfindet und/oder viskoelastischer Kontakt zwischen den Substraten besteht gemäß der Definition durch J.N. Anand in Adhesion 1 (1969), 16-23, und Adhesion 2 (1970), 16-22. Jeder Verschmelzungsprozeß, der bei der Erfindung abläuft, resultiert bevorzugt in einer Verbindung, deren mechanisches Verhalten demjenigen von mindestens einem der Gegenstände, die verschmolzen wurden (beispielsweise des Verbinders oder des Gegenstands, mit dem der Verbinder verbunden ist), überlegen ist. Die Oberflächen der Gegenstände, die einer Verschmelzung unterzogen wurden, werden als miteinander "verschmolzen" bezeichnet.
In den meisten Fällen ist/sind die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, erheblich dicker als mindestens ein Teil der Dichtung. Beispielsweise kann die Dicke jedes der Gegenstände 0,13-15,24 cm (0,05-6,0 inch), bevorzugt 0,25-5,08 cm (0,1-2,0 inch) betragen und ist normalerweise um nicht mehr als einen Faktor 5, bevorzugt nicht mehr als einen Faktor 3, verschieden, wohingegen die Dichtung normalerweise eine Dicke von nicht mehr als 0,38 cm (0,15 inch), bevorzugt nicht mehr als 0,13 cm (0,05 inch) hat, wenn die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, mit entgegengesetzten Flächen des leitfähigen Polymerelements verschmolzen sind.
Insbesondere, wenn eine (oder beide) der zu verbindenden Oberflächen, z. B. eine Oberfläche der rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und eine Oberfläche des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, aus einem nichtpolymeren Material, z. B. aus Beton oder einem Metall besteht, oder wenn eine unzureichende Kompatibilität zwischen den polymeren Materialien vorliegt, um die Durchführung einer Verschmelzung zu ermöglichen, z. B. wen eines oder beide aus einem Duroplastmaterial, z. B. einem Epoxid oder einem anderen Harz, das mit Glasfasern verstärkt ist, bestehen, kann ein Einsatzstück zwischen die zu verbindenden Oberflächen gelegt werden, wobei das Einsatzstück derart ist, daß, wenn es von dem leitfähigen Polymer erwärmt wird, es eine physikalische oder chemische Änderung erfährt, die die Oberflächen miteinander verbindet. So kann das Einsatzstück beispielsweise aus einem teilgehärteten härtbaren Harz oder einem Schmelzklebstoff (einschließlich eines polymeren Flächenkörpers, der ausreichend kompatibel ist, um mit jeder der Oberflächen verschmolzen zu werden) bestehen. Das Einsatzstück kann an der Dichtung oder an dem Gegenstand befestigt werden, bevor die Dichtung und die beiden Gegenstände zusammengebaut werden, oder es kann an Ort und Stelle eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Flächenkörper aus Polyethylen oder einem anderen isolierenden polymeren Material an einer oder beiden Flächen des leitfähigen Polymerelements befestigt werden. Wenn die zu verbindenden Oberflächen miteinander kompatibel sind, können in der Dichtung Öffnungen vorgesehen sein, so daß die erste und die zweite Oberfläche miteinander direkt durch die Öffnungen verschmolzen werden können.
Bei den oben definierten neuen Verbindern soll der Ausdruck "rohrförmige Komponente" jede Komponente einschließen, die bei dem Verfahren eine rohrförmige Konfiguration hat. So kann sie ein flexibles Band sein, das um den ersten Gegenstand gewickelt ist, oder ein gelenkiger Gegenstand, der mindestens zwei Elemente aufweist, von denen jedes mit mindestens einem anderen Element der Komponente verbunden ist, oder eine Vielzahl von zusammengesetzten Komponenten, die in situ miteinander zusammengesetzt werden können. Ein Teil des laminaren Heizelements oder ein zusätzliches laminares Heizelement kann verwendet werden, um benachbarte, beispielsweise überlappte, Teile der rohrförmigen Komponente miteinander zu verbinden, und zwar bevorzugt gleichzeitig mit dem Verbinden der Gegenstände miteinander.
Die nachstehende genaue Beschreibung der Erfindung ist in verschiedene Abschnitte und Unterabschnitte unterteilt. Es versteht sich, daß dies aus Gründen der Klarheit und Übersichtlichkeit geschieht und daß die relevante Offenbarung eines bestimmten Merkmals in mehr als einem Abschnitt oder Unterabschnitt enthalten sein kann, daß die Uberschriften der Abschnitte und Unterabschnitte nicht als irgendwie einschränkend anzusehen sind und die Offenbarung der vorliegenden Beschreibung alle zweckmäßigen Kombinationen von Informationen umfaßt, die in den verschiedenen Abschnitten und Unterabschnitten enthalten sind. Ebenso zeigen zwar die verschiedenen Figuren und ihre Beschreibungen spezielle Ausführungsformen der Erfindung, es versteht sich aber, daß, wenn im Zusammenhang mit einer bestimmten Figur ein bestimmtes Merkmal angegeben wird, dieses Merkmal auch im geeigneten Umfang im Zusammenhang mit einer anderen Figur oder der Erfindung im allgemeinen verwendet werden kann.

A. Dichtung

1. Stelle, an der Wärme erzeugt wird

Bei der vorliegenden Erfindung wird Wärme im wesentlichen nur dort erzeugt, wo sie gebraucht wird, d. h. an oder nahe den zu verbindenden Oberflächen. Das bietet deutliche Vorteile gegenüber bekannten Verfahren, bei denen Wärme an einem relativ entfernten Punkt erzeugt wird, so daß erhebliche Wärmebarrieren überwunden werden müssen, bevor die gewünschte Erwärmung erreicht wird, oder bei denen Wärme nicht nur an der gewünschten Stelle, sondern auch an anderen Stellen erzeugt wird. Beispielsweise werden der Stromverbrauch und die Aufheizdauer herabgesetzt, die aus einer Überhitzung resultierenden Schäden können eliminiert oder verringert werden. Die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, sowie alle Komponenten der Dichtung zusätzlich zu dem leitfähigen Polymer und Elektroden sind bevorzugt derart, daß in ihnen keine erhebliche Wärme erzeugt wird. Mindestens die Oberflächen der rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, sind bevorzugt nichtleitfähig, z. B. sie bestehen aus einer isolierenden polymeren Zusammensetzung. Wenn eine Oberfläche leitfähig ist, ist sie bevorzugt von dem leitfähigen Polymer durch eine Schicht eines nichtleitfähigen Materials getrennt.

2. Gestalt des leitfähigen Polymerelements

Es ist im allgemeinen erwünscht, daß Wärme über eine beträchtliche Fläche erzeugt wird, um eine zufriedenstellende Verbindung zwischen der (den) rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, herzustellen, und daß die Wärme auf solche Weise erzeugt wird, daß unter Berücksichtigung verschiedener Wärmeübertragungsraten in der Anordnung die Erwärmung in denjenigen Teilen der Anordnung, in denen eine Verschmelzung (oder Aktivierung eines auf Wärme ansprechenden Einsatzelements) gewünscht wird, im wesentlichen gleichmäßig ist.
Eine ungleichmäßige Erwärmung tendiert dazu, in einer ungleichmäßigen Verbindung zu resultieren und eine Überhitzung an den Stellen zu verursachen, an denen bei dem Versuch, ausreichend Wärme zu anderen Stellen zu liefern, an denen eine Verbindung gewünscht wird, Wärme erzeugt wird. Aus diesem Grund wird es bevorzugt, daß das leitfähige Polymer in Form eines laminaren Elements vorliegt, das einen relativ breiten und dünnen Querschnitt hat, beispielsweise ein Verhältnis von Breite zu Dicke von mindestens 8, bevorzugt mindestens 20, insbesondere mindestens 50, speziell 50200, beispielsweise 100-160. So kann das laminare leitfähige Polymerelement in Form eines Bands vorliegen, insbesondere eines flexiblen Bands, das eine Länge hat, die beispielsweise mindestens das Dreifache, bevorzugt mindestens das Sechsfache seiner Breite beträgt. Das laminare leitfähige Polymerelement hat im allgemeinen gleichförmige Breite und Dicke, aber es kann von nichtgleichförmiger Breite und/oder nichtgleichförmiger Dicke sein, beispielsweise gewellt, gerippt oder gerillt. Die durchschnittliche Dicke des Bands ist bevorzugt 0,013-0,38 cm (0,005-0,150 inch), insbesondere 0,25-0,13 cm (0,01-0,05 inch). Das Verhältnis der Gesamtoberfläche des Bands (d. h. beide Oberflächen einschließend) zu dem Volumen des Bands ist bevorzugt mindestens 7,87 cm&supmin;¹ (20 inch&supmin;¹), insbesondere mindestens 15,7cm&supmin;¹ (40 inch speziell 15,7-39,4 cm&supmin;¹ (40-100 inch&supmin;¹), beispielsweise 21,7-29,5 cm&supmin;¹ (55-75 inch&supmin;¹).

3. Elektroden

Die Elektroden werden bevorzugt an entgegengesetzten Randbereichen eines laminaren leitfähigen Polymerelements angeordnet; sie können teilweise oder vollständig in dem leitfähigen Polymerelement eingebettet oder an einer seiner Oberflächen, bevorzugt derselben Oberfläche, angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform fließt im wesentlichen der gesamte Strom in der Ebene des laminaren Elements, wenig oder nichts des erwärmten Bereichs des laminaren Elements ist von den Elektroden bedeckt, und die Wärme wird in einem Verbindungsabschnitt erzeugt, der erhebliche Breite und Länge hat und im wesentlichen frei von Metall ist. Somit hat der Verbindungsabschnitt im allgemeinen eine Fläche von mindestens 1,62 cm» (0,25 sq.in.), bevorzugt mindestens 6,45 cm» (1 sq.in.), insbesondere mindestens 25,8 cm» (4 sq.in.), speziell mindestens 64,5 cm» (10 sq.in.), und hat eine Breite, die bevorzugt mindestens 4,01 cm (0,4 inch), insbesondere mindestens 2,54 cm (1 inch), beispielsweise bis zu 25,4 cm (10 inch), und eine Länge, die bevorzugt mindestens 2,54 cm (1 inch), insbesondere mindestens 7,62 cm (3 inch), speziell mindestens 25,4 cm (10 inch), beispielsweise 50,8-508 cm (20-200 inch), beträgt. Es können viel größere Dimensionen verwendet werden. Beim Verbinden von großen Rohren kann die Verbindungsfläche beispielsweise 1290-1935 cm» (2000-3000 sq.in.) betragen. Ein großer metallfreier Verbindungsabschnitt ergibt wichtige Vorteile, weil die Anwesenheit von Metalldrähten oder -streifen (z. B Metalldrähten und -streifen, wie sie bei bekannten Verbindungsverfahren als Widerstandsheizelemente verwendet werden) in einem Verbindungsabschnitt die Gesamtfestigkeit der Verbindung häufig herabsetzt.
Die Elektroden, die im allgemeinen in den Dichtungen vorhanden sind, sind bevorzugt derart, daß in ihnen im wesentlichen keine Wärme erzeugt wird. Sie können jedoch solche Dimensionen und einen solchen spezifischen Widerstand haben, daß in ihnen erhebliche Wärme erzeugt wird, und zwar entweder gleichmäßig entlang ihrer Länge oder in einem gewünschten Muster. Die Elektroden bestehen bevorzugt aus Kupfer, aber sie können aus irgendeinem anderen Metall oder einem anderen Material mit geeignetem spezifischem Widerstand bestehen.
Die Elektroden sind bevorzugt Längselektroden (z. B. Metallbänder, Geflecht oder Silberfarbe oder eine Kombination davon), die entlang (oder nahe) den Kanten von einer oder beiden Oberflächen aufgebracht sind. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Elektroden an dem leitfähigen Polymer durch Verwendung eines leitfähigen Klebstoffs befestigt. Der leitfähige Klebstoff, der bevorzugt in Form eines selbsttragenden Bands vorliegt, das aus einem organischen Polymer und in diesem Polymer dispergiert einem teilchenförmigen leitfähigen Füllstoff besteht, wird zwischen dem Band und den Elektroden oder sonstigen laminaren Elementen positioniert, und die Anordnung wird unter Druck bei einer zum Schmelzen des Klebstoffs ausreichenden Temperatur laminiert.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist mindestens eine der Elektroden einen Kern von leitfähigem Klebstoff auf, der von einer Metallschicht, z. B. einem Geflecht, umgeben ist. Die Anbringung einer solchen Elektrode an der Oberfläche des Bands wird bevorzugt erreicht durch Anlegen einer Spannung an die Elektrode, um sie zu erwärmen, Positionieren der Elektrode an der Oberfläche des Bands und anschließendes Aufbringen von Druck, um die Elektrode auf die Oberfläche zu laminieren. Eine ausgezeichnete Haftung wird erreicht, wenn dem leitfähigen Klebstoff erlaubt wird, zu schmelzen und durch die Zwischenräume des Geflechts zu fließen und dadurch mit der Oberfläche des Bands in Kontakt zu gelangen. Es wird bevorzugt, daß die Elektrode auf eine Temperatur erwärmt wird, die mindestens 30 ºC, bevorzugt mindestens 50 ºC oberhalb des Schmelzpunkts oder der Aktivierungstemperatur des leitfähigen Klebstoffs liegt.

4. Das leitfähige Polymer

Wie oben gesagt, ist ein wichtiger Faktor der Erfindung die Tatsache, daß Wärme erzeugt wird, wo sie benötigt wird, wobei das leitfähige Polymerelement zwischen den zu verbindenden Oberflächen eingeschlossen und in innigem Kontakt mit ihnen gehalten wird. Das hat wichtige Auswirkungen auf die bevorzugte Beschaffenheit des eingesetzten leitfähigen Polymers und die Rate, mit der Energie darin erzeugt wird.
Da das leitfähige Polymer von den ihm benachbarten Komponenten umgeben und damit in innigem Kontakt ist und weil es relativ dünn ist, kann Wärme davon sehr gleichmäßig und wirkungsvoll abgeführt werden. Es ist daher möglich, das leitfähige Polymer auf eine Temperatur zu erwärmen, die gut über seinem Schmelzpunkt liegt, und es auf einer solchen Temperatur über einen relativ langen Zeitraum zu halten, und zwar ohne die Gefahr, daß ein Teil davon durch überhitzung abgebaut wird und somit zu einer Schwachstelle in dem Verbindungsabschnitt führt. Die Erzeugung von hohen Temperaturen auf diese Weise ist sehr nützlich, um ein rasches Schmelzen und dementsprechendes Verschmelzen von benachbarten polymeren Oberflächen oder ein rasches Aushärten eines härtbaren Harzes oder eine rasche Aktivierung eines Schmelzklebstoffs oder dergleichen zu gewährleisten. Wenn andererseits das leitfähige Polymer bei der erhöhten Temperatur zu flüssig wird, tendiert es zum Fließen, um so den gewünschten Stromfluß zu unterbrechen und die Menge und/oder die Verteilung der in ihm erzeugten Wärme zu ändern. Ein Fließen des leitfähigen Polymers aus der Ausnehmung heraus tendiert auch dazu, den Druck zwischen den verschiedenen Elementen herabzusetzen und in einer weniger wirkungsvollen Verbindung zu resultieren. aus diesen Gründen wird es bevorzugt, ein leitfähiges Polymer zu verwenden, das oberhalb seines Schmelzpunkts erhebliche mechanische Festigkeit behält, beispielsweise ein Polymer, das bei einer Temperatur von 50 ºC über seinem Erweichungspunkt einen Schmelzfluß- Index von weniger als 0,3 g/10 min, insbesondere weniger als 0,1 g/10 min, speziell weniger als 0,05 g/10 min, bei einer Belastung von 3 kg und einen Schmelzfluß-Index von weniger als 3,0 g/10 min, insbesondere weniger als 1,0 g/10 min, speziell weniger als 0,1 g/10 min bei einer Belastung von 15 kg hat. Ein Fließen des stromführenden leitfähigen Polymers kann außerdem dadurch minimiert werden, daß ein oder mehr Barrieren gegen ein solches Fließen um das stromführende leitfähige Polymer herum angebracht werden. Eine solche Barriere kann beispielsweise durch einen benachbarten und integralen Bereich von leitfähigem Polymer gebildet werden, durch den nur wenig oder kein Strom fließt, oder durch eine benachbarte Barriere eines isolierenden Polymers, die von dem leitfähigen Polymer getrennt oder damit integral sein kann.
Ebenso, wie ein Fließen des leitfähigen Polymers aus der Ausnehmung heraus die verfügbaren Verbindungsdrücke herabsetzt, erhöht eine Ausdehnung des leitfähigen Polymers die Verbindungsdrücke. Es wird daher bevorzugt, ein leitfähiges Polymer zu verwenden, dessen Volumen wesentlich zunimmt, während es erwärmt wird, bevorzugt eines, dessen Volumen um mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 15 % zunimmt, wenn es von 23 ºC auf den Schmelzpunkt von mindestens einem Teil der polymeren Komponente des leitfähigen Polymers aufgeheizt wird. In vielen Fällen wird das leitfähige Polymer auf eine erheblich über seinem Schmelzpunkt liegende Temperatur erwärmt, und während einer solchen Erwärmung dehnt es sich weiter aus. Bevorzugt erhöht sich das Volumen des leitfähigen Polymers um mindestens 20 %, insbesondere mindestens 25 %, speziell mindestens 30 %, zwischen Raumtemperatur und der höchsten Temperatur, die es während des Verfahrens erreicht.
Wenn, was bevorzugt wird, das leitfähige Polymer mit einer benachbarten polymeren Oberfläche verschmolzen wird, muß es auf eine ausreichend hohe Temperatur erwärmt werden, damit die Verschmelzung stattfindet. Wenn das leitfähige Polymer PTC-Verhalten zeigt, kann es eventuell eine ausreichend hohe Temperatur nicht erreichen. Es wird daher bevorzugt, daß das leitfähige Polymer in dem Betriebstemperaturbereich im wesentlichen ein ZTC-Verhalten zeigen sollte und daß insbesondere sein spezifischer Widerstand um einen Faktor von weniger als 5, bevorzugt weniger als 2, insbesondere weniger als 1,3, über einen Temperaturbereich von 23 ºC bis 250 ºC und/oder über einen Temperaturbereich von 23 ºC bis (Tm + 50) ºC zunehmen sollte, wobei Tm der Erweichungspunkt der Zusammensetzung ist.
Unter Berücksichtigung der oben angegebenen bevorzugten Merkmale weisen leitfähige Polymere, die bei der Erfindung besonders nützlich sind, folgendes auf und bestehen bevorzugt im wesentlichen aus:
(a) einer Matrix, die im wesentlichen aus organischen Polymerteilchen besteht, die zusammengesintert sind, so daß die Teilchen zusammengewachsen sind, ohne ihre Identität vollständig zu verlieren, und zwar insbesondere Teilchen von ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMWPE), und
(b) einen teilchenförmigen Füllstoff, bevorzugt Ruß, der in der Matrix dispergiert ist, aber im wesentlichen nur an oder nahe den Grenzen der zusammengewachsenen Teilchen anwesend ist.
Derartige gesinterten leitfähigen Polymere sind beispielsweise in der EP-Anmeldung 157 640 beschrieben. Ultrahochmolekulares Polyethylen hat im allgemeinen ein Molekulargewicht von mindestens 1,5 Millionen, bevorzugt höher als 3,0 Millionen, beispielsweise 4-6 Millionen. Andere Polymere, die gesintert werden können, umfassen Polytetrafluorethylen, Polyphenylensulfid und Polyimide.
Gesinterte leitfähige Polymere können hergestellt werden durch Sintern eines Trockengemischs der Polymerteilchen und des Füllstoffs. Ein typisches Verfahren umfaßt das Verdichten des Trockengemischs, Sintern des verdichteten Gemischs bei oder oberhalb Atmosphärendruck und bei einer Temperatur, bei der das Polymer erweicht, aber nicht zu stark fließt, gefolgt von Abkühlen unter Druck. Das Sintern wird bevorzugt als ein Teil eines Ram-Extrusionsverfahrens durchgeführt, wobei ein Stab erzeugt wird, und der Stab wird dann auf einer Drehbank abgeschält oder anderweitig maschinell bearbeitet, um ein leitfähiges Polymerband mit gewünschter Oberflächentextur und Gestalt herzustellen. Für viele Zwecke ist ein Band mit im wesentlichen Rechteckquerschnitt befriedigend, aber falls gewünscht kann ein gewelltes, geripptes oder gerilltes Band unter Verwendung eines Schälmessers geeigneter Gestalt erhalten werden. Eine solche unregelmäßige Gestalt kann vorteilhaft sein, um Drücke an gewünschten Stellen zu konzentrieren und/oder die Oberfläche des Bands zu vergrößern, beispielsweise zum Zweck der Wärmeübertragung oder des Verbindens.
Weitere leitfähige Polymere, die verwendet werden können, umfassen solche, die auf den sogenannten Polyethylenen mit sehr hohem Molekulargewicht (VHMWPE) basieren, die Molekulargewichte von weniger als 1,5 Millionen haben und mittels Schmelzextrusion verarbeitet werden können. Polyethylene mit sehr hohem Molekulargewicht haben im allgemeinen ein Molekulargewicht im Bereich von 150.000-600.000, bevorzugt 200.000-400.000.
Der spezifische Widerstand der bei der Erfindung verwendeten polymere ist im allgemeinen recht niedrig, beispielsweise unter 1000 Ω cm, insbesondere unter 100 Ω cm, speziell unter 10 Ω cm, beispielsweise im Bereich von ca. 0,5-10 Ω cm. Der gewünschte spezifische Widerstand hängt zum Teil von der Stromquelle ab, die irgendeine Stromquellenart sein kann, z. B. Gleichstrom mit 6-48 V oder Wechselstrom mit ca. 120 oder 240 V. Das Sintern erzeugt einen niedrigen spezifischen Widerstand mit einer geringeren Beladung mit leitfähigem Füllmaterial als bei einem schmelzvermischten Produkt. Somit enthalten die bevorzugten gesinterten Zuammensetzungen zur Verwendung bei der Erfindung weniger als 9 Vol.-%, bevorzugt weniger als 7 Vol.-%, insbesondere 2-6 Vol.-% Ruß und/oder ein anderes leitfähiges Füllmaterial. Besonders bevorzugte Ruße sind diejenigen, die von Akzo Chemie unter dem Warennamen Ketjenblack EC und von Degussa unter dem Warennamen Printex XE-2 vertrieben werden. Die niedrigen Rußpegel tragen dazu bei, die gewünschten physikalischen Eigenschaften des Polymers wie Flexibilität, gute Bruchdehnung, hohe Zugfestigkeit, gute Schlagbiegefestigkeit und gute chemische Beständigkeit aufrechtzuerhalten. Das leitfähige Polymer kann fakultativ vernetzt werden, wenn dadurch nicht irgendeine gewünschte Verschmelzung des Polymers verhindert wird.

5. Verfahren der Montage sowie Gestalt der Dichtung

Die Dichtung sollte bevorzugt so sein, daß, wenn die Dichtung und die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, relativ zueinander bewegt werden, ein guter Preßsitz zwischen ihnen erreicht werden kann, wodurch der gewünschte innige Kontakt erzielt wird. Wenn die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, einander benachbart angeordnet werden und die Dichtung in der Ausnehmung zwischen ihnen angeordnet wird, oder wenn die Dichtung vorher mit der (den) rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders verbunden wird, aber nicht in innigem Kontakt mit diesem Gegenstand ist, erzeugt die Relativbewegung bevorzugt den gewünschten innigen Kontakt zwischen der (den) rohrbildenden Komponente(n) und dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist. Wenn die Dichtung bereits in innigen Kontakt mit der (den) rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders gebracht worden ist, beispielsweise durch Vormontage, erzeugt die Relativbewegung einen innigen Kontakt zwischen den Flächen, die sich noch nicht in innigem Kontakt befinden, beispielsweise zwischen der Dichtungsoberfläche und dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist. In vielen Fällen bedeutet die Forderung nach innigem Kontakt, daß die Dichtung einen relativ breiten und dünnen Querschnitt, z. B. ein Verhältnis von Breite zu Dicke von mindestens 4, bevorzugt mindestens 10 und häufig erheblich mehr, beispielsweise mindestens 50, insbesondere 50-200, speziell 100-160, hat. Daher kann die Dichtung als Band vorhanden sein, das im allgemeinen gleichförmige Breite und Dicke hat, jedoch auch nichtgleichförmige Breite und/oder nichtgleichförmige Dicke haben kann. In vielen Fällen ist es erwünscht, daß das Band ausreichend flexibel ist, um in die Ausnehmung eingesetzt zu werden, beispielsweise eine Ausnehmung zwischen einem Rohr und einem Verbinder, und eine Länge hat, die beispielsweise mindestens das Dreifache, bevorzugt mindestens das Sechsfache seiner Breite beträgt und viel größer sein kann.

6. Formanpassung von Gegenständen aneinander bei der Montage

Die Relativbewegung der rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, sowie der Dichtung kann das sehr erwünschte Resultat haben, die Gestalt von einem oder beiden von (a) der rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und (b) des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, zu ändern, so daß die Ausnehmung zwischen ihnen im wesentlichen gleichmäßige Dimensionen hat. Beispielsweise kann ein unrundes Rohr in einen runden Verbinder eingebracht werden, und die Dichtung kann verwendet werden, um das Rohr zu runder Form zu pressen. Alternativ kann die Dichtung ihre Gestalt unter Druck ändern, um eine Ausnehmung mit unregelmäßigen Dimensionen auszufüllen.

7. Raten mit der Strom erzeugt wird, und Temperaturverteilung

Eines der bedeutenden Merkmale der Erfindung ist die hohe Rate, mit der Strom in dem leitfähigen Polymer erzeugt werden kann (ohne einen merklichen Abbau desselben zu bewirken), und zwar über Zeiträume, die lang genug sind, um die gewünschte Verschmelzung (oder eine andere physikalische oder chemische Auswirkung) an den Grenzen des leitfähigen Polymerheizelements zu erzeugen. Das macht es möglich, Stromquellen mit viel höheren Spannungen einzusetzen, als sie bisher möglich waren; es muß jedoch daran erinnert werden, daß die Heizdauer umso sorgfältiger gesteuert werden muß, je höher die Spannung ist. So kann eine Wechselspannung von 600 V oder höher angewandt werden. Bei einem anderen Verfahren kann die Heizeinrichtung durch die Entladung von ein oder mehr Kondensatoren mit Energie versorgt werden, wodurch sowohl eine hohe Spannung als auch ein gesteuerter Gesamtenergieverbrauch erreicht werden.
Die Stromquelle und das leitfähige Polymerelement sind bevorzugt derart, daß die Ausgangsleistung des Elements 0,78-18,6, insbesondere 1,09-6,20, speziell 1,55-3,1 W/cm» (5-120, insbesondere 7-40, speziell 10-20 W/sq.in.) der Gesamtoberfläche des Elements (beide Oberflächen umfassend) ist. Einer der Vorteile der Erfindung ist es, daß die gesamte verbrauchte Energie begrenzt ist, weil im wesentlichen die gesamte Wärme an der gewünschten Stelle erzeugt wird. Daher beträgt die Energiedichte P x t/A
(wobei P die Leistung in W/s, t die Zeit in Sekunden, während der das leitfähige Polymerheizelement angeschlossen ist, und A die Gesamtoberfläche in square inches des Heizelements, d. h. seine beiden Oberflächen einschließend, ist) im allgemeinen 10-100.000, bevorzugt 50-25.000, insbesondere 100-5000 für eine Dauer (t), die im allgemeinen kürzer als 1500 s, bevorzugt kürzer als 800 s, insbesondere kürzer als 150 s, speziell 10-120 s ist. Das leitfähige Polymerelement ist, wenn es an einer oder beiden Seiten mit einem festen Substrat in Kontakt ist, bevorzugt fähig, einer Strombelastung von mindestens 50 W/cm³ insbesondere mindestens 100 W/cm³, beispielsweise bis zu 200 W/cm³ oder noch höher, standzuhalten. Die verschiedenen oben angegebenen Werte gelten für stabile Bedingungen. Wenn die Stromquelle erstmals eingeschaltet wird, sind die Werte für eine sehr kurze Zeit normalerweise höher, z. B. zweimal so hoch, weil das leitfähige Polymer eine gewisse Erhöhung des spezifischen Widerstands mit der Temperatur zeigt.
Eine weitere Möglichkeit, den Unterschied zwischen dem vorliegenden Verfahren und solchen Verfahren, bei denen ein relativ dickes leitfähiges Polymerheizelement verwendet wird, größenmäßig aufzuzeigen, besteht darin, den Temperaturgradienten über das leitfähige Polymerelement zu betrachten, der bei der Erfindung relativ klein ist. Wir glauben daher, daß bei dem Verfahren nach der Erfindung die maximale Temperaturdifferenz zwischen dem Zentrum des leitfähigen Polymerelements und der Außenfläche des Elements im allgemeinen niedriger als 150 ºC, bevorzugt niedriger als 100 ºC, insbesondere niedriger als 75 ºC, speziell niedriger als 50 ºC ist.
Die Temperaturen, die an den zu verbindenden Oberflächen erreicht werden sollten, hängen von der Art und Weise ab, in der die Flächen miteinander zu verbinden sind, sowie von der Beschaffenheit der Materialien an der Zwischenfläche. Im allgemeinen ist es umso besser, je höher die Temperatu8r ist, allerdings unter der Bedingung, daß keines der Materialien verschlechtert wird. Wenn eine Verschmelzung gewünscht wird, übersteigt die Temperatur bevorzugt den Schmelzpunkt des Materials an jeder Oberfläche. Wenn die Verbindung über ein Einsatzelement erreicht wird, muß die Temperatur ausreichen, um das Einsatzelement zu aktivieren. Bei bevorzugten Verfahren wird eine Temperatur von mindestens 135 ºC, bevorzugt mindestens 150 ºC, insbesondere mindestens 200 ºC, speziell mindestens 250 ºC, beispielsweise 300 ºC oder mehr erreicht.
Wir haben gefunden, daß, wenn die Oberflächen zusammenzuschmelzen sind, die Rate und Dauer des Heizvorgangs bevorzugt derart sind, daß das Material an jeder der Oberflächen bis auf eine Tiefe angeschmolzen wird, die mindestens ausreicht, um eine molekulare Diffusion über die Zwischenfläche zuzulassen. Wenn andererseits die Oberfläche bis zu einer zu großen Tiefe angeschmolzen wird, ist das nicht nur eine Energieverschwendung, sondern kann auch bei der Abkühlung zur Bildung von Hohlräumen führen. Die Oberfläche wird bevorzugt bis auf eine Tiefe von 0,05-0,25 cm (0,02-0,1 inch), insbesondere 0,089-0,20 cm (0,035-0,08 inch), speziell 0,10-0,15 cm (0,04-0,06 inch), angeschmolzen. Falls gewünscht, kann die Tiefe, bis zu der ein Schmelzen erfolgt ist, mit Hilfe von Löchern, die von der Außenseite des Gegenstands gebohrt werden, und Belassen einer präzise bekannten Wanddicke zwischen dem Grund des Lochs und der Oberfläche, die mit der Dichtung durch Verschmelzen zu verbinden ist, überwacht werden; sobald ein Schmelzen bis zum Grund des Lochs erfolgt ist, wird geschmolzenes polymeres Material durch das Loch extrudiert. Wenn die Schmelztiefe zu groß ist, kann sie durch Erhöhen der Energie und Herabsetzen der Heizdauer verringert werden.

8. Verwendung von leitfähigen Brücken zur Steuerung der Wärmeerzeugung

Wir haben gefunden, daß es manchmal schwierig oder unmöglich ist sicherzustellen, daß die gesamte Dichtung innigen Kontakt mit einem anderen festen Körper herstellt, so daß Wärme sehr rasch durch die gesamte Dichtungsfläche abgeführt wird. Wenn beispielsweise ein Verbinder, der eine rohrbildende Komponente bzw. Komponenten und eine Dichtung bzw. Dichtungen aufweist, um die Enden von zwei zu verbindenden Rohren gewickelt wird, dann kann, wenn die Rohrenden nicht exakt zusammengefügt sind (was selten der Fall ist), in dem leitfähigen polymer, das über dem Zwischenraum zwischen den Rohren liegt, zu viel Wärme erzeugt werden. Dieses Problem kann gelöst werden durch Verwendung einer Vielzahl von leitfähigen Polymerheizelementen, die jeweils ihre eigenen Elektroden haben. Wir haben jedoch gefunden, daß es eine bessere Lösung ist, eine leitfähige Brücke über oder durch den Teil des leitfähigen Polymerelements vorzusehen, der eventuell überhitzt werden könnte. Die leitfähige Brücke kann beispielsweise eine Schicht eines Materials mit niedrigem spezifischem Widerstand, z. B. ein Silber oder ein anderes Metall aufweisendes Material, sein, das beispielsweise durch Aufdrucken auf geeignete Teile einer Oberfläche des leitfähigen Polymerelements aufgebracht worden ist. Die Brücke stellt sicher, daß wenig oder keine Wärme in dem leitfähigen Polymer in dem Brückenbereich erzeugt wird. Die Brücke selbst hat bevorzugt geringen Widerstand, so daß in ihr im wesentlichen keine Wärme erzeugt wird, aber sie kann gewählt sein, um eine kontrollierte Wärmemenge zu erzeugen, und zwar weniger, als in dem leitfähigen Polymer ohne die Brücke erzeugt werden würde. Die Brücke ist bevorzugt geformt, um eine unerwünschte Stromkonzentration zu vermeiden; beispielsweise hat eine Brücke in Form einer Halbinsel bevorzugt ein rundes oder spitzes Ende. Die Elektroden und/ oder die Brücke können beispielsweise hergestellt werden, indem eine kontinuierliche Metallschicht an der Oberfläche eines leitfähigen Polymerelements geätzt wird.
Eine leitfähige Brücke kann auch verwendet werden, um die effektive Gestalt von bandförmigen Elektroden zu ändern, die entlang der Seite des leitfähigen Polymerelements verlaufen. Beispielsweise kann die Anwesenheit einer zentralen leitfähigen Brücke entlang einem Teil der Länge eines Heizelements das Heizelement veranlassen, in dem Endbereich, der die zentrale leitfähige Brücke nicht enthält, erheblich heißer zu sein. Um das zu vermeiden, können leitfähige Brücken über jeder der Elektroden in dem Endbereich angebracht sein, um die Pfadlänge zwischen ihnen zu verkürzen und die Erwärmung zu vergleichmäßigen. Das ist beispielsweise in Figur 6 veranschaulicht.

9. Fenster in leitfähigen Polymerelementen

Die Verwendung einer leitfähigen Brücke ergibt zwar häufig sehr günstige Ergebnisse, aber die Unfähigkeit, einen Teil des leitfähigen Polymers zu erwärmen, kann ein ungleichmäßiges körperliches Ansprechen der Dichtung insgesamt erzeugen, was unerwünscht ist. In manchen Fällen kann es daher erwünscht sein, einen Teil des gesamten leitfähigen Polymers in dem Brückenbereich zu schwächen oder zu entfernen; das kann es notwendig machen, eine körperlich festere leitfähige Brücke zu verwenden, als sie sonst nötig wäre.
Ein spezielles Beispiel dafür kann sich ergeben, wenn ein Heizelement mit einer leitfähigen Brücke, jedoch ohne Fenster darin, mit der (den) rohrbildenden Komponente(n) eines vormontierten zusammengesetzten Verbinders, der zum Verbinden von zwei Rohren verwendet wird, verschmolzen wird. Wenn der zusammengesetzte Gegenstand in innigen Kontakt mit den Rohren mit Hilfe von Metallbändern oder einem anderen nicht- elastischen Material gebracht wird, kann die Ausdehnung des Heizelements nur dadurch aufgenommen werden, daß die Rohre voneinander weggedrückt werden. Dieses Problen stellt sich nicht, wenn die Halteeinrichtung ausreichende Elastizität hat, um zuzulassen, daß die Ausdehnung radial stattfindet. Das Problem stellt sich ebenfalls nicht, wenn das Heizelement nicht mit dem Verbinder verschmolzen wird und Platz für das leitfähige Polymer in dem Brückenbereich vorhanden ist, um sich zwischen den Rohrenden hochzuwölben. Wenn in dem Brückenbereich ein Fenster vorhanden ist, kann die Ausdehnung durch eine Bewegung des leitfähigen Polymers in das Fenster aufgenommen werden. Eine Bewegung dieser Art kann insofern günstig sein, als sie ein gegenseitiges Durchdringen der Materialien an der Grenzfläche bewirkt.

10. Nichtwärmerückstellbare und wärmerückstellbare Gegenstände und Dichtungen

Einer der Vorteile der Erfindung im Vergleich mit vielen früher vorgeschlagenen Verfahren ist, daß im allgemeinen sehr gute Ergebnisse erhalten werden können, wenn die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, sowie die Dichtungen nicht wärmerückstellbar sind. Wenn hier gesagt wird, daß ein Gegenstand "nicht wärmerückstellbar" ist, so heißt das, daß, wenn der Gegenstand für sich auf eine bei dem Verfahren angewandte Temperatur erwärmt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, seine Dimensionen bei Raumtemperatur durch dieses Erwärmen und Abkühlen nicht wesentlich geändert werden (z. B. ändert sich keine Dimension um mehr als 10 %). Es versteht sich aber, daß die Erfindung die Möglichkeit nicht ausschließt, daß die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders, der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, oder die Dichtung wärmerückstellbar ist. Wenn beispielsweise die Ausnehmung zwischen der (den) rohrbildenden Komponente(n) des Verbindes und dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, relativ breit oder von unregelmäßiger Gestalt ist, kann es sogar erwünscht sein, daß mindestens ein Teil der Dichtung wärmerückstellbar ist, um sicherzustellen, daß sie die Ausnehmung ausfüllt und/oder ein Abdichtmaterial in eine gewünschte Richtung treibt. Wenn die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders oder der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, wärmeruckstellbar sind, ist es unwahrscheinlich, daß die Dichtung ausreichend Wärme liefert, um eine zufriedenstellende Rückstellung zu bewirken, so daß eine zusätzliche Wärmequelle benötigt wird.

11. Halteeinrichtungen, um Gegenstände in ihrer Lage zu halten

Halteeinrichtungen, z. B. Klemmvorrichtungen, können im Zusammenhang mit dem Verbinder verwendet werden. Sie können verwendet werden, um sowohl die Relativbewegung zu verursachen, die den gewünschten innigen Kontakt erzeugt, als auch den innigen Kontakt zu unterhalten. Zweckmäßige Halteeinrichtungen können von geeigneter Art sein. Wenn beispielsweise die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders in innigen Kontakt mit der Außenseite des Gegenstands, beispielsweise eines Rohrs, gedrückt wird, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, kann elastomeres organisches Material irgendeiner Art um den ersten und den zweiten Gegenstand herumgewickelt werden. Schlauchklemmen und dergleichen können ebenfalls verwendet werden. Techniken und Materialien der Art, wie sie zum Festspannen von Lasten auf Paletten verwendet warden, z. B. Stahlbänder, die mittels Sperrgriffen gespannt werden, sind ebenfalls brauchbar, wenn größere Kräfte benötigt werden. Wir haben auch ausgezeichnete Ergebnisse erhalten bei der Verwendung eines wärmeschrumpfbaren polymeren Bands, das fest um die beiden Gegenstände herumgewickelt ist. Als Ergebnis der in der Dichtung erzeugten Wärme, erforderlichenfalls durch externes Heizen unterstützt, schrumpft das Band und stellt damit sicher, daß der gewünschte innige Kontakt unterhalten wird. Die erforderliche Schrumpfung ist gering, z. B. weniger als 10 %. Viele polymere Bänder, z. B. Polyimidbänder, schrumpfen bei Erwärmung in diesem Ausmaß.
Die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders kann/können außerdem im Inneren eines hohlen Gegenstands, z. B. im Inneren eines Rohrs, angebracht werden, um damit verbunden zu werden, und in innigen Kontakt mit dessen Innenfläche durch eine Ausdehnungseinrichtung getrieben werden, die beispielsweise durch mechanisch erzeugte Kräfte oder durch einen Balg, der durch hydraulische oder andere Kräfte expandiert, ausgedehnt wird.
Falls gewünscht, kann die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders oder der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, ein oder mehr Nuten, Rippen, Haken oder sonstige Vertiefungen oder Vorsprünge aufweisen, die mit einer Halteeinrichtung zusammenwirken, um innigen Kontakt zu bewirken. Es ist auch möglich, daß die Halteeinrichtung selber an der (den) rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders und an dem Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, befestigt wird, damit die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und der Gegenstand, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, jeweils einen Teil einer Halteeinrichtung aufweist, so daß bei der Montage die Teile zusammenwirken, um eine Halteeinrichtung zu bilden.

12. Verbindungstechniken

Wir haben erkannt, daß inniger Kontakt erreicht werden kann, indem ein mit dem Verbinder zu verbindender Gegenstand (z. B. ein Rohr oder Rohre), der relativ fest und steif ist, und rohrbildende Komponente(n) des Verbinders, die relativ verformbar sind, verwendet werden, und daß die rohrbildenden Komponenten des Verbinders an den Gegenstand, mit dem er zu verbinden ist, gedrückt werden, wobei ein oder mehr Dichtungen dazwischen eingeschlossen sind. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Vorgehens ist, daß die Dichtung oder Dichtungen an dem Verbinder befestigt werden können, bevor der Verbinder um den Gegenstand, mit dem er zu verbinden ist, angeordnet wird, wodurch gewährleistet wird, daß die Dichtung(en) die richtige Lage hat (haben). Die Dichtung oder Dichtungen haben die Funktion, sowohl den Verbinder mit dem Gegenstand als auch überlappte Teile des Verbinders miteinander zu verbinden, um eine ordnungsgemäße dichte Verbindung zu gewährleisten. Die soeben beschriebenen Techniken können auch angewandt werden, wenn der "Verbinder" nicht zwei Rohre miteinander verbindet, sondern stattdessen ein einziges Rohr oder ein anderes Substrat repariert oder anderweitig modifiziert.
Ähnliche Techniken können auch angewandt werden, um eine (mehrere) rohrbildende Komponente(n) des Verbinders im Inneren eines hohlen Gegenstands zu befestigen, wobei der Durchmesser der rohrbildenden Komponente(n) durch das Aufbringen von mechanischen Kräften vergrößert wird.

13. Flexible Bänder und Umwickelverbinder

Bei einer Ausführungsform ist die rohrbildende Komponente des Verbinders ein flexibles Band, und an einer Fläche davon ist eine flexible laminare Dichtung befestigt; der kombinierte Verbinder wird eng um den Gegenstand gewickelt, mit dem er zu verbinden ist; das Umwickelende wird in seiner Lage festgelegt, Wärme wird erzeugt, indem elektrischer Strom durch das Heizelement geleitet wird; und die in der Dichtung erzeugte Wärme veranlaßt das Band, mit dem Gegenstand in dem nichtüberlappten Bereich und mit sich selber in dem überlappten Bereich verbunden zu werden. Der Ausdruck "Band" wird hier in einem sehr weiten Sinn verwendet, um jeden langgestreckten Gegenstand zu bezeichnen, der einen im wesentlichen flachen Querschnitt hat, und schließt somit beispielsweise Gegenstände ein, deren unbeanspruchte Konfiguration flach ist, und Gegenstände, deren unbeanspruchte Konfiguration gewölbt ist, was im wesentlichen rohrförmig einschließt. Die Ausdrücke "flexibel" und "umwickelt" werden hier in weitgefaßtem Sinn gebraucht, um jeden Gegenstand zu bezeichnen, der quer über ein Rohr oder ein anderes Substrat geführt und dann durch das Aufbringen von mechanischen Kräften in innigen Kontakt mit dem Substrat gebracht werden kann.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann daher das Band ein relativ dünnes, flaches polymeres Band sein, so daß der Kombinationsgegenstand ohne weiteres von Hand in Vielfachwindungen um den Gegenstand herumgewickelt werden kann. Alternativ kann das Band ein relativ dicker und gewölbter Gegenstand sein, der durch Anbringen von ein oder mehr Längseinschnitten in einem polymeren Rohr erhalten ist, dessen Innendurchmesser größer, bevorzugt nur geringfügig größer, als der Außendurchmesser des Gegenstands ist. Eine laminare Dichtung wird dann an der Innenfläche des Bands angebracht. Der kombinierte Verbinder wird quer über den Gegenstand geführt und dann in innigen Kontakt mit dem Band gepreßt. Sehr hohe Anpreßkräfte können angewandt werden, die oft nur durch die Notwendigkeit begrenzt sind, den Gegenstand nicht zu verformen. Bevorzugt hat der Verbinder die erforderliche Flexibilität bei Raumtemperatur, aber die Erfindung umfaßt die Möglichkeit, den Verbinder zu erwärmen, z. B. indem Strom durch das leitfähige Polymer geleitet wird, um seine Flexibilität zu erhöhen, bevor er um das Substrat herumgewickelt wird.
Wenn das Band nicht ausreichend dünn ist, um dies unnötig zu machen, ist die überdeckte Kante des flexiblen Bands bevorzugt abgeschrägt, um einen gleichmäßigen Übergang vorzusehen und sicherzustellen, daß kein Hohlraum zwischen der Dichtung und dem zweiten Gegenstand in diesem Bereich vorliegt. Wenn das Band ein relativ dickes und unflexibles Band ist, so daß es in seine Lage gepreßt werden muß, trägt eine solche abgeschrägte Kante auch dazu bei, daß die äußere Umwicklung über den Ubergang gleitet und dadurch der erwünschte innige Kontakt erzielt wird.
Wenn ein relativ dünnes und flexibles polymeres Band verwendet wird, kann je nach der Dicke des Bands und den beim fertigen Gegenstand erforderlichen Eigenschaften der Grad der Umwicklung entweder gerade ausreichend sein, um die umwickelten Ränder abzudichten, oder es kann eine Vielzahl von Windungen vorgesehen sein, um verbesserte körperliche Eigenschaften zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich kann die körperliche Festigkeit des Verbinders mit Hilfe eines äußeren Verbinders erhöht werden (der fakultativ auch als Halteeinrichtung während des Erwärmungsschritts dient); da der Verbinder der Erfindung eine Abdichtung um das (die) Rohr(e) herum schafft, braucht der äußere Verbinder dies nicht zu tun.
Wenn ein relativ dickes und unflexibles polymeres Band verwendet wird, z. B. ein aus einem Rohr geschnittenes Band, ist der Überlappungsbereich häufig auf die abgeschrägte untere Kante des Verbinders beschränkt. In diesem Fall ist die überlappende Kante bevorzugt ebenfalls abgeschrägt, so daß sie mit der unteren Kante zusammenpaßt, aber fähig ist, über sie zu gleiten.

15. Verwendung von Verbindern mit gleitenden Kanten

Der soeben beschriebene einstückige Umwickelverbinder mit abgeschrägten Kanten ist ein Beispiel einer bevorzugten Klasse von Verbindern, und zwar solcher, die zusammenpassende Kanten haben, die einander berühren (normalerweise durch eine Dichtung), wenn sich der Verbinder an Ort und Stelle befindet, und die relativ zueinander in einer Umfangsrichtung gleiten können, wenn geeignete mechanische Kräfte angewandt werden, um den Durchmesser des Verbinders zu ändern, und zwar normalerweise herabzusetzen. Bevorzugt werden die zusammenpassenden Kanten gebildet oder könnten theoretisch gebildet sein durch Aufschneiden eines Rohrs von einem Ende zum anderen entlang einer Schneidfläche, die bei Projektion nicht durch die Mitte des Rohrs geht, bevorzugt entlang einer Ebene, die zu der Rohrachse parallel ist und die einen Winkel von 0º bis weniger als 90º, z. B. 0-45º, bevorzugt 0-20º, speziell 0-10º, mit einer Ebene bildet, die zu der Innenfläche des Rohrs an dem Punkt tangential ist, an dem die Schneidfläche die Innenfläche des Rohrs schneidet. Es können aber auch andere, komplexere Gestalten, beispielsweise abgestufte Konfigurationen, verwendet werden.

14A. Nichtumwickelverbinder mit gleitenden Kanten

Der am Ende von Abschnitt 13 beschriebene einstückige Umwickelverbinder mit abgeschrägten Kanten, der durch Längsaufschneiden eines polymeren Rohrs erhalten ist, kann natürlich, wenn das Ende des Rohrs zugänglich ist, verwendet werden, indem er in Längsrichtung über das Rohr geführt wird. Außerdem kann in einem solchen Fall auch ein Verbinder verwendet werden, der ähnliche Konstruktion hat, aber ungenügende Flexibilität aufweist, um als ein Umwickelgegenstand verwendet zu werden, obgleich er ausreichend Flexibilität behält, um in innigen Kontakt mit dem Substrat gepreßt zu werden. So kann ein Nichtumwickelverbinder aus einem steiferen Material bestehen und/oder größere Wandstärke haben.

14B. Gelenkige Umwickelverbinder mit gleitenden Kanten

Wenn es erwünscht ist, als Umwickelverbinder einen einstückigen Verbinder zu verwenden, der ungenügende Flexibilität hat, um quer über das Substrat geführt zu werden, besteht eine Möglichkeit, das gewünschte Ergebnis zu erzielen, darin, mindestens eine längs verlaufende Schwächungslinie in dem Verbinder zu bilden und dadurch seine Flexibilität zu steigern. Bei einem solchen Verbinder bildet die Schwächungslinie tatsächlich ein Gelenk, und ein solcher modifizierter Verbinder wird daher als gelenkiger Verbinder bezeichnet. Bevorzugt werden Maßnahmen ergriffen, um sicherzustellen, daß die Schwächungslinie in dem fertigen Verbinder nicht verbleibt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Schwächungslinie erzeugt durch Anbringen eines die Verbinderwand teilweise durchsetzenden Längsschnitts, z. B. durch 40-70 % der Wandstärke, wobei der Schnitt bevorzugt von der Innenseite und bevorzugt unter einem beträchtlichen Winkel zur Radialrichtung angebracht wird, beispielsweise unter einem Winkel von 30-75º, bevorzugt 45-65º, zur Radialrichtung. Die Dichtung kann in diesem Schnitt ebenso wie an der Inenfläche und einer der Gleitkanten des Verbinders angeordnet werden, und dadurch wird gewährleistet, daß die Schwächungslinie in dem fertigen Gegenstand nicht verbleibt. Ein gelenkiger Verbinder dieser Art ist in Fig. 7 gezeigt.

14C. Vielteilige Umwickelverbinder mit gleitenden Kanten

Den vorstehend beschriebenen gelenkigen Verbindern nahe verwandt sind vielteilige Verbinder, die Komponeenten aufweisen, die vollständig getrennt anstatt flexibel miteinander verbunden sind. Solche vielteiligen Verbinder weisen charakteristisch zwei gesonderte Komponenten auf, aber es können auch mehr sein, z. B. drei oder vier, besonders wenn der Verbinder ein komplexer Verbinder zum Verbinden von ungleichartigen Substraten, beispielsweise von Rohren unterschiedlicher Größe und/oder aus verschiedenen Materialien, ist. Bei solchen vielteiligen Verbindern gibt es mindestens zwei Längsverbindungsstellen, die durch aneinanderstoßende Kanten der Komponenten gebildet sind. An mindestens einer und bevorzugt an jeder der Verbindungsstellen sind die aneinanderstoßenden Kanten so geformt, daß sie relativ zueinander gleiten und dadurch eine Durchmesseränderung des Verbinders ausgleichen können. Ein zweiteiliger Verbinder dieser Art ist in Fig. 8 gezeigt.

15. Verbinder ohne gleitende Kanten

Die verschiedenen in den vorstehenden Abschnitten 12-14 beschriebenen Verbinder eignen sich auch dann bei der Erfindung, wenn sie keine gleitenden Kanten oder sonstigen Mittel aufweisen, die ihnen eine Durchmesseränderung ermöglichen, wenn sie in innigen Kontakt mit dem Substrat gepreßt werden. In diesem Fall müssen sie jedoch größenmäßig präzise an das Substrat angepaßt sein, und/oder es müssen zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um eine zufriedenstellende Längsverbindung entlang den aneinanderstoßenden Rändern zu gewährleisten.

16. Anwendung der Erfindung für andere Zwecke als das Verbinden von Rohren

Die Erfindung wird hier in der Hauptsache unter Bezugnahme auf ihre Anwendung zum Verbinden von Rohren beschrieben. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch zum Verbinden von zwei oder mehr Gegenständen irgendwelcher Art miteinander brauchbar ist, insbesondere von Gegenständen, deren benachbarte Oberflächen aus der gleichen polymeren Zusammensetzung oder aus verschiedenen, jedoch kompatiblen polymeren Zusammensetzungen bestehen und die durch Verschmelzung mit gegenüberstehenden Flächen eines laminaren leitfähigen Polymerelements miteinander verbunden werden. Bei der Beschreibung der Erfindung zum Verbinden von Rohren versteht es sich, daß die Beschreibung gegebenenfalls auch beim Verbinden anderer Substrate anwendbar ist.
Eine wichtige Anwendung der Erfindung ist die Reparatur von beschädigten Rohren. Zu diesem Zweck können die oben beschriebenen Umwickel-"Verbinder" verwendet werden.
Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Bildung einer Öffnung (z. B. für ein Abzweigrohr, eine Druckzutrittseinrichtung oder einen Abgriff) an einem Rohr, einem Kabel oder einer sonstigen Speiseleitung, die ein Fluid oder ein Gas enthält. Auf diesem Anwendungsgebiet ist (sind) die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders ähnlich derjenigen der oben beschriebenen Umwickelverbinder, weist aber zusätzlich ein Anschlußstück auf, das eine Öffnung gewünschter Dimensionen bildet. Bevor oder nachdem die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders an der Speiseleitung angebracht ist (normalerweise danach), wird ein Loch durch die Speiseleitung gebohrt, so daß die Öffnung mit dem Inneren der Speiseleitung in Verbindung ist.

17. Überhitzungs- und Isolierbarrieren

Wir haben gefunden, daß, wenn zwei Heizelemente in einem Abschnitt einander benachbart sind, der eine relativ geringe Menge der rohrbildenden Komponente(n) des Verbinders oder des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, aufweist, eine Uberhitzung auftreten kann und/oder ein Stromfluß zwischen den benachbarten Heizelementen stattfinden kann (beispielsweise in der Spitze der Randbereiche 212 in Fig. 8). Dieses Problem kann dadurch vermieden werden, daß über der Kante von einem oder beiden der Heizelemente in dem relevanten Abschnitt eine Isolierbarriere angeordnet wird.

18. Wiederzugang

In vielen Fällen, insbesondere, wenn die Flächen durch Verschmelzen miteinander verbunden wurden, ermöglicht es eine erneute Aktivierung des Heizelements bzw. der Heizelemente, die rohrbildende(n) Komponente(n) des Verbinders und des Gegenstands, mit dem der Verbinder zu verbinden ist, voneinander zu trennen.
Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend beispielsweise unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben; die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Anordnung, bei der zwei Rohre durch einen flexiblen Umwickelverbinder, der eine an seiner Innenfläche befestigte Dichtung aufweist, miteinander verbunden werden;
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 von Fig. 1;
Fig. 3 eine "abgewickelte" Draufsicht auf die in den Fig. 1 und 2 verwendete Dichtung;
Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine Anordnung, bei der zwei Rohre von einem Verbinder miteinander verbunden werden, der zusammenpassende Kanten hat, die relativ zueinander gleiten können, und der eine an seiner Innenfläche angebrachte Dichtung hat;
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie 8-8 von Fig. 4;
Fig. 6 eine "abgewickelte" Draufsicht auf die in den Fig. 4 und 5 verwendete Dichtung;
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen gelenkigen Verbinder, der zwei an seiner Innenseite angebrachte Dichtungen aufweist;
Fig. 8 einen Querschnitt durch einen zweiteiligen Verbinder, der zwei Dichtungen aufweist, die an jeweiligen Innenflächen der beiden Teile des Verbinders angebracht sind.
Die Erfindung ist in den beigefügten Zeichnungen veranschaulicht. Vor der Erläuterung der verschiedenen Figuren ist zu beachten, daß in jeder Figur die Dicke des leitfähigen Polymerelements, der Elektroden, der leitfähigen Brücken und der verschiedenen Halteeinrichtungen der Klarheit halber übertrieben dargestellt ist. In jeder Figur ist das leitfähige Polymer ein gesintertes Gemisch aus ultrahochmolekularem Polyethylen und Ruß.
Die Fig. 1 und 2 zeigen zwei Polyethylenrohre 11 und 12, die miteinander durch einen flexiblen Umwickelverbinder verbunden werden, der einen Flächenkörper 21 aus Polyethylen und eine laminare Heizeinrichtung aufweist, die ein laminares leitfähiges Polymerelement 31 aufweist.
Die Innenkanten des Flächenkörpers 31 und des Elements 21 sind aneinander befestigt und bei 212 abgeschrägt, um einen gleichmäßigen Übergangsbereich in der umwickelten Anordnung zu schaffen. Der Flächenkörper 31 und das Element 21 sind aneinander nur in dem Bereich der inneren Kante befestigt, so daß sie sich relativ zueinander bewegen können, wenn der Verbinder um die Rohre herumgewickelt wird. Wie die Draufsicht auf den "abgewickelten" Verbinder in Fig. 3 zeigt, sind Elektroden 33 und 34 an der Oberfläche des Heizelements 31 entlang seinen Kanten befestigt. Ferner ist eine leitfähige Brücke 35 an einer Fläche des Heizelements befestigt, so daß keine Wärme in dem Bereich des Heizelements erzeugt wird, der den Zwischenraum zwischen den Rohren überdeckt. Nachdem der flexible Verbinder um die Rohre herumgewickelt ist, wobei eine ausreichende Zahl von Windungen verwendet wird, um eine Endverbindung gewünschter Festigkeit zu erhalten, wird sie in ihrer Lage durch überlappende Windungen eines wärmeschrumpfbaren Polyimidbands 41 befestigt. Dann wird die Heizeinrichtung aktiviert, so daß der Verbinder mit den Rohren und mit sich selber verschmolzen und ein Schrumpfen des Bands 41 bewirkt wird.
Die Fig. 4 und 5 zeigen zwei Polyethylenrohre 11 und 12, die mittels eines Verbinders miteinander verbunden werden, der ein Polyethylenelement 21 und ein laminares Heizelement aufweist, das ein leitfähiges Polymerelement 31 aufweist. Das Element 21 wird erhalten durch Anbringen eines Längsschnitts in einem Stück eines Polyethylenrohrs, wobei der Schnitt so abgewinkelt ist, daß die resultierenden Schnittkanten 212 und 213 abgeschrägt sind, so daß sie übereinander gleiten können, um den Durchmesser des Verbinders zu vergrößern oder zu verkleinern. Das Element 21 ist ausreichend flexibel, um eine solche Gleitbewegung zuzulassen, aber nicht flexibel genug, um zur Verwendung als Umwickelverbinder geöffnet zu werden. Das laminare Heizelement ist mit der Innenseite des Elements 21 und einer von dessen Schnittkanten verschmolzen. Wie die Draufsicht auf den "abgewickelten" Verbinder in Fig. 6 am besten zeigt, sind Elektroden 33 und 34 vorhanden, die an der Oberfläche des Heizelements 31 angebracht sind, und ein zentraler Abschnitt ist von dem Heizelement in dem Bereich des Heizelements entfernt worden, der den Zwischenraum zwischen den Rohren überdeckt; eine leitfähige Brücke 35 ermöglicht den Stromfluß über den zentralen Abschnitt zwischen den Elektroden. Die Elektroden 33 und 34 und der zentrale Abschnitt 35 sind so geformt, daß die Stromdichte durch das gesamte Heizelement im wesentlichen gleich ist.
Die Enden der Rohre 11 und 12 werden in dem Verbinder angeordnet, dessen Durchmesser dann mit Metallbändern 41 verringert wird, die um den Verbinder herum angepreßt werden. Das Heizelement wird dann aktiviert, wodurch der Verbinder mit den Rohren und mit sich selber verschmolzen wird.
Wenn zwei Rohre auf die soeben beschriebene Weise miteinander verbunden werden, ohne jedoch den zentralen Abschnitt des Heizelements zu entfernen, dann hat die Ausdehnung der erwärmten Teile des Heizelements, da es durch die unflexiblen Metallbänder und die Rohre eng eingeschlossen ist, die Tendenz, die Rohre auseinanderzudrücken.
Fig. 7 zeigt einen gelenkigen Verbinder, der ein Polyethylenelement 21 und zwei laminare Heizelemente aufweist, die leitfähige Polymerelemente 311 und 312 aufweisen. Das Element 21 wird erhalten durch Anbringen von zwei Längsschnitten in einem Stück eines Polyethylenrohrs. Ein Schnitt verläuft vollständig durch die Rohrwand und erzeugt Kanten 212 und 213, die so abgeschrägt sind, daß die Schnittkanten übereinander gleiten können, um den Durchmesser des Verbinders zu verringern. Der andere Schnitt, der diametral entgegengesetzt zu dem ersten verläuft, verläuft teilweise durch die Rohrwand und hinterläßt einen Gelenkabschnitt 214, der dem Element ermöglicht, geöffnet zu werden, so daß es quer über ein Rohr geführt werden kann. Die laminaren Heizelemente sind an den Innenflächen und den Schnittkanten des Elements 21 angebracht.
Fig. 8 ist sehr ähnlich wie Fig. 7 mit der Ausnahme, daß die beiden Längsschnitte vollständig durch die Rohrwand verlaufen, so daß der Verbinder aus zwei getrennten Teilen gebildet ist.
Die Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter verdeutlicht.

Beispiel 1

Eine leitfähige Polymerzusammensetzung wurde hergestellt durch Trockenvermischen in einem Hochgeschwindigkeitsmischer von 95 Volumenteilen ultrahochmolekularem Polyethylenpulver, UHMWPE (Hostalen GUR-413 von American Hoechst), mit einem Molekulargewicht von ca. 4,0 Millionen und einer mittleren Teilchengröße von ca. 0,1 mm, und 5 Volumenteilen Ruß (Ketjenblack EX 300 DJ von Akzo Chemie). Das Gemisch wurde durch einen Ram-Extruder, der auf 170 ºC aufgeheizt war, mit einer Rate von 152 cm/min (5 feet/min) und einem Druck von 20.685 kPa (3000 psi) extrudiert, um einen Sinterstab mit einem Durchmesser von 20,3 cm (8 inch) herzustellen. Der Stab wurde abgeschält, um ein flexibles Band von 92,7 x 15,2 x 0,076 cm (36,5 x 6 x 0,03 inch) daraus herzustellen. Elektroden wurden 1,3 cm (0,5 inch) von jeder langen Kante angebracht, und ein breiter Streifen Silberfarbe (2,5 x 87,6 cm/l x 34,5 inch) wurde, beginnend an einem Ende, entlang der Mitte des Elements aufgebracht. Das ergab zwei 5,08 cm (2 inch) breite Heizzonen von 87,6 x 5,08 cm (34,5 x 2 inch), die durch eine "kalte Zone" von 2,54 cm (1 inch) getrennt waren, und eine Endheizzone von 12,7 x 5,1 cm (5 x 2 inch) an einem Ende des Heizelements. Um die Gleichmäßigkeit der Heizung zu verbessern, wurde Silberfarbe in einem Muster aufgebracht, wodurch die Breite der Endheizzone auf 10,2 cm (4 inch) verringert wurde.
Es wurde ein 17,1 cm (6,75 inch) langer Verbinder, wie er in Fig. 5 gezeigt ist, hergestellt. Ein Polyethylenrohr, das einen Innendurchmesser (ID) von 25,4 cm (10 inch) und einen Außendurchmesser (OD) von 30,5 cm (12 inch) hatte, wurde durch seine Dicke auf einer Tangentiallinie am ID des Rohrs, die zu einer Radiallinie durch das Rohr senkrecht war, durchgeschnitten. Das laminare Heizelement wurde wie folgt an dem Verbinder befestigt. Das Heizelement wurde um den Innendurchmesser des Verbinders angeordnet, wobei die Endheizzone in dem Bereich des Schnitts durch den Verbinder lag und die Enden der Elektroden aus dem Verbinder ragten; ein mit PTFE beschichtetes Rohr wurde in den Verbinder eingesetzt, und das Heizelement wurde mit 150 V Wechselspannung für 30 s aktiviert; nach dem Abkühlen wurde das PTFE-beschichtete Rohr entfernt.
Polyethylenrohre mit einem OD von 25,4 cm (10 inch) (Dicke 1,9 cm/0,75 inch) wurden in den Verbinder eingesetzt, und Klammern wurden an der Außenseite des Verbinders angebracht. Das Heizelement wurde für 115 s mit 125 V Wechselspannung aktiviert, um das Meizelement mit den Rohren zu verschmelzen.

Beispiel 2

Ein Heizelement wurde wie in Beispiel 1 hergestellt, wurde jedoch in zwei Stücke zerschnitten, von denen eines 52,1 cm (20,5 inch) und das andere 48,0 cm (18,9 inch) lang war. Jedes Stück hatte an einem Ende eine geeignete Heizzone.
Der Verbinder gemäß Fig. 8 mit einer Länge von 17,1 cm (6,75 inch) wurde hergestellt durch Schneiden eines Rohrs mit einem OD von 30,5 cm (12 inch) in zwei Stücke unter Anwendung eines Schnitts, wie er in Beispiel 2 beschrieben ist, und dessen Spiegelbilds. Die Heizelementstücke wurden auf den Innendurchmesser jedes Segments vorgeschmolzen, bevor das Heizelement mit zwei Polyethylenrohren mit einem OD von 25,4 cm (10 inch)) verschmolzen wurde.

Beispiel 3

Ein Verbinder, wie er in Fig. 7 gezeigt ist, mit einer Länge von 17,1 cm (6,75 inch) wurde wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, wobei jedoch ein zweiter tangentialer Schnitt mit einem Winkel entsprechend demjenigen des ersten Schnitts in dem Innendurchmesser des Verbinders angebracht wurde, jedoch nicht vollständig durch die Dicke des Verbinders gehend. Somit konnte der Verbinder geöffnet werden, um einen segmentierten Verbinder mit zwei schalenbildenden Flächen zu erhalten. Heizelemente geeigneter Größe wurden mit der Innenfläche des Verbinders verschmolzen, bevor eine Verbindung mit zwei Polyethylenrohren mit einem OD von 25,4 cm (10 inch) hergestellt wurde.

Beispiel 4

Ein laminares Heizelement, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, wurde ohne den Streifen von Silberfarbe längs seiner Mitte hergestellt. Das Element wurde mit einem Streifen von Polyethylen hoher Dichte von 0,076 cm (0,030 inch) verschmolzen, indem das Heizelement aktiviert wurde, während es sich in Kontakt mit dem Polyethylenstreifen befand, um eine Dichtung herzustellen. Die Dichtung wurde verwendet, um zwei Polyethylenrohre mit einem OD von 25,4 cm (10 inch) zu verbinden, indem die Dichtung um den Außendurchmesser der Rohre gewickelt wurde, Klemmeinrichtungen um die Dichtung herum angebracht wurden und das Heizelement aktiviert wurde.

Claims

1. Verbinder, der zur Verbindung mit einem anderen Gegenstand, bevorzugt einem Rohr (11, 12) geeignet ist, wobei der Verbinder aufweist: ein rohrförmiges Element (21), das aus einer elektrisch isolierenden polymeren Zusammensetzung besteht, ein Heizelement (31), das an der Innenfläche des rohrförmigen Elements befestigt ist, und wenigstens zwei Elektroden (33, 34), die mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden können, um zu bewirken, daß elektrischer Strom durch das Heizelement fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß:

(1) das rohrförmige Element aus ein oder mehreren rohrbildenden Komponenten (21) besteht;

(2) das Heizelement (31) laminar ist und aus einem leitfähigen Polymer besteht, wobei das Heizelement Teil einer Dichtung bildet, die an der Innenfläche (den Innenflächen) der rohrbildenden Komponente(n) befestigt ist, und zusätzlich die wenigstens zwei Elektroden (33, 34) aufweist, die, wenn sie mit einer elektrischen Stromquelle verbunden sind, bewirken, daß Strom durch das Heizelement (die Heizelemente) im wesentlichen parallel zu der Oberfläche davon fließt, und

(3) die rohrbildende(n) Komponente(n) und Dichtung(en) derart sind, daß

(i) sie relativ zueinander zusammengesetzt und/oder verformt werden können, um einen rohrförmigen Verbinder zu bilden, der um einen Gegenstand wie beispielsweise ein Rohr herum oder in einem solchen positioniert ist, und

(ii) sie durch das Aufbringen von Umfangskräften auf den Verbinder in innigen Kontakt mit dem Gegenstand gebracht werden können.

2. Verbinder nach Anspruch 1, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) nicht wärmerückstellbar sind.

3. Verbinder nach Anspruch 1 und 2, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) in Längsrichtung verlaufende abgeschrägte Kanten (212, 213) aufweisen, die relativ zueinander gleiten können, um den Durchmesser des Verbinders zu verringern.

4. Verbinder nach Anspruch 3, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) hergestellt ist/sind durch Schneiden eines Rohrs von einem Ende zum anderen Ende davon entlang einer Schneidfläche, die, wenn sie projiziert wird, nicht durch die Mitte des Rohrs geht.

5. Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) ein erstes und ein zweites Element (21) aufweisen, die jeweils abgeschrägte Kanten (212) haben, wobei ein oder mehrere Dichtungen (311, 312) an der Innenfläche des ersten Elements befestigt sind und eine weitere Dichtung oder weitere Dichtungen an den Innenkanten des zweiten Elements befestigt sind, wobei das erste und das zweite Element derart sind, daß sie zu einem rohrförmigen Verbinder zusammengesetzt werden können, wobei die abgeschrägten Kanten des ersten und des zweiten Elements relativ zueinander gleiten können, um den Durchmesser des Verbinders zu verringern.

6. Verbinder nach Anspruch 5, wobei eine Dichtung (312) ebenfalls an den abgeschrägten Kanten (212) des zweiten Elements befestigt ist.

7. Verbinder nach Anspruch 6, wobei wenigstens das Heizelement (312) der Dichtung, die an den abgeschrägten Kanten des zweiten Elements befestigt ist, sich über die Außenfläche des ersten und des zweiten Elements hinaus erstreckt, wodurch es mit einer elektrischen Stromquelle verbunden werden kann, um zu bewirken, daß das erste und das zweite Element aneinander befestigt werden

8. Verbinder nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine einzige rohrbildende Komponente in Form eines flexiblen Bands (21) vorgesehen ist.

9. Verbinder nach Anspruch 8, wobei eine Dichtung (31) vorgesehen ist, die flexibel und laminar ist und an einer Fläche des flexiblen Bands (21) befestigt ist.

10. Verbinder nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwei oder mehr getrennte rohrbildende Komponenten (21) des Verbinders vorgesehen sind.

11. Verbinder nach Anspruch 10, wobei es wenigstens zwei Längsverbindungen gibt, die von aneinanderstoßenden Kanten der Komponenten gebildet sind.

12. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine leitfähige Brücke (35) über jedem oder durch jeden Teil des leitfähigen Polymerelements vorgesehen ist, der im Gebrauch dazu neigt, bei Abwesenheit einer solchen Brücke überhitzt zu werden.

13. Verbinder nach Anspruch 12, wobei die leitfähige Brücke mit wenigstens einem Fenster darin versehen ist.

14. Verfahren zum Verbinden (a) eines Verbinders, der ein elektrisch isolierendes polymeres rohrförmiges Element (21) mit einem Heizelement (31), das an seiner Innenfläche befestigt ist, und wenigstens zwei Elektroden (33, 34), die an dem Heizelement befestigt sind, aufweist, mit (b) einem anderen Gegenstand, bevorzugt einem Rohr, wobei das Verfahren das Verbinden der Elektroden (33, 34) mit einer elektrischen Stromquelle aufweist, um zu bewirken, daß elektrischer Strom durch das Heizelement (31) fließt,

dadurch gekennzeichnet, daß

(1) das rohrförmige Element aus ein oder mehreren rohrbildenden Komponenten (21) besteht und das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Zusammensetzen dieser Komponente(n) (21) und/oder Verformen dieser Komponente(n) (21) relativ zueinander, um einen rohrförmigen Verbinder zu bilden, der entweder um den Gegenstand wie beispielsweise ein Rohr (11, 12) herum oder in einem solchen positioniert ist, und

(b) Aufbringen von Umfangskräften auf die relativ zueinander zusammengesetzte(n) oder verformte(n) rohrbildende(n) Komponente(n) (21), um die rohrbildende(n) Komponente(n) in innigen Kontakt mit dem Gegenstand (11, 12) zu bringen; und

(2) das Heizelement (31) laminar ist und aus einem leitfähigen Polymer besteht, wobei das Heizelement (31) Teil einer Dichtung bildet, die an der Innenfläche der rohrbildenden Komponente(n) befestigt ist, und wobei, wenn der Verfahrensschritt des Verbindens der Elektroden (33, 34) mit einer elektrischen Stromquelle durchgeführt wird, die Elektroden (33, 34) so positioniert werden, daß elektrischer Strom durch das Heizelement im wesentlichen parallel zu seiner Oberfläche fließt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) in Längsrichtung verlaufende abgeschrägte Kanten (212, 213) aufweisen und der Verfahrensschritt des Aufbringens von Umfangskräften auf die Komponente(n) bewirkt, daß die abgeschrägten Kanten (212, 213) relativ zueinander gleiten, um den Durchmesser des Verbinders zu verringern.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die rohrbildende(n) Komponente(n) in Form eines flexiblen Bands (21) vorliegen und eine flexible laminare Dichtung an einer Fläche davon befestigt ist und das Verfahren des Zusammensetzens der Komponente und des Aufbringens von Umfangskräften auf die Komponente enges Wickeln des Bands (21) um den ersten Gegenstand herum und Befestigen des gewickelten Endes in seiner Lage aufweist.