Schmelz-Spinnapparat
Vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Apparat zum Schmelzspinnen, z. B. zur Herstellung von Kunstfasern aus faserbildende Polymerisaten, die zweckmässig'in der Form von Sp#nen zugeführt werden.
In Apparat dieser Art wird das faser bildende Material #blicherweise auf einem @ bitter geselmolzen. Die Schmelze sammelt sich in einem Beeken unter dem Git- ter, bevor sie durch eine Messpumpe durch ein Filteraggregat hindurch der Spinnd#se zugef#hrt wird. Der Schmelzvorgang auf den bitter ist langsam und erfolgt nur mit einer Geschwindigkeit, welche ann#hernd zur Durchtrittsfl#che des Gitters proportional ist.
So]] mit einem solchen Apparat eine höhere Schmelzgeschwindigkeit erreicht werden, so mu# das Heizgitter im Verh#ltnis zum Spinn apparat verhältnismässig gross gemacht wer- den, was recht unpraktisch ist. Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Erzielung einer wirklich hohen Schmelzgeschwindigkeit eine Zu fuhr des Materials unter Druck mit einem Gitter oder einer gelochten Platte zu kombi dite @ber selbst die Schmelzgeschwindig- keit eines solchen Apparates ist, bezogen auf seine Gr##e, recht niedrig, Au#erdem zeigten sich in der Praxis Schwierigkeiten, die sich nus den Unregelm##igkeiten in dem Zuflu# der Schmelze vom Gitter zu den Spinndüsen ergeben,
Zweek der Erfindung ist die Erzielung einer höheren Schmelzgeschwindigkeit und eines gleichm##igen und schnellen Abflusses der Schmelze von der Schmelzstelle weg.
Der erfindungsgemässe Schmelz-Spinnappa- rat ist gekennzeichnet durch einen Kanal für die Zufuhr von festen Polymerisatpartikel zu einer Schmelzeinheit, die eine Anzahl von gegen die eintretenden Partikel vorstehenden, hohlen, gegen ihr oberes Ende hin verjüngten, beheizten Gliedern besitzt, welche in einem Tr#ger in einem, lichten Abstand nebeneinander eingesetzt sind, der höchstens so gross ist wie ihre grösste Dicke, das Ganze derart, dass # die Glieder den Abfluss der Schmelze durch eine nachgeschaltete Abflussöffnung ermöglichen, die ungeschmolzenen Partikel aber zu r#ckhalten.
Beiliegende Zeichnung stellt einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstan- des dar.
Fig. l ist eine einfache sehematische Dar- stellung einer Schmelzeinheit im Längsschnitt und zeigt den Gesamtaufbau.
Fig. 2 ist eine zugehörige Draufsicht.
Fig. 3 ist ein vertikaler Längsschnitt eines ITeizgliedes und zeigt den Verlauf der Str#- mung des Heizmediums.
Fig. 4 ist ein sehematiseher Längsschnitt einer Schmelzeinheit mit lIeizgliedern gemäss Fig. 3, und mit einem angeflanschten Wellen stummel f#r die Abst#tzung einer Farder- schneeke.
Fig. 5 ist ein schematischer Längsschnitt einer Schmelzeinheit mit konisehem und kon vexem Träger, an dessen Umfang Abfluss- kan#le für die Schmelze vorgesehen sind.
Fig. 6 ist eine Draufsicht der einen Hälfte der Schmelzeinheit gemäss Fig. 5.
Fig. 7 ist ein schematischer Längssehnitt einer Schmelzeinheit mit konischem Träger und Heizgliedern von gleicher Form und Grosse, deren Spitzen in ein und derselben Ebene gelegen sind.
Fig. 8 ist ein schematischer L#ngsschnitt einer Schmelzeinheit, deren Heizglieder an eine Verteilleitung für das Heizmedium angeschlossen sind, und
Fig. 9 ist eine sehematisehe Sehnittzeich- nung, welche die Anordnung der Schmelzein- heit im ganzen Spinnapparat zeigt, zu dem. auch eine Vorrichtung zur Beförderung der Polymerisatspäne und ein Spinnkopf mit Spinnpumpe und Spinndüsen gehort.
In der in Fig. l gezeigten Ausführungs- form der Heizeinheit ist eine Anzahl von koni schen Heizgliedem 1 auf einen trichterförmi- gen Tr#ger 2 montiert, der einen zentralen Abflu#kanal 3 f#r die Schmelze aufweist.
Dieser Kanal ist dureh ein übergrosses koni- sches Glied 1A abgedeckt, welches eine Öff- nung 1B hat, die gross genug ist, um einen ungehinderten Abfluss der Schmelze zu ermöglichen, aber das üblicherweise in der Form ? von Spänen zugeführte Polymerisat daran hindert, die Eintrittsoffnung des zentralen Hauptabflusskanals 3 zu verstopfen.
Ist eine Innenheizung der vorstehenden Glieder l mittels eines Heizfluidums vorgese- hen, so sollten diese Glieder mit einem separaten Einflussrohr für das Heizfluidum versehen sein. Dies ist in Fig. 3 gezeigt, welche ein
Heizglied im Längssehnitt darstellt und in welcher das Einlassrohr 4 durch eine Kammer
6 hindurch mit der Hauptzuleitung 5 f#r das Heizfluidum verbunden ist. Der Heizdampf st#mt durch das Rohr aufwärts und dann in dem dieses Rohr umgebenden Innenraum des hohlen Heizgliedes abwärts, und zwar dank einem Überdruck zwischen Einlasskammer 6 und Auslasskammer 6B.
Die gegenseitige Anordnung und insbeson- dere der approximative liehte Abstand zwi schen den Heizgliedern und deren relative Grouse sind in den Fig. l, 2 und 4 bis 9 ge- zeigt. Der lichte Abstand einer Anzahl der Glieder 1 ist immer höehstens so gross wie die grösste Dicke der Glieder. Aus der Fig. 2 zum Beispiel kann man ersehen, da# der lichte Abstand zwischen den einzelnen Heizghedern nicht gleichm##ig zu sein braucht und der Zwisehenraum zwisehen denselben gegen das Zentrum hin abnimmt. Hingegen ist in der Ausführung gem## Fig. 6 der Abstand zwi schen den Heizgliedern gleichmässig.
Dabei verj#ngt sieh jedes Glied zu einer Spitze von der einen gleichm##igen Querschnitt aufwei- senden Basis aus, an welcher es am Tr#ger 9B befestigt ist. Innerhalb der oben angege- benen Grenzen können die Zwisehenräume zwischen den Heizgliedern verändert werden, entweder durch Veränderung der Teilla der Glieder, die alle die gleiche Grosse haben, oder aueh durch Anbringen en von Flanschen oder Verdickungen von odeur ungleichm##iger Breite.
Fig. 4 zeigt eine Anzahl von Heizgliedern, die in einem trichterf#rmigen Tr#ger 23 einer Schmelzeinheit eingesetzt sind. Das Heizfluidum wird den Heizgliedern 24 von einer Zn- leitung 27 aus durch eine gemeinsame Kammer 25 hindurch zugeführt. Der Abfluss erfolgt durch eine Sammelkammer 26 und durch eine Leitung 27A hindurch. Ein grosses Heizglied 28, das gewünschtenfalls ein Ende einer Förderschnecke abstützen kann, überdeekt die Eintritts#ffnung 29 des zentralen Hauptabflusskanals 30 fiir die Schmelze, die hier frei abfliessen kann, während die ungeschmolzenen Sp#ne zurückgelialten werden.
Da der Druck in allen Einlassrohren derselbe ist, wird die gesamte Innenoberfläche aller hohlen Glie- der, insbesondere an der Spitze derselben, auf einer gewünschten gleiehmässigen H#chsttem- peratur gehalten, somit auch an den Stellen, an denen ein wirksamer Wärmeaustausch zwi- sel : en dem Beheizungsdampf und den Spänen sehr erwünscht ist. Ein gewisser Anteil des Beheizungsdampfes kondensiert auf den In nenoberflächen der hohlen Heizglieder und entweicht mit dem unkondensierten Anteil durez die gemeinsame Auslasskammer 26.
Ein anderer Schmelztopf mit konkavem Tr#ger 19 ist in Fig. 8 gezeigt, in welcher der zentrale Abflnlsskanal f#r die Schmelze mit 20 bezeichnet ist. Ein innenbeheiztes, konisches Glied 21 steht #ber der Eintritts#ffnung die- ses Kanals und ist so ausgebildet, dass es den treten Abfluss der Schmelze zulässt, den Ein tritt von ungeschmolzenen Sp#nen in den Ka- ii, 20 aber verhindert.
Die Stifte 22 werden einzelu von einer Verteilleitung 17 aus mit Heizmedium gespiesen, Die Grösse der Stifte nimmt vom Umfang des Trägers gegen dessen Zentrum hin zu, was sich darin auswirkt, da# die grouse des Zwischenraumes zwisehen den Stiftfüssen vom Umfang gegen das Zen- trum des Trägers abnimmt, mit dem Erfolg, laL', ungeschmolzene Polymensatspäne daran gehindert werden, in den Abflusskanal 20 zou gelangen.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Schmelzeinheit, bei weleher das Material während des Schmelzvorganges von innen nach aussen auf einen konvexen Träger 9 fliesst, der die Form eines Kegels hat, an dessen Umfang sich die Eintrittsöffnungen zu einer Anzahl von Ab flu#kan#len 7 f#r die Selimelze befinden.
Diese Kanäle sind in den Körper 8 einge selmitten und f#hren zu einem gemeinsamen zentralen Durchgang 10. Es ist leicht einzu sehen, dass an Stelle der versehiedenen Ka n#le 7 ein einziger ringförmiger Abflusskanal vorgesehen werden könnte, welcher die Basis des Tr#gers 9 umgiht und letzteren ganz vom K#rper 8 trennt. Der gemeinsame Abflu#- kanal führt zu einer oder mehreren Spinn- pumpen, von welchen aus die Schmelze zu den Spinndüsen gelangt.
In Fig. 7 ist eine andere Auf#hrungsart derselben Gattung gezeigt, indem das Mate- rial w#hrend des Schmelzvorganges auch von innen nach aussen fliesst. Die hohlen Glieder 11 haben hier alle die gleiche Grosse und die gleiche Form und verjüngen sich nach oben zu Spitzen, die alle in einer gemeinsamen horizontalen Ebene liegen. Die Glieder 11 sind in einen konvexen, kegeligen Tr#ger 12 eingesetzt, der einen Hohlraum 12a hat, der zur Verteilung des durch den Kanal 12B eintretenden Heizmediums dient. Letzteres str#mt anschliessend in den Röhren 11A aufwärts und dann in den diese Bohren umgebenden Hohlräumen der Glieder 11 abwärts, an deren Innenoberflächen es teilweise kondensiert, um danach in eine Sammelkammer 12C einzutreten.
Diese beheizt den Trager und steht mit dem einen Heizmantel bildenden Hohlraun 13A des Gehäuses in Verbindung, das, wie gezeigt, nur an wenigen Stellen mit dem Träger 12 verbunden ist. Der Abfluss des Heizmediums aus der Mantelkammer 13A erfolgt durch die offnung 16. Das schmelzende Poly merisat fliesst von den Gliederspitzen auf die hei#e Oberfläehe des Trägers 12 ab, und die homogenisierte Schmelze fliesst durch den zentralen Durchgang ab, nachdem es den ringförmigen Raum 14 zwischen dem beheizten Tr#ger 12 und dem beheizten Gehäuse 13 passiert hat.
In einer Ausführungsform des Spinnapparates ist eine der oben beschriebenen Schmelz- einheiten im Apparatinnern eingebaut und die Zuführung von Polymerisatspänen aus einem Einfülltrichter erfolgt durch Schwereeinwir- kung in einem Kanal, wobei die Glieder gegen die eintretenden Partikel vorstehen. Wird eine grössere Leistung verlangt, so sind die Späne der Schmelzeinheit unter Druck zuzu f#hren, was mittels einer geeigneten mechani- schen Fördereinrichtung geschehen kann.
Eine derartige Ausführungsform ist in Fig. 9 ge zeigt und weist eine Förderschnecke 33 auf, welche die Sp#ne einem Einfülltrichter 32 entnimmt und sie gegen die Sehmelzeinheit 31 drückt. Die Förderschnecke 33 wird mittels eines Schneckengetriebes 43 durch einen Motor 44 angetrieben. Die Schmelzeinheit 31 hat innenbeheizte Stifte 42, denen das Heizmedium durch eine Leitung 40 zugeführt wird, um naeh Erfüllung seiner Aufgabe durch eine Leitung hindurch wieder abzufliessen.
Ge wünschtenfalls kann der Förderdruek konstant gehalten werden, indem man die F#r- dersehneeke in der Weise längsversehiebbar in einer Trommel 34 anordnet, dass sie sich in letzterer heben kann, unter Einwirkung des von den zusammengedrüekten Spänen geleisteten Widerstandes, wobei sie sich auf eine Druckfeder 35 oder auf einen nieht gezeigten, d-Lire. Druckluft belasteten Kolben abstützt.
Gute Resultate werden erhalten, wenn die mit hohlen, beheizten Gliedern besetzte Sehmelz- einheit einen grosseren Durehmesser hat als die Forderschnecke. Die Polymerisatspane werden durch die kombinierte Einwirkung der von der Schmelzeinheit ausgehenden Wärme und des von der F#rderschnecke ausgeübter Druckes gleichsam zu einem festen Block zusammengesintert. Dieser Block wird auch anschliessend an die einzelnen Heizglieder angedrückt und beginnt zu schmelzen.
Das ge schmolzene Polymerisat fliesst dureh den Durchgang 36 zur Spinnpumpe 37, welehe es durch eine Filtriereinheit 38 hindurch befördert und anschlie#end durch die Spinndüsen 39 hindurchdr#ckt. Es können der Einfülltrichter 32, das Trommelgehäuse. 34 und die Fördersehneeke 33 mit Mitteln zu ihrer Beheizung versehen sein, derart, class vorgeheiz- tes Polymerisat zur Sehmelzeinheit gelant.
Es ist hier noch zu erwähnen, dass an Stelle der Fördersehneeke ein anderer Mechanismus verwendet werden könnte, um die Späne gegen die Schmelzeinheit zu drüeken, so zum. Beispiel ein Kolbenmechanismus.
Eine engere Anordnung der Heizglieder und eine regelmässigere Form der Zwisehen- r#ume zwischen denselben kann erzielt werden, indem man den naeh oben verjüngten Gliedern anstatt einen runden Qmersehnitt einen solchen mit geraden Seiten und insbesondere einen solchen in der Form eines regelmässigen Sechseckes gibt. Dureh Einsetzen einer Anzahl von solchen Gliedern mit sechs eckigem Querschnitt in den Träger unter Einhaltung einer regelmässigen Teilung zwischen denselben erhält man Zwischenräume mit gleichm##iger Weite, wodurch sich ein Honig- wabenmuster ergibt und damit auch eine gleichmässige Behandlung des zu schmelzen- den Materials.
Bei der Herstellung soleher Glieder geht man zweckmässig von sechskan tigwem Stangenmaterial aus, dreht jeweils einen Konus an, sticht ein Stüek ab und bohrt anschliessend aus demselben einen Innenraum heraus, bis nur noch eine Wandstärke #brig- bleibt, die fähig ist, der im Betrieb zu erwartenden Differenz zwisehen Innen- und Aussen- druck standzuhalten.
Beim Arbeiten mit dem beschriebenen Ap paratkommtdasungesehmolzenePolymerisat zuerst mit den Spitzen der Heizglieder in Be r#hrung, gleitet von sieh aus oder unter Zwang entlang dieser letzteren herab, bis das ganze Konglomerat von Partiklen sich der Aussenform der Heizglieder bzw. deren Sei- tenfläellen angepasst hat.
Da diese Heizglie- der vorzugsweise so in den Träger eingesetzt sind, da# gegenüberliegende Flächen von be- nachbarten Gliedern zueinander parallel sind, wird das Konglomerat von Polymerisatspänen in den Zwisehenräumen zwischen dieser Fl#- ehen zur#ckgehalten, bis die Sp#ne durch Ab- schmelzen so klein geworden sind, da# sie durch diese Zwischenr#ume hindurehrutsehen können.
Je nach den Betriebsbedingungen, insbesondere je nach Art des Fordermechanis- mus, der Schmelztemperatur und V'irk- samkeit des Wärmeaustausches sind die Zwi schenr#ume zwischen den Heizgliedern so zu bestimmen, da# Konglomeratteile, die eine gewisse Grosse übersehreiten, zurückgehalten werden, während kleinere eratteile durehgelassenwerden,diejedoch ganz zusam menschmelzen, bevor sie den Abflusskanal erreichen.
Diese Wirkungsweisewirderreicht dankdemUmstand,dassdieHeizgliederum einen gewissen Betrag aus dem Träger her- ausragen, wodurch zwischen den Gliedern Zwischenr#ume von genügender Tiefe geschaf- fen sind, um nieht nur ein vollst#ndiges Ab- sehmelzen der Partikeln zu gew#hrleisten während deren Eindringen in die Zwisehen- r#ume, sondern auch eine durchgehende Homogenisierung der Schmelze bei ihrem Ab flu# iiber die Oberfläche des Trägers entlang der Basis der Heizglieder.
Gewünschtenfalls können die beispielsweise aus sechskantigem Stangenmaterial durch Abdrehen erhaltenen Heizglieder mit einem abgesetzten Fussteil versehen, werden, der ein Au#engewinde besitzen kann zur Erleichterung der Befestigung im Träger. In einer andern Ausführung können die Heizglieder einen konisch verjüngten Kopfteil, einen zylindrischen oder prismatischen Sehaftteil und einen zylindrischen oder prismatisehen Bund zwisehen Kopf und Schaftteil oder am Fuss des Seliaftteils aufweisen.
Die Heizglieder können entweder von der Ober-oder von der Unterseite in Bohrungen des Trägers eingesetzt sein, und zwar eingeschraubt, eingepre#t oder eingel#tet sein. Zur Erleiehterung der Fabrikation gibt man vorzugsweise allen oder zumindest weitaus den meisten Heizgliedern die gleicle Form und Grosse. Abweichende Form und Grosse ist jedoch bei Verwendung eines konkaven Trägers dem mittleren Heizglied zu geben, das über der Eintrittsöffmmg des zentralen Abflusskanals steht, wie zum Beispiel in Fig. l gezeigrt.
Im folgenden wird ein spezifisches Aus- t'uhrnngsbeispiel beschrieben :
Sl) äne von Polyethylenterephthalat werdell durez eine F#rderschnecke zu dem in Fig. 7 schematisch dargestellten Schmelzapparat befördert. In diesem hat der Träger einen Durchmesser von 25 cm und sind 250 Heizg lorgesehen, deren Achsenabstand von- einander 15 mm beträgt. Der sich zu einer Spitze verjüngende Kopfteil der Heizglieder hat eine L#nge von 15 mm und der hohlzylin- drische Sehaftteil eine solehe von 75 mm.
Die Heizglieder sind in den konvexen Tr#ger so dan allie ihre Spitzen sieh in einer gel Horizontalebene befinden. Am Umfang des Trägers ragen die Heizglieder etwa 90 min aus der kegeligen Trägerober fl#che heraus, w#hrend im Zentrum dieses Ma# nur etwa 65 mm beträgt. Der Aussen- durchmesser der Heizglieder ist 6,7 mm. Die Förderschnecke übt im Mittel der Quer- schnittsfläche einen gleichmässigen Druck von c-twa 2, 8 kg/cm2 aus.
Als Heizmedium wurde eine eutektische Misellung von Diphenyl und von Diphenyloxyd verwendet, die im Handel unter der Markenbezeichnung Dowtherm erhältlich ist, und zwar bei einer Temperatur von 280 C.
Die Schmelzleistung betrug 3,9 kg pro Stunde.
Der erläuterte Apparat zum Sehmelzen von faserbildenden Polymerisaten hat diverse Vorteile. Erstens kann mit einer gegebenen
Querschnittsfläche des Schmelzapparates eine erhöhte Schmelzgeschwindigkeit erzielt werden, iveil die Heizfläche, mit der das Poly merisat in Berührung steht, gegenüber bekannten Konstruktionen beträchtlich vergrö ssert ist. Zweitens erlaubt es die robuste Konstruktion, dass die Polymerisatspäne mit gro sser Kraft gegen den Schmelzapparat gedrückt werden.
Es wurde durch eingehende Versuche fest- gestellt, dass hohlkegelige Heizglieder für einen wirksamen Wärmeaustausch am gün- stigsten sind. Vergleichsversuche haben ergeben, dass ein Schmelzapparat mit hohlkege- ligen Heizgliedern bei sonst gleichen Ver suehsbedingungen gegenüber einer gelochten Heizplatte eine Leistungsverbesserung von 50% ergibt. Ein weiterer Vorteil der dargestellten Apparate besteht darin, dass bei Verwendung einer konkaven Trägeroberfläehe mit einem einzigen Abflussloch oder einer r konvexen Trägeroberfläche mit einer Mehrzahl von an ihrem Umfang verteilten Ab flu#l#chern ein gleichmässiger Abfluss der Schmelze erzielt werden kann.
Durch individuelle Beheizung der einzel- nen Glieder mittels Heizdampf in der be schiiebenen Art und Weise kann über der ganzen Schmelzeinheit eine recht gleichmässige Temperaturverteilung erzielt werden ; die Nachteile eines Uberhitzens oder einer un gleichm##igen Wärmeverteilung können also vermieden werden, so dass die Gefahr einer Zersetzung des Polymerisates unter Wärme- einwirkung auf ein Mindestma# herabgestzt ist.
Dank der günstigen Aussengestalt der Stifte und des Tr#gers kann ein gleichm##iger und rascher Abfluss der Schmelze erreicht werden, die direkt den Spinnpumpen zugefiihrt werden kann, so dass von der Zwiselien- schaltung eines Sehmelztopfes ohne weiteres abgesehen werden kann.
Als I3eizmittel können verwendet werden : Dämpfe von Dipheyl und Diphenyloxyd, Silicone, Dimethylterphthalat, Chlorphenolen oder aneth überhitzter Wasserdampf.