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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bei der Herstellung von synthetischen Fäden ist es allgemein bekannt, dass bei dem Extrudieren von bestimmten Polymeren wie beispielsweise Polyamide vermehrt flüchtige Bestandteile wie Monomere und Oligomere auftreten, die sich in der Umgebung unkontrolliert ablagern können. Um derartige unkontrollierten Ablagerungen und Verschmutzungen unterhalb der Spinndüse in nachgeordneten Vorrichtungsteilen zu vermeiden, sind im Stand der Technik verschiedene Methoden beschrieben.
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Eine erste Variante, von der die Erfindung ausgeht, ist beispielsweise in der
DE 38 40 357 A1 beschrieben. Bei der bekannten Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen ist unterhalb der Spinndüse eine Kondensationseinrichtung vorgesehen, die innerhalb eines Kondensationsschachtes eine Kondensationszone bildet. Dem Kondensationsschacht ist eine Spüleinrichtung zugeordnet, die eine Spülflüssigkeit kontinuierlich entlang der Schachtwände des Kondensationsschachtes erzeugt. Insoweit werden die innerhalb der Kondensationszone kondensierten Monomere von der Spülflüssigkeit aufgenommen und am Ende des Kondensationsschachtes gesammelt und abgeführt.
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Eine weitere Variante zur Aufnahme und Beseitigung von Monomeren geht beispielsweise aus der
WO 89/03903 A1 hervor. Bei der bekannten Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen ist unmittelbar unterhalb der Spinndüse eine Saugstutzen einer Absaugeinrichtung angeordnet, die die beim Extrudieren der Filamentstränge frei werdenden Monomere und Oligomere über einen Saugstrom unmittelbar aus der Spinnzone vor dem Abkühlen abführt.
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Grundsätzlich sind jedoch auch Verfahren im Stand der Technik bekannt, bei welchen die Monomere und Oligomere über den Kühlluftstrom abgeführt werden. So geht aus der
DE 10 2011 117 458 A1 ein Verfahren hervor, bei welcher unmittelbar unterhalb der Spinndüse ein Heizmittel vorgesehen ist, durch welches eine Kondensierung der Monomere und Oligomere im oberen Bereich der Abkühlvorrichtung vermieden werden.
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Die im Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen beruhen alle darauf, eine unmittelbare Kondensation der Monomere und Oligomere im Bereich der Spinndüse zu vermeiden. So werden Fremdmittel wie beispielsweise Spülflüssigkeiten oder Saugströme eingesetzte, um die Monomere und Oligomere zu binden und abzuführen. Alternativ werden zusätzliche Heizmittel unmittelbar vor der Abkühlung eingesetzt, um vorzeitige Kondensationen der Monomere zu vermeiden. Derartige Fremdmittel führen jedoch mehr oder weniger zu einer Beeinflussung des Spinn- und Kühlprozesses der Filamente.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, bei welcher unerwünschte flüchtige Bestandteile beim Extrudieren von Polymeren möglichst prozessschonend gebunden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der Unteransprüche definiert.
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Die Erfindung basiert darauf, dass innerhalb einer Kondensationszone eine kontrollierte Kondensation der Monomere stattfindet. Hierzu wird die Kondensationseinrichtung durch einen koaxial zur Spinndüse angeordneten Kondensationsring gebildet, der zur Temperierung mit einer Kontaktfläche mit der Abkühlvorrichtung verbunden ist. So lässt sich der Kondensationsring entsprechend konditionieren, um die kondensierten Monomere als Ablagerung aufnehmen zu können. Eine Beeinflussung des Spinnprozesses wird weitestgehend vermieden, da der Kondensationsring nur geringe Temperaturunterschiede gegenüber der Spinnumgebung aufweisen muss.
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Um bei Verwendung von Rundspinndüsen eine möglichst gleichmäßige Aufnahme und Bindung der Monomere zu erhalten, ist die Weiterbildung der Erfindung bevorzugt ausgeführt, bei welcher die Abkühlvorrichtung unterhalb der Spinndüse einen Kühlzylinder mit gasdurchlässiger Zylinderwand aufweist, der innerhalb einer Druckkammer angeordnet ist und bei welcher die Kontaktfläche des Kondensationsringes einem Stirnende des Kühlzylinders zugeordnet ist. Damit wird der Kondensationsring gleichmäßig über die gesamte umlaufende Kontaktfläche temperiert.
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Die Temperierung des Kondensationsringes durch die Abkühlvorrichtung lässt sich noch dadurch verbessern, indem der Kondensationsring an einer Unterseite einen Temperierkragen aufweist, der mit einem freien Ende in die Kühlzone der Abkühlvorrichtung hineinragt.
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Bei Verwendung von einem Kühlzylinder innerhalb der Kühlzone ist die Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, bei welcher der Temperierkragen konzentrisch zu dem Kühlzylinder der Abkühlvorrichtung ausgebildet ist und in das Stirnende des Kühlzylinders hineinragt. So lässt sich die Kühlluft innerhalb der Kühlzone vorteilhaft nutzen, um den Temperierkragen und damit den Kondensationsring zu kühlen.
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Um die Monomere und Oligomere aus dem Spinnprozess herauszuhalten und sicher aufzunehmen, ist der Kondensationsring bevorzugt mit einer umlaufenden Sammelnut ausgeführt, die gegenüber der Kondensationszone offengehalten ist.
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So wird die Sammelnut des Kondensationsringes vorzugsweise zwischen einem vertikal ausgerichteten äußeren Ringkragen und einem parallel zum äußeren Ringkragen umlaufenden kleineren inneren Ringkragen gebildet.
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Da die Flächen des Kondensationsringes in regelmäßigen Abständen von den Ablagerungen und Ansammlungen der kondensierten Monomere befreit werden müssen, ist die Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, bei welcher der Kondensationsring auswechselbar mit der Abkühlvorrichtung verbunden ist, die zwischen einer Betriebsstellung und einer Wartestellung höhenverstellbar ist. Damit ist ein Auswechseln des Kondensationsringes schnell und einfach ausführbar. So lässt sich der Kondensationsring vorteilhaft mit dem Temperierkragen durch eine Steckverbindung am offenen Stirnende des Kühlzylinders befestigen.
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Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Kondensationsring durch einfaches Wischen zu reinigen. Hierbei werden bevorzugt Werkstoffe bzw. Oberflächen des Kondensationsringes gewählt, die eine leichte Reinigung ermöglichen. Zudem kann durch Wahl des Werkstoffes ein bestimmter Temperaturbereich sichergestellt werden.
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Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine aktive Beheizung des Kondensationsringes vorzunehmen, um die bei der Kühlung auftretende Temperatur den Prozessgegebenheiten gezielt anpassen zu können. So lassen sich durch bestimmt Temperaturgefälle die Kondensationsgeschwindigkeit zum Kondensieren der Monomere verbessern.
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Da die Herstellung der synthetischen Fäden üblicherweise mit einer Mehrzahl von Spinndüsen an einem Spinnbalken erfolgt, ist die erfindungsgemäße Weiterbildung vorgesehen, bei welcher an dem Spinnbalken mehrere Spinndüsen gehalten sind und bei welcher jeder Spinndüse eine von mehreren Kondensationsringen zugeordnet ist.
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Die Temperierung der Kondensationsringe erfolgt dabei bevorzugt durch mehrere gasdurchlässige Kühlzylinder, die innerhalb einer Druckkammer angeordnet sind und mit ihren freien Enden den Kontaktflächen der Kondensationsringe zugeordnet sind. Insoweit werden in den einzelnen Spinnpositionen gleichmäßige Bedingungen zum Temperieren der Kondensationsringe erreicht.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
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1 schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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3 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamenten schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt. In der 1 sind nur die für die Erfindung wesentlichen Vorrichtungsteile gezeigt, da der Grundaufbau derartiger Vorrichtungen allgemein hinlänglich bekannt ist.
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Das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen weist an einer Unterseite eines beheizbaren Spinnbalkens 1 eine Spinndüse 2 auf. Die Spinndüse 2 ist über eine Schmelzeleitung 17 mit einer hier nicht dargestellten Spinnpumpe gekoppelt. Die Spinnpumpe erzeugt einen Schmelzestrom eines Polymers, beispielsweise Polyamid oder Polypropylen, der unter Druck der Spinndüse 2 zugeführt wird. Die Spinndüse 2 weist an ihrer Unterseite eine hier nicht näher dargestellte Düsenplatte mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen auf, aus denen die Polymerschmelze zu feinen Filamentsträngen extrudiert wird.
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Unterhalb des Spinnbalkens 1 ist eine Abkühlvorrichtung 5 angeordnet, die eine Kühlzone 6 zur Abkühlung der frisch extrudierten Filamente aufweist. Hierzu erstreckt sich die Kühlzone 6 unmittelbar vertikal unterhalb der Spinndüse 2.
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In diesem Ausführungsbeispiel weist die Abkühlvorrichtung 5 eine Blaskammer 9 auf, die über eine seitlich angeordnete Blaswand 11 mit einer Druckkammer 10 zusammenwirkt. Die Druckkammer 10 ist über einen Luftzufuhrkanal 26 mit einer hier nicht dargestellten Kühlluftquelle verbunden. Die Blaskammer 10 bildet die Kühlzone 6, die zur Führung der Filamentstränge im Bereich der Spinndüse 2 Fadendurchlassöffnungen 25 aufweist.
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An der Oberseite der Abkühlvorrichtung 5 ist zwischen der Spinndüse 2 und der Kühlzone 6 eine Kondensationseinrichtung 3 angeordnet, die eine Kondensationszone 4 bildet. Die Kondensationseinrichtung 3 wird durch einen Kondensationsring 7 gebildet, der konzentrisch zu der Spinndüse 2 zwischen der Abkühlvorrichtung 5 und dem Spinnbalken 1 gehalten ist.
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Der Kondensationsring 7 stützt sich über einen äußeren Ringkragen 14 gegenüber dem Spinnbalken 1 und einer Oberseite 28 der Blaskammer 9 ab. Zwischen dem freien Ende des vertikal ausgerichteten äußeren Ringkragens 14 und dem Spinnbalken 1 ist ein Isolierelement 16 vorgesehen. Der Kondensationsring 7 ist im Profil U-förmig ausgebildet, wobei parallel zu dem äußeren Ringkragen 14 ein kleinerer innerer Ringkragen 15 gebildet ist und zwischen sich eine Sammelnut 13 bildet. Der Nutgrund der Sammelnut 13 bildet gegenüber der Oberseite 28 der Blaskammer 9 eine Kontaktfläche 8. Die Kontaktfläche 8 des Kondensationsringes 7 liegt zur Wärmeübertragung unmittelbar an einer Wandung der Blaskammer 9 an. Zusätzlich ist an dem inneren Ringkragen 15 ein gegenüberliegender Temperierkragen 12 ausgebildet, der in die Fadendurchlassöffnung 25 der Blaskammer 9 hineinragt und mit einem freien Ende sich bis zur Kühlzone 6 erstreckt. Somit lässt sich das freie Ende des Temperierkragens 12 innerhalb der Kühlzone 6 durch eine Kühlluft kühlen.
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Im Betrieb wird der Kondensationsring 7 über die Abkühlvorrichtung 5 auf ein Temperaturniveau gekühlt, das eine Kondensation und Ablagerung der beim Extrudieren der Filamente frei werdenden flüchtigen Bestandteile insbesondere der Monomere fördert. Insoweit werden im Betrieb die unmittelbar unterhalb der Spinndüse 2 entstehenden Monomere und Oligomere direkt von dem Kondensationsring 7 aufgenommen. Die kondensierten Monomere können vorteilhaft gleichmäßig über den gesamten Querschnitt der Spinndüse 2 von dem Kondensationsring 7 aufgenommen werden. Durch den vom Kondensationsring 7 unmittelbar unterhalb der Spinndüse 2 gebildeten Freiraum ist gewährleistet, dass die Monomere sich aufgrund der Temperaturdifferenz aus dem Filamentverbund herausbewegen und von den Wandungen der Ringkragen 14 und 15 und der Sammelnut 13 des Kondensationsringes 7 aufgenommen werden.
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Das in 1 dargestellte Ausführungsbespiel ist insbesondere für Vorrichtungen geeignet, bei welchem die Abkühlvorrichtung einen quergerichteten Kühlluftstrom zur Abkühlung der Filament erzeugt. Grundsätzlich sind jedoch auch Abkühlvorrichtung bekannt, bei welcher ein radial von außen nach innen erzeugter Kühlluftstrom zur Abkühlung der Filamente genutzt wird. Ein derartiges Ausführungsbeispiel ist in 2 dargestellt.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Querschnittsansicht gezeigt, wobei wiederum nur die für die Erfindung wesentlichen Vorrichtungsteile dargestellt sind.
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Gegenüber dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist die Abkühlvorrichtung 5 einen Kühlzylinder 18 auf, der in seinem Innern die Kühlzone 6 bildet. Der Kühlzylinder 18 besitzt eine gasdurchlässige Zylinderwand, die beispielsweise als Doppelwand aus einem Lochblech und einem Metallgewebe gebildet sein könnte. Der Kühlzylinder 18 ist innerhalb einer oberen Druckkammer 19 angeordnet, die am unteren Ende über eine Lochplatte 24 mit einer unteren Druckkammer 20 gekoppelt ist. Die untere Druckkammer 20 wird in koaxialer Verlängerung zu dem Kühlzylinder 18 von einem Rohrstutzen 23 durchdrungen, wobei der Rohrstutzen 23 und der Kühlzylinder 18 jeweils eine Fadendurchlassöffnung 25 durch die obere Druckkammer 19 und die untere Druckkammer 20 bilden. Die untere Druckkammer 20 ist über einen Luftzufuhrkanal 26 mit einer hier nicht dargestellten Kühlluftquelle gekoppelt.
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Zwischen der Abkühlvorrichtung 5 und einem Spinnbalken 1 ist eine Kondensationseinrichtung 3 angeordnet. Die Kondensationseinrichtung 3 wird auch in diesem Fall durch einen Kondensationsring 7 gebildet, der in seiner Querschnittsform identisch zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel ausgebildet ist.
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Der Kondensationsring 7 stützt sich mit einer Kontaktfläche 8 unmittelbar an einem Stirnende 21 des Kühlzylinders 18 ab. Auf der gegenüberliegenden Unterseite des Spinnbalkens 1 liegt das freie Ende des äußeren Ringkragens 14 am Isolierelement 16 an. Insoweit bildet der Kondensationsring 7 eine Kondensationszone 4 unmittelbar unterhalb der Spinndüse 2. Zwischen dem Isolierelement 16 und der oberen Druckkammer 19 ist konzentrisch zu dem Kondensationsring 7 ein Dichtelement 22 vorgesehen, das an der Oberseite der Druckkammer 19 gehalten ist.
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Zur Kühlung des Kondensationsringes 7 ist desweiteren ein Temperierkragen 12 vorgesehen, der in das Innere des Kühlzylinders 18 hineinragt. Der Temperierkragen 12 ist an dem Innenkragen 15 des Kondensationsringes 7 angeformt und wird am freien Ende von der Kühlzone 6 gekühlt. Die Temperierung des Kondensationsringes 7 erfolgt somit über die Abkühlvorrichtung 5. Da der Kondensationsring 7 gegenüber dem Spinnbalken 1 durch ein Isolierelement 16 getrennt ist, wird an dem Kondensationsring 7 ein Temperaturniveau erreicht, das die Kondensation der Monomere fördert.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen ist in seiner Funktion im wesentlichen identisch zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel. Nur der Kühlluftstrom wird in dem Ausführungsbeispiel nach 2 durch den gasdurchlässigen Kühlzylinder erzeugt, der eine Kühlluft aus der oberen Druckkammer 19 von außen ins Innere der Kühlzone 6 leitet. Die Kühlluft wird hierzu über den Luftzufuhrkanal 26 in die untere Druckkammer 20 eingeleitet und gelangt dort über die Lochplatte 24 in die obere Druckkammer 19. Damit läßt sich eine gleichmäßige Verteilung der Kühlluft in der oberen Druckkammer 19 erreichen.
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Bei der Herstellung von synthetischen Fäden werden diese üblicherweise zu mehreren gemeinsam parallel nebeneinander innerhalb einer Spinnposition erzeugt. Insoweit werden beheizte Spinnbalken eingesetzt, die an ihrer Unterseite eine Gruppe von Spinndüsen tragen. In 3 ist ein derartiges Ausführungsbeispiel schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sind an einem Spinnbalken 1 mehrere Spinndüsen 2 in einer reihenförmigen Anordnung nebeneinander gehalten. Die Spinndüsen 2 sind innerhalb des Spinnbalkens 1 durch mehrere Schmelzeleitungen 17 mit einer Spinnpumpe 29 verbunden. Die Spinnpumpe 29 ist über einen Pumpenantrieb angetrieben, wobei die Spinnpumpe 29 zu jeder Spinndüse 2 ein separates Fördermittel aufweist. Die Spinnpumpe 29 ist über einen Schmelzezulauf 30 mit einer hier nicht dargestellten Schmelzequelle verbunden. Der Spinnbalken 1 ist beheizt ausgeführt, so dass die Spinndüsen 2, die Schmelzeleitung 17 und die Spinnpumpe 29 beheizt werden.
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Dem Spinnbalken 1 ist an der Unterseite eine Kondensationseinrichtung 3 sowie eine Abkühlvorrichtung 5 zugeordnet. Die Kondensationseinrichtung 3 ist durch mehrere Kondensationsringe 7 gebildet, die auf die Spinndüsen 2 verteilt angeordnet sind. Insoweit ist der Aufbau der Kondensationseinrichtung 3 identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach 2, so dass an dieser Stelle keine weitere Erläuterung erfolgt und zu der vorhergehenden Beschreibung verwiesen wird.
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Auch die Abkühlvorrichtung 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 ausgeführt, wobei innerhalb der oberen Druckkammer 19 pro Spinndüse 2 jeweils ein von mehreren Kühlzylindern 18 angeordnet sind. Dementsprechend weist die untere Druckkammer 20 pro Kühlzylinder 18 einen von mehreren Rohrstutzen 23 auf, die gemeinsam mit den Kühlzylindern 17 pro Spinndüse eine Fadendurchlassöffnung 25 bilden.
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Zwischen der Kondensationseinrichtung 3 und dem Spinnbalken 1 ist ein Isolierelement 16 vorgesehen, um die Kondensationsringe 7 gegenüber dem beheizten Spinnbalken 1 zu isolieren.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich zur Abdichtung der Abkühlvorrichtung 5 und der Kondensationseinrichtung 3 gegenüber der Umgebung zwischen dem Isolierelement 16 und der oberen Druckkammer 19 ein Dichtelement 22 angeordnet. Das Dichtelement 22 könnte hierbei plattenförmig ausgebildet sein, das pro Kondensationsring 7 jeweils einen Ausschnitt aufweist.
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Zu beiden Seiten der Druckkammern 19 und 20 sind zwei Hubzylinder 27.1 und 27.2 vorgesehen, um die Abkühlvorrichtung 5 zwischen einer Betriebsstellung (wie gezeigt) in eine Wartestellung zu verstellen. In der Wartestellung wird die Abkühlvorrichtung 5 mit Abstand zu dem Spinnbalken 1 gehalten, so dass die Kondensationsringe 7 der Kondensationseinrichtungen 3 zum Reinigen geöffnet sind. In diesem Ausführungsbeispiel ist es sogar möglich, die Kondensationsringe auszutauschen, da über den Temperierkragen eine einfache Steckverbindung realisierbar ist.
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Die Funktion des Ausführungsbeispiels nach 3 ist pro Spinndüse identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach 2, so dass an dieser Stelle keine weitere Erläuterung erfolgt und Bezug zu der vorgenannten Beschreibung genommen wird.
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Bei den in 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Kondensationseinrichtung 3 und insbesondere die Formgebung des Kondensationsringes 7 beispielhaft. Wesentlich hierbei ist, dass der Kondensationsring einerseits aus einem wärmeleitenden Material gebildet ist und andererseits eine Formgebung zur Aufnahme der kondensierten Monomere aufweist. Insoweit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von Filamentsträngen besonders geeignet, um Fäden aus Polyamid oder Fasern aus Polypropylen herzustellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spinnbalken
- 2
- Spinndüse
- 3
- Kondensationseinrichtung
- 4
- Kondensationszone
- 5
- Abkühlvorrichtung
- 6
- Kühlzone
- 7
- Kondensationsring
- 8
- Kontaktfläche
- 9
- Blaskammer
- 10
- Druckkammer
- 11
- Blaswand
- 12
- Temperierkragen
- 13
- Sammelnut
- 14
- äußerer Ringkragen
- 15
- innerer Ringkragen
- 16
- Isolierelement
- 17
- Schmelzeleitung
- 18
- Kühlzylinder
- 19
- obere Druckkammer
- 20
- untere Druckkammer
- 21
- Stirnende Kühlzylinder
- 22
- Dichtelement
- 23
- Rohrstutzen
- 24
- Lochplatte
- 25
- Fadendurchlassöffnung
- 26
- Luftzufuhrkanal
- 27.1, 27.2
- Hubzylinder
- 28
- Oberseite Blaskammer
- 29
- Spinnpumpe
- 30
- Schmelzezulauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3840357 A1 [0003]
- WO 89/03903 A1 [0004]
- DE 102011117458 A1 [0005]
