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Die Erfindung betrifft eine Spinndüsenvorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten aus einer Polymerschmelze gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Zur Herstellung von synthetischen Fäden in einem Schmelzspinnprozess werden üblicherweise Spinndüsenvorrichtung eingesetzt, die aus einem zugeführten Schmelzestrom eines Polymers eine Mehrzahl von feinsten Filamenten spinnen. Um eine hohe Gleichmäßigkeit beim Spinnen der Filamentstränge zu erhalten, ist es außerordentlich wichtig, dass die Polymerschmelze einen hohen Reinigungsgrad sowie eine gleichmäßige Homogenität aufweist. Insoweit ist es üblich, dass derartige Spinndüsenvorrichtungen zumindest ein Filterelement aufweist. Neben der Filtrierung sind dabei jedoch auch der Druckabfall sowie die Scherung vor dem Spinnen und Mischung der Polymerschmelze zu erfüllen, um neben der Reinheit die Homogenität zu gewährleisten.
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Um diese Anforderungen zu erfüllen, wird in der
DE 101 40 116 A1 eine Spinndüsenvorrichtung vorgeschlagen, die eine Filtereinrichtung mit mehreren Ringfilterelementen aufweist. Die Ringfilterelemente sind in einer Reihenschaltung hintereinander angeordnet, so dass sich insgesamt eine bessere Tiefenwirkung sowie eine wesentlich größere Filterfläche einstellt. Derartige Ringfilterelemente besitzen jedoch grundsätzlich den Nachteil, dass die Polymerschmelze beim Durchdringen der Ringfilterelemente unzureichend durchmischt wird. Insbesondere sind die nicht zu vermeidenden Nahtstellen an den Ringfilterelemente als besonders kritisch anzusehen.
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Um eine ausreichende Durchmischung der Polymerschmelze zu erhalten, ist aus der
DE 42 25 341 A1 eine Spinndüsenvorrichtung bekannt, bei welcher nur ein einziges Ringfilterelement eingesetzt ist, das mit einer Mischeinrichtung im Innern des Gehäuses zusammenwirkt. Hierbei ist die Mischeinrichtung im Innern des ringförmigen Filterelementes angeordnet, so dass nur eine begrenzte Filtertiefe zur Filtrierung der Polymerschmelze zur Verfügung steht.
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Aus der
US 3,847,524 ist darüberhinaus eine Spinndüsenvorrichtung bekannt, bei welcher eine Mehrzahl von kerzenförmigen Filterelementen gemeinsam mit einer Scherplatte zusammenwirken. Hierbei wird die Scherung und Mischung der Schmelze unmittelbar vor der Düsenplatte durch ein zusätzliches Schermittel ausgeführt. Bei einer derartigen Filtereinrichtung ist es kaum möglich, eine gleichmäßige Anströmung aller Filterkerzen zu erhalten. Die zwangsläufig ungleichmäßige Durchströmung der Filterkerzen führt zudem zu unterschiedlichen Verschmutzungen, die die Ungleichmäßigkeit der Durchströmung noch begünstigen.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Spinndüsenvorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten aus einer Polymerschmelze bereitzustellen, mit welcher eine Filtrierung, eine Scherung und eine Vermischung der Schmelze vor dem Verspinnen mit hoher Gleichmäßigkeit ausführbar ist.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, eine Spinndüsenvorrichtung der gattungsgemäßen Art mit einer Filtereinrichtung auszubilden, die eine hohe Flexibilität zur Einstellung einer Filtrierung, Scherung und Mischung der Polymerschmelze aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein dem Schmelzeinlass zugeordnetes erstes Filterelement durch einen ringförmigen Kerzenfilter und ein anderes den Düsenöffnungen der Düsenplatte vorgeordnetes Filterelement durch einen Sandfilter gebildet sind.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der Unteransprüche definiert.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Funktionen zur Aufbereitung der Polymerschmelze vor dem Verspinnen durch separate Filterelemente ausführbar sind. So können die Funktion der Filtrierung und die Funktion der Scherung vorteilhaft durch unterschiedliche Filtermaterialien erfolgen. Insbesondere das als ringförmiger Kerzenfilter ausgebildete erste Filterelement bietet die Möglichkeit, eine Filtrierung mit relativ großer Filterfläche mit entsprechend langer Standzeit zu realisieren. Der den ringförmigen Kerzenfilter nachgeordnete Sandfilter bietet den besonderen Vorteil, die Polymerschmelze zu mischen und zu scheren mit oder ohne eine zusätzliche Filterwirkung. Damit wird die Polymerschmelze vor dem Ausspinnen durch die Düsenöffnungen der Düsenplatte im hohen Grade vergleichmäßigt.
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Um eine mehrfache Filtrierung der Schmelze vornehmen zu können, ist die Weiterbildung der Erfindung bevorzugt ausgeführt, bei welche der Kerzenfilter eine Filterfeinheit aufweist, die größer ist als eine Filterfeinheit des Sandfilters. So lässt sich eine intensive Vorfiltrierung durch den ringförmigen Kerzenfilter realisieren. Der insbesondere durch seine Tiefenwirkung vorteilhafte Sandfilter wird dabei genutzt, um eine Feinstfiltrierung zu gewährleisten.
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Grundsätzlich besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass der Kerzenfilter eine Filterfeinheit aufweist, die kleiner ist als eine Filterfeinheit des Sandfilters. Bei dieser Variante der Erfindung, wird die Polymerschmelze allein durch den ringförmigen Kerzenfilter gefiltert. Der nachfolgende Sandfilter wird vorteilhaft im wesentlichen nur zum Vermischen und zur Scherung der Polymerschmelze genutzt, um beispielsweise ein bestimmtes Temperaturniveau innerhalb der Schmelze zu erhalten.
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In Abhängigkeit von dem Fadentiter und dem Polymertyp wird der Kerzenfilter bevorzugt mit einer Filterfeinheit im Bereich zwischen 5 μm bis 200 μm ausgeführt. Somit lassen sich alle Kombinationen zur Einstellung einer einfachen oder doppelten Filtrierung sowie zur Einstellung einer gewünschten Scherung und Mischung realisieren.
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Um einerseits eine große Filterfläche zu realisieren und andererseits eine ausreichende Tiefenwirkung bei der Filtrierung der Polymerschmelze zu erreichen, weist der Kerzenfilter gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung am Umfang ein plissiertes Filtermaterial vorzugsweise aus einem mehrschichtigen Edelstahldrahtgewebe auf. Damit sind sehr lange Standzeiten des Kerzenfilters sowie eine hohe Reinheit der Schmelze zu erreichen.
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Die radiale Durchströmung des Kerzenfilters wird bevorzugt durch die Weiterbildung der Erfindung begünstigt, bei welcher der Kerzenfilter innerhalb des Gehäuses zwischen einem äußeren Haltering und einem inneren Verdrängerkörper angeordnet ist, wobei der Kerzenfilter gegenüber dem Verdrängerkörper ein Stützrohr aufweist und eine Sammelkammer bildet. So lässt sich eine Strömung radial vorn außen nach innen durch den Mantel des Kerzenfilters realisieren.
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Die Zuführung der Polymerschmelze wird dabei bevorzugt durch einen oberhalb des Kerzenfilters ausgebildeten Verdrängerkopf des Verdrängerkörpers begünstigt, der mit der Einlassplatte eine Einlasskammer bildet.
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Zur Aufnahme des Sandfilters ist die Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, bei welcher der Sandfilter durch eine Sandaufschüttung vorzugsweise aus einem Quarzsand oder einem Metallpulver in einer Ausnehmung einer Filterplatte gebildet ist, die im Gehäuse oberhalb der Düsenplatte gehalten ist.
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Hierbei weist die Filterplatte im Grund der Ausnehmung mehrere Bohrungen auf, die gegenüber der Sandaufschüttung durch ein Stützgewebe abgedeckt sind. So ist eine gleichmäßige Durchströmung des Sandfilters möglich. Um insbesondere bestimmte Druckverhältnisse zum Ausspinnen der Polymerschmelze an den Düsenöffnungen der Düsenplatte zu erhalten, lässt sich vorteilhaft die Erfindung noch dadurch verbessern, indem eine Druckabfallplatte zwischen dem Sandfilter und der Düsenplatte angeordnet ist, zumindest eine Durchlassöffnung aufweist. Durch die Anzahl und Formgebung der Durchlassöffnung in der Druckabfallplatte lassen sich vorteilhaft auch die Schmelzeverteilung unmittelbar in einer der Düsenplatte vorgeordneten Verteilkammer realisieren.
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Die erfindungsgemäße Spinndüsenvorrichtung ist grundsätzlich geeignet, um alle zur Faserherstellung üblichen Polymertypen zu verspinnen. Die Düsenöffnungen in der Düsenplatte können dabei in einer flächenförmigen oder ringförmigen Anordnung ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Spinndüsenvorrichtung wird nachfolgend mit Bezug zu den beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
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1 schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spinndüsenvorrichtung
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2 schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spinndüsenvorrichtung
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In 1 ist schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spinndüsenvorrichtung zum Schmelzspinnen einer Vielzahl von Filamenten aus einer Polymerschmelze dargestellt. Die Spinndüsenvorrichtung weist ein hohlzylindrisches Gehäuse 1 auf, das an einem offenen Ende ein Befestigungsgewinde 21 aufweist.
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An dem gegenüberliegenden Ende des Gehäuses 1 ist da Gehäuse 1 durch eine Düsenplatte 2 verschlossen. Die Düsenplatte 2 weist eine Mehrzahl von Düsenöffnungen 3 auf, die die Düsenplatte 2 vorzugsweise in mehreren Durchmesserstufen vollständig durchdringen.
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Innerhalb des Gehäuses 1 stützt sich an der Düsenplatte 2 eine Filterplatte 16 und ein Haltering 7 zur Aufnahme einer Filtereinrichtung 4 ab. Die Filtereinrichtung 4 ist zwischen einem Einlassadapter 5 und der Düsenplatte 2 innerhalb des Gehäuses 1 angeordnet. Der Einlassadapter 5 im oberen Bereich des Gehäuses 1 weist einen Schmelzeinlass 6 auf, der den Einlassadapter 5 vollständig durchdringt.
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Die Filtereinrichtung 4 weist mehrere Filterelemente 4.1 und 4.2 auf, die innerhalb des Gehäuses 1 hintereinander angeordnet sind. Ein erstes dem Schmelzeeinlass 6 zugeordnetes Filterelement ist als Kerzenfilter 4.1 ausgebildet. Der Kerzenfilter 4.1 ist ringförmig ausgeführt und stützt sich mit einem unteren Ende an einem Haltekragen 22 des Halterings 7 ab. Der Kerzenfilter 4.1 weist hierzu ein inneres Stützrohr 12 auf, das von einem pressierten Filtermaterial 11 umgeben ist.
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Das obere Ende des ringförmigen Kerzenfilters 4.1 ist durch einen Verdrängerkörper 8 gehalten, der innerhalb des Kerzenfilters 4.1 konisch ausgeführt ist und eine sich zwischen dem Stützrohr 12 und dem Verdrängerkörper 8 erstreckende Sammelkammer 14 bildet. Im oberen Bereich weist der Verdrängerkörper 8 einen Verdrängerkopf 9 auf, welcher das obere Ende des ringförmigen Kerzenfilters 4.1 abdichtet.
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Zwischen dem Verdrängerkopf 9 und dem Einlassadapter 5 ist ein federelastischer Abstandshalter 10 angeordnet, so dass sich zwischen dem Einlassadapter 5 und dem Verdrängerkörper 8 ein Freiraum einstellt. Ebenso ist zwischen dem Haltering 7 sowie dem Kerzenfilter 4.1 ein weiterer Freiraum gebildet. Die zwischen dem Schmelzeeinlass 6 und dem Kerzenfilter 4.1 gebildeten Freiräume werden hier als Einlasskammer 13 bezeichnet. Die Verteilung der über den Schmezeeinlass 6 zugeführten Polymerschmelze in die Einlasskammer 13 wird dabei im wesentlichen durch den Verdrängerkopf 9 bestimmt.
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Unterhalb des Halteringes 7 ist die Filterplatte 16 angeordnet, die eine kreisförmige Ausnehmung 17 aufweist, die im Durchmesser größer ist als ein Außendurchmesser des Kerzenfilters 4.1. In der Ausnehmung 17 ist eine Sandaufschüttung 18 des Sandfilters 4.2 enthalten. Die Sandschüttung 18 kann hierbei aus einem Quarzsand oder alternativ aus einem Metallpulver gebildet sein. Im Grund der Ausnehmung 17 weist der Sandfilter 4.2 ein Stützgewebe 19 auf, das eine Vielzahl von Bohrungen 20 im Grund der Ausnehmung 17 der Filterplatte 16 abdeckt. Die Bohrungen 20 an der Unterseite der Filterplatte 16 münden in eine Verteilkammer 15, die zwischen der Filterplatte 16 und der Düsenplatte 2 ausgebildet ist.
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An der Oberseite der Filterplatte 16 ist zwischen dem Verdrängerkörper 8 und dem Sandfilter 4.2 die Sammelkammer 14 gebildet, die sich axial bis zu einem oberen Ende des Kerzenfilters 4.1 erstreckt.
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Im Betrieb wird die Spinndüsenvorrichtung über das Befestigungsgewinde 21 an eine Spinndüsenaufnahme befestigt, wobei der Einlassadapter 5 druckdicht mit einer Schmelzezufuhreinrichtung gekoppelt wird. In diesem Zustand wird eine Polymerschmelze unter einem vorbestimmten Druck einer Spinnpumpe in den Schmelzeeinlass 6 eingeleitet und zunächst in die Einlasskammer 13 geleitet. Die Polymerschmelze durchströmt in radialer Richtung von außen nach innen den Kerzenfilter 4.1. Hierbei erfolgt eine Filtrierung der Schmelze. Das Filtermaterial 11 des Kerzenfilters 4.1 ist hierzu vorzugsweise aus einem plessierten Edelstahldrahtgewebe gebildet.
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Nach der Filtrierung der Schmelze gelangt diese in die Sammelkammer 14 und durchdringt anschließend den Sandfilter 4.2. Innerhalb des Sandfilters 4.2 erfolgt eine Vermischung und eine Scherung der Polymerschmelze, bevor diese über die Bohrungen 20 in die Verteilkammer 15 gelangt. Anschließend wird die Polymerschmelze durch die Düsenöffnungen 3 versponnen.
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Die Sandaufschüttung 18 des Sandfilters 4.2 wird vorzugsweise aus einem Quarzsand oder einem Metallpulver gebildet. Je nach Filterfeinheit des Kerzenfilters 4.1 können hierbei unterschiedliche Sandaufschüttungen 18 gewählt werden.
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So besteht die Möglichkeit, dass das Filtermaterial 11 des Kerzenfilters 4.1 eine feinere Filterfeinheit aufweist, als die Sandschüttung 18 des Sandfilters 4.2. Damit wird die Filtrierung im wesentlichen durch den Kerzenfilter 4.1 ausgeführt. Der Sandfilter 4.2 ist für die Funktion der Scherung und Mischung der Polymerschmelze ausgelegt. Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, die Filterfeinheit des Kerzenfilters 4.1 grober zu wählen, als die des Sandfilters 4.2. Damit tritt eine 2-Stufen-Filtrierung ein, die durch den Kerzenfilter 4.1 und den Sandfilter 4.2 erfolgt.
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Das Filtermaterial 11 des Kerzenfilters 4.1 wird vorzugsweise mit einer Filterfeinheit im Bereich von 5 μm bis max. 200 μm ausgeführt, so dass in Abhängigkeit vom Fadentiter sowohl textile als auch technische Fäden damit gesponnen werden können.
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Für das Verspinnen von Polymerschmelzen ist insbesondere innerhalb der Spinndüsenvorrichtung ein vorbestimmter Druckabfall sowie eine Temperaturerhöhung gewünscht, um eine gute Spinnbarkeit zu erhalten. Um unabhängig von der Filtereinrichtung einen zusätzlichen Druckabfall realisieren zu können, ist in 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spinndüsenvorrichtung gezeigt.
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In 2 ist schematisch eine Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spinndüsenvorrichtung dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Spinndüsenvorrichtung nach 2 ist im wesentlichen identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach 1, so dass an dieser Stelle nur die Unterschiede erläutert werden und ansonsten Bezug zu der vorgenannten Beschreibung genommen wird.
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Zur Verbesserung des Druckabfalls sowie zur Vermischung der Polymerschmelze ist bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 zwischen der Filterplatte 16 und der Düsenplatte 2 eine zusätzliche Druckabfallplatte 23 angeordnet, die eine Durchlassöffnung 24 aufweist. Die Druckabfallplatte 23 ist an einer Oberseite mit einer kegelförmigen Vertiefung 25 ausgeführt, so dass die aus den Bohrungen 20 der Filterplatte 16 austretende Schmelze gleichmäßig zur Durchlassöffnung 24 geleitet wird. An der Unterseite der Druckabfallplatte 23 ist eine Verteilkammer 15 gebildet, die sich über die gesamte Anordnung der Düsenöffnungen 3 erstreckt.
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Derartige Druckabfallplatten 23 werden in der Fachwelt auch als sogenannte Shirley-Plate bezeichnet, wobei die Druckabfallplatte 23 auch mehrere Durchlassöffnungen 24 aufweisen kann.
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Mit der zusätzlichen Druckabfallplatte 23 besteht die Möglichkeit, einen weiteren Druckabfall im Bereich bis max. 150 bar sowie eine zusätzliche Temperaturerhöhung im Bereich von max. 10 Kelvin zu erreichen.
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Der in den 1 und 2 dargestellte konstruktive Aufbau der Spinndüsenvorrichtung ist beispielhaft. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Spinndüsenvorrichtung in einer plattenförmigen Anordnung auszubilden, wobei die Platten druckdicht miteinander verbunden sind. So können auch rechteckige Düsenplatten realisiert werden. Die Erfindung ist nicht auf eine runde Form der Spinndüsenvorrichtung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10140116 A1 [0003]
- DE 4225341 A1 [0004]
- US 3847524 [0005]
