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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von synthetischen Filamenten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von synthetischen Filamenten ist aus der
CN 203 498 516 U bekannt.
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Bei der Herstellung von synthetischen Fäden werden die Fäden jeweils aus einem Bündel frisch extrudierter Filamente gebildet. Hierzu werden die Filamente mittels einer Spinndüse aus einer unter Druck zugeführten Polymerschmelze durch feine Düsenöffnungen extrudiert. Anschließend werden die aus einer Düsenplatte der Spinndüse austretenden Filamente unter Wirkung einer Kühlluft abgekühlt und verfestigt. Gleichzeitig werden die Filamente mittles Abzugsgaletten gezogen und bis zu Verfestigung verstreckt. Diese bis zur Verfestigung der Filamente auftretenden Effekte haben einen entscheidenden Einfluss auf die Gleichmäßigkeit und Kontinuität der Filamenttiter bzw. des Gesamttiters des Fadens. So ist es allgemein bekannt, dass Titerschwankungen des Fadens sich insbesondere bei der Weiterverarbeitung durch ein unterschiedliches Einfärbeverhalten des Fadens besonders stark bemerkbar machen. Aufgrund der zunehmenden Qualitätsanforderungen im Bereich der Textilien sind daher solche Titerschwankungen in den Filamenten möglichst zu vermeiden.
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Bei der bekannten Vorrichtung werden die aus der Spinndüse austretenden Filamente unmittelbar in einen Kühlzylinder eingeleitet, der das Filamentbündel mit einer gasdurchlässigen Blaswand umschließt. Die Düsenöffnungen der Spinndüse sind hierzu in einer ringförmigen Lochmuster-Anordnung ausgebildet, so dass das Filamentbündel im wesentlichen koaxial zu dem Kühlzylinder extrudiert wird. Der Kühlzylinder ist innerhalb eines Blaskastens angeordnet, der mit einer Kühlluftquelle verbunden ist. Die über den Kühlzylinder zu dem Filamenten geführte Kühlluft durchdringt das Filamentbündel und wird gemeinsam mit den Filamentbündel in Fadenlaufrichtung abgeführt. Nach der Abkühlung werden die Filamentbündel in einem sogenannten Konvergenzpunkt zu dem Faden zusammengeführt. Dabei tritt die eingeschlossene Kühlluft zuvor aus dem Filamentbündel wieder heraus. Die in das Filamentbündel eintretende Kühlluft sowie insbesondere die austretende Kühlluft verursacht jedoch teilweise ungewünschte Turbulenzen, die die Filamentführung beeinflusst und insbesondere an einzelnen Filamenten zu Schwingungen führt. Derartige Effekte wirken sich jedoch nachteilig in der Gleichmäßigkeit der Titerausbildung und der physikalischen Eigenschaften der Filamente aus.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die gattungsgemäße Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen synthetischer Filamente derart zu verbessern, dass möglichst alle Filamente des Filamentbündels mit hoher Gleichmäßigkeit herstellbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Lochmuster der Düsenöffnungen an der Spinndüse derart ausgebildet ist, dass sich zwischen den extrudierten Filamenten der Düsenöffnungen radial wirkende Strömungskanäle zur Luftführung bilden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind durch die Merkmale und Merkmalskombinationen der Unteransprüche definiert.
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Die Erfindung besitzt den besonderen Vorteil, dass beim Extrudieren des Filamentbündels zwischen den einzelnen Filamenten Freiräume gebildet sind, die sowohl ein Ein- als auch ein Austreten der Kühlluft aus dem Filamentbündel ermöglichen. Die Anordnung der Düsenöffnung an der Spinndüse bestimmt den Verlauf und die Lage der Filamente innerhalb des Filamentbündels. So kann durch ein vorbestimmtes Lochmuster eine Filamentanordnung innerhalb des Filamentbündels realisiert werden, welches am Umfang verteilt gleichmäßig wirkende Strömungskanäle in radialer Richtung von außen nach innen entstehen lässt.
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Um einerseits eine gleichmäßige Abkühlung aller Filamente innerhalb des Filamentbündels zu erhalten und andererseits eine definierte Verteilung der Strömungskanäle zu erzeugen, ist die Weiterbildung der Erfindung besonders vorteilhaft, bei welcher das Lochmuster der Düsenöffnungen der Spinndüse innerhalb einer Ringfläche zwischen einem Kerndurchmesser und einem Außendurchmesser analog einer logarithmischen Spirale mit einer vorbestimmten Anzahl der Spiralgänge verteilt angeordnet sind. Einerseits wird durch den Kerndurchmesser der Ringfläche im Zentrum des Filamentbündels ein Freiraum zur Aufnahme der eindringenden Kühlluft geschaffen. Andererseits gewährt die Verteilung der Düsenöffnungen analog einer logarithmischen Spirale eine gleichmäßige Ausnutzung der Ringfläche zur Aufnahme der Düsenöffnungen. Hierbei kann allein durch die Wahl der Spiralgänge der logarithmischen Spirale das gewünschte Lochmuster erzeugt werden.
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Zur Ausbildung der Strömungskanäle zwischen den Filamenten des Filamentbündels und zur gleichmäßigen Verteilung der Filamente innerhalb des Filamentbündels hat sich die Weiterbildung der Erfindung bewährt, bei welcher die Düsenöffnungen der Spinndüse auf einer Anzahl von fünf Spiralgängen oder zehn Spiralgängen verteilt angeordnet sind.
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Zur Aufnahme der Kühlluft im Innern des Filamentbündels bei der Herstellung von einem synthetischen Faden hat sich die Weiterbildung der Erfindung bewährt, bei welcher der Kerndurchmesser einen Kernradius von mindestens 25 mm aufweist.
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Bei Vorgabe einer Ringfläche und einer Anzahl von Düsenöffnungen lässt sich die Verteilung der Düsenöffnungen vorteilhaft durch eine geometrische Abhängigkeit bestimmen. So lässt sich gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung jeder Düsenöffnung der Spinndüse in dem Lochmuster ein Radius gemäß einer geometrischen Abhängigkeit
zuordnen, wobei die Düsenöffnungen in einer vorbestimmten Anzahl und einer Reihenfolge in der Ringfläche angeordnet sind.
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Neben dem Radius ist jeder Düsenöffnung ein Winkel zuzuordnen, der sich aus der geometrischen Abhängigkeit
ergibt. Insoweit können die Düsenöffnungen bei Vorgabe der gewünschten Spiralgänge der logarithmischen Spirale in ihrer Lage exakt vorbestimm werden. Jede der Düsenöffnungen ist in ihrer Lage durch sogenannte Polarkoordinaten exakt bestimmt.
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Die Erfindung ist insbesondere zur Herstellung von synthetischen Fäden im Schmelzspinnprozess geeignet. Grundsätzlich lassen sich die Erkenntnisse jedoch auch zur Herstellung anderer synthetischer Fasern vorteilhaft nutzen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
- 1 schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen von synthetischen Filamenten
- 2 schematisch eine Draufsicht einer Düsenplatte der in 1 gezeigten Spinndüse
- 3 schematisch eine Querschnittsansicht der Düsenplatte aus 2
- 4 schematisch eine Draufsicht einer weiteren Düsenplatte der in 1 gezeigten Spinndüse
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In der 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Abkühlen synthetischer Filamente schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt. Das Ausführungsbeispiel weist eine Spinneinrichtung 1 und eine unterhalb der Spinneinrichtung 1 angeordnete Kühleinrichtung 2 auf.
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Die Spinneinrichtung 1 ist in diesem Ausführungsbeispiel schematisch durch einen Spinnbalken 3 sowie eine an der Unterseite des Spinnbalkens 3 gehaltene Spinndüse 5 dargestellt. An der Oberseite des Spinnbalkens 3 ist ein Schmelzezulauf 4 gezeigt, wobei die zur Zuführung und Förderung genutzten Einrichtungen, die zum größten Teil in dem beheizten Spinnbalken 3 angeordnet sind, hier nicht näher gezeigt sind. Die Spinndüse 5 weist zum Extrudieren einer Vielzahl von Filamenten an ihrer Unterseite eine Düsenplatte 6 auf, die nachfolgend noch näher erläutert wird.
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Unterhalb des Spinnbalkens 3 ist ein Blaskasten 7 der Kühleinrichtung 2 angeordnet. Der Blaskasten 7 weist im Innern eine obere Kühlkammer 10 und eine untere Verteilkammer 12 auf. Zwischen der oberen Kühlkammer 10 und der unteren Verteilkammer 12 ist ein gelochtes Trennblech 13 angeordnet.
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Zur Aufnahme und Führung der durch die Spinndüse 5 extrudierten Filamente 18 wird die obere Kühlkammer 10 des Blaskastens 7 von einem Kühlzylinder 9 durchdrungen. Der Kühlzylinder 9 ist zu beiden Enden offen und weist eine zylindrische Blaswand 17 auf. Innerhalb des Blaskastens 7 erstreckt sich die zylindrische Blaswand 17 von einer Oberseite des Blaskastens 7 bis hin zum Trennblech 13. Die Blaswand 17 des Kühlzylinders 9 ist gasdurchlässig ausgebildet und könnte aus einem oder mehreren Bestandteile wie beispielsweise Sieben, Lochblechen, Geweben oder Drahtgeflechten gebildet sein.
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In axialer Verlängerung des Kühlzylinders 9 ist innerhalb des Blaskastens 7 ein Rohrstutzen 11 vorgesehen, der die Verteilkammer 12 vollständig durchdringt. Der Rohrstutzen 11 ist zu beiden Stirnseiten offen, um die Filamente an einer Unterseite aus dem Blaskasten 7 herauszuführen.
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Der Blaskasten 7 ist durch einen Anschlusskanal 14 mit einer Kühlluftquelle 15 gekoppelt. Die Kühlluftquelle 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft als ein Gebläse dargestellt. Der Anschlusskanal 14 ist im unteren Bereich des Blaskastens 7 ausgebildet und mündet in die Verteilkammer 12.
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An der Oberseite des Blaskastens 7 ist zwischen dem Spinnbalken 3 und dem Blaskasten 7 eine Dichtung 8 angeordnet. Die Dichtung 8 ist ringförmig ausgebildet und umschließt die an der Unterseite des Spinnbalkens 3 gehaltene Spinndüse 5. Der Blasasten 7 wird an seiner Oberseite mit der Dichtung 8 an dem Spinnbalken 3 gehalten, so dass keine durch den Kühlzylinder 9 erzeugte Kühlluft zwischen dem Spinnbalken 3 und dem Blaskasten 7 entweichen kann.
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Unterhalb des Blaskastens 7 ist in axialer Verlängerung zu dem Kühlzylinder ein Fallschacht 16 angeordnet. Innerhalb des Fallschachtes 16 ist ein Sammelfadenführer 26 mittig unterhalb der Spinndüse 5 angeordnet. Der Sammelfadenführer 26 bildet den sogenannten Konvergenzpunkt, in welchen die Filamente 18 des extrudierten Filamentbündels zu einem Faden 17 zusammengeführt werden. Dem Sammelfadenführer 26 kann hierzu noch eine Präparationseinrichtung zugeordnet sein.
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Im Betrieb wird durch die Kühlluftquelle 15 über den Anschlusskanal 14 eine Kühlluft in die Verteilkammer 12 eingeblasen, dabei gelangt die Kühlluft über das gelochte Trennblech 13 aus der Verteilkammer 12 in die Kühlkammer 10. In der Kühlkammer 10 verteilt sich die Kühlluft um den gesamten Umfang des Kühlzylinders 9. Aufgrund eines Druckgefälles zwischen der Kühlkammer 10 und dem Inneren des Kühlzylinders 9 wird ein kontinuierlicher Kühlluftstrom durch die Blaswand 17 erzeugt und auf das Filamentbündel der Filamente 18 gerichtet. Dieser Zustand ist in 1 dargestellt.
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Damit die Kühlluft einerseits jedes der Filamente des Filamentbündels gleichmäßig kühlt und andererseits das Filamentbündel der Filamente möglichst gleichmäßig durchdringt und vor Erreichen des Konvergenzpunktes wieder entweichen kann, weist die Spinndüse 5 ein vorbestimmtes Lochmuster der Düsenöffnungen auf. Hierzu ist in der 2 und der 3 schematisch eine Düsenplatte 6 der Spinndüse 5 in mehreren Ansichten dargestellt. 2 zeigt eine Draufsicht einer Extrusionsseite 25 der Düsenplatte 6 und in 3 ist ein Querschnitt der Düsenplatte 6 gezeigt. Insoweit kein ausdrücklicher Bezug zu einer der Figuren gemacht ist, gilt die nachfolgende Beschreibung für beide Figuren.
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Die Düsenplatte 6 weist an der Unterseite 25 eine Vielzahl von Düsenöffnungen 19 auf. Die Düsenöffnungen 19 sind innerhalb einer Ringfläche 21 nach einem vordefinierten Lochmuster 23 verteilt angeordnet. Wie insbesondere aus der Darstellung in 2 hervorgeht, ist das Lochmuster 23 der Düsenöffnung 19 derart gewählt, dass sich zwischen den Gruppen von Düsenöffnungen 19 mehrere Strömungskanäle 20 ausbilden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Strömungskanäle 20 als gekrümmte Freiräume zwischen den Düsenöffnungen 19 zu erkennen. Hierbei ist eine Verbindung zwischen einem inneren Freiraum 22, der durch einen Kerndurchmesser definiert ist, und einer Umgebung der einströmenden Kühlluft realisiert. Die Ringfläche 21 erstreckt sich dabei zwischen dem Kerndurchmesser, der mit 2rKern gekennzeichnet ist und einem Außendurchmesser 2rAußen.
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Wie aus der Darstellung in 3 gezeigt ist, werden die Düsenöffnungen 19 an der Unterseite 25 der Düsenplatte 6 durch Kapillare 28 gebildet. Auf der Einlassseite 24 münden Düsenbohrungen 29, die mit den Kapillaren 28 verbunden sind.
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Das in
2 dargestellte Lochmuster
23 der Düsenöffnungen
19 ist analog einer logarithmischen Spirale mit einer vorbestimmten Anzahl von Spiralgängen aufgebaut. In diesem Fall weist die logarithmische Spirale insgesamt 10 Spiralgänge auf, um die Düsenöffnungen
19 innerhalb der Ringfläche
21 zu verteilen. Hierbei ist jeder Düsenöffnung
19 der Spinndüse
5 in dem Lochmuster
22 ein Radius
ri zugeordnet. Der Radius
ri der Spinndüsen
5 ergibt sich aus der geometrischen Abhängigkeit:
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In dieser geometrischen Abhängigkeit ist die Ringfläche 21 durch einen Kernradius rKern und durch den Außenradius rAußen bestimmt. Die Anzahl der Düsenöffnungen 19 innerhalb des Lochmusters ist mit dem Kleinbuchstaben n gekennzeichnet und in diesem Ausführungsbeispiel durch 48 Düsenöffnungen bestimmt. Die Reihenfolge der Düsenöffnungen auf der Spirale ist durch den Kleinbuchstaben i gekennzeichnet und würde bei einer Anzahl von 48 Düsenöffnungen mit i=1 beginnen und mit i=48 enden.
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Zur Positionierung der jeweiligen Düsenöffnung
19 lässt sich zu jedem der Düsenöffnungen
19 der Spinndüse
5 in dem Lochmuster
23 ein Winkel
αi berechnen. Die Winkellage ergibt sich aus der geometrischen Abhängigkeit
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Die Anzahl der Spiralgänge wird hierbei durch den Kleinbuchstaben fs definiert. In diesem Fall würde die Anzahl der Spiralgänge mit fs = 10 definiert.
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Mit Hilfe der geometrischen Abhängigkeiten kann somit jede der Düsenöffnungen 19 innerhalb des Lochmusters 23 exakt durch Polarkoordinaten mit dem Radius ri und dem Winkel αi gekennzeichnet werden, um die Lage der einzelnen Düsenöffnungen 19 auf der Spirale zu bekommen.
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Um eine ausreichende Bildung von radial wirkenden Strömungskanälen 20 zu erhalten, haben sich die Lochmuster 23 einer Spirale mit insgesamt 5 oder 10 Spiralgängen fs bewährt.
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So ist in der 4 schematisch eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Düsenplatte 6 einer Spinndüse 5 gezeigt, wie sie beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel nach 1 einsetzbar wäre. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Spinndüse 5 sind die Düsenöffnungen 19 in einem Lochmuster 23 derart angeordnet, dass die Anzahl n der Düsenöffnungen 19 auf insgesamt 5 Spiralgängen fs einer logarithmischen Spirale verteilt angeordnet sind. Hierbei ergeben sich ebenfalls gekrümmte Strömungskanäle 20, die sich beim Extrudieren der Filamentstränge zwischen den Filamenten 18 bilden. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anzahl n der Düsenöffnungen 19 identisch zu dem Ausführungsbeispiel nach 2. Insoweit weisen die Düsenöffnungen 19 an der Düsenplatte 6 im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel nach 2 veränderte Winkellagen auf. Die geometrische Bestimmung erfolgt hierbei durch die zuvor beschriebenen geometrischen Abhängigkeiten zu dem Radius ri und dem Winkel αi .
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Durch die erfindungsgemäße Verteilung der Düsenöffnungen an der Spinndüse lässt sich die Kühlluft ohne Verursachung von Turbulenzen in das Filamentbündel hinein und auch wieder herausführen. Dabei sind die Düsenöffnungen derart versetzt zueinander angeordnet, dass die daraus extrudierten Filamente eine gleichmäßige Kühlwirkung durch die radial zugeführte Kühlluft erhalten. Insoweit wird der Herstellungsprozess wesentlich stabilisiert und die Qualität der erzeugten Filamente verbessert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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