DE19643425C2 - Sandlose Spinndüse - Google Patents
Sandlose SpinndüseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine sandlose Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Insbesondere die Filtrierung und Scherung des Polymers vor dem Austritt aus
der Spinndüsenplatte durch einen konzentrisch-wellenförmigen Filteraufbau
ist den Patentansprüchen dargelegt.
Druckaufbau, Scherung und Filterung des zu verspinnenden Polymers wird in
Spinndüsen üblicherweise durch eine Sandschüttung vorgenommen. Dies ist
mit verschiedenen Nachteilen behaftet: Zum einen sind die Sandfüllungen, selbst
bei sorgfältigster Durchführung nicht von Düse zu Düse identisch, und zum
anderen bestehen Handhabungsschwierigkeiten bezüglich der Befüllung mit
Sand und des Transportes der befüllten Spinndüsen. Außerdem können
vereinzelte Sandkörner die internen Dichtungen in den Spinndüsen unwirksam
machen.
Aus Literatur und Praxis sind diverse Versuche bekannt, diesen Nachteilen
entgegen zu wirken: Gesinterter Metallsand in Blockform wird in der DE
24 56 626 A1 (Du Pont, 1973) und ein durch ein ausschmelzbares Bindemittel
formgehaltener Filterblock wird in der DE 25 20 522 A1 (ICI, 1974) beschrieben.
Nachteilig an diesen Lösungen ist, daß die Filterblockelemente entweder sehr
genau dimensioniert und in die Spinndüsengehäuse eingepreßt werden müssen,
oder aber von der Polymerschmelze hinterlaufen werden, ohne daß die
gewünschten Filtereffekte eintreten können.
Das Problem des Hinterlaufens tritt ebenfalls bei den üblichen - und teuren -
Lose-Filter-Schichtungen auf, wie sie z. B. in der DE 42 36 570 A1 (AKZO, 1991)
gezeigt wird. Eine mögliche Lösung dieses Hinterlauf-Problems wird in der EP
0 455 492 A1 (Pall, 1991) angeboten: Ein Filterpack, das aus einzelnen gewebten
oder gesinterten Filterlagen besteht, die in einem separaten Gehäuse peripher
rundum verschweißt sind. Ein derartig vorkonfektioniertes Filterpack ist
ebenfalls sehr teuer und erlaubt zudem keine kurzfristigen Schichtungs
varianten, um den Spinnprozeß gegebenenfalls zu beeinflussen.
In der US 3 307 216 (Fiber Ind., 1964) wird ein umhülltes Sandfilterpaket
vorgeschlagen, wobei der Sand in einen gesinterten oder gewebten Filtermantel
abgefüllt ist. Der einfachen Handhabung stehen zusätzliche Kosten entgegen.
Ein radial durchströmtes Filterpack, ähnlich den bekannten Scheibenfiltern in
großen Polymervorfiltern, wird in der US 3 353 211 (Enka, 1965) dargestellt:
Der Schmelzestrom tritt zunächst wie üblich zentral ein und wird anschließend
nach außen verteilt, um danach radial nach innen durch die Filterschichtung in
die Nuten des Filterführungsdornes zu fließen. Hohe Kosten für die vielen
Filterlagen und ein undefinierter Schmelzefluß in den Spalten zwischen den
einzelnen Filtern lassen keine Vorteile erkennen.
Eine Anordnung von gelochten Zwischenscheiben wird in der US 2 792 122
(Pergofit, 1952) vorgeschlagen: Man konnte damals wohl auf zusätzliche
Filterung verzichten. Dieser Gedanke wird in der DE-PS 10 25 561 (Pergofit,
1953) weiter ausgebaut: Zur direkten axialen Durchstömung kommen noch enge
radiale Strömungskanäle hinzu, um "Gasblasen zu entfernen". Dabei strömt die
Schmelze im Scheibenstapel alternierend radial nach innen oder außen hin.
Diese, auf den ersten Blick sehr preiswerten, Spinndüsen genügen den heutigen
Ansprüchen jedoch keinesfalls: Schmelzehomogenität und Reinheit, sowie die
Verhinderung von Gelbildung, wie sie für den modernen Spinnprozeß gefordert
wird, können mit derartigen Anordnungen nicht garantiert werden, selbst wenn
noch zusätzlich Filterlagen dazwischen gefügt würden, weil gerade in den
Spalten und Rillen wieder undefinierte, ungefilterte Strömungen auftreten.
Weiterhin sind zahlreiche Variationen von Filterkerzen in Gebrauch, die aber
neben den Kosten auch noch Verfahrensnachteile aufweisen: Undefinierte
Strömungen und tote Ecken, vorallem beim Einsatz mehrerer Kerzen für jeweils
eine einzelne Spinndüse.
Es besteht also weiterhin die Aufgabe, die Vorteile der Sandfilterung (kosten
günstige Tiefenfiltrierung und hohe Scherung) mit den Vorteilen von Web- oder
Vlies-Flachfiltern (enorm gleichmäßige Filtrierung und stets reproduzierbare
Bedingungen bei einfacher Handhabung) zu vereinigen.
Die Aufgabe wird durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß werden die ansich
bekannten losen - oder auch eingefaßten - Siebfilterlagen gemäß den Patent
ansprüchen in der Spinndüse angeordnet und eingebaut.
Die sofort ersichtlichen Vorteile gegenüber der Sandfilterdüse sind die einfache
und sichere Handhabung und die hohe Filtergleichheit von Spinndüse zu Spinn
düse. Tiefenfiltrierung und Scherung werden durch die zwangsläufige Führung
der Schmelze durch die konzentrisch verspannten Filterlagen erreicht, wobei
der Polymerstrom, bedingt durch das Berg-und-Tal-Profil, die Filterlagern mehr
fach kreuzt und somit durch den flachen Filter einen langen Weg zurücklegt.
Weiterhin ist an dieser Lösung vorteilhaft, daß - neben der Verbilligung durch die
Verringerung der Filterlagen und der Bauhöhe der Spinndüse - insbesondere die
Möglichkeit der freien Anordnung der verschiedenen Filterstärken und deren
Sortierung, um damit den Spinnprozeß beeinflussen zu können, gegeben ist. Es
ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Lösung für alle möglichen
Düsengrößen und Formen einsetzbar ist. Bei der Verwendung in Ringdüsen
ergibt sich aber noch ein überraschender Vorteil dadurch, daß die "Abfall
ronden" aus den Ringfiltern, die sonst ungenutzt bleiben müssen, als erste
Filterstufe nach dem Erfindungsprinzip eingesetzt werden können.
Die Beschreibung der Erfindung erfolgt anhand der Zeichnungen Fig. 1 bis
Fig. 3; dabei zeigt die Darstellung in
Fig. 1 eine beispielhafte Spinndüsenanordnung mit eingefassten und
vorkonfektionierten Filtern (wie sie für die Filamenterspinnung eingesetzt
werden kann),
Fig. 2 eine beispielhafte Spinndüsenanordnung mit loser und frei
konfigurierbarer Filteranordnung (wie sie ebenfalls für die Filamenterspinnung
eingesetzt werden könnte) und
Fig. 3 den wesentlichen Gedanken der wechselnden radialen-axialen
Durchströmung des Filters im Detail.
Fig. 1: Eine beispielhafte Filament-Spinndüsenanordnung mit
eingefassten und vorkonfektionierten Filtern ist - von unten nach oben - wie folgt
aufgebaut:
In einem Gehäuse 1 liegt eine Spinndüsenplatte 2, auf der ein handelsübliches,
selbstdichtend eingefasstes Filter 3, welches aus für den Spinnprozeß
gewählten Lagen von Web- bzw. Vliesfilterronden verschiedener Filterfeinheit
bestehen kann, aufliegt. Im hier gezeigten Beispiel hat die Spinndüsenplatte 2
nur am Außenrand eine geringe Anzahl von Kapillarbohrungen, es ist daher
nützlich, daß die Spinndüsenplatte 2 ebenfalls schon die erfindungsgemäße
wellenförmige und konzentrische Oberflächenstruktur aufweist, wie die über
dem Filter 3 liegende Zentrallochplatte 4. (Sind aber hohe Kapillarzahlen über
die gesamte Düsenfläche verteilt, so ist es auch möglich - wie bisher gewohnt
und allgemein üblich und deshalb auch nicht gezeichnet - mit einer glatten
Fläche zu arbeiten, damit das Filter 3 lediglich seine Verteilerfunktion erfüllen
kann.) In unserem Beispiel ist über der Zentrallochplatte 4 ein weiteres Filter 3
aufgelegt und darüber dann die Peripherlochplatte 5. Diese Schichtung kann
nun - über das gezeigte Beispiel hinaus - weiter vorgenommen werden, je
nachdem wieviel Scherlänge gewünscht wird. Die beispielhafte
Spinndüsenanordnung wird wie üblich mit einem Deckel 6 und einem
Gewindering 7 geschlossen. Der weitere Anschluß an die Polymer
schmelzeversorgung durch den Adapter 9 zum Heizgefäß (auch Spinnbalken
genannt) und die Anschlußdichtung 10 ist dem Fachmann geläufig und braucht
hier nicht weiter erläutert zu werden. Strömt nun die Polymerschmelze durch
den zentralen Kanal im Deckel 6 ein, so wird sie, bedingt durch die
erfindungsgemäße konzentrisch-wellenförmige Oberflächenstruktur der
Einzelteile, radial und axial durch das Filter und die Freiräume (im Detail noch
genauer in Fig. 3 gezeigt) geführt. Dabei muß die konzentrisch-wellenförmige
Struktur der Oberflächen so sein, daß das Filter jeweils zwischen den sich
gegenüberliegenden Tälern und Bergen leicht verspannt anliegt. Die
Schichtungsreihenfolge muß - wie im Beispiel gezeigt - so sein, daß nach einem
zentralen Zutritt zum Filter das darauffolgende Einzelteil periphere Durchgänge
aufweist.
Fig. 2: Eine andere beispielhafte Spinndüsenanordnung mit loser und frei
konfigurierbarer Filteranordnung ist - von unten nach oben - wie folgt aufgebaut:
In einem Gehäuse 11 liegt eine Spinndüsenplatte 12, auf der wiederum eine
Filterlage 13, bestehend aus mehreren losen Filterronden, die entsprechend
dem Spinnprozeß benötigter Filterfeinheit sortiert sind, aufliegt. Auf der losen
Filterlage 13 ruht eine Verteilerplatte 14, schwimmend angeordnet im Zwischen
raum des Mittelteils 15 und der Spinndüsenplatte 12. Dies gilt gleichfalls für die
Anordnung darüber: Auf einer Filterlage 13 ruht ebenfalls eine Verteilerplatte 14,
diesmal schwimmend angeordnet im Zwischenraum des Deckels 16 und des
Mittelteils 15. Die lose Filterlage 13 ist dabei konzentrisch-wellenförmige (wie zu
Fig. 1 und Fig. 3 erläutert) verspannt, insbesondere wenn unter Betriebs
bedingungen der Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze, verursacht
durch das Filter selbst, die lose Filterlage 13 fest zusammenpreßt. Dies
geschieht dadurch, daß das Polymer, z. B. durch den zentralen Kanal im Deckel
16 fließend, gegen die Verteilerplatte 14 anströmt und diese dann seitlich
umfließend in die lose Filterlage 13 ringsum eintritt. Dabei wird durch den
Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze die schwimmende
Verteilerplatte 14 gleichmäßig gegen die lose Filterlage 13 gepreßt, wodurch
gewährleistet wird, daß die Schmelze die lose Filterlage 13 vollständig und
gleichmäßig durchströmt. Die hier in Fig. 2 gezeigte Schichtung kann nun - über
das dargestellte Beispiel hinaus - wiederholt vorgenommen werden, je nachdem
wieviel Scherlänge gewünscht wird. Diese Spinndüsenanordnung wird -
ebenfalls wie üblich - mit einem Gewindering 17 geschlossen und der weitere
Anschluß erfolgt dann über die Anschlußdichtung 10 und den Adapter 9 zum
Heizgefäß - wie schon zu Fig. 1 geschildert. Die Zwischenräume, in denen die
Verteilerplatten 14 jeweils schwimmend angeordnet sind, werden im
dargestellten Beispiel mittels Ringdichtungen 18 gesichert, jedoch ist dem
Fachmann sicher auch eine andere Abdichtungsmöglichkeit geläufig und
braucht hier nicht weiter erläutert zu werden.
Fig. 3: Der Detailschnitt zeigt dabei zur Erläuterung der wesentlichen
Prinzipien eine beispielhafte Anordnung, wie sie aus Fig. 2 bereits bekannt ist:
Auf der losen Filterlage 13 ruht eine Verteilerplatte 14, schwimmend angeordnet
im Zwischenraum des Deckels 16 und des Mittelteils 15. Diese lose Filterlage 13
ist dabei wellenförmig und konzentrisch verspannt, insbesondere wenn unter
Betriebsbedingungen der Differenzdruck der strömenden Polymerschmelze - hier
im Beispiel durch kleine Pfeile und dünne Strich-Punkt-Linien dargestellt - die
lose Filterlage 13 fest zusammenpreßt. Dies geschieht dadurch, daß das
Polymer, z. B. durch den zentralen Kanal im Deckel 16 kommend, gegen die
Verteilerplatte 14 anströmt und diese dann seitlich umfließend in die lose
Filterlage 13 ringsum eintritt und dabei die schwimmende Verteilerplatte 14
gleichmäßig gegen die lose Filterlage 13 preßt. Diese Anpressung verstärkt die
konzentrisch wellenförmige Verspannung der losen Filterlage 13, sodaß dabei in
den konzentrisch-wellenförmige Oberflächen der Einzelteile Freiräume über
bzw. unter dem Filter entstehen. Die Polymerschmelze wird nun zwangsläufig,
bedingt durch die Oberflächenstruktur der Einzelteile, radial und axial durch die
lose Filterlage 13 und die Freiräume geführt, wodurch gewährleistet wird, daß
die Schmelze besagte Filterlage 13 vollständig und gleichmäßig durchströmt.
Die Freiräume (mit ihrem geringeren Strömungswiderstand als jedes
Filtermedium) bedingen, daß das Polymer radial und axial durch das Filter und
die Freiräume fließt.
Es bleibt dem zuständigen Produkt- oder
Anwendungsfachmann überlassen die Ausgestaltung bezüglich der
Filterschichtung, der ersten Anströmungsrichtung, der Dichtungswahl und der
Anzahl der Filtergänge für seinen eigenen Fall selbst zu bestimmen. Auch die
Wahl der Oberflächen, ob die konzentrische Wellenstruktur gleichmäßig oder
progressiv steigend ausgeführt werden soll, muß anwendungsspezifisch und
eventuell empirisch ermittelt werden.
1
Gehäuse
2
Spinndüsenplatte
3
Filter, selbstdichtend eingefasstes
4
Zentrallochplatte
5
Peripherlochplatte
6
Deckel
7
Gewindering
8
-
9
Adapter zum Heizgefäß (auch Spinnbalken genannt)
10
Anschlußdichtung
11
Gehäuse
12
Spinndüsenplatte
13
Filterlage, lose
14
Verteilerplatte
15
Mittelteil
16
Deckel
17
Gewindering
18
Ringdichtung
Claims (8)
1. Sandlose Spinndüse zum Verspinnen von Thermoplasten mit einem
zentralen Polymerschmelzeeintrittskanal und einer Filteranordnung, bestehend
aus einer oder mehreren Filterlagen, dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweilige Filterlage (3, 13), in sich wiederum aus einer oder mehreren
Filterronden bestehend, durch die angrenzenden Düsenbauteile (4, 5; 14, 15
bzw. 4, 2; 14, 12) wellenförmig und konzentrisch abwechselnd von oben und
unten verspannt ist, wobei die angrenzenden Düsenbauteile jeweils ein
konzentrisches, wellenförmiges Berg- und -Tal-Profil aufweisen, das jeweils
lückenlos unter Bildung eines schmalen, konzentrisch-wellenförmigen freien
Raumes in das gegenüberliegende konzentrisch-wellenförmige Berg- und -Tal-
Bauteil-Profil hineinpaßt.
2. Spinndüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das konzentrisch-wellenförmige Berg-und-Tal-
Profil am Außenrand in einem waagerechten, abstandbildenden Absatz endet.
3. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das konzentrisch-wellenförmige Berg-und-Tal-
Profil eine ungleichförmige, nach außen hin enger werdende Teilung aufweist.
4. Spinndüse nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der profilgebenden Bauteile
schwimmend ausgebildet ist, wobei dieses Düsenbauteil (14), das auf einer
Filterlage (13) aufliegt, von der Polymerschmelze umflossen und durch deren
Strömung gegen die Filterlage (13) gepreßt wird.
5. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Spinndüsenplatte (2, 12) ausgebildet ist, die
das konzentrisch-wellenförmige Berg- und -Tal-Profil mit der entsprechend
vorgegebenen Teilung des darüber liegenden Düsenbauteiles aufweist.
6. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß eine aus mehreren Filterronden bestehende Filterlage
(3) mittels eines beidseitig umgebogenen Bandes eingefaßt und
vorkonfektionierbar ist.
7. Spinndüse nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Filterlage (3, 13) aus drei
Einzelfilterronden so geschichtet ist, daß die die Filterfeinheit bestimmende
Filterronde mittig liegt.
8. Spinndüse nach einem der Anprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß in den grenzgebenden Düsenbauteilen axial
möglichst am äußersten Rand eine Vielzahl von Bohrungen für den
Schmelzefluß vorgesehen ist.
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