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VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR SCHAFFUNG EINER GESTEUERTEN ABKÜHLUNG
BEI DER HERSTELLUNG VON FASERGLAS Die Erfindung betrifft das Herstellen von Glasfasern
und insbesondere Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Umgebungsbedingungen
beim Extrudieren und Ausziehen derartiger Fasern.
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Fasern und Fäden werden aus zahlreichen Substanzen hergestellt.In
den letzten Jahren ergab sich eine beachtliche Aktivität bei der stellung von Fäden
aus Glas zur Erzeugung von Faserglas.Faserglas hat viele Anwendungsmöglichkeiten,
z.B. als Isolation, Garn, glasverstärktem Kunststoff usw.Bei der erstellung von
Faserglas fließt typischerweise ges«shmolzenes Glas durch Ausströmöffnungen und'Spitzen
in einer "Düse" ( nozzles or tips in a "bushing") bzw.Bohrungen in einem Düsenboden.
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Hierbei ergeben sich Fasern oder Fäden, die dann abgekühlt und auf
eine Wickelspule oder ein Formungsrohr gezogen werden,Die Anlage zum Glasschmelzen,
Heizvorrichtungen oder Leitungen für die Zufuhr des geschmolzenen Glases zu den
Düsen, die Düsen selbst und zugeordnete Einrichzungen sind umfangreich in ihren
Abmessungen.Eine komplizierte
Temperatursteuerung und Isolation
ist erforderlich,um die Düsen auf genauer Temperatur zu halten.
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Die Düsen und Heizvorrichtungen sind aus kostspieligen Materialien,
beispielsweise Platin, gefertigt.
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Als Folge der stark koaleszierenden Eigenschaft von flüssigem Glas
werden bei einer üblichen Faserglasbildungsanlage Düsen mit großen, komplexen, einzeln
hergestellten und in großem Abstand angeordneten Mundstückansätzen verwendet, um
die notwendige Trennung der gezogenen Fasern zu erhalten.Ein derartiger Vorschlag
wurde in der britischen Patentschrift 763 160 gemacht, nach der sehr kleine Mundstücke
in einer Düse verwendet werden, die aus einem Material von geringer Benetzbarkeit
gebildet ist.
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Die dort beschriebene Anlage hat Jedoch zahlreiche Nachteile.
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Üblicherweise bildet Jede Düse ein Strangende(end of roving), d.h.
von 204 fasern oder Fäden.Mehrere Fäden brechen im allgemeinen wahrend Jedes Durchlaufes
von 0,454 kg an Glas.Imaer dann, wenn ein Fäden bricht, bildet sich ein großer Glaetropfen*Wenn
die Mundstücke dicht genug beieinander liegen, berührt dieser Tropfen andere Fäden;
benachbarte Päden werden ebenfalls in einem sich rasch erweiternden Ring zerbrochen.Die
Mundstücke müssen weit genug voneinander angeordnet werden, um dies zu vermeiden.
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Wenn der Durchlauf von 0,454 kg beendet ist und der Ziehvorgang unterbrochen
ist, beginnt der nächste Durchlauf erneut mit einem vollen Satz von 204 Fäden .-
Dies wird dadurch erreicht, daß man eine Warteperiode einlegt, während der ein Tropfen
an Jedem Mundstück von dem durchsickernden Glas gebildet wird; die Fäden werden
dann im Betrieb
so gezogen1 daß jeder Trop-fen mit den. benachbarten
Tropfen verschmilzt, so daß die Fäden, die während des. vorhergehenden Durchlaufs
gebrochen sind, eingefangen und wieder ange fangen werden.Dementsprechend ist es
im allgemeinen erforderlich, daß der Abstand zwischen den Mundstücken größer als
der Radius eines Tropfens jedoch geringer als der Durchmesser eines Tropfens ist.-Es
ist bekannt, daß die Viskosität des Glases bei oder in der Nähe der Faserbildungstemperaturen
sich rasch mit -g-eringea Temperaturänderungen verändert Wenn fließendes Glas irgendwo
längs seines Flußweges abkühlt, ergibt sich eine Kanalströmung (channeling) des
Glasflusses,.
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wenn nicht äußerste Sorgfalt bei der Aufrechterhaltung der T empersturgleichförmigkeit
ausgeübt wird.Die stark instabil Kanalströmungseigenschaft des fließenden Glases
bewirkt erhebliche Veränderungen der Fließgeschwindigkeiten.Das Glas mit höherer
Temperatur und niedrigerer Viskosität beginnt schneller zu fließen und führt immer
mehr Wärme zu seinem Austrittspunkt, während das kältere und langsamer fließende
Glas stärker abgekühlt und noch langsamer in seiner Fließgeschwindigkeit wird.Derartige
Instabilitätszyklen sind beim Ziehen von Glasfasern unerträglic;h.Ein bestimmter
Betrag an Instabilität der Fließgeschwindigkeit ist jeder Düsenanordnung eigen.Diese
Instabilität ergibt sich aus Unregelmäßigkeiten in der Gestalt der Mundstücke, dem
Heizstromweg der Düse und der Düsenisolation, woraus sich Unregelmäßigkeiten des
Wärmeenergieverlustes über Abstrahlung und Konvektion ~und Wärmeenergiezuwachs aufgrund
von Widr'.rstandsaufhei zung ergeben.
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Die Oberflächengebiete der Düse sind so groß, daß eine Isolation überall
dort, wo möglich, erforderlich ist, um einen übermäßigen Gesamtwarteverlust zu vermeiden;
dies verursacht seinerseits örtliche Temperaturzunahmen.Das gesamte Mundstückgebiet
kann Jedoch nicht isoliert werden; es ist den niedrigeren Temperaturen des Raumes
ausgesetzt, in den die Anlage arbeitet.Daher treten in diesem Gebiet beachtlich
größere Energieverluste als irgendwo sonst in dem Gesamtsystem auf.Die höhere Glastemperatur
in dem isoliertem Gebiet und die niedrigere Temperatur des Glases in dem Mundstückgebiet
führt zu örtlichen Temperaturunterschieden, die ihrerseits Glasflußunregelmäßigkeiten
in den Mundstücken als auch Kanal strömungen hervorrufen, die das Problem weiter
erschweren.
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Aus diesem Grund erfordern übliche Herstellungs-.
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anlagen zur Erzeugung von Faserglas in derartigen Vorrichtungen eine
sorgfältige und genaue Temperatursteuerung.Große Sorgfalt wird ausgeübt durch Verwendung
von thermoelektrischen Temperaturfühlsonden, welche die Stromregulatoren steuern,
die ihrerseits den Zustrom zu den Düsen regulieren, um eine mittlere Temperatur,
die sich für die Faserbildung eignet, zu schaffen. Trotz der sorgfältigen Teiperatursteuening
führen die verbleibenden Nachteile der Vorrichtung immer noch zu einem bestimmten
Faserbruchanteil.D@rüber binaus wird Glas in grobem aß aus dem Mundstück durch die
Zugspannung der üblichen Systeme gezogen; da diese Zugspannung
stark
von einer geringen Veränderung der äußern Umgebung beeinflußt wird, wird die Fadengleichförmigkeit
nachteilig beeinflußt und es tritt Bruch ein.
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Es ist allgemein bekannt, daß bei den üblichen Versuchen der Glasfaserbildung,
auch bei relativ dicken Fasern, häufig Faserbrüche während der Herstellung auftreten.Beim
Auftreten eines Bruches folgte rasch eine Ketten-Reaktion, die sofort die Abgabe
der gesamten Düse hemmt.Wegen der häufigen Brüche werden die Fasern im allgemeinen
auf einem dünnen Riegel oder einer derartigen Spule vorgewickelt, bevor sie zu wesentlich
größeren Versandpackungen uiagewickelt werden.Diese doppelte Handhabung ist offensichtlich
kostspielig und könnte vermieden werden, wenn nur geringer oder gar kein Bruch auftritt.Auch
sind die zysten für das Wiederanfangen und die Abschaltzeit erheblich.
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Während der letzten Jahre ergab sich eine Entwicklung zu dünneren
Fasern und Düsen mit erheblich erhöhter Anzahl von Mundstücken.Hierdurch wurde das
Bruchproblem kompliziert,da dünnere Fäden nicht nur proportional empfindlicher sind
, sondern auch die statistische Bruchwahrscheinlichkeit proportional zur Anzahl
der Nundetücke in einer Düse zunimmt.Dies bedeute9 daß beispielsweise bei einer
doppelt an Anzahl von Mundstücken die mittlere Durchlaufzeit bis zum Eintreten des
Bruches auf die Hälfte absinkt, und wenn man bei doppelt so bruchempfindlichen Fäden
mit 1/2 multipliziert,ergibt sich daraus eine Laufzeit von 1/4.
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In den wergangenen Jahren hat sich auch zunchmend gezeigt, daß dünne
und ultradünne Fasern (beispielsweis 5 Micrometer und darunter), insbesondere in
zur Textilladustrie, einen möglicherweise erheblichen Absatzmarkt haben, vorausgesetzt,
daß Glasfasern in ihrer Herstellung mit organischen Garnen in Wettbewerb treten
können.Eine Anzahl von Schwierigkeiten treten Jedoch dabei auf, die die Herstellungskosten
weiter erhöhen.Diese Schwierigkeiten müssen zuerst gelöst werden, bevor die Faserglashersteller
wettbewerbsfähig werden.Dle Herstellungskosten basieren im allgemeinen auf der Mengenleistung
pro Stunden und pro Düse.Eine Düse mit 200 Mundstücken, die beispielsweise 10-Mieron-Fasern
erzeugt, welche bei einer Spitzghgeschwindigkeit von etwa 4000 bis 4250 Meter pro
Minute ( 13000 bis 14000 feet per minute) betrieben wird, erzeugt etwa 11,4 bis
13,6 kg pro Stunde ( 25 %jj 30 pounds per hour) an Faserglas.Um für eine 5 Micron
Faser Herstellungskosten in der Nähe derjenigen der 10 Micron Faser zu erhalten,
muß deren Mengenleistung erreicht werden und dazu müßten die Fasern entweder mit
4facher Geschwindigkeit, d.h. annähernd 16570 Meter pro Minute (56000 feet per minute),
ausgezogen od"" aus einer Düse mit 800 Mundstücken ausgezogen werden.
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In der Aufwickelgeschwindlgkeit lag der logische und direkte Weg zur
Erhöhung der Produktionsgeschwindigkeiten, und es wurden einige Entwicklungen auf
diesem Gehiete durchgeführt Erreichung von Ausziehgeschwindigkeiten von 4000 bis
4250 Meter pro Minute (13000 bis 14000 feet per minute) sind das direkte Ergebnis
dieser Bemühungen.Höhere Geschwindigkeiten erschienen Jedoch praktisch unmöglich,Somit
war es n@twendig die Anzahl der Mundstücke pro Düse zu erhöhen.Aber auch bei einem
derartigem Versuch stößt man bei den derzeitigen Anlagen
auf Schwierigkeiten
wegen bestimmten festliegenden Begrenzungsfaktoren in den Düsenabmessungen.Zahlreiche
der zuvor erwähnten Probleme können nach der Lehre der US-Patentschrift r 3 573
014 beseitigt werden.In dieser wird unter anderem eine wesentliche Verkleinerung
der Diesen und eine wesentliche Erhöhung der Anzahl der Mundstücke pro vorgegebenes
Düsengebiet beschrieben.Bei einer darin offen barten Ausführungsform wird ein bei
hoher Temperatur schmelzbares Material, beispielsweise Glas, auf eine Temperatur
erwärmt, bei dem es flüssig wird und mittels relativ hohem Druck in eine Düse mit
einer Vielzahl von sehr dicht beieinander angeordneten einfachen und sehr kleinen
Durchlassen oder Mundstücken gepreßt, um dadurch das Material als Fasern oder Fäden
durch die Muadstücke zu extrudieren und eine richtige Trennung der Fasern su bewirken
und aufrecht zu erhalten.
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Eine typische Düse hat die Form eines einfachen Rohres.Glas kann in
einem Ofen erwirkt und in die Düse gepumpt oder auf andere Weite gepreßt werden.Es
kann auch festes Glas in die Düse gepreßt werden, welche sich auf einer Temperatur
befindet, die zum Schmelzen des Glases ausreicht.Eine typische Düse entsprechend
dieser Patentschrift kann 204 dichtgruppierter Mundstücke bzw.Ausflußöffnungen innerhalb
eines Gebietes einer geringen Bruchteiles eines Centimeters haben, um 204 Fäden
zu extrudieren, so daß ein Strangende ( end of roving ) geschaffen wird; es können
auch erheblich mehr Ausfluf?öffnungen auf einem kleinen Gebiet vorgesehen sein.
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Ein zweites größeres Problem, welches sich bei der Verringerung des
Faserdurchmessers ergibt, besteht darin, daß bei dünneren Fasern die Bruchempfindlichkeit
zunimmt. Ein Faden bricht natürlich, wenn die Ausziehkraft seine Zugfestigkeit übersteigt.Dicke
Glasfäden variieren häufig um 300 bis 400 % im Durchmesser.Da der nominelle Faserdurchmesser
auch bei 400 %iger Verringerung in der Stärke so groß ist, hat die diiniiste Faser
aber noch einen genügend großen Querschnitt. um der Zugspannung zu widerstehen.Bei
nominell dünneun Fasern ist dies nicht möglich, da sie große prozentualle Veränderungen
im Querschnitt nicht sulassen.Die beiden hauptsächlichen Ursachen für die Veränderungen
des Fadendurchmessers sind Glastemperaturschwankungen innerhalb der Düse selbst,
die oft bei 380C ( 100°F ) liegen ( ein Teil des Glases fließt von kalten, nicht
erwärmten Ecken, während ein anderer Teil des Glases in direkter Berührung mit den
erhitzten Teilen der Düse fließt ).Die andere Hauptursache für die Schwankungen
des Fadendurchmessers, ist die Variation der Abkähltemperatur (quench temperature)
di bei derzeitigen Stand der Technik ziemlich groß int.Derartige Abkühlsysteie werden
durch die geringsten Umgebungsstörungen der Luft in der Nachbarschaft der Düse beeinträchtigt.Eine
Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit des geschmolzenen Glases beim Extrudieren aus
einer einzigen Ausflußöffnung ist ziemlich einfach.Eine identische Abkühlung für
Jede Faser in einer Düse, die eine Vielzahl von Ausflußöffnungen aufweist, ist Jedoch
ein ganz anderes Problem.
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Die vorliegende Erfindung löst dieses letzte Problei durch Steuerung
des Luftflußes und der Lufttemperatur, so daß Jeder Faden in identischer Weise abgekilhit
wird, indem seine Luftumgebung im wesentlichen beeinflußt wird.Wirbelströme, Turbulenzen
und Windstöße und die mit diesen verbundenen plötzlichen und heftigen Kühleffekte
sind vermieden.
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Die Kühlungsumgebung ist stabilisiert und in solcher Weise gesteuert,
daß auch die sekundären Kühleffekte durch Strahlung oder, wenn erwünscht,auch der
Einfluß von Strahlungsverlusten beseitigt werden kann.
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Die Erfindung ermöglicht sowohl die Steuerung eines weiten Bereiches
von Abkühlbedingungen als auch die Einstellung des Grades an Steuerung, die für
das Produkt erforderlich sind; sie entspricht auch den Kostenerfordernissen.Wenn
ctnde'rrseits der Markt einen Konkurrenzlosen Preis zuläßt, der hoch genug ist,
daß wirtschaftlich gearbeitet werden kann, so kann die einfachste hier effenbarte
Arbeitsweise angewendet werden.Wenn dagegen der Wettbewerb zunimmt oder die Herstellung
dünnerer Fasern schwieriger wird, kann der Hersteller die Vervollkommenung seiner
Anlage in Übereinstimmung mit der hier offenbarten Lehre fortsetzen, um schließlich
Produktionsunterbrechungen im wesentlichen ganz zu beseitigen und nahezu Fäden beliebiger
Abmessung herzustellen und Düsen mit tausenden von Ausflußöffnungen zu verwenden.
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Aufgabe der Erfindung ist daher ein neues Verfahren zur Sesterten
Abkühlung von Glasfasern, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen
Verfahrens.
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Die Erfindung soll eine ununterbrochene Herstellung kontinuierlicher
Fasern iit einei Durchiesser von unterhalb 5 Microseter ermöglichen.Die Spannungen
beim Ausziehen von Glasfasern sollen erfindungsgemäß verkleinert werden.Der Glasfaserbruch
soll wesentlich verringert werden.Eine Trennung der Glasfasern soll vereinfacht
werden.Erfindungsgemäß soll ferner ein automatisches Wiederanlaufen nach den Auftritt
eines Faserbruches ermöglicht werden.Es soll erfindungsgenäß eine gesteuerte Zufuhr
von Luft am Ansatz der Glasfasern während ihres Extrudierens erfolgen.Die Spannungen
bein Extrudieren der Glasfasern rollen verringert werden.ßchließlich ist Ziel der
Erfindung die Verwendung einer gesteuerten Atmosphäre bei der Extrusion von Glasfasern
zu erleichtern, so daß die Verwendung von andersartigen Düsenmaterialien sowie verschiedene
Abkühlgase bzw. -flüssigkeiten möglich ist.
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Weitere Ziele und Mark alte der Erfindung ergeben sich aus d.r folgenden
Zeichnungsbeschreibung.
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Es zeigen Figur 1 eine vereinfachte Querschnittsansicht der Vorrichtung
nach der Erfindung zur Schaffung einer gesteuerten Umgebung während der Extrusion
von Glasfasern,
Figur 2 eine vereinfachte Ansicht einer anderen
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorn richtung, bei der eine Druckluftquelle
verwendet wird, Figur 3 eine Teilquerschnittsansicht einer veränderten Vorrichtung
ähnlich der in Figur 1 dar,-gestellten, Figuren 4a und 4b. eine Seitenansicht bzw.
Draufsicht einer Ausführungsforin der Vorrichtung ähnlich der in Figur 2 dargestellten9
Figur 4c eine Seitenansicht einer modifizierten Vorrichtung ähnlich der in Figur
4a dargestellten, Figur 5 eine Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer Vorrichtung
ähnlich der in Figur 2 dargestellten, und Figuren 6a bis 6d eine Leitungsvorrichtung
zur Schaffung einer gleichmäßigen und gesteuerten Beaufschlagung der Luft strömung
am Ausflußöffnungsgebiet einer kreisförmigen Düse0 Der schwächste Punkt einer Faser
wahrend ihrer Bildung ist nicht die bzw. der niedrigbeanspruchte und vergleichsweise
riesige Basis oder Kegel niedriger Viskosität, da Glas von genügender Fließfähigkeit
in seiner Fähigkeit zur Übertragung von Kräften begrenzt ist, weil es sich in seinem
Querschnitt verringert und somit von seiner Beanspruchung schneller entlastet, als
diese sich aufbauen kann.Der schwächste Punkt befindet sich
auch
nicht in der kalten ji Fer, da kalte western beachtliche Spannungen aus@alten können.
s exsistiert jedoch ein kritischer Zwischenpunkt,bei dem das Glas hoher Viskosität
sich nicht weiter selbst schnell genug entspannen kann und dadurch immer höherer
Beanspruchung auegeoetzt ist, aber andererseits durch die Abkühlung nur noch eine
geringe Fshiqkeit erreicht hat.An diesem kritischen Punkt oder Gebiet ist die dünne
und Weise Faser nahezu auf ihren geringsten und endgültigem Durchmesser ausgezogen
und hat daher nahezu irAre maximale Beanspruchung erlangt.Dieser stark beanspruchte,
warmegeschwächte Abschnitt des asymptotischen Kegels ist die schwache Verbindung
in der Faserbildungskette; es ist die Stelle, wo eine Faser bricht, wenn sie nicht
sonst wo mechanisch zerbrochen wird.
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Unter Anwendung der Lehren der US-Patentschrift Nr. 3 573 014 können
die Beanspruchungen, die beim Extrudieren von Fasern auftreten, wesentlich reduziert
werden, wodurch auch die Beanspruchung an der kritischen Stelle verringert wird.Entsprechend
der vorliegenden Erfindung wird der größte Teil der Ausziehkraft im wesentlichen
direkt an dem Kegel der extrudierenden Faser angebracht, wodurch die Beanspruchung
des kritischen Punktes oder Gebietes weiter wesentlich verringert wird.Hauptsächlich
werden die Ziele der Erfindung dadurch erreicht, daß die Umgebung um die Faser während
ihres Extrudierens gesteuert werden. Eine derartige Steuerung kann in 2 Gebieten
vorgenommen werden, erstens durch die Anwendung einer gesteuerten gleichmäßig verteilten
Luftströmung an dem Ansatz (Basis des Kegels jeder der Fasern, die extrudiert werden,
und
zweitens durch eine Steuerung der Umgebung temperatur der Faser entlang des gesamten
asymptotischen Kegels vorn Ansatz bis zu einer Stelle jenseits des kritischen Gebietes.Typischerweise
wird ein heißer Gasstrom gegenwärtig zum Ausziehen von Glas in Fasern verwendet;
es treten jedoch Unterbrechungen mit hoher Frequenz auf und obgleich ein automatisches
Wiederanfangen erfolgt, trägt Jede kurze Faser an sich eine Kugel oder Perle aus
Glas, was sie nur als Isolation verwendbar macht.Entsprechend der Erfindung können
dagegen kontinuierliche Fäden auf einfache Weise hergestellt werden9 die sich für
Garne und Textilzwecke eignen Bevor die Erfindung im einzelnen beschrieben wird,
soll darauf hingewiesen werden, daß es wenigstens 3 Arten gibt9 die eine Kraft auf
den Segel ausüben; diese werden Gravitationsschwerkraftmethode, Luftzugmethode und
Spannungsmethode genannt.Bei der vorliegenden Erfindung werden reiner Schwerkraftzug,
reiner Luftzug, reiner Spannungszug oder eine Kom--bination von zweien oder allen
dreien angewendet.
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Das Maß der zulässigen Spannung wird bestimmt durch die Beanspruchungsempfindlichkeit
des Fadens, d.h.
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Je dünner der Faden ist, ein desto größerer Anteil des Schwerkraft
zuges oder Luft zuges gegenüber dem Spannungszug ist erforderlich9 als bei relativ
unempfindlichen dickeren Fäden, wo die Ausziehkräfte faktisch vollständig als Spannungszug
vorliegen0 Die Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre verringert die Abme s sungs
schwankungen der Faden von 400 % bei derzeit bekannten verfahren auf weniger als
10 %, da Umgebungskräfte vollständig überwunden und ein Bruch dadurch tatsachlich
auf 0 verringert wird.
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Bei der Schwerkraftmethode bewirkt das Gewicht des Kegels selbst im
wesentlichen den Zug; bei der Luftzugmethode erzeugt ein rasch sich bewegender Luftstrom
einen Abwärtszug an dem Kegel.
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Bei beiden Methoden kann ein bestimmter minimaler Zug als Folge der
Spannung der Autwickelvorrichtung vorhanden sein, dieser ist Jedoch relativ niedrig.
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Bei den beiden letztgenannten Methoden des Zugs ( Luft und Schwerkraft
) ist die Belastung kumulativ über die gesamte Länge des Kegels und die Beanspruchung
ist nahezu konstant über diese Strecke.
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Unten am Kegel in dem kritischen Gebiet,wo der Durchmesser sehr gering
ist, ist die aufgebrachte Belastung sehr klein, da die Belastung sich idealerweise
nur aus dem Gewicht oder dem Luftwiderstand von dem Abschnitt der Faser unter diesem
Punkt ergibt.Höher im Kegel, wo die Belastung additiv zuniiat, steigt auch der Durchmesser
des Kegels proportional an, um die Beanspruchung überall nahezu konstant zu halten.
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Jede Art des Zugs hat ihre Vorteile.Das Schwerkraftsystem ist natürlich
das einfachste; wenn Jedoch die Temperatur der e trudierten Faser niht sorgfältig
gesteuert wird, tritt ein Pulsieren, d.h. eine Veränderung der Masse des Kezels
auf.
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Die Deformationsgeschwindigkeit nimmt an der Basis des Kegels (in
der Nähe der Ausflußöffnung) zu, aber der ungenügend ausgezogene Abschnitt,der diesem
Punkt vo@@ngeht, bildet einen Wulst in dem Kegel und erzeugt ein Abquetschen in
der Nähe der AusfluR-öffnung.Während der Wulst sich noch in dem Kegel
befindet,
ist der Zug zu groß und ein zu starkes Ausziehen tritt ein.Während der Wulst den
Kegel verläßt und dessen Gewicht nicht länger von Einfluß ist, ist der Zug ungenügend
und eine Untersteuerung tritt auf.Dieser instabile Zyklus wiederholt sich.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann dieses Pulsieren dadurch
verhindert werden9 daß ein Temperaturdifferential eingeführt werden,welches am höchsten
in der Nähe der Nähe des Ausflußöffnungsgebietes und am niedrigsten in der Nähe
des unteren Teils des Kegels ist.Dadurch wird ein Pulsieren verhindert,indem eine
Deformation in der Nähe der Ausflußöffnung einfacher gemacht wird.Da die Viskosität
mit abnehmenden Temperaturen zunimmt9- führt diese Maßnahme dazu, daß ein übermäßiges
Ausziehen verhindert wird, während sich die Anfangsabquetschung nach unten bewegt.Wenn
der erwärmte Abschnitt kurz ist, reicht eine gleichförmige Temperatur etwas oberhalb
der Anlaßtemperatur des Gases aus , um ein Differential in dem Kegel hervorzurufen.Wenn
der erwärmte Abschnitt sehr lang ist, ist es nützlich, die Temperatur in Zonen in
der Nähe des Ausflußöffnungsgebietes höher und in der Nähe des unteren Endes des
Kegels niedriger zu steuern.
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Die Luftzugtechnik hat den Nachteil, daß ein glatter und sich rasch
bewegender Heißluftstrom erfordutlich ist.Sie hat den Vorteil, nahezu kein Pulsieren
zu zeigen und erfordert nur eine kürzere erwärmte Strecke zu@ Erzeugung der gleichen
niedrigen Belastung des kritischen Punktes.Sie hat den Vorteil des Selbstneubeginnens,
da bei einen Bruch die gesamte Länge
des Kegels zurückbleibt und
dessen Gewicht zusammen mit dem Luftwiderstand das Ausziehen fortsetzt.Das freie
Ende des abgebrochenen Kegels wird von anderen Fäden eingefangen und der lange Kegel
nimmt dann den Stoß auf, der bewirkt, daß die Faser schnell aufgenommen und ohne
die Bildung einer Kugel oder Perle wieder begonnen wird.
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Die gesteuerte Einführung von Luft an dem Ansatz des Kegels unterstützt
die Trennung der Fasern und ermöglicht, daß der Glasdruck, der normalerweise erforderlich
ist, reduziert werden kann, während weiter eine Trennung erhalten und aufrechterhalten
wird.Darüber hinaus erleichtert dies ebenso wie die sehr niedrigen Formungskräfte,
die eine äußerst niedrige Formungsspannung bewirken, das Selbstneuanlaufen.Die an
dem Ansatz der Fasern eingeführte Luft kann in Ihrer Temperatur ebenso wie in ihrer
Fließgeschwindigkeit gesteuert werden.Heißere Luft führt zu einer niederen Abkühlungsgeschwindigkeit,indem
eine Zunahme der Länge des Formungskegels erfolgt.
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Dies führt zu einer Abnahme der Zugkraft,die zum Allsziehen erforderlich-ist,
welche im ar@gemeinen proportional zu der Formungskegellänge ist.Wenn~ eine Faser
bricht, so tut sie dies an dem kritischen Punkt in der Nähe des Endes des Formungskegels,
der bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung mehrere Dezimeter ( feet ) lang
sein kann wegen der langsameren Abkühlung und niedrigen Formungsspannung.
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Der Zug aufgrund heißer Luft, hoher Geschwindigkeit oder Schwerkraft
reicht aus, um die Oberflächenspannung der geschmolzenen Fasern und ihre Neigung
zum Ballenbilden zu beseitigen und bewirkt, daß eine
gebrochene
Faser kontinuierlich ohne Unterbrechung ausgezogen wird.
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Figur 1 veranschaulicht ein Schwerkraftzugsystem unter Verwendung
einer Düse 10.Die Düse 10 hat eine Anzahl einfacher, winziger und dicht beabstandeter
Ausflußöffnungen bzw. Mundst.ücke.
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Das Glas kann darin unter relativ hohem Druck in Übereinstimmung mit
der US-Patentschritt Nr.
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3 573 014 stehen.Das Glas wird aus der Düse 10 extrudiert und geht
durch eine Kammer 11, die die Form eines Rohres haben kann. Die Kammer 11 kann aus
Metall gebildet sein und selbst als Reizelement vermittels eines elektrischen Stromes
dienen,der durch dieses von einem Transformator 12 geleitet wird,Geeignete Abgriffe
13 sind an der Sekundärwicklung des Transformators vorgesehen und elektrisch links
des Rohres 11 wie dargestellts angeschlossen, um eine Zonensteuerung der Temperatur
des Rohres vorzusehen.Alternativ kann die Dicke der Wand des Rohres 11 variiert
werden, so daß unterschiedliche Gebiete auf verschiedene Temperaturen aufgeheizt
werden.Auch kann eine Wicklung aus Widerstandsdraht 16 um das Rohr 11, wie in Figur
3 dargestellt, angelegt sein und direkt mit Energie versorgt werden. Jede dieser
Anordnungen dient zur Schaffung einer gesteuerten emperaturz zone längs der extrudierenden
Faser 17 zur Steuerung der Temperatur entlang des Kegels 18 dieser Faser und über
das kritische Gebiet 19 hinaus.Die Temperatur variiert von einem hohen Wert in der
Nähe der Düse nach unten bis zu einem niedrigen Wert in der Nähe des unteren Endes
der Kammer 11.Es wird bemerkt, daß, der Abatand der Windungen der Wicklung 16, wie
in Figur 3 dargestellt, variieren kann, um die Temperaturveränderung zu erhalten.Als
Beispiel wurde eine
Wicklung aus einem etwa 4,5 Meter ( 15 feet
) langen Widerstandsheizdraht aus Platin mit einem Durchmesser von etwa 1,4 mm (
1/16 inch ) auf eine Kammer 11 mit einer Länge von etwa 15 cm ( 6 inches ) und einem
Durchmesser von etwa 2,8 cm (1 1/R inch ) gebildet, um eine variable Temperaturzone
von etwa 11300C ( 21000F ) bis etwa 6750C ( 12000F) zu schaffen.
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Eine Isolation 20 kann um das Rohr und die Düse vorgesehen sein.Ein
Lufteinlass 21 kann zur Schaffung eines geeigneten Luftstromes, wenn erwünscht,
oder zur Schaffung eines sanften Stromes eines Inertgases, beispielsweise Stickstoff
oder Argon, vorgesehen werden, damit ein Schutz für ein gegebenenfalls verwendetes
oxidierbares Düsenmaterial geschaffen wird.Die Luft oder das Gas kann gegebenenfalls
erhitzt werden.Ihr Weg kann in einer geschlossensen Schleife verlauf en,so daß ein
Verlust im wesentlichten ausgeschlossen ist.
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Nach dei Ausziehen der Faser 17 wird im Falle eines Stranges aus
einigen bis zu mehreren-1000 Fäden eine Schicht auf die Fasern von einer geeigneten
Sprühvorrichtung 24 gesprüht.Der Überschuß Nach den Ausziehen der Faser 17 wird
im Falle eines Stranges aus einigen bis zu iehreren-l000 Fäden eine Schicht auf
die Fasern von einer geeigneten ßprühvcrrichtung 24 gesprüht.Der Überschuß gewickelt.
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Obgleich sich die zuvor stehende Erörterung auf eine Faser bezog,
ist klar, daß eine Anzahl von Fasern, beispielsweise ein Strang aus 12 000 Fäden,
aus Düse 10 durch eine gesteuerte
Umgebung, die mittels des Aufbaues
nach Figur 1 vorgesehen wird, extrudiert werden kann.
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Wenn andererseits das Rohr 11 relativ kurz ist, kann die innere Oberfläche
des Rohres hochreflektierend gemacht wewden.Dies ermöglicht daß die Wärme, welche
von der Faser abgestrahlt wird, zurück zur Faser reflektiert wird, um diese langsam
abzukühlen, wodurch ein Ergebnis erzielt wird, das dem eines leicht erwärmten Rohres
ähnlich ist.
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Eine Ausführungsform, die Buftzug verwendet, ist in Figur 2 dargestellt.Luft
von einem Gebläse 30 durchquert einen Heizer 91 und gelangt in ein Leitungssystem
32.Das Leitungssystem ist an eine Kammer 39 gekoppelt.Diese hat unter dem Ausflußöffnungsgebiet
der Düse 10 und an dem Ansatz der eftrudierenden Fasern die Form eines Rohres.Luft
bewegt sich entlang den Fasern und kühlt diese langsam abO Sie bewegt sich durch
das Rohr 33 nach unten, um die Fasern auszuziehen und gelangt schließlich durch
ein Absaugleitungssystem 34 heraus.Die Luft kann dem Geblase 30 wieder zugeführt
werden oder für gewisse Vorheizzwecke bei dem Faserbildungsprozeß verwendet werden.
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Eine detailliertere Ausführungsform der Vorrichtung der Figur 2 ist
in den Figuren 4a und 4b dargestellt.
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Hier werden Fasern 40 von einer kreisförmigen Düse 41 durch eine gestaltete
Kammer 42 extrudiert, welche beispielsweise aus Quarz oder einem als Vycor bezeichneten
Material bestehen kann. Das obere Ende der Kammer 42 ist ähnlich einem Trompetenkelch
ausgebildet, so daß eine kontinuierliche Beschleunigung der Luft ermöglicht wird,
die abwärts dorthin strömt, so daß die Luft sich jeweils schneller als die Fasern
40
bewegt, um einen Zug darauf auszuüben und Turbulenz tu vermeiden.Die Luft wird von
einem kreisföriigen Leitungssystes 43 durch einen Ring aus Netallwolle 44 eingeführt,
welche von zylindrischen Abschnitten 45 und 46 aus feinem Maschennetz getragen wird.Die
Metaliwolle 44 schafft einen Druckabfall und eine gleichmäßige laminare Luftströmung
in das Rohrende des Rohres 42.Eine Deckplatte 47 und eine Isolation 48 schafft einen
Verschluß der Düse 41, um das obere Ende des Rohres 42 abzuschließen und eine Abkühlkammer
49 zu bilden.Luft wird in das Leitungssystem 43 bei 50 eingeführt.Sie fließt, wie
man der Figur 4b entnehmen kann, radial einwärts in Richtung der extrudierenden
Fasern 40.
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Vorzugsweise liegt die Temperatur der Luft in der Kühlkammer 49 an
dem Ansatz der Kegel der Fasern 40 in den Bereich zwischen der Temperatur des geschmolzenen
Glases und Zimmertemperatur; die spezielle Temperatur hängt von den besonderen Faserbildungserfordernissen
ab,wie Ausziehgeschwindigkeit,Anzahl der gebildeten Fasern, gewünschte tegellinge
zur Erreichung eines minimalen Bruches usw.Typischerweise liegt diese Temperatur
in einem Bereich zwischen etwa 6600C ( 1500°F) und einer niedrigeren Temperatur,
unter bestimmten Umständen, beispielsweise Zimmertemperatur.
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Figur 4c veranschaulicht eine weitere Ausbildung der Kühlkammer 49
wobei ein oberes Ende 52 eines Rohres 53 sich bei 54 nach oben erweietert,wobei
eine ringförmige venturiähnliche Kühlkammer vorgesehen wird.t)ie'se Anordnung ermöglicht
ein tangentiales
Einführen von Luft, die radial so orientiert werden
soll, daß sie schließlich in das Mundstück des Rohres 53 in günstiger laminarer
Strömung eintritt. Die gleiche Art der Luftströmung kann bei einer rohrförmigen
Düse oder einer anderen Ausbildung ebenso erreicht werden.
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Figur 5 veranschaulicht eine weitere Anordnung mit einem Quarzrohr
60, welches sich ebenfalls am oberen Ende' 61, ausweitet.Eine ringförmige Einlaßkammer
62 ist zwischem dem unteren Ende des Leitungssystems 63 und einem Träger 64 für
das Rohr 60 vorgesehen, um eine vollradiale Luftquelle zu bilden und um einen abwärts
gerichteten laminaren Luftstrom einzurichten.Der Träger S; kann in geeigneter Weise,
beispielsweise mittels Vernieten mit der Leitung 60 oder dem Leitungsträgeraufbau
gehalten werden.Eine Vakuumquelle ( nicht dargestellt), wie beispielsweise ein Staubsauger,
kann an eine Auslaßleitung 65 am unteren Ende 66 des Quarzrohres 60 angeschlossen
sein, um Luft in den ringformigen Einlaß 62 einzusaugen.
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Die Figuren 6a bis 6d veranschaulichen eine weitere Form einer Luft
leitung fur eine kreisförmige Rohrdurchführung.Diese Leitung sieht ebenfalls Luft
X mit gleichmäßiger Strömung und Temperatur am Ansatz der Kegel der Pnsern vor.Diese
Leitung dient als Strömungs- und Temperaturausgleicher, der als "glasbaumartiger"
(whiffle-tree-type) Luf,tdiffusionsvorrichter bezeichnet werden könnte; sie dient
dazu, für Kühlluft zu-sorgen, die Jeden Faden mit
im wesentlichen
gleicher Geschwindigkeit und Temperatur berührt.Die Leitung enthält einen zylindrischen
Kern 70 auf dem eine zylindrische Schale 71, ein innerer zylindrischer Mantel 7?
und ein weiterer äußerer zylindrischer Mantel 73 angebracht ist.Der Kern 70 enthält
eine Anzahl von segientierten Ringen 76 bis 80,.wie am besten aus den Figuren 6c
und 6d hervorgeht.Figur 6d ist eine schematische Ansicht, welche die Luftströiungswege
durch die segmentierten Ringe darstellt.
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Der erste Ring 76 hat 2 Schlitze oder Öffnungen, der zweite Ring 77
hat 4, der dritte Ring 78 hat 8, der vierte Ring 79 hat 16 und der fünfte Ring 80
hat 32 Schlitze oder Öffnungen.Diese Anordnung ermöglicht, daß die durch ein Rohr
82 zugeführte Einlaßluft gleichmäßig und glatt verteilt wird, während sie aus der
ringförmigen Kammer 83 austritt,die zwischen dem oberen Ende des Kernes 70 und dEr
Oberseite der Schale 71 gebildet ist.Zusätzlich zu der gleichmäßigen Luftströmung
trifft die BUtt radial einwärts auf den Ansatz der Faserkegel unmittelbar aus der
Düse 84.Heizluft kann, wenn *rforderlich,einem Einlaß 85 zugeführt weren; sie fließt
in die ringförmige Kammer 87-88, die die i-u eines uigekehrten U hat, wie mittels
Pfeil 89 angedeutet.Vorzugsweise ist das Einlaßrohr 85 ein widerstandsbeheiztes
Rohr, um die durch die Kammer 87 - 88 hindurchgehende Luft zu erwärmen.Diese Heizluft
bewirkt ihrerseits, daß die dem !inlaßrohr 82 zugeführte Luft erhitzt wird.
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In einer in Figur 6a beispielsweise flargestellten Form einer Leitung
hat der Kern 70 einen Durchmesser am Umfang der Ringe von etwa 3,17 cm ( 1 1/4 inch),
einen Durchmesser am Ansatz der Ringe von etwa 2,38 cm ( 15/16 inch) und eine Gesamtlänge
von etwa 6,5 cm ( 2 9/16 inches).Die Ringe 76 bis 78 können
eine
Dicke von etwa 0,238 cm ( 3/32 inch) haben, der Ring 79 hat eine Dicke von etwa
0,159 cm ( 1/16 inch) und der Ring 80 hat eine Dicke von etwa 0,0795 cm ( 1/32 inch),Die
Schlitze in den Ringen können mit einem 0,8 cm (5/16 inch) -Bohrer filr Ring 76,
einen 0,64 cm ( 1/4 inch)-Bohrer fitr Ring 77t einem 0,48 cm ( 3/16 inch )-Bohrer
für Ring 78, eines 0,32 cm ( 1/8 inch )-Bohrer für Ring 79 gebohrt sein; die Schlitze
in Ring 80 können gefräste Schlitze von 0,16 cm ( 1/16 inch sein.Die zYlindrische
Schale 71 kann einen leichten Preßsitz auf dem Kern 70 bilden, etwa o,16 cm ( 1/16
inch) dick und etwa 1,5 cm ( 19/32 inch) lang.Das ober Ende von ihr kann eine 1,9
cm ( 3/4 inc"h )-Öffnung haben, welche mit dem Innendurchmesser des Kernes 70 korrespondiert.Der
Mantel 72'kann einen Innendurchmesser von etwa 4,13, cn ( 1 5/8 inches ) und einen
Außendurchmesser von etwa 4,44 cm ( 1 /4 inches ) haben; er kann eine Basis besitzen,
die einen Preßsitz auf dem unteren Eobe des Schale 71 bildet.Die Länge des Mantels
72 beträgt etwa 5,08 cm ( 2 inches).Die Schale 73 kann einen Innendurchmesser von
etwa 5,08 cm ( 2 inchei,) und einen Außendurchmesser von etwa 5,4 cm ( 2 1/8 inches)
haben; ihre Länge beträgt etwa 5,08 cm ( 2 inches).Die obere Öffnung von ihr bildet
einen Preßsitz mit den oberen Ende der Schale 71.Alle Bauteile können aus rostfreiem
Stahl bestehen.
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Typische Luftdrucke liegen bei etwa 0,07 bis 0,14 kg/cm2 ( 1 bis 2
psi ), wobei eine kreisförmige Düse verwendet wird.Bei hohen Auszichgeschwindigkeiten,
d.h. bei etwa 7000 - 15000 Meter pro Minute ( 20000 - 50000 feet per minute ), wie
beispielsweise bei der Anordnung nach Figur 4a,
sind höhere Drucke
( beispielsweise etwa 0,21 bis 0,35 kg/cm2 ( 3 bis 5 psi)) im allgemeinen erwünscht.Durch
die Verwendung einfacher AusfluBöffnungen, die dichter als ein Tropfendurchmesser
angeordnet sind, d.h. so, daß entstehende Tröpfchen einander berühren, folgt unmittelbar
ein Zustand des Zusammenlaufens.Anstatt beispielsweise 204 Fasern aus einer 204
Loch-Düse zu ziehen, können nur 1 oder sehr wenige Fäden aus dieser großen Kugel
von geschmolzenen Glas gezogen werden.Wenn jedoch das Glasvolumen, welches von der
Düse weggezogen wird, das Glasvolumen übersteigt, welches den Ausflußöffnungen zugeführt
wird, löst sich die K11-gel in getrennte Fäden auf.Das zuvor geschildert Kühlsystem
arbeitet mit Temperatur- und Volumensteuerung, wobei Luft auf den Ansatz der sich
bildenden Fasern gerichtet ist.Es ist nicht unbedingt erforderlich, die Kühlluft
kontinuierich zuzuführen.Ein einfaches Steuersystem kann hierzu verwendet werden,
indem ein Knopf ( zur Steuerung einer Luftquelle ) niedergedrückt wird, um Kühlluft
zuzuführen und den Kühleffekt mOmentan zu erhöhen, so daß eine größere Viskosität
in der Kugel als in dem herauskommenden Glas erreicht wird. Diese Faser von niedriger
Viskosität, die herausgezogen wird, ist viele Male ( gut über 204 Mal ) das Volumen
des Glases, welches aus den 204 Ausflußöffnungen austritt.Die zusammenfließende
Kugel löst sich auf und bildet 204 getrennte Ströme.Nach der Lehre der vorliegenden
Erfindung können auch niedrigere Glasdrucke verwendet werden als nach der US-Patentschrift
Nr. 3 573 014, um eine Trennung der Fasern zu erhalten.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich also auf eine Glasfaserherstellung
in relativ einfacher und wirkungsvoller Weise, so daß eine Trennung erhalten und
aufrechterhalten wird.Dies wird mittels einer Düse mit kleinen, einfachen, dicht
beabstandeten Ausflußöffnungen sowie mit Hilfe eines glatten und gesteuerten Luftstromes
auf die sich bildenden Fasern und eine gesteuerte Kühlungsgeschwindigkeit erreicht.