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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Spinnen
von Filamenten eines Polymermaterials, insbesondere bezieht sie
sich auf eine Vorrichtung zum Spinnen, welche in sich selbst eine
Einrichtung zur Mehrfachtemperatursteuerung aufweist, so wie dies
zum Beispiel aus GB-A-779787 oder U.S.-A-336059 bekannt ist.
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BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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In 1 wird
eine Seitenansicht gezeigt, teilweise als Schnitt durch die Hauptfunktionsbauteile einer
Vorrichtung zum Spinnen, welche allgemein durch das Bezugszeichen 10 angezeigt
wird und welche zum Spinnen von Faserfilamenten aus einer geschmolzenen
Masse eines Polymermaterials, wie zum Beispiel eines Nylonpolymers,
dient. Die Vorrichtung zum Spinnen 10 ist in einer internen
zentralen Kammer 12 untergebracht, welche im Innern eines
hohlwandigen Kastens 14 abgegrenzt ist.
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Strukturell
umfasst die Vorrichtung zum Spinnen 10 eine auf einem Pumpenblock 20 montierte
Pumpe 18, welcher auch als "Verschleißplatte" bekannt ist. Der Pumpenblock 20 kann
innerhalb des Kastens 14 von einem Widerlager 22 abgestützt werden.
Abhängig
von der Unterseite des Pumpenblocks 20 hat man ein Spinnpaket
oder mehrere davon, welche allgemein durch das Bezugszeichen 24 angezeigt
werden. Jedes Spinnpaket 24 ist durch einen oder mehrere
Montagebolzen 26 mit dem Pumpenblock 20 verbunden.
Ein jedes Spinnpaket 24 besteht aus einem Packungsdeckel 28,
einem Polymer-Filterhalter 30 und aus einer Spinndüsenplatte 36.
Der Polymer-Filterhalter 30 besitzt eine zentral darin
angeordnete Vertiefung 32. Der Deckel 28 und die
Vertiefung 32 in dem Polymer-Filterhalter 30 wirken
zusammen, um eine eingeschlossene Tasche abzugrenzen, in welcher
ein Polymerfiltermedium 34, wie zum Beispiel Sand, aufgenommen
wird. Die Spinndüsenplatte 36 ist
ein verhältnismäßig massives
Bauelement, welches eine hierauf verteilte Anordnung von kleinen,
durch dieselbe hindurch gehenden Präzisionsbohrungen 36B aufweist.
Die Mündungen
der Bohrungen 36B bilden eine regelmäßige Anordnung von Düsen, welche
sich über
die untere Seite der Spinndüsenplatte 36 öffnen.
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Der
Pumpenblock 20 besitzt in sich selbst angeordnet einen
oder mehrere interne Kanäle 20C, welche
zusammenwirken, um separate Strömungsdurchgänge für das Polymer
abzugrenzen, welche den Austritt der Pumpe 18 mit dem Einlass
eines jeden dem Pumpenblock 20 zugeordneten Spinnpakets 24 zu
verbinden. Der Packungsdeckel 28 in einem jeden Spinnpaket
besitzt einen internen Durchgang 28P, welcher von der Oberfläche des
Deckels 28 zu der Vertiefung führt, in welche das Filtermedium 34 eingelassen
ist. Eine Vielzahl von kleineren internen Aufgabekanälen 30F sind
durch den Filterhalter 30 hindurchgehend angeordnet und
sie verbinden den Austritt des Filters 34 mit einer jeden
der durch die Spinndüsenplatte 36 hindurch
führenden
Bohrungen 36B. Querschienen 38 können vorgesehen
sein zum Schutze der Fläche
der Spinndüsenplatte 36, falls
dies erwünscht
ist.
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Während des
Spinnvorganges wird dem Pumpenblock 20 geschmolzenes Polymer über eine doppelwandige
Polymer-Zufuhrleitung 40 zugeführt. Das Polymer wird im Block 20 durch
eine Reihe von Kanälen
(nicht gezeigt) zu dem Einlass der Pumpe 18 geführt. Das
Polymer wird dem Einlass der Pumpe 18 unter einer vorgegebenen
Einlasstemperatur für das
Polymer zugeführt.
Die Pumpe 18 drückt
das Polymer unter einem erhöhten
Druck durch einen jeden der separaten Polymerdurchgänge, welche
durch die Kanäle 20C in
dem Block 20 gebildet werden, zu einem respektiven der
Spinnpakete 24, welche dem Block 20 zugeordnet
sind. Die internen Kanäle 20C, welche
einen jeden der separaten Polymerdurchgänge bilden, sind im Innern
des Pumpenblocks 20 auf eine solche Art und Weise angeordnet,
welche es gewährleistet,
dass das Polymer, das durch einen jeden Polymer-Strömungsdurchgang
hindurchfließt,
eine im Wesentlichen gleiche lineare Distanz von dem Auslass der
Pumpe 18 bis zu dem Spinnpaket 24 zurücklegt.
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Das
zu einem gegebenen Spinnpaket 24 hingeleitete Polymer wird
durch den Durchgang 28P im Packungsdeckel 28 hindurch
zum Filter 34 befördert. Vom
Filter 34 aus fließt
das Polymer durch die Aufgabekanäle 30F und
zu den Bohrungen 36B in der Spinndüsenplatte 36. Während das
Polymer durch die Pumpe 18 unter Druck gesetzt wird, wird
es durch die Bohrungen 36B in der Spinndüsenplatte 36 hindurch
extrudiert und strömt
aus den Öffnungen
auf der Außenseite
der Spinndüsenplatte 36 in
der Form von feinen Filamenten des Polymermaterials heraus.
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Die
hohlen Innenräume 14I der
Wände des Kastens 14 sind
miteinander verbunden, um einen gemeinsamen Raum für den Flüssigkeitsstrom
zu bilden, welcher die interne zentrale Kammer 12 umgibt. Die
Temperatur in der Kammer 12, in welcher die Bestandteile
der Vorrichtung zum Spinnen 10 angeordnet sind, wird im
Wesentlichen dadurch auf der vorgegebenen Temperatur für den Einlass
des Polymer gehalten, dass ein gasförmiges Wärmetauschermedium durch einen
Durchflussregelkreis für
das Fluid gepumpt wird, welcher die im Innern des Kastens 14 abgegrenzten
und miteinander verbundenen Strömungsräume enthält. In typischer
Weise wird das von Dow Chemical Company als Dow Therm® vertriebene
Wärmetauschermedium
benützt
bei den Bemühungen,
die Umgebungstemperatur im Innern der zentralen Kammer 12 des
Kastens 14 auf der gewünschten
Temperatur zu halten. In manchen Fällen wird die Wärmeleitung
in die Pumpe 18 und in eines oder in mehrere Spinnpakete 24 durch
die Anwendung von ineinander eingreifenden Keilen 42 verbessert.
Die Keile 42 zwingen diese Bestandteile der Vorrichtung
zum Spinnen 10 in einen engen Kontakt mit den Wänden des
umgebenden Kastens 14.
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2 veranschaulicht
die thermische Erfahrung des Polymermaterials, das irgendein gegebenes
unter den aus der Außenseite
der Spinndüsenplatte 36 extrudierten
Filamenten darstellt. Pas Polymer tritt unter einer vorgegebenen
Einlasstemperatur des Polymers, TPumpeneinlass in
die Pumpe 18 ein. Die Einwirkung der Pumpe 18 erhöht die Polymertemperatur
am Pumpenaustritt auf ein höheres
Niveau, TPumpenaustritt. Das Polymer wird
im Wesentlichen auf dieser Temperatur gehalten, während es
sich, auf dem Weg zu dem Spinnpaket 24, durch die separaten
Polymerdurchgänge
hindurch bewegt, welche von den Kanälen 20C in dem Pumpenblock 20 gebildet
werden. Während
das Polymer durch das Filtermedium 34 im Innern eines jeden
Spinnpakets 24 hindurch gedrückt wird, erhöht die von
dem Filtermedium 34 auferlegte Scherung und Filtrierarbeit
die Temperatur des Polymers auf ein Temperaturmaximum, welche in
der 2 als die Temperatur TFilteraustritt angezeigt
wird. Danach nimmt die Temperatur des Polymers, während es
sich durch einen jeden der Aufgabekanäle 30F und durch die
Bohrungen 36B hindurch bewegt, auf den Temperaturwert TSpinndüse an der
Außenseite
der Spinndüsenplatte 36 ab.
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Obschon
die Form der thermischen Erfahrungskurve für ein jedes Polymerfilament
die gleiche ist, so kann die Temperatur eines Filaments, das aus einer
Düse in
einem Bereich der Außenseite
der Spinndüsenplatte 36 austritt,
von der Temperatur eines Filaments abweichen, welches aus einer
Düse in einem
unterschiedlichen Bereich der Außenseite der Spinndüsenplatte
austritt. So zum Beispiel kann der Temperaturwert TSpinndüse1 eines
Filaments, das aus einer in der Nähe einer Seitenkante der Spinndüsenplatte
gelegenen Düse
austritt, wesentlich abweichen von dem Temperaturwert TSpinndüsenplatte2 eines
Filaments, das aus einer Düse
entlang der zentralen Ebene der Spinndüsenplatte 36 austritt.
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Die
Ursache für
den Temperaturunterschied bei den Filamenten, die von verschiedenen
Bereichen quer über
die Außenseite
der Spinndüsenplatte 36 herrühren, kann
aus 3 verstanden werden, welche eine stilisierte bildliche
Darstellung des innerhalb des Spinnpakets 24 gebildeten
Temperaturgradienten ist. Wie man aus der 3 ersieht,
dient der Filter 34 als Hitzequelle, welche zentral im
Innern des Spinnpakets 24 angeordnet ist. Die örtliche
Polymertemperatur ist über
die Temperatur des umgebenden Spinnpakets angestiegen, und hieraus
fließt
Wärme. Die
Bodenseite des Spinnpakets besteht aus einer ungeschützten Metallfläche und
stellt den Bereich des Systems mit dem höchsten Wärmeverlust dar. Das heiße Polymer
bewegt sich ebenfalls zu dieser Fläche hin, und es wird Wärme durch
das Polymer von dem heißeren
Filter hin zu der Filterhalterung und zu der Spinndüse übertragen.
Aus diesem Grunde ist der mittlere Bereich der Spinndüse heißer als seine
Randbereiche, weil es kein Polymer gibt, welches Wärme zu den
Rändern
abführt
und dieselben sind weiter von dem heißeren Filterbereich entfernt. Die
Wärmeleitung
zwischen dem Spinnpaket und dem umgebenden Spinnblockgehäuse beeinflusst ebenfalls
die Kantentemperatur der Spinndüse.
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Diese
Temperaturunterschiede im Metall des Spinnpakets wirken sich aus
als entsprechende Temperaturunterschiede im Polymer, während sich
dieses durch die Spinndüsenplatte
nach unten bewegt und als Filamente aus der Außenseite der Spinndüse austritt.
Mit der Alterung des Filtermediums 34 verschlimmern sich
die Temperaturunterschiede. Diese Temperaturunterschiede der Filamente
führen
zu ungleichmäßigen Filamenteigenschaften,
was als schädlich
angesehen wird.
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Aus
der Sicht des Vorhergehenden wird es als vorteilhaft angesehen,
eine Anordnung zur Temperatursteuerung zu liefern für eine Spinnvorrichtung,
welche die Temperaturschwankungen innerhalb des Spinnpakets, und
vor Allem quer durch den Filterhalter und die Spinndüsenplatte,
vermindert oder beseitigt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung ist ausgerichtet auf ein Verfahren gemäß Anspruch
10 und auf eine Vorrichtung gemäß Anspruch
1 zum Spinnen von Filamenten aus einem Polymermaterial. Die Vorrichtung
umfasst ein Spinnpaket, welches einen Filterhalter und eine Spinndüsenplatte
für das
Polymer enthält,
wobei das Spinnpaket einen in demselben ausgebildeten Polymereinlass
aufweist, und eine Pumpe zum Pumpen eines Polymermaterials, welches
eine vorgegebene Polymer-Einlasstemperatur aufweist, durch das Spinnpaket
hindurch, um das Polymermaterial dazu zu veranlassen in der Form
von Filamenten aus der Spinndüsenplatte
herauszutreten. Die Pumpe besitzt eine in dieselbe eingearbeitete
Auslassöffnung.
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Eine
erste Anordnung zur Temperatursteuerung ist vorgesehen zum Aufheizen
des Randgebietes des Filterhalters und der Spinndüsenplatte
auf eine vorgegebene erste Bezugstemperatur, welche höher ist
als die vorgegebene Einlasstemperatur des Polymers, so dass die
Temperatur quer durch den Filterhalter und die Spinndüsenplatte
im Wesentlichen einheitlich ist, wodurch die Temperatur der aus
der Spinnplatte austretenden Filamente ebenfalls im Wesentlichen
einheitlich ist.
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Ein
Plattenzusammenbau ist zwischen dem Pumpenaustritt und dem Spinnpaketeinlass
angeordnet, wobei der Plattenzusammenbau wenigstens einen in demselben
ausgebildeten Strömungsdurchgang
für das
Polymer aufweist, durch welchen Polymermaterial in der Lage ist
von dem Auslass der Pumpe zu dem Einlass des Spinnpakets befördert zu werden.
Eine zweite Temperatursteuerungseinrichtung zur unabhängigen Temperatursteuerung
des Plattenzusammenbaus bis zu einer zweiten vorgegebenen Bezugstemperatur,
ist ebenfalls angeordnet. Die zweite, vorgegebene Bezugstemperatur
kann als eine Temperatur höher,
gleich oder niedriger als die vorgegebene Polymer-Einlasstemperatur
gewählt werden,
wobei die Temperatur des durch den Polymer-Strömungsdurchgang im Plattenzusammenbau geförderten
Polymers wahlweise bis auf eine vorgegebene Polymertemperatur gesteuert
werden kann, die innerhalb eines vorgegebenen Bereiches der zweiten
vorgegebenen Bezugstemperatur liegt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird vollständiger
verstanden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung derselben,
in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, welche einen Teil
dieser Anmeldung darstellen und in welchen:
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1 eine
Seitenansicht darstellt, teilweise als Schnitt durch die Hauptfunktionsbauteile
einer Vorrichtung zum Spinnen, gemäß einem gegebenen Stand der
Technik, zum Spinnen von Filamenten aus einem Polymermaterial;
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2 eine
Graphik ist, welche die thermische Erfahrung bzw. Beanspruchung
des Polymermaterial veranschaulicht, welches irgendein gegebenes
unter den von der Außenseite
der Spinndüsenplatte
der Spinnvorrichtung gemäß dem Stande
der Technik nach der 1 extrudiertes Filament bildet;
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3 eine
stilisierte bildliche Darstellung der thermischen Schwankungen innerhalb
eines Spinnpakets gemäß dem Stand
der Technik darstellt, welche zu Temperaturschwankungen unter denjenigen Filamenten
führen,
welche aus verschiedenen Bereichen einer Spinndüsenplatte einer Vorrichtung
zum Spinnen gemäß dem Stand
der Technik nach 1 austreten;
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4 eine
perspektivische Ansicht einer Vorrichtung eines Spinnaufbaus darstellt,
welche zwei Vorrichtungen zum Spinnen enthält, wobei eine jede eine Temperatursteuerungseinrichtung
entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist;
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5 und 6 jeweils
eine Seitenansicht und eine Vorderseitenansicht darstellen, dies
als Schnitt durch eine Vorrichtung zum Spinnen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
getrennte perspektivische Ansicht eines Fallrohrbauelementes darstellt,
welches innerhalb eines jeden Polymerdurchgangs in einem zentralen
Plattenzusammenbau einer Vorrichtung zum Spinnen gemäß der vorliegenden
Erfindung angeordnet ist;
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8 ein
Schnitt durch einen Teil eines zentralen Plattenzusammenbaus ist,
welcher das Verhältnis
eines in 7 gezeigten Fallrohrbauelementes
innerhalb eines Polymerdurchgangs in einem zentralen Plattenzusammenbau
bei einer Vorrichtung zum Spinnen gemäß der vorliegenden Erfindung
veranschaulicht;
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9A und 9B stilisierte
bildliche Darstellungen sind, wobei eine jede ähnlich ist mit 3, bzw.
die thermischen Veränderungen
entlang dem seitlichen und dem vorderen Seitenaufriss im Innern eines
Spinnpakets einer Vorrichtung zum Spinnen gemäß der vorliegenden Erfindung
zeigen;
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10 eine
graphische Darstellung ähnlich wie
in 2 ist, welche die thermische Erfahrung bzw. Beanspruchung
des Polymermaterials veranschaulicht, welches irgendein gegebenes
unter den von der Außenseite
der Spinndüsenplatte
der Spinnvorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung extrudiertes Filament bildet;
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Durch
die gesamte nachfolgende detaillierte Beschreibung hindurch beziehen
sich ähnliche
Bezugskennzeichen in allen Figuren und Zeichnungen auf ähnliche
Bauteile.
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Gezeigt
wird in der 4 eine perspektivische Ansicht,
welche eine im Allgemeinen mit dem Bezugskennzeichen 50 angegebene
Spinnbaugruppe darstellt, welche ein Paar von Seite an Seite liegenden
Vorrichtungen zum Spinnen 10' umfasst,
wobei eine jede der vorliegenden Erfindung entspricht. Die 5 und 6 sind
jeweils eine Seitenansicht und eine Vorderseitenansicht, welche
den Aufbau von einer der Vorrichtungen zum Spinnen 10' gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellen. Die Spinnbaugruppe 50 kann irgendeine
angepasste Anzahl von Vorrichtungen zum Spinnen 10' aufweisen.
Es soll verstanden werden, dass Details des Aufhaus einer Vorrichtung
zum Spinnen 10',
so wie sie nachstehend beschrieben wird, geändert werden können im Vergleich
zu der bevorzugten baulichen Ausführung, so wie dieselbe in den
Figuren dargestellt wird, und trotzdem noch innerhalb des Gedankenganges
der vorliegenden Erfindung liegen.
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So
wie bei einer Vorrichtung zum Spinnen gemäß dem Stand der Technik enthält die Vorrichtung
zum Spinnen 10' eine
Pumpe 18 und einen zugehörigen Pumpenblock 20,
um Polymer an ein Spinnpaket 24 zu liefern. So wie aus
den 5 und 6 ersichtlich, umfasst ein jedes
Spinnpaket einen Packungsdeckel 28, einen Polymer-Filterhalter 30 und
eine Spinndüsenplatte 36.
Der Polymer-Filterhalter 30 trägt das Polymerfiltermedium 34.
Abhängig von
der Anzahl der Fadenlinien, die bei einer gegebenen Spinnvorrichtung
der Herstellung dienen, besitzt eine jede Vorrichtung zum Spinnen 10' eine gewisse Anzahl
von in diesem Pumpenblock 20 derselben untergebrachten
Strömungsdurchgängen für das Polymer.
In der Vorrichtung zum Spinnen 10', wie sie in der detaillierten
Zeichnung der 5 dargestellt ist, produzieren
bei der Vorrichtung zum Spinnen 10' vier getrennte Fadenlinien. Dementsprechend
sind vier getrennte Strömungsdurchgänge für das Polymer
in dem Pumpenblock 20 zu sehen. Eine Vorrichtung zum Spinnen 10' gemäß der vorliegenden
Erfindung kann irgendeine angemessene Anzahl von Fadenlinien aufweisen.
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Jede
Vorrichtung zum Spinnen 10' umfasst einen üblicherweise
mit der Bezugsbezeichnung 56 gekennzeichneten Plattenzusammenbau,
welcher zwischen dem Pumpenblock 20 und dem Spinnpaket 24 eingeschoben
ist. Der Plattenzusammenbau 56 für eine jede Vorrichtung zum
Spinnen 10' wird
selbst vorzugsweise ausgebildet als eine Sandwichstruktur, welche
ein zentrales Plattenelement 58, ein oberes plattenförmiges Verteilungselement 62 und
ein unteres plattenförmiges
Wiedervereinigungselement 66 umfasst. Da das zentrale Plattenelement 58 ebenfalls
einen Teil des Überbaus
der Spinnbaugruppe 50 bildet, kann aus Gründen der
baulichen Bequemlichkeit dieses zentrale Plattenelement 58 derart
dimensioniert werden, dass es gemeinsam mit dem zentralen Plattenelement
für sämtliche
in der Spinnbaugruppe 50 untergebrachten Vorrichtungen
zum Spinnen 10' dient.
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Das
Spinnpaket 24 einer jeden Vorrichtung zum Spinnen 10' ist innerhalb
eines von dem Plattenzusammenbau 56 abhängigen Gehäuses 70 eingeschlossen.
In der veranschaulichten baulichen Ausführung ist das Gehäuse 70 für eine jede
Vorrichtung zum Spinnen 10' durch
ein Teilstück
eines ganzen Lagerbestandteiles abgegrenzt, welches derart maschinell
bearbeitet oder auf eine andere Weise geformt ist, dass die erforderliche
Anzahl von Bohrlöchern 72 bereit
gestellt wird, welche benötigt
werden, um das Spinnpaket 24 einer jeden Vorrichtung zum Spinnen 10' anzupassen.
In der veranschaulichten Ausführung
ist das Gehäuse 70 physisch
an der Unterseite des zentralen Plattenelementes 58 befestigt. Der
Aufbau des Spinnpakets 24 wird in den derart definierten
Spinnbohrlöchern 72 aufgenommen
und liegt im Rahmen einer vorgegebenen engen Toleranz (in der Größenordnung
von 0,050 Zoll) von den Wänden
des Gehäuses 70.
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Der
verbleibende Überbau
der Spinnbaugruppe 50 wird vervollständigt durch ein Paar sich gegenüberstehender
vorderer und hinterer Tafeln 74 bzw. 76, welche
an den seitlichen Rändern über die Länge der
zentralen Platte 58 befestigt sind. Ein gegenüberstehendes
Paar von kürzeren
Abschlusstafeln 78 ist an den seitlichen Rändern entlang
der breitseitigen Ausdehnung der zentralen Platte 58 befestigt.
Eine zentrale Trennwand 82 kann quer über die Breite der zentralen
Platte 58 angeordnet sein. Die Trennwand 82, zusammen
mit den jeweiligen vorderen, hinteren und abschließenden Tafeln 74, 76 und 78,
wirken zusammen, um individuelle Bohrlöcher 84 zu gestalten,
welche die Pumpe 18 und den Pumpenblock 20 einer
jeden der angrenzenden Vorrichtungen zum Spinnen 10' aufnehmen.
Die Pumpenbohrlöcher 84 können mit
einer gemeinsamen Abdeckplatte 86 bedeckt sein.
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Aus
Ursachen, die noch genauer beschrieben werden müssen, gibt es verschiedene
Strömungskanäle, die
in verschiedenen Bauteilen der Spinnbaugruppe ausgebildet werden.
Die vorderen und hinteren Tafeln weisen eine in den Tafeln gebildete
Gruppierung von Strömungskanälen 90 für das Fluid
auf. Diese Strömungskanäle 90 in
den respektiven vorderen und hinteren Tafeln 74, 76 sind
zusammengeschaltet zu einer die Temperatur steuernden Einrichtung 92 (5),
welche dazu dient, die Temperatur der Pumpenbohrlöcher 84 auf
einer vorher bestimmten Umgebungstemperatur zu halten.
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Ebenso
besitzt das Gehäuse 70 eine
in demselben ausgebildete Gruppierung von Fluidströmungskanälen 94.
So wie dies erläutert
werden wird, sind diese Kanäle 94 zusammengeschaltet,
um einen Teil einer Temperatursteuerungseinrichtung 96 (4)
zu bilden, welche dazu dient, die Umgebung des Filterhalters 30 und
der Spinndüsenplatte 36 aufzuheizen;
dies auf eine erste vorgegebene Bezugstemperatur. So wie bei einer
näheren
Betrachtung der 5 und 6 bemerkt
werden kann, sind aus Gründen
der Durchflussgeschwindigkeit die Maße der sich durch die längeren vorderen
und hinteren Teile des Gehäuses 70 erstreckenden
Kanäle 94 größer als
die Abmessungen der in den kürzeren
Seitenteilen des Gehäuses 70 gebildeten
Kanäle 94.
Die Kanäle 94 durch
die längeren
vorderen und hinteren Teile des Gehäuses 70 werden vorzugsweise
durch Anwendung einer Präzisionsbohrtechnik
hergestellt, so dass die Kanäle über deren
Gesamtlänge
gerade gehalten werden. Die Kanäle 94 in
den kürzeren
Seitenteilen des Gehäuses 70 werden
ebenfalls präzisionsgebohrt
und passend angeschlossen.
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Das
zentrale Plattenelement 58 hat ebenfalls eine in derselben
gebildete Gruppierung von Strömungskanälen für das Polymer 98 (5).
Diese Strömungskanäle 98 sind
zusammengeschaltet, um einen Teil einer Temperatursteuerungseinrichtung 100 (4 und 5)
zu bilden, welche dazu dient, die Temperatur des durch die Strömungsdurchgänge im Plattenzusammenbau 56 fließenden Polymers
auf einer vorgegebenen Temperatur zu regeln. So wie man dies darlegen
wird, vollzieht man die Temperatursteuerung des Polymers zwischen
dem Pumpenaustritt 18 und dem Eintritt in das Spinnpaket 24 unabhängig von
der Temperatursteuerung des Spinnpaketes 24 sowie der sich
in demselben befindlichen Filterhalter 30 und Spinndüsenplatte 36.
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Der
zwischen der Pumpe 18 und dem Spinnpaket 24 angeordnete
Plattenzusammenbau 56 (wobei der Plattenzusammenbau jedoch
physisch konfiguriert ist) umfasst diejenige Anzahl von Strömungsdurchgängen für das Polymer,
welche benötigt
werden damit ein jeder der Strömungsdurchgänge im Pumpenblock 20 (und,
auf diese Weise, der Austritt der Pumpe 18) mit dem Eintritt
eines Spinnpakets 24 verbunden ist. So wie man dies am
besten aus den 7 und 8 ersieht,
besitzt in der bevorzugten Ausführung
die zentrale Platte 58 eine Vielzahl von in derselben geformten
durchgehenden Bohrungen 58B. Das obere Ende einer jeden
Bohrung 58B ist mit einem Stirnsenker angesenkt. Jede durchgehende
Bohrung 58B ist mit einer Buchse 102 ausgekleidet,
welche unter einem festsitzenden, thermisch leitenden Kontakt in
die Platte 58 eingepasst ist. Die Buchse 102,
die am besten aus der 7 ersichtlich ist, besteht aus
einem lang gezogenen Hohlstab, der eine glatte so geformte äußere Konfiguration
aufweist, dass sie in den Querschnitt der Durchgangsbohrung 58B passt,
in welche derselbe eingeführt
ist. Das Innere der Buchse besitzt über den Umfang eine Anordnung
von im Allgemeinen axial verlaufenden Keilprofilen 102S,
die vorgesehen sind, um den Wärmeübergang
zwischen dem Material des Plattenzusammenbaus 58 und dem
durch die Buchse 102 hindurch fließenden Polymer zu erhöhen.
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Die
Buchse 102 nimmt einen verlängerten Fallrohrbolzen 108 auf,
der am besten aus der Perspektivansicht der 7 ersichtlich
ist. Der Fallrohrbolzen 108 hat üblicherweise einen zylindrischen Körper, welcher
an einem jeden Ende kegelförmig auf
einen Punkt hin läuft.
Ein am Umfang verlaufender Ring 108C ist mit Hilfe von
Abstandshalterungen 108S befestigt, welche an das obere
kegelförmige Ende
des Fallrohrbolzens 108 angrenzen. Die untere Seite des
Ringes 108C trägt
den Fallrohrbolzen 108 in einer gebundenen Beziehung bezüglich des
verzahnten Inneren der Buchse 102, wodurch zwischen denselben
ein üblicherweise
ringförmiger,
länglicher Strömungsweg 110 abgegrenzt
wird. Die radiale, innere Fläche
des Ringes 108C ist mit einem Abstand (über die Abstandshalterungen 108S)
von der Außenfläche des
kegeligen Endes des Fallrohrbolzens angeordnet. Die Innenfläche des
Ringes 108C ist selbst kegelig ausgeführt, um mit dem Kegel am Ende
des Bolzens übereinander
zu stimmen und auf diese Weise einen ringförmigen Strömungsraum 112 (7)
zu bilden, welcher in Fliessverbindung steht mit dem ringförmigen,
länglichen,
sich entlang der Buchse 102 erstreckenden Strömungsweg 110.
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Die
Verteilerplatte 62 hat eine in derselben angeordnete, nach
unten gerichtete kegelige Öffnung 62P.
Die Abmessung der Mündung
der Öffnung 62P in
der Verteilerplatte 62 ist so dimensioniert, dass sie eng
aufeinander passt mit der Abmessung des gegenüberstehenden Austritts des
Strömungsdurchgangs
in dem Pumpenblock 20, wenn der Pumpenblock 20 und
die Verteilerplatte 62 in einer aneinander grenzenden Beziehung
montiert sind. Eine Schulterbohrung 62C ragt von ihrer
Unterseite her in die Verteilerplatte 62 hinein, um sich
an den Ring 108C des Fallrohrbolzens 108 anzupassen,
wenn die Verteilerplatte 62 an der zentralen Platte 58 befestigt wird.
Der Kegel der Öffnung 62P in
der Verteilerplatte 62 wird so ausgewählt, dass er gleichmäßig mit
dem Kegel der Innenfläche
des Ringes 108C verschmilzt (und sich auf diese Weise an
den Kegel des oberen Endes des Fallrohrbolzens 108 anpasst).
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Die
Wiederverbindungsplatte 66 besitzt eine in derselben angeordnete,
nach oben gerichtete kegelförmige Öffnung 66P.
Der Kegel der Öffnung 66P in
der Wiederverbindungsplatte 66 ist so ausgewählt, dass
er mit dem Kegel des unteren Endes des Fallrohrbolzens 108 zusammenpasst.
Wenn die Wiederverbindungsplatte 66 an der Unterseite der
zentralen Platte 58 befestigt ist, so ragt das kegelförmige untere
Ende des Fallrohrbolzens 108 in die kegelförmige Öffnung 66P in
der Wiederverbindungsplatte 66 hinein. Der zwischen diesen
Bauteilen abgegrenzte ringförmige
Strömungsraum 114 steht
in Verbindung mit dem unteren Ende des länglichen, ringförmigen Strömungsdurchgangs 110 über die
Buchse 102 hindurch. Die Spitze der Öffnung 66P in der
Wiederverbindungsplatte 66 ist über einen Durchgang 116 mit der
Eintrittsöffnung
im Deckel des Spinnpakets 24 verbunden (5).
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Nachdem
der Aufbau einer Vorrichtung zum Spinnen 10' gemäß der vorliegenden Erfindung
beschrieben worden ist, kann nun ein Spinnvorgang erörtert werden.
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Geschmolzenes
Polymer aus der Versorgungsleitung für das Polymer 40 fließt über den
Pumpenblock 20 zu dem Eintritt der Dosierpumpe 18.
Die für
das Polymer vorgegebene Eintrittstemperatur an dem Pumpeneintritt
wird in einer passenden Weise so gewählt, dass sie die Grundtemperatur
ausmacht, welche in den verschiedenen, im Rahmen der vorliegenden
Erfindung eingesetzten Temperatursteuerungseinrichtungen benützt wird.
Unter Druck stehendes Polymer vom Austritt der Pumpe 18 wird durch
die Polymerstömungsdurchgänge in dem Pumpenblock 20 gepresst
und gelangt hinein in die Mündung
der kegelförmigen Öffnung 62P in
der Verteilerplatte 62. Das in die kegelförmige Öffnung 62P in
der Verteilerplatte 62 einströmende Polymer wird dazu gebracht über und
um die nach oben ragende Spitze des Fallrohrbolzens 108 zu
fließen.
Dies dient dazu das Polymer zu einem üblicherweise ringförmigen Vorhang
oder zu einer kreisförmigen
Schicht zu formen, während
das Polymer durch den Raum 112 hindurch in den länglichen
ringförmigen
Strömungsweg 110 hinein
gepumpt wird, welch letzterer zwischen dem Fallrohrbolzen 108 und
den Keilprofilen 102S der Buchse 102 abgegrenzt
ist. In der nach unten gerichteten kegelförmigen Öffnung 66P in der Wiederverbindungsplatte 66 wird
der Polymervorhang zu einem Strom zurückgebildet und hinein in das
Spinnpaket 24 und durch dasselbe hindurch gefördert.
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Wie
weiter oben erwähnt,
erzeugt der Vorgang des Scherens und des Filtrierens in dem Filter 34 in
den zentral angeordneten Bereichen des Spinnpakets 24 Wärmegradiente,
welche Ungleichmäßigkeiten
der Temperatur über
den Filterhalter 30 und die Spinndüsenplatte 36 hinweg
verursachen. Wie weiter oben auseinandergelegt, offenbaren sich
diese Gradienten und Ungleichmäßigkeiten
der Temperatur in dem Filterhalter 30 und in der Spinndüsenplatte 36 selber
als eine Ungleichmäßigkeit
der Temperatur zwischen den Filamenten, die aus Düsen in verschiedenen
Bereichen der Spinndüsenplatte 36 austreten.
Die vorliegende Erfindung setzt diese Ungleichmäßigkeiten der Temperatur über den
Filterhalter 30 und die Spinndüsenplatte 36 hinweg
auf ein Mindestmass herab oder beseitigt sie durch den Einsatz der
Temperatursteuerungseinrichtung, welche üblicherweise durch die Bezugszahl 96 angegeben wird
(4 und 5) und welche dazu dient, den Filterhalter 30 und
die darin befindliche Spinndüsenplatte 36 auf
eine erste, vorgegebene Bezugstemperatur aufzuheizen. Die erste,
vorgegebene Bezugstemperatur liegt höher als die vorgegebene Eintrittstemperatur
des Polymers.
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Die
Temperatursteuerungseinrichtung 96 umfasst das Gehäuse 70 und,
in den frontalen und seitlichen Wandbereichen desselben, die Gruppierung
von Fluidströmungskanälen 94,
welche für
das Fluid als Strömungskanäle dienen,
durch welche ein Wärmetauschennedium
umgewälzt
wird. Außerhalb der
Vorrichtungen zum Spinnen 10' umfasst
die Temperatursteuerungseinrichtung 96 einen geschlossenen
Wärmeaustauschkreislauf
welcher darin angeordnet eine Pumpe 96P und eine Heizung 96H aufweist.
Die Gruppierung von Strömungskanälen für das Fluid 94 in
dem Gehäuse 70 ist
mit den außen
liegenden Elementen in dem Kreislauf verbunden mit Hilfe der Rohrelemente 965,
so wie dies durch die Eintritts- und Austrittsrohrabschnitte in
der 4 vorgeschlagen wird. Die Heizung 96H erhöht die Temperatur
des Wärmetauschermediums
auf mindestens die erste vorgegebene Bezugstemperatur. Das Wärmetauschermedium
wird mit der Pumpe 96P durch die Kanäle 94 in dem Gehäuse 70 umgewälzt und dient
dazu, das Spinnpaket 24 und insbesondere den Filterhalter 30 und
die Spinndüsenplatte 36 auf
die erste vorgegebene Bezugstemperatur zu erhitzen.
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Es
wurde herausgefunden, dass das Aufheizen des Filterhalters 30 und
der Spinndüsenplatte 36 die
thermischen Gradienten, welche durch die Scherung und den Filtervorgang
verursacht werden, auf ein Mindestmass herabsetzt. Dieses Resultat
ist graphisch in den 9A und 9B dargestellt,
welche eine stilisierte, bildliche Darstellung sind, ähnlich wie bei
der 3, und sie zeigen die thermischen Schwankungen
innerhalb des Spinnpakets 24 einer Vorrichtung zum Spinnen 10' entsprechend
der vorliegenden Erfindung. Wie man sieht, wurden die Temperaturunterschiede
durch den Filterhalter 30 und die Spinndüsenplatte 36 hindurch
beträchtlich
minimiert, vor allem im Vergleich zu dem Zustand wie er in der 3 gezeigt
wird. Das Ergebnis ist, dass die Ungleichmäßigkeiten der Temperatur in
den aus verschiedenen Bereichen der Spinndüsenplatte 36 austretenden
Filamenten wesentlich verringert sind.
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Obschonvgendeine
Flüssigkeit
benützt
werden kann, besteht das bevorzugte thermische Wärmetauschermedium aus Öl, wie zum
Beispiel ein Dibenryltoluol-Gemisch, so wie es von Huls Ag., aus Marl
in Deutschland als MARLOTHERM® SH verkauft wird oder
ein Polydimethylsiloxan SYLTHERM® von
Dow Corning, Midland, Michigan. Andere flüssige Wärmetauschermedien, wie zum
Beispiel Dow Therm® (das nach dem Stand der
Technik verwendete Medium) können
ebenfalls benützt
werden.
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Die
Temperatursteuerungseinrichtung 96 dient dazu die Umgebung
des Filterhalters 30 und die Spinndüsenplatte 36 auf eine
erste vorgegebene Temperatur aufzuheizen, welche über der
vorgegebenen Einlasstemperatur für
das Polymer liegt, derart dass die Temperatur quer über den
Filterhalter 30 und die Spinndüsenplatte 36 im Wesentlichen
einheitlich ist, wodurch die Temperatur der aus der Spinndüsenplatte 36 austretenden
thermoplastischen Filamente ebenfalls im Wesentlichen einheitlich
ist.
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Die
durch das Absenken der Uneinheitlichkeiten der Temperatur über den
Filterhalter 30 und die Spinndüsenplatte 36 hinweg
gewonnenen Vorteile können
ebenfalls erzielt werden durch ein lokalisiertes Aufheizen des Gehäuses 70 über ein
anderes Hilfsmittel als das Umlaufen eines flüssigen Wärmetauschermediums. Demgemäß liegt
es im Ermessen der Erfindung, das Spinnpaket 24 auf die
erste vorgegebene Bezugstemperatur zu erhitzen, dies durch den Einsatz
von elektrischen Heizungen von irgendeiner geeigneten Form. Solche
Heizungen würden
günstigerweise
in den Kanälen 94 angeordnet sein.
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Obschon
man annimmt, dass die Erhöhung der
Temperatur des Gehäuses 70 des
Spinnpakets 24, so wie oben erörtert, in sich selbst eine
wesentliche Verbesserung des Betriebes einer Vorrichtung zum Spinnen 10' gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Folge hat, so glaubt man doch, dass noch eine zusätzliche
Verbesserung durch eine zusätzliche Steuerung
der Temperatur des Polymers erreicht werden kann, dies an einer
Stelle zwischen der Pumpe 18 und dem Spinnpaket 24.
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Eine
Vorrichtung zum Spinnen 10' gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst vorzugsweise ebenfalls eine zweite Temperatursteuerungseinrichtung 100,
welche benützt
wird, um die Temperatur des Polymers an einer Stelle zu steuern,
welche zwischen der Pumpe 18 und dem Spinnpaket 24 liegt, wobei
vorzugsweise Polymer durch die zentrale Platte des Plattenzusammenbaus 58 fließt. Diese
Temperatursteuerung wird durchgeführt über die Steuerung der Temperatur
des Plattenzusammenbaus 58 auf eine vorgegebene zweite
Bezugstemperatur. Wegen des Vorhandenseins eines in thermisch leitender Berührung mit
dem Plattenzusammenbau 58 angeordneten Wärmetauscherbauteils
erfolgt ein Wärmetausch
zwischen dem Plattenzusammenbau und dem Polymer. Auf diese Weise
wird die Temperatur des durch den Polymerströmungsdurchgang innerhalb des
Plattenzusammenbaus fließenden
Polymers selektiv entsprechend einer vorgegebenen Polymertemperatur
steuerbar, welche in einem vorgegebenen Bereich der zweiten vorgegebenen
Bezugstemperatur liegt. Die zweite, vorgegebene Bezugstemperatur
der Platte kann als eine Temperatur gewählt werden, welche über, gleichauf
oder unter der vorgegebenen Polymereintrittstemperatur liegt. Die Temperatursteuerung
für das
Polymer, hervorgerufen durch die Steuerung der Temperatur des zentralen Plattenzusammenbaus,
erfolgt unabhängig
von der Funktion der Temperatursteuerung, die diktiert wird von
der ersten Temperatursteuerungseinrichtung 96.
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Die
zweite Temperatursteuerungseinrichtung 100 umfasst eine
Pumpe 100P, um ein Wärmetauschermedium
durch eine geschlossene Kreislaufanlage umzuwälzen, wobei dieselbe von außen liegenden
Rohrteilen 100S gebildet wird (wie durch die 4 vorgeschlagen),
welche zusammengeschaltet werden durch die in dem Plattenzusammenbau 58 gebildeten
Strömungskanäle 98 für das Fluid.
Die Temperatur des Wärmetauschermediums
kann durch den Gebrauch entweder einer zugeschalteten Heizung 100H (um
die Temperatur des Mediums zu erhöhen) oder eines Kühlers 100C (um
die Temperatur des Mediums zu senken) auf eine Stufe eingestellt werden,
die ausreicht, um die Temperatur der Platte auf die zweite vorgegebene
Bezugstemperatur entweder zu erhitzen oder abzukühlen. Geeignete zugehörige Armaturen
wurden aus Gründen
einer klaren Darstellung weggelassen.
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Wie
bemerkt, die durch die zweite Temperatursteuerungseinrichtung 100 bewirkte
Temperatursteuerung des Polymers zwischen dem Pumpenaustritt und
dem Eintritt des Spinnpakets, wird unabhängig von der Temperatursteuerung
des Spinnpakets 24 aktiviert, so wie oben beschrieben.
Wegen des Vorhandenseins entweder der Heizung 100H oder der
Kühlung 100C kann
die vorgegebene Bezugstemperatur, auf welche das Polymer durch die
zweite Temperatursteuerungseinrichtung eingeregelt werden kann,
entweder größer, kleiner
oder gleich gewählt
werden wie die Polymereintrittstemperatur, die vorgegeben wurde.
Das heißt,
die zweite vorgegebene Bezugstemperatur kann selektiv geregelt werden auf
irgendeinen Temperaturwert (ebenfalls auf Gleichheit) innerhalb
eines vorgegebenen Temperaturbereiches um die vorgegebene Polymereintrittstemperatur
herum.
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Die
Temperatur des Polymers, das durch den Plattenzusammenbau 56 (und
vor allem durch die zentrale Platte 58) hindurch fließt, wird
entweder erhöht
oder gesenkt, so wie es der Fall erfordert, durch einen Wärmetausch
zwischen dem in der zentralen Platte eingebautem Wärmetauscherelement
und dem durch die zentrale Platte hindurch fließenden Polymer. In der dargestellten
Ausführung
wird dieser Wärmetausch
durch die Keilprofile 102S heraufgesetzt, welche die Wärmeübergangsfläche zwischen der
Platte 58 und dem Polymer vergrößern. Selbstverständlich kann
gleich welche andere alternative Anordnung benützt werden, wobei die gewünschte Wärmeübergangsfläche zwischen
dem Polymer und der Platte 58 bewerkstelligt wird. So könnte, anstatt der
verkeilten Buchse 102, das Wärmetauscherelement unter Einsatz
einer Vielzahl von durch die zentrale Platte 58 hindurch
ragenden Bohrungen ausgeführt
werden. Wahlweise kann die Länge
des ringförmigen
Strömungsdurchgangs
vergrößert werden. Statt
durch Flächenvergrößerungen
kann der Wärmeübergang
vergrößert werden
durch die Auswahl des Materials in der Umgebung der Platte, durch
welche der Polymerfluss vor sich geht, in Übereinstimmung mit der Wärmeleitfähigkeit
des Materials, oder durch Änderung
der Durchflussgeschwindigkeiten entweder von dem Wärmetauschermedium
oder von dem Polymer.
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Obschon
irgendeine Wärmetauscherflüssigkeit
(die Flüssigkeit
gemäß dem Stande
der Technik eingeschlossen) verwendet werden kann, um in der zweiten
Temperatursteuerungseinrichtung wirksam zu werden, so ist das bevorzugte
Wärmetauschermedium
erneut Öl,
vorzugsweise ein Öl
wie es oben identifiziert worden ist. Wahlweise können ebenfalls elektrische
Heizgeräte
benützt
werden.
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Die
Auswirkung der Temperatursteuerung des Polymers unter Benützung der
zweiten Temperatursteuerungseinrichtung 100 kann aus dem
Diagramm der 10 verstanden werden. So wie
man es sieht, kann die zentrale Platte des Plattenzusammenbaus entweder
geheizt oder gekühlt
werden, dies auf die zweite vorgegebene Bezugstemperatur, und zwar
durch eine angemessene Auswahl entweder der Heizung 100H oder
des Kühlers 100C.
So wie sich der von dem Filtermedium erzeugte Widerstand erhöht (sei
es durch die Alterung des Filters oder durch die Erhöhung des
Polymerdurchsatzes), so kann es notwendig werden, die Stellung der
zweiten Bezugstemperatur anzupassen (durch den Einsatz entweder
der Heizung oder des Kühlers),
dies auf eine Stufe oberhalb der Polymertemperatur an dem Pumpenaustritt,
auf eine Stufe unterhalb der Polymertemperatur an dem Pumpenaustritt
und oberhalb der Polymereintrittstemperatur, oder auf einen unterkühlten Bereich,
in welchem die Temperatur unterhalb der Polymereintrittstemperatur
liegt. Durch die Auswirkungen des Wärmeübergangs bedingt, liegt die
Polymertemperatur innerhalb eines vorgegebenen Bereiches der zweiten
vorgegebenen Bezugstemperatur.
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Die
Temperatur des Pumpenbrunnens wird auf Umgebungstemperatur gehalten,
welche im Wesentlichen gleich ist mit der Polymereintrittstemperatur,
dies durch den Strom eines flüssigen
oder gasförmigen
Wärmetauschennediums,
so wie etwa des vorhergehend identifizierten Öls, oder der Flüssigkeit,
welche nach dem Stande der Technik benützt wird, und zwar durch einen
die Kanäle 90 in
den vorderen und hinteren Wänden 74, 76 umfassenden
geschlossenen Kreislauf. Eine angemessene Pumpe und eine externe
Verrohrung sind vorgesehen.
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Es
sollte für
jene, die in dieser Technik bewandert sind, ersichtlich sein, dass
eine Vorrichtung zum Spinnen gemäß der vorliegenden
Erfindung, zum Spinnen irgendeines thermoplastischen Polymers benützt werden
kann, etwa von Nylon, Polyester [einschließlich der Poly(trimethylenterephtalat)-Polyester,
auch als "PTT" oder " 3GT" bekannt)] oder Polypropylen.
Zusätzlich
kann die vorliegende Erfindung eingesetzt werden beim Spinnen von
Lösungen
oder beim Schmelzblasspinnen.
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Es
soll ebenfalls verständlich
sein, dass die Basistemperatur, welche als Grundliniendefmition sowohl
für die
erste als auch für
die zweite vorgegebene Bezugstemperatur dient, eine andere sein
kann als die Polymereintrittstemperatur.
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Jene,
welche den Stand der Technik kennen und welche dank der Unterrichtung
durch die vorliegende Erfindung im Vorteil sind, können zahlreiche hierauf
bezogene Änderungen
ersinnen. Solche Änderungen
sollten so aufgebaut sein, dass sie innerhalb der Erwägung der
vorliegenden Erfindung liegen, so wie diese durch die beiliegenden
Ansprüche definiert
ist.