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Spinndüsenplatte für Düsenpakete von Schwolzspinnanlagen und Verfahren
zu ihrer Herstellung Die Erfindung bezieht sich auf eine Spinndüsenplatte für Düsenpakete
von Schmelzspinnanlagen für synthetische Hochpolymere, bestehend aus einer Verbundplatte
mit Schichten metallischer Werkstoffe unterschiedlicher Eigenschaften, wobei mindestens
eine Schicht als Trägerpiatte mit ausreichender Festigkeit für die Aufnahme der
vom Spinndruck erzeugten Kräfte gestaltet ist und die Düseübohrungen durch sämtliche
Schichten hindurchgeführt sind.
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Bei einer derartigen Splnndüsenplatte, die zum Stande der Technik
gehört ist mit einer aus geringwertigem M-terial bestehenden Trägerplatte eine zweite
Platte unw lösbar verbunden, die aus hochkorrosionsfestem Material besteht. Als
Werkstoff hierfür werden u. a. Gold, Platin und Silber angegeben, mithin Werkstoffe,
die unverhältnismäßig teuer sind. Andererseits soll die Dicke der gesamten Spinndüsenplatte
im Bereich weniger Zehntel-Millimeter liegen, so daß der Materialaufwand wiederum
gering ist (DT-OS 2 165 581). Bei der hierdurch vorbekannten Spinndüsenplatte steht
das zu verspinnende Material in Wechselwirkung mit beiden Werkstoffen der Verbundplatte.
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Weder die Dicke der Verbundplatte noch der größte Teil der für die
einzelnen Komponenten angegebenen Metalle lassen die vorbekannte Düsenplatte als
für Schmelzspinnzwecke geeignet erscheinen. Außerdem hat ein großer Teil der für
die korrosionsfeste Schicht angetebenen Werkstoffe Wärmeleitfähigkeitseigenschaften>
die nicht über die völlig ungenügenden Werte eisenhaltiger Werkstoffe hinausgehen.
Ein Temperaturausgleich zwischen der Umgebung der einzelnen Düsenbohrungen kann
daher mit dem größten Teil der angegebenen Werkstoffpaarungen nicht erreicht werden.
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Es ist ferner bekannt, in eine aus homogenem Material bestehende Trägerplatte
Düseneinsätze einzusetzen, die aus einem gegenüber der Trägerplatte verschleißfesterem
Material bestehen sollen (DT-GM 1 977 091). Mit der hierdurch vorbekannten Spinndüsenplatte
läßt sich jedoch ein quer zu den Düsenbohrungen gerichteter Wärmetransport bzw.
Wärieausgleich nicht erreichen.
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Schließlich ist es noch vorbekannt, Wärmeverluste von der Oberfläche
einer Spinndüsenplatte dadurch einzudEmmen, daß vorzugsweise im Abstand von der
Spinndüsenplatte ein sogenannter Wärmeschutzschild angebracht wird, der mit der
Spinndüsenbeheizung in Verbindung steht (DT-OS 2 138 201). Auch eine solche Anordnung
ist ungeeignet, Temperaturdifferenzen innerhalb der eigentlichen Spinndüsenpatte
auszugleichen. Zum Verständnis der Probleiatik sei auf folgende Zusammenhänge verwiesen:
Zum Schmelzspinnen synthetischer Fäden aus Hochpolymeren werden Spinndüsenplatten
in Form von Flanschplatten oder Einsatzdüsen verwendet, wie sie beispielsweise auch
Gegenstand eines Teils der obigen Vorveröffentlichungen sind. Die Spinndüsenplatten
werden mit 2wischenplatten, Filtern (Sandfüllungen) etc. zu sogenannten Düsenpaketen
verschraubt, die einzeln oder zu mehreren in Spinnbalken oder Spinnköpfe eingesetzt
werden. Die Beheizung der Spinnbalken erfolgt entweder indirekt über einen Wärmeträger
oder direkt durch elektrische Heizeinrichtungen.
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Die Beheizung der Düsenpakete erfolgt zum Teil indirekt über eine
Strahlungsheizung vom Rand der Düsenpakete her, wobei eine Spinndüsenplatte mit
Flansch wegen der großer ren Wärmeübergangsfläche gegenüber einer Einsatzdüse Vorteile
aufweist. Die Beheizung durch Strahlung hat sich als nachteilig herausgestellt,
da ein A;xfheizen der Spinndüsenpiatten im Spinnbalken sehr langwierig ist und es
einer erheblichen Zeitspanne bedarf, um die in der Regel erforderliche hohe Düsenplattentemperatur
und eine gute Temperaturgleichmäßigkeit in der Düsenplatte herbeizuführen. Bei einem
Düsenwechsel ist man daher gezwungen, den Nachteil des schlechten Wärmeübergangs
dadurch zu beseitigen, daß die Düsenpakete vor dem Einsetzen in den
Spinnbalken
oder Spinnkopf in einem Wärmeschrank auf die zum Spinnen erforderliche Temperatur
aufgeheizt werden. Durch eine solche Maßnahme, die zu erhöhten Betriebskosten führt,
kann es jedoch nicht gelingen, die während des Betriebes in der Spinndüsenplatte
auftretenden Wärmeprobleme in den Griff zu bekommen.
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Aus Gründen der textilen Weiterverarbeitung ist es erforderlich, daß
die Durchmesserschwankungen der ersponnenen Fäden möglichst klein sind, und daß
die ersponnenen Fäden nach der Fadenbildung unterhalb der SpinndUsenplatte gleichbleibende
textile Eigenschaften aufweisen, d.. daß sich die beim Fadenbildungsprozess im Fadenquerschnitt
ablaufenden physikalischen Vorgänge in jeder einzelnen Düsenbohrung in der gleichen
Weise vollziehen.
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Um zu guten und gleichmäßigen Fadeneigenschaften zu gelangen, sind
als wichtigste Voraussetzung die Temperatur der Spinndüsenplatten und die Temperaturverteilung
innerhalb der Spinndüsenplatten in möglichst engen Grenzen zu halten.
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Die erwähnten Wärmeprobleme sind sehr vielschichtiger Natur. So müssen
die Spinndüsenplatten nicht nur, wie bereits angegeben, vor dem Einsetzen aufgeheizt
werden, sondern es muß auch unbedingt verhindert werden, daß bei geringen Durchsätzen
an Schmelze die Temperatur der Spinndüsenplatten absinkt, oder, daß bei höheren
Durchsätzen an Schmelze die Temperatur der Spinndüsenplatten ansteigt. Weitere Probleme
entstehen durch den Abkthlprozess der ersponnenen Fäden unterhalb der SpinndUsenplatte.
Dort ist in der Regel eine Kühlzone vorgesehen,
die aus einem die
Fäden umgebenden Blasschacht besteht, welcher von einer quer zu den Fäden gerichteten
Kühlluftströmung durchsetzt wird. Diese Kühlluftströmung hat weitere Einflüsseauf
den Teiperaturhaushalt in der Spinndüsenplatte, wobei noch der zusätzliche Nachteil
auftritt, daß die Einflüsse aus Gründen der Strdmungsführung und des Wärmeübergangs
nicht über die gesamte Fläche der Spnndüsenplatte gleichmäßig sind. Man hat zwar
schon versucht, den Einfluß der Blasluftströmung durch zwischengeschaltete Dampf-
oder Gas sperren auszuschalten, hierdurch entstehen jedoch neue Probleme in bezug
auf die negative Beeinflussung des Wärmehaushalts der Spinndüsenplatte.
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Zum Zwecke einer unabhängigen Einstellung der Temperatur der Spinndüsenplatte
von den verschiedenen Einflußgrößen auf einen konstanten Wert und der Verminderung
der Temperaturgradienten innerhalb der Spinndüsenplatte wurde zwar schon vorgeschlagen,
die Düsenplatte auf ihrem Umfang unmittelbar und kraftschlüssig mit einem über die
Düsenpiatte hinausragenden Rahmen zu verstehen, wobei dem Rahmen im Bereich der
Düsenplatte eine zusätzliche Düsenplattenbeheizung zugeordnet ist. Durch eine solche
Maßnahme werden Wärmezufuhr zur Spinndüsenplatte und der Wärme aus gleich innerhalb
der Spinndüsenplatte zwar wesentlich verbessert, eine vollständige Lösung der bestehenden
Wärmeprobleme ist hierdurch jedoch nicht in vollem Umfange möglich. Das Haupthindernis
liegt dabei in der beschränkten Auswahl der für Spinndüsenplatten zur Verfügung
stehenden Werkstoffe.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spinndüsenplatte
der eingangs beschriebenen Art so zu verbessern, daß der Wärmetransport zur und
innerhalb der Spinndüsenplatte auf einen vorher nicht erreichten Wert bei voller
Beständigkeit der Spinndüsenplatte gegenüber mechanischen und chemischen Angriffen
gesteigert werden kann. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine
Spinndüsenplatte anzugeben, mit der ein Heizelement und ggf. auch ein Temperaturfühler
unter Erzielung großer Wärmeübergangsflächen verbunden ist bzw. sind.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei der eingangs beschriebenen
Spinndüsenplatte erfindungsgemäß dadurch, daß die Trägerplatte mit Düseneinsätzen
einer solchen Länge versehen ist, daß die Düseneinsätze auf der äußeren Seite der
Trägerplatte aus dieser merklich hervorstehen, und daß sich in dem Raum zwischen
dem überstehenden Teil aller Düseneinsätze eine die,Düseneinsätze und die Trägerplatte
berührende Schicht aus einem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit befindet. Die Trägerplatte
kann dabei aus einem hochlegierten, wärme-und korrosionsbeständigen Stahl, wie beispielsweise
W.Nr. 4057 nach DIN 17006, bestehen, und ist in der Weise dimensioniert, daß sie
das den vorgegebenen Spinndrücken entsprechende, erforderliche Widerstandsmoment
besitzt. Die erfindungsgemäße Spinndüsenplatte kann sowohl als Einsatzdüse als auch
als Flanschplatte Verwendungilnden. Im Falle der bevorzugten Verwendung als Flanschplatte-kann
sie in an sich bekannter Weise am Umfang mit Bohrungen für Befestigungsschrauben
versehen werden, mittels welchen sie zu Düsenpaketen verschraubt
werden
kann. Als Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit können bevorzugt Aluminium- oder
Bronzelegierungen verwendet werden, wobei jedoch eine breite Auswahlmöglichkeit
an geeigneten Werkstoffen besteht, weil die Spinnschmelze mit dem betreffenden Werkstoff
nicht in Berührung kommen kann.
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Die aus eines Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit bestehende Schicht
sorgt für einen guten Temperaturausgleich innerhalb der Spinndüsenplatte, da sie
mit den Oberflächen der Düseneinsätze und der Trägerplatte in inniger Berührung
steht.
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Die Lösung der insbesondere gestellten Aufgabe erfolgt gemäß der weiteren
Erfindung dadurch, daß in die Schicht aus dem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkit
ein Heizelement eingebettet ist. Als Heizelement kommt vorzugsweise ein elektrischer
Widerstandsheizkörper infrage, der sowohl einteilig als auch mehrteilig ausgeführt
sein kann. Bei gleichmäßiger Verteilung des Heizelements über die gesamte Querschnittsfläche
der Spinndüsenplatte ergibt sich so ein äußerst gleichmäßiges Temperaturprofil,
da die Wärme innerhalb der Spinndüsenplatte, d. h. am Ort ihres Bedarfs, erzeugt
wird. Die Temperatur der Spinndüsenplatte kann daher spontan vorgegebenen Temperaturänderungen
folgen. Insbesondere fällt dadurch bei einem Wechsel des Düsenpakets die ansonsten
erforderliche Vorheizung in einem Wärmeofen weg. Die Regelung der Düsenplattentemperatur
läßt sich verzögerungsfrei und in engen Grenzen dann erreichen, wenn gemäß der weiteren
Erfindung in der Schicht aus dem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit ein Temperaturfühler
angeordnet ist, dessen
Meßwert ggf. nach Verstärkung einem Stellglied
für das Heizelement aufgeschaltet ist. Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre
kann sogar der zusätzliche Vorteil erzielt werden, daß die aufwendige, indirekte
Beheizung der Spinnbalken durch einen Wärmeträger entfallen kann.
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Es ergeben sich dadurch einfach aufgebaute, schnell und genau regelbare
Spinnköpfe, so daß der Spinnbalken bisheriger Konstruktion entfallen kann.
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Die Düseneinsätze werden zweckmäßig aus hochlegiertem Stahl vorgefertigt
und in Bohrungen der Trägerplatte entweder eingepreßt oder eingeschrumpft. Die Herstellung
der Düseneinsätze kann entweder im Feingußverfahren (Croning-Guß) oder au£ spanabhebendem
Wege erfolgen.
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Die Kapillarbohrungen können dabei erst im Anschluß an die Fertigstellung
der aus Trägerplatte und Düseneinsätzen bestehenden Einheit gebohrt werden, so daß
der mechanische Arbeitsaufwand an der fertiggestellten Spinndüsenplatte auf ein
Minimum reduziert wird.
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Ein zusätzlicher Vorteil kann gemäß der weiteren Erfindung dadurch
erreicht werden, daß die Düseneinsätze über die äußere Begrenzungsfläche der Schicht
aus dem Werkstoff hoher Wärmeleitfähigkeit hervorstehen. Hierdurch entsteht eine
vergrößerte, im Wärmeaustausch mit der Umgebung des herausragenden Teils der Düseneinsätze
stehende Oberfläche, wodurch es möglich ist, mehr Wärme an die Umgebung abzuführen.
Oberschüssige Wärme kann beispielsweise örtlich dadurch entstehen, daß bei starken
Titern der ersponnenen Fäden ein größerer Wärmeanfall auftritt. Der Abkühlungsvorgang
kann durch die gezielte Beaufschlagung der herausragenden Teile der Düseneinsätze
mit Blasluft wesentlich unterstützt werden.
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Bei Ausnutzung aller Vorteile, die der erfindungsgemäßen Lösung innewohnen,
läßt sich ein Schmelzspinnprozess durchführen, der sich durch gleichförmige Wärmeübergangszahlen
während der gesamten Entstehungsgeschichte eines jeden einzelnen Fadens auszeichnet.
Die Wärmeübergangszahl in der Spinndüsenplatte steigt mit zunehmender Spritzgeschwindigkeit
des Jeweiligen Polymeren in den Kapillarbohrungen an. Für Polyester können als Beispiel
Wärmeübergangszahlen von 200 Kcal/m2h C bei einem Durchsatz je Kapillare von 10
Milligramm pro Sekunde und bis zu 300 kcal/m2h 0C bei 80 Milligramm pro Sekunde
genannt werden. Bei Polyamiden liegen diese Wert etwas niedriger.
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Wird für die Strahlaufweitung der Polymerströmung hinter der Spinnplatte
die Wärmeübergangszahl längs des Spinnweges ermittelt, so zeigt sich im Gegensatz
zu den oben gemachten Angaben eine mit dem Durchsatz fallende Tendenz der Wärmeübergangszahl.
Hier gelten für Polyester bei einem Durchsatz von 10 Milligramm pro Sekunde 237
kcal/m2h 0C und für 80 Milligramm pro Sekunde 136 kcal/m2h C. Für Polyamid-6 wurde
bei einem Durchsatz von 10 Milligramm pro Sekunde der Wert 218 kcal/m2h °C und bei
80 Milligramm pro Sekunde der Wert 118 kcal/m2h °C ermittelt. Wegen dieser Zusammenhänge
wird der Polymerdurchsatz bei Verwendung der erfindungsgemäßen Spinndüsenplatte
zweckmäßig so eingestellt, daß die Wärmeübergangszahl für den Polymerstrom in der
Kapillarbohrung der Spinndüsenplatte gleich oder näherungsweise gleich ist derjenigen
Wärmeübergangszahl, welche für die Strahlaufweitung längs des Spinnweges im Spinn-
oder Blasschacht ermittelt wird.
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Die Durchführung des Spinnprozesses mit den angegebenen Bedingungen
ist sowohl beim Schmelzspinnen mit als auch beim Schmelzspinnen ohne Blasluft von
erheblicher Bedeutung und mit der erfindungsgemäßen Spinndüsenplatte ohne weiteres
durchführbar.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spinndüsenplatte sei
nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Spinndüsenplatte sowie
vier in der Schnittebene liegende'Düsenbohrungen, Fig 2- einen Axialschnitt durch
einen einzelnen Düseneinsatz und Fig. 3 einen Querschnitt längs der Linie 111-1
II durch den Gegenstand gemäß Fig. 2.
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In Fig. 1 ist mit 10 eine Spinndüsenplatte bezeichnet, die u. a. aus
einer Trägerplatte 11 besteht. Die Trägerplatte 11 ist beispielhaft als Kreisscheibe
ausgebildet und kann auch die Form einer Rechteckplatte haben. Sie besitzt auf ihrem
Umfang eine Vielzahl von Bohrungen 12 für die Aufnahme von Befestigungsschrauben,
mittels welcher die Spinndüsenplatte 10 an einem in Fig. 1 nicht dargestellten Gehäuse
unter Bildung eines Düsenpakets befestigt ist. Die Trägerplatte 11 besteht aus einem
hochlegierten, temperatur- und korrosionsfesten Stahl und hat eine solche Stärke,
daß sie den
auftretenden Spinndrücken gewachsen ist. Bei einem
Außendurchmesser von 189 mm hat sich eine PlattenstErke von 35 mm als brauchbar
erwiesen. Die Trägerplatte ii besitzt eine Vielzahl von auf konzentrischen Kreisen
angeordneten Bohrungen, in welche Düseneinsätze 13 eingesetzt sind. Die Düseneinsätze
13 besitzen dabei eine solche Länge, daß sie tier die untere Begrenzungsfläche 14
der Trägerplatte 11 merklich hervorstehen.
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Der Raum zwischen dem überstehenden Teil aller Düseneinsätze ist mit
einer die Düseneinsätze und die Trägerplatte berührenden Schicht 18 aus einem Werkstoff
hoher Wärmeleitfähigkeit ausgefüllt. Im vorliegenden Fall handelt es sich um eine
DIN-Legierung Al-Mehrstoffbronze B (GAlMBzB) oder die aushärtbare Al-Gußlegerung
(6 Al Si Mg), die in schmelzflüssigem Zustand durch Gießen in den angegebenen Raum
eingebracht wurde. Zwischen den Düseneinsätzen befindet sich eine Heizeinrichtung
15, von der jedoch nur die Schnittflächen sowie das Anschlußende 16 zu sehen sind.
In der Mitte der Spinndüsenplatte 10 befindet sich außerdem ein Temperaturfühler
17, der nur schematisch dargestellt und über einen Verstärker mit einem Stellglied
für die Heizleistung des Heizelements 15 verbunden ist.
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Die Düseneinsätze 13 sind von einer solchen Länge, daß ein Teil über
die untere Begrenzungsfläche 19 der Schicht 18 aus dem gut wärmeleitenden Werkstoff
herausragt. Es handelt sich hierbei um denjenigen Teil der Diiseneinsätze, der die
eigentliche Kapillarbohrung 20 enthält. Die Begrenzungsfläche 19 der Spinndüsenplatte
10 ist gleichzeitig die Austrittsseite.
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Einzelheiten des DUseneinsatzes 13 sind Fig. 2 zu entnehmen. Der Düseneinsatz
enthält auf dem ersten Teil des von ihm eingeschlossenen Strömungsweges eine Schmelzenzuffihrungsbohrung
21, die in ein konisches Zwischenstück 22 und nachfolgend in die Kapillare 20 übergeht.
Die Zuführungsbohrung 21 ist von einem im wesentlichen zylindrischen Mantelteil
23 umgeben, der jedoch zum Zwecke einer Oberflächenvergrößerung mit rippenförmigen
Vorsprüngen 24 bzw. nutenförmigen Ausnehmungen 25 versehen ist. Weitere Einzelheiten
sind Fig. 3 zu entnehmen. Die links der Mittellinie liegenden Hälften des Düseneinsatzes
gemäß Fig. 2/3 stellen eine Ausführungsform, die rechts der Mittellinie liegenden
Hälften eine andere Ausführungsform dar. Ein flanschförmiger Rand 26 am oberen Ende
des DUsenelnsatzes ermöglicht eine genaue Posiionierng der DUseneinsätze innerhalb
der Trägerplatte 11.
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- Ansprüche -