DE19535143B4

DE19535143B4 - Vorrichtung und Verfahren zur thermischen Behandlung von Fasern

Info

Publication number: DE19535143B4
Application number: DE19535143A
Authority: DE
Inventors: Hansjörg MEISE
Original assignee: Saurer GmbH and Co KG
Current assignee: Oerlikon Textile GmbH and Co KG
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-09-21
Publication date: 2006-02-16
Anticipated expiration: 2015-09-22
Also published as: ITMI951970A0; CN1131207A; CN1062614C; TW324030B; KR960010915A; ITMI951970A1; IT1277648B1; US5700490A; DE19535143A1

Abstract

Kühlrohr zum Kühlen von synthetischen Filamenten, welches in einer Spinnvorrichtung senkrecht unterhalb der Spinndüse angeordnet ist und dessen Wandung radial gerichtete Öffnungen für ein Kühlgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Kühlrohrs aus übereinander angeordneten ringförmigen Elementen (63) gebildet ist, welche Elemente (63) derart mit Abstand übereinander angeordnet sind, daß die beiden einander zugewandten Begrenzungsflächen benachbarter Elemente (63) die radial gerichteten Öffnungen in Form von ringförmigen Gaskanälen (65) bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kühlrohr zum Kühlen von synthetischen Filamenten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ein solches Kühlrohr ist bekannt durch die EP 0 580 977 A1 sowie die US 5,059,104 .

Das Kühlrohr ist senkrecht unterhalb der Spinndüse angeordnet.

Bei der in der EP 0 580 977 A1 beschriebenen Spinnanlage durchlaufen die aus den Spinndüsen austretenden Fasern das Kühlrohr, bevor sie zu einem Faden zusammengefaßt werden.

Auf Grund der Geschwindigkeit der Fasern entsteht in dem Kühlrohr ein Unterdruck. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Innenraum des Kühlrohrs und der Umgebung strömt Umgebungsluft durch die poröse oder perforierte Wand des Kühlrohrs in diesen hinein.

Bei der Spinnanlage nach der US 5,059,104 ist das Kühlrohr unterhalb der Spinndüse angeordnet. Die Spinndüsen-Bohrungen sind auf einem Kreis verteilt. Das Kühlrohr ist so angeordnet, daß die aus den Düsen austretenden Fasern das Kühlrohr umgeben. Zur Kühlung strömt Luft an unterschiedlichen Streckenabschnitten des Kühlrohrs radial aus.

Aus der DE 39 23 067 A1 ist auch schon eine Spinnanlage für Chemiefasern bekannt, bei der Filamente unterhalb einer Spinndüse in einem Blaskasten durch zwei einander entgegen gerichtete Luftströme gekühlt werden. Eine gleichmäßige Kühlung eines Filamentbündels ist mit einer Kühlung von zwei Seiten jedoch nicht immer zu erreichen.

Aus der US 3,447,202 ist eine Spinnmaschine bekannt, bei der unterhalb der Spinndüse eine Vielzahl ringförmiger Heizelemente angeordnet ist. An einer Stelle wird diesem System ein Inertgas zugeführt. Dieser Aufbau lässt sich nicht unmittelbar auf Kühlanordnungen übertragen.

Die beim Spinnen von synthetischen Fasern erforderliche Kühlwirkung hängt insbesondere von Anzahl und Masse der Fasern, Dicke der einzelnen Fasern, Geschwindigkeit der Fasern, und anderen Faktoren ab. Die Kühlrohre müssen daher hinsichtlich Kühllänge und Kühlgasmenge den jeweiligen Produktionsbedingungen angepaßt werden.

Die Erfindung löst die Aufgabe, die Kühlrohre so auszubilden, daß sie einfach an unterschiedlich Behandlungsaufgaben angepaßt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 21. Die Begriffe "Faser" und "Filament" werden in diesem Patent synonym benutzt. Der Faden setzt sich aus einer Mehrzahl von Filamenten zusammen.

Die Geometrie der Gaskanäle ist abhängig von der Geometrie der Elemente und den Abständen sowie von der Anzahl der Elemente. Durch entsprechende Ausgestaltung der Elemente kann das einströmende Fluid hinsichtlich Durchflußmenge, Strömungsart und Strömungsrichtung dem Erfordernis angepaßt werden. Die Vorrichtung kann aus einer Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Elemente aufgebaut werden. Die Strömungsverhältnisse des Fluids können über die Behandlungsstrecke variiert werden.

Das erfindungsgemäße Kühlrohr besteht aus ringförmigen oder toroiden Elementen. Diese ringförmigen Elemente sind im wesentlichen gleich groß; das bedeutet, daß die ringförmigen Elemente dadurch, daß sie axial hintereinander angeordnet werden, die Wandung eines Kühlrohres bilden. Die Elemente sind mit Abstand zueinander angeordnet, so daß zwischen zwei benachbarten Elementen ein ringförmiger Spalt (Gaskanal) entsteht. Es sei erwähnt, daß die Ringform dieses Gaskanals durch Abstandhalter zwischen den einzelnen benachbarten Elementen unterbrochen werden kann. Die Länge dieses Kühlrohres wird bestimmt durch die Anzahl und die axiale Dicke der Elemente, sowie durch die Abstände benachbarter Elemente. Die den Filamenten zuführbare Luftmenge hängt insbesondere von der Anzahl der Elemente und dem Abstand zwischen benachbarten Elementen ab.

Die Düsenlöcher für die Filamente sind im allgemeinen nach einem bestimmten Muster gleichförmig auf einer Kreisfläche verteilt. Zur Erzielung symmetrischer Abkühlverhältnisse innerhalb eines derartigen Faserbündels dient die Ausgestaltung nach Anspruch 2.

Das Kühlrohr nach dieser Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß unterschiedliche Geometrien der Gaskanäle geschaffen werden können.

So kann die radiale Luftströmung im wesentlichen senkrecht und ohne Förderwirkung auf das Faserbündel treffen (Anspruch 3). Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 führt jede ringförmige Luftströmung dazu, daß der von den Fasern mitgeschleppte aufgeheizte Luftmantel abgeschält und durch frische Kühlluft ersetzt wird.

Dabei kann der ringförmige Kühlluftstrom auch zur Erhöhung der auf die Fasern einwirkenden Faserzugkraft benutzt werden (Anspruch 6) oder aber zur Förderung der Fasern (Anspruch 5).

Zur Beeinflussung der Strömungsverhältnisse jedes einzelnen zugeführten Kühlgasstromes dient die Ausgestaltung nach Anspruch 7. Durch die konvexe Ausbildung der Begrenzungsflächen benachbarter Elemente kann der Gaskanal – im Axialschnitt des Kühlrohres gesehen – düsenförmig, z. B. nach Art einer Lavall-Düse – aufgebaut sein. Ein sehr gleichmäßiger Kühlgasstrom bei geringen Druckunterschieden ergibt sich bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8. Diese Ausgestaltung kommt insbesondere bei sogenannten "selbstansaugenden Kühlrohren" in Betracht, wie sie nachfolgend im Zusammenhang mit Anspruch 11 erörtert werden.

Als Kühlgas kommt namentlich atmosphärische Luft, d.h. die Raumluft der Spinnerei, in Betracht. Dabei kann die Kühlgasmenge bei der Ausgestaltung nach Anspruch 10 durch Vorgabe eines bestimmten Außenluftdruckes gesteuert und dem Bedarf angepaßt werden. In dieser Ausgestaltung werden lediglich das erste und das letzte Element im wesentlichen druckdicht in die Ober- bzw. Unterseite des Druckbehälters eingepaßt und alle übrigen Elemente dazwischen mit Abstand zueinander aufgestapelt.

Auch hierbei ist ein Austausch der Zwischenelemente ohne wesentlichen Umbau des Druckbehälters zur Anpassung an die bestehende Kühlaufgabe möglich.

Wie bereits erwähnt – ermöglicht das Kühlrohr insbesondere ein Spinnen und Kühlen, bei welchem die frisch gesponnenen Fasern so viel Luft mitschleppen, daß in dem Kühlrohr ein Unterdruck entsteht und hierdurch ein ständiger Kühlluftstrom von außen nach innen erzeugt wird. Dabei werden die Fasern vorzugsweise mit einer Abzugsgeschwindigkeit von mehr als 3.500 m/min von der Spinndüse abgezogen. In einer bevorzugten Ausführung liegt diese Abzugsgeschwindigkeit bei oder über 5.000 m/min. In diesem Falle ist das Kühlrohr von atmosphärischer Luft umgeben. Wie für die bekannte Spinnvorrichtung offenbart, kann hierbei das Kühlrohr auch in einem Unterdruckkasten angeordnet sein, wobei der Unterdruck dadurch hergestellt wird, daß die Luftzufuhr von Raumluft steuerbar und dem gewünschten Bedarf anpaßbar ist.

Wie bereits erwähnt, kann durch die Erfindung auch das Kühlrohr nach der US 5,059,104 weitergebildet werden. Bei diesem Kühlprinzip geschieht die Kühlung im wesentlichen durch den radial auf die Fasern auftreffenden Luftstrom und nur in untergeordnetem Maße durch mitgeschleppte Luft. Daher ist die Steuerung der mehreren scheibenförmigen oder kegelmantelförmigen Luftströme von besonderer Bedeutung für einen optimalen Verlauf des Temperaturgradienten in den frisch gesponnenen Fasern. Durch die hohe Flexibilität des Kühlrohres nach dieser Erfindung ist daher das Kühlrohr gerade für dieses Kühlprinzip sehr geeignet (Anspruch 12).

Der Abstand zwischen den Elementen kann dadurch erzielt werden, daß die Elemente fest an oder in einer Halterung montiert werden. Die Dimensionierung der Gaskanäle ist besonders einfach und präzise durch Abstandshalter zu bewerkstelligen entsprechend Anspruch 13. Dabei kann es sich um Einzelteile handeln, die zwischen zwei benachbarte Elemente gelegt werden. An den benachbarten Begrenzungsflächen der Elemente können jedoch auch derartige Abstandhalter angeformt sein.

Zur höheren Flexibilität hinsichtlich Anzahl der Elemente und Breite der Gaskanäle dient die Ausgestaltung nach Anspruch 14. Bei derartigen Längsführungen kann es sich z. B. um zwei oder mehr Stangen handeln, die achsparallel zur Kühlrohrachse ausgerichtet sind. In diesem Falle weist jedes Element Führungsbuchsen, Führungslöcher oder Führungsschalen auf, mit denen es auf den Stangen aufgefädelt ist und an den Stangen gleiten kann. Durch Klemmschrauben (z.B.) kann das einzelne Element mit vorbestimmten Abstand zu dem Nachbarelement an der Stange befestigt werden.

Das Kühlrohr nach dieser Erfindung ist – in einer Normalausführung – zylindrisch und vorzugsweise kreiszylindrisch ausgebildet. Das gilt für seinen Außenumfang aber auch für seinen Innenumfang. Durch Abweichung von dieser Normal-Ausbildung lassen sich die Strömungs- und Kühlverhältnisse in dem Kühlrohr wiederum beeinflussen. Dies kann bei dem Kühlrohr nach dieser Erfindung in einer weiteren Ausgestaltung in sehr einfacher Weise dadurch geschehen und auch nachträglich in die Spinnanlage eingebaut werden, daß ähnliche Elemente mit unterschiedlichem Durchlaßquerschnitt verwandt werden. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 16 erweitert sich der Durchlaßquerschnitt in Spinnrichtung. Dadurch entsteht in dem Kühlrohr ein zunehmender Unterdruck mit der Folge, daß auch eine zunehmende Kühlgasmenge angesaugt wird. Diese Ausführung ist also wiederum besonders geeignet für das Kühlprinzip nach Anspruch 11.

Insbesondere zur Erzeugung einer guten Laufruhe der Fasern, die die Fadenqualität begünstigt, wird die Kühlluft durch die Öffnungen wirbelfrei ins Innere des Kühlrohrs geleitet.

Die Zufuhr des Kühlfluids kann auf Grund der im Kühlrohr erzeugten Ansaugwir kung erfolgen. Es ist auch möglich, wie bisher vorgeschlagen, Luft mittels eines Gebläses dem Kühlrohr zuzuführen.

Durch die Kombination geeigneter Elemente kann der Querschnitt in der Öffnung für das Kühlfluid so ausgestaltet werden, daß der Querschnitt sich zum Kühlrohrinneren hin verjüngt. Hierdurch kann die Geschwindigkeit und die Art der Kühlluftströmung beeinflußt werden, so daß bestimmte turbulente Strömungszustände im Inneren des Kühlrohrs erzeugt werden können. Die erzwungenen Verwirbelungen verursachen zudem Druckunterschiede im Kühlfluidstrom, die zusätzliche Luft ansaugen.

Die Abstandshalter bilden für die Kühlluft ein Strömungshindernis. Um den Einfluß der Abstandshalter auf die Kühlung der Fasern zu eliminieren, sollten diese vorzugsweise versetzt angeordnet werden. Die versetzte Anordnung führt dazu, daß die Fasern nur kurzzeitig und an unterschiedlichen Stellen eine Strömungsunterbrechung erfahren. Außerdem sollten die Abstandshalter in Strömungsrichtung einen strömungstechnisch günstigen Querschnitt haben.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Kühlrohrs hat auch den Vorteil, daß die Herstellung stark vereinfacht und verbilligt wird, da nicht mehr poröse oder perforierte Rohre als Kühlrohr verwendet werden, sondern aus Elementen aufgebaute Kühlrohre.

Die Abstandshalter können auch zur Halterung der Elemente benutzt werden. Sie können auch jeweils ein integraler Bestandteil eines Elementes sein.

Neben der Variation der Strömungsverhältnisse des Kühlgases kann eine Variation der Temperatur des Kühlgases vorgenommen werden. Es kann zweckmäßig sein, im Bereich des Eintrittsquerschnitts das Fluid mit einer erhöhten Temperatur in die Behandlungsstrecke hineinströmen zu lassen. Durch diese Maßnahme werden die Wärmeverluste an der Düse verringert. Gleichzeitig wird sichergestellt, daß keine Kristallisation des Fasermaterials eintritt. Die Temperatur des Fluids nimmt dann in Richtung der Behandlungsstrecke ab. Die Abnahme kann kontinuierlich oder sprunghaft sein. Im folgenden werden die Begriffe Kühlluft und Kühlrohr synonym für Fluid und die Vorrichtung zur thermischen Behandlung verwendet. Um eine Erwärmung des Kühlgases durchzuführen, können ein Element oder mehrere benachbarte Elemente beheizt werden.

In der Ausgestaltung nach Anspruch 17 läßt sich eine Produktionssteigerung erreichen.

Es hat sich herausgestellt, daß eine physikalische Abhängigkeit zwischen der Abzugsgeschwindigkeit und dem anschließend noch erzielbaren Verstreckungsverhältnis besteht. Diese Abhängigkeit kommt dadurch zustande, daß durch die hohe Abzugsgeschwindigkeit, die in diesem Falle über 2.000 m/min liegt, eine Vororientierung der Molekülketten erreicht wird. Daher ist die Reißdehnung des auf diese Weise vororientierten Fadens (POY) und damit auch die anschließende Verstreckbarkeit reduziert. Die physikalische Abhängigkeit ergibt sich für einen Polyesterfaden (Polyäthylenterephtalat u. a.) und einen Polyamid-Faden (Nylon 6 und Nylon 6.6) im wesentlichen aus dem Diagramm nach der DE 22 54 99 B2 . Wenn im folgenden von einer "normalen Abzugsgeschwindigkeit" und/oder einem "normalen Verstreckverhältnis" die Rede ist, so ist damit ein Verstreckverhältnis gemeint, bei dem die Beziehungen nach diesem Diagramm eingehalten sind, d. h.: der vororientierte Faden ist in konventioneller Weise nicht nach der Lehre dieser Erfindung ersponnen.

Diese physikalische Abhängigkeit gemeinsam mit dem herzustellenden Endtiter des Fadens bedingt eine Begrenzung der Produktivität. Die Produktivität wiederum ist meßbar an der Fördermenge (Menge der Schmelze pro Zeiteinheit).

In einem Spinn-Streck- und Aufwickelprozeß hat die Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit keine entsprechende Erhöhung der Produktivität zur Folge, weil mit Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit die Verstreckbarkeit abnimmt und folglich die Aufwickelgeschwindigkeit sich nur noch wenig oder gar nicht ändert.

In einem solchen kontinuierlichen Spinn-Streck- und Aufspulprozeß wird der Faden unmittelbar nach dem Spinnen in eine Streckstufe geführt und nach Durchlaufen der Streckstufe aufgewickelt.

In einem diskontinuierlichen Herstellungsprozeß erfolgt im Anschluß an die Spinn stufe ein Aufwickeln. Die hergestellte Spule wird sodann einer Streck-Maschine vorgelegt und nach Durchlaufen der Streckstufe wieder aufgewikelt. Hierbei ergibt sich die Fördermenge, mit der die Schmelze ausgestoßen wird daraus, daß bei gegebener Abzugsgeschwindigkeit und Verstreckung der Endtiter erreicht werden muß. Infolge der physikalischen Zusammenhänge ist bei dem konventionellen Herstellungsverfahren für einen Faden durch Schmelzspinnen eines vororientierten Fadens und anschließendes Verstrecken keine wesentliche Produktivitätssteigerung erzielbar (vgl. H. Schätzle: "Spinnstrecken-Schnellspinnen-Strecktexturieren" in International Textile Bulletin, 1973, S. 374).

Bei einem kontinuierlichen Herstellungsverfahren ergibt sich aus dem gewünschten Endtiter des zu erzeugenden Fadens und der gewünschten Fördermenge die Aufwickelgeschwindigkeit des Fadens, die im wesentlichen der Endgeschwindigkeit des Streckwerkes entspricht. Durch die Vorgabe eines gewünschten Streckverhältnisses ergibt sich die Abzugsgeschwindigkeit des Fadens von der Spinndüse bzw. umgekehrt: durch Vorgabe einer gewünschten Abzugsgeschwindigkeit ergibt sich das Verstreckverhältnis in beiden Fällen nach dem vorgegebenen physikalischen Zusammenhang. Durch die Maßnahme nach Anspruch 17 ist eine Steigerung der Produktivität in nennenswertem Umfang möglich, da hiermit der geschilderte physikalische Zusammenhang zwischen Abzugsgeschwindigkeit und Verstreckbarkeit durchbrochen werden kann.

Geht man von einem diskontinuierlichen Herstellungsverfahren aus, bei dem der Faden in der Spinnstufe ersponnen und aufgewickelt und in der anschließenden Verstreckstufe verstreckt und wiederum aufgewickelt wird, so sind folgende Alternativen denkbar:
Es gibt Verfahren, bei denen es erforderlich ist, das Verstreckverhältnis innerhalb bestimmter Grenzen zu belassen. Dies ist insbesondere beim Strecktexturieren gegeben. Beim Strecktexturieren hängen zum einen die Eigenschaften des Endprodukts, aber auch die Sicherheit des Texturierverfahrens davon ab, daß ein geeignetes Verstreckverhältnis ausgesucht wird. Anderenfalls hält der multifile Faden bei der Falschzwirn-Texturierung den Belastungen nicht Stand. Es kommt zu Brüchen einzelner Filament. Ein ungeeignetes Verstreckverhältnis bedeutet nicht nur eine Qualitätsminderung des erzeugten Fadens, sondern auch die Gefahr, daß durch Filamentbrüche der Prozeß unterbrochen wird.

Bei anderen Herstellungsverfahren sind kritische Verhältnisse innerhalb des Spinnprozesses zu erwarten. Hier wird die Abzugsgeschwindigkeit innerhalb geeigneter Grenzen vorgegeben. Die Abzugsgeschwindigkeit muß so gewählt werden, daß der vororientierte Faden sicher und ohne Filamentbrüche erzeugt werden kann. Das ist insbesondere bei hochfesten Fäden oder Fäden mit großer Filamentzahl erforderlich, bei denen infolge großer Luftreibung die Gefahr von Filamentbrüchen und der dadurch verursachten Verschlechterung der Fadenqualität oder Unterbrechung des Spinnprozesses gegeben ist.

In beiden Alternativen ist eine Erhöhung der Produktivität durch Erhöhung der Fördermenge möglich, wobei bei der einen Alternative in der Spinnstufe ein Faden mit nicht erhöhter Aufwickelgeschwindigkeit, jedoch vergrößertem Titer des vororientierten Fadens aufgewickelt und in der Verstreckstufe mi vergrößertem Verstreckverhältnis verstreckt wird. Hier ergibt sich also in der Verstreckstufe auch eine Vergrößerung der erzeugten Fadenlänge bei gleichbleibendem Endtiter. Bei der anderen Alternative hat die Erhöhung der Fördermenge eine Erhöhung der Aufwickelgeschwindigkeit in der Spinnstufe zur Folge. Die anschließende Verstreckung erfolgt wie konventionell üblich.

Von wesentlicher Bedeutung für die Anwendung des Kühlrohres in der Ausgestaltung nach Anspruch 17 bis 21 ist, daß der schmelzflüssige Zustand der aus den Düsenlöchern der Spinndüse austretenden Schmelz-Stränge, die anschließend zu Einzelfilamenten werden, noch für eine – wenngleich kurze – Strecke erhalten bleibt. Dieser Zustand läßt sich durch die Maßnahme nach Anspruch 20 intensivieren.

Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, daß keine Änderung der eigentlichen Spinneinrichtung erforderlich ist und die Aufheizstrecke beliebig und den Erfordernissen entsprechend verlängert werden kann.

Angestrebt wird eine Aufheizung der Unterseite der Düsenplatte der Spinndüse um mehr als 5°C, vorzugsweise 5 bis 30 °C. In den Versuchen lag die Erwärmung bei ca. 10°C.

Es sei erwähnt, daß mehrere der Elemente, welche der Spinndüse benachbart sind, beheizt sein können. Hierdurch wird die Strecke des schmelzflüssigen Zustandes der Filamente verlängert.

Um zu erreichen, daß die Wärme, die hier erzeugt wird, weniger den Fäden als der Düsenplatte zugeführt wird, sollten die beheizten Elemente in geeigneter Weise ausgeführt sein, insbesondere nach Anspruch 20. Da die Schmelze bereits mit hoher Temperatur angeliefert wird, hat die Düsenplatte bereits eine Temperatur, die im Bereich der Schmelzetemperatur liegt. Um die Düsenplatte auf eine höhere Temperatur aufzuheizen, ist eine entsprechende Temperatur der beheizten Elemente erforderlich. Dies bedingt eine direkte Heizung der Elemente, die insbesondere nach Anspruch 18 oder Anspruch 19 erfolgen kann.

Das Kühlrohr in dieser Ausgestaltung eignet sich insbesondere zur Herstellung von sehr feinen Fasern, d.h. Mikrofasern. Eine hierfür geeignete Auslegung des Kühlrohres ergibt sich aus Anspruch 21.

Die Kühlrohre nach dieser Erfindung, insbesondere in der Ausführung nach Anspruch 11 oder Anspruch 17 ff haben eine Länge vorzugsweise zwischen 540 und 1650 mm, um einen Einzelfilamenttiter von etwa 0,5 bis etwa 2 DPF zu spinnen. Vorzugsweise durchlaufen die Filamente bei einem Einzelfilamenttiter von etwa 0,5 DPF ein zwischen 540 und 770 mm, vorzugsweise zwischen 600 und 700 mm, langes Kühlrohr.

Bei einem Einzelfilamenttiter von etwa 2 DPF durchlaufen die Filamente ein Kühlrohr, das zwischen 1.170 und 1.650 mm, vorzugsweise zwischen 1.300 und 1.500 mm, lang ist.

In folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
Es zeigen:
1 das Schema eines kontinuierlichen Spinn- und Streckprozesses zur Herstellung eines glatten Fadens,
2, 3 das Schema eines Zwei-Stufen-Verfahrens zum Spinnen eines vororientierten glatten Fadens und zum anschließenden Strecktexturieren des vororientierten Fadens in einer zweiten Prozeßstufe,
4 schematisch eine Spinnvorrichtung mit einer ersten Ausführungsform eines Kühlrohrs im Vollschnitt,
5 eine Ausführungsform mit druckgeregelter Kühlluftzufuhr,
6 schematisch eine Spinnvorrichtung mit einer weiteren Ausführungsform eines Kühlrohrs im Vollschnitt,
7 Schnitt durch den Bereich der Düsenplatte, mit beheiztem Element des Kühlrohres,
8a und 8b eine Ausführungsform für eine radiale Kühlluftzufuhr im Zentrum eines Faserbündels,
9 und 9a eine dritte Ausführungsform eines Kühlrohrs im Teilschnitt,
10 und 10a eine zweite Ausführungsform eines Kühlrohrs im Teilschnitt,
11 und 11a eine fünfte Ausführungsform eines Kühlrohrs im Vollschnitt,
12 und 12a eine vierte Ausführungsform eines Kühlrohrs im Vollschnitt,
13 eine siebte Ausführungsform eines Kühlrohrs im Vollschnitt,
14 eine sechste Ausführungsform eines Kühlrohrs im Volschnitt,
15-18 Ausführungsbeispiele der Elemente eines Kühlrohrs,
19-21 Details mit Ausbildungen des Strömungskanals und der Elemente,
22 ein Diagramm, das entsprechend Tabelle der 24 den Zusammenhang zwischen der Abzugsgeschwindigkeit und der Reißdehnung für vororientierte Polyester-Fäden mit unterschiedlichem Filament-Titer zeigt,
23 ein Diagramm, daß die Abhängigkeit der Erhöhung der Reißdehnung von dem erzeugten Endtiter des Fadens bei vorgegebener Wärmezufuhr zu der Düsenplatte zeigt,
24 Tabelle.
Die nachfolgend beschriebenen Verfahren eignen sich gleichermaßen zum Spinnen von Fäden aus Polyester, Polyamid oder Polypropylen. Als Polyester kommt insbesondere Polyäthylenterephtalat in Betracht. Als Polyamide sind insbesondere Nylon 6 (Perlon) und Nylon 6.6 in Gebrauch. Es sei ausdrücklich bemerkt, daß die nachfolgenden Verfahrensdaten für Polyester angegeben werden. Sie gelten entsprechend für Polyamid-Fäden mit Abweichungen, die durch Versuch festzulegen sind.
Nachfolgend wird das Spinnverfahren beschrieben.
Diese Beschreibung des Spinnverfahrens gilt sowohl für alle Ausführungsbeispiele (1 bis 8) mit Ausnahme der ausdrücklich angegebenen Abweichungen.
Ein Faden 1 wird aus einem thermoplastischen Material gesponnen. Das thermoplastische Material wird durch eine Fülleinrichtung dem Extruder 3 aufgegeben. Der Extruder 3 ist durch einen Motor 4 angetrieben. Der Motor 4 wird durch eine Motorsteuerung 8 gesteuert. In dem Extruder wird das thermoplastische Material aufgeschmolzen. Hierzu dient zum einen die Verformungsarbeit, die durch den Ex truder in das Material eingebracht wird. Zusätzlich ist eine Heizeinrichtung 5 in Form einer Widerstandsheizung vorgesehen, die durch eine Heizsteuerung 43 angesteuert wird. Durch die Schmelzeleitung gelangt die Schmelze zu der Zahnradpumpe 9, die durch Pumpenmotor 44 angetrieben wird.
Der Schmelzedruck vor der Pumpe wird durch Druckfühler 7 erfaßt und durch Rückführung des Drucksignals auf die Motorsteuerung 8 konstant gehalten.
Der Pumpenmotor wird durch die Pumpensteuerung 45 derart angesteuert, daß die Pumpendrehzahl feinfühlig einstellbar ist. Die Pumpe 9 fördert den Schmelzestrom zu dem beheizten Spinnkasten 10, an dessen Unterseite sich die Spinndüse 11 in einem Düsentopf 53 (vgl. 7) befindet. Aus der Spinndüse 11 tritt die Schmelze in Form von feinen Filamenten = Fasern 12 aus.
Als Spinndüse wird eine Platte bezeichnet mit einer Vielzahl von Düsenbohrungen, durch die jeweils ein Filament 12 austritt. Die Filamentstränge durchlaufen einen Kühlschacht 14 (Kühlrohr). In dem Kühlschacht 14 wird durch Anblasen 15 ein Luftstrom radial auf die Filamentschar gerichtet und gekühlt.
Der Kühlschacht ist in 1, 2 nur schematisch dargestellt. Er wird entsprechend dieser Erfindung ausgeführt. Einzelheiten hierzu ergeben sich aus den 4 bis 21.
Am Ende des Kühlschachtes 14 wird die Filamentschar durch eine Präparationswalze 13 zu einem Faden 1 zusammengefaßt und mit einer Präparationsflüssigkeit versehen. Der Faden wird aus dem Kühlschacht 14 und von der Spinndüse 11 durch eine Abzugsgalette 16 abgezogen. Der Faden umschlingt die Abzugsgalette mehrfach. Dazu dient eine verschränkt zu der Galette 16 angeordnete Überlaufrolle 17. Die Überlaufrolle 17 ist frei drehbar. Die Galette 16 wird durch Galettenmotor 18 und Frequenzgeber 22 angetrieben mit einer voreinstellbaren Geschwindigkeit. Diese Abzugsgeschwindigkeit ist um ein Vielfaches höher als die natürliche Austrittsgeschwindigkeit der Filamente aus der Spinndüse 11.
Durch Verstellung der Eingangsfrequenz des Frequenzumsetzers 22 kann die Drehzahl der Abzugsgalette 16 eingestellt werden. Hierdurch wird die Abzugs geschwindigkeit des Fadens 1 von der Spinndüse 11 bestimmt.
Bis hierher gilt die Beschreibung identisch auch für das Spinnverfahren nach 2. Für die Verstreckstufe nach dem Ablaufschema von 1 gilt folgendes:
Der Abzugsgalette 16 folgt eine Streckgalette 19 mit einer weiteren Überlaufrolle 20. Beide entsprechen in ihrem Aufbau der Abzugsgalette 16 mit Überlaufrolle 17. Zum Antrieb der Streckgalette 19 dient der Streckmotor 21 mit dem Frequenzgeber 23. Die Eingangsfrequenz der Frequenzumsetzer 22 und 23 wird durch den steuerbaren Frequenzgeber 24 gleichmäßig vorgegeben. Auf diese Art und Weise kann an den Frequenzumsetzern 22 und 23 individuell die Drehzahl der Abzugsgalette 16 bzw. Streckgalette 19 eingestellt werden. Das Geschwindigkeitsniveau von Abzugsgalette 16 und Streckgalette 19 wird dagegen kollektiv an dem Frequenzumsetzer 24 eingestellt.
Von der Streckgalette 19 gelangt der Faden 1 zu dem sogenannten "Kopffadenführer" 25 und von dort in das Changierdreieck 26.
Die nachfolgende Beschreibung betrifft die Aufwickelstufe des Prozesses nach 1 bis 8 in gleicher Weise. In den Figuren ist die Changiereinrichtung nicht dargestellt.
Es handelt sich dabei z. B. um eine Kehrgewindewalze und einen darin geführten Changierfadenführer, der in den Faden über die Länge der Spule 33 hin- und herführt. Dabei umschlingt der Faden hinter der Changiereinrichtung 27 eine Kontaktwalze 28. Die Kontaktwalze 28 liegt auf der Oberfläche der Spule 33 an. Sie dient zur Messung der Oberflächengeschwindigkeit der Spule 33. Die Spule 33 wird auf einer Hülse 35 gebildet. Die Hülse 35 ist auf einer Spulenspindel 34 aufgespannt. Die Spindel 34 wird durch Spindelmotor 36 und Spindelsteuerung 37 derart angetrieben, daß die Oberflächengeschwindigkeit der Spule 33 konstant bleibt. Hierzu wird als Regelgröße die Drehzahl der freidrehbaren Kontaktwalze 28 an der Kontaktwalzenwelle 29 mittels einer ferromagnetischen Einlage 30 und einem magnetischen Impulsgeber 31 abgetastet und ausgeregelt.
In dem Prozeß nach 1 kann durch Einstellung der Spindelsteuerung 37 die Auf wickelgeschwindigkeit auf die Umfangsgeschwindigkeit der Streckgalette 19 abgestimmt werden.
Bei der Ausführung nach 2 wird der von der Abzugsgalette 16 ablaufende Faden unmittelbar zu dem Kopffadenführer 25 und in das Changierdreieck 26 geführt. Hier erfolgt eine Abstimmung zwischen der Umfangsgeschwindigkeit der Spulspindel 33 und der Abzugsgeschwindigkeit, die durch die Abzugsgalette 16 vorgegeben ist, in entsprechender Weise.
In beiden Fällen ist die Umfangsgeschwindigkeit der Spule 33, die durch die Kontaktwalze 28 abgetastet und ausgeregelt wird, geringfügig niedriger als die Umfangsgeschwindigkeit der vorgeordneten Galetten 16 bzw. 19. Die aufgewikelte Fadengeschwindigkeit ergibt sich nämlich als geometrische Summe aus der Umfangsgeschwindigkeit der Spule 33 und der Changiergeschwindigkeit der nicht dargestellten Changiereinrichtung 27.
3 zeigt schematisch einen Streck-Texturierprozeß der sich dem Verfahren nach 2 anschließt. Die Spule 33 mit vororientiertem Faden, die in dem Spinnprozeß nach 2 erzeugt worden ist, wird einer Streck-Texturiermaschine vorgelegt. Der vororientierte Faden wird durch Fadenführer 38 zu einem Eingangslieferwerk 39, von dort durch den Heizer 46, durch die Kühlschiene 47, durch den Friktions-Falschdrallgeber und zu dem Ausgangslieferwerk 50 geführt. Er wird anschließend auf der Spule 52 aufgespult. Die Lieferwerke 39 und 50 sind mit unterschiedlicher Geschwindigkeit angetrieben. Dadurch erfolgt in der Falschdrall-Zone zwischen diesen Lieferwerken gleichzeitig mit der Erhitzung und Falschdrall-Texturierung die erforderliche Verstreckung.
Im folgenden werden die Verfahren nach den 4 bis 8 noch einmal gemeinsam mit dem Kühlrohr beschrieben. Wegen weiterer Einzelheiten wird auf 1 – 3 verwiesen. Das Verfahren nach 4 ff zeichnet sich durch das Fehlen der Galetten aus. Der Faden wird durch die Aufspulmaschine mit hoher Geschwindigkeit, vorzugsweise 3.500 m/min und mehr von der Spinndüse abgezogen und dadurch gleichzeitig verstreckt.
Aus dem Spinnkopf 10 wird der Spinndüse 11 eine dosierte Menge einer Polymer- Schmelze zugeführt. Die Spinndüse 11 umfaßt eine Platte mit einer Vielzahl von Austrittsbohrungen, durch die jeweils ein Filament 12 heraustritt. Unterhalb der Spinndüse 11 ist das Kühlrohr 14 angeordnet. Die Filamente 12 durchlaufen das Kühlrohr 14 und werden durch einen unterhalb des Kühlrohres 14 angeordneten Fadenführer 60 zu einem Faden 1 zusammengefaßt. Durch eine Tangeldüse 61 wird der Faden zum Spulkopf 62 geführt.
Das Kühlrohr 14 umfaßt mehrere übereinander angeordnete ringförmige Elemente 63. Zwischen zwei benachbarten Elementen 63 sind jeweils Abstandshalter 64 angeordnet, so daß zwischen zwei benachbarten Elementen 63 eine Öffnung (ringförmiger Gaskanal) 65 ausgebildet ist. Durch die Öffnung 65 strömt Luft zu den Filamenten 12. Die Luft kühlt die Filamente 12. Sie entweicht durch die Austrittsöffnung 66.
Die ringförmigen Elemente sind z.B. Stahlringe. Die Ringe haben einen über den Umfang gleichbleibenden Querschnitt. Querschnitt ist hier der Schnitt in einer Axialebene, also einer der Ebenen, in welchen die Rohrachse bzw. Ringachse des Elementes liegt.
Die Länge der Kühlstrecke, die im wesentlichen der Höhe des Kühlrohrs 14 entspricht, kann durch die Anzahl der Elemente und den Abstand zwischen zwei Elementen entsprechend den Kühlerfordernissen angepaßt werden; vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen 0,5 und 3 mm, insbesondere 1 mm. Die Geschwindigkeit und die Art der Kühlluftströmung kann durch den Strömungsquerschnitt der Öffnung 65 sowie durch die Breite des Ringes beeinflußt werden.
In der Ausführungsform des Kühlrohrs nach 4 bis 8, 14, 18 haben die ringförmigen Elemente im Querschnitt, d.h. im Axialschnitt zur Ringachse des Elementes – einen rechteckigen Querschnitt. Daher ist der Strömungsquerschnitt der Öffnung 65 konstant. Ferner ergibt sich hieraus, daß der ringförmige Gaskanal 65, der zwischen den Elementen 63 gebildet wird, horizontale Begrenzungswände hat. Der Gaskanal ist also – bezogen auf die vertikale Ringachse der Elemente und des Kühlrohres – genau radial ausgerichtet.
In der Ausführung nach 9 bis 10 haben die Elemente – im Axialschnitt zur Ring achse 78 – einen trapezförmigen Querschnitt. In der Ausführung nach 10 werden sie von innen nach außen dünner. Daher verändert sich der Strömungsquerschnitt des Gaskanals 65 in Strömungsrichtung der Luft – d.h. von außen nach innen – im Sinne einer Verengung mit der Folge, daß sich die Strömungsgeschwindigkeit erhöht.
Der Querschnitt der Elemente im Axialschnitt kann auch konisch von außen nach innen abnehmen, wie in 9 gezeigt. In diesem Fall wird die Geschwindigkeit, mit der die Luft in das Kühlrohr hineinströmt, verringert.
In der 9 ist ein solches Ausführungsbeispiel dargestellt, bei dem der Strömungsquerschnitt von innen nach außen zunimmt. Das Element 63 weist einen senkrecht zur Ringebene trapezförmigen Querschnitt auf. Die Abstandshalter 64 sind bei dem Ausführungsbeispiel nach 9 versetzt angeordnet. Dies kann zu einer gleichmäßigeren Kühlung der Filamente führen.
Die Fadenlaufgeschwindigkeit ist sehr charakteristisch und zeichnet sich dadurch aus, daß sie zunächst verhältnismäßig niedrig ist und sodann sehr stark zunimmt. Um diesen Effekt bei der Kühlung zu kompensieren, kann die Durchflußmenge des Kühlgases in Fadenlaufrichtung veränderbar sein. Ebenso kann es erforderlich sein, den Kühlluftstrom dem Temperaturverlauf des Filamentbündels anzupassen. Um den Kühlluftstrom in Abhängigkeit zur Fadenlaufgeschwindigkeit oder zum Temperaturverlauf eines Filamentbündels zu steuern, wird vorgeschlagen, die Elemente so auszubilden, daß der lichte Querschnitt des Kühlschachtes in Fadenlaufrichtung zunimmt, wie dies aus der 12 ersichtlich ist.
Hierzu erweitert sich der lichte Querschnitt = Durchlaßquerschnitt der Elemente.
Statt den lichten Querschnitt des Kühlschachtes des Kühlrohrs zu verändern, wird entsprechend 11 vorgeschlagen, den Abstand der Elemente 63 zueinander unterschiedlich zu gestalten. Der Abstand der jeweiligen benachbarten Elemente 63 nimmt in Filamentlaufrichtung 74 ab.
Es kann erforderlich sein, daß die Kühlluft nicht senkrecht, sondern unter einem bestimmten Winkel α zur Fadenlaufrichtung 74 in das Kühlrohr hineinströmt, so in 9, 11, 15, 19, 20. Strömt die Luft gegen die Fadenlaufrichtung wie nach 10, so bewirkt dies, daß die Luftreibung der Filamente erhöht wird und somit die Zugkraft zum Aufspulen des Fadens steigt. Eine Strömung, die unter einem Winkel in Fadenlaufrichtung in das Kühlrohr hineingelangt – wie in 11, 15, 19 – verringert die Fadenzugkraft, mit welcher die zum Faden zusammengefaßten Filamente von der Spinndüse abgezogen werden müssen.
Zusammenfassend ist also auf folgendes hinzuweisen:
Durch die Gestaltung der Elemente in ihrem Querschnitt – bezogen auf die Axialebene zur Kühlrohrachse – kann die Form und/oder die Richtung des Gaskanals bestimmt werden. Sofern sich die axiale Weite des Gaskanals in radialer Richtung ändert, wird die Richtung vorgegeben durch die Mittelebene 73, welche insbesondere in den 19 bis 21 gezeigt ist. Als Mittelebene wird dabei die scheibenförmige oder kegelmantelförmige Ebene bezeichnet, die an allen Punkten denselben Abstand von den Begrenzungsflächen der den Gaskanal bildenden Elemente hat. Der Abstand wird dabei achsparallel zur Rohrachse gemessen. In jedem Falle haben die Gaskanäle eine zur Rohrachse radiale Strömungskomponente und in den Sonderfällen auch eine zur Rohrachse parallele Strömungskomponente gegen oder in Spinnrichtung.
Die einzelnen Elemente können auf den Abstandshaltern aufliegen. Zur Lagerung der Elemente können diese aber auch an einer Halterung befestigt sein, so daß benachbarte Elemente einen Abstand haben. Vor allem kann es sich bei der Halterung um eine Längsführung handeln, die zur Rohrachse parallel ist. Hierzu weist jedes Element 63 randseitig wenigstens eine Durchgangsbohrung auf, durch die sich jeweils eine Stange 67 als Längsführung erstreckt. In der Darstellung des Ausführungsbeispiels in der 14 sind zwei Stangen 67 vorgesehen. Die Stangen 67 können endseitig mit einem Gewinde versehen werden. Die Elemente 63 können dann zwischen zwei Muttern, die auf das jeweilige Ende der Stange 67 aufgeschraubt ist, verspannt werden.
Statt Stangen können die Abstandshalter 64 in der Axialebene zur Rohrachse 78 einen Querschnitt haben, welcher sich dem Querschnitt der Elemente anpaßt bzw. welcher dem Querschnitt des zwischen benachbarten Elementen gebildeten Gaska nals angepaßt sind. Diese Abstandhalter mit geringer Erstreckung in Umfangsrichtung des Kühlrohres bilden mit den Elementen 63 jeweils eine formschlüssige Verbindung. (13).
Der Strömungsquerschnitt der Öffnungen 65 kann durch unterschiedliche Geometrien der Elemente 63 verwirklicht werden. In den 14 und 15 ist der Strömungsquerschnitt der Öffnungen 65 konstant. Die Einströmrichtung in das Kühlrohr ist jedoch unterschiedlich.
In den 10, 13, 16 entsteht durch die Querschnitte der Elemente 63 ein ringförmiger Strömungskanal mit einer düsenartigen Form, die die einströmende Luft beschleunigt.
Hierzu sind die Begrenzungsflächen benachbarter Elemente 63, die einander zugewandt sind und den Gaskanal bilden, mit konvexer Wölbung einander zugewandt. Entsprechende Querschnittsformen der Elemente sind in 13, 16 und 17 gezeigt. Dabei wird nicht nur der Gaskanal selbst strömungsgünstig ausgebildet. Durch die Tropfenform des Querschnittes der Elemente nach 16 mit Verjüngung in Strömungsrichtung oder der Linsenform des Querschnittes nach 17 läßt sich erreichen, daß die die Elemente umströmende Luft nur einen geringen Strömungswiderstand vorfindet, so daß sich auch bei geringer Druckdifferenz zwischen dem Druck außerhalb und dem Druck innerhalb des Kühlrohres eine ausreichende Strömungsmenge ergibt.
Anhand der 4, 6 sind Spinnanlagen mit Kühlrohren dargestellt worden, bei denen eine Druckdifferenz zwischen dem Außendruck und dem Innendruck dadurch entsteht, daß die ersponnenen Filamente infolge ihrer hohen Abzugsgeschwindigkeit, mit der sie von der Spinndüse abgezogen werden, eine große Kühlluftmenge mitschleppen und dadurch ein Unterdruck im Inneren des Kühlrohres entsteht. Derartige Ausführungen setzen eine bestimmte Abzugsgeschwindigkeit voraus. Diese Abzugsgeschwindigkeit liegt bei mindestens 3.500 m/min. Vorzugsweise ist die Abzugsgeschwindigkeit über 5.000 m/min. In diesem Falle ergibt sich der weitere Vorteil, daß die ersponnenen Filamente eine ausreichende Orientierung aufweisen und nicht einer weiteren Nachverstreckung unterworfen werden müssen. Die erzeugten Spulen können also sofort der Weiterverarbeitung zugeführt werden.
Auf diese Art und Weise lassen sich insbesondere auch Mikrofilamente erspinnen. Es hat sich gezeigt, daß hierbei die Länge des Kühlrohres sehr feinfühlig auf die ersponnenen Filamenttiter angepaßt werden müssen. Hierzu eignet sich insbesondere das Kühlrohr nach dieser Erfindung, da es hinsichtlich seiner Länge durch Entfernen oder Einfügen weiterer ringförmiger Elemente sehr flexibel ist. Ebenso kann die Kühlluftmenge durch Einstellung der Spaltweite auch dann gesteuert werden, wenn – wie in diesem Falle – die Druckdifferenz, die für die Strömungsmenge verantwortlich ist, nicht steuerbar ist. Filamente mit einem einzelnen Titer (dtex/Filament = DPF) von 0,5 DPF benötigen eine Kühlrohrlänge zwischen 540 und 770 mm, vorzugsweise zwischen 600 und 700 mm. Filamente mit einem Einzeltiter von 2 DPF benötigen eine Kühlrohrlänge zwischen 1.170 und 1.650 mm, vorzugsweise zwischen 1.300 und 1.500 mm.
In 4 und 7 sind zylindrische Kühlrohre dargestellt, die in einen Druckkasten 75 eingeschlossen sind. Auch diese Kühlrohre können so aufgebaut sein, wie dies anhand der 9 bis 21 im Vorangehenden beschrieben worden ist. Das obere und das untere Element sind dichtend in den Druckkasten 75 eingesetzt. Dazwischen befinden sich weitere Elemente 63 mit entsprechenden Abstandhalterungen und eventuell einer Längsführung, die insgesamt das zylindrische Kühlrohr bilden. Der Druckkasten 75 wird über Zuleitung 76 mit Druckluft beaufschlagt, z. B. mittels eines Gebläses. Dadurch wird das Kühlrohr von außen nach innen mit Kühlluft durchströmt. Insbesondere wegen der Querschnittsformen der Gaskanäle und Elemente sowie der Anordnung von Abstandhaltern und Längsführungen wird auf die vorangegangene Beschreibung vollinhaltlich Bezug genommen.
Bis hierher wurden Ausführungen beschrieben, bei denen die Filamente 12 im Kühlrohr 14 laufen. Das Kühlrohr 14 kann jedoch auch dazu verwendet werden, Filamente 12 zu kühlen, die am Außenmantel des Kühlrohrs entlanglaufen.
Dies ist in 8 dargestellt. Die Düsenplatte ist in 8b in der Untersicht zu sehen. Daraus ergibt sich, daß die einzelnen Düsenbohrungen auf einem – oder mehreren – konzentrischen Kreisen angeordnet sind. Unterhalb der Spinndüse und konzentrisch zu den Kreisen liegt das Kühlrohr. Das Kühlrohr ist wiederum aus einzelnen ringförmigen Elementen aufgebaut, wie dies zuvor hinsichtlich Form, Querschnitt und Gaskanalausbildung beschrieben worden ist.
Zwischen zwei benachbarten Elementen sind jeweils Abstandshalter angeordnet, so daß zwischen zwei benachbarten Elementen jeweils eine Öffnung 65 ausgebildet ist. Durch die Öffnung 65 strömt Luft zu den Filamenten 12.
Der größte Außendurchmesser der Elemente ist kleiner als der kleinste Kreis, auf dem Düsenbohrungen liegen. Die Elemente werden in ihrem Außendurchmesser in Spinnrichtung 74 kleiner, so daß das Kühlrohr bzw. seine umhüllende Fläche ein in Spinnrichtung sich verjüngender Kegelmantel ist.
Die Oberseite des Kühlrohres, d.h. das der Spinndüse benachbarte Ende ist durch eine Platte 77 verschlossen. Das gegenüberliegende Ende ist ebenfalls durch eine Platte 77 verschlossen. In diese Platte mündet jedoch die Luftzuführung 76 ein, durch die Druckluft mittels eines Gebläses zugeführt wird. Die konzentrisch zu dem Kühlrohr kegelmantelförmig geführten Filamente werden unterhalb des Kühlrohres zu einem Faden mittels eines Fadenführers zusammengefaßt. Dieser Kegelmantel von Filamenten wird lediglich an einer Stelle seines Umfanges durch die Luftzuführung 67 durchbrochen. Die Filamente müssen entsprechend umgelenkt werden. Die Kühlung der Filamente erfolgt durch Luftströmungen, die von innen nach außen im wesentlichen radial gegen die Filamente gerichtet sind.
In der 6 ist schematisch eine Ausführungsform eines Kühlrohrs dargestellt, die derjenigen nach 5 entspricht. Die Beschreibung gilt daher auch hier. Zusätzlich ist das dem Spinnkopf 10 am nächsten liegende Element 68 beheizbar. Dies erfolgt in dem Beispiel mittels einer elektrischen Widerstandsheizung 69. Die Widerstandheizung ist ein in das Element eingebetteter Widerstandsdraht oder -stab. Die Widerstandsheizung 69 ist über Anschlußleitungen 70 mit einer nicht dargestellten Spannungsquelle verbunden. Es ist auch möglich, mehrere beheizbare Elemente vorzusehen. Ob solche Elemente vorgesehen werden, ist eine Frage der Anforderungen an die Vorrichtung um das gewünschte Temperaturprofil innerhalb der Behandlungsstrecke der Filament 12 einzustellen; vor allem aber kann hierdurch die Düsenplatte 11 beheizt werden.
Eine ähnliche Ausführung ist anhand von 7 dargestellt. Hier ist allerdings das Kühlrohr wiederum – als Beispiel – in einem Druckkasten gelegen, wie er zuvor anhand von 5 beschrieben wurde. Auf die Beschreibung von 5 wird insofern vollinhaltlich Bezug genommen, ebenso aber auch auf die Beschreibung von 6. Das beheizte ringförmige Element 68 weist eine Abstrahlungsfläche 58 auf, welche gegen die Spinndüse 11 gerichtet ist. Dies gilt auch für 6. Dort dient als Abstrahlungsfläche die der Spinndüse teilweise zugewandte Oberseite des Elements. Bei der Ausführung nach 7. Dagegen dient als Abstrahlungsfläche die innere Begrenzungswand, welche hier jedoch konisch mit nach unten weisender Kegelspitze ausgeführt ist. Durch die Aufheizung des Elementes 68 und Abstrahlung in Richtung auf die Düsenplatte wird diese aufgeheizt. Das bedeutet zum einen: die Abkühlung der Düsenplatte unter die Schmelzetemperatur des Polymers wird vermieden; es wird zum anderen aber auch eine Temperaturerhöhung angestrebt. Im übrigen ist das Kühlrohr aufgebaut, wie dies bereits zuvor beschrieben worden ist. Das beheizte Element ist mit Ausnahme der Abstrahlfläche 58 in einen Isoliermantel eingebettet.
Die Bedeutung dieser Aufheizung ergibt sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen:
In der 1 ist ein kontinuierlicher Spinn-Streck-Prozeß dargestellt. Bei diesem Prozeß ergibt sich aus der Aufwickelgeschwindigkeit und der Fördermenge der Endtiter.
Es soll z. B. ein Faden mit einem Endtiter von 2 den Filamenttiter erzeugt werden. Die Abzugsgeschwindigkeit soll 3.000 m/min betragen. Darauf ergibt sich unter normalen Umständen, also ohne Beheizung der Düsenplatte, eine Reißdehnung des erzeugten Fadens von 120%. D. h. mit anderen Worten, daß der vororientierte, abgezogene Faden bis zum Bruch auf 220% seiner Länge gestreckt werden kann. Darauf folgt, daß das Verstreckverhältnis etwa bei 2/3 dieses Wertes, also z. B. 1 : 1,6 liegt.
Daraus ergibt sich eine Abzugsgeschwindigkeit von 4.800 m/min (3.000 m/min × 1,6 = 4.800 m/min). Bei einem Einzelfilamenttiter von – wie gesagt – 2 den/Filament und einer Filamentzahl von 72 ergibt sich also ein Gesamttiter von ca. 150 den. Daraus folgt die Fördermenge mit 150 g/9.000 m × 4.800 m/min = 80 g/min für jede Spinnstelle. Es werde nun die Herstellung desselben Fadens die Abzugsgeschwindigkeiten auf 4.000 m/min gesteigert. Es ergibt sich sodann eine Reißdehnung von 80%. D. h.: der Faden kann bis zum Bruch auf 180% seiner Länge gedehnt werden. Wenn wiederum ein Verstreckverhältnis ungefähr im Bereich von 2/3 ausgewählt wird, so ergibt sich ein Verstreckverhältnis von 1 : 1,2. Das bedeutet, daß die Abzugsgeschwindigkeit sich nicht erhöht hat.
Man sieht also, daß eine Steigerung der Fördermenge an der Förderpumpe bei Produktion desselben Endtiters nicht stattfinden kann. Die Produktions- bzw. Produktivitätssteigerung ist daher unbeachtlich.
Aus diesem Grunde stattet man das Kühlrohr mit einer oder mehreren beheizten Elementen nach 6 oder 7 aus. Ein geeigneter Konuswinkel (Gesamtwinkel) für die Abstrahlfläche beträgt z. B. 30 bis 40°. Das Element (Stahl) ist rotglühend auf Temperaturen über 300° bis ca. 800° aufzuheizen. Sehr wirkungsvolle Temperaturen ergeben sich im Temperaturbereich zwischen 450° und 700°.
Es zeigt sich nun, daß bei derselben Abzugsgeschwindigkeit von 3.000 m/min und Anstrahlung der Düse mittels des beheizten Elementes eine wesentliche Steigerung der Reißdehnung und damit auch Steigerung der Verstreckbarkeit des Fadens eintritt. Bei einer Anstrahlung mit einem 550° erhitzten Element konnte in dem Beispiel die Reißdehnung und damit die Verstreckung um 5% erhöht werden. Es ergab sich damit bei der Abzugsgeschwindigkeit von 3.000 m/min auch eine um 5% erhöhte Aufwickelgeschwindigkeit von 5.040 m/min. Diese erhöhte Aufwickelgeschwindigkeit hat bei Produktion des eingangs angegebenen Fadentiters eine Erhöhung der Fördermenge an der Förderpumpe 9 auf 84 g/min zur Voraussetzung. Die Produktivität der Anlage kann daher durch die einfache Maßnahme der Anstrahlung der Düse um 5% gesteigert werden.
Wie das Diagramm nach 23 zeigt, hängt das Ausmaß der Produktivitätssteigerung zum einen von der Anstrahlungstemperatur, zum anderen vom Fadentiter ab. Bei größeren Fadentitern ist der Effekt geringer bzw. wird die Anstrahlungstemperatur höher zu wählen sein. Der Zusammenhang ist im Einzelfall durch Versuch festzustellen.
Die Vorgehensweise bei dem Verfahren nach 2, 3 ist wie folgt:
Hergestellt werden soll z. B. ein texturierter Faden 55 f 109, also ein Faden von 55 den und 109 Einzelfilamenten. Das bedeutet, das jeder Faden einen Einzeltiter von 0,5 DPF (den pro Filament) hat. Die Verstreckung wird mit 1,6 als optimal für den Streck-Texturierprozeß ermittelt. Diese Verstreckung erlaubt eine gute Kräuselung und einen sicheren Texturierprozeß ohne Filamentbrüche. Dieses Verstreckungsverhältnis bedeutet, daß ein vororientierter Faden auf Spule 33 vorzulegen ist, der einen Titer von 88 den bei 109 Filamenten hat. Um einen solchen Faden so vorzuorientieren, das das Verstreckverhältnis mit 1,6 eingehalten werden kann, muß eine 1/2 bis 1/3 höhere Reißdehnung eingestellt werden. Bei einem Verstreckverhältnis von 1,6 muß die Reißdehnung ca. 220% betragen. Aus dem Diagramm nach 22 bzw. der Tabelle (24) ergibt sich hierfür eine Abzugsgeschwindigkeit von 2.600 m/min, die in dem Verfahren nach 2 durch Abzugsgaletten 16 eingestellt wird. Um eine vororientierten Faden von 88 den bei 2.600 m/min Abzugsgeschwindigkeit zu erzeugen, muß die Fördermenge an der Pumpe auf 25,5 g/min für jede Spinnstelle eingestellt werden. Eine Erhöhung der Fördermenge ist nicht möglich, da anderenfalls auch die Abzugsgeschwindigkeit und damit auch die Verstreckbarkeit geändert wird. Die Verstreckbarkeit, die vom Texturierer vorgegeben wird, begrenzt also die Produktivität des Erzeugers des vororientierten Fadens.
Anders, wenn ein Kühlrohr nach 6 bzw. 7 eingesetzt wird. Bei gleicher Verstreckbarkeit läßt sich durch Anstrahlen der Düse bei etwa 550° Temperatur des Elements eine Erhöhung der Abzugsgeschwindigkeit um 20%, also auf 3.360 m/min erreichen. Die Fördermenge ist dementsprechend zu steigern auf 32,9 g/min. Dadurch ergibt sich bei ansonsten gleicher Maschinenauslegung eine Produktivitätssteigerung von über 20%.
Alternativ soll ein texturierter Faden 55 f 109 hergestellt werden. Dabei soll jedoch in der Aufwickelzone die Abzugsgeschwindigkeit und Aufspulgeschwindigkeit von 3.000 m/min nicht überschritten werden. Grund für solche Limitierungen sind zuweilen Prozeßschwierigkeiten bei empfindlichen Garnen. Solche Schwierigkeiten können aber auch durch die maschinelle Auslegung der Aufwickelmaschine, deren Höchstgeschwindigkeit begrenzt ist, bedingt sein.
Wie sich aus der Tabelle der 24 bzw. dem Diagramm nach 22 ergibt, hat dieser Faden eine Reißdehnung von 96%. Daher liegt das in der Verstreckzone zu wählende Verstreckverhältnis bei etwa 2/3 der Bruchlänge von 196%. Gewählt wird ein Verstreckverhältnis von 1,3 : 1. Daraus ergibt sich, daß der Titer des vororientierten Fadens, der dem Streck-Texturierprozeß vorgelegt wird, 55 dtex × 1,3 = 71,5 den betragen muß. Hieraus wiederum folgt, daß dieser Faden in der Spinnzone mit einer Fördermenge von 71,5 g/9.000 m × 3.000 m/min = 23,8 g/min für jede Spinnstelle ist.
Wenn nun wiederum ein Kühlrohr nach 6 bzw. 7 eingesetzt und das erste Element mit einer Temperatur von 550°C beheizt wird, so ergibt sich bei der Abzugsgeschwindigkeit von 3.000 m/min eine 20% erhöhte Reißdehnung von 96% × 120% = 115%, mithin eine Bruchlänge von 2,15%. Damit kann in der nachfolgenden Verstreckstufe das Verstreckverhältnis bei ca. 2/3 dieses Wertes, d. h.: mit 1,45 eingestellt werden. Das wiederum bedeutet, daß zur Erzeugung eines Endtiters von 55 den ein vororientiertes Garn mit einem Titer von 55 × 1,45 = 79 den vorgelegt werden muß. Um bei einer Abzugsgeschwindigkeit von 3.000 m/min einen Faden von 79 den zu erzeugen, muß die Fördermenge pro Spinnstelle auf 26,3 g/min eingestellt werden. Die Produktivität in der Spinnstufe konnte damit um 26,3 – 23,8/23/8 = 10% gesteigert werden.
Es sei bemerkt, daß die Einzelwerte, die der vorgehenden Berechnung und den vorgehenden Beispielen zugrunde liegen, für ein bestimmtes Polymer (Polyester) ermittelt worden ist. Für die Einzelwerte können sich, in Abhängigkeit von der Provenienz und der Art des eingesetzten Polymers, Abweichungen ergeben, die durch Versuch zu ermitteln sind. Dies gilt zum einen für die ermittelten Reißdehnungen, für die Abhängigkeit des Verstreckverhältnisses von der ermittelten Reißdehnung, für den Zusammenhang zwischen der Strahlungstemperatur und der Steigerung der Reißdehnung und ebenso für die titerbezogene Produktivitätssteigerung.
Die Besonderheit liegt also darin, daß die Schmelze in der Düsenplatte beheizt wird. Hierzu wird die Düsenplatte beheizt, und zwar zusätzlich zu der Wärmezufuhr, die aus der Schmelze und von dem umgebenden Spinntopf und dem umgebenden Spinnkasten erfolgt. Vorzugsweise wird die Temperatur der Düsenplatte um mindestens 5°C bis zu 40°C erhöht. Bei den Versuchen haben sich vorteilhafte Erhöhungen der Temperatur um 8 bis 20°C ergeben. Auszugehen ist stets von der Temperatur, die den beheizten Spinnkasten ergibt. Bei – normalerweise – relativ niedriger Temperatur der Düsenplatte muß die Aufheizung durch zusätzliche Wärmezufuhr entsprechend größer sein.
Es werden nicht nur die Wärmestrahlungsverluste auf der Unterseite der Spinnplatte ausgeglichen, sondern es erfolgt auch eine zusätzliche Temperaturerhöhung. Während bei einem herkömmlichen Verfahren an der Unterseite der Spinndüse Temperaturen von ca. 290° gemessen wurden, ergab sich bei einer Anstrahlung mit einem Strahler von 550°C eine Temperaturerhöhung von 310°C.

1: Faden
2: Fülleinrichtung
3: Extruder
4: Motor
5: Heizeinrichtung
6: Schmelzeleitung
7: Druckfühler
8: Motorsteuerung
9: Pumpe
10: Spinnkopf
11: Spinndüsenplatte
12: Filamente
13: Präparationswalze
14: Kühlschacht
15: Anblasung
16: Abzugsgalette, Überlaufrolle
18: Antriebsmotor
19: Streckgalette
20: Überlaufrolle
21: Antriebsmotor
22: Frequenzgeber
23: Frequenzgeber, Streckverhältnissteuerung
24: Abzugssteuerung
25: Kopffadenführer
26: Changierdreieck
27: Changiereinrichtung
28: Kontaktwalze
29: Kontaktwalzenwelle
30: ferromagnetische Einlage
31: Impulsgeber
33: Spule
34: Spindel
35: Spulhülse
36: Antriebsmotor
37: Spindelsteuerung
38: Fadenführer
39: Eingangslieferwerk
43: Heizungssteuerung
44: Pumpenmotor
45: Pumpensteuerung
46: Heizer
47: Kühlschiene
48: Falschdraller
49: Extrudersteuerung
50: Ausgangslieferwerk
51: Kühlsteuerung
52: Aufwickelspule, Texturierspule
53: Düsentopf
54: Spinnkasten
55: Isolierung
56: Ring, Strahlungsheizkörper
57: Heizband, Widerstandsheizer
58: Innenfläche
59: Zuleitung
60: Fadenführer
61: Tangeldüse
62: Spulkopf
63: Element
64: Abstandshalter
65: Öffnung (ringförmiger Gaskanal)
67: Stange
68: beheiztes Element
69: Widerstandsheizung
70: Anschlußleitung
73: Mittelebene
74: Spinnrichtung
75: Druckkasten
76: Luftzufuhr
77: Verschlußplatten
78: Ringachse

Claims

Kühlrohr zum Kühlen von synthetischen Filamenten, welches in einer Spinnvorrichtung senkrecht unterhalb der Spinndüse angeordnet ist und dessen Wandung radial gerichtete Öffnungen für ein Kühlgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des Kühlrohrs aus übereinander angeordneten ringförmigen Elementen (63) gebildet ist, welche Elemente (63) derart mit Abstand übereinander angeordnet sind, daß die beiden einander zugewandten Begrenzungsflächen benachbarter Elemente (63) die radial gerichteten Öffnungen in Form von ringförmigen Gaskanälen (65) bilden.
Kühlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (63) kreisringförmig sind.
Kühlrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene (73) der ringförmigen Gaskanäle (65) in jeweils einer horizontalen Ringebene liegen.
Kühlrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebene (73) der ringförmigen Gaskanäle (65) auf einer Kegelmantelfläche liegen.
Kühlrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze der Kegelmantelfläche gegen die Spinnrichtung (74) der Filamente gerichtet ist.
Kühlrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelspitze der Kegelmantelflächen in die Spinnrichtung (74) der Filamente gerichtet ist.
Kühlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander zugewandten Begrenzungsflächen benachbarter Elemente (63) – im Axialschnitt der Elemente (63) – konvex gewölbt sind.
Kühlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden einander zugewandten Begrenzungsflächen benachbarter Elemente (63) so geformt sind, daß zwischen ihnen ein ringförmiger Gaskanal (65) mit in radialer Richtung sich ändernder axialer Weite entsteht.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (63) in ihrem Axialschnitt tropfenförmig ausgebildet sind und sich in Strömungsrichtung des Kühlgases verjüngen.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (14) einen Druckbehälter (75) in senkrechter Richtung durchdringt, und daß der Druckbehälter (75) an einer Druckluftquelle angeschlossen ist.
Kühlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (14) auf seinem Außenumfang mit Raumluft beaufschlagt ist.
Kühlrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Innere des Kühlrohrs (14) an eine Druckluftquelle angeschlossen und mit Überdruck beaufschlagt ist und daß die Spinndüsen einer Spinndüsenplatte (11) auf einem oder mehreren Kreisen liegen, welche einen größeren Durchmesser als den Außendurchmesser des Kühlrohres (14) haben und dazu konzentrisch angeordnet sind.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elementen (63) durch Abstandhalter (64) hergestellt wird, welche als Einzelteile zwischen benachbarte Elemente (63) gelegt oder an einem der benachbarten Elemente (63) in Achsrichtung angeformt ist.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (63) in Längsführungen verschiebbar gelagert sind, welche parallel zur Ringachse (78) ausgerichtet sind.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (63) in der Ringebene und/oder senkrecht dazu unterschiedliche Größen und/oder Querschnitte aufweisen.
Kühlrohr nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaß-Querschnitt der Elemente (63) in ihrer jeweiligen Ringebene in Spinnrichtung zunimmt.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Element (68) im Bereich des Eintrittsquerschnittes, vorzugsweise das der Spinndüsenplatte (11) benachbarte Element (68) beheizt ist.
Kühlrohr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das beheizte Element (68) durch einen elektrischen Widerstandsheizer (69) beheizt ist, der in Form eines ringförmigen Drahtes oder Stabes in das Element (68) eingeformt oder an das Element (68) angelegt ist.
Kühlrohr nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das beheizte Element (68) selbst als Widerstandsheizer ausgebildet ist.
Kühlrohr nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das beheizte Element (68) eine Abstrahlungsfläche aufweist, welche gegen die Unterseite der runden Spinndüsenplatte (11) gerichtet ist, wobei die Abstrahlungsfläche eine zur Spinndüsenplatte (11) konzentrische Kegelachse oder Torusachse aufweist.
Kühlrohr nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlrohr (14) zum Spinnen von Filamenten mit einem Einzeltiter von 0,5–2 decitex pro Filament zwischen 540 und 1650 mm lang ist, vorzugsweise zwischen 540 und 770 mm, vorzugsweise zwischen 600 und 700 mm.