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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schmelzspinnen und Kühlen einer Filamentschar gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein mittels einer solchen Vorrichtung ausführbaren Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
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Beim Schmelzspinnen von synthetischen Fasersträngen oder Fäden wird eine Vielzahl von feinen strangförmigen Filamenten durch Düsenbohrungen einer Spinndüse extrudiert. Hierzu wird der Spinndüse ein aufgeschmolzenes Polymer unter hohem Druck zugeführt. Zur Bildung eines Faserstranges oder mehrerer Fäden wird die Vielzahl der strangförmigen Filamente in ihrer Gesamtheit oder bündelweise zusammengefasst. Vor dem Zusammenfassen werden die Filamente durch einen Kühlluftstrom abgekühlt, so dass sich der schmelzeflüssige Zustand der Filamente nach dem Austritt aus der Düsenbohrung in einen verfestigten Zustand umwandelt. Für die Qualität des Faserstranges bzw. der Fäden ist die Gleichmäßigkeit der Abkühlung aller Filamente von großer Bedeutung. Zur Abkühlung einer sehr großen Anzahl von Filamenten werden bekannte Verfahren und Vorrichtungen eingesetzt, bei welchem die Vielzahl der Filamente durch eine Ringspinndüse zu einem ringförmigen Filamentvorhang extrudiert wird und bei welchem innerhalb des Filamentvorhangs ein radial von innen nach außen durch eine als Blaskerze ausgeführte Luftkerze erzeugter Kühlluftstrom die Abkühlung der Filamentschar bewirkt. Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
EP1467005A1 bekannt. Der Kühlluftstrom zu Abkühlung der Filamentschar wird durch eine Blaskerze erzeugt, die einen porösen Außen-Zylinder aufweist, so dass über den gesamten Umfang der Blaskerze ein gleichmäßiger Kühlluftstrom radial austritt und den Filamentvorhang zur Kühlung der Filamente durchdringt.
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Um den Tendenzen zu höheren Produktionsgeschwindigkeiten und größeren Produktionsleistungen folgen zu können, werden große Anzahlen von Filamenten mittels Spinndüsen extrudiert, die über eine sehr hohe Anzahl und Dichte von Düsenbohrungen verfügen, so dass die Filamentschar mit relativ hoher Dichte in dem Filamentvorhang geführt sind. In derartigen Fällen wird bei dem bekannten Verfahren und der bekannten Vorrichtung der Kühlluftstrom beim Durchtreten durch den Filamentvorhang von innen nach außen erwärmt. Dieser Effekt führt dazu, dass die äußeren Filamente des Filamentvorhanges nicht in dem Maße abgekühlt werden, wie die inneren Filamente des Filamentvorhangs. Diese Unterschiede in der Abkühlung wirken sich jedoch sehr nachteilig auf die Qualität des Faserstranges oder der Fäden aus. Neben einer gleichmäßigen Abkühlung der Filamente bei hohen Produktionsleistungen wird auch der Platzbedarf der gesamten Anlage immer wichtiger. Je größer der Platzbedarf ist, umso mehr Mittel müssen für die Produktionshalle bereitgestellt werden. In der
EP1467005A1 ist zusätzlich zur Kühlung des Filamentvorhangs von innen eine weitere Kühlung von außen vorgesehen, um für eine große Filamentanzahl eine gleichmäßige Kühlung zu erreichen. Diese zusätzliche Kühleinrichtung vergrößert aber den Platzbedarf pro Spinndüse, und somit auch den Platzbedarf der kompletten Anlage.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren bereitzustellen mit welcher möglichst viele Filamente auf kleinstem Raum ausgesponnen werden können, wobei trotzdem alle Filamente gleichmäßig abgekühlt werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem zusätzlich zu den Filamenten, welche außerhalb einer Luftkerze in Form eines Filamentvorhangs laufen, innerhalb der Luftkerze Filamente in Form eines Filamentbündels geführt werden. So ergibt sich eine hohlzylindrisch ausgebildete Luftkerze. Sowohl der innere Umfang wie auch der äußere Umfang dieser Luftkerze stehen mit den Filamenten in Bezug zu deren Kühlung in Verbindung. Um sowohl die innerhalb der Luftkerze wie auch die außerhalb der Luftkerze laufenden Filamente mit Kühlluft zu beaufschlagen, ist zum einen der Außenumfang und zum anderen der Innenumfang dieser Luftkerze als zumindest teilweise luftdurchlässiger Mantel ausgebildet. Teile der Luftkerze sind somit unter anderem ein perforierter Außen- und ein perforierter Innen-Zylinder. Dabei spielt keine Rolle, ob mittels der Luftkerze die Kühlluft angesaugt oder ausgeblasen wird. Mittels dieser Vorrichtung wird ein hauptsächlich radial zu den Filamenten strömender Kühlluftstrom erzeugt, an welchen alle Filamente gleichmäßig ihre thermische Energie abgeben können. Durch die zusätzlichen Filamente, welche innerhalb der Luftkerze verlaufen, können mehr Filamente auf kleinerem Raum ausgesponnen werden. Bei gleicher Produktionsleistung sinkt der Platzbedarf der gesamten Anlage, so dass die Kosten für die Bereitstellung einer Fabrikhalle sinken. Ebenso sinken die Kosten für den Stahlbau der Anlage und die Kosten für die elektrischen und fluidtechnischen Leitungssysteme.
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Diese hohlzylindrische Luftkerze erfordert eine spezielle Anornung der Düsenbohrungen in der Spinndüseneinrichtung. Die Spinndüseneinrichtung besteht aus einem oder mehreren Schmelzeverteilern und aus einer oder mehreren Spinndüsen. In einem ringförmigen Bereich der Spinndüseneinrichtung, welcher an die Luftkerze angrenzt, sind keine Düsenbohrungen vorhanden. Des Weiteren existiert sowohl innerhalb wie auch außerhalb dieses ringförmigen Bereiches jeweils eine Düsenbohrungszone, in welcher mehrere Düsenbohrungen angeordnet sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Spinndüseneinrichtungen, welche lediglich außerhalb einer Luftkerze Düsenbohrungen aufweisen, ist es möglich mittels der hier vorgeschlagen Anordnung der Düsenbohrungen wesentlich mehr Bohrungen auf gleichem Raum zu platzieren, immer unter der Voraussetzung eine ausreichende Abkühlung erreichen zu können. Die Möglichkeit eine oder mehrere Spinndüsen zu verwenden bietet dem Konstrukteur die Chance die optimale Ausbildung der Vorrichtung in Bezug auf weitere Probleme wie z. B. der Dichtigkeit des Systems zu finden.
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Trotz der unterschiedlichen Art und Weise der Führung der Filamente sollen alle Filamente möglichst gleichmäßig abgekühlt werden. Dazu ist es im Allgemeinen notwendig, dass der Außen-Zylinder und der Innen-Zylinder unterschiedliche Luftwiderstände aufweisen. Diese Luftwiderstände der beiden Zylinder sind dabei so aufeinander abgestimmt, dass eben diese gleichmäßige Kühlung erreicht wird.
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Die Luftkerze weist zumindest einen Anschluss auf, durch welchen die Kühlluft zur Luftkerze zu, oder aus der Luftkerze heraus abgeführt wird.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im inneren der Luftkerze ein Trennzylinder angeordnet. So entstehen ein Außen-Kanal angrenzend an den Außen-Zylinder und ein Innen-Kanal angrenzend an den Innen-Zylinder. Durch diese Trennung wird die gleichmäßige Kühlung von Filamentvorhang und Filamentbündel erleichtert, weil sich die Kühlluft des Filamentvorhangs und die des Filamentbündels in der Luftkerze nicht vermischen.
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Durch diese Trennung innerhalb der Luftkerze wird eine getrennte Beeinflussung der Strömung im Außen-Kanal und im Innen-Kanal möglich. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dazu jedem Kanal zumindest ein Luftanschluss zugeordnet. So kann in jedem Kanal ein anderer Strömungszustand eingestellt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform wird diese Einstellung unterschiedlicher Strömungszustände durch entsprechende Mittel zur Strömungsbeeinflussung umgesetzt. Dem Innen-Kanal und dem Außen-Kanal ist dazu jeweils eine, unter Umständen einstellbare Drossel zugeordnet. In diesem Fall würde ein einzelner Luftanschluss für die Luftkerze ausreichen, wobei trotzdem unterschiedliche Zustände im Außen- und im Innen-Kanal herrschen bzw. eingestellt werden können. Diese Drosseln können des Weiteren eine Funktion der Strömungsgleichrichtung erfüllen.
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Mittels der oben dargestellten Vorrichtungsmerkmale ist es möglich ein Verfahren auszuführen, mittels welchem alle Filamente, welche aus einer Spinndüseneinrichtung ausgesponnen werden, gleichmäßig abgekühlt werden. Dabei sind in der Spinndüseneinrichtung besonders viele Düsenbohrungen auf kleinstem Raum angeordnet. Die gleichmäßige Abkühlung zeigt sich z. B. in einem Stapelfaserprozess dadurch, dass alle erzeugten Stapelfasern bezüglich ihrer Eigenschaften in den gewünschten Toleranzbereichen liegen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand einiger Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Bezug auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es stellen dar:
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1 schematisch eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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2 schematisch eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Linie A-A
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3 schematisch eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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4 schematisch eine Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang der Linie A-A
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5 schematisch eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Es werden in allen Figuren die gleichen Bezugszeichen verwendet. In 1 ist eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt.
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Die Vorrichtung besteht aus einer Spinneinrichtung 1 und einer unterhalb der Spinneinrichtung 1 angeordneten Kühleinrichtung 11. Die Spinneinrichtung 1 weist an einer Unterseite eine Spinndüseneinrichtung auf, welche aus einem Schmelzeverteiler 4 und einer Spinndüse 5 besteht. Diese Spinndüse 5 ist an der Unterseite der Spinndüseneinrichtung angeordnet und verfügt über eine Vielzahl von Düsenbohrungen 6. Diese Düsenbohrungen 6 sind in zwei Düsenbohrungszonen angeordnet, wobei eine erste Zone durch einen außen angeordneten Ring von Düsenbohrungen 6 gebildet wird und eine zweite Zone innerhalb der ersten Zone durch eine kreisförmige Anordnung von Düsenbohrungen 6 gebildet wird. Die Spinndüse 5 ist über den Schmelzeverteiler 4 mit einer Spinnpumpe 2 verbunden. Die Spinnpumpe 2 ist über eine Schmelzezufuhr 3 mit einem Schmelzeerzeuger (hier nicht dargestellt), vorzugsweise mit einem Extruder oder einer Polykondensation verbunden. Die Spinnpumpe 2, der Schmelzeverteiler 4 und die Spinndüse 5 sind beheizt. Hierzu werden in der Regel so genannte Spinnbalken eingesetzt, an denen mehrere Spinndüsen z. B. in einer Reihe nebeneinander gehalten sind.
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Die Kühleinrichtung 11 unterhalb der Spinneinrichtung 1 weist eine Luftkerze 12 und den dazu zugehörigen Luftkanal 20 auf. Die Luftkerze 12 besitzt einen porösen Außen-Zylinder 13 und einen porösen Innen-Zylinder 14, welche beispielsweise aus einem Vlies, Schaumstoff, Siebgewebe oder einem Sintermaterial hergestellt sein können.
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Am freien Ende grenzt die Luftkerze 12 an die Spinndüse 5 an. Die Luftkerze 12 ist konzentrisch zu der Spinndüse 5 gehalten, so dass die Luftkerze 12 von einen Filamentvorhang 9 umhüllt ist, und so dass die Luftkerze 12 ein Filamentbündel 10 umschließt. Eine aus der Spinndüse 5 extrudierte Filamentschar 7 besteht aus eben diesem Filamentvorhang 9 und diesem Filamentbündel 10, wobei jeweils eine Düsenbohrungszone zur Extrusion von Filamentvorhang 9 und Filamentbündel 10 in der Spinndüse 5 vorhanden ist.
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Zur Kühlluftversorgung der Luftkerze 12 ist ein Luftkanal 20 an die Luftkerze 12 angeschlossen. Dieser Luftkanal 20 steht mit einem Gebläse 21.1 in Verbindung, durch welches der Luftkerze 12 entweder Kühlluft zugeführt, oder durch welches Kühlluft aus der Luftkerze 12 abgeführt wird. Im Betriebszustand wird ein aufgeschmolzenes Polymer über die Spinnpumpe 2 unter hohem Druck über den Schmelzeverteiler 4 der Spinndüse 5 zugeführt. Innerhalb der Spinndüse 5 wird die Polymerschmelze durch die auf der Unterseite ausgebildete Vielzahl von Düsenbohrungen 6 gedrückt, so dass eine Vielzahl von strangförmigen Filamenten 8 entsteht. Die extrudierte Filamentschar 7 bildet einen ringförmigen Filamentvorhang 9 und ein kreisförmiges Filamentbündel 10, welche gleichmäßig von der Spinndüse 5 durch ein hier nicht dargestelltes Abzugswerk abgezogen werden. Zur Abkühlung der frisch extrudierten Filamentschar 7 wird ein Kühlmedium vorzugsweise eine Kühlluft über den Luftkanal 20 der Luftkerze 12 zugeführt und in den Raum innerhalb der Luftkerze 12, welcher sich zwischen dem Außen-Zylinder 13 und dem Innen-Zylinder 14 befindet weitergeleitet. Nun tritt das Kühlmedium gleichmäßig über den Außen-Zylinder 13 der Luftkerze 12 nach außen und gleichmäßig über den Innen-Zylinder 14 nach innen aus. Am inneren und am äußeren Umfang Luftkerze 12 entsteht eine radiale Austrittsströmung, die einen Kühlluftstrom in Richtung der Filamentschar 7 führt. Der Kühlluftstrom dringt in die Filamentschar 7 ein und nimmt dabei Wärme von Filamenten 8 der Filamentschar 7 auf, so dass sich die noch flüssigen Filamente 8 allmählich verfestigen. Alternativ könnte das Kühlmedium mittels des Gebläses 21.1 auch aus der Luftkerze 12 abgeführt werden. In diesem Fall wird Umgebungsluft aus der Umgebung angesaugt. Diese Umgebungsluft dient als Kühlluft indem sie zunächst die Filamentschar 7 durchdringt, wobei die Filamente 8 ihre Wärme an die Kühlluft abgeben. Im Folgenden strömt die Kühlluft über den Außen-Zylinder 13 und den Innen-Zylinder 14 in die Luftkerze 12 ein. Über den Luftkanal 20 verlässt die Kühlluft die Luftkerze 12 wieder.
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Die Materialien des Außen-Zylinder 13 und des Innen-Zylinder 14 werden so aufeinander abgestimmt, dass optimale und vorzugsweise gleichmäßige Abkühlbedingungen für den Filamentvorhang 9 und das Filamentbündel 10 entstehen. Dazu könnten zum Beispiel zwei unterschiedliche Vliese mit unterschiedlichen Luftwiderständen verwendet werden.
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Die hier dargestellte konstruktive Ausführung der Spinndüse ist lediglich beispielhaft. So könnten die beiden Düsenbohrungszonen ebenfalls durch zwei unterschiedliche Spinndüsen 5 gebildet werden. Auch eine einzelne Düsenbohrungszone kann aus mehreren Spinndüsen bestehen. Zur Extrusion der Kunststoffschmelze zu einem äußeren Filamentvorhang 9 könnten beispielsweise mehrere kreisförmige Spinndüsen zu einem Ring angeordnet seien. Auch die Düsenbohrungen 6 aus welchen das Filamentbündel 10 extrudiert wird, könnten sich auf mehrere Spinndüsen verteilen. Zur Versorgung der einen oder mehrerer Spinndüsen 5 könnten des Weiteren ein oder mehrere Schmelzeverteiler 4 und ein oder mehrere Spinnpumpen 2 verwendet werden.
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In 2 ist schematisch eine Schnittansicht des ersten Ausführungsbeipiels aus 1 entlang der Linie A-A dargestellt.
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Hier ist besonders gut die konzentrische Anordnung der Bereiche der Filamentschar 7 und der Luftkerze 12 zu erkennen. Um das Filamentbündel 10 ist der Innen-Zylinder 14 der Luftkerze 12 angeordnet. Um den Innen-Zylinder 14 herum ist der Außen-Zylinder 13 angeordnet. In dem Raum zwischen diesen beiden Zylindern wird die Kühlluft zu- oder abgeführt. Um den Außen-Zylinder 13 sind ringförmig die Filamente 8 des Filamentvorhangs 9 angeordnet. Die Kühlluft strömt, wie durch die Pfeile angedeutet, hauptsächlich radial durch die Filamentschar 7. Herrscht in der Luftkerze 12 ein Überdruck, so strömt die Kühlluft radial nach außen durch den Filamentvorhang 9 und radial nach innen durch das Filamentbündel 10, in Richtung der ausgefüllten Pfeilspitzen. Wird an die Luftkerze 12 ein Unterdruck angelegt, so strömt die Kühlluft radial nach innen durch den Filamentvorhang 9 und radial nach außen durch das Filamentbündel 10, in Richtung der gestrichelten Pfeilspitzen.
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In dieser Ansicht wird deutlich, wie auf kleinstem Raum möglichst viele Filamente 8 ausgesponnen und abgekühlt werden können.
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In 3 ist eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Viele Elemente entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels aus 1, weswegen hier nur auf die Änderungen eingegangen wird.
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Zwischen dem Außen-Zylinder 13 und dem Innen-Zylinder 14 ist hier ein Trenn-Zylinder 15 angeordnet, so dass ein dem Außen-Zylinder 13 zugeordneter Außen-Kanal 16 und ein dem Innen-Zylinder 14 zugeordneter Innen-Kanal 17 entsteht. So werden die Möglichkeiten zur Abstimmung der Kühlluftströme durch das Filamentbündel 10 und den Filamentvorhang 9 erweitert. Dazu werden dem Außen-Kanal 16 und dem Innen-Kanal 17 separate Mittel zur Strömungsbeeinflussung zugeordnet. Am Übergang zwischen Luftkanal 20 und Innen-Kanal 17 ist eine Innen-Drossel 19 angeordnet. Am Übergang zwischen Luftkanal 20 und Außen-Kanal 16 ist eine Außen-Drossel 18 angeordnet. Die Innen-Drossel 19 und die Außen-Drossel 18 können in Bezug auf Ihren Strömungswiderstand optional einstellbar sein. Diese beiden Drosseln können des Weiteren derart beschaffen sein, dass sie der Strömungsgleichrichtung dienen. Wie im ersten Ausführungsbeispiel aus 1 kann das Gebläse 21.1 entweder dazu dienen Kühlluft der Luftkerze 12 zuzuführen oder Kühlluft aus der Luftkerze 12 abzuführen.
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In 4 ist schematisch eine Schnittansicht des zweiten Ausführungsbeispiels aus 3 entlang der Linie A-A dargestellt. Hier wird nur auf die Änderungen zum ersten Ausführungsbeispiel aus 2 eingegangen, da alle weiteren Elemente gleich sind. In dieser Ansicht unterscheiden sich die beiden Ausführungsbeispiele nur durch den Trenn-Zylinder 15, welcher den Raum zwischen Außen-Zylinder 13 und Innen-Zylinder 14 in den Außen-Kanal 16 und den Innen-Kanal 17 unterteilt.
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5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dieses ist bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede identisch aufbaut wie das zweite Ausführungsbeispiel aus 3. Die Außen-Drossel 18 und die Innen-Drossel 19 fehlen in diesem Ausführungsbeispiel. Dafür erhalten der Außen-Kanal 16 und der Innen-Kanal 17 jeweils eine separate Luftzu- bzw. Luftabfuhr. Dazu ist der Luftkanal 20 durch entsprechende Trennmittel unterteilt. Dem Außen-Kanal 16 ist so ein Gebläse 21.1 zugeordnet, dem Innen-Kanal 17 ein weiteres Gebläse 21.2. Auch auf diese Weise können die Kühlluftströme für das Filamentbündel 10 und den Filamentvorhang 9 separat voneinander eingestellt werden. Diese Variante mit zwei Gebläsen bietet vielfältige Möglichkeiten der Kühlluftführung. So können sowohl der Innen-Kanal 17 wie auch der Außen-Kanal 16 beide mit Überdruck oder beide mit Unterdruck beaufschlagt werden. Des Weiteren ist eine wechselseitige Ansteuerung möglich. So kann der Außen-Kanal 16 besaugt und der Innen-Kanal 17 mit Überdruck beaufschlagt werden oder umgekehrt.
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Mittels der oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist eine besonders wirtschaftliche Produktion von Stapelfasern möglich. Zur Herstellung solcher Stapelfasern werden die Filamente nach der Abkühlung zunächst verstreckt im Anschluss gekräuselt und zuletzt geschnitten. Solche Polymerfasern dienen z. B. in der Textilindustrie als Ersatz von Baumwollfasern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1467005 A1 [0002, 0003]
