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Die Erfindung betrifft eine Düseneinrichtung zur Herstellung eines Wirrfasererzeugnisses.
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Aus
WO 92/07121 ist eine Meltblow-Düseneinrichtung bekannt, welche eine Schmelzedüse mit einer Ausgabespitze aufweist, welche zwei einen Winkel einschließende Flächen aufweist, die sich in einem streifenförmigen Flächenabschnitt treffen. Der streifenförmige Flächenabschnitt weist eine Vielzahl von Öffnungen auf, die Mündungen von Schmelzekanälen bilden, welche sich durch die Ausgabespitze erstrecken. Die Schmelzekanäle können mit einem Polymer in einem fließfähigen Zustand beaufschlagt werden, um das Polymer aus den Öffnungen auszustoßen. An der Schmelzedüse sind Platten angebracht, welche mit der Ausgabespitze der Schmelzedüse schlitzförmige Luftausgabekanäle bilden, die den Schmelzekanälen zugeordnet sind, um Luft zu jeder Seite der Reihe von Öffnungen im Wesentlichen in der Form von konvergierenden Luftblättern oder -schneiden auszugeben. Diese Art Meltblow-Düsen (auch Exxon-Prinzip genannt) ist relativ einfach zu fertigen. Allerdings lassen sich Schmelzekanäle nur mit einem Länge-zu--Durchmesser-Verhältnis (L/D) von maximal 20, in der Regel <15 bohren, so dass die Ausbildung von feinsten Fasern begrenzt ist.
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Aus
US 6 833 104 B2 ist eine Düseneinrichtung bekannt, mittels welcher sehr feine Polymerfasern erzeugt werden können. Die Düse wird durch Verbinden dünner Platten hergestellt, in die die Schmelzekanäle durch Ätzen eingebracht werden. Diese Fertigungstechnik erlaubt sehr lange Schmelzekanäle und die Düse widersteht hohen Drücken. Jedoch ist das Fertigungsverfahren sehr teuer. Außerdem können solche Düsen bauartbedingt nicht in bestehenden Standardspinnköpfen eingesetzt werden.
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US 2005/0056956 A1 offenbart eine Düseneinrichtung mit einer Düsenplatte, welche einen Hohlraum zum Beaufschlagen mit Gas begrenzt. Durch den Hohlraum erstrecken sich Schmelzedüsen, welche mit Polymerschmelze gespeist werden können. Die Schmelzedüsen erstrecken sich durch eine Gasverteilungsplatte, eine Öffnung eines Abstandshalters sowie durch Aufnahmeöffnungen einer Abschlussplatte. Die Aufnahmeöffnungen bilden Gasausstoßöffnungen, wobei eine Gasausstoßöffnung je einer Schmelzedüse zugeordnet ist. Die Schmelzedüse ist in der Gasausstoßöffnung derart angeordnet, dass Gas um die Schmelzedüse herum zwischen der Schmelzedüse und dem Rand der Gasausstoßöffnung ausgestoßen werden kann, so dass das Gas das Ende der Schmelzedüse und die aus der Schmelzedüse ausgestoßene Polymerschmelze mantelartig umgibt. Die Baugröße der einzelnen Schmelzedüsen mit jeweils zugeordneten Gasauslassöffnungen erfordert eine Anordnung der Schmelzedüsen auf relativ großer Fläche, um auf eine ausreichende Düsenanzahl zu kommen. Dies wiederum erschwert die homogene Schmelzeverteilung und Gasverteilung im Vergleich zu Meltblow-Düseneinrichtungen mit auf einer Linie angeordneten Schmelzedüsen.
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Neben der Schmelzedurchsatzrate ist die Anzahl der Schmelzekanäle der entscheidende Faktor in Bezug auf die Produktivität und somit sehr wichtig für die Wirtschaftlichkeit einer Meltblow-Anlage. Industriell eingesetzte Düsen umfassen Kapillarbohrungen in einer Anzahl von 30 bis 50 Löchern pro Zoll (HPI). Die Düsen müssen aus einem hochlegierten Werkzeugstahl gefertigt sein, welcher starken Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum standhält. Die Schmelzedurchsatzrate hängt von dem Druck ab, mit welchem die Schmelze beaufschlagt wird, um diese aus der Düse zu drücken. Materialbedingt und Konstruktionsbedingt sind hier Grenzen gesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein verbessertes Konzept für eine Meltblow-Düseneinrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird mit einer Düseneinrichtung nach Anspruch 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung einer Düseneinrichtung nach Anspruch 11 gelöst:
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Die erfindungsgemäße Düseneinrichtung zur Herstellung eines Wirrfasererzeugnisses bzw. Meltblow-Düseneinrichtung weist eine Schmelzedüse mit einer Anordnung von mehreren Schmelzekanälen auf und einen Gaskanal mit einer Mündung auf, welche mehreren Schmelzekanälen der Anordnung zugeordnet ist. Die Düseneinrichtung kann mehrere Gaskanäle aufweisen, deren Mündungen jeweils mehreren Schmelzekanälen der Anordnung zugeordnet sind. Der Gaskanal ist dazu eingerichtet, einen Gasausstoß zu erzeugen, welcher die aus den Mündungen der Schmelzekanäle ausgestoßene Schmelze erfasst. Die erfindungsgemäße Schmelzedüse weist zur Bildung der Schmelzekanäle eine Anordnung von Kapillarrohren auf. Insbesondere können die Mündungen der Schmelzekanäle von je einem Kapillarrohr gebildet sein. Der oder die Gaskanäle sind vorzugsweise spaltförmig. Die Mündung oder die Mündungen des oder der Gaskanäle erstrecken sich vorzugsweise entlang der Anordnung von Kapillarrohren, welche insbesondere eine Reihe oder mehrere (wenigstens zwei) Reihen von Kapillarrohren sein kann. Eine Mündung kann wenigstens einer Reihe von Schmelzekanälen zugeordnet sein.
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Wenn, wie erfindungsgemäß, die Schmelzekanäle von Kapillarrohren gebildet sind, können Schmelzekanäle gebildet werden, welche ein großes Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis aufweisen. Damit kann die Düseneinrichtung bei vorgegebenem Durchmesser der Schmelzekanäle mit einer relativ großen Wandstärke benachbart zu den Schmelzekanälen ausgebildet sein. Insbesondere kann der Aufnahmekanal in der Schmelzedüse zur Aufnahme einer oder mehrerer Kapillarrohre eine große Länge aufweisen, was die Schmelzedüse sehr stabil sein lässt. Dies wiederum erlaubt, die Schmelzekanäle mit einem relativ großen Schmelzedruck zu beaufschlagen, was wiederum zu einer hohen Schmelzedurchsatzrate führt. Insgesamt kann dadurch die Wirtschaftlichkeit und Produktivität gegenüber bekannten Düseneinrichtungen erhöht werden, bei denen eine Anordnung von mehreren Schmelzekanälen einem Gaskanal zugeordnet ist. Die Erfindung ermöglicht zudem extrem feine Fasern herzustellen. Bislang war die Feinheit dadurch begrenzt, dass die Bohrungen, welche die Schmelzausstoßkanäle bilden, herstellungsbedingt keine entsprechend feinen Durchmesser aufweisen konnten. Denn aufgrund der mittels Bohrungen maximal erzeugbaren Länge-zu-Durchmesser-Verhältnisse hätte bislang ein noch feinerer Bohrungsdurchmesser zu einer entsprechend noch geringeren Länge der Schmelzekanäle geführt und dadurch bedingt zu einer geringeren Wandstärke, um die Schmelzausstoßöffnungen herum. Dies wiederum hätte möglicherweise eine Reduzierung des Drucks erforderlich gemacht, mit welchem die Schmelzekanäle beaufschlagt werden. Mit der Erfindung können bislang bestehende technische Grenzen überwunden werden. Mit den erfindungsgemäß möglichen langen Schmelzeausstoßkanälen können sehr feine Fasern mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Produktivität erzeugt werden.
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Weitere vorteilhafte optionale Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung.
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Die Düseneinrichtung ist vorzugsweise für eine Druckbeaufschlagung zur Ausgabe der Schmelze von 60 bar oder mehr, bevorzugt sogar 100 bar oder mehr, ausgelegt. Insbesondere ist vorzugsweise die Wandstärke der Schmelzedüse an den Schmelzekanälen derart groß, dass diese mit einem entsprechenden Druck beaufschlagt werden können.
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Die Kapillarrohre können in einer oder mehreren Aufnahmekanälen angeordnet sein. Der eine oder die mehreren Aufnahmekanäle sind um das Kapillarrohr oder die Kapillarrohre herum, welche der Aufnahmekanal enthält, bevorzugt geschlossen. Der eine oder die mehreren Aufnahmekanäle können beispielsweise um das Kapillarrohr oder die Kapillarrohre herum, welche der Aufnahmekanal enthält, geschlossen sein, indem der Aufnahmekanal um das Kapillarrohr oder die Kapillarrohre mit Lot gefüllt ist.
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Es ist beispielsweise möglich, dass je Kapillarrohr ein eigener Aufnahmekanal vorgesehen ist.
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Im Sinne einer besonders hohen Stabilität der Schmelzedüse können der oder die Aufnahmekanäle je eine Länge aufweisen, die wenigstens halb so groß ist, wie die Länge jedes der Kapillarrohre der gefertigten Düseneinrichtung.
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Im Sinne einer hohen Dichte an Schmelzekanälen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mehrere Kapillarrohre in einem Aufnahmekanal angeordnet sind. Der Aufnahmekanal kann spaltförmig sein. Die Kapillarrohre sind in dem Aufnahmekanal mit geringem Abstand voneinander, bevorzugt aber Kapillarrohrwand an Kapillarrohrwand angeordnet.
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Die Kapillarrohre können in dem Aufnahmekanal in einer oder mehreren (mindestens zwei) Reihen angeordnet sein. Mit mehreren Reihen kann eine hohe Liniendichte an Schmelzekanälen erreicht werden, wobei zur Bestimmung der Liniendichte beispielsweise die kombinierte Anzahl an Schmelzekanälen entlang und auf einer gedachten geraden Linie bestimmt werden kann, wobei die Linie senkrecht zur Durchströmungsrichtung eines Schmelzekanals ausgerichtet ist. Die Kapillarrohre einer Reihe können zu den Kapillarrohren einer benachbarten Reihe versetzt angeordnet sein und ein Abschnitt jedes Kapillarrohres einer Reihe kann zwischen in der benachbarten Reihe aufeinanderfolgender Kapillarrohre angeordnet sein, so dass die Kapillarrohre im Sinne einer hohen Dichte an Mündungen eng beieinander angeordnet sind.
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Der Innendurchmesser der Kapillarrohre kann beispielsweise kleiner oder gleich 500 Mikrometer, kleiner oder gleich 400 Mikrometer, kleiner oder gleich 300 Mikrometer oder kleiner oder gleich 200 Mikrometer, insbesondere kleiner oder gleich 100 Mikrometer, beispielsweise 50 Mikrometer, sein.
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Die Verwendung von Kapillarrohren macht es möglich, dass die Schmelzekanäle in Ausführungsformen ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von größer als oder gleich 20 aufweisen. Die Schmelzekanäle können insbesondere ein Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis von größer als oder gleich 35, größer als oder gleich 50 oder größer als oder gleich 60 aufweisen.
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Die Düseneinrichtung kann grundsätzlich nach dem Exxon-Prinzip gestaltet sein. Insbesondere kann die Schmelzedüse eine Schmelzedüse für eine Düseneinrichtung nach dem Exxon-Prinzip sein, wobei jedoch anstelle von Bohrungen Kapillarrohre eingesetzt sind.
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Die Düseneinrichtung kann dazu eingerichtet sein, dass die ein oder mehreren Gasausstoßöffnungen einen blatt- oder schneidenförmigen Gasausstoß ergeben, und zwar unter einem Winkel von größer 0° zur Ausstoßrichtung der Schmelze. Gasausstoßöffnungen können insbesondere konvergierende, beispielsweise blatt- oder schneidenförmige, Gasausstöße erzeugen.
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Die Gasanblasung, insbesondere Luftanblasung, durch den wenigstens einen Gaskanal erfolgt vorzugsweise unter einem Winkel zu der Strömungsrichtung des Schmelzekanals durch dessen Mündung, welcher von Null Grad verschieden ist. Der Winkel kann beispielsweise von einschließlich 25° bis einschließlich 35°, insbesondere etwa 30°, betragen. Wenn die Schmelze, welche durch die Anordnung der Kapillarrohre tritt, von zwei Seiten, durch zwei Luftkanäle mit Luft beaufschlagt wird, ist der Winkel in dem die Luftanblasung erfolgt zu der Strömungsrichtung des Schmelzekanals vorzugsweise von beiden Seiten gleich, z.B. jeweils 30°.
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Die Wände der Schmelzedüse können beispielsweise konvergieren bzw. konvergierende Wandflächen aufweisen, welcher in dem Ausgabeabschnitt bzw. an der Ausgabeseite des Düsenkörpers an der Spitze desselben aufeinander treffen. Die Wandflächen können beispielsweise einen Winkel von zweimal etwa 30°, d.h. etwa 60° einschließen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Düseneinrichtung, wie hierin beschrieben, weist zumindest das Bereitstellen eines Düsenkörpers mit einer oder mehreren Aufnahmekanälen und das Anordnen von Kapillarrohren in dem einen oder den mehreren Aufnahmekanälen auf. Die Aufnahmekanäle werden um die Kapillarrohre vorzugsweise geschlossen. Zur Befestigung der Kapillarrohre in den Aufnahmekanälen kommen insbesondere in Betracht: Presspassung, Schweißen, Kleben, Löten. Die Befestigungsart Löten ist besonders vorteilhaft, da diese die Ausbildung von langen Verbindungen und damit großflächigen Verbindungen zwischen den Kapillarrohren und den Wänden des Aufnahmekanals oder der Aufnahmekanäle erlauben.
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Als besonders vorteilhaft zum Befestigen der Kapillarrohre in dem einen oder den mehreren Aufnahmekanälen hat sich das an sich bekannte Verfahren des Diffusionslötens herausgestellt. Dieses führt zu einer intermetallischen Phase mit einer Schmelztemperatur der Verbindung, welche höher ist als die des Lotes. Dies macht ein Reinigen durch Ausheizen auch bei sehr hohen Temperaturen möglich, bzw. die Temperatur während des Reinigungsprozesses muss weniger genau gesteuert werden.
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Vor dem Einlöten werden die Kapillarrohre vorzugsweise zumindest einseitig verschlossen, bevorzugt beidseitig verschlossen. Die Kapillarrohre können beispielsweise durch Schweißen geschlossen werden, insbesondere Laserschweißen. Dies führt dazu, dass Lot beim Einlöten nicht in die Kapillarrohre laufen kann. Bevorzugt werden die Kapillarrohre gefüllt, um den Eintrag von Verunreinigungen in die Kapillarrohre beim Wiederöffnen der zumindest einseitig oder beidseitig verschlossenen Kapillarrohre zu verhindern.
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Weitere Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, nachfolgender Beschreibung sowie den Figuren. Es zeigen beispielhaft:
- 1 - eine Meltblow-Einrichtung in schematischer, teilgeschnittener Ansicht,
- 2 - eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der Darstellung der Düseneinrichtung gemäß 1 im Bereich der Mündungen der Schmelze- und Gaskanäle,
- 3 - eine noch weiter vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts der Darstellung der Düseneinrichtung gemäß 2,
- 4 - eine Schmelzedüse in einer Draufsicht auf die Ausgabeseite,
- 5 - eine der 3 weitgehend entsprechende Ansicht einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung mit Kapillarrohren in der Schmelzedüse, welche Schmelzekanäle bilden,
- 6 - eine Draufsicht auf eine Ausgabeseite einer Schmelzedüse mit mehreren Kapillarrohren in je einem Aufnahmekanal,
- 7 - eine Draufsicht auf eine Ausgabeseite einer Schmelzedüse mit mehreren Kapillarrohren in einem spaltartigen Aufnahmekanal,
- 8 - eine Draufsicht auf eine Ausgabeseite einer Schmelzedüse mit mehreren Reihen von Kapillarrohren in einem spaltartigen Aufnahmekanal,
- 9a - eine Ausführungsform mit Schmelzekanälen in den Flanken einer Schmelzedüse in einer Schnittansicht,
- 9b - eine stark schematische Draufsicht auf einen Abschnitt der Schmelzedüse gemäß 9a,
- 10 - ein Ablaufschema eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
- 11 - eine ausschnittsweise Schnittansicht durch ein Kapillarrohr mit einem verschlossenen Ende und einem Füllstoff im Innenraum,
- 12 - eine Schnittansicht durch eine Schmelzedüse mit einem darin angeordneten beidenends verschlossenen Kapillarrohr und darin enthaltenem Füllstoff, und
- 13 - eine Schnittansicht durch die Schmelzedüse gemäß 12 nach dem Entfernen des Verschlusses der Enden des Kapillarrohres.
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1 zeigt ein Beispiel einer Meltblow-Einrichtung 10. Die Meltblow-Einrichtung 10 weist ein Ablage 11, einen Extruder 12 zum Aufschmelzen eines Kunststoffs, in der Regel eines Kunststoffgranulats, und eine daran angeschlossene Spinnpumpe 13 zum Zuführen der Schmelze zu einer Düseneinrichtung 14 auf. Die Düseneinrichtung 14 kann beispielsweise einen Schmelzeverteiler, Schmelzefilter und verschiedene Temperatur- und Druckmessfühler aufweisen, ohne dass diese im Detail dargestellt wären. Die Düseneinrichtung 14 weist zudem eine Schmelzedüse 15 und eine Einrichtung 16 mit wenigstens einem bevorzugt wenigstens zwei Kanälen 17, 18 zur Beaufschlagung der ausgestoßenen Schmelze mit Luft aufweisen. Die Schmelzedüse 15 kann einen Abschnitt eines oder mehrerer Kanäle der Einrichtung 16 zur Beaufschlagung mit Luft bilden. In anderen Ausführungsformen sind die Kanäle 17, 18 zur Beaufschlagung mit Luft in einem oder mehreren Körpern angeordnet, welche von der Schmelzedüse 15 gesonderte Körper sind, welche allerdings an der Schmelzedüse 15 befestigt sein können.
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Die in 1 dargestellte Düseneinrichtung 14 gehört zu einer Art Düseneinrichtungen 14, die auf eine Erfindung der Firma Exxon zurückgehen. Diese Art Düseneinrichtungen 14 wird daher häufig als nach dem Exxon-Prinzip arbeitend beschrieben.
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2 zeigt einen Ausschnitt (s. Kasten mit gestrichelten Linien in 1) der Ansicht gemäß 1. 3 zeigt einen Ausschnitt der Ansicht gemäß 2. Wie 2 zeigt, ist die Schmelzedüse 15 im Querschnitt etwa prismenförmig. Die Schmelzedüse 15 weist zwei Wände 19, 20 auf. Zwischen den Wänden 19, 20 verläuft in der Regel ein Schmelzeverteilkanal 21, von welchem Schmelzekanäle 22 mit einer Mündung an einer Ausgabeseite der Schmelzedüse 22 ausgehen. Die Wände 19, 20 weisen Außenflächen 24, 25 auf, die in der etwa streifenförmigen Ausgabeseite 26 der Schmelzedüse 15 aufeinander treffen. Die Wände 19, 20 bilden auf Grund der spitz zulaufenden Stellung der Wände 19, 20 eine Ausgabespitze 27 der Schmelzedüse 15.
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In bekannten Schmelzedüsen 15 können Schmelzekanäle 22 durch Kapillarbohrungen gebildet sein. Die Kapillarbohrungen, Schmelzekanäle 22 bzw. Öffnungen oder Mündungen 23 in der Ausgabeseite 26 sind in der Regel einreihig hintereinander angeordnet. Die Schmelzekanäle 22 haben üblicherweise Innendurchmesser im Bereich von 0,2 - 0,4 mm und besitzen ein Längen-Durchmesserverhältnis L/d von 5-15. Die Kapillarbohrungen weisen einen konstanten Durchmesser bzw. Querschnitt auf.
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Die Meltblow-Einrichtung 10 weist eine Einrichtung 16 zur Beaufschlagung der aus den Mündungen 23 der Schmelzekanäle 22 austretenden Schmelze mit einem Luftstrom auf. Diese Einrichtung 16 weist zwei als Luftschneiden bezeichnete Einrichtungen auf. Diese werden durch wenigstens zwei Luftkanäle 17, 18 gebildet, welche mit Luft beaufschlagbar sind. Die Luftkanäle 17, 18 sind beiderseits der Anordnung 30, z.B. einer oder mehrere Reihen, von Mündungen 23 der Schmelzekanäle 22 angeordnet. Die Luftkanäle 17, 18 sind jeweils der Anordnung 30 von Mündungen zugeordnet, durch welche die Schmelze aus der Schmelzedüse 15 austritt. Jeder Luftkanal 17, 18 weist eine langgestreckte Mündung auf 31, 32, welche sich entlang der Anordnung 30 erstreckt.
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Die Schmelzedüse 15 kann gegenüber den Mündungen 31, 32 der Luftschneiden leicht zurückversetzt sein (Versatz V). Den engsten Querschnitt der Konstruktion für die austretende Primärluft bildet somit der Austrittspalt 33 an dem Ende der Ausgabespitze 27. In dem Austrittsspalt 33 weist die Primärluft die maximale Strömungsgeschwindigkeit auf. Nach dem Exxon-Prinzip erfolgt die Anblasung der aus den Schmelzekanälen ausgetriebenen Schmelze in einem Winkel von ca. 60° (2 x 30°). Möglich ist insbesondere ein Winkel im Bereich von einschließlich 50° (2 x 25°) bis einschließlich 70° (2 x 35°). Der Winkel α (z.B. 60°) wird von gedachten Mittellinien 47 eingeschlossen, welche gedacht in der Querschnittsebene der Schmelzedüse 15 liegend, jeweils in der Mitte zwischen der Wandfläche 24, 25 der Wand 19, 20 der Schmelzedüse 15 und der gegenüberliegenden weiteren Fläche verlaufen, welche mit der Wandfläche 24, 25 den Luftkanal 17, 18 begrenzt. Die Mittellinien 47 sind bevorzugt symmetrisch zur Mittellinie 41.
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Bei dem Meltblow-Verfahren wird das Kunststoffgranulat in dem Extruder 12 aufgeschmolzen und über die Spinnpumpe 13 der Düseneinrichtung 14 kontinuierlich zugeführt. Die aus der Schmelzedüse 15 extrudierte Polymerschmelze wird unmittelbar nach Austritt von einem konvergierenden temperierten Luftstrom aus den Luftkanälen 17, 18 - der sogenannten Primärluft - erfasst, welche sich unmittelbar nach Düsenaustritt mit der Umgebungsluft - der sogenannten Sekundärluft - mischt. Die sich aus der Schmelze bildenden Fasern kühlen auf dem Weg zur Ablage 11 ab und werden als verschlungene Fasern in Form eines Vliesstoffes 34 aufgefangen. Die Ablage erfolgt meist auf einer luftdurchlässigen Struktur 11, wie beispielsweise auf einem Ablageband 11 oder auf einer Siebtrommel 11, die zusätzlich mit einem Unterdruck versehen ist. Dies dient dazu, die Fasern auf der Ablage 11 zu halten und überschüssige Primärluft abzuführen.
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Die Kapillarbohrungsdichte und die Schmelzedurchsatzrate sind entscheidende Faktoren für den wirtschaftlichen Betrieb einer Meltblow-Einrichtung 10.
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Kapillarbohrungen mit Durchmessern im Bereich von d=0,2-0,4 mm können im Allgemeinen nur bis zu einer Länge von maximal dem zwanzigfachen, d.h. 20 d, des Durchmessers gefertigt werden. In der Regel werden Schmelzedüsen mit einem Lange-zu-Durchmesser-Verhältnis von 8 bis maximal 15 hergestellt. Ein größeres Verhältnis von Länge zu Durchmesser als 20 ist bei solch feinen Durchmessern durch Bohren nicht in der notwendigen Präzision herstellbar. Eine kleiner Schmelzekanaldurchmesser führt zu einer zwangsweise schlanken Ausführung der Wände 19, 20 bzw. Schenkel der Schmelzedüse 15, da der Schmelzekanal nicht mit einer beliebigen Länge gefertigt werden kann. Dies ist verbunden mit einer dünnen Ausgestaltung der Wände 19, 20 an deren empfindlichster Stelle. Dadurch kann eine Exxon-Düse mit gebohrten Schmelzekanälen 22 maximal mit einem Druck von 30-50 bar beaufschlagt werden. Der Polymerdurchsatz (g/h/min = grams/hole/minute) erzeugt einen entsprechenden Innendruck. Für feinste Fasern, produziert mit kleinsten Kapillaren, ist deshalb die Produktivität (g/h/min) nach oben begrenzt.
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Zur Lösung wird ein Aufnahmekanal 35 mit einer größeren Querabmessung gefertigt, als eine Kapillarbohrung nach dem Stand der Technik hat, und dieser Aufnahmekanal 35 oder zumindest ein Abschnitt dieses Aufnahmenkanals 35 wird mit einem Kapillarrohr 36 oder mehreren (wenigstens zwei) Kapillarrohren 36 aufgefüllt. Je ein Kapillarrohr 36 bildet mit seinem Rohrkanal einen Schmelzekanal 22. Kapillarrohre 36 können in nahezu beliebiger Länge über einen weiten Durchmesser- und Wandstärkenbereich hergestellt werden. Dabei können die Kapillarrohre 36 sehr kleine Kapillarrohrinnendurchmesser aufweisen. Beispielsweise können die Kapillarrohre 36 einen Innendurchmesser von 0,1 Millimeter bis einschließlich 0,5 Millimeter aufweisen oder einen Durchmesser von kleiner oder gleich 0,1 Millimeter. Das Längezu-Innendurchmesser-Verhältnis kann in Ausführungsformen beispielsweise größer oder gleich 15 oder mehr sein, beispielsweise größer oder gleich 20 oder mehr.
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Mittels der Verwendung von Kapillarrohren 36 können beispielsweise Schmelzekanäle 22 einschließlich Mündungen 23 erzeugt werden, welche einen Innendurchmesser von kleiner oder gleich 500 Mikrometer, kleiner oder gleich 400 Mikrometer, kleiner oder gleich 300 Mikrometer, kleiner oder gleich 200 Mikrometer, kleiner oder gleich 100 Mikrometer oder kleiner oder gleich 75 Mikrometer, beispielsweise 50 Mikrometer, aufweisen. Das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis der Schmelzekanäle kann dabei beispielsweise größer oder gleich 15 oder mehr sein, beispielsweise größer oder gleich 20 oder mehr. Insbesondere kann das Länge-zu-Durchmesser-Verhältnis größer oder gleich 35, größer oder gleich 50 oder größer oder gleich 60 sein. Solche Schmelzekanäle 22 wären mittels Bohren nicht herstellbar.
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Wesentliche Vorteile der Erfindung sind die Ermöglichung der Fertigung ultrafeiner Fasern und/oder Fasern mit hoher Produktivität aufgrund möglicher hoher Drücke und damit hohen Durchsätzen. Erfindungsgemäß kann die Länge des Schmelzekanals oder des Kapillarrohrs beispielsweise 5-10 mal größer als üblich sein. Die Dicke der Wand 19,20 an der empfindlichsten Stelle kann beispielsweise um bis zu das zwei- bis dreifache größer sein als bei bekannten Schmelzedüsen 15. Dadurch kann der ertragbare Innendruck und der Polymerdurchsatz um beispielsweise bis zu das zwei bis dreifache steigen. Beispielweise kann die Düseneinrichtung 14 derart stabil ausgelegt sein, dass der Schmelzedruck in dem Schmelzeverteilkanal 21 oder jedem Schmelzekanal 22 wenigstens 60 bar, besonders bevorzugt wenigstens 100 bar aufweisen kann. Dies führt zu einer entsprechend größeren Produktivität um beispielsweise bis zu das zwei- bis dreifache. Weiterhin ermöglicht eine erhöhte Länge jedes der Schmelzekanäle 22 bis zur Mündung 23 eine verbesserte Uniformität der Fasern untereinander.
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4 zeigt zur Veranschaulichung eine beispielhafte Ansicht auf die streifenförmige Ausgabeseite 26 der Schmelzedüse 15 des Ausführungsbeispiels gemäß 1 bis 3, in welcher die Schmelzekanäle 22 münden.
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5 zeigt eine der 3 entsprechende Darstellung eines Querschnitts durch eine Meltblow-Einrichtung 10 mit einer erfindungsgemäßen Schmelzedüse 15. Die vorstehende Beschreibung zu den 1 bis 3 sowie deren Darstellung können für das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gemäß 4 herangezogen werden. Wie in der Darstellung ersichtlich, ist allerdings im Unterschied zu der Schmelzedüse 15 gemäß 1 bis 3 in der Schmelzedüse 15 ein Kapillarrohr 36 angeordnet, welches anstelle einer Kapillarbohrung einen Schmelzekanal 22 und vorzugsweise auch dessen Mündung 23 zur Ausgabe von Schmelze bildet. Dieses Kapillarrohr 36 weist ein größeres Länge-zu-Innendurchmesser-Verhältnis auf, als die Kapillarbohrung dargestellt in 3.
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Im Übrigen ist in bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen kein Luftkanal 17, 18 vorhanden, welcher ein bestimmtes Kapillarrohr 36 umgeben würde, aber kein weiteres, oder welcher eine bestimmte Gruppe von Kapillarrohren 36 umgeben würde, aber keine weitere.
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Die Wände 19, 20 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 haben, wie aus der Figur ersichtlich, eine größere Dicke an für die Stabilität, insbesondere Druckstabilität, entscheidenden Stellen der Schmelzedüse 15 als die entsprechenden Wände 19, 20 der Schmelzedüse 15 gemäß 3.
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Das Kapillarrohr 36 kann im Querschnitt insbesondere eine runde, insbesondere kreisrunde, Außenkontur und eine runde, insbesondere kreisrunde Innenkontur aufweisen. Es wäre grundsätzlich möglich Kapillarrohre 36 mit im Querschnitt innen und/oder außen zumindest abschnittsweise polygonaler Kontur einzusetzen, jedoch ist dies wegen des Fertigungsaufwands und der Kosten für solche Kapillarohre nicht bevorzugt.
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Die 6 bis 8 zeigen schematisch eine Draufsicht auf streifenförmige Ausgabeseiten 26 von Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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In einem Ausführungsbeispiel werden Kapillarrohre 36 in diskret angeordneten Aufnahmebohrungen, welche Aufnahmekanäle 35 bilden, mit Abstand voneinander eingebracht. Ein Beispiel dafür ist in 6 veranschaulicht. Der Aufnahmekanal 35 zwischen dem Kapillarrohr 36 und der Innenwandfläche 37 des Aufnahmekanals 35 ist geschlossen. Der Aufnahmekanal 35 zwischen dem Kapillarrohr 36 kann beispielsweise mit Lot gefüllt sein und/oder der Bereich zwischen Aufnahmekanal 35 und Kapillarrohr 36 kann aufgrund einer Presspassung eine Dicke von Null aufweisen, so dass der Aufnahmekanal 35 zwischen dem Kapillarrohr 36 und der Innenwandfläche 37 des Aufnahmekanals 35 geschlossen ist.
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Es sind Ausführungsformen möglich, in denen alternativ oder zusätzlich Kapillarrohre 36 in einem spaltförmigen Aufnahmekanal 35 in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Ein Beispiel ist in 7 veranschaulicht.
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Die Dicke der Wand 19, 20 der Kapillarrohre 36 kann in Ausführungsbeispielen der limitierende Faktor für die Liniendichte der Löcher sein, für deren Angabe die Einheit Löcher pro Zoll (holes per inch, hpi) üblich ist.
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Eine besonders hohe Liniendichte kann durch Verwendung besonders dünnwandiger Kapillarrohre 36 erzielt werden. Alternativ oder zusätzlich können Kapillarrohre 36, wie dies in 8 veranschaulicht ist, in einem spaltförmigen Aufnahmekanal 35 in wenigstens zwei oder mehr Reihen 38, 39, 40 von Kapillarrohren 36 angeordnet sein. In 8 trägt der Übersichtlichkeit halber nicht jedes Kapillarrohr ein Bezugszeichen 36 und nicht jeder Schmelzekanal ein Bezugszeichen 22. Die Kapillarrohre 36 einer Reihe 38, 39 oder 40 können zu den Kapillarrohren 36 der benachbarten Reihen 38, 39 oder 40 in Längsrichtung der Reihe 38, 39 oder 40 versetzt sein, beispielsweise um den halben Abstand zwischen zwei Mittellinien 41 zweier benachbarter Kapillarrohre 36, welche Mittellinien 41 sich gedacht jeweils mittig durch die Kapillarrohre 36 erstrecken. Mittellinien 41 sind für ausgewählte Kapillarrohre 36 jeweils mit einem Punkt veranschaulicht. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 sind beispielsweise drei Reihen 38, 39, 40 von Kapillarrohren 36 nebeneinander angeordnet. Die Kapillarrohre 36 einer Reihe 38, 39 oder 40 sind zu den Kapillarrohren 36 jeder benachbarten Reihe 38, 39 oder 40 versetzt. Alternativ können in Ausführungsbeispielen beispielsweise nur zwei Reihen nebeneinander angeordnet sein. Beispielsweise zwei Reihen nebeneinander mit Kapillarrohren 36 einer Reihe, welche zu den Kapillarrohren 36 der anderen Reihe in Reihenrichtung versetzt sind.
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Auch mittels solcher Ausführungsformen kann eine relativ hohe Liniendichte von Schmelzekanälen 22 bzw. Mündungen 23 erzielt werden. Die Liniendichte kann hier bestimmt werden, indem die Anzahl der Kapillarrohrmündungen 23 oder Kapillarrohremittellinien 41 entlang einer geraden Linie L oder Streckenzug und auf der geraden Linie oder dem Streckenzug aus geraden Strecken bestimmt wird, welche Linie L oder Streckenzug sind durch die Mittelpunkte der Mündungen 23, durch einen Mittelpunkt der Mündung 23 und senkrecht zu einer Mittellinie oder die Mittellinien 41 senkrecht schneidend erstreckt. Die geraden Strecken des Streckenzugs erstrecken sich von Mittelpunkt zu Mittelpunkt und/oder Mittellinie 41 zu Mittellinie 41, senkrecht zur Mittellinie 41.
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Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere Reihen 42, 43 von Kapillarrohren 36 in einer oder beiden Wänden 19, 20 der Schmelzedüse 15 neben der linienförmigen Ausgabeseite 26 angeordnet sein, welcher an dem Ende der Ausgabespitze 27 der Schmelzedüse 15 angeordnet ist. Eine Ausführungsform mit in den Flanken der Ausgabespitze 27 angeordneten Reihen 42, 43 von Kapillarrohren 36, welche Reihen 42, 43 sich parallel zu der einen oder den mehreren Reihen 38, 39, 40 in der Ausgabeseite 26 erstrecken, ist in 9 veranschaulicht. 9a zeigt im Querschnitt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Schmelzedüse 15 mit in dem Ausgabeabschnitt an der Ausgabeseite 26 angeordneten Kapillarrohren 36, welche Schmelzekanäle 22 zur Ausgabe von Schmelze bilden, und Schmelzekanälen 22 in den Wänden 19, 20 des Düsenkörpers der Schmelzedüse 15, wobei die Schmelzekanäle in den Wänden 19, 20 neben dem einen oder den mehreren Reihen von Kanälen 38, 39, 40 in der Ausgabeseite 26 angeordnet sind und an den Außenflächen 24, 25 münden. Wie in 9a veranschaulicht schließen die Enden der Kapillarrohre 36, welche die Schmelzekanäle 22 in den Wänden 19, 20 des Düsenkörpers der Schmelzedüse 15 bilden, bevorzugt mit den Außenflächen 24, 25 ab. Andernfalls können die Endflächen der Kapillarrohre 36 zur Längserstreckungsrichtung der Kapillarrohre 36 rechtwinklig in den Wänden 19, 20 angeordnet sein. Bevorzugt stehen die Kapillarrohre 36 nicht über die Wandflächen 24, 25 hervor, um den Luftstrom nicht zu behindern.
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9b zeigt schematisch eine Draufsicht auf die Ausgabeseite 26 der Schmelzedüse 15 gemäß 9a. Die Schmelzekanäle 22 in den Wänden 19, 20 können ebenfalls durch Anordnen eines oder mehrerer Kapillarrohre 36 in einer oder mehreren Aufnahmekanälen 35 gebildet sein. Der Übersichtlichkeit halber trägt nicht jedes Kapillarrohr ein Bezugszeichen 36 und nicht jeder Schmelzekanal ein Bezugszeichen 22. Mittels der beschriebenen Lösung kann eine hohe Dichte an Schmelzekanälen 22 gemessen entlang einer Linie L erzielt werden. Die Liniendichte kann ebenso wie im Zusammenhang mit 8 erläutert ermittelt werden.
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Wie in Ausführungsformen auch immer für eine hohe Liniendichte gesorgt ist - beispielsweise wie oben erläutert -, diese beträgt vorzugsweise wenigstens 30 Löcher pro Zoll bis wenigstens 50 Löcher pro Zoll oder mehr.
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Im Rahmen eines beispielhaften Verfahrens 100 (s. 10) zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung 14 bzw. einer erfindungsgemäßen Schmelzedüse 15 wird ein Düsenkörper für eine Schmelzedüse 15 bereitgestellt (Anweisung 101 in 10), welcher Düsenkörper einen oder mehrere Aufnahmekanäle 35 enthält. Die Aufnahmekanäle 35 können mittels einer herkömmlichen Technik gefertigt werden. Beispielsweise können Aufnahmekanäle 35 gebohrt und/oder erodiert werden. Auf Grund des relativ großen Durchmessers bzw. der relativ großen Breite können lange Aufnahmekanäle 35 hergestellt werden.
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Es werden Kapillarrohre 36 in dem einen oder mehreren Aufnahmekanälen 35 in dem Düsenkörper angeordnet (Anweisung 102) und dort befestigt (Anweisung 102). Das Befestigen 102 kann durch Presspassung, Kleben, Schweißen, bevorzugt aber durch Löten erfolgen. Mittels Löten 102 kann eine lange Verbindung und damit großflächige Verbindung zwischen dem Kapillarrohr 36 und dem Düsenkörper geschaffen werden. Das Einlöten der Kapillarrohre 36 erfolgt vorzugsweise im Vakuum, vorzugsweise durch Diffusionslöten. Ein Diffusionslötverfahren wird beispielsweise unter der Bezeichnung „Diffusionshartlöten (im Ofen)“ in Tabelle 2 der Norm DIN EN 4632-001, Tabelle 2 aufgeführt. Dadurch entsteht zwischen Lot und Grundwerkstoff eine Legierung, die einen weit höheren Schmelzpunkt als der Lotwerkstoff hat. Dadurch entsteht eine sehr gute Festigkeit bei hohen Temperaturen. Beim Einlöten 103, beispielsweise durch Diffusionshartlöten, aber auch beispielsweise beim Einkleben muss sichergestellt werden, dass Lot oder Klebstoff nicht in das Kapillarrohr 36 gelangt. Auch bei anderen Herstellungsverfahren kann es erforderlich sein, zu verhindern, dass das Innere der Kapillarrohre 36 zugesetzt oder verunreinigt wird.
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Eine Möglichkeit, dies zu verhindern, ist, das Kapillarrohr 36 vor dem Einsetzen oder zumindest vor dem Verlöten an einem Ende 44 oder an beiden Enden 44, 45 des Kapillarohres 36 zu verschließen (Anweisung 102"). Beispielsweise zu verschweißen, insbesondere mittels Laserschweißen. 11 zeigt in einem Längsschnitt einen Abschnitt eines Kapillarrohres 36 mit einem durch Verschweißen geschlossenen Ende 44.
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Der Verschluss des Endes 44 muss nach der Befestigung wieder geöffnet werden (Anweisung 104). Dies kann beispielsweise durch Erodieren, insbesondere Senkerodieren, geschehen. Zum Öffnen der Verschlüsse an dem einen Ende 44 oder beiden Enden 44, 45 kann das Ende 44 bzw. können die Enden 44, 45 abgetrennt werden. Bei dem Öffnen 104 kann das Kapillarrohr 36 derart gekürzt werden, dass das verbleibende Kapillarrohr 36 eine Länge aufweist, die höchstens dem zweifachen der Länge des Aufnahmekanals 35 der gefertigten Schmelzedüse 15 entspricht. Im Zuge des Öffnens 104 des Verschlusses kann die Endkontur der Schmelzedüse 15 durch Erodieren hergestellt werden.
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Beim Entfernen 104 des Verschlusses sollte idealerweise dafür Sorge getragen sein, dass Verschmutzungen nicht in das Kapillarrohr 36 gelangen können. Durch vorstehend beschriebenen Erosionsprozess beispielsweise könnte feinster Metallabtrag in die von dem Kapillarrohr 36 umschlossene Kapillare gelangen. Dieser Metallabtrag kann nur schwer wieder entfernt werden. Das „Freilegen“ der Kapillaren erfordert hohe Arbeitskräfteeinsatz. Das Verhindern der Verschmutzung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das Kapillarrohr mit einer nachträglich entfernbaren Substanz gefüllt 102' wird. Beispielsweise vor dem Verschweißen 102" des einen oder der beiden Enden 44, 45. Die Substanz kann beispielsweise Wachs oder wachsartig sein. Die Substanz kann durch Ausheizen 105 der Schmelzedüse 15 wieder entfernt werden. 11 zeigt beispielhaft, dass der Innenraum des Kapillarrohres 36 mit einem Füllstoff 46 gefüllt ist, der verhindert, dass eine Verunreinigung, welche sich nicht aus dem Kapillarrohr 36 oder nur mit erheblichem Aufwand aus dem Kapillarrohr 36 entfernen lässt, bei dem Entfernen des Verschlusses an einem Ende 44 oder beiden Enden 44, 45 in den Innenraum des Kapillarrohrs 36 gelangt, welcher den Schmelzekanal 22 bilden soll.
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12 zeigt im Querschnitt einen Düsenkörper, in welchen ein gefülltes und verschlossenes Kapillarrohr 36 eingesetzt ist. 13 zeigt die Ausführungsform gemäß 14, in welcher die Verschlüsse der beiden Enden 44, 45 entfernt sind, das Füllmaterial 46 jedoch noch in dem Kapillarrohr 36 enthalten ist.
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Die gefertigte Düseneinrichtung 14 kann mit einem Schmelzedruck von beispielsweise wenigstens 60 bar oder sogar wenigstens 100 bar beaufschlagt werden.
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Eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung 14 zur Herstellung eines Wirrfasererzeugnisses 34 weist eine Schmelzedüse 15 mit einer Anordnung 38, 39, 40 von mehreren Schmelzekanälen 22 auf. Die Düseneinrichtung (14) weist einen Gaskanal 17, 18 mit einer Mündung 31, 32 auf, welche mehreren Schmelzekanälen 22 der Anordnung 38, 39, 40 zugeordnet ist, wobei der Gaskanal 17, 18 dazu eingerichtet ist, einen Gasausstoß zu erzeugen, welcher die aus den Schmelzekanälen 22 ausgestoßene Schmelze erfasst. Erfindungsgemäß weist die Schmelzedüse 15 zur Bildung der Schmelzekanäle 22 eine Anordnung von Kapillarrohren 36 auf. Ein erfindungsgemäßes Verfahren 100 zur Herstellung einer Düseneinrichtung weist das Bereitstellen 101 eines Düsenkörpers 15 mit einem oder mehreren Aufnahmekanälen 35 und das Anordnen 102 und Befestigen 103 von Kapillarrohren 36 in dem einen oder den mehreren Aufnahmekanälen 35 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Meltblow-Einrichtung
- 11
- Ablage
- 12
- Extruder
- 13
- Spinnpumpe
- 14
- Düseneinrichtung
- 15
- Schmelzedüse
- 16
- Einrichtung zur Beaufschlagung mit Luft
- 17
- Luftkanal
- 18
- Luftkanal
- 19
- Wand
- 20
- Wand
- 21
- Schmelzeverteilkanal
- 22
- Schmelzekanal
- 23
- Mündung
- 24
- Außenfläche
- 25
- Außenfläche
- 26
- Ausgabeseite/Ausgabeabschnitt
- 27
- Ausgabespitze
- 30
- Anordnung
- 31
- Mündung Luftkanal
- 32
- Mündung Luftkanal
- 33
- Austrittsspalt
- 34
- Vliesstoff
- 35
- Aufnahmekanal
- 36
- Kapillarrohr
- 37
- Innenwandfläche
- 38
- Reihe
- 39
- Reihe
- 40
- Reihe
- 41
- Mittellinie
- 42
- Reihe
- 43
- Reihe
- 44
- Ende
- 45
- Ende
- 46
- Füllstoff
- 47
- Mittellinie
- 100
- Verfahren
- 101
- Bereitstellen
- 102'
- Füllen
- 102''
- Verschließen
- 102
- Anordnen
- 103
- Befestigen
- 104
- Öffnen
- 105
- Entfernen des Füllstoffs
- α
- Winkel
- L
- Linie
- V
- Versatz
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 9207121 [0002]
- US 6833104 B2 [0003]
- US 2005/0056956 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm DIN EN 4632-001 [0054]
