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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von Fasern aus schmelzbaren
Stoffen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen
von Fasern aus schmelzbaren Stoffen, wie Kunststoffen, Mineralien, Glas, nach dem
Düsenblasverfahren. Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, die bisher üblichen
Blasdüsen einerseits sowie die Qualität und Menge der erzeugten Fasern andererseits
zu verbessern. Dies soll insbesondere durch eine günstigere Verteilung der Blasmittelgeschwindigkeiten
im Ausziehbereich, d. h. in dem Raum zwischen den Blasdüsenbacken, geschehen.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei so vorgegangen, daß
die aus der Blasdüse austretenden Blasmittelströme mit Hilfe des Coanda-Effektes
über gekrümmte Führungsflächen in den Zerfaserungsbereich der Schmelzestrahlen eingeleitet
und nahezu senkrecht nach unten gelenkt werden, wobei die Schmelzestrahlen mittiz
gefaßt und zerfasert werden. Unter dem Coanda-Effekt wird die physikalische Tatsache
verstanden, daß sich vorzugsweise im schallnahen Geschwindigkeitsbereich ein expandierender
Gasstrom an eine gekrümmte Führungsfläche anschmiegen kann.
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Die zur Durchführung des Verfahrens gebrauchte erfindungsgemäße Vorrichtung
unterscheidet sich nun von den bekannten Blasdüsen darin, daß die Austrittsöffnungen
des Blasmittels außerhalb des Ziehkanals angeordnet sind und die Blasmittelströme
durch krummlinige Führungsflächen derart in den Ziehkanal zwischen den Düsenbacken
geleitet werden, daß in der Mitte des Kanals, d. h. in Richtung der einlaufenden
Schmelzefäden oder -ströme, die Strömungsgeschwindigkeit sehr hoch liegt. Die erfindungsgemäße
Vorrichtung besteht dabei darin, daß unterhalb und nahe der Austrittsdüsen für die
Schmelze ein pneumatischer Ziehschacht angeordnet ist, der mindestens aus zwei sich
gegenüberliegenden Blasdüsenhälften besteht, wobei für die Zuleitung der Blasmittelströme
an oder nahe der Oberfläche der Blasdüsenhälften im Querschnitt gekrümmte Schlitze
vorgesehen sind, deren Austrittsöffnungen etwa waagerecht liegen und deren untere
Fläche in einer stetigen Krümmung nach innen und unten gegen den von oben kommenden
Schmelzestrahl sich erstrecken.
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Nach einer anderen erfindungsgemäßen Bauform besteht die Blasdüse
aus einer in sich geschlossenen Anordnung, die die Form eines Kreises, Ovals oder
Mehrecks besitzt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die untere Fläche
der Schlitze im Querschnitt nach einer Kreislinie gekrümmt ist; sie kann aber auch
im Querschnitt nach einer Kurve gekrümmt sein, deren Krümmungsradius stetig oder
unstetig kleiner bzw. größer wird.
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Gemäß der Erfindung kann die Anordnung auch so getroffen werden, daß
die Mündungen der Austrittsöffnungen der Blasmittelströme außerhalb des eigentlichen
Ziehkanals angeordnet sind, wobei ihre Tangente jeweils mit der Senkrechten einen
regelbaren Winkel einschließt.
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Eine weitere erfindungsgemäße Bauform besteht darin, daß die Düsenhälften
an ihrem unteren Ende trichterförmig erweitert sind.
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Eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform sieht vor, daß die Düsenhälften
die Form von zylindrischen oder etwa zylindrischen Hohlkörpern haben, in die das
Blasmittel einleitbar ist und auf denen oberhalb mindestens eines Austrittskanals
eine für den Schlitz bildende Abdeckung vorgesehen ist. Der Hohlkörper kann dabei
um seine Achse verschwenkbar und in verschiedenen Lagen feststellbar sein.
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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Bauform kann man auch so vorgehen,
daß die Abdeckung auf dem Hohlkörper verschiebbar und in verschiedenen Stellungen
festlegbar ist.
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Es sind Vorrichtungen zum Herstellen von Fasern, insbesondere von
Mineral- und Glasfasern, bekannt, bei denen mit Hilfe eines pneumatischen Ziehverfahrens,
indem aus engen Schlitzen Dampfstrahlen hohen Drucks austreten, die gleichzeitig
Luft aus der Umgebung in das Innere der Blasdüsen einsaugen, eine Schmelze zerfasert
wird. Man kann nicht nur mit Dampfstrahlen, sondern auch mit anderen hochbeschleunigten
Blasmedien, wie Luft, Heißluft, Brenngasen od. dgl., sowie ihren Gemischen, arbeiten.
Im allgemeinen wird die auf diese Art angesaugte Luft an den Edelmetalldüsen eines
mit geschmolzenem Werkstoff gefüllten Behälters vorbeistreichen und dabei die dort
austretenden Schmelzestrahlen abziehen und in. das Innere der Düse einführen, wo
sie
zu Schlingen oder Schleifen verformt und zu mehr oder weniger feinen Fasern ausgezogen
werden. Es sind verschiedene solche Ausführungsformen bekannt, wobei die meisten
davon aus einem langgestreckten Kanal von verhältnismäßig geringer Breite und Tiefe
bestehen, an dessen oberen Begrenzungsflächen beiderseits zwei schmale Schlitze
das Blasmedium mit hohen Geschwindigkeiten von etwa 200 bis 300 m/s ausströmen lassen.
Dieses Blasmedium tritt in den zwischen den Schlitzen vorhandenen Innenraum oder
Kanal ein und läuft gegen die nach unten fallenden Schmelzefäden. Gegegebenenfalls
werden dabei die Schlitze oder der Kanal der Blasdüse so erweitert, daß das Blasmedium
darin bis zu einem gewissen Grad expandieren kann.
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Es wurde nun bei den verschiedenen bekannten Ausführungsformen festgestellt,
daß die zwischen den Düsenbacken herrschende Geschwindigkeit über die gesamte Kanalbreite
sich sehr stark verändert, wobei insbesondere in der Mitte eine Art »Geschwindigkeitsloch«
auftritt. Dieser Mangel an Ziehgeschwindigkeit gerade in der Mitte läßt sich dadurch
erklären, daß der Austritt des Blasmediums seitlich an den Düsenbacken sitzt, was
zu einer Qualitätsverschlechterung der erzeugten Fasern führt. Eine Erklärung dürfte
darin liegen, daß man bisher in diesen oben und unten offenen Kanal an seinem oberen
Eingang beiderseits hochbeschleunigte Gasströme unter sehr spitzem Winkel zur Mittelachse
eingeleitet hat, wodurch dann entlang der Mittelachse, auf der der zu zerfasernde
Schmelzfaden einfällt, eine geringe, meist die geringste Gasgeschwindigkeit herrscht.
Dazu kommt ferner, daß der Schmelzfaden durch Druckschwankungen bald in die eine
und bald in die andere Schicht des Blasmediums gezogen wird und dabei sehr leicht
an die Backenwände anschlägt. Der Ziehkanal muß aus diesem Grunde entsprechend breit
gehalten werden, was wieder zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrads der Einrichtung
führt. Zum Beispiel werden bei dieser Arbeitsweise relativ hohe Anteile unverzogener
Teilchen, sogenannte Schmelzperlen, beobachtet, die von den verschiedenen Schichten
des Blasmediums nicht oder zu spät erfaßt werden.
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Insbesondere, wenn man die Blasdüsen mit stark überhitztem Blasmittel
betreibt, kann man die engste Stelle am Gebläseeintritt nicht beliebig verringern,
um die beiden Blasstrahlen näher aneinander zu bringen, wodurch man das Geschwindigkeitsloch
ausfüllen könnte, weil bei weiterem Annähern der beiden Düsenbacken die Schmelze
an der engsten Stelle an die Wandung der Düsenbacken anschlagen würde, wodurch die
Düse zuläuft. Man kann auch von dem günstigen Abstand, der zwischen den Dampfdüsen
einerseits und der Ausflußdüse, aus der die Schmelze ausfließt, andererseits gebraucht
wird, nicht wesentlich abweichen, ohne eine Verschlechterung der Faserqualität in
Kauf nehmen zu müssen. Bei Dampf ist der Schlitz noch eher verengbar; bei heißen
Gasen muß oberhalb der Klebetemperatur der Schlitz sehr groß gehalten werden.
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Hier setzt nun der Vorschlag der Erfindung ein, denn der aus den gekrümmten
Schlitzen der Blasdüsen austretende Dampf tritt etwa waagerecht nahe unterhalb der
Ausflußdüse, aus der die Schmelze ausrinnt, aus und wird sich infolge des Coanda-Effektes
an die gekrümmte untere Fläche der Schlitze anlegen, so daß er in das Innere der
Blasdüse geführt und etwa senkrecht nach unten geleitet wird. Es wird also gemäß
der Erfindung möglich, in dem Ziehkanal ein »Geschwindigkeitsprofil« zu erzeugen,
das sich der idealen, parabolischen Verteilung sehr stark annähert.
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Durch diese beiden Dampfstrahlen, die sich an die krummlinigen Führungsflächen
anschmiegen, wird ein sich stetig verengender Einlauf mit einem Luftpolster geschaffen,
wodurch der Schmelzestrahl nicht mehr an den Wänden der Düsenbacken anschlagen kann
und gleichzeitig mittig gefaßt bis in die engste Stelle geführt wird, wo dann die
Zerfaserung erfolgt.
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Der Dampf tritt aus der Blasdüse ganz nahe dem Austritt der Schmelze
aus der Ausflußdüse aus. Die Dampfstrahlen werden sich nach einer gewissen Länge
ihres Laufes auf der Zylinderfläche so weit ausgebreitet haben, daß an der engsten
Stelle über die ganze Kanalbreite eine nahezu gleichmäßige Geschwindigkeit herrscht,
die man noch obendrein durch ein Annähern der Backen genau einregulieren kann, ohne
daß dabei ein Zulaufen der Blasdüsen zu befürchten ist.
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Es kann also mit der erfindungsgemäßen Düse ein verhältnismäßig starker
Schmelzestrahl zerfasert werden, der nur unter dem Einfluß der Schwerkraft aus den
Öffnungen der Edelmetalldüsen austritt, so daß gegenüber bekannten Vorrichtungen
größere Schmelzemassen in der gleichen Zeit zerfasert werden können. Abgesehen von
dieser Steigerung der Leistung wird auch der Dampfverbrauch herabgesetzt. Die Erhöhung
des Ausbringens ist dabei mit einer Verbesserung der Faserqualität verbunden, während
im allgemeinen bei den bekannten Einrichtungen nur bei geringem Schmelzedurchsatz
eine gute Faserqualität erreichbar ist, da andernfalls sehr viele grobe Fasern und
auch Schmelzperlen mit in das Endprodukt gelangen.
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Da die erfindungsgemäße Ausbildung der Blasdüse vorsieht, daß die
Schmelze aus der Ausflußdüse nur unter dem Einfluß der Schwerkraft ausfließt, bedarf
es also keiner seitlich anzusaugenden Luft zum Abziehen dieser Schmelzestrahlen
und damit auch keines eine Ejektorwirkung herbeiführenden Dampfes von hohem Druck
in den Blasdüsen, so daß bei geringerem Verbrauch an Blasmitteln geringeren Drucks
ein höherer Wirkungsgrad als bisher üblich erzielt wird.
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Ein weiterer Vorteil, der sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
bzw. der entsprechenden Vorrichtung ergibt, liegt darin, daß der Ziehkanal wesentlich
enger gehalten werden kann, d. h. daß die Backen stark einander angenähert werden
können und daß im Gegensatz zu bekannten Arbeitsverfahren der Abstand der Blasdüse
von der Ausflußdüse, aus der die Gasströme ausfließen, keine ausschlaggebende Bedeutung
hat, es kommt auch noch dazu, daß keine nennenswerte Abkühlung der Ausflußdüse mehr
erfolgt, weil die Ansaugwirkung auf die umgebende kalte Luft wesentlich geringer
geworden ist, bzw. abgestellt werden kann, und daß schließlich der herabfallende
Glasfaden weniger flattert, wodurch die Neigung zum Ankleben an den Backen und das
Zusetzen des Ziehkanals, auch bei Verwendung von Heißblasmitteln, ausgeschlossen
wird; ein Übelstand, der jetzt bei den bekannten Verfahren und Einrichtungen immer
wieder auftritt.
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Schließlich ist zu beachten, daß bei einer Vorrichtung, bei der die
verschiedenen Teile der Ziehdüse gegeneinander verstellbar sind, sich alle im Betrieb
gebrauchten
Einflußgrößen regeln lassen, so daß die Einrichtung sich den jeweiligen besonderen
Eigenarten der Schmelzen sowie der Betriebsbedingungen gut anpassen läßt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung und den Ansprüchen. Es
zeigt, in schematischen Skizzen, F i g. 1 eine prinzipielle Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Blasdüse, F i g. 2 die Umrißlinie der unteren Fläche der Schlitze,
bei der der Krümmungsradius nach innen kleiner wird, F i g. 3 eine ebensolche Darstellung,
bei der der Krümmungsradius nach innen zu größer wird, F i g. 4 einen Querschnitt
durch eine mögliche Ausführungsform einer Blasdüse gemäß der Erfindung und F i g.
5 einen Schnitt nach der Linie A-A in F i g. 4. Eine Prinzipskizze zeigt F i g.
1, wo zwei einander gegenüberliegende Blasdüsenbacken 1 und 2 unterhalb einer oder
mehrerer Ausflußdüsen 3 angeordnet sind, aus denen die Schmelze 4 ausfließt. Die
Blasdüsenbacken 1 und 2 sind an ihrer Oberfläche mit einem zylindrischen Mantel
5 versehen, der teilweise von einer Haube 6 abgedeckt ist, zwischen der und dem
Zylindermantel s ein Zuführungskanal ? in der Blasdüsenbacke 1 bzw.
2 vorgesehen ist, durch den das Blasmittel, also z. B. Dampf, zugeleitet
wird. Die innere Fläche 6' der Haube 6 erstreckt sich über ein Stück der Wölbung
der Zylinderfläche 5 mit Abstand parallel zu dieser, so daß im Querschnitt gekrümmte
Schlitze 8 entstehen, durch die das Blasmedium, z. B. der Dampf, geleitet werden,
um an den Schlitzöffnungen 9 auszutreten. Auf Grund des Coanda-Effektes schmiegt
sich der Dampf der Fläche des Zylinders 5 an, obgleich er an den Schlitzöffnungen
9 etwa waagerecht austritt. Die so in den Kanal 10 zwischen den Düsenbacken
1 und 2 geleiteten Dampfstrahlen schaffen so einen stetig verengenden
Einlauf mit einer Luftpolster, so daß der Strahl der Schmelze 4' nicht mehr an den
Wänden 11 bzw. 12 der Backen 1 bzw. 2 im Kanal 10 anschlagen kann und gleichzeitig
zentrisch bis in die engste Stelle des Kanals 10 geführt wird, wo die Zerfaserung
des Schmelzestrahls 4' zu Fasern 13 einsetzt.
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Die Düsenbacken 1 bzw. 2 können an ihrem unteren Ende trichterförmig
erweitert sein, wie durch die gestrichelten Linien 14 angedeutet.
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In den F i g. 2 und 3 ist gezeigt, das an Stelle von Zylinderflächen
5 auch Flächen vorgesehen werden können, die nach einer Kurve gekrümmt sind, deren
Krümmungsradius - stetig oder unstetig - kleiner, 5', wird (F i g. 2) oder größer,
5", wird (F i g. 3). Die Krümmungen können auch nach anderen geometrischen Linien
verlaufen.
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Ein Beispiel für eine konstruktive Lösung zeigen die F i g. 4 und
5. In eine Blasdüsenbacke 19 ist ein Hohlzylinder 28 eingesetzt, der mittels einer
Achse 15 festgelegt ist. Die Achse 15 wird von Lagern 16 getragen,
die mittels Schrauben 17 gegen die Düsenbacke 19 gezogen werden, so
daß der Hohlzylinder 28 sicher gelagert ist. Der Hohlzylinder 28 ist teilweise von
einer haubenartigen Deckplatte 18 übergriffen, wobei ein Schlitz 9 zwischen
der Oberfläche des Hohlzylinders 28 und der Innenfläche der Deckplatte 18 verbleibt.
In dem Hohlzylinder 28 sind Kanäle 20 bzw. 21 vorgesehen, von denen
der Kanal 20
in den Schlitz 9 einmündet, während der Kanal 21 mit der Zuleitung
22 für das Blasmedium verbunden ist. Der Dampfanschluß für die Zuleitung 22 erfolgt
über einen Anschlußstutzen 23 unter Zwischenschaltung einer Dichtung 24.
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Werden die Schrauben 17 etwas gelüftet, so kann man den Hohlzylinder
28 um einen gewissen Winkel verdrehen, wozu in den Düsenbacken 19 zwischen den Zylindern
28 und der Zuleitung 22 ein wannenartiger Raum 25 vorgesehen ist, so daß der Kanal
21 stets in Verbindung mit der Zuleitung 22 bleibt. Die Deckplatte 18, die z. B.
mittels Schrauben 26 mit dem Hohlzylinder 28 verbunden ist, wandert bei einem Verdrehen
des Hohlzylinders 28 automatisch mit. Im Inneren des Hohlzylinders 28 ist die ihn
durchsetzende Achse 15 mit entsprechend geringerem Durchmesser 15' ausgebildet,
damit der Dampfdurchgang nicht gehindert wird. Zur Befestigung der Dampfdüsenbacken
19 sind an ihr beidseitig noch Halterungen 27 angebracht.
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Die hier beschriebene konstruktive Ausführungsform ist nur eine der
vielen Möglichkeiten, wobei als Beispiel langgestreckte Blasdüsen gewählt wurden.
Es können jedoch ebensogut gleiche oder ähnliche Ausführungsformen bei ringförmigen
Blasdüsen ausgeführt werden.