DE19821406A1 - Abdichtungselement für Schmelzekanäle - Google Patents
Abdichtungselement für SchmelzekanäleInfo
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Abstract
Abdichtungselement zur Abdichtung des Überganges eines Polymerschmelze führenden Schmelzekanals 17 eines fest montierten Bauteils 11 in einen Schmelzekanal 18 eines demontierbaren, auswechselbaren Bauteils 12, wobei das Abdichtungselement aus einem zylindrischen und außen glatten Hohlkörper 15 mit einer axialen Bohrung 16 für den Schmelzedurchtritt besteht, welcher in den auswechselbaren Bauteil 12 in eine passende Aufnahmebohrung 19 eingesetzt wird und aus einem Werkstoff hergestellt ist, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das ihn umgebende Material des auswechselbaren Bauteils 12.
Description
Die Erfindung betrifft ein Abdichtungselement zur Abdichtung des
Überganges eines Polymerschmelze führenden Schmelzekanals 17 eines fest
montierten Bauteils 11 in einen Schmelzekanal 18 eines demontierbaren,
auswechselbaren Bauteils 12. Bevorzugt ist das fest montierte Bauteil
ein Spinnbalken und das auswechselbare Bauteil ein Düsenadapter eines
Schmelzspinnsystems.
In Spinnsystemen zur Verspinnung von Polymerschmelzen werden zwischen
dem Heizgefäß, auch Spinnbalken genannt, und dem einzelnen Spinnpaket
zur Ankopplung Adapter oder Düsenadapter eingesetzt, damit jedes
einzelne Spinnpaket zur Reinigung und Neumontage der
Spinnpaketeinzelteile leicht ausgewechselt werden kann. Zur Abdichtung
des Schmelzekanals, der aus dem Spinnbalken in den Adapter übergeht,
werden üblicherweise Metall-O-Ringe in Stirnnuten eingesetzt, damit der
Spinnbetriebsdruck von je nach Polymer minimal 80 bis maximal 350 bar
bei Spinntemperaturen von über 150°C bis zu maximal 320°C nicht zu
Leckagen der Polymerschmelze führt. Die Gegenflächen müssen, wenn die
Adapter selber häufiger gewechselt werden, aus eindruckfesten
Materialien bestehen, z. B. in Form einer aufgeschweißten
Stellitpanzerung, um auch bei längerer Betriebszeit die Dichtigkeit zu
gewährleisten. Damit die Metall-O-Ringe während der Montage der Adapter
nicht herausfallen, werden sie in die Stirnnuten eingeklebt. Außerdem
sind diese nicht gerade billigen Dichtungsringe nur zum einmaligen
Gebrauch gedacht und müssen bei jedem Adapterwechsel ersetzt werden.
Zu besonders häufigem Adapterwechsel kommt es bei Spinnprozessen,
die einen statischen Mischer zur Homogenisierung der Schmelze möglichst
ganz kurz vor der Spinndüse erfordern. Dieser Mischer ist dann
üblicherweise, weil er prozeßbedingt häufig ausgetauscht oder
turnusmäßig gereinigt werden muß, im Adapter untergebracht.
Die Montageproblematik dabei ist, daß die Spinnanlage bei der
Erstmontage kalt, d. h. bei normaler Raumtemperatur, zusammengebaut
wird, jedoch der Wechsel des Adapters mit oder ohne Mischer im heißen
Betriebszustand vonstatten gehen muß. Das geschieht so, daß das zu
wechselnde Bauteil, hier der Düsenadapter, heiß ausgebaut wird und
durch ein frisches und kaltes Bauteil ersetzt wird. Dies betrifft nicht
nur die besagten Düsenadapter mit oder ohne Mischer, sondern generell
alle Bauteile mit Polymerschmelze führenden Leitungen, die mit
irgendwelchem zusätzlichen Zubehör, welches öfter gewechselt werden
muß, bestückt sind.
Aus dem US-Patent 5 720 995 ist ein ähnlicher Anwendungsfall in der
Spritzgießtechnik, bei dem der Wärmeausdehnungskoeffizient des
Konstruktionsmaterials genutzt wird, bekannt. Dabei wird der
wärmebedingt schwankende Abstand zwischen Speisekopf und Spritzkopf
mittels eines gleitenden Verbindungsstückes ausgeglichen, welches mit
seinem kurzen Ende in dem Speisekopf eingeschraubt und mit seinem
langen Ende in der Bohrung im Spritzkopf verschiebbar eingefügt ist.
Die Passung zwischen Verbindungsstück und Bohrung und die
Werkstoffpaarung, eine Kupfer-Beryllium-Legierung für das
Verbindungsstück und normaler Stahl für den Spritzkopf, sind so
gewählt, daß auch bei Betriebstemperatur noch eine Verschiebung des
langen Verbindungsstückendes in der Bohrung zum Ausgleich des
variierenden Abstandes zwischen Speisekopf und Spritzkopf stattfinden
kann. Zur Abdichtung wird nur der enge und lange Spalt zwischen
Verbindungsstück und Bohrung genutzt. Zwischen dem Ende des langen
Teiles des Verbindungsstückes und dem Ende der Bohrung muß naturgemäß
genügend Platz vorhanden sein, damit die Gleit- und Ausdehnungsbewegung
stattfinden kann. Dieser Raum stellt eine Erweiterung des normalen
Schmelzekanals bis auf den Außendurchmesser des Verbindungsstückes dar
und bildet einen sogenannten Totraum, in dem sich das Polymer nur
ungenügend austauschen kann. Diese undefinierte Verweilzeit, die zum
Abbau des Polymers führt, ist für den Spinnprozeß absolut schädlich.
Auch sind jegliche Leckagen unerwünscht. Außerdem sind Montage und
Demontage nur im kalten Zustand möglich, was die Nutzungsdauer um die
entsprechend lange Abkühlphase der Vorrichtung verkürzt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Abdichtungselement zur
Verfügung zu stellen, das einen häufigen Bauteilwechsel unter
kostengünstigen, bequemen Bedingungen ermöglicht und gleichzeitig eine
sichere Abdichtung gewährleistet.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein
Abdichtungselement, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß es aus
einem zylindrischen und außen glatten Hohlkörper 15 mit einer axialen
Bohrung 16 für den Schmelzedurchtritt besteht, welcher in den
auswechselbaren Bauteil 12 in eine passende Aufnahmebohrung 19
eingesetzt wird und aus einem Werkstoff hergestellt ist, der einen
höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das ihn umgebende
Material des auswechselbaren Bauteils 12.
Erfindungsgemäß wird ein zylindrischer und außen glatter Hohlkörper mit
einer axialen Bohrung für den Schmelzedurchtritt in eine passende
Aufnahmebohrung des auswechselbaren Bauteils stirnbündig eingebracht.
Die Passung der Bauteile wird so gewählt, daß der Hohlkörper bei
üblicher Raumtemperatur leicht in die Kavität des auswechselbaren
Bauteils hineingleiten kann. Der Hohlkörper muß dabei immer in dem Teil
untergebracht sein, das zu- oder abmontierbar sein muß. Ein Hineinragen
des Hohlkörpers in das andere, gegenanliegende Bauteil ist nicht
erforderlich und auch nicht erwünscht, da es für die Demontage in
heißem Zustand hinderlich wäre. Die Anlageflächen der beiden
abzudichtenden Bauteile brauchen dabei keinerlei zusätzliche
Dichtungsnuten oder andere Schikanen als Dichthilfsmittel, sondern
können völlig eben und glatt ausgeführt werden.
Der Hohlkörper muß zwingend aus einem Werkstoff mit höherem
Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, als der des ihn tragenden
Teiles. Nach dem Aufheizen des kalt eingebauten Bauteiles und des
besagten Hohlkörpers bis auf Betriebstemperatur tritt die axiale und
radiale Dichtwirkung ein. Die Dichtungsfunktion wird dabei allein durch
die unterschiedliche Wärmeausdehnung der ineinander gefügten Teile
erreicht. Das heißt, daß die Dichtungsfunktion erst bei Temperaturen im
Bereich des Polymerschmelzpunktes eintritt. Durch den Volumenzuwachs
des Hohlkörpers sitzt dieser dann absolut fest und spaltfrei in der
Bohrung und dichtet auch an den Stirnflächen vollständig ab. Nach einer
Abkühlung sind die Teile bei normaler Umgebungstemperatur wieder leicht
demontierbar. Da der Hohlkörper ausschließlich in dem auswechselbaren
Bauteil eingelassen ist, läßt sich dieser Bauteil aber auch im heißen
Zustand von dem festmontierten Bauteil abmontieren und durch ein
anderes noch kaltes Bauteil mit stirnbündig bis zur Dichtfläche
eingelassenem Hohlkörper ersetzen.
Das erfindungsgemäße Dichtungskonzept der unterschiedlichen
Wärmeausdehnung eignet sich besonders für Schmelz-Spinnsysteme, aber
auch für andere Zwecke, wie z. B. Durchmesseranpassungen in der
Schmelzeleitung oder Verzweigungen und Injektoranschlüsse, und ist
besonders vorteilhaft für alle Anwendungsfälle, bei denen
schmelzeführende Teile zwar kalt montiert werden, aber auch heiß
demontierbar sein müssen.
Eine besonders bevorzugte Anwendung sind Schmelzspinnsysteme mit
Schmelzekanälen, bei denen Mischer möglichst kurz vor der Spinndüse
eingesetzt werden müssen, aber auch, wo Mischer an anderen Stellen in
der Schmelzeleitung zugänglich oder schnell wechselbar untergebracht
werden sollen.
Gewöhnlich werden statische Mischer so ausgewählt, daß der freie
Querschnitt dem Leitungsquerschnitt entspricht. Die Mischer sind also
in ihren Durchmessern wesentlich größer und stützen sich stirnseitig
auf einer schmalen Ringfläche ab, oder müssen eingelötet oder
eingeschweißt werden, damit ein totraumfreier Übergang der
Polymerschmelze von und in die Leitung ermöglicht wird. Wählt man nun
die Materialkombination so aus, daß der Mischer sich durch
Wärmeeinwirkung noch stärker ausdehnt als der als Hüllrohr
funktionierende Hohlkörper, so ergibt sich eine Fixierung des Mischers
bei Spinn- bzw. Betriebstemperatur, wobei der Mischer nach Abkühlung
auf Raumtemperatur trotzdem wechselfähig bleibt. Da die Dichtwirkung
vom Mischer unabhängig ist, kann statt des Hüllrohres oder Hohlkörpers,
in dem der Mischer integriert ist, das Hüllrohr auch allein als reines
Leerrohr eingebaut werden, wenn die Mischfunktion zeitweise unerwünscht
ist, oder es können prozeßbedingt auch andere Mischertypen mit
entsprechendem Hüllrohr in der Aufnahmebohrung des Düsen-Adapters bzw.
des auswechselbaren Bauteils plaziert werden.
Der Werkstoff des Düsenadapters ist üblicherweise ein nichtrostender
und möglichst warmfester Chromstahl, wie z. B. der X 20 CrNi 17 2
(Werkstoff-Nr. 1.4057). Der Werkstoff des Hohlkörpers oder Hüllrohres
(gleichgültig, ob mit Mischer oder ohne eingesetzt) kann dann
z. B. der X 6 CrNiTi 18 10 (Werkstoff Nr. 1.4541) bzw. auch ein
X 6 CrNiMoTi 17 12 2 (Werkstoff Nr. 1.4571) oder ein ähnliches Material
mit entsprechend großem Wärmeausdehnungskoeffizienten sein. Die
Passungspaarung ist für jeden Einsatzfall entsprechend der gewählten
Materialpaarung und der Dimensionierung der Teile nach altbekannten
Formeln neu zu errechnen, damit die Forderung nach kalter
Leichtgängigkeit und heißem Preßsitz erfüllt wird. Der Werkstoff des
Mischers spielt nur dann eine Rolle, wenn auch für ihn eine
temperaturbedingte Fixierung im Hüllrohr angestrebt wird.
Ohne integrierten Mischer kann der Hohlkörper sehr kurz sein, jedoch
sollte die Länge nicht kleiner als sein halber Außendurchmesser
ausgeführt werden. Optimal ist ein Durchmesser zu Längeverhältnis von
1 : 1. Bei eingesetzten Mischern wird die Länge des Hüllrohres oder
Hohlkörpers durch die Länge des Mischers bestimmt, wobei sich die
Obergrenze aus den Abmessungen des tragenden auswechselbaren Bauteils
ergibt. Der Außendurchmesser des Hohlkörpers ist vorzugsweise 1,5 bis
2,0 mal so groß, wie der größte Innendurchmesser der Schmelzekanäle
bzw. der schmelzeführenden Bohrung durch den Hohlkörper. Diese Bohrung
ist, sofern die beiden abzudichtenden Schmelzekanäle an der
Übergangsebene den gleichen Durchmesser haben, zylindrisch.
Der erfindungsgemäße Hohlkörper ist aber zusätzlich zu seiner
Abdichtungsfunktion auch zur Anpassung verschiedener
Leitungsdurchmesser geeignet. In diesem Fall ist die Bohrung, zumindest
teilweise, den unterschiedlichen Durchmesser entsprechend, konisch
ausgeführt.
Durch das erfindungsgemäße Hüllrohr werden nicht nur kostspielige
Dichtungselemente erspart, sondern auch noch auf leichte Weise
Anpassungen an unterschiedliche Leitungsdurchmesser sowie beliebige und
schnelle Wechsel von statischen Mischern ermöglicht.
Die Anwendung und Funktion der Erfindung wird nachfolgend beispielhaft
anhand von zwei Zeichnungen weiter erläutert, wobei:
Fig. 1 einen Düsenadapter mit eingebautem statischen Mischer und einen
Spinnbalken sowie ein erfindungsgemäßes Abdichtungselement, und
Fig. 2 eine allgemeine, erfindungsgemäße Dichtungsanwendung
zeigen.
In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einem festmontierten Spinnbalken 1
gezeigt. Der Düseneinbauraum 2 ist ohne Spinnpaket dargestellt, es wird
lediglich der Düsenadapter 3 gezeigt, der mittels Schrauben 4 am
Spinnbalken befestigt ist. In dem Adapter 3 sitzt in der
Aufnahmebohrung 9 der Hohlkörper oder das Hüllrohr 5, in dem ein
statischer Mischer 6 eingebaut ist. Der Schmelzekanal 7, aus dem
Spinnbalken 1 kommend, wird über den Mischer 6 mit dem Schmelzekanal 8
im Düsenadapter 3 verbunden und über das Hüllrohr 5 bei
Betriebstemperatur (Temperatur der Polymerschmelze) in allen Richtungen
abgedichtet. Das Hüllrohr 5 kann auch leer sein, um die
Dichtungsfunktion zu erfüllen. Es muß lediglich aus einem Werkstoff
bestehen, der einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das
umgebende Düsenadapter-Material. Die Dichtungsfunktion wird dabei bei
Spinntemperatur durch die stärkere Ausdehnung des eingebauten
Hüllrohres 5 gegenüber den ihn umhüllenden Raum im Düsenadapter 3
erzielt. Es wird eine starke Flächenpressung in radialer und axialer
Richtung erzeugt und damit die Dichtwirkung in radialer und axialer
Richtung hervorgerufen. Dabei kann der ehemals kalt eingebaute
Düsenadapter 3 durchaus im heißen Zustand wieder ausgebaut und durch
einen anderen, noch kalten, ersetzt werden, weil die Abdichtung
zwischen Spinnbalken 1 und Adapter 3 nur durch die stirnflächige
Pressung bei Erwärmung auf Betriebstemperatur erfolgt.
In Fig. 2 wird ein Beispiel einer allgemeinen, erfindungsgemäßen
Dichtungsanwendung dargestellt. Ein Rohr 10, das während der Montage
auch heiß sein kann, hat einen völlig ebenen Flansch 11, der mit dem
ebenfalls völlig ebenen Flansch 12 eines anderen Rohres 13 oder
beliebigen Bauteiles, das aber kalt eingebaut wird, durch Schrauben 14
verbunden ist. Im Flansch 12 des kalt zu montierenden Teiles 13 sitzt
in der Aufnahmebohrung 19 ein Hohlkörper oder kurzes Rohrstück 15 mit
einer axialen Bohrung 16, wobei das Rohrstück 15 die beiden
Schmelzekanäle 17 und 18 - im dargestellten Fall mit einer zusätzlichen
durchmesserreduzierenden Funktion von einem Kanal auf den anderen -
miteinander verbindet und bei Betriebstemperatur in allen Richtungen
abdichtet, vorausgesetzt, es besteht aus einem Werkstoff, der einen
höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das umgebende Material
des Flansches 12. Natürlich können die beiden Schmelzekanäle 17 und 18
auch gleich groß sein, dann hat die Innenbohrung 16 des kurzen
Rohrstückes 15 ebenfalls den gleichen Innendurchmesser ohne
Reduzierung. Das kurze Rohrstück 15 hat in jedem Fall einen
Außendurchmesser, der mindestens 1,5 mal bis doppelt so groß ist wie
der Durchmesser des größeren Schmelzekanals, und eine Länge, die
mindestens dem halben, vorzugsweise bis ganzen eigenen Außendurchmesser
entspricht. Die Wandstärke des tragenden Teiles selbst darf ebenfalls
nicht zu schwach sein, um dem durch die Wärmeausdehnung des Rohrstückes
15 erzeugten Pressdruck und gegebenenfalls dem Druck der in den
Schmelzekanälen 17 und 18 zirkulierenden Polymerschmelze standzuhalten.
Claims (11)
1. Abdichtungselement zur Abdichtung des Überganges eines
Polymerschmelze führenden Schmelzekanals 17 eines fest montierten
Bauteils 11 in einen Schmelzekanal 18 eines demontierbaren,
auswechselbaren Bauteils 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
Abdichtungselement aus einem zylindrischen und außen glatten
Hohlkörper 15 mit einer axialen Bohrung 16 für den
Schmelzedurchtritt, welcher in den auswechselbaren Bauteil 12 in
eine passende Aufnahmebohrung 19 eingesetzt wird und aus einem
Werkstoff hergestellt ist, der einen höheren
Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das ihn umgebende Material
des auswechselbaren Bauteils 12.
2. Abdichtungselement nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmebohrung 16 ausschließlich
und gänzlich im auswechselbaren Bauteil 12 untergebracht ist und
in keinem Fall, auch nicht teilweise, in das Material des fest
montierten Bauteils 11 eingebracht ist.
3. Abdichtungselement nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Passungen des Hohlkörpers 15 und
der Aufnahmebohrung 19 so gewählt sind, daß diese Teile bei
Raumtemperatur leicht ineinander gleiten können und bündig
miteinander abschließen, und daß bei der Temperatur der
Polymerschmelze durch den höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Hohlkörpers 15 dieser absolut fest und spaltfrei in der
Aufnahmebohrung 19 sitzt und auch an den Stirnflächen vollständig
abdichtet.
4. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die abzudichtenden Anlageflächen der
beiden Bauteile 11 und 12 völlig eben und glatt, ohne jegliche
Dichthilfsrillen oder ähnliches, ausgeführt sind.
5. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper 15 einen
Außendurchmesser, der 1,5 mal bis 2,0 mal so groß ist wie der
größte Innendurchmesser der Schmelzekanäle 17 und 18, und eine
Länge, die mindestens das 0,5fache des Außendurchmessers beträgt,
hat.
6. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bohrung 16 des Hohlkörpers
15 für den Einsatz zwischen zwei Schmelzekanälen 17 und 18
unterschiedlichen Durchmessers zumindest teilweise eine konische
Bohrung zur reduzierenden Anpassung ist.
7. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß das auswechselbare Bauteil 12 im
heißen oder kalten Zustand demontierbar ist.
8. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das fest montierte Bauteil ein
Spinnbalken 1 und das auswechselbare Bauteil ein Düsenadapter 3
eines Schmelzspinnsystems ist, wobei der Hohlkörper ein Rohr 5
ist, welches bei Raumtemperatur lose in die Aufnahmebohrung 9 des
Düsenadapters 3 eingesetzt wird und bei Spinntemperatur den
Übergang des Schmelzekanals 7 in den Schmelzekanal 8 vollständig
abdichtet.
9. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlkörper 5 oder 15 statische
Mischelemente 6 eingesetzt sind.
10. Abdichtungselement nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der statischen
Mischelemente 6 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat
als der Werkstoff des die Mischelemente 6 einhüllenden Hohlkörpers
5 oder 15, was bei Spinntemperatur zu einer Fixierung der
Mischelemente 6 in dem Hohlkörper 5 oder 15 führt.
11. Abdichtungselement nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff des Hohlkörpers 5 ein
austenitischer Stahl, wie X 6 CrNiTi 18 10 oder
X 6 CrNiMoTi 17 12 2 ist und der Werkstoff des aufnehmenden
Düsenadapters 3 ein warmfester Chromstahl, wie X 20 CrNi 17 2 ist.
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