Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für einen Spinnkopf und einen Spinnkopf zur Herstellung von Kunststoffäden, der ein Gehäuse aufweist, in welchem die Kunststoffschmelze vor ihrem Austritt aus den Spinndüsen unter Druck ein Filterelement mit einem Filtermaterial durchströmt, das über eine Verteilereinrichtung in Abhängigkeit von der Stärke des Schmelzedruckes eine axiale Anpreßkraft erfährt, die unter Schließen von Dichtspalten auf die Dichtkanten des Filterelementes einwirkt.
Beim sogenannten Schmelzspinnen muß die Polymerschmelze unmittelbar vor Durchtritt durch die Düsenplatte einer Feinstfiltration mittels Sandfilter, Metallpulverfilter oder Filterkerzen unterworfen werden. Durch die EP 0 658 638 B1 ist es bekannt, die Polymerschmelze durch eine Mehrzahl parallel angeordneter Filterkerzen aus Metallgewebe zu leiten mit dem Nachteil, daß eine gleichmäßige Anströmung sämtlicher Filterkerzen praktisch ausgeschlossen ist, mit der Folge, daß einzelne Filterkerzen bevorzugt verschmutzen und sämtliche Filterkerzen nach kurzer Laufzeit gereinigt bzw. ausgetauscht werden müssen.
Bei einem gattungsgemäßen Spinnkopf nach der DE 42 25 341 A1 ist zwar bereits ein einziges Ringfilterelement vorgeschlagen worden, das eine Mischeinrichtung im Inneren des Gehäuses umfaßt, die dazu dient, den gefilterten Schmelzestrom unter homogener Durchmischung aus dem Filter kommend zusammenzuführen; allein das bekannte Filterelement ist nur wenig druckstabil und die Elastizität des eingespannten Filterelementes reicht nicht aus, um über seine Dichtkanten eine vollständige Abdichtung der möglichen Durchtrittsstellen in Form der Dichtspalte zu verschließen. Um diesem Nachteil zu begegnen, ist man in der Praxis zwar schon dazu übergegangen, das Ringfilterelement durch Tellerfilterpakete zu ersetzen; allein durch die dadurch bedingte Umlenkung des Schmelzestromes innerhalb des Filterelementes mit seinen Tellerfilterscheiben kommt es zu einem ungünstigen energetischen Strömungsverhalten, was den eigentlichen Filtervorgang für die Kunststoffschmelze behindert. Auch ist die dahingehende Lösung teuer in ihrer Realisierung.
Des weiteren ist aus der DE 42 27 114 ein Spinnkopf bekannt, bei welchem die Stabilität des Ringfilterelementes aufgrund einer radialen Abstützung durch eine Verteilereinrichtung zwar erhöht ist, jedoch mit der Folge, daß das Filterelement sehr ungleichmäßig durchströmbar ist.
Durch die US-PS'n 4,661,249 und 2,881,474 sind Filterelemente mit einem Stützrohr bekannt, das wandseitige Fluiddurchlässe aufweist, welche von einem Filtermaterial umschlossen sind. Das Filterelement ist dabei endseitig fest in Gehäuseteilen der Filtervorrichtung eingespannt, so daß dort nur eine Abdichtung im Bereich vorgebbarer Dichtungswerte erreichbar ist. Kommt es aufgrund der statischen Einspannung zu Setzungserscheinungen bei den Dichtungen, ist dies mit einem Dichtigkeitsverlust verbunden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabezugrunde, eine verbesserte Filtervorrichtung für einen Spinnkopf zu schaffen, die einen energetisch günstigen Filtrierbetrieb erlaubt, druckstabil ist, eine gute fortwährende Abdichtung gewährleistet und kostengünstig in der Realisierung ist. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, einen Spinnkopf der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß eine besonders homogene Kunststoffschmelze zur Erzeugung eines multifilen synthetischen Fadens am Austritt vorliegt. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Spinnkopf mit den Merkmalen nach Anspruch 12.
Dadurch, daß gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 das Filterelement unter Bildung einer austauschbaren Baueinheit ein Stützrohr mit wandseitigen Fluiddurchlässen aufweist, das von dem Filtermaterial umschlossen ist, das zumindest an einem Ende mit seiner Dichtkante über das Stützrohr axial vorsteht und/oder axial zurückversetzt ist, ist eine druckstabile Baueinheit gebildet, die auch bei hohen Schmelzedrücken funktionssicher im Betrieb ist. Da die Durchströmungsrichtung für die Kunststoffschmelze über die gesamte Länge des Filterelementes gleichmäßig in einer Richtung erfolgt, ist die Durchströmung energetisch günstig und dem Schmelzedurchfluß wird kein künstlicher Widerstand entgegengesetzt. Durch das vorstehende oder zurückversetzte Ende des Filtermaterials, das die jeweilige Dichtkante ausbildet, ist bei dem gegebenen Elastizitätsverhalten des Filterelementes eine sichere Abdichtung der möglichen Durchtrittsstellen in Form der Dichtspalte gewährleistet. Da sich das dahingehende Filterelement aus Standardbauteilen erstellen läßt, insbesondere aus üblichen Metallgewebefiltermaterialien, ist seine Herstellung kostengünstig.
Der dahingehende erfindungsgemäße Erfolg läßt sich auch gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 2 dadurch erreichen, daß zumindest an einem Ende eine eben verlaufende Dichtkante bei dem Filterelement vorhanden ist, wobei die Gesamtsteifigkeit des Filterelementes derart gewählt ist, daß unter der Anpreßkraft das Schließen der Dichtspalte erfolgt. In Abhängigkeit der Anpreßkraft ist somit ein dynamisch wirkendes Abdichtsystem für die Filtervorrichtung mit Spinnkopf realisiert, das mit wachsender Anpreßkraft zusehends abdichtet.
Der erfindungsgemäße Spinnkopf zeichnet sich besonders dadurch aus, daß die Kunststoffschmelze vom Eintritt bis zum Austritt gleichmäßig ohne unterschiedliche Verweilzeiten geführt wird. Der zwischen dem schmelzedurchlässigen Stützrohr und dem Verteilerkopf gebildete Abgaberaum gewährleistet das gleichmäßige Durchströmen des Filterelementes und das unbehinderte Abführen der gefilterten Kunststoffschmelze zum Austritt. Dabei wird eine hohe Druckstabilität des Filterelementes durch das Stützrohr erreicht.
Um einen günstigen Strömungsverlauf zu erhalten, ist es besonders vorteilhaft, den frei durchströmten Querschnitt des Abgaberaumes durch eine konische Verjüngung des Verteilerkopfes zum Austritt hin zu erweitern.
Zur Verbesserung des seitlichen Einströmens der Kunststoffschmelze in das Filterelement läßt sich an der Verdrängereinrichtung zwischen der Druckplatte und des Verteilerkopfes eine Unterseite der Druckplatte anfasen, die als Dichtfläche gegenüber einer Dichtkante des Filterelementes wirkt. Damit werden unvorteilhafte fließtechnische Stauecken vermieden.
Die Unterseite der Druckplatte ist hierzu vorzugsweise um einen Winkel von 0° bis 40° in Richtung des Austritts der Kunststoffschmelze im Spinnkopf geneigt.
Damit die Schmelze an den Enden des Filterelementes insbesondere an dem zur Druckplatte gewandten Ende des Filterelementes ohne wesentliche Behinderung sicher in das Filtermaterial einströmen kann, ist das Stützrohrund das Filtermaterial zu einem zylindrischen Filtermantel verbunden, an dessen Enden die Dichtflächen des Filterelementes ausgebildet sind. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß das Filtermaterial an dem zur Druckplatte gewandten Ende des Filterelementes mit seiner Dichtkante über das Stützrohr axial vorsteht oder zurückversetzt ist, so daß keine Stauecke entsteht.
Die Elastizität des Filtermantels wird überraschenderweise nicht durch die radiale Stabilität des Stützrohres eingeschränkt. Durch die Fluiddurchlässe in dem Stützrohr verfügt der Filtermantel über eine axiale Elastizität, die unter der axialen Anpreßkraft das Schließen der Dichtspalte über die Dichtkanten des Filterelementes dynamisch unterstützt. Die Elastizität des Filterelementes läßt sich noch dadurch begünstigen und erhöhen, indem das Filterelement nicht über Endkappen aus entsprechend steifem Material verfügt, sondern die Elastizität allein durch Verdichten des Filtermaterials und entsprechendem endseitigen Verschweißen erreicht wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Im folgenden wird die Filtervorrichtung für einen und der Spinnkopf anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
In der Fig.1 ist als Ganzes mit 10 bezeichnet ein Spinnkopf dargestellt zur Herstellung von Kunststoffäden aus einer Kunststoffschmelze (nicht dargestellt), insbesondere einer Polymerschmelze. Der Spinnkopf 10 weist ein Gehäuse 12 auf in der Art eines Hohlzylinders mit einer oberen Eintrittsöffnung 14 für den Eintritt der Kunststoffschmelze und mit einer unteren Austrittsöffnung 16 für die Aufnahme einer Spinndüse, die für den Austritt der Filamente eines multifilen synthetischen Fadens zahlreiche Düsenbohrungen aufweist (nicht dargestellt). Für die Erzeugung der Kunststoffilamente ist die untere Austrittsöffnung 16 in üblicher und daher nicht näher dargestellter Weise mit einer Spinndüsenplatte verschlossen. In Blickrichtung auf die Fig.1 gesehen stellt die rechte Bildhälfte den Spinnkopf in einer Ausgangsstellung dar und die linke Hälfte bezieht sich auf die Betriebsstellung, bei der unter der Druck- und Krafteinwirkung der Kunststoffschmelze die bewegbaren Teile des Spinnkopfes 10 in ihrer Betriebslage dargestellt sind.
Für einen Filtervorgang der Kunststoffschmelze wird diese vor ihrem Austritt aus den Spinndüsen über die Spinndüsenplatte unter Druck durch ein Filterelement 18 mit einem Filtermaterial 20 geführt, wobei die Durchströmungsrichtung radial von außen nach innen erfolgt. Das dahingehende Filterelement 18 ist in einer verbesserten Darstellung in der Fig.2 gezeigt. Das Filtermaterial 20 erfährt über eine Verteilereinrichtung 22 in Abhängigkeit seiner Stärke des Schmelzdruckes eine axiale Anpreßkraft, die unter Schließen von Dichtspalten 24 als mögliche Durchtrittsstelle für die Kunststoffschmelze auf die Dichtkanten 26,28 des Filterelementes 18 einwirkt. Das Filterelement 18 weist unter Bildung einer austauschbaren Baueinheit, wie sie in der Fig.2 dargestellt ist, ein Stützrohr 30 mit Fluiddurchlässen 32 für die Kunststoffschmelze auf, wobei der einfacheren Darstellung wegen in der Fig.3, die das Stützrohr 30 zeigt, nicht alle Durchlaßstellen 32 eingezeichnet sind. Diese sind jedoch in 3-er Gruppen einander zugeordnet gleichmäßig längs des Außenumfanges des trommelartigen Stützrohres 30 verteilt.
Das Filtermaterial 20 umschließt dabei unter Anlage mit dem Stützrohr 30 dasselbe. Wie die Fig.2 des weiteren zeigt, steht das Filtermaterial 20 in Blickrichtung auf die Figur gesehen am oberen Ende mit ihrer Dichtkante 28 über das Stützrohr 30 axial vor und am unteren Ende axial zurück.
Das Filtermaterial 20 besteht vorzugsweise aus einem plissierten Filtermantel 34 aus Drahtgewebe oder aus einem Metallfaservlies, insbesondere in Form von Edelstahl. Zur Verbindung der Mantelenden werden diese über eine Längsschweißnaht (nicht dargestellt) miteinander unter Bildung eines zylindrischen Hohlkörpers verbunden. Anstelle einer Plissierung kann der Filtermantel auch ein- oder mehrlagig um das Stützrohr 30 aufgewickelt werden (nicht dargestellt). Bei der gezeigten Ausführungsform besteht der Filtermantel 34 aus einem mehrlagigen Edelstahlgewebe mit einer Filterfeinheit zwischen 5µm bis 500µm, insbesondere 50µm bis 150µm. Das Filtermaterial ist im Handel auch unter der Markenbezeichnung "Chemicron" erhältlich. Sofern, wie im vorliegenden Fall, der Filtermantel 34 plissiert ist, ergibt sich für jede Filterfalte eine eigenständige Dichtkante 26,28 auf den gegenüberliegenden Endseiten des Filtermantels 34. Neben einer plissierten Ausgestaltung des Filtermantels 34 kann dieser auch aus einem durchgehenden zylindrischen Filtermantel mit ebenem Außenumfang bestehen. Des weiteren kann das jeweilige Filtermaterial 20 einstückig oder einteilig den Filtermantel 34 bilden, wobei das Stützrohr 30 integraler Bestandteil des gesamten Filterelementes ist. Gegebenenfalls kann bei einer nicht dargestellten Ausführungsform das Stützrohr 30 auch ganz entfallen und ausschließlich durch den Filterelemente-Zylinder gebildet sein.
Der Filtermantel 34 verfügt über eine vorgebbare Elastizität, die unter der bereits angesprochenen axialen Anpreßkraft während des Filtervorganges, also im Betrieb des Spinnkopfes 10, das Schließen der jeweiligen Dichtspalte 24 über die Dichtkanten 26,28 des Filterelementes 18 unterstützt. Wie des weiteren die Fig.2 zeigt, sind dabei die Dichtkanten 26,28 des Filterelementes 18 gegenüber den endseitigen Kreisebenen 36 des Stützrohres 30 um einen vorgebbaren Winkelbetrag, insbesondere um 15°, in Richtung des Eintritts der Kunststoffschmelze in den Spinnkopf 10 geneigt. Hierdurch entstehen parallel zu den angesprochenen Kreisebenen 36 zwei radiale Dichtflansche 38, die wie in der Darstellung nach der Fig.2 bei einem Filtermantel 34 entsprechend verdichtet und damit scheibenförmig ausgebildet sind. Eine dahingehende Verdichtung entsteht auch wenn der Filtermantel, wie bereits angesprochen, hohlzylindrisch ausgebildet ist. Außenumfangsseitig wird die Abdichtung über die Dichtkanten 26,28 bewerkstelligt. Eine wirksame Dichtwirkung und Abdichtung wird über das mit dem Filtermantel 34 zusammenwirkende Stützrohr 30 erreicht, so daß insgesamt das Filterelement 18 die Dichtwirkung erzielt.
Herstellmäßig sind dabei die Dichtkanten 26,28 des Filterelementes 18 jeweils durch eine Umfangsschweißnaht 40 gebildet (vgl. Fig.2), die die stirnseitigen Enden entlang der plissierten Falten des Filtermantels 34 vollständig überdeckt. Die Umfangsschweißnaht 40 ist dabei derart durch Schleifen od.dgl. nachbearbeitet, daß die Dichtkanten 26,28 entlang eines geschlossenen Umfangbogens zur Gewährleistung ihres Dichtungszweckes geradflächig verlaufen.
Die Verteilereinrichtung 22 weist einen Verteilerkopf 42 auf mit einer Druckplatte 44 an seinem oberen Ende. Der Verteilerkopf 42 ist innerhalb des Gehäuses 12 längsverfahrbar innerhalb einer zylindrischen Stützaufnahme 46 geführt. Das Filterelement 18 umfaßt dabei den Außenumfang des angesprochenen Verteilerkopfes 42 und stützt sich mit einem Ende an der Unterseite der Druckplatte 44 und mit dem anderen Ende an einem Vorsprung 48 der Stützaufnahme 46 ab. Die Unterseite der Druckplatte 44 und die Oberseite des Vorsprunges 48 sind dabei gleichfalls mit einem Neigungswinkel versehen, der dem Neigungswinkel der Dichtkanten 26 und 28 entspricht und vorzugsweise gegenüber der Horizontalen 15° beträgt.
Es ist jedoch auch möglich, die Unterseite der Druckplatte 44 mit einem Neigungswinkel von 0° auszuführen. Dabei kann zur Abdichtung des Dichtspaltes 24 auch ein Dichtring (nicht dargestellt) zwischen der Dichtkante 26 des Filterelementes und der Dichtfläche der Verteilereinrichtung 22 angeordnet sein.
Für die dahingehende Ausgestaltung ist es jedoch besonders vorteilhaft, ein Filterelement nach der Fig.2a einzusetzen ohne separaten Dichtring. Für diese geänderte Ausführungsform eines Filterelementes werden dieselben Bezugszeichen verwendet wie für das vorher vorgestellte Filterelement und diese neue Ausführungsform auch nur noch insofern erläutert, als sie sich wesentlich von der vorangegangenen Ausführungsform unterscheidet. Wie insbesondere die vergrößert dargestellte Einzelheit Y in der Fig.2a zeigt, ist in Blickrichtung auf die Figur gesehen die untere Dichtkante 28 gegenüber dem Stützrohr 30 axial zurückversetzt angeordnet. Am anderen Ende des Filterelementes 18 ist, wie die vergrößerte Einzelheit X zeigt, die Dichtkante 26 eben verlaufend angeordnet, d.h. zusammen in einer horizontalen Ebene liegend mit dem zugeordneten freien Ende des Stützrohres 30. Die Gesamtsteifigkeit des Filterelementes 18 nach der Fig.2a ist derart bemessen, daß unter der wachsenden und schließlich konstanten Anpreßkraft des Spinnkopfes und insbesondere seiner Druckplatte 44 das Schließen der Dichtspalte 24 zusehends bis zur maximalen Abdichtwirkung erfolgt und mithin eine sichere Abdichtung im Bereich der Rundschweißnähte, welche die Dichtkanten 26,28 im wesentlichen bilden.
Der Außenumfang des Filterelementes 18 begrenzt mit der Stützaufnahme 46 einen Zuführraum 50, der derart volumetrisch bemessen ist, daß ein möglicher Totraum gering gehalten ist. Das Stützrohr 30 mit dem Verteilerkopf 42 begrenzt wiederum einen Abgaberaum 52 für die Kunststoffschmelze, wobei der Abgaberaum 52 auch aus einzelnen Längskanälen bestehen kann, die außenumfangsseitig am Verteilerkopf 42 angeordnet in dessen Längsrichtung sich über die gesamte Höhe des Stützrohres 30 erstrecken können. Während der Zuführraum 50 in Blickrichtung auf die Fig.1 gesehen sich konisch von oben nach unten verjüngt, erweitert sich der Abgaberaum 52 von oben nach unten konisch. Es hat sich gezeigt, daß dies zu optimalen Strömungsverhältnissen bei der Durchströmung des Filterelementes 18 führt bei gleichzeitiger Totraumverringerung.
Der Verteilerkopf 42 wirkt in üblicher Weise mit einem Steuerkopf 54 zusammen, der längsverfahrbar im Gehäuse 12 entlang der Innenwandung geführt ist und mit zunehmender Zustellbewegung in Richtung des Verteilerkopfes 42 eine randseitige Abdichtung 56 gegenüber dem Gehäuse 12 vornimmt. Für die Zufuhr der Kunststoffschmelze auf die Druckplatte 44 weist der Steuerkopf 54 eine Mittenausnehmung 58 auf und die Kunststoffschmelze verteilt sich von dort aus gleichmäßig über die Oberseite der Druckplatte 44. Über eine umfangsseitige Längskanalführung 60 tritt von dort aus die Kunststoffschmelze in den Zuführraum 50. Der Steuerkopf 54 ist gegenüber dem Verteilerkopf 42 über einen federelastischen Abstandshalter 62 abgestützt in der Art eines Teilsegmentes einer Tellerfeder. Der dahingehende Abstandshalter kann sich mit seinem unteren Ende wiederum an einem Randflansch der Stützaufnahme 46 oder am Verteilerkopf 42 für eine Wegbegrenzung des Steuerkopfes 54 entsprechend abstützen.
Bei der Zustellbewegung des Steuerkopfes 54 von seiner rechten, nicht betätigten Position in die linke Betriebsposition verfährt er also um eine vorgebbare Wegstrecke. Wird nach Überwindung des freien Federweges des Abstandshalters 62 die dahingehende Kraft in Verbindung mit der Druckkraft der Kunststoffschmelze auf die Druckplatte 44 der Verteilerkopf 42 in derselben Richtung nach unten bewegt, ergibt dies eine erhöhte Klemmkraft auf die Dichtkanten 26,28 des Filterelementes 18 und die Dichtspalte 24 als mögliche Durchtrittsstellen zwischen Verteilerkopf 42 und Filterelement 18 bzw. zwischen diesem und der Stützaufnahme 46 sind sicher verschlossen. Über die Elastizität des derart eingespannten Filterelementes 18 ergibt sich dann die erhöhte Dichtwirkung mit einer dynamischen Verformung der Dichtung selbst.