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Vorrichtung zum Mischen von viskose Massen bildenden Stoffen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von viskose Massen bildenden Stoffen. Die Vorrichtung gemäss der Erfindung eignet sich insbesondere zum Mischen von Rohmaterialien zur Bildung eines Polyurethanschaumstoffansatzes, der sich zu einem elastischen, gummiartigen Material verfestigt, das für Polster oder schwingungsdämpfende Einrichtungen verwendet werden kann.
Die meisten der derzeit verwendeten Mischer werden hiebei infolge der Veränderung des Aggregatzustandes der reagierenden Einsatzstoffe verlegt. Eine derartige Verlegung erschwert oder verhindert aber ein weiteres Mischen. Wenn bei dem Mischen eine Wärmeentwicklung stattfindet, wird dadurch auch die erforderliche Wärmeabfuhr oft behindert, so dass die Temperatur der Masse nicht mehr beherrscht werden kann. Bei der Vermischung der Einsatzstoffe für die Herstellung von Polyurethanschaumstoffen ist es ausserdem erwünscht, dass verschiedene Ansätze ohne Rücksicht auf die Durchsatzmenge bis zum gleichen Grade gemischt werden. Wenn der Mischvorgang nicht gut geregelt werden kann, lassen sich keine reproduzierbaren Ergebnisse erzielen.
In manchen bekannten Mischern mit umlaufenden Kegeltrommeln, die zum Mischen von Chemikalien vorgeschlagen worden sind, ist die Intensität des Mischvorganges in jeder Stufe eine Funktion der Drehzahl.
Der Durchsatz ist der Verweilzeit in jeder Stufe umgekehrt proportional. Es ist erkannt worden, dass eine der Ursachen dafür, dass einige der bekannten umlaufenden Mischer bei verschiedenen Durchsätzen keinen einheitlichen Mischungsgrad ergeben, darin besteht, dass die Mischfunktionen und-stufen sich längs des Weges des fliessenden Materials und parallel zur Drehachse der Kegeltrommel erstrecken.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von viskose Massen bildenden Materialien. Sie besitzt einen kegeligen Läufer, mit dessen einem Ende ein Antrieb in Verbindung steht, ferner einen Ständer mit einer kegeligen Kammer zur Aufnahme des axial damit fluchtenden kegeligen Läufers, einen ersten Kanal zur Zuführung von Rohmaterial, der mit einem Ende mit der Ständerkammer in Verbindung steht, einen zwischen den entgegengesetzten Enden des Läufers und der Ständerkammer vorgesehenen Aufnahmeraum für das Gemisch und einen zweiten Kanal, der zum Ausbringen des Gemisches mit dem Aufnahmeraum in Verbindung steht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer auf seiner Oberfläche abwechselnd glatte und stufenförmig gezahnte Segmente aufweist, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Läufers erstrecken, und die Wand der Ständerkammer ebenfalls im wesentlichen über ihre ganze Länge abwechselnd mit glatten und stufenförmig gezahnten Segmenten versehen ist, wobei die Zahnsegmente des Läufers und der Wand der Ständerkammer aus gestuften Zahnreihen bestehen, welche Flächen aufweisen, die im wesentlichen senkrecht, in gleicher Ebene und konzentrisch zur Drehachse sind, und dass der Läufer und die Ständerkammer so bemessen sind,
dass zwischen den umlaufenden und den feststehenden Zähnen nur ein sehr kleiner erster lichter Raum auftritt und zwischen den Zahnsegmenten und den ihnen gegenüberliegenden glatten Segmenten ein zweiter, etwas grösserer lichter Raum vorhanden ist und sich sowohl der erste als auch der zweite lichte Raum senkrecht zur Rotationsachse erstrecken.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Rohmaterial an dem kleinen Ende des kegeligen Läufers zugeführt und von dem grösseren Ende abgeführt. Der primäre Zwischenraum zwischen den umlaufenden und den feststehenden Zähnen beträgt vorzugsweise etwa 0, 089-2, 5 mm, während der zweite Zwischenraum zwischen den stufenverzahnten und den ihnen gegenüberliegenden glatten Segmenten etwa 0, 13-3, 6 mm beträgt.
Wenn die von dem Mischer zwecks Herstellung eines viskosen Polyurethanschaumstoffansatzes zu verarbeitenden Rohmaterialien aus einem mindestens zwei endständige Hydroxylgruppen besitzenden Polyester (beispielsweise Adipinsäure), n-Methylmorpholin, einem nichtionischen Emulgator, Wasser und Toluylendiisocyanat (Tolylendiisocyanat) bestehen, beträgt der erste Zwischenraum vorzugsweise etwa 0, 25-1, 0 mm und der zweite Zwischenraum vorzugsweise etwa 0, 36-1, 45 mm.
In Durchführung der Erfindung ist vorzugsweise eine Einrichtung zur Veränderung der Drehzahl des
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In der Zeichnung zeigt Fig. l einen Längsschnitt durch den unteren Teil des Mischers, Fig. 2 eine schaubildliche Darstellung des Mischers zum Boden des Austrittsteiles desselben gesehen, wobei der vordere Ständerdeckel und der Läufer entfernt sind, Fig. 3 eine schaubildliche Darstellung des kegeligen Läufers von oben gesehen, Fig. 4 eine schaubildliche Darstellung des vorderen Ständerdeckels von oben gesehen und Fig. 5 im Längsschnitt einen Teil des Läufers und Ständers nach einer andern Ausführungsform.
Das Gehäuse 10 hat einen geflanschten Kopf teil 11, der auf dem hinteren Ständerdeckel aufgesetzt und konzentrisch zu ihm angeordnet ist. Der hintere Ständerdeckel ist auf den Ständer 13 fluchtend aufgesetzt. Diese Teile sind fest miteinander verbunden, u. zw. mit Schrauben 14, die in Bohrungen 15 des Ständerdeckels 12 und des Ständerkörpers 13 eingeschraubt sind. Man kann jede zweckmässige Anzahl
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verteilt sind. Die am einen Ende zu einem geeigneten Drehzahlregler 16 a befestigte Antriebswelle 16 erstreckt sich durch den hohlen mittleren Teil 17 des Gehäuses 10 und wird von Lagern 18 und von geschmierten Dichtungen 19 geführt, die zwischen der Antriebswelle 16 und einem ausgenommenen Bereich 20 des hohlen mittleren Teiles 17 angeordnet sind.
Die Dichtungen 19 werden durch die Einführung eines geeigneten Schmiermittels durch die Bohrung 19 a des geflanschten Kopfteiles 11 geschmiert. Das andere gewindetragende Ende der Antriebswelle 16 erstreckt sich in eine axial mit ihr fluchtende Bohrung 21 in dem kleinen Ende eines kegelstumpfförmigen Läufers 22, dessen unterer Teil zur leichteren Drehung mit der Welle 16 verschraubt ist.
Der Läufer 22 ist axial fluchtend in einer hohlkegeligen Kammer 22 a des Ständers 13 angeordnet und um seine Schrägfläche herum abwechselnd mit glatten und stufenverzahnten Segmenten 23 und 24 versehen, die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Läufers, d. h. von dem kleineren Ende 25 zu dem grösseren Ende 26 desselben erstrecken. Die Schrägwände der hohlkegeligen Kammer 22 a des Ständers 13 haben ebenfalls miteinander abwechselnd glatte und stufenverzahnte Segmente 27 und 28, die sich im wesentlichen über die ganze Länge der Kammer erstrecken.
Die stufenverzahnten Segmente 24 und 28 haben vorzugsweise drei verschiedene Sätze von Arbeitsflächen, die zu dem Mischvorgang beitragen, u. zw. die ebenen Flächen 24 a und 28 a, die im wesentlichen in einer Ebene mit der Drehachse liegen, die ebenen Flächen 24 bund 28 b, die im wesentlichen senkrecht zu der Drehachse angeordnet sind, und die zylindrischen Flächen 24 c und 28 c, die zu der Drehachse im wesentlichen konzentrisch sind. Ferner sind die hohlkegelige Kammer 22 a des Ständers 13 und der kegelige Läufer 22 so bemessen, dass die umlaufenden und feststehenden Zähne mit einem sehr kleinen Zwischenraum 29 zwischen den ebenen Flächen 24 b und 28 b und den zylindrischen Flächen 24 c und 28 c ineinandergreifen, um das gleichzeitige Homogenisieren und Scheren der hindurchtretenden viskosen Masse in den primären Stufen zu erleichtern.
Der Zwischenraum 29 zwischen den ineinandergreifenden Zähnen beträgt vorzugsweise etwa 0, 09-2, 5 mm. Dies wird nachstehend ausführlicher erläutert.
Beim Mischen und Umsetzen von Rohmaterialien zwecks Bildung eines viskosen Polyurethanschaumstoffansatzes mit einer Viskosität von etwa350 bis 3000 Centipoise hat es sich gezeigt, dass ein Zwischenraum von etwa 0, 25 bis 1, 0 mm zwischen den ineinandergreifenden Zähnen ein optimales Kompromis zwischen einem gründlichen Mischen und einem hohen Durchsatz darstellt. Bei einem grösseren Zwischenraum wird der Durchsatz vergrössert, aber die Mischwirkung stark herabgesetzt. Ein anderer bei der Bestimmung des optimalen Zwischenraumes zwischen den ineinandergreifenden Zähnen zu berücksichtigender Faktor ist die Fliessfähigkeit der zu mischenden Materialien. Bei relativ dünnflüssigen Materialien kann ein relativ kleines Spiel zweckmässig sein.
Vorzugsweise ist der Zwischenraum 29 zwischen den ebenen Flächen 24 bund 28 b einerseits und zwischen den zylindrischen Flächen 24 c und 28 c gleich, doch kann dies mechanisch nur schwer zu erzielen sein und ist für die Erfindung nicht wesentlich.
Die hohlkegelige Kammer 22 a des Ständers 13 und der kegelige Läufer. 2. 2 sind ferner so bemessen und ausgebildet, dass zwischen den glatten und den stufenverzahnten Segmenten ein sekundärer Zwischenraum30 vorhanden ist, der die sekundären Mischstufen zum gleichzeitigen Falten und Krählen der hindurchtretenden viskosen Masse bildet.
Der Zwischenraum 30 zwischen den gezahnten Flächen 24 und 28 und den glatten Flächen 23 und 27 ist von dem jeweiligen Kegelwinkel abhängig und erreicht ein Maximum bei einem Kegelwinkel von 45 , während der Zwischenraum 30 sich dem primären Zwischenraum 29 zwischen den ineinandergreifenden Zähnen annähert, wenn der Kegelwinkel sich 0 oder 90 annähert. Der Zwischenraum 30 beträgt vorzugsweise etwa 0, 13-3, 6 mm, da ein grösserer Zwischenraum ein wirksames Falten des Materials und ein sauberes Krählen der glatten Flächen 23 und 24 verhindern, ein kleinerer Zwischenraum dagegen den Durchsatz übermässig herabsetzen würde.
Beim Mischen und Umsetzen von Rohmaterialien zur Bildung eines viskosen Polyurethanschaumstoffansatzes hat sich ein Zwischenraum von etwa 0, 36 bis 1, 45mm als optimales Kompromiss zwischen einem wirksamen Falten und Krählen einerseits und einem hohen Durchsatz anderseits erwiesen.
Die im Durchmesser grösseren Enden des Läufers 22 und des Ständers 13 sind von dem vorderen Ständerdeckel 31 umschlossen. Die beiden zuletzt genannten Bauteile sind mit Schrauben 32 aneinander befestigt, die in Bohrungen 33 eingeschraubt sind. Diese Bolzen sind vorzugsweise in gleichmässigen Abständen um den Umfang des vorderen Ständerdeckels 31 verteilt. Durch die horizontale Bohrung 34 des vorderen Ständerdeckels 31 wird ein geeignetes Kühlmittel, wie Wasser, in den Verteilerring 35 eingeführt, aus dem es durch geneigte Kanäle 36 im Gegenstrom-Wärmetausch zu den zwischen dem Ständer 13 und dem
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Verwendung von Dosierpumpen zugeführt.
Der in den Mischer eintretende Strom "A" bestand aus einem Vorgemisch von 95 Gew.-Teilen Polyester, 1, 4 Teilen n-Methylmorpholin, 2, 2 Teilen eines nichtionischen Emulgators und 1, 4 Teilen Wasser. Der Strom "B" bestand aus Toluylendiisocyanat (Tolylendiisocyanat).
Diese Ströme wurden dem Mischer gleichzeitig zugeführt, u. zw. in einem Verhältnis von 84, 6 Teilen des Stromes A zu 16, 4 Teilen des Stromes B. Der erhaltene Schaum hatte eine Dichte von 0, 074 gjcm3 und eine Zugfestigkeit von 0, 42 kgjcm2 ; zu seiner Verformung um 50% war eine Drucklast von 4, 2 kg/m2 erforderlich. Nach handelsüblichen Massstäben muss dieser Schaumstoff als hochwertig angesehen werden.
Beispiel 2 : Mit derselben Maschine wurde ein zweiter Versuch durchgeführt, in dem dieselben Bestandteile in denselben Anteilen wie in Beispiel 1, aber unter Zusatz eines COg-Gasstromes zur Einleitung der Schaumbildung zugeführt wurden. Der Mischer wurde im wesentlichen unter atmosphärischem Druck betrieben. Die Strömungsmenge des CO2-Gases wurde so geregelt, dass sie kleiner war als die Menge, die ein Durchblasen oder Puffen bewirken oder das Gemisch so schnell durch den Mischer drücken würde,
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Nach handelsüblichen Massstäben muss auch dieser Schaumstoff als hochwertig angesehen werden.
In grössere Maschinen können weitere Reihen von Stufenzähnen verwendet werden, während relativ kleine Einheiten mit einer geringeren Anzahl von Reihen, als in dem dargestellten Mischer gezeigt, auskommen können. Ferner kann die Antriebswelle anstatt an dem einen kleineren Durchmesser aufweisenden Eintrittsende an dem einen grösseren Durchmesser aufweisenden Austrittsende des Läufers angebracht werden. In grösseren Maschinen kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Welle durch den ganzen Läufer erstreckt, so dass weitere Radiallagerflächen geschaffen werden. Zur Erzeugung eines Polyurethanschaumstoffansatzes beträgt der Winkel zwischen der Drehachse und der glatten Berührungsfläche des Läufers vorzugsweise etwa 45 .
Bei Materialien mit andern Strömungseigenschaften oder andern Drehzahlen verwendet man am besten einen Winkel in einem Bereich, der zwischen einer zur Drehachse fast rechtwinkeligen Richtung (z. B. 85 ) und einer zur Drehachse fast parallelen Richtung (z. B. 5 ) liegt.
Fig. 5 zeigt eine andere Anordnung von Läufer und Ständer. Hier erstreckt sich ein Ende der Antriebswelle 116 in eine axial fluchtende Bohrung 121 in dem grösseren Ende des kegeligen Läufers 122, und es treten die Rohmaterialien in den Mischer über die Bohrung 139 ein, aus der sie in den Ringraum zwischen Ständer 113 und Läufer 122 gelangen. Daher beginnt das Mischen am grösseren Ende des Läufers 122 und kreist die Masse mit fortschreitend kleiner werdendem Durchmesser, bis sie den Aufnahmeraum 143 am kleineren Ende des Läufers 122 erreicht.
In dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Mischvorgang im wesentlichen derselbe wie vorstehend an Hand der Fig. 1 und 2 beschrieben, doch ist die zur Durchführung eines gegebenen Mischvorganges erforderliche Leistung wahrscheinlich etwas höher als beim Umlauf der Masse mit fortschreitend zunehmendem Durchmesser, weil im letzteren Fall das Mischen durch die Fliehkraft unterstützt wird, während diese in der Ausführungsformnach Fig. 5 überwunden werden muss.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Mischen von viskose Massen bildenden Materialien, bestehend aus einem kegelförmigen Läufer, mit dessen einem Ende ein Antrieb in Verbindung steht, einem Ständer mit einer kegelförmigen Kammer zur Aufnahme des axial damit fluchtenden kegelförmigen Läufers, einem ersten Kanal, der mit einem Ende mit der Ständerkammer zwecks Zuführung des Rohmaterials in Verbindung steht, einem das gemischte Material sammelnden Raum zwischen den gegenüberliegenden Enden des Läufers und der Ständerkammer und einem zweiten Kanal, der mit dem Sammelraum in Verbindung steht und zur Entnahme des darin befindlichen gemischten Materials dient, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (22, 122) auf seiner Oberfläche abwechselnd glatte und stufenförmig gezahnte Segmente (23, 24) aufweist,
die sich im wesentlichen über die ganze Länge des Läufers erstrecken, und die Wand der Ständerkammer (22 a, 122 a) ebenfalls mi wesentlichen über ihre ganze Länge abwechselnd mit glatten und stufenförmig gezahnten Segmenten (27, 28) versehen ist, wobei die Zahnsegmente des Läufers (22,
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aufweisen, die im wesentlichen senkrecht, in gleicher Ebene und konzentrisch zur Drehachse sind, und dass der Läufer und die Ständerkammer so bemessen sind, dass zwischen den umlaufenden und den feststehenden Zähnen nur ein sehr kleiner erster lichter Raum (29, 122) auftritt und zwischen den Zahnsegmenten und den ihnen gegenüberliegenden glatten Segmenten ein zweiter, etwas grösserer lichter Raum (30, 130)
vorhanden ist und sich sowohl der erste als auch der zweite lichte senkrechte Raum zur Rotationsachse erstrecken.