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Hintergrund der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen
flüssiger
chemischer Komponenten, die unter Druck zugeführt werden und die miteinander
reagieren können,
um Polyurethanharze, zweikomponentigen Harze und Formartikel herzustellen;
gemäß der Erfindung
wird die Turbulenz und die Wirbelstärke oder Verwirbelung, die
durch das Einspritzen und durch den Aufprall der Strahlen der chemischen
Komponenten in einer Mischkammer ausgelöst werden, positiv genutzt
durch geeignet zueinander geformte spezifische Einspritzeinrichtungen,
um eine Verfahrensweise bereitzustellen, die eine Verbesserung der
Mischprozesse im Vergleich zu den mit herkömmlichen Einspritzeinrichtungen durchführbaren
erzielt.
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Stand der Technik
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Bei
der Herstellung von Polyurethanharzen, zweikomponentigen Harzen,
oder geformten Artikeln aus festem oder flexiblem Kunststoffmaterial
werden zwei oder mehr reaktive chemische Komponenten, mit Aufschäummitteln
und/oder -zusätzen
in geeigneten Mischvorrichtungen gemäß herkömmlicher Verfahrensweisen gemischt;
das resultierende reaktive Gemisch wird in eine Form gespritzt oder
auf ein Substrat gegossen, wo es schnell reagiert, um einen Polyurethanschaum
oder ein Elastomermaterial zu bilden, zum Beispiel bei der Herstellung
von Platten und Formteilen.
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Grundsätzlich gibt
es zwei bekannte Mischtechniken, nämlich: Eine erste Mischmethode,
die als Niederdruckmischen bezeichnet wird, umfasst die Zufuhr von
chemischen Komponenten bei niedrigem Druck im Bereich von wenigen
Dutzend Bar oder weniger in eine Mischkammer, in der sie durch die
mechanische Einwirkung eines Rührers
(Impeller) gründlich
gemischt werden.
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Nach
einer anderen Mischtechnik, dem sogenannten Hochdruckmischen oder
Mischen durch Aufeinanderprall, werden die chemischen Komponenten
unter hohem Druck zugeführt,
gleich oder höher
als 100–150
Bar (10–15
Mpa), und separat oder vorgemischt in eine Mischkammer mit so hoher
Geschwindigkeit und kinetischer Energie eingespritzt, um ihre Durchmischung
durch die Wirbelbildung und Verwirbelung der Ströme, nachdem sich die Komponentenstrahlen
in einem Kollisionsgebiet gekreuzt haben, zu bewirken.
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Die
bekannten Hochdruckmischvorrichtungen sehen daher die separate Zufuhr
und das Einspritzen von individuellen chemischen Komponenten in
eine Mischkammer vor, was durch gewöhnliche Einspritzdüsen geschieht,
die in einer solchen Weise geformt sind, um die Energie des hohen
Drucks, mit dem die individuellen chemischen Komponenten zugeführt werden,
in eine entsprechend hohe kinetische Energie der Strahlen umzuwandeln.
Hochdruckmischvorrichtungen sind zum Beispiel in
US 4,332,335 und
EP 0 162 130 beschrieben.
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In
der Vergangenheit wurden Versuche unternommen, um die Effektivität beim Hochdruckmischen
zu verbessern, indem zunehmend höhere Druckwerte
bei der Zufuhr der individuellen Komponenten angewendet wurden oder
indem Drosselelemente zum Drosseln der Auslassöffnung der Mischkammer eingesetzt
wurden oder indem Nachmischeinrichtungen angewendet wurden, wobei
alle diese Mittel die Vorrichtung tendenziell in ihrer Funktion und
Struktur komplizierter machen.
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Immer
wenn es nötig
ist, chemische Komponente miteinander zu vermischen, die hoch viskos sind
oder im Hinblick auf ihre Löslichkeit
und Mischbarkeit unverträglich
sind, wie zum Bei spiel eine hydrophobe und eine hydrophile Komponente,
müssen gewöhnlich sehr
hohe Zufuhrdruckwerte angewendet werden, um die gewünschte Turbulenz
und Durchmischung zu erreichen, mit einem folglich größerem Energieverbrauch
und einer höheren
funktionellen und strukturellen Komplexität der gesamten Anlage.
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Die
gleichen Bemerkungen gelten auch für das Mischen von kleinen Volumen,
typischerweise unterhalb von 80cc/sec bis zu 1 oder 2 cc/sec, wobei es
nach den bekannten Studien von Reynolds über Turbulenz bei der Verwendung
von kleinen Volumina und kleinen Leitungen sehr schwierig ist, ausreichende
Turbulenzbedingungen der Flüssigkeiten
zu erzeugen und aufrechtzuerhalten.
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Es
ist ebenfalls bekannt, dass eine Einspritzeinrichtung aus einer
Einrichtung besteht, die mit einer speziellen Düse versehen ist, welche einen
Flüssigkeitsstrahl
mit einer hohen Geschwindigkeit in einer gegebenen Richtung stromabwärts einer
Auslassöffnung
mit einer kleinen Querschnittsfläche
für den Durchgang
der Flüssigkeitsströmung erzeugen
kann. Im Allgemeinen hat die Düse
eine Innenfläche
in Kontakt mit der Flüssigkeit,
die sich auf die Auslassöffnung
zu zunehmend verengt, um so in der Flüssigkeitsströmung eine
Geschwindigkeitserhöhung
nach Maßgabe
der Abnahme der Druckenergie zu erzeugen, um so eine Strömung mit
hoher Geschwindigkeit für
eine bestimmte zu realisierende Anwendung zu erzeugen.
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Die
Anwendung von Düsen
mit Fortsätzen ("lobed nozzles"), die mit einer
Mehrzahl von peripheren, in radialer Richtung von einem zentralen
Gebiet sich erstreckenden Fortsätzen
versehen sind, wurde in der Vergangenheit in
US 5,444,124 und in
US 5,664,733 für verschiedene Anwendungen
für den einzigen
Zweck vorgeschlagen, um die Dispersion von festen und flüssigen Partikeln
in einem Fluid, wenn diese durch dieselbe Düse ausgege ben werden, zu verbessern.
Diese Lösungen
sehen vor, dass die Düse
eine Öffnung
mit einem festen Auslassquerschnitt hat und dass die Düse daher
keinerlei Einstellung erlaubt oder benötigt.
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Die
Verwendung von mit Fortsätzen
versehenen Düsen
ohne Einstellung wurde auch zur Zufuhr von Kraftstoffgemischen in
Verbrennungskammern von Einspritzmotoren vorgeschlagen, siehe zum
Beispiel "Fluid
Physics" veröffentlicht
von dem American Institute of Physics, Band Nr. 13, 11. November
2001, und AIAA Journal, Band Nr. 41, 4. April 2003.
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Düsen mit
Fortsätzen
der oben beschriebenen Art haben daher nur ein zentrales Gebiet
für die Ausgabe
der Flüssigkeit
und eine Mehrzahl von schlaufen- oder ausbuchtungsartig geformtem
radialen Fortsätzen,
die durch eine glatte Innenfläche
begrenzt werden. Der Druckabfall und die dynamischen Eigenschaften
des Strahls müssen
daher vorab bestimmt sein, da sie ausschließlich von der Querschnittsfläche des
Durchflussdurchgangs abhängen, ohne
irgendeine Möglichkeit,
sie zu variieren oder einzustellen, außer indem der Volumenstrom
des Fluids verändert
wird.
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Düsen mit
Fortsätzen
der oben beschriebenen Art haben sich daher als völlig ungeeignet
für die Anwendung
beim Hochdruckmischen von reaktiven chemischen Komponenten erwiesen,
insbesondere bei der Herstellung von Polyurethan- oder zweikomponentigen
Harzen, bei denen im Allgemeinen vorab bestimmte Volumenströme bei jeder
Einspritzung erforderlich sind, jedoch bei jedem Produktionswechsel verändert werden
müssen,
und für
die es wichtig ist, den Zufuhrdruck oder den Druckabfall, der durch
die Düse
erzeugt wird, und die dynamischen Eigenschaften des Strahls in Bezug
auf den Volumenstrom des Fluids zu ändern und anzupassen, um die
besten Mischbedingungen zu finden.
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Tatsächlich hat
sich aus durchgeführten Tests
und Experimenten ergeben, dass die durch die einfache Unterteilung
der Strömung
einer gewöhnlichen
Düse mit
Fortsätzen
der oben beschriebenen Art verursachte Oberflächenwirbelstärke und
das Fehlen eines geeigneten Einstellsystem zur Veränderung
des Volumenstroms sich als ungenügend
erwiesen haben, um die Mischeffektivität in herkömmlichen Hochdruckmischvorrichtungen
geeignet einzustellen und zu verbessern, bei denen sich das Vorhandensein
einer starken Turbulenz in den Strahlen als eine wesentliche Voraussetzung
zur Erzielung einer gründlichen
Durchmischung gezeigt hat.
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Ziele der Erfindung
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Es
besteht demgemäß ein Bedarf,
Hochdruckmischverfahren und -vorrichtungen der herkömmlichen
Art zum Mischen von chemisch reaktiven Komponenten weiter zu verbessern,
insbesondere bei der Herstellung von Polyurethanharzen oder zweikomponentigen
Harzen und geformten Artikeln.
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Daher
ist es ein Ziel der Erfindung, Hochdruckmischverfahren und -vorrichtungen
zur Verfügung
zu stellen, mit denen es möglich
ist, die Wirbelstärke
in den Strahlen der individuellen Einspritzdüsen und die Turbulenz in einer
Aufprallzone einer Mischkammer zu erhöhen und die Bedingungen zum Einengen
der Querschnittsfläche
der Düsen
geeignet einzustellen und festzusetzen, um so die Mischeffektivität zu erhöhen.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Hochdruckmischvorrichtung
zum Mischen reaktiver chemischer Komponenten bereitzustellen, die dazu
in der Lage ist, das oben angegebene Ziel durch eine einfache Lösung zu
erreichen, die an verschiedene Anwendungsbedingungen leicht anpassbar
ist, um sie an vorbestimmte Volumenströme anzupassen.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird daher ein Verfahren zum Hochdruckmischen von
chemisch reaktiven Fluidkomponenten für die Herstellung von Polyurethanharzen,
zweikomponentigen Harzen und geformten Artikeln bereitgestellt, bei
dem:
Volumenströme
einer ersten und wenigstens einer zweiten Fluidkomponente zu einer
jeweiligen Einspritzeinrichtung unter Druck zugeführt werden,
die eine Einspritzdüse
und ein Druckabfall-Steuerkolbenteil aufweist, wobei die Einspritzdüse und das Kolbenteil
Oberflächen
haben, um das Fluid in verengender Weise auf eine Auslassöffnung zum
Ausbringen eines Flüssigkeitsstrahls
zu berühren;
der
Fluidstrahl jeder chemischen Komponente in eine Mischkammer einer
Mischeinrichtung eingespritzt wird, in der die chemischen Komponenten
durch Turbulenz und Aufeinanderprallen gründlich gemischt werden, kennzeichnet
durch die Schritte:
Anpassen der Einspritzdüse und/oder des Kolbenteils,
um eine Öffnung
mit Fortsätzen
(lobes) zum Ausbringen des Fluidstrahls bereitzustellen;
Einstellen
der Betriebsstellung des Kolbenteils in Bezug auf die Einspritzdüse, um eine
mit Fortsätzen versehene
Auslassöffnung
mit sich verkleinerter Querschnittsfläche in Bezug auf den Volumenstrom der
chemischen Komponente bereitzustellen, um einen vorbestimmten Druckabfall
in dem Strahl zu bewirken; und
Erzeugen eines wirbelstarken
oder wirbelnden und hochturbulenten Zustands in dem Fluidstrahl,
wobei der Fluidstrahl in mit einer Mehrzahl von radial verlaufenden
Fortsatzformen geformt wird, wenn er durch die mit Fortsätzen versehene Öffnung fließt.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Einspritzeinrichtung zum
Zuführen
einer chemisch reaktiven Fluidkomponente in eine Mischkammer einer
Mischvorrichtung für
die Herstellung von Polyurethanharzen, zweikomponentigen Harzen
und geformten Artikeln bereitgestellt, die aufweist:
Einen
Hohlkörper,
der einen Durchflussweg für
die Komponente zwischen einem Fluideinlass und einer Auslassöffnung einer
Einspritzdüse
definiert;
ein Kolbenteil, das koaxial in der Einspritzdüse verläuft, um
den Druckabfall zu steuern, wobei die Düse und das Kolbenteil Oberflächen zum
Kontakt mit dem Fluid haben, die sich auf das Auslassloch der Düse zu verjüngen, dadurch
gekennzeichnet, dass
die Oberflächen der Düse und/oder des Kolbenteils
in Fluidkontakt so angepasst geformt sind, um eine Auslassöffnung mit
Fortsätzen
zu bilden, die eine mittleren Bereich und eine Mehrzahl von peripheren Fortsätzen hat,
die lappen- oder blattförmige
Fortsatzgebiete in dem Flüssigkeitsstrahl
bildet oder unterteilt, die radial von dem mittleren Bereich der
mit Fortsätzen
versehenen Öffnung
verlaufen.
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In
möglichen
Ausführungsformen
können
die Düse
und/oder das Kolbenteil zum Steuern des Druckabfalls einander zugewandte
Oberflächen
in Kontakt mit dem Fluid haben, die mit Einkerbungen oder scharfen
Kanten zum Zweck der Erhöhung
der Verwirbelungsbedingungen und der Turbulenz in dem Fluidstrahl
jenseits der Einspritzdüse
versehen sind.
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Gemäß der Erfindung
kann das Kolbenteil in der Form einer Stange, entweder mit einem
vollen Querschnitt oder mit einem hohlen Querschnitt haben, die
in einer Vielzahl von elastisch nachgiebigen Längszungen endet, um den Auslassquerschnitt
der mit Fortsätzen
versehenen Öffnung
der Einspritzdüse
zu verändern,
indem die axiale Position des genannten Steuerkolbens in Bezug auf
die Düse
geeignet eingestellt wird, um den erforderlichen Zufuhrdruck in
Beziehung zu einem vorbestimmten Volumenstrom zu liefern.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird eine Hochdruckmischvorrichtung zum Mischen chemisch
reaktiver Fluidkomponenten für die
Herstellung von Polyurethanharzen oder zweikomponentigen Harzen
und geformten Artikeln bereitgestellt, mit:
Einer ersten und
einer zweiten Einspritzeinrichtung zur Zufuhr chemischer Kompontenten
in eine Mischkammer;
wobei wenigstens eine der Einspritzeinrichtungen
einen Hohlkörper
und eine Düse
aufweist, die einen Durchflussweg für das Fluid zwischen einer
Einlass- und einer Auslassseite definiert;
einem axial beweglichen
Steuerkolbenteil zur Einstellung des Druckabfalls;
wobei die
Düse und
das Kolbenteil gegenüberliegende
Oberflächen
zum Kontaktieren der Flüssigkeit
haben, die sich auf die Auslassöffnung
zu verengen, die einen Fließquerschnitt
in der Richtung einer Längsachse
aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Düse und/oder
das Kolbenteil angepasst geformt sind, um eine mit Fortsätzen versehene
Auslassöffnung
für das
Fluid zu bilden, wobei die mit Fortsätzen versehene Auslassöffnung eine
zentrale Zone und eine Mehrzahl von radial von der zentralen Zone
ausgehenden Fortsätzen
aufweist.
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Optional
sind die Düse
und/oder das Kolbenteil zum Steuern und Einstellen des Druckabfalls
mit einer Mehrzahl von scharfen Kanten versehen, die in den Querschnitt
und/oder in die Richtung einer Längsachse
der Düse
in Bezug auf die Fluidkontaktoberflächen vorragen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Diese
und andere Merkmale des Verfahrens, der Einspritzeinrichtung und
der Vorrichtung gemäß der Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen deutlich,
in denen:
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1 einen
Längsschnitt
einer Hochdruckmischvorrichtung zeigt, die mit Fortsätzen gemäß der Erfindung
versehen ist;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 aus 1 zeigt;
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3 einen
Längsschnitt
einer ersten Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung zeigt, die mit einer mit Fortsätzen versehenen
Düse gemäß der Erfindung
ausgerüstet
ist;
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4 eine
vergrößerte Vorderansicht
entlang der Linie 4-4 aus 3 zeigt;
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5 eine
vergrößerte Teilansicht
der mit Fortsätzen
versehenen Düse
aus 3 zeigt;
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6 eine
vergrößerte perspektivische Schnittansicht
der Einspritzdüse
zeigt;
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7 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der Vorderseite des Kolbenteils zur Einstellung des Druckabfalls
zeigt;
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8 einen
Längsschnitt
einer zweiten Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung zeigt, die mit einer mit Fortsätzen versehenen
Düse gemäß der Erfindung
ausgerüstet
ist;
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9 eine
vergrößerte Vorderansicht
entlang der Linie 9-9 aus 8 zeigt;
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10 eine
vergrößerte Detailansicht
der Düse
aus 8 zeigt;
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11 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der Vorderseite des Kolbenteils zum Einstellen des Druckabfalls
zeigt;
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12 einen
Längsschnitt
einer dritten Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung zeigt, die mit einer mit Fortsätzen versehenen
Düse gemäß der Erfindung
ausgestattet ist;
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13 eine
vergrößerte Vorderansicht
entlang der Linie 13-13 aus 12 zeigt;
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14 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der Vorderseite des Kolbenteils zum Einstellen des Druckabfalls
zeigt;
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15 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht eines Schnittes der Düse
und des Kolbenteils zeigt;
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16 einen
Längsschnitt
einer vierten Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung zeigt, die mit einer mit Fortsätzen versehenen
Düse gemäß der Erfindung
ausgestattet ist;
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17 eine
Vorderansicht entlang der Linie 17-17 aus 16 zeigt;
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18 einen
vergrößerte perspektivische Ansicht
der Vorderseite des Kolbenteils zum Einstellen des Druckabfalls
zeigt;
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19 eine
vergrößerte Querschnittsteilansicht
der Düse
und des Kolbenteils zeigt;
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20 einen
Längsschnitt
einer fünften
Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung mit einer mit Fortsätzen versehenen Düse gemäß der Erfindung zeigt;
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21 eine
Vorderansicht entlang der Linie 21-21 aus 20 zeigt;
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22 eine
vergrößerte perspektivische
Ansicht der Vorderseite des Kolbenteils zum Einstellen des Druckabfalls
zeigt;
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23 eine
vergrößerte perspektivische Schnittansicht
der Düse
und des Kolbenteils zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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1 und
2 zeigen
eine Hochdruckmischvorrichtung zum Mischen reaktiver chemischer Komponenten,
die vom selbstreinigenden Typ ist und für die Herstellung von gegossenen
oder geschäumten
Artikeln aus Polyurethanmaterial oder zweikomponentigen Harzen geeignet
ist, zum Beispiel von der in
US
4,332,335 beschriebenen Art. Die Mischvorrichtung umfasst
ein Gehäuse
10 mit
einer Mischkammer
11, die sich zu einem Auslaufkanal
12 öffnet.
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In
dem dargestellten Fall ist der Kanal 12 zur Ausgabe des
resultierenden Gemisches im rechten Winkel zur Achse der Mischkammer 11 angeordnet; es
sind jedoch auch andere Lösungen
mög lich,
wie etwa eine axial ausgerichtete Anordnung der Mischkammer und
des Auslaufkanals, oder andere Konfigurationen.
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Innerhalb
der Mischkammer 11 ist ein erstes Reinigungsteil 13 gleitend
beweglich, wobei das Reinigungsteil 13 im Wesentlichen
aus einem zylindrischen Kolbenteil besteht, das mit der Kolbenstange 14 eines
ersten hydraulischen Steuerzylinders 15 verbunden ist;
in an sich bekannter Weise weist das Kolbenteil 13 Längsschlitze 16, 16' zur Rückführung der
einzelnen chemischen Komponenten auf.
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Die
Mischvorrichtung umfasst auch ein zweites Reinigungsteil 17 zum
Reinigen des Auslaufkanals 12, das wiederum aus einem zylindrischen
Kolbenteil besteht, welches mit der Kolbenstange 18 eines
zweiten hydraulischen Steuerzylinders 19 verbunden ist.
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Vorherbestimmte
Volumenströme,
die in Bezug auf den für
den individuellen chemischen Komponenten, die zu mischen sind, benötigten Druck
variabel sind, werden in die Mischkammer 11 durch jeweilige
Einspritzeinrichtungen 20, in diesem Fall durch zwei Einspritzeinrichtungen,
eingespritzt, die in Bezug auf die Mischkammer radial orientiert
sind, um es zu ermöglichen,
dass die Strahlen der Komponenten in einer sehr wirbelstarken oder
verwirbelnden und turbulenten Weise zur innigen Vermischung miteinander
kollidieren. Die chemischen Komponenten werden den einzelnen Einspritzeinrichtungen 20 durch
Zuführleitungen 21 zugeführt, die
sich in jeweilige ringförmige
Kammern 22 öffnen;
die individuellen chemischen Komponenten können in ihre zugehörigen Tanks
durch die Rückführschlitze 16, 16' in dem Reinigungsteil 13,
und die Rückführleitungen 24 und 25 in
an sich bekannter Weise zurückgeführt werden.
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Wie
zuvor erwähnt
wird gemäß der Erfindung,
um eine starke Turbulenz und einen hohen Mischungsgrad der chemischen
Kompo nenten zu erreichen, die Verwendung einer bestimmen Einspritzeinrichtung 20 vorgesehen,
die mit einer mit Fortsätzen versehenen
Düse mit
einer Auslassöffnung
und einem Kolbenteil versehen ist und die in einen verengten Abschnitt
der Düse
Flusskontaktoberflächen
für das
Fluid mit verschiedenen Formen aufweist, um den Druckabfall zu steuern
und einzustellen und um die Ausdehnung der Kontaktoberfläche zu erhöhen, um
weitere Wirbelbildung und Turbulenz in dem Strahl auszulösen. Die
Düse und/oder
das Kolbenteil können
entweder glatte Oberflächen
haben oder eine Vielzahl von scharfen Kanten aufweisen, die dazu gestaltet
sind, um hochturbulente Bedingungen in dem Fluid zu erzeugen, während gleichzeitig
das Kolbenteil axial beweglich bleibt, um den in dem Fluid, das
durch die Einspritzdüse
fließt,
auftretenden Druckabfall einzustellen.
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Eine
erste Ausführungsform
eines mit Fortsätzen
versehenen Einspritzers gemäß der Erfindung
ist in 3 bis 7 der zugehörigen Zeichnungen gezeigt.
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In 3 weist
die Einspritzeinrichtung 20 einen Hohlkörper 26 mit einem
längsverlaufenden
Führungsloch 26A für das axial
bewegliche Kolbenteil 27 auf, das dazu geformt ist, um
den Druckabfall in dem Fluid zu steuern; aus Gründen der Klarheit ist das Kolbenteil 27 in
den verschiedenen Figuren in einer rückwärtigen Position in Bezug auf
die Düse
der Einspritzeinrichtung gezeigt. Das Führungsloch 26A endet
an seinem vorderen Ende in einer Düse 28, die mit einer
axialen Bohrung 29 zur Einstellung des in die Mischkammer 11 einer
Mischvorrichtung eingespeisten Fluidstrahls versehen ist; Bezugszeichen 30 bezeichnet
in 2 und 3 seitliche Einlassöffnungen
für die
chemischen Komponenten in die Düse 28.
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Die
Düse 28,
wie in 3 und der vergrößerten Detailansicht aus 5 gezeigt,
hat eine konische innere Oberfläche 31 zum
Kontakt mit dem Fluid, die zu dem Auslassloch 29 hin zusammenläuft; die Fluidkontaktoberfläche 31 der
Düse bildet
zusammen mit der Fluidkontaktoberfläche am vorderen Ende 27A des
Kolbens 27 eine Auslassöffnung
mit verengter Querschnittsfläche,
die den Durchflussdurchgang für
das Fluid zu dem Aus- lassloch 29 zunehmend einengt, um
so, durch den verengten Durchgang der genannten Düse, sowohl
einen Druckabfall und eine Fluidströmung mit hoher Geschwindigkeit
in der Richtung der Einengung des Lochs 29 zu erzeugen.
In dem Fall von 3 und 5 ist die
Düse 28 aus
einem Stück
mit dem Körper 26 der
Einspritzeinrichtung hergestellt, sie könnte jedoch auch als separates
austauschbares Bauteil für
die gleiche Einspritzeinrichtung ausgeführt werden.
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Wie
auch in 4, 5 und 6 gezeigt ist
die Düse 28 mit
einer Auslassöffnung 29 versehen,
die zusammen mit dem Kolben 27 eine mit Fortsätzen versehene Öffnung bildet,
die dazu gestaltet ist, um den ausgehenden Strahl der chemischen Komponenten
zu formen und in eine Mehrzahl von Teilströmen zu teilen entlang eines
verengten Bereichs der Einspritzeinrichtung; die Form der Düse mit Fortsätzen oder
genauer gesagt der Auslassöffnung
teilt den Komponentenstrom in einen axial gerichteten zentralen
Strom und in eine Mehrzahl von radialen Fortsatzformen, die durch
seitliche Ströme gebildet
werden, aber in radialen Ebenen liegen, wodurch es ermöglicht wird,
die Turbulenzzustände
in dem zentralen Teil des Strahls zu vergrößern und gleichzeitig weitere
Wirbel zu bilden.
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Wie
in dem Beispiel aus 4 gezeigt weist die Auslassöffnung 29 der
Düse genauer
gesagt eine kreisförmige
zentrale Zone 29A und eine Mehrzahl von Fortsätzen oder
schlaufenförmigen Öffnungen 29B auf,
die von der zentralen Zone 29A in radialer Richtung verlaufen.
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Die
Fortsätze 29B sind
voneinander durch eine Anzahl von Zähnen 29c getrennt,
die sich in der Öffnung 29 in
radialer Rich tung bis zur zentralen Zone 29A erstrecken.
Die Zähne 29C können glatte Oberflächen in
Kontakt mit dem Fluidstrom haben; jedoch ist es bevorzugt, wie in
dem vergrößerten Detail aus 6 gezeigt,
dass die Zähne 29C mit
Stufen und scharfen Kanten 29D ausgebildet sind, die entweder
parallel und/oder quer zur Längsachse
des Fluidstroms durch die Düse
orientiert sind, um den in dem Strahl ausgelösten Turbulenzzustand zu erhöhen.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist die konische Innenfläche 31 der
Düse, die zum
Kontakt mit dem Fluid gestaltet ist, vorzugsweise mit einer Mehrzahl
von ringförmigen
Stufen 32 (5 und 6) hergestellt,
die einen Satz von ringförmigen
scharfen Kanten 33 mit einem schrittweise abnehmenden Durchmesser
zu der Auslassöffnung 29 hin
schaffen; alternativ können
die Stufen 32 und die scharfen Kanten 33 auch
fehlen.
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Das
Vorhandensein der Stufen 32 innerhalb der Düse 28 mit
den scharfen Kanten 33 ermöglicht es, dass sowohl die
Oberfläche
in Kontakt mit dem Fluid, im Vergleich zu einer herkömmlichen
Düse, vergrößert ist
und dass tiefgehende Scherwirkungen auf den Mantel an der äußeren Schicht
des Fluidstroms, der durch die Düse
fließt,
verursacht werden und folglich ein Anstieg in dem Turbulenzgrad
des durch die Einspritzeinrichtung erzeugten Strahls.
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Wie
bekannt ist weist die Einspritzeinrichtung, um die Einstellung des
Druckabfalls der Strömung
zu erlauben und ihre Geschwindigkeit durch die Düse bei jeglicher Veränderung
der Fluidzustände
zu erhöhen,
einen axial einstellbaren Kolben 27 mit einem Vorderende 27A auf,
das dazu geformt ist, um die Querschnittsfläche der Auslassöffnung der Einspritzdüse zu verkleinern
oder zu vergrößern, abhängig von
der Bewegungsrichtung des Kolbens 27 zur Einstellung, um
den benötigten
Druckabfall in Beziehung zu dem Volumenstrom zu erhalten, um die geforderte
Geschwindigkeit und den Turbulenzzustand für den Strahl zu erzeugen.
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Die
axiale Einstellung des Kolbens 27 kann in jeder geeigneten
Weise erfolgen, auch in automatischer Weise; wie zum Beispiel in 3 gezeigt
ist der Kolbens 27 mit einem hinteren Steuerabschnitt 27B mit
einem Gewinde 33 versehen, das in eine mit Innengewinde
versehene Hülse 34 geschraubt
werden kann, die von dem Körper 26 nach
hinten verläuft.
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Gemäß einem
anderen Merkmal der Erfindung ist es möglich, physikalische Elemente
zu verwenden, die in den Fluidstrom innerhalb der Einspritzeinrichtung
hineinragen, und zu der Erzeugung eines hervorgerufenen Turbulenzzustandes
beizutragen.
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Dies
kann durch geeignete Formgebung des Endbereichs 38 des
Kolbens 27 mit Oberflächen
oder Vorsprüngen
geschehen, die mit scharfen Kannten zur Scherung des Fluidstroms
versehen sind; zum Beispiel kann, wie in 7 gezeigt,
der Endbereich 38 des Kolbens 27 mit einer konischen
Nase 38 versehen sein, die sich in axialer Richtung der
Strömung aufweitet;
die Nase 39 wiederum ist mit einer oder mehreren kreisförmigen Stufen
mit scharfen Kanten 40 versehen; offensichtlich sind auch
andere Lösungen
verglichen mit der einen gezeigten möglich.
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Ein
zweiter Aufbau der Einspritzeinrichtung ist in dem Beispiel der 8 bis 11 der
Zeichnungen gezeigt. In diesen Figuren werden dieselben Bezugszeichen
wie in den vorhergehenden Figuren zur Kennzeichnung ähnlicher
oder äquivalenter
Teile verwendet, auf die zur Beschreibung der allgemeinen Merkmale
der Einspritzeinrichtung Bezug genommen wird.
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Insbesondere
weist die Düse 28 in
dieser Ausführungsform
eine konische Innenfläche 31 mit einer
Mehrzahl von ringförmigen
Stufen 32 auf, die die Ausdehnung der Fluidkontaktoberfläche vergrößern und
die scharfe Kanten 33 in Kontakt mit dem Fluid im Gegensatz
zu einer herkömmlichen
Düse haben.
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Die
Ausführungsform
der 8 bis 11 unterscheidet sich von der
Vorhergehenden sowohl in der anderen Formgebung der Zähne 29C der
mit Fortsätzen
versehenen Öffnung 29 als
auch der anderen Formgebung der Spitze 39 des Kolbens 27 zur Steuerung
des Druckabfalls; wiederum ist der Kolbens 27 in einer
rückwärtigen Position
in Bezug auf die Öffnung 29 der
Düse 28 gezeigt.
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Was
die mit Fortsätzen
versehene Öffnung 29 anbelangt,
haben in diesem zweiten Fall die Zähne 29C eine glatte
Innenfläche,
ohne Stufen und scharfe Querkanten; die Zähne 29C haben nur
scharfe Kanten 40, die sich in Flussrichtung erstrecken, parallel
zur Längsachse
der Düse,
und scharfe radiale Kanten 41 an der konischen Innenfläche, die
aus der mit Fortsätzen
versehenen oder sternförmigen Form
der Öffnung
selbst resultieren.
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Die
Ausführungsform
aus 8 unterscheidet sich, wie in der vergrößerten Detailansicht
aus 9 und aus 11 zu
sehen, von der vorhergehenden Lösung
dadurch, dass die Spitze 39 des Kolbens 27 zur
Steuerung des Druckabfalls nun auch eine mit Fortsätzen versehene
Form hat, die sich der mit Fortsätzen
versehenen Öffnung 29 der
Düse 28 anpasst,
um eine verengte Öffnung
mit entsprechender Form zu bilden.
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Insbesondere
hat die Spitze 39 eine Mehrzahl von radialen Fortsätzen oder
Rippen 42, die sich von der konischen Oberfläche des
Endbereichs 38 in Längsrichtung
erstrecken und mit scharfen radialen Kanten 43 die entsprechend
mit der Vorderfläche
enden, um die Strömung
zu scheren.
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Ferner
hat jede Fortsatzrippe 42, wie in 11 zu
sehen, scharfe Längsscherkanten 44,
die von flachen, nach hinten zu der Längsachse des Kolbens 27 abfallenden
Oberflächen
gebildet werden, um so die Scherwirkung auf den Mantel der Fluidströmung erheblich
zu vergrößern und
damit seine Turbulenz und/oder Wirbelstärke zu vergrößern.
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Anders
als im Fall von 3 hat der Kolbens 27 zum
Steuern des Druckabfalls der Einspritzeinrichtung aus 8 eine
mit Fortsätzen
versehene Spitze 39, deren Fortsatzrippen 42 ausgerichtet
zu den Ausbuchtungen 29B der mit Fortsätzen versehenen Öffnung 29 der
Düse 28 ausgerichtet
bleiben müssen.
Folglich muss sichergestellt werden, dass der Kolben 27 axial
gleiten kann, um die axiale Einstellung des Kolbens zu erlauben,
aber eine Drehung verhindert wird.
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In
diesem Zusammenhang hat der Kolben 27 einen durchgehenden
Schlitz 45, der sich in axialer Richtung in einer Länge erstreckt,
die dem erlaubten Einstellhub äquivalent
ist; ein Stopstift 46 verläuft diametral durch den Schlitz 45 und
ist in dem Gehäuse 26 der
Einspritzeinrichtung eingeschraubt, um die Drehung des Kolbens 27 zu
verhindern, während
ein axiales Gleiten zugelassen wird. Ein hinterer Steuerabschnitt 27B des
Kolbens 27 ist mit dem Letzteren so verbunden, dass er
sich frei um die Längsachse dieses
Kolbens drehen kann.
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In
diesem Zusammenhang ist der Kolben 27 mit einem hinteren
Schaft 47 versehen, der einen zylindrischen Kopf 48 aufweist,
welcher in einem zylindrischen Sitz 49 an dem entsprechenden
Ende des hinteren Abschnitts 27B aufgenommen ist. Anstelle des
Schlitzes 45 und des Stiftes 46, des Kopfes 48 und
des zylindrischen Sitzes 49 ist es möglich, andere Betriebssteuerungseinrichtungen
zu verwenden, die die axiale Gleitbewegung des Kolbens 27 ermöglichen,
während
sie eine Rotation verhindern.
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Die
Figuren von 12 bis 15 zeigen eine
dritte Ausführungsform
der Einspritzeinrichtung, die sich von den vorhergehenden im Wesentlichen durch
die hohle Form des Kolbens 27 zur Steuerung des Druckabfalls
unterscheidet. In diesen Figuren wurden wieder dieselben Bezugszeichen
verwendet, um ähnliche
oder äquivalente
Teile zu bezeichnen.
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Die
Ausführungsform
aus 12 wurde studiert, um die Schwerwirkung in der
Strömung
innerhalb des Kolbens 27 noch weiter zu erhöhen, der
zusammen mit der Öffnung 29 der
Düse 28 wiederum dazu
beiträgt,
um eine enge, mit Fortsätzen
geformte Öffnung
für das
hindurchfließende
Fluid zu bilden.
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Im
Fall von 12 hat die Einspritzeinrichtung 20 einen
Hohlkörper 26 mit
einer gegenüber
den vorhergehenden Beispielen modifizierten Form, bei der die Düse 28 separat
hergestellt ist und aufgeschraubt ist oder eng passend aufgesetzt
ist auf das Vorderende des Gehäuses 26 der
Einspritzeinrichtung.
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Auch
in diesem Fall hat die Düse 28 eine
konische Innenfläche,
die vorzugsweise mit einer Mehrzahl von ringförmigen Stufen 32 geformt
ist, mit kreisförmigen
scharfen Kanten 33, die in einer Austoßöffnung 29 enden, die
wiederum eine konische Fläche hat.
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Die
Einspritzeinrichtung 20 hat wieder einen Kolben 27 zum
Steuern des Druckabfalls, der mit einem hinteren Steuerabschnitt 27B verbunden
ist; in diesem Fall jedoch hat der Kolben 27 einen hohlen, rohrförmigen Vorderbereich 27A,
um sowohl den Durchgang von Fluid durch den Kolben und eine Einstellwirkung
des Fortsätzen
versehenen Abschnitts zu erlauben.
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Genauer
gesagt liegt der Vorderbereich 27A des Kolbens 27 in
Form eines rohrförmigen
Elements vor, das auf einen Gewindeschaft des hinteren Steuerabschnitts 27B aufgeschraubt
ist.
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Der
Kolben 27 dringt wieder in eine ringförmige Kammer 28A zur
Verteilung des Fluids ein, die mit Einlassöffnungen 30 versehen
ist. Die Kammer 28A kommuniziert mit dem Inneren des hohlen
Kolbens 27 durch die Einlassöffnungen 50.
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Der
röhrenförmige Bereich 27A des
Kolbens 27 hat an seinem vorderen Ende einen konischen Kopf 51,
der eine Mehrzahl von längsverlaufenden Zungen 52 aufweist,
sechs in dem dargestellten Fall, die einen dreieckigen Querschnitt
haben; Längsschlitze 54 machen
die Zungen 52 in radialer Richtung elastisch nachgiebig.
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Die
Zungen 52 sind mit einer konischen Außenfläche mit einer anderen Steigung
im Vergleich zu der inneren konischen Fläche der Düse 28 geformt; die
konische Innenfläche
kann in ihrer einfachsten Form glatt sein, wie weiter unten gezeigt,
oder kann eine Mehrzahl von transversalen Zähnen mit scharfen Kanten 53 haben,
um in den Mantel der Fluidströmung
zu schneiden.
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Das
Vorhandensein von elastisch nachgiebigen Längszungen 52, die
von Längsschlitzen 54 getrennt
und von flachen Seitenflächen 55 parallel
zu radialen Ebenen begrenzt werden, trägt zusammen mit der konischen
Innenfläche
der Düse 28 wieder dazu
bei, um eine Öffnung
für den
Ausstoß von
Fluid zu schaffen, die eine verengte, einstellbare und mit Fortsätzen versehene
Querschnittsfläche
hat, wie in 13 gezeigt.
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Die
mit Fortsätzen
versehene Form des Ausstoßabschnitts
bestimmt in dem Fluidstrahl eine Vergrößerung des Umfangs der Berührungsfläche zwischen
dem Strahl und den umgebenen Ober flächen in dem verengten Abschnitt,
um Wirbelstärke
und Turbulenz in dem Strahl auszulösen.
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Der
Strahl erweist sich als gekennzeichnet durch eine andere Entwicklung
im Vergleich zu dem der von einer zylindrischen Einspritzeinrichtung
erzeugt wird, wobei in dem Fall einer Einspritzeinrichtung mit Fortsätzen gemäß der Erfindung
der Strahl eine Region für
die Bildung von Wirbeln oder Wirbelströmen hat, die sich, wenn sie
sich von der Einspritzeinrichtung weg bewegen, intensivieren und
die Explosion eines azimuthalen Wirbels verursachen, der durch turbulente
Strukturen kleinerer Abmessungen, aber von hoher Intensität gekennzeichnet
ist.
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Aufgrund
der Möglichkeit
der Einstellung der axialen Position des mit Fortsätzen versehenen Kopfs 51 des
Kolbns 27 in Bezug auf die Öffnung 29 der Düse, wie
auch der radialen Flexibilität
der Zungen 52, wenn sie in Kontakt mit der konischen Innenfläche der Öffnung 29 gedrückt werden,
ist es möglich,
die Querschnittsfläche
der Ausstoßöffnung zu verändern, während die
Form mit Fortsätzen,
wie in den vorhergehenden Fällen,
erhalten bleibt.
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Ferner
haben die im Wesentlichen dreieckigen Zungen 52 und ihre
inneren Zähne 53 scharfe Kanten
zum Scheren des Fluids, die in Längsrichtung und/oder
quer zur Achse der Düse
verlaufen und wiederum die Fläche
des Kontaktgebietes mit dem Fluid und die Turbulenz in dem Strahl
erhöhen.
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16 bis 19 zeigen
eine vierte Ausführungsform
einer Einspritzeinrichtung gemäß der Erfindung,
die Eigenschaften ähnlich
derjenigen aus 12 hat; daher wurden dieselben
Bezugszeichen für ähnliche
oder äquivalente
Teile verwendet.
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Die
Einspritzeinrichtung des Beispiels aus 16 unterscheidet
sich von der Einspritzeinrichtung aus 12 in
einigen Teilen der Düse 28 und des
Kopfes 51 des Kolbens 27 zum Steuern des Druckabfalls;
wiederum ist eine operative Verbindung zwischen dem vorderen röhrenförmigen Bereich 27A des
Kolbens 27 und dem hinteren Steuerbereich 27B von
einer solchen Art vorgesehen, dass ein axiales Gleiten möglich ist,
während
jegliche Rotation des mit Fortsätzen
versehenen Kopfs 51 in ähnlicher
Weise wie in dem Beispiels aus 8 verhindert
wird.
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Aus
den 16 bis 19 ist
ersichtlich, dass die Düse 28 in
diesem Fall eine Innenfläche 31 hat,
die wieder in einer Öffnung 29 mit
Fortsätzen
endet, ähnlich
dem Beispiel aus 4; jedoch hat die Öffnung 29 in
diesem Fall scharfe Kanten 56, die parallel zur Achse der Öffnung in
Längsrichtung
des Strahls verlaufen, wie auch scharfe Kanten 57, entlang
von geneigten Ebenen an beiden Seiten jeder der dreieckigen Zähne 29C.
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Die
flexiblen Zungen 52 des Kopfes 51 und die Fortsätze 29B der Öffnung 29 der
Düse sind
wiederum zueinander ausgerichtet, in der gleichen Weise wie in dem
Beispiel aus 8. Folglich sind auch in diesem
Fall ein länglicher
Schlitz 45 und ein Stopstift 46 wie auch eine
operative Verbindung 48, 49 zwischen dem mittleren
axialen Führungsbereich 27C zum
axialen Führen
des Kolbens 27 und dem hinteren Steuerbereich 27B vorgesehen.
Schließlich umfassen
die Zungen 52 einen Vorderbereich 52A, der eine
größere Steigung
hat, wobei die Seitenkanten nach vorne zusammenlaufen, um so weiter
ihre Flexibilität
zu erhöhen,
wodurch eine Feineinstellung des Duckabfalls -ermöglicht wird.
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Die 20 bis 23 zeigen
eine fünfte Ausführungsform,
die mit der aus den 12 bis 15 vergleichbar
ist; daher wur den wieder dieselben Bezugszeichen verwendet, um ähnliche
oder äquivalente
Teile zu bezeichnen.
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Die
Lösung
der 20 bis 23 unterscheidet
sich von der vorhergehenden darin, dass die Öffnung 29 der Düse 28 und
die flexiblen Zungen 52 des Kolbens zum Steuern des Druckabfalls
glatte Innenflächen
haben, während
sie die charakteristische Form mit Fortsätzen beibehalten und das Vorhandensein
von scharfen Längskanten
entlang der individuellen Zungen 52 beibehalten.
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Gemäß der Erfindung
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Hochdruckmischen bereitgestellt,
die besonders geeignet für
das Mischen reaktiver chemischer Komponenten bei der Herstellung von
Polyurethanschäumen,
zweikomponentigen Harzen und geformten Artikeln sind, wobei eine
spezielle einstellbare Einspritzeinrichtung verwendet wird, die mit
blattartigen oder fortsatzartigen Formen versehen sind, die dazu
in der Lage sind, einen Fluidstrom zu erzeugen, dessen Turbulenz
sowohl durch die mit Fortsätzen
versehene Form des verengten Querschnittsgebietes der Ausstoßöffnung als
auch durch das mögliche
Fließen
von Fluid über
scharfe Kanten entlang des Fließweges
zu einem Ausstoßgebiet
mit verengtem Querschnitt erhöht
ist, wobei der Turbulenzzustand in die Strahlen übertragen wird, die in einer
Mischkammer aufeinander treffen. Aufgrund des Vorhandenseins eines
axial beweglichen Kolbens zum Steuern des Druckabfalls in Kombination
mit der Gestalt der Einspritzdüse
mit Fortsätzen
ist es auch möglich,
den verengten Abschnitt für
den Ausstoß der
Strömung
geeignet einzustellen, um so einen ausreichenden Druckabfall für eine turbulente
Mischung in Beziehung zu den für
das Verfahren benötigten
stoichiometrischen Volumen zu erhalten.
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Das
Vorhergehende ist so zu verstehen, dass das Beschriebene und in
den zugehörigen Zeichnungen
gezeigte lediglich als Bei spiel dient, um mehrere bevorzugte Ausführungsformen
zu illustrieren und allgemeine Merkmale des Verfahrens gemäß der Erfindung
zu illustrieren.
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Daher
können
andere Modifikationen oder Änderungen
an der Einspritzeinrichtung und an deren Teilen vorgenommen werden,
ohne von den Patentansprüchen
abzuweichen.