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Verfahren und Vorrichtung zum Mischen mindestens zweier Flüssigkeiten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen mindestens
zweier Flüssigkeiten, insbesondere flüssiger Kunststoffe mit verschiedenen Viskositäten,
wobei die Flüssigkeiten aus Öffnungen ausgestrahlt werden.
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Bei der Herstellung von Giessteilen aus Kunststoffen, die durch Reaktion
mehrerer flüssiger Komponenten entstehen, ist es notwendig, die flüssigen Komponenten
vor dem Einbringen in die Giessform intensiv miteinander zu vermischen. Die intensive
und möglichst gleichmässige Vermischung der Komponenten ist deshalb von grosser
Bedeutung, weil hierdurch die Homogenität des aus der Reaktion der Komponenten entstehenden
gunststoffes und damit die Qualität des hergestellten Giessteiles im wesentlichen
bestimmt werden. Auch der Giessvorgang selbst
wird durch eine möglichst
innige und gleichförmige Vermischung der Komponenten positiv beeinflusst, weil die
Reaktionsgeschwindigkeit u.a. vom Vermischungsgrad abhängt.
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Es sind daher bereits verschiedene Verfahrensweisen vorgeschlagen
worden, um eine gleichförmige Mischung insbesondere in ihrer Viskosität unterschiedlicher
Flüssigkeiten zu erzielen. Bei einem Verfahren wird beispielsweise so vorgegangen,
dass die zu vermischenden Komponenten gegeneinander gespritzt werden, so dass die
Strahlen sich im freien Raum treffen. In einem anderen Verfahren werden die zu vermischenden
Komponenten in eine Mischkammer eingespritzt, wobei die Achsen der Ausspritzöffnungen
miteinander einen solchen Winkel einschliessen, dass sich die Strahlen vor dem Auftreffen
auf die Wandung der Nischkammer treffen und dann nach dem Aufprall auf der Mischkammerwandung
sich eine stark turbulente Strömung ausbildet, die die Vermischung herbeiführt.
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Bei den bisher bekannten Mischverfahren hat sich stets gezeigt, dass
ein brauchbarer Vermischungsgrad der Komponenten nur bei Anwendung relativ hoher
Drücke erzielbar ist, wodurch die Anlage verteuert wird. Ausserdem macht die Anwendung
hoher Einspritzdrücke deren Abbau auf Atmosphärendruck, bei dem der Giessvorgang
erfolgt, notwendig, was nur über eine bestimmte Kanallänge zwischen der Mischkammer
und der Formhöhlung erfolgen kann. Zusätzlich müssen auf dieser Kanallänge besondere
Vorkehrungen
getroffen werden, um die infolge der hohen Einspritzdrücke
bedingte Turbulenz in dem Gemisch abzubauen, weil der Giessvorgang selbst möglichst
ohne Spritzer und Lufteinschlüsse erfolgen soll.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Vorrichtung vorsuschlagen, die einen hohen Mischeffekt bei niedrigeren Drücken
und einfacherer und gedrängterer Bauweise der Vorrichtung erlauben. Zur Lösung dieser
Aufgabe wird im Rahmen des erfindungsgemässen Verfahrens die eine Flüssigkeit auf
eine Prallwand gestrahlt und darauf zu einem Blüssigkeitsfilm aufgeteilt und die
zweite Flüssigkeit senkrecht oder mit einer geringfügig;en Gegenstromkomponente
bezüglich der Fliessrichtung aes Flüssigkeitsfilmes in den Flüssigkeitsfilm eingestrahlt
und dadurch darin verteilt.
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In der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
ist mindestens eine der Ausspritzöffnungen für die zu vermischenden Flüssigkeiten
auf eine Prallwand gerichtet, während die weitere Ausspritzöffnung im Abstand vom
Aufprallpunkt der aus der ersten Ausspritzöffnung austretenden Flüssigkeit angeordnet
ist.
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Die Erfindung geht von der tberlegung aus, dass eine intensive Vermischung
zweier, gegebenenfalls unterschiedlich viskoser Flüssigkeiten zuerst eine möglichst
weitgehende Zerteilung
oder Aufteilung der einen Komponente und
dann die Einmischung der anderen Komponente voraussetzt. Hierzu wird im erfindungsgemässen
Verfahren die eine Komponente zu einem Flüssigkeitsfilm ausgebreitet, so dass die
zweite eingestrahlte Komponente mit grossen Oberflächen der Flüssigkeitsteilchen
der ersten Flüssigkeit in Kontakt kommt. Ausserdem wird durch die Aufteilung der
ersten Komponente längs der Prallwand in Form eines Flüssigkeitsfilmes dafür gesorgt,
dass diese Komponente nicht durch kinetische Einwirkungen des Strahles der zweiten
Komponente ausweichen und abgelenkt werden kann. Vielmehr wird dadurch die Möglichkeit
geschaffen, dass der Strahl der zweiten Komponente den Flüssigkeitsfilm durchschlägt
und diesen örtlich von der Prallfläche abhebt.
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Eine bevorzugte Verfahrensweise besteht darin, die zweite Flüssigkeit
koaxial zur ersten auf die Prallwand zu strahlen. Hierzu wird sie beispielsweise
durch eine die Ausspritzöffnung für die erste Flüssigkeit umgebende Ringdüse geleitet,
so dass sie in Borm eines hohlzylinderischen Strahles auf den durch die erste Flüssigkeit
gebildeten Film auf der Prallwand auftrifft.
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Zweckmässigerweise wird dabei die zähere Flüssigkeit durch die Ringdüse
geschickt,weil infolge des grösseren Öffnungsquerschnitts in diesem Fall geringere
Einspritzdrücke angewendet werden können.
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Es ist aber auch möglich, die zweite Flüssigkeit von der Prallwand
her, gegebenenfalls auch konzentrisch zum Strahl der ersten Komponente, auf den
Flüssigkeitsfilm auftreffen zu lassen.
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Das senkrecht oder mit einer geringfügigen Gegenstromkomponente durchgeführte
Einstrahlen der zweiten Flüssigkeit in dem Film der ersten Flüssigkeit kann durch
entsprechende Wahl der Achsen und/oder der Öffnungswinkel der Ausspritzöffnungen
gesteuert werden. Bei der erwähnten koaxialen Anordnung der Ausspritzöffnungen ist
es zweckmässig, den Ausspritzöffnungen unterschiedliche Öffnungswinkel zu zuteilen.
Auch durch eine entsprechende Ausbildung der Prallfläche selbst kann die gegensEtige
Richtungszuordnung zwischen Flüssigkeitsfilm und eingestrahlter zweiter Komponente
beeinflusst werden. Beispielsweise ist hierzu die Prallfläche in Bezug zur ersten
Ausspritzöffnung konkav ausgebildet, so dass auch bei gleichem Öffnungswinkel der
zueinander koaxial liegenden Ausspritzöffnungen die erwünschte leichte Gegenstromkomponente
des Strahles der zweiten Flüssigkeit erzielbar ist.
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Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen
Vorrichtung und aus den Unteransprüchen.
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In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung des
Mischprinzips gemäss vorliegender Erfindung, wobei die zu vermischenden Flüssigkeiten
entgegengesetzt zueinander eingestrahlt werden; Fig. 2 eine weitere schematische
Darstellung mit gleichachsiger Einstrahlung der Flüssigkeiten und einer konkaven
Ausbildung der Prallwand, und Fig. 3 eine Schnittdarstellung eines Mischkopfes,
an dem die Erfindung praktisch verwirklicht ist.
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Gemäss der Darstellung in Fig. 1 wird aus einer Ausspritzöffnung 1
die erste von zwei miteinander zu vermischenden -flüssigen Kunststoffkomponenten
auf eine senkrecht zur Achse der Ausströmöffnung 1 verlaufende Prallwand 2 gespritzt.
Auf der Prallwand 2 verteilt sich die erste Komponente zu einem allseitig abströmenden
Flüssigkeitsfilm 3, in den durch eine ringförmige, in der Prallwand 2 ausgebildete
zweite Ausspritzöffnung 4 die zweite Flüssigketskomponente eingestrahlt wird. Dadurch
wird der Flüssigkeitsfilm 3 von der Prallwand 2 abgehoben und es bildet sich eine
Zone intensiver Vermischung 5 aus. Bei den beiden miteinander zu vermischenden Flüssigkeiten
handelt es sich beispielsweise um Polyol und Isocyanat, wobei das erheblich zähflüssigere
Polyol zweckmässigerweise aus der in der Prallwand 2 befindlichen Ausspritzöffnung
4 ausgespritzt wird.
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Die Fig. 2 zeigt die schematische Anordnung zweier zueinander koaxial
liegender Ausspritzöffnungen 1' und 4', wobei die Ringdüse 4' die Ausspritzöffnung
1' unmittelbar umgibt. Die Ringdüse 4' hat einen negativen ( den austretenden Strahl
einschnürenden) Öffnungswinkel d , während der Öffnungswinkel der zentralen Ausspritzöffnung
1' für die erste Komponente Null ist. Hierdurch wird bewirkt, dass die aus der Ringdüse
4' austretende Komponente mit einer geringfügigen Gegenstromkomponente in den allseitig
abfliessenden Flüssigkeitsfilm der ersten Komponente eingestrahlt wird. Diese Gegenstromkomponente
wird noch dadurch unterstützt, dass die Prallfläche 2' bei dieser Ausführung leicht
konkav ist, so dass der Plüssigkeitsfilm von der Aufprallstelle (die im wesentlichen
in der Achse der Äusspritzöffnung 1' liegt) zur ringförmigen Aufprallstelle der
zweiten Flüssigkeit leicht ansteigen muss.
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Der in Fig. 3 gezeigte Mischkopf besteht im wesentlichen aus einem
im ganzen mit 10 bezeichneten Ventilgehäuse, in welchem die Ausspritzöffnungen ii
und 12 für zwei zu vermischende Komponenten, z.B. Polyol und Isocyanat, vorgesehen
sind, und aus einem Mischgehäuse 13, das die vor den Ausspritzöffnungen 11, 12 liegende
Prallwand 14 und einen daran anschliessenden Strömungskanal 15, der zur Giessform
führt, enthält.
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Das Ventilgehäuse 10 enthält eine Bohrung 16, in der ein hohler
Ventilschaft
17 abgedichtet geführt ist. Der Ventilschaft 17 ist an seinem spritzseitigen Ende
bei 18 abgesetzt, so dass in der Bohrung 16 ein Ringraum 19 gebildet ist, in welchen
eine Zuströmöffnung 20 fürdie Polyol-Eomponente mündet. Das Ende des Ventilschaftes
17 ist kegelig ausgebildet und verschliesst die entsprechend kegelförmig gestaltete
Ausspritzöffnung 11.
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In dem Ventilschaft 16 ist eine Ventilnadel 21 verschiebbar, die zum
spritzseitigen Ende hin offene Längsnuten 22 aufweist.
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Das spritzseitige Ende selbst ist als kegeliger Ventilkörper 23 geformt,
der die entsprechend kegelförmig gestaltete Ausspritzöffnung 12, die im Ventilschaft
17 stirnseitig ausgebildet ist, verschliesst. Die Längsnuten 22 bilden die Strömungsführung
für die Isocyanat-Komponente, die über eine Zuleitung 24 im Ventilgehäuse 10, einen
Ringraum 25 und eine Bohrung 26 im Ventilschaft 17 den Längsnuten 22 zugeführt wird.
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Auf das dem Spritzende abgewendete Stirnende des Ventilschaftes 17
und der Ventilnadel 21 wirken ein Ringkolben 27 bzw.
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ein in dem Ringkolben geführter Kolben 28, die beide durch ein über
eine Bohrung 29 zugeführtes Druckmedium beaufschlagt sind. Die Öffnungsweite der
Ausspritzöffnungen 11, 12 und damit der Durchsatz durch diese Ausspritzöffnungen
stellt sich entsprechend den Drücken der zugeführten Komponenten und dem
auf
die Kolben 27, 28 wirkenden Druck des Druckmediums ein.
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Der Offnungshub des Ringkolbens 27 ist dabei durch eine Ringschulter
30, der- des -Kolbens 28 durch einen einstellbaren Anschlag 31 begrenzt.
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Das Mischgehäuse 13 ist mit dem Ventilgehäuse 10 verbunden und bildet
mit dessen spritzseitiger Stirnfläche den Strömungskanal 15, dessen Höhe h beispielsweise
5 mm beträgt.
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Der Boden des Strömungskanals setzt sich eben zur Prallfläche 14 fort.
Der Strömungskanal mündet in einem mit 32 bezeichneten Angussraum, aus dem die vermischten
Komponenten in eine Giessform eingebracht werden können.
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In der in Fig. 3 gezeigten Ausführung kann der Mischkopf als mobile
Mischeinheit zur Versorgung offener oder geschlossener Giessformen dienen. Der Mischvorgang
vollzieht sich nachdem anhandder Fig. 1 und 2 gezeigten prinzipiellen Wirkungsweise.