DE3014175A1

DE3014175A1 - Verfahren und vorrichtung zum einspritzmischen und -abgeben fuer hochgeschwindigkeitsreaktionen

Info

Publication number: DE3014175A1
Application number: DE19803014175
Authority: DE
Inventors: Fritz Walter Schneider
Original assignee: SCHNEIDER FRITZ WALTER
Current assignee: Polyurethane Technology Of America-Martin Sweets C
Priority date: 1979-04-13
Filing date: 1980-04-14
Publication date: 1980-10-30
Also published as: JPS55157619A; US4239732A

Description

PRITZ W. SCHNEIDER

Strasslach-Hailafing /Deutschland 10768

Verfahren und Vorrichtung zum Einspritzmischen und -abgeben für Hochgeschwindigkeit sr eakt ionen

Die Erfindung betrifft einen Mischkopf für eine für Hochgeschwindigkeitsreaktionen vorgesehene Einspritzmisch- und -abgabevorrichtungj bei der zwei oder mehr flüssige polymere Reaktionspartnerj beispielsweise Polyurethane, gemischt und in eine Form oder auf eine Fläche abgegeben werden.

Beim Hochgeschwindigkeits-Einspritzmischen werden zwei oder mehr flüssige Komponenten zur Herstellung eines Kunststoffes, beispielsweise eine monomere Komponente und ein Katalysator, ein Schäum- oder Treibmittel, intensiv vermischt, so daß sich eine gleichmäßige Reaktion in einer Form oder auf einer Fläche ergibt. Allerdings müssen die Komponenten bis zur Abgabe voneinander getrennt gehalten werden, da sie nach dem Mischen schnell aushärten oder polymerisieren.

Das Schäumen (Mischen) der Reaktionspartner geschieht dadurch, daß die Komponenten unter hohem Druck durch gesonderte,

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einander gegenüberliegende, mit einer Düse versehene Einlasse in eine Mischkammer eines Mischkopfes eingespritzt werden. Die Düse dient dazu, die flüssige Komponente vor dem Einspritzen in die Mischkammer zu beschleunigen, um die Durchmischung zu erleichtern. Von der Mischkammer aus werden die gemischten Reaktionspartner durch einen Auslaß des Mischkopfes abgegeben.

Ein Mischkopf dieser Art wird dazu verwendet, die gemischten Reaktionspartner durch Mündungs- oder Eingußöffnungen hindurch in eine geschlossene Form einzuspritzen oder in eine offene Form, die anschließend geschlossen wird, einzugießen. Er kann auch zum Aufgießen oder Sprühen auf offene Flächen dienen, um beispielsweise Platten, Folienmaterialien, Tafeln oder isolierende Schichten herzustellen. Beim Hochgeschwindigkeits-Einspritzmischen wird die Mischvorrichtung häufig zum intermittierenden Schäumen eingesetzt, nämlich dazu, den Schaum chargenweise abzugeben. Dies trifft oft zu für Fließbandfertigung, bei der der Mischkopf über eine Form gesetzt, Schaum in die Form abgegeben und anschließend der Mischkopf zurückgezogen wird. Zwischen den "Schüssen" wird der Zufluß der einzelnen Komponenten zur Mischkammer unterbrochen, wodurch die Schaumabgabe zum Stillstand kommt, bis die nächste Form eingesetzt ist. Die hierzu verwendete Mischkammer besitzt üblicherweise eine zylindrische Form. Eine hydraulisch hin- und herbewegbare Kolbenstange ist in der Mischkammer angeordnet, um sich zwischen einer Mischposition, in der die Komponenten durch die einander gegenüberliegenden Düsen in die Kammer eingespritzt werden und eine Durchmischunj; stattfindet, und einer Sperrposition zu bewegen, in der die Kolbenstange die Düsen und damit den Zustrom der Komponenten in die Mischkammer absperrt.

Aufgrund des Stillstands der Strömung in der Mischkammer neigen die gemischten Komponenten rasch zum Zusetzen oder

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Verstopfen des Mischkopfes. Daher muß die Mischkammer zwischen den "Schüssen" gereinigt werden. Allerdings kommt es zwischen den "Schüssen" auch zu einem Stillstand der Strömung der einzelnen Komponenten. Die empfindlichen Einspritz-Düsenöffnungen und Durchflußkanäle neigen daher zum Verstopfen, was eine falsche Mischung der Komponenten und dementsprechend einen fehlerhaften Ausstoß hervorrufen kann sowie ggf. zu einem Blockieren des Systems führt. Es ist daher erforderlich, den Mischkopf häufig zu demontieren und zu reinigen.

Die US-PS 3 706 515 zeigt und beschreibt einen Mischkopf zum intermittierenden Schäumen, bei dem die Mischkammer zwischen den "Schüssen" gereinigt wird und die gesonderten Komponenten rezirkuliert werden, um eine Stagnation zu verhindern. Ein hin- und hergehender Kolben ist zwischen einer Mischposition, in der die Mischkammer für die Einspritzung der gesonderten Komponenten geöffnet wird, und einer vorgeschobenen Sperrposition bewegbar, in der die Mischkammer blockiert ist. In der Sperrposition jedoch verbinden Nuten, die in dem Kolben vorgesehen sind, die Einspritzdüsen mit Rezirkulationsleitungen. Außerdem führt die Bewegung des Kolbens in die vorgeschobene Position dazu, daß die gemischten Reaktionspartner von dem Mischhohlraum abgeschabt werden.

Diese Vorrichtung besitzt jedoch eine Anzahl von Nachteilen. Wenn sich der Kolben beim Umschalten von Rezirkulation auf Einspritzung bzw. von Einspritzung auf Rezirkulation zwischen den Sperr- und Mischpositionen befindet, werden die Düsen vollständig blockiert. Daher ist es erforderlich, daß der Kolben schnell aus einer Endstellung in die andere bewegt wird und daß die Rezirkulationsnuten eine große Länge besitzen, wobei sie sich bis sehr nahe an die Stirnseite des Kolbens erstrecken. Dies führt dazu, daß das Mischkopfgehäuse lang sein muß und daß eine große, teuere Hydraulikeinheit zum

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Hin- und Herbewegen des Kolbens erforderlich wird.

Die Länge und Geschwindigkeit der Kolbenbewegung machen den Kolben anfällig gegen Festfressen und Riefenbildung, insbesondere wenn Fremdstoffpartikel, beispielsweise Harnstoffkristalle, vorhanden sind. Diese Tendenz kann in gewissem Umfange vermindert werden, wenn die Teile des Mischkopfes aus angelassenen und gehärteten Stahllegierungen hoher Qualität hergestellt und mit hoher Genauigkeit bearbeitet, geschliffen und oberflächenbehandelt werden. Natürlich ist dies kostenaufwendig.

Hinzu kommt, daß selbst bei Präzisionsfertigung beträchtliche Druckschwankungen in den Druckfördersystemen der einzelnen Komponenten auftreten, die die gesamte Vorrichtung zum Vibrieren und Rütteln bringen sowie dazu führen können, daß bei der Wiederaufnahme der Einspritzung in die Mischkammer Zumeßschwierigkeiten und Phasenverschiebungsprobleme auftreten.

Für bestimmte Anwendungsfälle ergibt sich ein besseres Durchmischen der Komponenten in einer kleineren Mischkammer, in der die einander gegenüberliegenden Düsen einen geringen Abstand haben. Zur wirksamen Rezirkulation jedoch müssen die Nuten der oben beschriebenen Vorrichtung im Querschnitt groß genug sein, um einen geringen Strömungswiderstand zu bieten. Dies bestimmt die Größe des Kolbens, der damit für diese Anwendungsfälle im Hinblick auf eine gute Durchmischung häufig zu groß wird. Da außerdem die einzelnen Komponenten unter hohem Durck stehen, tritt ohne geeignete Dichtung ein Leckverlust aus den langgestreckten Kolbennuten auf. Dies erfordert eine präzise Dimensionierung von Kolben, Zylinder und Nuten über der gesamten Länge des Kolbens. Gleichermaßen werden Dichtungen entlang dem Kolben notwendig, um eine gegenseitige Vermischung der Reaktionskomponenten auf ein Minimum zu reduzieren. Dies ist vor allen Dingen kostenaufwendig. Auch ist die nutzbare Lebensdauer des Mischkopfes kurz, da ein Minimum an normalem Verschleiß Verschmutzungsprobleme im Betrieb hervorruft.

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Die Erfindung richtet sich auf einen Mischkopf für eine für Hochgeschwindigkeitsreaktionen vorgesehene Einspritzvorrichtung zum Mischen und Abgeben von zwei oder mehr flüssigen Komponenten, wobei eine kontinuierliche Zirkulation der einzelnen Reaktionspartner sowie eine Reinigung der Mischkammer zwischen den "Schüssen" vorgesehen werden und wobei man die Nachteile der oben beschriebenen bekannten Vorrichtungen vermeidet.

Erfindungsgemäß umfaßt der Mischkopf ein Gehäuse, das eine Mischkammer mit zwei oder mehr Einlassen für die gesonderten Komponenten und einem Auslaß zur Abgabe der gemischten Komponenten begrenzt. Die eintretende Strömung jeder der unter Druck stehenden Komponenten wird durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal.innerhalb eines Einspritzgehäuses und anschließend durch einen der Einlasse in die Mischkammer hinein geleitet. Eine Düse ist entweder in dem Kanal oder in dem Einlaß der Mischkammer angeordnet. Der Kanal ruft einen Druckabfall in der durch ihn hindurchströmenden Fluidkomponente hervor. Eine Rezxrkulatxonslextung steht mit jedem der Einspritzgehäuse an der stromab gelegenen Seite des Kanals in Verbindung. Außerdem sind Mittel vorgesehen, um die Einlasse wahlweise abzusperren und damit die Zulieferung der Komponenten zu unterbrechen, wodurch der Fluiddruck der Komponente in jedem der Exnspritzgehäuse auf der stromab gelegenen Seite des Kanals ansteigt. Ferner sind Mittel vorgesehen, die auf den Druckanstieg innerhalb des Einspritzgehäuses ansprechen, um die eintretende Strömung zu der zugehörigen Rezirkulationsleitung zu lenken, wenn der Einlaß versperrt ist, und um die in die Rezirkulationsleitung eintretende Strömung zu unterbrechen, wenn der Einlaß geöffnet ist und das Fluid in die Mischkammer eingespritzt werden kann.

Ein bevorzugtes Merkmal besteht darin, daß die Mischkammer zylindrisch ist und einen hin- und hergehenden Kolben enthält, der zwischen einer zurückgezogenen Mischposition, in

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der die Einlasse zur Mischkammer hin geöffnet sind, und einer ausgefahrenen Sperrposition bewegbar ist, in der die Einlasse verschlossen sind und die Mischkammer sauber geschabt ist.

Nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform enthält jedes Einspritzgehäuse einen hin- und hergehenden Kolben mit einem die Strömung beschleunigenden Kanal, durch den das eintretende Fluid hindurchfließt. Die Fluidkraft auf die Eintrittsseite des Kolbens drückt diesen in die ausgeschobene Position, wenn der Mischkammer-Einlaß geöffnet ist (wenn nämlich die Gegenkraft auf die stromab gelegene Seite des Kolbens wegen des Druckverlustes über dem Kanal relativ klein ist). Der Anstieg des Fluiddruckes auf die stromab gelegene Seite des Kolbens bei abgesperrtem Mischkammer-Einlaß drückt den Kolben in die zurückgezogene Position. Dies ergibt sich, wenn die Querschnittsfläche des Kolbens auf dessen stromab gelegener Seite größer als die Querschnittsfläche auf der Eintrittsseite ist, wobei wegen des erhöhten Druckes auf der stromab gelegenen Seite des Kolbens die auf diese stromab gelegene Seite einwirkende Kraft die auf die stromauf gelegene Seite wirkende Gegenkraft übersteigt. Abweichend hiervon kann eine Feder in dem Einspritzgehäuse angeordnet werden, um den Kolben in Richtung auf seine zurückgezogene Position zu verspannen.

In der ausgefahrenen Position lagert der Kolben auf der Einlaßöffnung der Mischkammer, um die Strömung der Komponente in die Rezirkulationsleitung abzusperren und sie durch die Düse sowie in die Mischkammer zu leiten. In der zurückgezogenen Position des Kolbens verläßt die durch den Kanal strömende Komponente das Einspritzgehäuse durch die Rezirkulationsleitung.

Wenn der Einlaß versperrt ist, kommt es, sofern die Düse

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In dem Kanal angeordnet ist, zu einer kontinuierlichen Strömung des Fluids durch die Düse, was zu einer Spülung führt. Wenn die Düse im Mischkammer-Einlaß sitzt, trifft das aus dem Kanal austretende Fluid, das wegen eines in dem Kanal vorgesehenen Abschnitts mit vermindertem Durchmesser eine erhöhte Geschwindigkeit besitzt, auf die Düse auf und spült sie von hinten, bevor es durch die Rezirkulationsleitung austritt. In beiden Fällen wird ein Zusetzen oder Verstopfen verhindert.

Vorzugsweise ist ein einstellbarer Anschlag in dem Einspritzgehäuse vorgesehen, um die zurückgezogene Position des Kolbens einzustellen. Dies d,ient dem Zweck, die Kolbenbewegung zwischen der ausgefahrenen und der zurückgezogenen Position zu begrenzen sowie den gewünschten Spalt zwischen dem Kolben und der Mischkammer-Einlaßöffnung bei zurückgezogenem Kolben festzulegen.

Bei einem weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird das eintretende Fluid durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal geleitet j der stationär im Einspritzgehäuse angeordnet ist. Anschließend tritt das Fluid in eine Kammer ein, die eine zur Mischkammer führende Auslaßöffnung sowie einen weiterenj mit der Rezirkulationsleitung in Verbindung stehenden Auslaß aufweist. Der die Strömung beschleunigende Kanal ruft in der strömenden Komponente einen Druckabfall hervor. In der Rezirkulationsleitung ist ein Überdruckventil angeordnet, das normalerweise seine Schließstellung einnimmt, wenn der Einlaß in die Mis-chkammer geöffnet ist und- ein relativ niedriger Druck in der Kammer auf der stromab gelegenen Seite des Kanals herrscht. Wenn jedoch der Einlaß zur Mischkammer versperrt wird, baut sich der Druck auf der stromab gelegenen Seite des Kanals auf, wodurch das Überdruckventil öffnet, um die Komponente durch die Rezirkulationsleitung zurückströmen und in das zugehörige Reservoir gelangen zu lassen. Wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel kann

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die Düse entweder in dem Kanal oder in der zur Mischkammer führenden öffnung vorgesehen werden. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann eine mit vorgegebener öffnung im Mischkammer-Einlaß angeordnete Düse ersetzt werden durch ein Nadelventil, das von dem Einspritzgehäuse getragen wird und in den Einlaß hinein verschiebbar ist, um eine einstellbare Düsenöffnung vorzusehen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 und 2 Schnitte durch einen erfindungsgemäßen Mischkopf zum Mischen und Abgeben von zwei flüssigen Reaktionskomponenten, und zwar in der Rezirkulations- bzw. Mischstellung, wobei Abschnitte des Versorgungs- und Rezirkulationskreises schematisch dargestellt sind;

Figur 3 und 4 Schnitte durch eine weitere Ausführungsform eines Mischkopfes in der Rezirkulations- bzw. Mischstellung;

Figur 5 bis 8 Schnitte durch weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen.

Gemäß Figur 1 und 2 umfaßt ein Mischkopf 10 ein Gehäuse mit einer Mischkammer 12 (Figur 2), die ein Paar von Einlaßöffnungen 14,l6 sowie einen Auslaß 18 zur Abgabe des gemischten Schaums aufweist. Zwei Einspritzgehäuse 20 und 22 stehen mit der Einlaßöffnung 14 bzw. 16 in Verbindung, um die gesonderten Reaktionspartner in die Mischkammer 12 einzuspritzen. Bei den in der Mischkammer 12 zu mischenden reaktiven Chemikalien kann es sich beispielsweise um Isozyanat und Polyol handeln. Da die Einspritzgehäuse 20 und 22 sowie die zugehörigen Zuliefersysteme für die Reaktionspartner identisch sind, wird lediglich das Einspritzgehäuse 22 mit

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seinem Zuliefersystem im Einzelnen beschrieben.

Das Einspritzgehäuse 22 umfaßt einen Einlaßkanal 24 für seine reaktive Komponente sowie einen hin- und. hergehenden Kolben 26, durch den ein Kanal 28 hindurchführt. Eine Düse 30 ist im Kolben 26 am Auslaßende des Kanals 28 angeordnet, so daß die durch den Kanal strömende Komponente durch die Düse beschleunigt wird. Ein Rezirkulationsauslaß 32 erstreckt sich durch die Wand des Einspritzgehäuses 22 und steht mit einer ringförmigen Nut 33 in Verbindung, die in der Innenwand des Einspritzgehäuses 22 ausgebildet ist. Die Nut 33 kommuniziert mit einer Kammer 3^ stromab des Kolbens 26, wenn die Mischkammer 12 versperrt ist (Figur I)₃ wie es noch beschrieben werden soll.

Die reaktive Komponente befindet sich in einem Reservoir 40, dessen Temperatur gesteuert wird und das ein mechanisches Rührwerk 42 enthält, um eine Stagnation zu verhindern. Die Komponente wird durch einen Filter 44 hindurch zu einer Zumeßpumpe 46 gefördert.- Bei dem Filter kann es sich um einen sogenannten Zellenblockfilter (plate-block filter) mit Schabemessern .in den Schlitzen handeln, der sich unter Betriebsbedingungen reinigen läßt. Das Reinigen geschieht entweder manuell oder automatisch. Die Zumeßpumpe arbeitet mit' einem Lieferdruck von etwa 130. bis 200 Atmosphären ( 1950 bis 3000 psi), und zwar in Abhängigkeit von den Betriebserfordernissen. Zu diesem Zweck- verwendet man eine Axialkolbenpumpe, die von einem Motor mit konstanter Drehzahl angetrieben wird.. Das Auslaßvolumen wird dadurch gesteuert, daß man die Hublänge der Kolben, verändert, um auf diese Weise ein· exaktes -Zumessen bei hohem Druck zu erzielen. Die Komponente wird in den Einlaßkanal 24 des Einspritzgehäuses 22 gepumpt. Eine Drucküberwachungsvorrichtung 50 registriert den Druck der dem Einspritzgehäuse 22 zugeführten Komponente. Während der Rezirkulation wird die Komponente durch eine Rezirkulationsleitung 51 vom Rezirkulationsauslaß 32 zum Reservoir 40 zurückgeleitet.

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Eine Kolbenstange 54, die von einem Kolben 52 mittels einer gebräuchlichen Hydraulikeinheit 53 angetrieben wird, läßt sich zwischen einer zurückgezogenen Mischposition (Figur 2), in der die Einlaßöffnungen 14 und 16 geöffnet sind und die Komponenten in die Mischkammer 12 eingespritzt werden können, und einer ausgeschobenen Sperrposition (Figur 1) hin- und herbewegen. In der Mischposition nach Figur 2 wird die zuströmende Fluidkomponente durch den Kanal 28 geleitet, von der Düse 30 beschleunigt und in die Mischkammer 12 eingespritzt. Aufgrund des Druckverlustes über dem Kanal 28 und der Düse 30 ist der Druck auf der stromab gelegenen Seite des Kolbens 26 (innerhalb der Kammer 34) beträchtlich niedriger als an der stromauf gelegenen Seite des Kolbens. Dementsprechend verspannt der Fluiddruck stromauf des Kolbens 26, der auf dessen eingeschnürten Abschnitt 55 mit dem Durchmesser "d" einwirkt, den Kolben in Richtung auf die ausgefahrene Stellung, in der der Kolben mit seinem Umfang bei 56 aufsitzt. Der Zustrom der reaktiven Komponente zu der ringförmigen Nut 33 wird von dem Aufsitzen bei 56 versperrt, wodurch ein Strömen zur Rezirkulationsleitung verhindert wird.

Wenn sich die Kolbenstange 54 in die Sperrstellung nach Figur 1 bewegt, steigt der Druck in der Kammer 34 auf der stromab gelegenen Seite des Kolbens 26 augenblicklich an, wodurch eine Rückzugskraft auf die stromab gelegene Fläche des Kolbens 26, deren Querschnitt den Durchmesser ^irD" besitzt, ausgeübt wird. Dieser Querschnitt der stromab gelegenen Seite des Kolbens 26 ist größer als der Querschnitt des Kolbenabschnitts 55, und da der Druck in der Kammer 3~4 ansteigt, wächst auch diejenige Kraft, die den Kolben 26 in die zurückgezogene Stellung nach Figur 1 verspannt, wobei sie augenblicklich die entgegengerichtete, auf den Kolbenab-

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schnitt 55 einwirkende Kraft übersteigt. Der Kolben bewegt sich also in die zurückgezogene Stellung (Figur I)₃ wodurch das Fluid in der Kammer 3^ sofort in die ringförmige Nut 33, in den Rezirkulationsauslaß 32· und in die Rezirkulatiortsleitung 51 sowie von dort aus zum Reservoir 40 strömt. Während; der Rezirkulation wird die Düse 30 durch die hindurchfließende Komponente gespült und gewaschen.

Das Verhältnis der Durchmesser "D" und "d" wird so gewählt, daß sich der Kolben 26 in die zurückgezogene Position bewegt, ohne einen starken Druckanstieg oder Stoß im Fluidliefersystem hervorzurufen. Die Durchmesser werden so gewählt daß

D /d gleich oder größer als l/n ist, wobei "n" den Wirkungsgradfaktor der Düsen einschließlich der Strömungseinschnürungen in'benachbarten Abschnitten und der mechanischen Reibkräfte darstellt.

Der stromab gelegene Durchmesser "-D" kann, bezogen auf den stromauf gelegenen Durchmesser "d", kleiner gewählt werden, wenn die Düse 30 in der Mischkammer-Einlaßöffnung (siehe beispielsweise Figur 3 und h} und nicht in dem Kanal 28 des Kolbens (siehe beispielsweise Figur 1 und 2) angeordnet wird, da bei geöffneter Einlaßöffnung 16 der stromab herrschende Druck und dementsprechend die auf den Kolben einwirkende Rückholkraft im erstgenannten Fall größer als im zweitgenannten Fall ist, in welchem der stromab herrschende Druck nahe Null liegt, wenn die gemischten Komponenten in eine offene Form abgegeben oder auf eine Fläche gesprüht werden.

Der eingeschnürte Abschnitt 55 des Kolbens sitzt verschiebbar in einer ringförmigen Führung 58, die in dem Einspritzgehäuse 22 angeordnet ist und gebräuchliche hydraulische Dichtungen 59 gegenüber dem Einspritzgehäuse sowie gegenüber dem Kolbenabschnitt 55 trägt. Der im Durchmesser größere Abschnitt 60 des Kolbens 26 sitzt verschieblich in einer Hülse 61, welche mit axial verlaufenden Schlitzen versehen ist, um ein Überströmen zwischen der Kammer J>k und einer zwischen dem Kolbenabschnitt 60 und der Führung 58 gebildeten Kammer

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zuzulassen, so daß also der Kolben 26 frei hin- und hergehen kann.

Ein einstellbarer Anschlag 64 begrenzt die Rückzugsbewegung des Kolbens 26 und bestimmt somit den Ausflußspalt zwischen der stromab gelegenen Seite des Kolbens und der gegenüberliegenden Innenwand des Einspritzgehäuses 22. Der Anschlag 64 weist ein Paar von abstehenden Armen 66 auf, um den Durchfluß des zuströmenden Fluids zwischen diesen Armen zu dem Kanal 28 des Kolbens 26 zu gestatten, wenn letzterer zurückgezogen ist und sich gegen die Arme abstützt (Figur 1). Der Anschlag 64 wird durch eine Schraube 68 eingestellt, die in der gewünschten Position durch eine Kontermutter 70 festgelegt werden kann. Durch die Einstellung des Anschlags 64 wird -ein solcher Ausflußspalt hergestellt, daß der Systemdruck (angezeigt durch die Drucküberwachungsvorrichtung 50) während der Rezirkulation gleich dem während des Mischvorganges ist. Dementsprechend arbeitet also der Kolben 26 während der Rezirkulation als Drosselventil.

Gemäß Figur 3 und 4 weist der Mischkopf 10a ein Gehäuse auf, welches eine Mischkammer 12 mit einem Paar von Einlaßöffnungen 14 und l6 sowie einem Auslaß 18 zur Abgabe des gemischten Schaums begrenzt. Das Einspritzgehäuse 22a ist mit einem Einlaßkanal 24a für die flüssige Komponente und mit einem hin- und hergehenden Kolben 26a versehen, der in einer Hülse 6la geführt wird, welche axiale Schlitze für ein überströmen aus der Kammer 62a aufweist. Durch den Kolben 26a führt ein Kanal 28a mit einem im Durchmesser verminderten Abschnitt 29 zur Beschleunigung der Komponente in eine Kammer 34a hinein, die innerhalb des Einspritzgehäuses 22a gebildet wird. Eine Hülse 27 sitzt eingepreßt im Einspritzgehäuse 22a und hält eine Düse 30a in der Einlaßöffnung 16.

Wenn die Kolbenstange 54 zurückgezogen ist, um die Mischkammer-Einlaßöffnungen l4 und 16 zu öffnen, strömt die flüssige Komponente zwischen den Armen 66 des Anschlags 64

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hindurch in den Kanal 28a des Kolbens 26a, Aufgrund des Druckabfalls des Fluids beim Durchfluß durch den Kanal 28a wird der Druck stromauf .des Kolbens 26a größer als der stromab des Kolbens herrschende Druck, und die resultierende Kraft wirkt auf den eingeschnürten Abschnitt 55a ein, um den Kolben in die ausgefahrene Position (.Figur 3) zu stoßen, in der er mit seinem Umfang bei 56a auf der Hülse 27 aufsitzt. Die Fluidkomponente wird durch den Abschnitt 29 des Kanals beschleunigt und erfährt eine zusätzliche Beschleunigung durch die Düse 30a in die Mischkammer 12 hinein.

Wenn die Kolbenstange 54 in. die Sperrposition (Figur 4) ausgefahren wird, wirkt der Druckanstieg in der Kammer 34a auf die stromab gelegene Seite des Kolbens 26a ein, deren Querschnitt den Durehmesser "D" besitzt, welcher größer ist als der Durchmesser "d" des eingeschnürten Abschnitts 55a₃ so daß die resultierende Kraft den Kolben 26a in die zurückgezogene Pos-ition (Figur 4) treibt. Der Durchmesser "D" wird im Verhältnis zu dem Durchmesser "d" so gewählt, wie es oben im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 und 2 beschrieben wurde. Die Komponente wird von dem Abschnitt 29 des Kanals gegen die Düse 30a beschleunigt, so daß die Düse von der Komponente gespült und gewaschen wird, woraufhin die Komponente durch den Rezirkulationsauslaß 32a zum nicht dargestellten Reservoir zurückgeleitet wird.

Gemäß Figur 5 wird die Fluidkomponente aus dem Reservoir 40 von der Zumeßpumpe 46 in den Einlaßkanal 24b des Einspritzgehäuses 22b und durch den die Strömung beschleunigenden Kanal 28b (einschließlich des im Durchmesser verminderten Abschnitts 29b) einer stationären Hülse 26b sowie anschließend in eine Kammer 34b gepumpt. Die Kammer 34b steht mit der Mischkammer-Einlaßöffnung 16 und mit dem Rezirkulationsauslaß 32b in Verbindung, und zwar sowohl während des Mischens als auch während der Rezirkulation. Eine Düse 30b ist in

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einer stationären Hülse 27b derart angeordnet, daß sie in der M-ischkairaner-Einlaßöffnung 16 liegt. Ein einstellbares überdruckventil 70' ist in die Rezirkulationsleitung 51 eingeschaltet. Wenn der Kolben 54, wie in durchgezogenen Linien dargestellt^, die Einlaßöffnung 16 versperrt, hebt der Druckanstieg in der Kammer 34b eine Kugel 72= gegen die Kraft einer Feder 76 von einer Sitzöffnung 74 ab, um eine Rezirkulation zum Reservoir 4-0 zuzulassen. Die Kraft der Feder wird durch eine Schraube 78 so eingestellt, daß der von der Drucküberwachungsvorrichtung 50 angezeigte Systemlieferdruck während der Rezirkulation gleich dem während des Mischvorganges ist. Während der Rezirkulation wird die Düse 30b von der Komponente, die durch den im Durchmesser verminderten Abschnitt 29b gegen die Düse beschleunigt wird, gespült.

Ist jedoch die Einlaßöffnung der Mischkammer 12 geöffnet und wird die Komponente in die Mischkammer eingespritzt, so fällt der Druck in der Kammer 34b aufgrund des Durchflusses durch die Düse 30b ab. Der Druckabfall in der Kammer 34b führt dazu, daß die Feder 76 die Kugel 72 auf die Sitzöffnung 74 bringt (wie es in strichpunktierten Linien gezeigt ist), um die Rezirkulationsleitung 51 zu verschließen. Dementsprechend wird die flüssige Komponente durch die Düse 30b in die Mischkammer 12 geleitet.

Eine Abwandlung der Ausführungsform nach Figur 5 ist in Figur 6 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, an die in Figur 6 der Buchstabe "c" angehängt ist. Die Komponente wird durch den Einlaßkanal 24c des Einspritzgehäuses 22c und durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal 28c in einer stationären Hülse 26c sowie anschließend in eine Kammer 34c des Einspritzgehäuses 22c gepumpt. Die Kammer 34c steht sowohl mit der Einlaßöffnung 16 als auch mit dem Rezirkulationsauslaß 32c und der Rezirkulationsleitung 51 in Verbindung, welche, wie oben beschrieben, ein überdruckventil 70' aufweist. Die Düse 30b

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(mit fest vorgegebener- öffnung) in der Einlaß-Hülse 27b (Figur 5) ist durch eine einstellbare Düsenanordnung mit einer Nadel 80 ersetzt, welche in eine öffnung 82 der Hülse 27c hinein und aus der öffnung heraus verschiebbar ist. Die Nadel 80 sitzt im Einspritzgehäuse 22c und kann von einer Kontermutter 84 in der gewünschten Position festgelegt werden, um die angestrebte wirksame Düsenöffnung zu erzielen.

Gemäß Figur 7 wird die Fluidkomponente, die in das Einspritzgehäuse 22d eintritt, durch einen die Strömung beschleunigenden, in einem hin- und hergehenden Kolben 26d vorgesehenen Kanal 28d entweder in die Mischkammer 12 geleitet, sofern die Einlaßöffnung 16 offen ist, oder aber durch einen Rezirkulationsauslaß 32d in die nicht gezeigte Rezirkulationsleitung geführt, sofern die Einlaßöffnung versperrt ist. Eine Düse 30d ist in dem Auslaß des Kanals 28d vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform ist der vergrößerte Abschnitt 60d des Kolbens 26d, der eine größere Querschnittsfläche als der eingeschnürte Abschnitt 55d des Kolbens besitzt, frei innerhalb der Kammer 34 angeordnet, um sich zwischen einer (in voll ausgezogenen Linien dargestellten)Position, die der versperrten Einlaßöffnung 16 der Mischkammer entspricht, und einer (in strichpunktierten Linien gezeigten) vorgeschobenen Position zu bewegen, die sich ergibt, wenn die Kolbenstange.... 54 zurückgezogen und die Einlaßöffnung 16 geöffnet ist. In der vorgeschobenen Stellung sitzt der Kolben 26d an seinem Umfang bei 56d auf, so daß der Rezirkulationsauslaß 32d versperrt ist und die Fluidkomponente vollständig in die Mischkammer 12 geleitet wird. Die zurückgezogene Stellung des Kolbens 26d wird durch einen (nicht dargestellten) einstellbaren Anschlag bestimmt.

Bei der Ausführungsform nach Figur 8 ;tfird die Fluidkomponente durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal 28e eines hin- und hergehenden Kolbens 26e und anschließend durch eine Düse 30e in einer stationären Hülse 27e sowie durch die Einlaßöffnung 16 geleitet, sofern letztere geöffnet ist,_ oder aber sie wird durch die Kammer 34e und den Rezirkulationsauslaß 32e geführt, sofern die Einlaßöffnung 16, wie -

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in Figur 8 gezeigt, durch die Kolbenstange 5^ versperrt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Querschnittsfläche des Kolbens 26e an dessen stromauf gelegener Seite annährend gleich der an seiner stromab gelegenen Seite. Eine Feder 88 ist zwischen dem Einspritzgehäuse 22e und der stromab gelegenen Seite des Kolbens 26e angeordnet, um den Kolben gegen die zurückgezogene Position zu verspannen. Wenn die Kolbenstange 5^ zurückgezogen ist, um die Einlaßöffnung l6 zu öffnen, übersteigt die auf die stromab gelegene Seite des Kolbens 26e einwirkende Kraft die Gegenkraft der Feder 88 sowie die aus dem Druck in der Kammer 34e resultierende Kraft, wodurch der Kolben in die ausgefahrene Position bewegt wird, in der er auf der Hülse 27e aufsitzt. Wenn jedoch die Kolbenstange 5^ in die Sperrposition bewegt wird, übt der Druckanstieg in der Kammer 3^e eine zusätzliche Rückzugskraft auf den Kolben 26e aus, die gemeinsam mit der Kraft der Feder 88 den Kolben in die (in Figur 8 gezeigte) zurückgezogene Stellung verschiebt, woraufhin die aus dem Kanal 28e austretende flüssige Komponente durch den Rezirkulationsauslaß 32e strömt. Ein (nicht gezeigter) einstellbarer Anschlag bestimmt die zurückgezogene Position und damit den Drosseleffekt des Kolbens 26e, so daß der Systemdruck während der Rezirkulation auf den gleichen Wert wie während des Mischens eingestellt werden kann.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Strömung jeder flüssigen Komponente.durch eine Düse in die Mischkammer gerichtet, immer wenn die Einlaßöffnung zur Mischkammer geöffnet ist. In dem Moment, in dem die Einlaßöffnungen versperrt werden, wird der Durchfluß der Komponenten durch den Mischkopf lediglich für denjenigen Augenblick unterbrochen, der für einen sehr geringfügigen Druckaufbau benötigt wird, um entweder die Kolben ein kleines Stück zurückzuziehen und dadurch die Rezirkulationsleitungen zu öffnen, oder um im Falle der Ausführungsformen nach den Figuren 5 und 6 die Überdruckventile zu öffnen. In der Praxis ist nur eine sehr kleine Bewegung der Kolben oder überdruckven-

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tile erforderlich, um die Rezirkulation einzuleiten, und daher beobachtet man bei beiden Typen von Rezirkulationsanordnungen nur einen vernachlässigbar kleinen Druckanstieg innerhalb des Systems, wenn das Umschalten zwischen Mischeinstellung und Rezirkulationseinstellung stattfindet.

Außerdem wird bei allen dargestellten Ausführungsformen durch die Bewegung der Kolbenstange 5^ aus der geöffneten Stellung in die Sperrposition jeglicher Rest an gemischtem Schaum aus der Mischkammer 12 herausgeschabt und durch den Auslaß 18 der Mischkammer ausgeworfen.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel, das in seiner Konstruktion der Ausführungsform nach Figur J entsprach, wurden die reaktiven Urethan-Komponenten in einem Verhältnis Polyol zu Isocyanat von etwa 1:1 zugemessen, gemischt und abgegeben. Die Düse in jeder Einspritzeinheit besaß eine öffnung von etwa 0,75 Millimeter (0,03 Zoll), und jeder Reaktionspartner wurde bei einem Förderdruck von knapp l40 bar (2000 psi) in einer Menge von knapp 3₃5 l/min (0,87 Gallonen pro Minute) durch die zugehörige Düse gepumpt. Jeder Kolben besaß einen stromauf gelegenen Durchmesser "d" von knapp 8 Millimeter (5/16 Zoll) und einen stromab gelegenen Durchmesser "D" von knapp 29 Millimeter (1 1/8 Zoll). Bei wiederholtem Betrieb des Mischkopfes, wobei die Mischkammer-Einlaßöffnungen versperrt und geöffnet wurden, um zwischen Rezirkulation und Mischen umzuschalten, beobachtete man keine Druckänderungen im Zuliefersystem auf den Drucküberwachungsvorrichtungen 50.

Die beschriebenen Ausführungsformen dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung. Änderungen und Abwandlungen dieser bevorzugten Ausführungsbeispiele sind dem Fachmann im Rahmen der Erfindung ohne weiteres möglich.

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ORIGINAL INSPECTED

3014-73

Zusammenfassend schafft die Erfindung, einen Mischkopf für eine für Hochgeschwindigkeitsreaktionen vorgesehene Einspritzvorrichtung zum Mischen und Abgeben von zwei oder mehr Fluidkomponenten. Der Mischkopf umfaßt eine Mischkammer mit zwei oder mehr Einlassen für die gesonderten Komponenten und einem Auslaß zum Abgeben der gemischten Komponenten. Weiterhin ist ein Einspritzgehäuse zum Einspritzen jeder Komponente durch einen zugehörigen Einlaß vorgesehen. Die Komponente wird vor dem Einspritzen in die Mischkammer durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal des Einspritzgehäuses geleitet, um einen Druckabfall in der Komponente auf der stromab gelegenen Seite des Kanals hervorzurufen. Ferner sind Mittel zum wahlweisen Absperren der Einlasse vorgesehen, um die Abgabe der gemischten Komponenten zu beenden und dadurch den Komponentendruck innerhalb des Einspritzgehäuses stromab des Kanals zu erhöhen. Eine Rezirkulationsleitung steht mit jedem Einspritzgehäuse stromab des Kanals in Verbindung. Einrichtungen, die auf den Komponentendruck stromab des Kanals ansprechen, leiten die Strömung durch die Rezirkulationsöffnung, wenn der Mischkammer-Einlaß versperrt ist, und sperren die Strömung zur Rezirkulationsleitung, wenn der Einlaß offen ist.

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ORIGINAL INSPECTED

ZH-

Leerseite

Claims

Patentanwalt. Or. D-eter v. Bezcld

Dipl.-Ing. Peter Schütz Q Π 1 / 1 7 R Dipl.-lng. Wolfgang Hausier ^ ^ ' ^ ' ' ^ 8 München 86, Postfach 860668

PRITZ W. SCHNEIDER

Strasslach-Hailafing /Deutschland 10768

PATENTANSPRÜCHE

1.) Mischkopf für eine für Hochgeschwindigkeitsreaktionen vorgesehene Einspritzvorrichtung zum Mischen und Abgeben von mindestens zwei Fluidkomponenten, bei der jede der Komponenten unter Druck von einem Liefersystem zugeführt wird, welches eine Rezirkulationsleitung aufweist, um eine Zirkulation der zugehörigen Komponente zu ermöglichen, wenn die Komponenten nicht vermischt werden, gekennzeichnet durch

ein Gehäuse, welches eine Mischkammer (12) mit einem Einlaß (l4,l6) für jede Komponente und einem Auslaß (18) zum Abgeben der gemischten Komponenten definiert; Einrichtungen zum Einspritzen jeder Komponente durch einen der Einlasse in die Mischkammer, einschließlich einer Einrichtung zum Leiten der Komponente durch einen die Strömung beschleunigenden Kanal (28) vor dem Einspritzen in die Mischkammer, einer Einrichtung zum Erzeugen eines Druckverlustes in der Komponente an der stromab gelegenen Seite des Kanals und eines Rezirkulationsauslasses (32), der mit der stromab gelegenen Seite des Kanals in Verbindung steht und an die

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zugehörige Rezirkulationsleitung (51) anschließbar ist; durch eine Einrichtung (54) zum wahlweisen Absperren jedes Einlasses, um die Lieferung jeder Komponente zu unterbrechen und dadurch einen Druckanstieg der Komponente in der Einspritzeinrichtung stromab des Kanals (28) zu erzeugen; und durch auf den angestiegenen Druck stromab des Kanals (28) ansprechende Einrichtungen (26,70') zum Leiten der Strömung aus dem Kanal durch den RezirkulationsÄUslaß (32), sofern der Einlaß (14,16) versperrt ist, und zum Unterbrechen der Strömung durch den Rezirkulationsauslaß, sofern der Einlaß geöffnet ist und die Komponente in die Mischkammer eingespritzt werden kann.

2. Mischkopf nach Anspruch I₃
gekennzeichnet durch

eine in dem Kanal (28) angeordnete Düse (29;30).

3. Mischkopf nach Anspruch I₅
gekennzeichnet durch

eine in dem Einlaß (I4,l6) der Mischkammer (12) angeordnete Düse (30;80,82).

4. Mischkopf nach einem der Ansprüche 1 "bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Mischkammer (12) zylindrisch ausgebildet ist und einen hin- und hergehenden Kolben (54) enthält, der zwischen einer zurückgezogenen Position, in der die Einlasse (14, 16) geöffnet sind, und einer vorgeschobenen Position bewegbar ist, in der die Einlasse versperrt sind.

5. Mischkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

daß jede Einspritzvorrichtung (20,22) eine Kammer, einen in der Kammer hin- und hergehenden Kolben (26), durch den der die Strömung beschleunigende Kanal (28) hindurchführt,

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sowie Einrichtungen umfaßt, um den Kolben in die ausgeschobene Position zu verspannen, sofern der Einlaß (l4,l6) geöffnet ist, und um den Kolben in die zurückgezogene Position zu verspannen, wenn der Einlaß versperrt ist.

6. Mischkopf nach Anspruch 5₃
dadurch gekennzeichnet,

daß der Kolben (26) in der ausgefahrenen Position außerhalb (bei 56) des Einlasses (l4,l6) aufsitzt, um einen Durchfluß der Komponente in die Mischkammer (12) zuzulassen und einen Durchfluß der Komponente durch den Rezirkulationsauslaß (32) zu verhindern.

7. Mischkopf nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Querschnittsfläche des Kolbens (26) an der Einlaßseite des Kanals (28) kleiner als die Kolbenquerschnittsfläche an der Auslaßseite des Kanals ist, wodurch die resultierende Kraft, die bei geöffnetem Mischkammer-Einlaß (14,16) auf den Kolben einwirkt, diesen in seine vorgeschobene Position treibt, während die resultierende Kraft, die bei versperrtem Mischkammer-Einlaß auf den Kolben einwirkt, diesen in seine zurückgezogene Position treibt.

8. Mischkopf nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch

eine Feder (88) zum Verspannen des Kolbens (26) in dessen zurückgezogene Position, wodurch die resultierende Kraft, die bei geöffnetem Mischkammer-Einlaß (l4,l6) auf den Kolben einwirkt, diesen in seine ausgefahrene Position treibt, während die resultierende Kraft, die bei versperrtem Mischkammer-Einlaß auf den Kolben einwirkt, diesen in seine zurückgezogene Position treibt.

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9. Mischkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine in dem Kanal (28) des Kolbens (26) angeordnete Düse (29;30).

10. Mischkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 9, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Anschlag (64) zum Einstellen der zurückgezogenen Position des Kolbens (26).

11. Mischkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch eine im Einlaß (l4,l6) der Mischkammer (12) angeordnete Düse (30;80,82).

12. Mischkopf nach einem der Ansprüche 5 bis 11, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Anschlag (64) zum Einstellen der zurückgezogenen Position des Kolbens (26).

13. Mischkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch ein Überdruckventil (70') zum wahlweisen Absperren des Komponentendurchflusses durch den Rezirkulationsauslaß (32), wobei das überdruckventil geschlossen ist, wenn die Einlasse (l4,l6) geöffnet sind, während es seine öffnungsstellung einnimmt, wenn die Einlasse versperrt sind, und wobei ferner das Überdruckventil auf den Druckanstieg stromab des Kanals (28) anspricht.

lh. Mischkopf nach Anspruch 3 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die -Düse eine einstellbare Düsennadel (80) für den Einlaß (lh,16) aufweist.

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15. Verfahren zum Mischen einer Mehrzahl reaktiver Komponenten in einem Mischkopf mit einer Mischkammer, die einen Einlaß für jede Komponente und einen Auslaß für die gemischten Komponenten aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

daß jede Komponente unter Druck einer Einspritzvorrichtung mit einer Düse zugeführt wird; daß jede Komponente durch die Düse und in die Mischkammer zum Durchmischen der Komponenten geleitet wird; daß die Einlasse wahlweise versperrt werden, um das Mischen zu unterbrechen; und daß die Strömung aus der Einspritzvorrichtung in ein Rezirkulationssystem geleitet wird, wenn die Einlasse versperrt sind, und zwar ohne Unterbrechung der Komponentenzuführung zur Einspritzvorrichtung.

16. Verfahren nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede Düse mit der rezirkulierenden Komponente gespült wird, wenn die Einlasse versperrt sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede Düse bei versperrten Einlassen durch die gegen sie 'beschleunigte Komponente gespült wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,

daß jede Düse bei versperrten Einlassen dadurch gespült wird, daß die Komponente durch die Düse hindurchgeleitet wird.

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