WO2001043858A2 - Vorrichtung zum mischen von viskosen flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zum mischen von viskosen flüssigkeiten Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a device for mixing viscous liquids according to the preamble of claim 1 and a method for using such a device.
  • this device for mixing liquids which is also suitable for highly viscous liquids and which can nevertheless be operated in discontinuous operation.
  • this device should be suitable for mixing highly viscous liquids which form a solid plastic or plastic foam with one another with short reaction times.
  • the basic idea of the invention is to develop the countercurrent mixing head described above in such a way that the piston, which can be axially displaced for cleaning purposes, can be rotated about its own axis in the cylindrical mixing chamber, as a result of which a stirring movement is generated.
  • a particularly advantageous embodiment is a device according to claim 3.
  • stirring bars can be used and cleaned automatically.
  • the axial degree of freedom of the piston is used to improve the mixing. Further advantageous embodiments result from the other subclaims.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in longitudinal section in a first working position
  • FIG. 2 shows the device from FIG. 1 in a second working position
  • FIG. 3 shows the cross section through the mixing chamber
  • FIGS. 4A and B schematically show a development of the invention
  • Figure 5 shows schematically another embodiment.
  • FIG. 1 a device according to the invention is shown in cross section.
  • the mixing chamber housing 105 has a cylindrical mixing chamber 100, in which the piston 150 is axially displaceably mounted.
  • the axial displacement of the piston 150 is effected by means of the hydraulic piston 160 mounted in the hydraulic cylinder 120.
  • the hydraulic piston 160 is rigidly coupled to the hydraulic rod 165, which carries the first ball bearing 168 at its lower end.
  • the spline shaft 155 is held on the inner rim of the ball bearing 168, so that the hydraulic rod 165 and spline shaft 155 are axially coupled, but are decoupled with respect to the rotation about the axis AA.
  • the spline shaft 155 penetrates the coupling element 140, whereby the coupling element 140 and spline shaft 155 are coupled in their rotational movement.
  • the piston 150 arranged in the mixing chamber 100 is fastened to the end of the spline shaft 155.
  • the above-mentioned coupling element 140 is connected by means of the second ball bearing 145 to the bearing flange 110, which in turn is rigidly flanged to the mixing chamber housing 105.
  • the coupling element 140 which is constructed essentially symmetrically with respect to the axis AA, carries the ring gear 142 on its outside. The ring gear 142 and thus also the coupling element 140 can be driven by the motor 135.
  • the gear 136 is mounted on the motor axis of the motor 135, which in turn is connected to the ring gear 142 by means of the toothed belt 137.
  • the motor 135 is flanged to the lantern 115 or to the bearing flange 110 via the bracket 130.
  • the stirring rod 152 is arranged on the coupling element 140 and extends into the mixing chamber 100 parallel to the axis A-A, whereby it pierces the piston 150.
  • the two nozzles 170 are arranged in the mixing chamber housing 105, through which the two viscous liquids to be mixed are pressed into the mixing chamber 100.
  • the two nozzles 170 are only shown schematically in FIGS. 1 and 2.
  • the mixing chamber housing 105 has two recesses 105 A, into each of which a nozzle body 171 is inserted (however, only one nozzle body 171 is shown here). Within the nozzle body 171, the high pressure, which is built up externally, is regulated by means of an injection piston 172 and the liquid is pressed out of the nozzle body 172 through the nozzle body opening 173. Such arrangements are known in the art and will not be described further here.
  • the actual nozzle openings here are the outlet bores 105 B of hardened nozzle tips 105 C in the mixing chamber housing 105. It would also be conceivable to bring the nozzle bodies as far as the mixing chamber so that the front of the nozzle body is part of the side walls. the mixing chamber. In this case, the nozzle body opening and the outlet bore of the nozzle tips would be identical.
  • the first working position of the device is shown in FIG.
  • the piston 150 is located above the nozzle openings of the nozzles 170.
  • the liquids to be mixed are injected through the nozzles 170 into the mixing chamber 100.
  • the injection is usually under high pressure, i.e. with injection pressures over 100 bar.
  • the coupling element 140 is set in rotation by means of the motor 135 and thus also the piston 150 and the stirring rod 152.
  • the rotation of the piston 150 and the stirring rod 152 also allows highly viscous liquids to be mixed with one another.
  • the mixed liquids exit at the lower end of the mixing chamber 100.
  • a flexible spout 180 can be attached to the open end of the mixing chamber 100, ie where the finished mixture exits the mixing chamber.
  • the spout 180 is preferably designed such that it tapers downward in the unloaded state, in particular forms an elongated opening slot. This can be advantageous if the mixed mass is to be dispensed in a controlled manner.
  • the axial stroke of the piston 150 must be so large that it can also penetrate the spout 180 in its entire length. Due to the flexible properties of the spout 180, it adapts its shape when the piston 150 is pushed through, so that the interior of the spout 180 can also be cleaned by the axial stroke of the piston 150 (see FIG. 4B).

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Mischen von viskosen Flüssigkeiten weist eine an einer Stirnseite offene zylindrische Mischkammer (100) mit einer Seitenwandung, wenigstens zwei Einspritzdüsen (170), deren Düsenöffnungen Austrittsbohrungen (105B) in der Seitenwandung sind, und einem in der Mischkammer (100) axial längs der Längsachse 9A-A) der Mischkammer (100) verschiebbaren Kolben (150) mit einer kreisförmigen Oberfläche auf. Zusätzlich zu axialen Verschiebbarkeit ist der Kolben um die Längsachse der Mischkammer (100) mittels eines Motors (135) drehbar.

Description

Vorrichtung zum Mischen von viskosen Flüssigkeiten
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von viskosen Flüssigkeiten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Anwendung einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Gattungsgemäße Vorrichtungen sind in der Technik bekannt, sie werden beispielsweise in der Kunststoff-Industrie benutzt, wenn zwei Komponenten ver- mischt werden sollen, welche dann reagieren und dadurch das Endprodukt, beispielsweise ein Kunststoffschaum, gebildet wird. Grundsätzlich sind hier zwei verschiedenartige Vorrichtungen bekannt:
Zum Mischen von hochviskosen Flüssigkeiten werden diese aus je zwei Düsen in einen meist zylindrischen Reaktionsraum eingebracht und dann unter Einsatz von Rührwerkzeugen miteinander vermischt. Die möglichst homogen vermischten Flüssigkeiten treten dann an einem unten offenen Ende aus dem Reaktionsraum aus. Diese Vorrichtungen sind nur für den kontinuierlichen Betrieb geeignet, da die beiden Flüssigkeiten häufig recht schnell miteinander reagieren und bei einer Produktionsunterbrechung das Rührwerk verkleben. Sobald das Gemisch einmal ausgehärtet und erstarrt ist, kann der Reaktionsraum nur noch unter großem Aufwand oder überhaupt nicht mehr gereinigt und somit wieder funktionstüchtig gemacht werden.
Es ist weiterhin bekannt, die beiden viskosen Flüssigkeiten mittels zweier Hochdruckpumpen in einen zumeist zylindrischen Reaktionsraum einzuspritzen, wobei sich die Strahlen im Gegenstrom-Injektionsverfahren durchmischen. Bei diesen Vorrichtungen sind zumeist Kolben vorgesehen, durch deren axialen Hub der Kolben von den bei Produktionsstillständen im Mischraum verbleibenden Flüssigkeiten gereinigt werden kann. Diese Anordnungen haben den Vorteil, dass sie auch zum diskontinuierlichen Betrieb eingesetzt werden können, allerdings ist aufgrund der fehlenden Rührwerkzeuge ein Einsatz für hochviskose Flüssigkeiten nicht möglich.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeiten zu schaffen, die auch für hochviskose Flüssigkeiten geeignet ist und trotzdem im diskontinuierlichen Betrieb betreibbar ist. Insbesondere soll diese Vorrichtung dazu geeignet sein, hochviskose Flüssigkeiten zu mischen, die miteinander unter kurzen Reaktionszeiten ei- nen festen Kunststoff oder Kunststoffschaum bilden.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Eine bestimmungsgemäße Anwendung einer solchen Vorrichtung erfolgt gemäß Anspruch 9.
Grundgedanke der Erfindung ist es, den oben beschriebenen Gegenstrom- Mischkopf dahingehend weiterzubilden, dass der zu Reinigungszwecken axial verschiebbare Kolben in der zylindrischen Mischkammer um die eigene Achse rotiert werden kann, wodurch eine Rührbewegung erzeugt wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ist eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3. Hier können Rührstäbe verwendet und automatisch gereinigt werden.
Gemäß Anspruch 10 wird auch der axiale Freiheitsgrad des Kolbens zur Verbesserung der Durchmischung genutzt. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den anderen Unteransprüchen.
Kurzbeschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nun mit bezug auf die Figuren an einem Beispiel detailliert erläutert:
Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Längsschnitt in einer ersten Arbeitspositiion,
Figur 2 zeigt die Vorrichtung aus Figur 1 in einer zweiten Arbeitsposition,
Figur 3 zeigt den Querschnitt durch die Mischkammer, Figuren 4A und B zeigen schematisch eine Weiterbildung der Erfindung,
Figur 5 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung im Querschnitt dargestellt. Das Mischkammergehäuse 105 weist eine zylindrische Mischkammer 100 auf, in der der Kolben 150 axial verschieblich gelagert ist. Die axiale Verschiebung des Kolbens 150 wird mittels des im Hydraulikzylinder 120 gelagerten Hydraulikkolbens 160 bewirkt. Der Hydraulikkolben 160 ist starr mit der Hydraulikstan- ge 165 gekoppelt, welche an ihrem unteren Ende das erste Kugellager 168 trägt. Am inneren Kranz des Kugellagers 168 ist die Keilwelle 155 gehalten, so dass Hydraulikstange 165 und Keilwelle 155 axial gekoppelt, jedoch bezüglich der Rotation um die Achse A-A entkoppelt sind. Die Keilwelle 155 durchstößt das Kopplungselement 140, wodurch Kopplungselement 140 und Keilwelle 155 in ihrer Rotationsbewegung gekoppelt sind. Am Ende der Keilwelle 155 ist der in der Mischkammer 100 angeordnete Kolben 150 befestigt. Das oben erwähnte Kopplungselement 140 ist mittels des zweiten Kugellagers 145 mit dem Lagerflansch 110 verbunden, welcher wiederum starr am Mischkammergehäuse 105 angeflanscht ist. Das Kopplungselement 140, welches im wesentlichen symmetrisch bezüglich der Achse A-A aufgebaut ist, trägt an sei- ner Außenseite den Zahnkranz 142. Der Zahnkranz 142 und somit auch das Kopplungselement 140 ist mit dem Motor 135 antreibbar. Dazu ist auf der Motorachse des Motors 135 das Zahnrad 136 angebracht, welches wiederum mittels des Zahnriemens 137 mit dem Zahnkranz 142 in Verbindung steht. Der Motor 135 ist über die Konsole 130 an der Laterne 115 bzw. am Lagerflansch 110 an- geflanscht.
Am Kopplungselement 140 ist der Rührstab 152 angeordnet, welcher sich parallel zur Achse A-A in die Mischkammer 100 erstreckt, wobei er den Kolben 150 durchstößt.
Im Mischkammergehäuse 105 sind die beiden Düsen 170 angeordnet, durch welche die beiden zu mischenden viskosen Flüssigkeiten in die Mischkammer 100 gepresst werden. Die beiden Düsen 170 sind in den Figuren 1 und 2 nur schematisch dargestellt.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Düsen 170 aufgebaut sein können. Das Mischkammer-Gehäuse 105 weist zwei Ausnehmungen 105 A auf, in die jeweils ein Düsenkörper 171 eingesetzt ist (dargestellt ist hier jedoch nur ein Düsenkörper 171 ). Innerhalb des Düsenkörpers 171 wird der Hochdruck, welcher extern auf- gebaut wird, mittels eines Einspritzkolbens 172 geregelt und die Flüssigkeit durch die Düsenkörperöffnung 173 aus dem Düsenkörper 172 herausgedrückt. Solche Anordnungen sind in der Technik bekannt und sollen hier nicht weiter beschrieben werden. Die eigentlichen Düsenöffnungen sind hier die Austrittsbohrungen 105 B von gehärteten Düsenspitzen 105 C im Mischkammer- Gehäuse 105. Es wäre auch denkbar die Düsenkörper bis an die Mischkammer heranzuführen, so dass die Vorderfront des Düsenkörpers Teil der Seitenwan- dung der Mischkammer wird. In diesem Fall wären Düsenkörperöffnung und Austrittsbohrung der Düsenspitzen identisch.
Die prinzipielle Arbeitsweise der Vorrichtung wird nun beschrieben:
In Figur 1 ist die erste Arbeitsstellung der Vorrichtung gezeigt. Hierbei befindet sich der Kolben 150 oberhalb der Düsenöffnungen der Düsen 170. In dieser Stellung werden die zu mischenden Flüssigkeiten durch die Düsen 170 in die Mischkammer 100 eingespritzt. Das Einspritzen geschieht normalerweise unter Hochdruck, d.h. mit Einspritzdrücken über 100 bar. Während des Einspritzvorgangs wird das Kopplungselement 140 mittels des Motors 135 und somit auch der Kolben 150 und der Rührstab 152 in Rotation versetzt. Durch die Rotation des Kolbens 150 und des Rührstabs 152 können auch hochviskose Flüssigkeiten miteinander vermischt werden. Die durchmischten Flüssigkeiten treten am unteren Ende der Mischkammer 100 nach außen aus.
Nach Beendigung des Mischvorgangs wird die Zufuhr der beiden Flüssigkeiten durch die Düsen 170 abgestellt, anschließend wird mittels Druckbeaufschlagung des Hydraulikkolbens 160 der Kolben 150 axial in der Mischkammer 100 nach unten geschoben (siehe Figur 2). Dadurch werden die verbliebenen Reste aus der Mischkammer 100 ausgeschoben und somit die Mischkammer 100 gereinigt. Gleichzeitig erfolgt auch ein Abstreifen und somit Säubern des Rührstabes 152. Soll die Produktion nun
wieder aufgenommen werden, wird der Kolben 150 wieder in die in Figur 1 gezeigte Position zurückgezogen und der Zyklus kann von neuem beginnen.
Im folgenden werden noch einige Variationsmöglichkeiten der erfindungsgemä- ßen Vorrichtung dargestellt: Ge äß den Figuren 4A und B kann am offenen Ende der Mischkammer 100, also dort wo das fertige Gemisch aus der Mischkammer austritt, eine flexible Tülle 180 angebracht sein. Die Tülle 180 ist dabei vorzugsweise so ausgebildet, dass sie sich im unbelasteten Zustand nach unten hin verjüngt, insbesondere einen länglichen Öffnungsschlitz bildet. Dies kann von Vorteil sein, wenn die durchmischte Masse in einer kontrollierten Art und Weise abgegeben werden soll. In diesem Fall muss der axiale Hub des Kolbens 150 so groß sein, dass er auch die Tülle 180 in ihrer gesamten Länge durchstoßen kann. Durch die flexiblen Eigenschaften der Tülle 180 passt sie sich beim Durchschieben des Kolbens 150 dessen Form an, so dass auch der Innenraum der Tülle 180 durch den Axialhub des Kolbens 150 gereinigt werden kann (siehe Figur 4B).
Gemäß Figur 5 ist es auch denkbar, die Austrittsbohrung 105 B der Düsenspitzen schräg bezüglich der Längsachse A-A der Mischkammer anzuordnen, derart, dass sich die Längsachsen B-B und C-C der Austrittsbohrungen der Düsenspitzen in etwa auf der Oberfläche des Kolbens 150 schneiden, wenn dieser in der Arbeitsposition "Mischen" steht. Dies kann insbesondere dann zu einem verbesserten Mischergebnis führen, wenn der Kolben 150 eine strukturierte Oberfläche, beispielsweise mit Nuten oder Rillen aufweist. Insbesondere in die- sem Fall ist es auch denkbar, ohne einen Rührstab zu arbeiten. Es ist natürlich auch denkbar, die gewinkelte Düsenposition mit dem Einsatz eines Rührstabes gemäß den Figuren 1 und 2 zu kombinieren.
Da zwischen Mischkammergehäuse und Kolben und zwischen Kolben und Rührstab möglichst große Dichtigkeit bei möglichst kleiner Reibung herrschen sollte, wird vorgeschlagen, zumindest jeweils eine der sich gegenüberliegenden Oberflächen mit einer diamantartigen Graphit-Oberfläche zu überziehen. Es sind jedoch auch andere Oberflächengestaltungen denkbar, wobei natürlich möglichst reibungs- und verschleißarmen Materialkombinationen der Vorzug zu geben ist. Es ist auch denkbar, den Kolben 150 mit Ausnehmungen, beispielsweise Umfangsnuten, zu versehen und in diesen Ausnehmungen Schmierstoffe einzulagern. Es ist weiterhin denkbar, mehrere Rührstäbe einzusetzen, wobei diese Rührstäbe jedoch stets parallel zur Achse A-A angeordnet sein müssen.
In Erweiterung der oben beschriebenen Arbeitsweise ist es weiterhin denkbar, dass der Kolben 150 auch während der Mischphase kurze Axialhübe ausführt, wodurch oszillierende Druckimpulse auf die in der Mischkammer 100 befindlichen Stoffe ausgeübt werden. Eine solche Axialschwingung kann beispielsweise mittels des schon beschriebenen Hydraulikkolbens 160 bewirkt werden, es ist jedoch auch denkbar, ein weiteres kurzhubiges Pneumatik- oder Hydraulikelement seriell zur Hydraulikstange 165 anzuordnen.
Es ist weiterhin auch denkbar, mehr als zwei Düsen im Mischkammergehäuse 105 anzuordnen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Mischen von viskosen Flüssigkeiten mit: einer an einer Stirnseite offenen zylindrischen Mischkammer (100) mit einer Seitenwandung, wenigstens zwei Einspritzdüsen (170), deren Düsenöffnungen Austrittsbohrungen (105B) in der Seitenwandung sind, einem in der Mischkammer (100) axial längs der Längsachse (A-A) der Mischkammer (100) verschiebbaren Kolben (150) mit einer kreisförmigen Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben um die Längsachse (100) mittels eines Motors (135) drehbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (150) wenigstens eine Durchbrechung aufweist, durch die ein Rührstab
(152) ragt, wobei Kolben (150) und Rührstab (152) axial entkoppelt oder entkoppelbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (B-B, C-C) der Austrittsbohrungen (105 B) mit der Längsachse (A-A) der Mischkammer (100) jeweils einen zur offenen Stirnseite hin offenen Winkel (• , • ) einschließen.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Oberfläche des Kolbens (150) wenigstens eine Nut aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (150) Hinterschneidungen aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in den Hinterschneidungen zumindest teilweise Schmierstoffe eingelagert sind.
7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (150) eine erste Position hat, bei der der Kolben die Düsenöffnungen nicht berührt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (150) eine weitere Position hat, bei der der Kolben die Düsenöffnungen nicht berührt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Achsen (B-B, C-C) der Austrittsbohrungen (105B) in etwa auf der Oberfläche schneiden, wenn sich der Kolben (150) in der ersten oder zweiten Position befindet.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsmittel vorgesehen sind, mittels derer eine Oszillationsbewegung des Kolbens (150) zwischen den beiden Positionen bei gleichzeitiger Rotation des Kolbens bewirkt werden kann.
1 1.Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rührstab (152) in axialer Richtung zumindest mittelbar mit der Seitenwandung gekoppelt ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass an der Öffnung der Mischkammer (100) das erste Ende einer
Tülle (180) aus einem flexiblen Material angeordnet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tülle (180) zu ihrem zweiten Ende hin flach ausläuft.
14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben und/oder die Seitenwandung zumindest teilweise eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen.
15. Verfahren zum Mischen von wenigstens zwei viskosen Flüssigkeiten unter Verwendung einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 mit folgenden Schritten: a) Positionieren des Kolbens in einer ersten Position, wobei der Kolben die Düsenöffnungen nicht blockiert, b) Einspritzen der Flüssigkeiten bei gleichzeitiger Drehung des Kolbens, c) Beendigen des Einspritzvorgangs, d) axiales Verschieben des Kolbens zum Auswerfen des noch in der Mischkammer befindlichen Materials.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in Schritt d) so weit bewegt wird, dass die Kreisfläche die Mischkammer ver- lässt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schrittes b) der Kolben zwischen der ersten Position und einer zweiten Position, bei der der Kolben die Düsenöffnungen ebenfalls nicht blockiert, oszilliert.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeiten mit Drücken von mehr als 100 bar eingespritzt werden.
PCT/DE2000/004386 1999-12-14 2000-12-09 Vorrichtung zum mischen von viskosen flüssigkeiten Ceased WO2001043858A2 (de)

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