AT519895A1

AT519895A1 - gas system

Info

Publication number: AT519895A1
Application number: ATA50369/2017A
Authority: AT
Original assignee: Univ Wien Tech
Priority date: 2017-05-05
Filing date: 2017-05-05
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2018201177A1; DE112018002330A5

Abstract

Gassystem (15) zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers (2) mit einem kontinuierlichen Massenstrom eines Gases und Ver- fahren zur Steuerung des Massenstroms in einem geschlossenen Gaskreislauf (6) umfassend einen Massendurchflussregler (3), ei- nen Verdichter (4) und mindestens einen pneumatischen Verbrau- cher (2), wobei der Massendurchflussregler (3) den Massenstrom auf ei- nen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter (4) zur Aufrechterhaltung eines Diffe- renzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des Massen- durchflussreglers (3) gesteuert wird, und wobei der Verdichter (4) aktiviert wird, wenn der Differenz- druck unter eine Untergrenze (13) sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze (14) erreicht oder über- steigt, wobei die Obergrenze (14) einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze (13).Gas system (15) for supplying a pneumatic consumer (2) with a continuous mass flow of a gas and method for controlling the mass flow in a closed gas circuit (6) comprising a mass flow controller (3), a compressor (4) and at least one pneumatic consumer (2), wherein the mass flow controller (3) regulates the mass flow to a predetermined desired mass flow and wherein the compressor (4) to maintain a differential pressure between inlet (26) and outlet (31) of the mass Flow control (3) is controlled, and wherein the compressor (4) is activated when the differential pressure falls below a lower limit (13), and is deactivated when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit (14), wherein the upper limit (14) corresponds to a higher differential pressure than the lower limit (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Massen stroms in einem geschlossenen Gaskreislauf umfassend einen Mas sendurchflussregler, einen Verdichter und mindestens einen pneumatischen Verbraucher, wobei der Massendurchflussregler den Massenstrom auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers gesteuert wird, sowie ein Gassystem zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers mit einem kontinuierlichen Massenstrom eines Gases, das Gassystem umfassend einen Massendurchflussregler und einenThe invention relates to a method for controlling the mass flow in a closed gas circuit comprising a mass flow controller, a compressor and at least one pneumatic consumer, the mass flow controller regulating the mass flow to a predetermined target mass flow and the compressor for maintaining a differential pressure between the inlet and Outlet of the mass flow controller is controlled, and a gas system for supplying a pneumatic consumer with a continuous mass flow of a gas, the gas system comprising a mass flow controller and a

Verdichter, wobei der Massendurchflussregler zur Regelung desCompressor, the mass flow controller to control the

Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerich tet ist und wobei der Verdichter von einer Verdichtersteuerung zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers steuerbar ist.Mass flow is set up to a predetermined target mass flow and the compressor can be controlled by a compressor control to maintain a differential pressure between the inlet and outlet of the mass flow controller.

Der oder die pneumatischen Verbraucher können beispielsweise eine Leitung, ein Ventil, eine Membran, ein Motor oder eine Turbine sein. Zweck der erfindungsgemäßen Verfahren und Gassysteme ist es, einen im Wesentlichen kontinuierlichen Massenstrom durch den Verbraucher zu erzielen. Der Massendurchflussregler und der Verdichter können vorzugsweise mit dem Verbraucher in Serie geschaltet sein. Als „Verdichter“ wird vorliegend allgemein ein druckaufbauendes Element bezeichnet; es kann sich daher bei demThe pneumatic consumer or consumers can be, for example, a line, a valve, a membrane, a motor or a turbine. The purpose of the methods and gas systems according to the invention is to achieve an essentially continuous mass flow through the consumer. The mass flow controller and the compressor can preferably be connected in series with the consumer. In the present case, the term “compressor” generally refers to a pressure-building element; it can therefore be in the

Verdichter (im hier verwendeten, weiteren Sinn) um einen Venti lator ein Gebläse oder einen Verdichter (im engeren Sinn) han deln. Als Massendurchflussregler wird jede Anordnung verstanden, die einen Sensor, eine Steuerung und ein Ventil umfasst, und zur Regelung des durch das Ventil transportierten Massenstroms (d.h. Gasmasse pro Zeiteinheit) eingerichtet ist. Dabei kann der Massendurchflussregler eine beliebigen Sensor und ein beliebigesDeal with compressors (in the broader sense used here) around a fan, blower or compressor (in the narrower sense). A mass flow controller is understood to mean any arrangement which comprises a sensor, a control and a valve and which is set up to regulate the mass flow (i.e. gas mass per unit of time) transported through the valve. The mass flow controller can be any sensor and any

Ventil umfassen, welche zur Lösung dieser Aufgabe geeignet sind; z.B. ein Proportionalventil oder ein Magnetventil. Weiters ist es für die vorliegende Erfindung nicht wesentlich, dass der Massendurchflussregler und der Verdichter durch separate (dezentrale) Steuerungen gesteuert bzw. geregelt werden. Die Erfindung betrifft daher auch solche Anordnungen, bei denen der Massenstrom und der Differenzdruck als Mehrgrößensystem durch eine einzelne (zentrale) Steuerung geregelt bzw. gesteuert werden.Include valve, which are suitable for solving this problem; e.g. a proportional valve or a solenoid valve. Furthermore, it is not essential for the present invention that the mass flow controller and the compressor are controlled or regulated by separate (decentralized) controls. The invention therefore also relates to arrangements in which the mass flow and the differential pressure are regulated or controlled as a multivariable system by a single (central) controller.

Weiters können der Massendurchflussregler und der Verdichter in baulich getrennten Einheiten untergebracht und entsprechend durch eine Gasleitung verbunden sein, oder in einer Einheit (z.B. mit einem gemeinsamen Gehäuse) baulich integriert und in tern verbunden sein.Furthermore, the mass flow controller and the compressor can be housed in structurally separate units and correspondingly connected by a gas line, or structurally integrated in a unit (e.g. with a common housing) and internally connected.

Die Erfindung betrifft insbesondere einen kompakten Gaskreislauf und dementsprechendes Regelprinzip, deren Zusammenwirken eine nötige Druckdifferenz bzw. Massenstrom durch eine oder mehrere angeschlossenen pneumatischen Einheiten liefert. Im Vergleich zu anderen bestehenden Gassystemen im ähnlichen medizinischen Anwendungsbereich, die einen kontinuierlichen aber offenenThe invention particularly relates to a compact gas circuit and corresponding control principle, the interaction of which provides a necessary pressure difference or mass flow through one or more connected pneumatic units. Compared to other existing gas systems in a similar medical application, which are continuous but open

Gasstrom oder pulsierenden geschlossenen Gasstrom erstellen, kann der entwickelte Gaskreislauf einen kontinuierlichen und gleichzeitig geschlossenen Gasstrom bilden. Dies folgt zu einem wesentlich geringeren Gasverbrauch und deutlichen Einsparungen wenn ein teures inertes Gas, wie z.B. Helium, verwendet wird.Create gas flow or pulsating closed gas flow, the developed gas circuit can form a continuous and at the same time closed gas flow. This results in a significantly lower gas consumption and significant savings when an expensive inert gas, such as Helium is used.

Aus der CN 104555955 A ist ein geschlossener Gaskreislauf mit einem Massendurchflussregler, einem Verdichter und mehreren Verbrauchern bekannt. Der Kreislauf dient der konvektiven Kühlung einer optischen Faser bei der Herstellung mittels Helium.From CN 104555955 A a closed gas circuit with a mass flow controller, a compressor and several consumers is known. The circuit is used for the convective cooling of an optical fiber in the production by means of helium.

Bekannte Gassysteme zur Verwendung in einem geschlossenen Gas kreislauf mit einem kontinuierlichen Massenstrom sind laut und benötigen vergleichsweise viel Energie im Verhältnis zu dem aufrecht zu erhaltenden Massenstrom. Sie eignen sich daher kaum zur mobilen Verwendung.Known gas systems for use in a closed gas circuit with a continuous mass flow are loud and require a comparatively large amount of energy in relation to the mass flow to be maintained. They are therefore hardly suitable for mobile use.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung und ein Gassystem vorzuschlagen, welches sich besser als bekannte Systeme zur mobilen Verwendung eignet.It is an object of the invention to propose a control method and a gas system which is better suited than known systems for mobile use.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angeführtenThis task is carried out in a method of the initially mentioned

Art dadurch gelöst, dass der Verdichter aktiviert wird, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. D.h. der Verdichter bleibt so lange deaktiviert, bis der Differenzdruck von der Obergrenze bis zur Untergrenze gesunken ist. Aufgrund der nur temporären Akti vierung des Verdichters wird der Energieverbrauch und die Lärmentwicklung des Verdichters reduziert.Resolved in that the compressor is activated when the differential pressure drops below a lower limit, and is deactivated when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit, the upper limit corresponding to a higher differential pressure than the lower limit. That the compressor remains deactivated until the differential pressure has dropped from the upper limit to the lower limit. Due to the temporary activation of the compressor, the energy consumption and noise of the compressor are reduced.

Dementsprechend wird die obige Aufgabe bei einem Gassystem der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die Verdichtersteuerung eingerichtet ist, den Verdichter zu aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze.Accordingly, the above object is achieved in a gas system of the type mentioned at the outset in that the compressor controller is set up to activate the compressor when the differential pressure falls below a lower limit and to deactivate it when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit, the upper limit corresponds to a higher differential pressure than the lower limit.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Untergrenze und/oder die Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom (d.h. dem Momentanwert der Führungsgröße des Massendurchflussregler) ermittelt werden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Verdichtersteuerung zur Ermittlung der Untergrenze und/oder der Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom eingerichtet ist. Die statische Kennlinie gibt dabei den Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz an den betreffenden Elementen im statischen Grenzfall an. Sie setzt sich im Fall einer Reihenschaltung aus der Summe der einzelnen statischen Elementkennlinien zusammen. Diese Elementkennlinien können vorab gemessen werden und es kann die statische Kennlinie z.B. in einem Kennlinienspeicher gespeichert werden, sodass sie im Betrieb am Soll-Massenstrom ausgewertet werden kann. Die Ermittlung der jeweiligen Elementkennlinie erfolgt abhängig von der Art des pneumatischen Elements. Zur Berücksichtigung des Massendurchflussreglers kann die Kennlinie bei der maximalen Öffnung des Massendurchflussreglers verwendet werden, d.h. der maximal erzielbare Massendurchfluss abhängig von der Druckdifferenz. Beim Verdichter hängt die Kennlinie von der Art des Verdichters und der eingestellten Leistung des Verdichters ab. Z.B. hat ein Kolbenverdichter eine zwischen zwei Druckniveaus oszillierende Kennlinie, wobei die Höhe und der Verlauf der Druckniveaus von der Eingangsleistung abhängt. Weitere Einzelheiten werden anhand der Ausführungsbeispiele weiter unten erläutert.It is particularly advantageous if the lower limit and / or the upper limit are determined from a static characteristic curve of the pneumatic elements connected to the mass flow controller and the compressor during operation, depending on the target mass flow (i.e. the instantaneous value of the command variable of the mass flow controller). Accordingly, it is advantageous if the compressor control is set up to determine the lower limit and / or the upper limit from a static characteristic curve of the pneumatic elements connected to the mass flow controller and the compressor during operation, depending on the desired mass flow. The static characteristic curve indicates the relationship between mass flow and pressure difference at the relevant elements in the static limit case. In the case of a series connection, it is made up of the sum of the individual static element characteristics. These element characteristics can be measured in advance and the static characteristic e.g. stored in a characteristic curve memory so that it can be evaluated during operation on the target mass flow. The respective element characteristic curve is determined depending on the type of pneumatic element. To take into account the mass flow controller, the characteristic curve can be used at the maximum opening of the mass flow controller, i.e. the maximum achievable mass flow depending on the pressure difference. For a compressor, the characteristic curve depends on the type of compressor and the set output of the compressor. For example, a piston compressor has a characteristic curve oscillating between two pressure levels, the level and the course of the pressure levels depending on the input power. Further details are explained below using the exemplary embodiments.

Die Untergrenze kann größer oder gleich einem minimalen Diffe renzdruck sein, welcher zur Erreichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung zur Ermittlung einer Untergrenze eingerichtet sein, welche größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur Er reichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist. Der minimaleThe lower limit can be greater than or equal to a minimum differential pressure which is required to achieve the desired mass flow. Accordingly, the compressor control can be set up to determine a lower limit which is greater than or equal to a minimum differential pressure which is required to achieve the desired mass flow. The minimal one

Differenzdruck kann insbesondere aus der statischen Kennlinie ermittelt werden. Dabei handelt es sich um jenen Differenzdruck, der den Druckverlust innerhalb des Gaskreislaufs bei dem SollMassenstrom gerade kompensiert. Der Verdichter wird spätestens dann aktiviert, wenn der aktuelle Differenzdruck einen minimalen Differenzdruck erreicht, welcher erforderlich ist, um den gewünschten Massendurchfluss zu erreichen.Differential pressure can in particular be determined from the static characteristic. This is the differential pressure that just compensates for the pressure loss within the gas circuit at the target mass flow. The compressor is activated at the latest when the current differential pressure reaches a minimum differential pressure, which is required to achieve the desired mass flow.

In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn die Untergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minima len Differenzdrucks ermittelt wird. In entsprechender Weise ist es günstig, wenn die Verdichtersteuerung zur Ermittlung der Un tergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks eingerichtet ist. Der Reservedruck gewährleistet einen Puffer für den Fall einer Änderungen der Führungsgröße (d.h. bei einem plötzlich höheren SollIn this context, it is advantageous if the lower limit is determined by a predetermined constant reserve pressure above the minimum differential pressure. In a corresponding manner, it is advantageous if the compressor control is set up to determine the lower limit by a predetermined constant reserve pressure above the minimum differential pressure. The reserve pressure ensures a buffer in the event of a change in the command variable (i.e. in the event of a suddenly higher target

Massenstrom), und wirkt einem Einbruch des Massenstroms entge gen. Dieser Puffer ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Massendurchflussregler den Massendurchfluss rascher erhöht als der Verdichter die dafür nötige Druckdifferenz herstellen kann. Der Reservedruck kann z.B. 300 mbar sein.Mass flow), and counteracts a drop in the mass flow. This buffer is particularly advantageous when the mass flow controller increases the mass flow faster than the compressor can produce the pressure difference required for this. The reserve pressure can e.g. Be 300 mbar.

Weiters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente ein vom Massenstrom abhängiger Reservedruck ermittelt wird und die Untergrenze um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz ermittelt wird. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung zur Ermittlung eines vom Massenstrom abhängigen Reservedrucks aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente und zur Ermittlung der Untergrenze um einen vom SollFurthermore, it has proven to be advantageous if, from a dynamic characteristic curve of the pneumatic elements connected to the mass flow controller and the compressor during operation, a reserve pressure dependent on the mass flow is determined and the lower limit is determined by a value of the reserve pressure above the minimum pressure difference which is dependent on the desired mass flow becomes. Accordingly, the compressor control can be used to determine a reserve pressure dependent on the mass flow from a dynamic characteristic curve of the pneumatic elements connected to the mass flow controller and the compressor during operation and to determine the lower limit by one of the target

Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der mini malen Druckdifferenz eingerichtet sein. Die dynamische Kennlinie wird für eine rechnerische bzw. empirische Bestimmung einer Druckdifferenz bei einem vorgegebenen Massenstrom genutzt. Die angegebene Druckdifferenz entspricht dem Reservedruck, der erforderlich ist, um den Massenstrom um einen vorgegebenen Wert zu ändern. Die dynamische Kennlinie setzt sich aus den dynamischen Elementkennlinien der einzelnen pneumatischen Elementen zusammen. Im Fall einer Serienschaltung können die dynamischen Elementkennlinien addiert werden, um die dynamische Kennlinie zu erhalten. Die dynamischen Elementkennlinien können empirisch ermittelt werden, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert wird. Die dynamische Kennlinie wird insbesondere durch das dynamische Verhalten des Massendurchflussreglers und des Verdichters definiert. Durch Auswertung der dynamischen Kennlinie bei einem vorgegebenen Soll-Massenstrom kann der minimale Reservedruck ermittelt werden, welcher zur Aufrechterhaltung des Massenstroms bei Änderungen des SollMassenstroms innerhalb der der dynamischen Kennlinie zugrunde liegenden Grenzen erforderlich ist. D.h. die Einhaltung des so ermittelten Reservedrucks oberhalb des minimalen Differenzdrucks gewährleistet, dass Änderungen des Soll-Massenstroms (innerhalb dieser Grenzen) ohne Einbrüche des Massenstroms (d.h. des Ist-Massenstroms) ausgeführt werden können.Mass flow dependent value of the reserve pressure can be set up above the mini paint pressure difference. The dynamic characteristic is used for a computational or empirical determination of a pressure difference for a given mass flow. The specified pressure difference corresponds to the reserve pressure that is required to change the mass flow by a predetermined value. The dynamic characteristic curve is composed of the dynamic element characteristic curves of the individual pneumatic elements. In the case of a series connection, the dynamic element characteristics can be added to obtain the dynamic characteristic. The dynamic element characteristics can be determined empirically, as will be explained in more detail below using exemplary embodiments. The dynamic characteristic is defined in particular by the dynamic behavior of the mass flow controller and the compressor. The minimum reserve pressure required to maintain the mass flow when the set mass flow changes within the limits on which the dynamic characteristic curve is based can be determined by evaluating the dynamic characteristic curve for a predetermined nominal mass flow. That compliance with the reserve pressure determined in this way above the minimum differential pressure ensures that changes in the target mass flow (within these limits) can be carried out without a drop in the mass flow (i.e. the actual mass flow).

Die Obergrenze kann vorzugsweise abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand ober halb der Untergrenze, ermittelt werden. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung vorzugsweise zur Ermittlung der Obergrenze abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze, eingerichtet sein. Dadurch wird eine vom Soll-Massenstrom abhängige Obergrenze definiert und es muss nicht ein für den gesamten Arbeitsbereich des Soll-Massenstroms gültiger konstanter Wert verwendet wird. D.h. die Obergrenze kann im Allgemeinen niedriger sein als bei einer konstanten Obergrenze. Dadurch wird der Energieverbrauch und die Lautstärke des Verdichters weiter gesenkt. Im einfachsten Fall wird die Obergrenze in einem konstanten Abstand (entsprechend einer Druckdifferenz) oberhalb der Untergrenze ermittelt. Alternativ kann der Abstand zwischen Untergrenze undThe upper limit can preferably be determined as a function of the lower limit, in particular at a (in special case) constant distance above the lower limit. Accordingly, the compressor control can preferably be set up to determine the upper limit depending on the lower limit, in particular at a (in special case) constant distance above the lower limit. This defines an upper limit that depends on the target mass flow and does not have to use a constant value that is valid for the entire working range of the target mass flow. That the upper limit can generally be lower than a constant upper limit. This further reduces the energy consumption and the volume of the compressor. In the simplest case, the upper limit is determined at a constant distance (corresponding to a pressure difference) above the lower limit. Alternatively, the distance between the lower limit and

Obergrenze abhängig vom Soll-Massenstrom, z.B. durch Auswertung der dynamischen Kennlinie, ermittelt werden. Dadurch kann derUpper limit depending on the target mass flow, e.g. by evaluating the dynamic characteristic curve. This allows the

Abstand zwischen Obergrenze und Untergrenze abhängig vom SollDistance between upper limit and lower limit depending on the target

Massenstrom so festgelegt werden, dass die Aktivitätsintervalle des Verdichters über einen breiteren Massenstrom-Bereich hinweg im Wesentlichen gleich bleiben, was die Wahrnehmung eines mobi len Verdichters verbessern kann (d.h. er wird weniger stark und als weniger störend wahrgenommen).Mass flow is set so that the activity intervals of the compressor remain essentially the same over a broader mass flow range, which can improve the perception of a mobile compressor (i.e. it is perceived less strongly and as less disturbing).

In einem bevorzugten Anwendungsfall ist das in dem Gaskreislauf beförderte Gas Helium. Dementsprechend kann das vorliegende Gassystem vorzugsweise Helium enthalten. Helium hat den Vorteile einer geringen Viskosität und einer hohen Wärmekapazität. Es eignet sich daher besonders für Anwendungen, bei denen ein möglichst geringer Leitungsquerschnitt verwendet werden soll (z.B. intrakorporale Anwendungen). Alternativ kann das verwendete Gas Luft, CO2, O2 oder eine inerte Mischung verschiedener Gase sein.In a preferred application, the gas carried in the gas circuit is helium. Accordingly, the present gas system may preferably contain helium. Helium has the advantages of low viscosity and high heat capacity. It is therefore particularly suitable for applications in which the smallest possible cable cross-section is to be used (e.g. intracorporeal applications). Alternatively, the gas used can be air, CO2, O2 or an inert mixture of different gases.

Außerdem ist es günstig, wenn der Einlass des Verdichters mit einem Druckbehälter (Gasquelle) verbunden ist, wobei ein Ventil des Druckbehälters zur Aufrechterhaltung eines konstanten abso luten Drucks am Einlass des Verdichters gesteuert wird. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Verdichter in einem stabilen Ar beitsbereich bleibt. Außerhalb des stabilen Arbeitsbereichs sind die Kennlinien des Verdichters, d.h. der Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz, nicht monoton.In addition, it is advantageous if the inlet of the compressor is connected to a pressure vessel (gas source), a valve of the pressure vessel being controlled to maintain a constant absolute pressure at the inlet of the compressor. This can cause the compressor to remain in a stable working range. Outside the stable working range, the characteristics of the compressor, i.e. the relationship between mass flow and pressure difference, not monotonous.

Weiters ist es günstig, wenn das Gassystem mit einem Unterdruckbehälter zur Evakuierung des Gassystems verbunden ist. Die Verbindung kann im Betrieb durch ein Magnetventil geschlossen sein. Dadurch kann im Fehlerfall eine rasche Evakuierung des Gassystems ohne aktive Elemente (z.B. Verdichter) erzielt werden. D.h. es kann rasch ein Unterdruck im Gassystem erzeugt werden, sodass die Gefahr eines Austritts von Gas auch im Fall von Lecks reduziert wird. Eine solche Einrichtung ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen, wenn ein Teil das Gassystems intrakorporal, z.B. in Blutgefäßen, installiert ist, vorteilhaft.Furthermore, it is favorable if the gas system is connected to a vacuum container for evacuating the gas system. The connection can be closed by a solenoid valve during operation. This enables rapid evacuation of the gas system without active elements (e.g. compressors) in the event of a fault. That A negative pressure can be quickly generated in the gas system, so that the risk of gas leakage is also reduced in the event of leaks. Such a device is particularly useful in medical applications when part of the gas system is intracorporeal, e.g. in blood vessels, is advantageous.

Darüber hinaus ist es - ebenfalls vor allem im Hinblick auf medizinische Anwendungen - vorteilhaft, wenn das Gas vor der Zu führung zu dem Verbraucher zur Regelung der Temperatur des Ver brauchers erwärmt oder gekühlt wird. Dementsprechend kann dasIn addition, it is - also especially with regard to medical applications - advantageous if the gas is heated or cooled before the supply to the consumer to regulate the temperature of the consumer. Accordingly, it can

Gassystem eine Kühlvorrichtung und/oder eine Heizvorrichtung umfassen, welche mit dem Verdichter und dem Massendurchflussregler verbunden sind/ist, insbesondere in Serie mit den übrigen Ele menten des Gaskreislaufs geschaltet sind.Gas system comprise a cooling device and / or a heating device which are / is connected to the compressor and the mass flow controller, in particular are connected in series with the other elements of the gas circuit.

Das vorliegende Verfahren und das vorliegende Gassystem eignet sich besonders zur Anwendung mit einer pneumatisch angetriebenen intrakorporalen Blutpumpe und zur Gasversorgung einer intrakorporalen Membran.The present method and the present gas system are particularly suitable for use with a pneumatically driven intracorporeal blood pump and for supplying gas to an intracorporeal membrane.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugtenThe invention is based on particularly preferred

Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter er läutert. Dabei zeigen im Einzelnen:Embodiments, to which it should not be limited, however, and with reference to the drawings he further explains. The following show in detail:

Fig. 1 schematisch eine Darstellung eines einfachen erfindungsgemäßen Gassystems;Fig. 1 schematically shows a simple gas system according to the invention;

Fig. 2 schematisch eine Darstellung eines umfassenderen erfindungsgemäßen Gassystems;2 shows a schematic representation of a more extensive gas system according to the invention;

Fig. 3 schematisch eine statische Elementkennlinie eines Massendurchflussreglers;3 schematically shows a static element characteristic of a mass flow controller;

Fig. 4 schematisch ein zeitliches Druckverhalten am Verdichterausgang beim konstanten Massenstrom und bei einer vorgegebenen Eingangsleistung des Verdichters;4 schematically shows a pressure behavior over time at the compressor outlet with a constant mass flow and with a predetermined input power of the compressor;

Fig. 5 schematisch ein Ensemble statischer Elementkennlinien eines Verdichters bei verschiedenen vorgegebenen Eingangsleistungen des Verdichters;5 shows schematically an ensemble of static element characteristic curves of a compressor with different predetermined input powers of the compressor;

Fig. 6 schematisch eine statische Kennlinie einer Gasleitung;6 schematically shows a static characteristic of a gas line;

Fig. 7 schematisch eine statische Kennlinie einer Membran als Verbraucher;7 schematically shows a static characteristic curve of a membrane as a consumer;

Fig. 8 schematisch eine statische Kennlinie einer Turbine als Verbraucher;8 schematically shows a static characteristic curve of a turbine as a consumer;

Fig. 9 schematisch eine dynamische Kennlinie eines Gassystems;9 schematically shows a dynamic characteristic curve of a gas system;

Fig. 10 schematisch den Verlauf einer Obergrenze und Untergrenze bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem erfindungsgemäßen Gassystem; und10 schematically shows the course of an upper limit and lower limit in the method according to the invention or the gas system according to the invention; and

Fig. 11 schematisch einen Arbeitsbereich des Verdichters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei dem erfindungsge mäßen Gassystem;11 schematically shows a working area of the compressor according to the method according to the invention or in the gas system according to the invention;

Fig. 1 zeigt schematisch ein Gassystem 1 zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers 2 mit einem kontinuierlichen Massen strom eines Gases, z.B. Helium. Der Verbraucher 2 kann z.B. eine Membran für einen Stoffaustausch mit einem benachbarten Fluid sein. Das Gassystem 1 umfasst einen Massendurchflussregler 3 und einen Verdichter 4, welche zusammen ein Aktuator-System bilden. Das Aktuator-System umfasst demnach ein druckaufbauendes sowie ein durchflussregulierendes Element, die in einer Reihenschaltung zu einander verbunden sind. Die Gasleitungen 5 des Gassystems sind schematisch als pneumatisches Element eingezeichnet. Der Massendurchflussregler 3 und der Verdichter 4 sind mit den Gasleitungen 5 und dem Verbraucher 2 in Reihe geschaltet und bilden zusammen einen Gaskreislauf 6. Das Gassystem 1 umfasst weiters einen Druckbehälter 7, welcher über ein Ventil 8 mit dem Einlass des Verdichters 4 verbunden ist. Das Ventil 8 wird zur Aufrechterhaltung eines konstanten absoluten Drucks am Einlass 9 des Verdichters 4 gesteuert.Fig. 1 shows schematically a gas system 1 for supplying a pneumatic consumer 2 with a continuous mass flow of a gas, e.g. Helium. The consumer 2 can e.g. be a membrane for mass transfer with an adjacent fluid. The gas system 1 comprises a mass flow controller 3 and a compressor 4, which together form an actuator system. The actuator system accordingly comprises a pressure-building element and a flow-regulating element which are connected to one another in a series connection. The gas lines 5 of the gas system are shown schematically as a pneumatic element. The mass flow controller 3 and the compressor 4 are connected in series with the gas lines 5 and the consumer 2 and together form a gas circuit 6. The gas system 1 further comprises a pressure vessel 7 which is connected to the inlet of the compressor 4 via a valve 8. The valve 8 is controlled to maintain a constant absolute pressure at the inlet 9 of the compressor 4.

Zusätzlich kann ein evakuierter Druckbehälter 45 zur Evakuierung des Gassystems 1 eingerichtet sein (vgl. auch Gasevakuierungseinrichtung 42 in Fig. 2): Aufgrund eines ständigen Überdrucks im Gassystem 1 sowie im angeschlossenen Verbraucher 2 (Miniaturturbine, Membran, etc.) besteht ein Gefahr der Schlauchruptur oder Ausfall an irgendeinem pneumatischen Element. Das Regelprinzip kann daher eine Funktion haben, die nach der Erkennung eines ungewöhnlichen Umstandes (z.B. rasch sinkender Druck) innerhalb des Gaskreislaufs 6 eine Evakuierungsprozedur des bestehenden Gases startet. Mithilfe eines Ventil-Systems 44 wird der angeschlossene Verbraucher 2 getrennt (vgl. genauer in Fig. 2), wobei gleichzeitig ein Unterdruck im Gassystem 1 durch Sammeln des Gases im evakuierten Druckbehälter 45 entwickelt wird. Damit wird die Leckrichtung umgekehrt und der weitere Eintritt des Gases in die Umgebung, bzw. Blutkreislauf eines Patienten unterbunden.In addition, an evacuated pressure vessel 45 can be set up to evacuate gas system 1 (see also gas evacuation device 42 in FIG. 2): due to a constant overpressure in gas system 1 and in connected consumer 2 (miniature turbine, membrane, etc.) there is a risk of hose rupture or failure of any pneumatic element. The control principle can therefore have a function which starts an evacuation procedure of the existing gas after the detection of an unusual circumstance (e.g. rapidly falling pressure) within the gas circuit 6. The connected consumer 2 is separated with the aid of a valve system 44 (cf. more precisely in FIG. 2), a negative pressure being simultaneously developed in the gas system 1 by collecting the gas in the evacuated pressure vessel 45. The direction of the leak is thus reversed and the further entry of the gas into the environment or blood circulation of a patient is prevented.

Der Massendurchflussregler 3 ist zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerichtet. Der Ver dichter 4 wird von einer Verdichtersteuerung 10 zur Aufrechter haltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass desThe mass flow controller 3 is set up to regulate the mass flow to a predetermined target mass flow. The compressor 4 is used by a compressor control 10 to maintain a differential pressure between the inlet and outlet of the

Massendurchflussreglers 3 gesteuert (vgl. Fig. 2). Der Diffe renzdruck wird aus den Messergebnissen entsprechend angeordneter Drucksensoren 11, 12 (vgl. Fig. 2) ermittelt. Dabei ist die Verdichtersteuerung 10 eingerichtet, den Verdichter 4 zu aktivie ren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze 13 fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze 14 erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze 14 einem höherenMass flow controller 3 controlled (see. Fig. 2). The differential pressure is determined from the measurement results of correspondingly arranged pressure sensors 11, 12 (see FIG. 2). The compressor controller 10 is set up to activate the compressor 4 when the differential pressure falls below a lower limit 13 and to deactivate it when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit 14, the upper limit 14 being a higher one

Differenzdruck entspricht als die Untergrenze 13 (vgl. Fig. 10). Stabilität und Genauigkeit der aktiven Steuerung ist durch die Kenntnis der statischen und dynamischen Charakteristiken (Kennlinien) aller pneumatischen Elemente im geschlossenen Gaskreislauf 6 gesichert. Dementsprechend ist die Verdichtersteuerung 10 zur Ermittlung der Untergrenze 13 und/oder der Obergrenze 14 aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler 3 und dem Verdichter 4 verbundenen pneumatischenDifferential pressure corresponds to the lower limit 13 (see FIG. 10). Stability and accuracy of the active control is ensured by knowing the static and dynamic characteristics (characteristic curves) of all pneumatic elements in the closed gas circuit 6. Accordingly, the compressor control 10 for determining the lower limit 13 and / or the upper limit 14 is based on a static characteristic curve of the pneumatic one connected to the mass flow controller 3 and the compressor 4 during operation

Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom eingerichtet. DerElements set up depending on the target mass flow. The

Soll-Massenstrom definiert dabei den gewünschten Massenstrom durch den Verbraucher 2.The target mass flow defines the desired mass flow through the consumer 2.

Fig. 2 zeigt schematisch ein umfassenderes Gassystem 15. Zusätzlich zu einem Massendurchflussregler 3 und einem Verdichter 4 sind eine Reinigungseinrichtung 16, eine Stabilisierungseinrichtung 17, eine Gasevakuierungseinrichtung 42 und eine Wärmetauscheinrichtung 18 im Gaskreislauf 6 des Gassystems 15 vorgesehen. Die Reinigungseinrichtung 16 umfasst einen Gasanalysator 19, ein Auslassventil 20 und eine Gaszufuhr 21 mit einem Druckbehälter 22 und einem Ventil 23. Zur Reinigung des Gassystems 15, z.B. zur Entfernung unerwünschter Gasanteile, wird das Auslassventil 20 so umgestellt, dass der Gaskreislauf 6 vor dem Einlass 9 des Verdichters 4 geöffnet ist. Der Gasanalysator 19 ist im Abschnitt stromaufwärts des Auslassventils 20 angeordnet und analysiert das aus dem Gassystem 15 austretende Gas auf Verunreinigungen. Während der Reinigung ist der Einlass des Verdichters 4 mit dem Druckbehälter 22 verbunden, sodass reines Gas aus dem Druckbehälter 22 in das Gassystem gefördert wird. Der Druck am Einlass 9 des Verdichters 4 wird mit einem Drucksensor 24 überwacht und auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 1 bar) geregelt. Zur Auslösung der Reinigung kann mithilfe des Gasanalysators 19 die Qualität des strömenden Gases regelmäßig überprüft werden. Falls die gemessene Qualität einen vordefinierten Wert unterschreitet wird die Reinigung, eine so genannte „Gas Pur- ging“-Methode wie oben beschrieben, gestartet.2 schematically shows a more extensive gas system 15. In addition to a mass flow controller 3 and a compressor 4, a cleaning device 16, a stabilization device 17, a gas evacuation device 42 and a heat exchange device 18 are provided in the gas circuit 6 of the gas system 15. The cleaning device 16 comprises a gas analyzer 19, an outlet valve 20 and a gas supply 21 with a pressure vessel 22 and a valve 23. For cleaning the gas system 15, e.g. To remove unwanted gas components, the outlet valve 20 is switched so that the gas circuit 6 in front of the inlet 9 of the compressor 4 is open. The gas analyzer 19 is arranged in the section upstream of the outlet valve 20 and analyzes the gas emerging from the gas system 15 for impurities. During the cleaning, the inlet of the compressor 4 is connected to the pressure vessel 22, so that pure gas is conveyed from the pressure vessel 22 into the gas system. The pressure at the inlet 9 of the compressor 4 is monitored by a pressure sensor 24 and regulated to a predetermined value (e.g. 1 bar). To initiate cleaning, the quality of the flowing gas can be checked regularly using the gas analyzer 19. If the measured quality falls below a pre-defined value, the cleaning, a so-called “gas cleaning” method as described above, is started.

Die Stabilisierungseinrichtung 17 umfasst einen Druckbehälter 25, welcher als Puffer für den Druck am Einlass 26 des Massen stromreglers 3 fungiert. Je nach Arbeitsbereich des Verdichters 4 kann der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 vom Gaskreislauf 6 getrennt werden oder in dem Gaskreislauf 6 aufgenommen werden.The stabilization device 17 comprises a pressure vessel 25, which acts as a buffer for the pressure at the inlet 26 of the mass flow controller 3. Depending on the working range of the compressor 4, the pressure vessel 25 of the stabilization device 17 can be separated from the gas circuit 6 or can be accommodated in the gas circuit 6.

Die Wärmetauscheinrichtung 18 ist stromabwärts des Massendurch flussreglers 3 und vor dem Verbraucher 2 bzw. der damit verbun denen Gasleitung 5 angeordnet. Die Wärmetauscheinrichtung 18 umfasst einen Tauscherfluidkreislauf 27 mit einer Pumpe 28 und einem Wärmetauscher 29, welcher einen Austausch von Wärme zwischen dem Gas im Gaskreislauf 6 und einem Tauscherfluid im Tauscher fluidkreislauf 27 eingerichtet ist. Das Tauscherfluid kann mit einem Heiz- oder Kühlelement 30 erwärmt oder gekühlt werden (z.B. elektrisch). Zur Steuerung der Gastemperatur kann der Massenstrom des Tauscherfluids und/oder die Temperatur des Tauscherfluids geregelt werden.The heat exchange device 18 is arranged downstream of the mass flow controller 3 and in front of the consumer 2 or the gas line 5 connected therewith. The heat exchange device 18 comprises an exchanger fluid circuit 27 with a pump 28 and a heat exchanger 29, which is designed to exchange heat between the gas in the gas circuit 6 and an exchanger fluid in the exchanger fluid circuit 27. The exchange fluid can be heated or cooled (e.g., electrically) with a heating or cooling element 30. To control the gas temperature, the mass flow of the exchanger fluid and / or the temperature of the exchanger fluid can be regulated.

Die Gasevakuierungseinrichtung 42 wird in Serie zum Verbraucher 2 stromabwärts des Verbrauchers 2 angeschlossen und umfasst ei nen pneumatischen Schalter 43, ein Ventil 44 und einen evakuierten Behälter 45. Bei passenden Umständen, zum Beispiel bei Erkennung einer Leckage im Gaskreislauf, wird die weitere Strömung des Gases zum Verdichter am pneumatischen Schalter 43 unterbrochen, das Ventil 44 geöffnet und ein ausreichendes Gasvolumen (d.h. im Wesentlichen der Großteil des im Gaskreislauf enthaltenen Gasvolumens) in der Flasche 45 gesammelt.The gas evacuation device 42 is connected in series to the consumer 2 downstream of the consumer 2 and comprises a pneumatic switch 43, a valve 44 and an evacuated container 45. In suitable circumstances, for example when a leak in the gas circuit is detected, the further flow of the gas interrupted to the compressor at the pneumatic switch 43, the valve 44 opened and a sufficient gas volume (ie essentially the majority of the gas volume contained in the gas circuit) collected in the bottle 45.

Die Steuerung des Massenstroms in dem geschlossenen Gaskreislauf 6 erfolgt durch Regelung des Massenstroms durch den Massendurchflussregler 3 (in an sich bekannter Weise) und durch Steuerung des Verdichter 4 zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3. Im Einzelnen wird der Verdichter 4 bei dem erfindungsgemäßenThe mass flow in the closed gas circuit 6 is controlled by regulating the mass flow through the mass flow controller 3 (in a manner known per se) and by controlling the compressor 4 to maintain a differential pressure between inlet 26 and outlet 31 of the mass flow controller 3. In detail, the compressor 4 in the invention

Verfahren aktiviert, wenn der Differenzdruck unter eine Unter grenze sinkt, und deaktiviert, wenn der Differenzdruck eineProcedure activated when the differential pressure falls below a lower limit and deactivated when the differential pressure is one

Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. Die Un tergrenze und die Obergrenze können aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von demUpper limit reached or exceeded, the upper limit corresponding to a higher differential pressure than the lower limit. The lower and lower limits can be determined from a static characteristic curve of the pneumatic elements connected to the mass flow controller and the compressor during operation

Soll-Massenstrom ermittelt werden. Diese statische Kennlinie kann aufgrund der Reihenschaltung (vgl. Fig. 1 oder 2) aus derTarget mass flow can be determined. Due to the series connection (see FIG. 1 or 2), this static characteristic curve can be obtained from the

Summe einzelner statischer Elementkennlinien ermittelt werden.Sum of individual static element characteristics can be determined.

Fig. 3 zeigt eine beispielhafte statische Elementkennlinie 32 eines Massendurchflussreglers 3. Die Druckdifferenz zwischen3 shows an exemplary static element characteristic curve 32 of a mass flow controller 3. The pressure difference between

Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 ist alsInlet 26 and outlet 31 of the mass flow controller 3 is as

Funktion des Massenstroms durch den Massendurchflussreglers 3 aufgetragen. Die Elementkennlinie 32 wird empirisch am Massen durchflussregler 3 bei vollständig geöffnetem Durchlass ermit telt. Aus der Elementkennlinie 32 ist somit ablesbar, welcheFunction of the mass flow through the mass flow controller 3 plotted. The element characteristic curve 32 is empirically determined on the mass flow controller 3 when the passage is fully open. Which element curve 32 can thus be read

Druckdifferenz über den Massendurchflussregler 3 bei eine ge wünschten Massenstrom mindestens hergestellt werden muss. Bei einer höheren Druckdifferenz kann der Massendurchflussregler 3 den Massenstrom durch Steuerung des integrierten Ventils redu zieren.Pressure difference across the mass flow controller 3 at least at a desired mass flow must be produced. At a higher pressure difference, the mass flow controller 3 can reduce the mass flow by controlling the integrated valve.

Fig. 4 zeigt eine beispielhaftes zeitliches Verhalten 33 eines4 shows an exemplary temporal behavior 33 of a

Verdichters 4 bei einer vorgegebenen Eingangsleistung. Der Sig nalverlauf 33 beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Druck differenz zwischen Einlass 9 und Auslass 34 des Verdichters 4 im Laufe der Zeit. Dieser Zusammenhang hängt naturgemäß von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und dem aktuellen vom Massendurchflussregler 3 geregelten Massendurchfluss ab. Im dargestellten Beispiel ist die Elementkennlinie 33 eines Kolbenverdichters gezeigt. Bei diesem Verdichtertyp ist die Elementkennlinie 33 nicht monoton, sondern schwankt periodisch zwischen zwei Grenzwerten 35, 36 der Druckdifferenz. Die Grenzwerte 35, 36 stellen eine einhüllende Funktion des oszillierenden Signalverlaufes 33 dar. Sie sind abhängig von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und müssen daher für jede Eingangsleistung separat explizit ermittelt werden.Compressor 4 at a given input power. The signal curve 33 describes the relationship between a pressure difference between inlet 9 and outlet 34 of the compressor 4 over time. This relationship naturally depends on the input power of the compressor 4 and the current mass flow regulated by the mass flow controller 3. In the example shown, the element characteristic curve 33 of a piston compressor is shown. In this type of compressor, the element characteristic curve 33 is not monotonous, but fluctuates periodically between two limit values 35, 36 of the pressure difference. The limit values 35, 36 represent an enveloping function of the oscillating signal curve 33. They are dependent on the input power of the compressor 4 and must therefore be explicitly determined separately for each input power.

Fig. 5 zeigt die Grenzwerte 35, 36 bei verschiedenen Eingangs leistungen und Drehzahlen des Verdichters 4. Bei geringen Mas senströmen wird auch der Verlauf der Grenzwerte 35, 36 nicht monoton. Oberhalb dieser Grenze 37 spricht man von einem stabilen Arbeitsbereich des Verdichters 4. Die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs ist in Fig. 5 durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Bei Massenströmen unterhalb dieser Grenze 37 kann das Verhalten des Verdichters 4 durch einen Stabilisierungseinrichtung 17 wie oben beschrieben stabilisiert werden, welche große Druckschwankungen ausgleicht.Fig. 5 shows the limit values 35, 36 at different input powers and speeds of the compressor 4. At low Mas senströmen also the course of the limit values 35, 36 is not monotonous. Above this limit 37 one speaks of a stable operating range of the compressor 4. The limit 37 of the stable operating range is shown in FIG. 5 by a broken line. In the case of mass flows below this limit 37, the behavior of the compressor 4 can be stabilized by a stabilizing device 17 as described above, which compensates for large pressure fluctuations.

Fig. 6 zeigt eine statische Elementkennlinie 38 einer Gasleitung 5. Die Gasleitung 5 umfasst Verbindungsrohre und Kupplungen. Die statischen Elementkennlinien dieser Elemente sind im Wesentli chen durch deren Querschnitt bestimmt und weitgehend unabhängig von äußeren Einflussfaktoren.6 shows a static element characteristic curve 38 of a gas line 5. The gas line 5 comprises connecting pipes and couplings. The static element characteristics of these elements are essentially determined by their cross-section and largely independent of external factors.

Fig. 7 zeigt die statische Elementkennlinie 39 einer Membran ohne bewegliche Teile. Die Membran kann z.B. mit dem erfindungsgemäßen Gassystem 1 versorgt werden. Der Verlauf dieser Element kennlinie 39 ist im Wesentlichen linear.Fig. 7 shows the static element characteristic curve 39 of a membrane without moving parts. The membrane can e.g. can be supplied with the gas system 1 according to the invention. The course of this element characteristic curve 39 is essentially linear.

Fig. 8 zeigt schematisch eine statische Elementkennlinie einer8 schematically shows a static element characteristic of a

Turbine als Verbraucher 2. In diesem Fall wird der Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Massenstrom durch den Arbeitspunkt der Turbine mit bestimmt. D.h. der Zusammenhang hängt davon ab, welche Last die Turbine aufnehmen muss bzw. welche Arbeit sie verrichten muss. Dementsprechend wird zur empirischen Ermittlung der statische Elementkennlinie das Verhalten bei verschiedenen Lasten innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs der Turbine untersucht. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich eine dreidimensionale Fläche 40, welche den Zusammenhang zwischen Massenstrom, Druckdifferenz und Last angibt. Um die gesuchte statische Elementkennlinie zu erhalten, wird das Maximum der Druckdifferenz bei vorgegebenem Massenstrom unter Variation der Last ermittelt.Turbine as consumer 2. In this case, the relationship between pressure difference and mass flow is also determined by the working point of the turbine. That the relationship depends on what load the turbine has to take or what work it has to do. Accordingly, the behavior at various loads within a predetermined working range of the turbine is investigated for the empirical determination of the static element characteristic. These investigations result in a three-dimensional surface 40 which indicates the relationship between mass flow, pressure difference and load. In order to obtain the static element characteristic curve sought, the maximum of the pressure difference for a given mass flow is determined by varying the load.

Fig. 9 zeigt schematisch eine dynamische Kennlinie 41 eines Gassystems 15. Um die dynamische Kennlinie 41 zu erhalten, wird empirisch das dynamische Verhalten des Gassystems 15 (bzw. allerFIG. 9 schematically shows a dynamic characteristic 41 of a gas system 15. In order to obtain the dynamic characteristic 41, the dynamic behavior of the gas system 15 (or all

Elemente) bei plötzlichen Variationen des Massenstroms, derElements) with sudden variations in the mass flow, the

Druckdifferenz und der Last ermittelt. Im Einzelnen wird unter sucht, welche Druckdifferenz erforderlich ist, um Einbrüche der jeweils anderen Parameter bei plötzlichen Änderungen zu vermei den. Z.B. wird ermittelt, welche Druckdifferenz erforderlich ist, um bei einer plötzlichen Änderung des Massenstroms einenPressure difference and the load determined. In particular, it is examined which pressure difference is required in order to avoid drops in the other parameters in the event of sudden changes. For example, it is determined which pressure difference is required to unite in the event of a sudden change in the mass flow

Einbruch der Druckdifferenz zu vermeiden. Ein Einbruch liegt dann vor, wenn es zu einer plötzlichen vorübergehenden Änderung des Arbeitspunkts der aktiven Elemente (z.B. Verdichter, Turbi ne) kommt. Motivation und Grundlage für diese Untersuchungen und Messungen ist die Erkenntnis, dass der Verdichter 4 des Gassystems 15 auf plötzliche Änderungen wesentlich langsamer reagieren kann als der Massendurchflussregler 3. D.h. der Verdichter 4 kann bei einem plötzlichen Anstieg des Soll-Massenstroms und einer entsprechenden Reaktion des Massendurchflussreglers 3 den zur Aufrechterhaltung des Massenstroms nötigen Druck nicht rasch genug herstellen. Das führt unweigerlich zu einem Einbruch des Massenstroms.Avoid collapse in pressure difference. A slump occurs when there is a sudden, temporary change in the working point of the active elements (e.g. compressors, turbines). The motivation and basis for these examinations and measurements is the knowledge that the compressor 4 of the gas system 15 can react to sudden changes much more slowly than the mass flow controller 3. the compressor 4 cannot produce the pressure required to maintain the mass flow quickly enough in the event of a sudden increase in the desired mass flow and a corresponding reaction by the mass flow controller 3. This inevitably leads to a drop in the mass flow.

Die dynamische Kennlinie 41 gibt an, welcher zusätzliche Diffe renzdruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks erforderlich ist, um einen solchen Einbruch zu vermeiden. Dadurch kann ein unnötig hoher Differenzdruck vermieden werden, welcher die Ge fahr von Beschädigungen des Gassystems erhöhen würde.The dynamic characteristic 41 indicates which additional differential pressure above the minimum differential pressure is required to avoid such a drop. An unnecessarily high differential pressure can thereby be avoided, which would increase the risk of damage to the gas system.

Fig. 10 zeigt den Verlauf einer Obergrenze 14 und einer Unter grenze 13 des Differenzdrucks als Funktion des SollFig. 10 shows the course of an upper limit 14 and a lower limit 13 of the differential pressure as a function of the target

Massenstroms. Der Verlauf der Untergrenze 13 entspricht im We sentlichen der Summe des minimalen Differenzdrucks und der dynamischen Kennlinie 41 gemäß Fig. 9. Die Obergrenze 14 verläuft in einem konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze 13. Der kon stante Abstand ist z.B. 300 mbar.Mass flow. The course of the lower limit 13 essentially corresponds to the sum of the minimum differential pressure and the dynamic characteristic curve 41 according to FIG. 9. The upper limit 14 runs at a constant distance above the lower limit 13. The constant distance is e.g. 300 mbar.

Fig. 11 illustriert den Arbeitsbereich des Gassystems 15 für die Steuerung des Verdichters 4. Das Diagramm kombiniert den Verlauf der Obergrenze 14 und der Untergrenze 13 aus Fig. 10 addiert mit einzelnen Elementkennlinien aus Fig. 3, 4, 6 und 7 bzw. 8,und die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs aus Fig. 5. Abhängig von einem vorgegebenen Soll-Massenstrom, mit dem der Verbraucher versorgt werden soll, und von einem gemessenen Differenzdruck zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 kann an dem Diagramm in Fig. 11 abgelesen werden, ob der Ver dichter 4 aktiviert werden soll oder deaktiviert werden soll und ob der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 Teil des Gaskreislaufs 15 ist oder nicht: Wenn der aktuelle Arbeitspunkt (aus gemessenem Differenzdruck und Soll-Massenstrom) oberhalb der Obergrenze 14 liegt, wird der Verdichter 4 deaktiviert; wenn der aktuelle Arbeitspunkt unterhalb der Untergrenze 13 liegt, wird der Verdichter 4 aktiviert; wenn der aktuelle Ar beitspunkt zwischen Untergrenze 13 und Obergrenze 14 liegt, wird der Zustand des Verdichters 4 (aktiv/inaktiv) nicht geändert. Wenn der Arbeitspunkt links der Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs liegt, wird der Druckbehälter 25 zugeschaltet; andernfalls wird er vom Gaskreislauf 15 getrennt.11 illustrates the working range of the gas system 15 for the control of the compressor 4. The diagram combines the course of the upper limit 14 and the lower limit 13 from FIG. 10 added with individual element characteristics from FIGS. 3, 4, 6 and 7 or 8, and the limit 37 of the stable working range from FIG. 5. Depending on a predetermined target mass flow with which the consumer is to be supplied and on a measured differential pressure between inlet 26 and outlet 31 of the mass flow controller 3, the diagram in FIG. 11 can be used read whether the compressor 4 is to be activated or deactivated and whether the pressure vessel 25 of the stabilization device 17 is part of the gas circuit 15 or not: if the current operating point (from the measured differential pressure and target mass flow) is above the upper limit 14, the compressor 4 is deactivated; if the current operating point is below the lower limit 13, the compressor 4 is activated; if the current working point is between the lower limit 13 and the upper limit 14, the state of the compressor 4 (active / inactive) is not changed. If the working point is to the left of the boundary 37 of the stable working area, the pressure vessel 25 is switched on; otherwise it is separated from the gas circuit 15.

Claims

Expectations:

1. A method for controlling the mass flow in a closed gas circuit (6) comprising a mass flow controller (3), a compressor (4) and at least one pneumatic consumer (2), the mass flow controller (3) regulating the mass flow to a predetermined target mass flow regulates and wherein the compressor (4) is controlled to maintain a differential pressure between the inlet (26) and outlet (31) of the mass flow controller (3), characterized in that the compressor (4) is activated when the differential pressure falls below a lower limit (13 ) decreases, and is deactivated when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit (14), the upper limit (14) corresponding to a higher differential pressure than the lower limit (13).

2. The method according to claim 1, characterized in that the lower limit (13) and / or the upper limit (14) from a static characteristic curve of the pneumatic elements connected in operation with the mass flow controller (3) and the compressor (4) depending on the The target mass flow is or will be determined.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the lower limit (13) is greater than or equal to a minimum differential pressure, which is required to achieve the target mass flow.

4. The method according to claim 3, characterized in that the lower limit (13) is determined by a predetermined constant reserve pressure above the minimum differential pressure.

5. The method according to claim 3, characterized in that from a dynamic characteristic (41) of the in operation with the mass flow controller (3) and the compressor (4) connected pneumatic elements a reserve pressure dependent on the mass flow is determined and the lower limit (13 ) is determined by a value of the reserve pressure that is dependent on the target mass flow above the minimum pressure difference.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the upper limit (14) depending on the lower limit (13), in particular at a constant distance above the lower limit (13), is determined.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the gas conveyed in the gas circuit (6) is helium.

8. Gas system (15) for supplying a pneumatic consumer (2) with a continuous mass flow of a gas, the gas system (15) comprising a mass flow controller (3) and a compressor (4), the mass flow controller (3) for regulating the mass flow is set up to a predetermined target mass flow and the compressor (4) can be controlled by a compressor control (10) to maintain a dif ferential pressure between the inlet (26) and outlet (31) of the mass flow controller (3), characterized in that the compressor control (10) is set up to activate the compressor (4) when the differential pressure falls below a lower limit (13), and to deactivate when the differential pressure reaches or exceeds an upper limit (14), the upper limit (14) being a higher one Differential pressure corresponds to the lower limit (13).

9. Gas system (15) according to claim 8, characterized in that the compressor control (10) for determining the lower limit (13) and / or the upper limit (14) from a static characteristic curve in operation with the mass flow controller (3) and the compressor (4) connected pneumatic elements is set up depending on the target mass flow.

10. Gas system (15) according to claim 8 or 9, characterized in that the compressor control (10) is set up to determine a lower limit (13) which is greater than or equal to a minimum differential pressure which is required to achieve the desired mass flow.

11. Gas system (15) according to claim 10, characterized in that the compressor control (10) for determining the lower limit (13) is set up by a predetermined constant reserve pressure above the minimum pressure difference.

12. Gas system (15) according to claim 10, characterized in that the compressor control for determining a reserve pressure dependent on the mass flow from a dynamic characteristic of the pneumatic elements in operation with the mass flow controller (3) and the compressor (4) connected and for determining the lower limit (13) is set up by a value of the reserve pressure which is dependent on the desired mass flow, above the minimum pressure difference.

13. Gas system (15) according to one of claims 8 to 12, characterized in that the compressor control (10) for determining the upper limit (14) depending on the lower limit (13), in particular at a constant distance above the lower limit (13), is set up.

14. Gas system (15) according to one of claims 8 to 12, characterized in that the gas system

(15) Contains helium.