DE2104818A1

DE2104818A1 - Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Fluidien

Info

Publication number: DE2104818A1
Application number: DE19712104818
Authority: DE
Inventors: Hermann Cheshire Conn Ziermann (V St A)
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1970-02-04
Filing date: 1971-02-02
Publication date: 1971-08-12
Also published as: US3626963A; GB1292763A; FR2078222A5

Description

PATENTANWÄLTE
DR.-PHIL. G. NICKiIL · DR.-INC. J. DORN. U

8 MÖNCHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

Tel. <O8id 555719 München, den 2g. Januar 1971

Anwalts-Az.: 14 - Pat. 76

united Aircraft Corporation, 400 Main Street, 2ast Hartford, Connecticut 0610ό, Vereinigte Staaten von Amerika

Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Pluidien.

Lie Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen \on zwei oder mehr iluidien, wobei die Mischung durch Regeln der Sci.altfrequenz von fluidischen Verstärkern erreicht wild,welche den Durchsatz der verschiedenen I'luidien mit Hilfe von fluidischen Zeitgebervorrichtungen steuern.

Zum Mischen von zwei oder mehr Gasen ist es üblicri, Durchflußtneeser zu verwenden, welciae die Durchflußmenge der Gase messen und zum jjJrreicnen des gewünschten Mischungsverhältnisses eingestellt werden, 'rlie schon erwähnt,- messen die DurchfLußmesser den Durchsatz des Gases und sie werden dabei entweder von Hand oder automatisch eingestellt, um eine Mischung mit den gewünschten prozentualen Anteilen der verschiedenen Gase zu erhalten. Die bekannten Durchflußmesser, Betätiger und Mess vorrichtungen weisen eine Vielzahl beweglicher Teile auf und sie sind sehr aufwendig, wenn sehr genaue Mißchunen erreicht weiden sollen, wie dies z.B. in Krankenhäusern bei der Atmungsbehandlung, im Anästhesiewesen oder dergleichen der Fall ist.

Durcn eine neuartige, einfache, genau und zuverlässig arbeitende Gasmischvorrichtung, die nur wenige bewegliche !'eile aufweist und bei der während des Betriebes keine elektrischen !''unken antstehen Können sollen die oben erwähnten Naohteile verhindert werden.Die neue Gasmischvorrichtung soll besondere zur Anwendung m Krankenhäusern geeignet sein,Entsprechend der Lehre der Erfindung enthält

die Gas-

1 η ο ο 11 / ι η β

mischvorrichtunc; einen fluidischen, logischen Schaltkreis dor nit sehr hoher Geschwindigkeit arbeiten kann und in einrrr Zeit von 10 Millisekunden von einem Ga3 auf ein anderes Gas umschalten kann, sodass sehr homogene Gasmischungen entstehen. Ausserdem hat die neue I'ischvorrichtung den Vorteil, dass alle Teile in einem Schaltblock vorgesehen sein können, in welchem auch die Mischung von. zwei oder mehr Gasen vorgenommen wird, und dabei können dio "rs durchflussmengen unabhängig voneinander eingestellt v/erden, um die gewünschte Mischung zu erreichen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin eine Gasmischvorrichtung zu schaffen weiche mit hoher Geschwindigkeit arbeiten kann und nur eine minimale Anzahl beweglicher Teile aufweist.

In Übereinstimmung mit der Erfindung ist die Mischvorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass ein erster fliidischer Verstärker zwiahen einer ersten Gasquelle und einer Mischkammer vorgesehen und ein zweiter fluidischer Verstärker zwischen einer zweiten Ctxr,-quelle und der Mischkammer vorgesehen ist und dass Mittel angeordnet sind die abwechselnd den ersten Verstärker und den zweiten Verstärker betrügen , um die erste Gasquelle mit der Mischkammer und die zweite Gasquells mit der Mischkammer zu verbinden.

Der Gasmischer hat einen sehr einfachen Aufbau, ist sig wirtschaftlich herzustellen und hat im Betrieb eine grosse ^ Zuverlässigkeit und hohe Genauigkeit.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt, und werden im folgenden na*her beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt, der Erfindung.

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer anderen Ausföhrungsform der Erfindung.

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren abgeänderten AusfüTirungsform der Erfindung.

Es sei erwcfhnt, dass der Ausdruck fluidisch logisch sieh auf £luidische Vorrichtungen bezieht, welche auf verschiedene Signale ansprechen und Schaltimpulse zu einer Ausgangsvorrichtung liefern»

-■ - - - .. . -i-n-i-rfwf^ ■?}*%

BADORtQfNAt 1098 33/ UI 8

Fluidiüclie Vorrichtungen sind bekannt und ihre Betriebsweise wurde schon vor dieser Erfindung durch andere Veröffentlichungen ausführlich beschrieben. Eo ist deshalb nicht erfordert, zur Erläuterung dieser Erfindung.auf die Betriebsweise dieser fluidischen Vorrichtungen einzugehen. Es genügt zu erwähnen, dass die fluidische Vorrichtung an ein Loistungsstrom angeschlossen ist v/elcher durch einen von zv?gx Ausnsngskanä'lon geleitet wird. In der Kä'he der Strö"-mungsaufteilung des Leistungsstronvkanales in die zwei Ausgangskana'le sind Steu3r!;?na*le vorgesehen, um den Leistungsstrora von einem Kanal za dem anderen Kanal umzuschalten. Es sind also keine beweglichen Teile erfordert, um die Unischaltung des Leistungsstromes von einem Kanal in den anderen Kanal vorzunehmen. A

In Fig. 2 ist eine Gasmischvorrichtung dargestellt die einen fluidischen logischen Schalkreis aufweist, der durch die Bezugsnummer 10 bezeichnet ist und zwei fluidische Ventile 12 und 14 aufweist. Komprimierte Luft von einer Quelle 16 wird über eine Leitung 20 zu der Leistungsdüse 18 des fluidischen Verstärkerventils 14 geleitet.

Normalerweise wird der Leistungsstrom in dem fluidischen Verstärker 14 zu dem Kanal 22 geleitet bis die Schaltvorrichtung (welche im folgenden feeschrieben wird) den Leistungsstrom zu dem Ausgangskanal 24 umschaltet und über die Leitung 28 zu der Mischkammer 26 führt. Auf Ähnliche Weise wird Sauerstoff von eier Quelle 30 über eine Leitung 34 normalerweise zu dem Ausgangskanal 36 geleitet A bis diese Strömung durch ein Schaltsignal in den Ausgangskanal 38 umgeschaltet wird und somit in die Mischkammer 26 über die Leitung 40 strömen kann. Es sei erwähnt, dass der Durchsatz durch die Kanäle 22 und 36 in der Gros sen Ordnung von 1 ,4 dm / min. liegt und damit sehr gering ist. Der fluidische logische Schaltkreis 10 dient zur zeitlichen Reglung der Umschaltung zwischen dem Sauerstoff und der Luft, um die erwünschte Sauerstoff-Luftmischung herzustellen, dies wird durch Regelung eines fluidischen Flip-Flop Verstärkers 44 erreicht, der über die zugeordneten Zeitgebervorrichtungen 46 und 48 gesteuert wird. Wie aus Fig. 1 hervorgeht wird komprimierte Luft zu der Leistungsdüse 48 des fluidfechen Flip-Flop Verstärkers 44 über eine Leitung 50 geleitet. In der Leitung 50 kann ein Luftfilter 52 vorgesehen sein, um mitgeführte

109833/U18

Teilchen aus der Luft auszuscheiden und desweiteren kann ein Druckregeier 54 ebenfalls in der Leitung 50 eingebaut sein, der den Druck der zu der Leiä^ungsdüse 43 strömenden Luft auf einem konstanten Wert hält. Die Höhe der einzelnen Drücke haben ausschiesslich DimensionierungsCharakter und brauchen deshalb bei der Erläuterung der Erfindung nicht berücksichtigt zu werden. Der fluidische Verstärker 44 wird in Übeia.ns,timraumg mit den Zeitgebervorrichtungen 46 und 43 geschaltet. Beide Zeitgebervorrichtungen haben einen ähnlichen Aufbau und somit sind gleiche Bezugsnummern für gleiche Teife in den beiden Vorrichtungen verwendet worden. Die Zeitgebervorrichtung 46 begreift ein Gehäuse 56 mit einer Zwischenwand 53, welche das Gehäuse in zwei getrennte Kammern und 62 aufteilt. In jeder Kammer ist eine Membran 64 und 66 vorgesehen, welche die Kammern in getrennte Teilkammern 70 und 72 sowie 80 und 82 aufteilen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht ist der A_usgangskanal 86 des fluidischen Verstärkers 44 mit der Teilkammer 70 über die Leitung 88 und die Leitung 90 verbunden und die Teilkammer 80 ist Über die Leitung 92 an die Leitung 90 angeschlossen. Die Strömung zu der Teilkammer 80 wird mit Hilfe einer veränderlichen Verengung 94 gedrosselt. Auf diese Weise wird beim Füllen der Teilkammer 70 die Kammer 62 ebenfalls, jedoch langsamer gefüllt. Nachdem die Teilkammer 70 gefüllt isfc, wird die Membran 66 gegen die Öffnung 98 in der Wand 58 gedrückt. Wenn diese Kammer ' vollständig gefüllt ist, wird die Teilkammer 80 ebenfalls vollständig gefüllt und die Membran 64 wird gegen die Öffnung 100 gepresst. Hierdurch wird ein Signal über die Leitung 102 zu dem Steuerkanal 104 des fluidischen Verstärkers geleitet, um den Leistungsstrom auf den Ausgangskanal 1O6 umzuschalten. Der Ausgangskanal 106 ist mit dem Stauerkanal 108 des fluidischen Verstärkers 12 über eine Leitung 110 verbunden, um den Leistungsstrom in dem Verstärker 12 auf den Ausgangskanal 38 umzuschalten und somit Sauerstoff in die Mischkammer 26 zu führen. Auf ähnliche Weise wird die zeitgeber vor richtung 48 durch Lufzuführung aus der Leitung 110 in die Teilkammer 70 über die Leitung 112 gesteuert, um den fluidischen Verstärker 44 nach einer bestimmten Zeitspanne umzuschalten. Die gewünschte Zeitspanne kann durch Einstellen der veränderlichen Verengung 94 oder 94' geregelt werden. "Die Zeit-

109833/U1I

spanne zwischen der Umschaltung des fluidischen Flip-Flop Verstärkers 44 bestimmt das Verhältnis der zu der Mischkammer 26 geführten Gasmengen. Bei Laborversuchen der neuen Mischvorrichtung wurdader Verstärker jeweils nach zehn Millisekunden umgeschaltet und durch diese Schaltgeschwindigkeit wurde eine gute homogene Mischung erreicht.

Die Fig. 2 zeigt eine vereinfachte Ausführungsform der Gasmischvorrichtung, bei der ein Akkumulator oder das mechanische Gegenbild einer elektrischen Kapazität verwendet wird. Der Akkumiator besteht aus einem Gehäuse mit einem unveränderlichen Volumen, welches eine bestimmte Gasmenge aufnimmt bevor das Gas aus dem _Λ Behälter abfliesst. In dieser Aus führ ungs form wird die Luftströ- ^ mung durch das normalerweise geschlossene fluidische Verstärkerventil 200 und die Sauerstoffströmung durch das normalerweise geschlossene fluüsche Verstärkerventil 202 geregelt. Die Umschaltung dieser Verstärker wid durch den Flip-Flop Verstärker 204 geregelt. Die Zeitgeber vorrichtung besteht bei dieser Ausführungsform aus anem Zeitgeber 206 sowie einem Zeitgeber 208 welche die Umschaltung des fluidischen Verstärkers 210 steuern. Währenddem Betrieb des Gasmischers wird Hochdruckluft zu der Leistungsdüse 212 geleitet und strömt von dieser in den Ausgangskanal 214 oder 216 und von dort durch die Leitung 224 mit der veränderlichen Verengung 222 in den Behälter 220. Die zur Füllung des Behälters ä 220 erforderliche Zeitspanne kann durch die veränderliche Verengung 222 eingestellt werden. Wenn der Behälter 220 gefüllt ist wird einSignal zu dem Staierkanal 226 des fluidischen Verstärkers 210 geführt, um die Le i'stungs Strömung von dem Ausgangskanal 214 auf den Ausgangskanal 216 umzuschalten. Hierdurch wird die Zeitgebervorrichtung 206 sofort abgeschaltet und die Zeitgebervorrichtung 208 wird eingeschaltet und arbeitet in der gleichen Weise. Wenn die Zeitgebervorrichtung 208 eingeschaltet wird, so vird dieses Signal zu dem Steuerkanal 228 über die Leitung 230 geführt, um die Leistungsströmung 232 von dem Kanal 234 auf den Kanal 236 umzuschalten und dieselbe somit zu dem Steuerkanal 238 des fluidischen Verstärkers 200 zu leiten, welches somit öffnet oder die Strömung des Kanälea 240 in den Kenal 242 umschaltet und die Mischkammer 244 über die Leitung 246 füllt. Auf gleiche Weise wird

108833/1418

bei Einschaltung der Zeitgebervorrichtung 2O6 der fluidische Verstärker 204 derart geschaltet, dass der Kanal 234 mit der Leistungsströmung 232 in Verbindung ist. Der fluidische Verstärker 204 wird geschaltet wenn in der Leitung 224 eine Strömung vorliegt und dieses Signal wird über die Leitung 243 zu dem Steuerkanal 250 geleitet. Durch die Umschaltung des fluidischen Verstärkers 202 wird Sauerstoff in den Ausgangskanal 252 geleitet und strömt von dort durch die Leitung 254 in die Mischkammer 244. Die gemischten Gase können zu jedem beliebigen Zweck verwendet weden und kommen z.B. die Mischung für ein Atmungsgerä't 256 liefern, dessen Aufbau z.B. der Ausführung nach der deutschen Patentanmeldung P 20 29 684 entsprechen kann. . /

Die Ausfuhrungsform nach der Fig. 3 entspricht im wesentlichen derjenigen nach Fig. 1 mit der Ausnahme, dass der fluidische Flip-Flop Verstärker auf Gegendruckschalter anspricht, die auf gleiche Weise wie fluidische Verstärker arbeiten und in der vorliegenden Ausführung durch die Bezugsnumir.ern 300 und 3O2 bezeichnet sind. Die fluidischen Verstärkerventile 304 und 306 werden durch die Betätigungskanäle 308 und 310 des fluidischen Flip-Flop Verstärkers 312 ein-und ausgeschaltet. Die Betätigung dieser Kanäle erfolgt durch Einschalten der Steuerkanä'le 314 und 316 durch die Zeitgebervorrichtungen 318 und 320. Auf diese Weise spricht der Gegendruckschal-

322

ter 300 auf den Zeitgeber/an, wenn dieser eine Strömung in der Leitung 324 feststellt,welche mit dem Ausgangskanal 308 verbunden ist. Dieser Druck wird auf ähnliche Weise abgetastet wie bei der Ausfiihr ungs form nach Fig. 1 durch den Behälter 56 vorgenommen wird. Wenn die Membran 330 die öffnung 332 abschliesst dient die Strömung, durch die Verengung 334 in dem Kanal 336 zur Umschaltung des Fluidiums von der Leistungsdüse 338 aus dem Kanal 34O in dem Kanal 342 der seinerseits mit dem Steuerkanal 314 über die Leitung 344 verbunden ist, um die Leistungsströmung 346 von dem Kanal 3O3 auf den Kanal 310 zur Betätigung des fluidischen Verstärkers 306 umzuschalten. Hierdurch wird die LufstrÖmung auf den Kanal umgeschaltet der mit der Mischkammer 350 verbunden ist. Auf gleiche Weise spricht der Sauerstoffs chalter 304 aif die Ze itgeber vorrichtung 320 und ien Ge- · gendruckschalter 302 an. Die Zeitspanne zwischen den durch die

10Ö833/U1I

Zeitgebervorrichtungen gesteuerten Umschaltungen wird durch Verändern der Grosse oder des Querschnittes der veränderlichen Verengungen 352 oder 354 eingestellt.

In Übereinstimmung mit der Erfindung kann somit die Umschaltung von zwei oder mehr Fluidien durch Anwendung von fluidischen Verstärkern vorgenommen werden und die Gase können in einembestimmten Zeitabstand umgeschaltet werden. Dj.e Zeitgebervorrichtungen sind einstellbar, um die Einschaltdauer der einzelnen Gase zu regeln und dabei eine bestimmte Gasmischung herzusteifen. Es sind nur sehr wenige bewegliche Teile erfordert, da die fluidiachen Verstärker zum Umschalten keine beglichen Teile benötigen. Mit Ausnahme der veränderlichen Verengungen sind, die Membranen nach den Ausföhrungsformen nach den Figuren 1 und 2 die einzigen beweglichen Teile. Durch die Erfindung erhält man somit eine sehr einfache Vorrichtung zum Mischen von zwei oder mehr Gasen durch Regeln der Sehaltfrequenz von einem Gas auf das andere Gas mittels eingestellter Zeitgebervorrichtungen. Eine solche Ausführung ist sehr einfach und verhältnismäßig wirtschaftlich herzustellen.

109833/1411

Claims

- 8 PATENTANSPRÜCHE

( I^Vorrichtung aim Mischen von zwei oder mehr Fluidien mit einer Mischkammer einer ersten und einer zweiten Fluidiumquelle einer ersten Verbindung zwischen der eisten Quelle und der Mischkammer sowie einer zweiten Verbindung zwischen der zweiten Quelle und der Mischkammer, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstesfluidisches Versta'rkerventil in der ersten Verbindung vorgesehen ist, um das erste Fluidium von der Mischkammer weg2uleiten, dass ein zweites Verstärkerventil in der zweiten Verbindung vorgesehen ist, um das zweite Fluidium von dor Mischkammer, wegzuleiten, und dass Mittel, angeordnet sind, um das erste und das zwite fluidische Verstärkerventil nacheinander zu betätigen, um abwechselnd die erste Fluidiumquelle mit der Mischkammer und die zweite Fluidiumquelle mit der Mischkammer zu verbinden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum abwechselnden Betätigen einen fluidischen Verstärker und einstellbare Zeitgebervorrichtungen aufweisen, die mit den fluidischen Verstärker verbunden sind, um deren Schaltung in einer vorbestimmten Zeitspanne vorzunehmen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Verstärker ein Flip-Flop Verstärker ist.
'. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Verstärker zwei Ausgangskanäle, eine Leistungsdüse und zwei Steuerkanäle aufweist, um die Strömung von der Leistungsdüse auf einen der beiden Ausgangskanäle umzuschalten, und dass die Zeitgebervorrichtungen Kammern mit veränderlichem Volumen aufweisen, die mit den Steuerkanälen verbunden sind, um die Strömung aus einem Ausgangskanal in den anderen Ausgangskanal in einem bestimmten zeitlichen Abstand umzuschalten.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern mit veränderlichem Volumen mit der Strömung in. den Ausgangskanälen der fluidischen Verstärker verbunden sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass jede Kammer mit veränderlichem Volumen ein Gehäuse sowie zwei in Abstand zueinander angeordnete biegsame Membranen aufweist, welche

109833/U18

sich durch das Gehäuse erstrecken und zwei abgedichtete Röume bilden, dass beide Räume an einen der Ausgangskana'le angeschlossen sind und dass eine veränderliche Verengung zwischen dem Ausgangskanal und einem Raum vorgesehen ist.
7. VoirL'chtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der fliidische Verstärker zwei Aus gangs kana'le, eine Leistungsdüse und zwei Steuerkanäle aufweist, um die Strömung von der Leistungsdüse von dem einen Ausgangskanal in den anderen Ausgangskanal umzuschalten, und dass jede Zeitgebervorrichtung einen Behälter mit einem Einlass und einem Auslass aufweist, wobei der Einlass mit einem Ausgangskanal und der Auslass mit einem Steuerkanal verbunden ist und dass eine veränderliche Verengung zwischen dem Einlass und dem Ausgang&anal vorgesehen ist, um die Strömung in den Behälter zu regeln.
8. Vorrichtung nach Anpruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der fluidische Verstärker zwei Ausgangskanäle, eine Leistungsdüse sowie zwei Steuerkanäle aufweist, um die Strömung von der Leistungsdüse von einem Ausgangskanal auf den anderen Ausgangskanal

'■ umzuschalten und dass jede Zeitgeber vor richtung einen Gegendruckschalter aufweist, der mit einem Kanal an einen der beiden Steuerkanäle angeschlossen ist und Ciber eine By-passleitung mit einer Verengung an den . anderen Steuerkanal angeschlossen ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitgebervoirichtung eine Kammer mit zwei biegsamen Membranen aufweist, welche die Kammer in Unterkammern einteilen, wobei die eine Unterkammer mit einem der Ausgangskanäle des fluidischen Verstärke» urddie andere Unterkammer mit dem gleichen Ausgangskanal des Verstärkers verbunden ist, jedoch in ihrer Anschlussleitung eine Verengung aufweist, dass die Kammer eine Ausgangsöffnung hat die an dem Steuerkanal des Gegendruckschalters angeschlossen ist, ■odaas die Strömung in der By-passleitung durch die Auslassöffnung und eine Öffnung der Kammer gerichtet ist und dass eine der beweglichen Membranen die Auslassöffnung abschliesst wenn die Teilkam- mern mit Fluidium gefüllt sind.

109833/U1 8

L e e r s e i t e