DE2901938A1

DE2901938A1 - Stroemungsmittelseparator mit molekularsieben

Info

Publication number: DE2901938A1
Application number: DE19792901938
Authority: DE
Inventors: Richard William Hradek
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1978-01-26
Filing date: 1979-01-19
Publication date: 1979-08-02
Also published as: DE2901938C2; JPS54110178A; JPS631087B2; FR2415480B1; IT7919521A0; GB2013101B; IT1164965B; GB2013101A; IL56439A; FR2415480A1; CA1123754A; IL56439A0

Description

Strömungsmittelseparator mit Molekularsieben

Die Erfindung betrifft einen Strömungsmittelseparator, bei dem Molekularsiebe Verwendung finden. Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf einen Strömungsmittelseparatar einer Bauart, die ein Steuerelement umfaßt, mittels dem ein unter Druck stehendes Strömungsmittelgemisch in einer ersten Arbeitsweise eines Operationszyklus in einer ersten Richtung durch Partikel in einem Bett eines Adsorptionsmaterials strömen kann, wobei ein Element in dem Strömungsmittelgemisch zur Erzeugung eines StrömungsmittelproduktBS durch die Partikel adsorbiert wird, und gemäß dem in einer zweiten Arbeitsweise des Operationszyklus ein Reinigungsströmungsmittel in einer zweiten Richtung durch das Bett strömen kann, um das Element von den Partikeln zu desorbieren. Dabei wird das Bett aus dem Adsorptionsmaterial in einem Behälter gehalten, der ein Gehäuse mit darin befindlichen ersten und zweiten Strömungskammern umfaßt, die jeweils an eine Eintritts- und eine Austrittsöffnung angeschlossen sind, sowie Halteeinrichtungen zum Halten der Partikel zwischen den Strömungskammern .

Es wurde festgestellt, daß unter Druck stehende Luft dadurch fraktioniert werden kann, indem daraus verschiedene Elemente durch den

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Einsatz von Molekularsieben entfernt werden. Bei derartigen Molekularsieb-Separatoren, wie sie beispielsweise in den US-PSen 2 944 627, 3 280 536 und 3 142 547 beschrieben sind, finden Molekularsiebmaterialien mit einer Porengröße von etwa 5 Angström Verwendung, die in der Lage sind, aus unter Druck stehender Luft ein mit Sauerstoff angereichertes Strömungsmittelprodukt zu erzeugen. Bei derartigen Separatoren ist es üblich, mehrere Betten aus dem Molekularsiebmaterial zu verwenden. Während ein Bett desorbiert wird, wird ein anderes Bett danach durch die Tätigkeit von Steuerventilen mit einer Quelle unter Druck stehender Luft in Verbindung gebracht, um eine kontinuierliche Versorgung mit dem sauerstoffangereicherten Strömungsmittelprodukt zu sichern.

Bei den bekannten Betten aus Adsorptionsmaterial, die im wesentlichen diB gleiche zylindrische Form besitzen, wurde festgestellt, daß diejenigen Partikel des Adsorptionsmaterials, die sich der Eintrittsöffnung, durch die unter Druck stehende Luft zugeführt wird, am nächsten befinden, den größten Anteil des Stickstoffs bei der Herstellung des mit Sauerstoff angereicherten Strömungsmittelproduktes adsorbieren. Folglich werden diejenigen Partikel des Adsorptionsmaterials, die sich in der Nähe der Austrittsöffnung befinden, bei der Herstellung von mit Sauerstoff angereicherten Strömungsmittelprodukten nicht wirksam genug eingesetzt.

Zusätzlich dazu wurde festgestellt, daß der Wirkungsgrad von derartigen Molekularsieb-Separatoren auch von der Temperatur abhängt. Durch Versuche

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gelangte man zu der Erkenntnis, daß die wirksamste Trennung dann vorgenommen werden kann, wenn sich sowohl die unter Druck stehende Luft als auch die Betten aus dem Adsorptionsmaterial auf einer Temperatur von etwa 27 C befinden. Unglücklicherweise kann jedoch bei Einsatz von derartigen Molekularsieb-Separatoren in Flugzeugen die Temperatur in drucklosen Flugzeugkabinen bei Flughöhen von etwa 9000 m -55 C erreichen. Folglich weisen unter diesen Bedingungen Molekularsieb-Separatoren nach dem Stand der Technik einen stark reduzierten Wirkungsgrad auf, und die Erzeugung des mit Sauerstoff angereicherten Strömungsmittelproduktes hört im wesentlichen dann vollständig auf, wenn der Flugzeugpilot Sauerstoff am nötigsten braucht.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Strömungsmittelseparatorsystem mit einem Behälter zur Fixierung einer festgelegten Adsorptionsmaterialmenge zu schaffen, bei dem jeder Partikel des Adsorptionsmaterial während einer Betriebsperiode pro Durchflußeinheit im wesentlichen die gleiche Menge an einem Element aus einem Strömungsmittelgemisch adsorbiert.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, ein Molekularsiebsystem zu schaffen, bei dem ein Bett aus einem Adsorptionsmaterial sowie die wesentlichen Bestandteile des Systems innerhalb eines optimalen vorgegebenen Temperaturbereiches gehalten werden, unabhängig davon, auf welcher Temperatur sich die Umgebung befindet.

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Nach der Lehre der Erfindung werden diese Ziele bei einem Strömungsmittelseparatorsystem der vorstehend beschriebenen Art dadurch erreicht, daß die Halte- bzw. Fixiereinrichtungen einen größeren ersten Abschnitt in der Nähe der ersten Strömungskammer und einen kleineren zweiten Abschnitt in der Nähe der zweiten Strömungskammer aufweisen, wobei die erste Strömungskammer das Strömungsmittelgemisch während der ersten Arbeitsweise des Systems an den ersten großen Abschnitt verteilt und wobei die zweite Strömungskammer während der zweiten Arbeitsweise des Systems das Reinigungsströmungsmittel an den zweiten kleinen Abschnitt verteilt. Mit anderen Worten, der Behälter weist einen größeren Eintrittsquerschnitt als Austrittsquerschnitt auf, um auf diese Weise die Geschwindigkeit des entstehenden Strömungsmittelproduktes mit dem eingegebenen Strömungsmittelgemisch abzustimmen und dadurch einen Ausgleich für das durch das Adsorptionsmaterial adsorbierte und von diesem desorbierte Element aus dem Strömungsmittelgemisch zu schaffen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die HalteBinrichtungen einen kegelstumpfförmigen Abschnitt des Gehäuses, so daß der Querschnitt des Adsorptionsmaterialbettes linear mit der Entfernung von dem ersten großen Abschnitt zum zweiten kleinen Abschnitt abnimmt, um die Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit zu kompensieren, die aus der Adsorption des Elementes aus dem Strömungsmittelgemisch durch die Partikel resultieren.

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Bei einer anderen Ausführungsfarm umfassen die Haltaeinrichtungen einen zylindrischen Abschnitt des Gehäuses, eine erste perforierte Platte oder Scheibe, die dem Gehäuseabschnitt an einem Ende desselben zugeordnet ist und mit einer ersten Endkappe des Gehäuses eine Zwi— schenströmungskammer bildet, ein zylindrisches Element, das innerhalb des zylindrischen Gehäuseabschnittes angeordnet ist und sich mit der ersten Platte in Eingriff befindet, um eine erste Trennkammer von einer zweiten Trennkammer zu separieren, wobei die erste und die zweite Trennkammer über die Zwischenströmungskammer miteinander verbunden sind und wobei jede eine festgelegte Menge an Adsorptionsmaterial fixiert, eine zweite perforierte Platte, die das zylindrische Element umgibt, um die Partikel des Adsorptionsmaterials in der ersten Trennkammer zu fixieren, eine dritte perforierte Platte, die in dem zylindrischen Element angeordnet ist, um die Partikel des Adsorptionsmaterials in der zweiten Trennkammer zu fixieren, wobei das zylindrische Element und die zweite und dritte Platte mit einer zweiten Endkappe des Gehäuses erste und zweite Strömungskammern jeweils zu der ersten und zweiten Trennkammer benachbart bilden.

Bei noch einer anderen Ausführungsform umfaßt der erfindungsgemäße Strömungsmittelseparator mindestens zwei Behälter, von denen jeder ein Bett der vorstehend definierten Adsorptionspartikel enthält, des weiteren eine Versorgungsleitung, um eine Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches entweder an einen ersten oder einen zweiten Behälter anzuschließen, sowie Ventileinrichtungen, die an die

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Leitung angeschlossen sind und zur Steuerung der Verbindung der Quelle des Strömungsmittelgemisches mit einem der ersten und zweiten Behälter dienen, wo ein Element im Strömungsmittelgemisch in den Partikeln adsorbiert wird, um ein Strömungsmittelprodukt zu erzeugen, während ein Reinigungsströmungsmittel das Element von den Partikeln in dem anderen der ersten und 7weiten Behälter entfernt, indem es zur Umgebung strömt, und schließlich Heizeinrichtungen, die der Versorgungsleitung zugeordnet sind, um das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches zu halten. Vorzugsweise werden diese Heizeinrichtungen bei Betrieb des Separators automatisch durch Sensoreinrichtungen gesteuert, die auf den vorgegebenen Temperaturbereich ansprechen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Molekularsieb-Separatorsystems;

Fig. 2 einen Schnitt, in dem ein Behälter dargestellt ist, der miteinander verbundene erste und zweite Betten zum Fixieren einer festgelegten Menge an Adsorptionsmaterial aufweist;

Fig. 3 Binen Schnitt eines zweiten Behälters"mit variablem Bereich zum Fixieren des Adsorptionsmaterials eines Molekularsieb-Separatorsystems ;

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Fig. 4 ein Diagramm, das den Adsarptionswirkungsgrad eines

Molekularsieb-Separatars mit der Änderung der Umgebungstemperatur verdeutlicht; und

Fig. 5 ein Diagramm, das die Wirkungsweise eines Molekularsieb-Separatars mit einer Temperaturregelung, die dazu dient, den Separator auf einer im wesentlichen gleichmäßigen Temperatur, unabhängig von der Temperatur der Umgebung, zu halten, verdeutlicht.

Das in Fig. 1 dargestellte Molekularsieb-Separatorsystem 10 weist Steuerventile 64 und 68 auf, die über eine Versorgungsleitung 12 an eine Quelle unter Druck stehender Luft oder eines anderen Strömungsmittelgemisches angeschlossen sind. Die Steuerventile 64 und 68 werden nacheinander betätigt, um jeweils einen ersten und einen zweiten Behälter 14,16, von denen jeder ein Adsorptionsmaterial enthält, mit unter Druck stehender Luft zu versorgen. Das in den Behältern 14 und 16 befindliche Adsorptionsmaterial adsorbiert zumindest ein Element (Stickstoff) aus der unter Druck stehenden Luft und erzeugt dabei ein Abgasprodukt (mit Sauerstoff angereicherte Luft). Das Abgasprodukt wird einem Speicherbehälter 20 zugeleitet und kann von dort bei Bedarf verwendet werden.

Ein Teil des im ersten und zweiten Behälter 14,16 erzeugten Abgasproduktes wird von dem dem Speicherbehälter 20 zugeführten Produkt

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abgetrennt und als Reinigungsströmungsmittel demjenigen Behälter 14 oder 16 zugeführt, der nicht die unter Druck stehende Luft empfängt. Das Reinigungsströmungsmittel dringt in den Behälter unter einem niedrigen Druck ein und desorbiert jeden Anteil des darin enthaltenen Elementes von dem Adsorptionsmaterial. Danach strömen das Reinigungsströmungsmittel und das desorbierte Element als Abgas zur Umgebung. Eins Umhüllung 24, die das Molekularsieb-Separatorsystem 10 umgibt, leitet das Abgas über den ersten und zweiten Behälter 14,16, um dadurch die Temperatur derselben innerhalb eines vorgegebenen Bereiches, unabhängig von der Temperatur der Umgebung, zu halten.

Eine besondere Einzelheit zeichnet sich dadurch aus, daß die Versorgungsleitung 12 an eine Kammer 26 eines Heizelementes 28 angeschlossen ist. Eine in der Kammer 26 angeordnete elektrische Widerstandsspule 30 ist über die Leitung 32 bei 34 geerdet und über die Leitung 38 mit dem Anschluß einer elektronischen Steuerung 36 verbunden. Die in der Widerstandsspule 30 vorhandene elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt, wodurch die Temperatur des durch die Kammer 26 strömenden Strömungsmittelgemisches ansteigt.

Ein Temperaturfühler 56 in der Kammer 26 ist mit einer Spitze 58 versehen, die sich durch das Gehäuse 2B erstreckt, so daß die Temperatur des in der Kammer 26 befindlichen Strömungsmittelgemisches kontinuierlich gefühlt werden kann. Ein für die Kammertemperatur repräsentatives Signal wird über die Leitung 50 der elektronischen Steuerung 36 zugeführt. Wann auch immer die Temperatur in der Kammer 26 eine vorgegebene

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Temperatur erreicht, wird die Abgabe elektrischer Energie durch die
elektronische Steuerung 36 über die Leitung 38 unterbrochen, und die Widerstandsspule 30 wird außer Betrieb gesetzt.

Zusätzlich dazu ist ein innerhalb der Umhüllung 24 befindlicher Temperaturregler oder Thermostat 40 über die elektronische Steuerung 36 an ein Solenoid-betätigtes Entlüftungsventil 19 angeschlossen. Der
Temperaturregler oder Thermostat 40 ertastet die Temperatur innerhalb der Umhüllung und beliefert die elektronische Steuerung 36 mit einem Temperatursignal, wann auch immer die Temperatur innerhalb der Umhüllung 24 unter einen vorgegebenen Wert fällt. Das Temperatursignal wird von der elektronischen Steuerung 36 behandelt, die danach über die Leitung 70 das Solenoid-betätigte Entlüftungsventil mit einem elektrischen Signal beliefert. Durch die Betätigung des Entlüftungsventils 19 kann unter Druck stehende Luft, die in der Kammer 26 des HeizelBmentes 28 erhitzt wurde, im richtigen Verhältnis in die Umhüllung eindringen, so daß dadurch die Temperatur darin innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches gehalten wird, unabhängig von der Temperatur der Umgebung der Umhüllung 24.

Der Temperaturregler oder Thermostat 40 besitzt einen Bimetallstreifen, von dem ein Ende an einem Gehäuse 42 befestigt ist, so daß das andere Ende 52 über dem Anschluß 44 gelagert ist, der über die Leitung 39 bei 34 geerdet ist. Das Gehäuse 42 ist mit einer Reihe von Öffnungen 46 versehen, die die innerhalb der Umhüllung befindliche Luft ohne wesentliche Störung durchlassen, so daß diese mit dem Bimetallstreifen in

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Kontakt treten kann. Der Bimetallstreifen spricht auf die Temperatur der Luft an und wird bei der vorgegebenen Temperatur derart deformiert, daß zwischen den Anschlüssen 44 und 50 eine Brücke gebildet und ein elektrischer Schaltkreis zwischen der Erde 34 und der elektronischen Steuerung 36 geschlossen wird. Das Schließen dieses elektrischen Schaltkreises ist dasjenige Temperatursignal, das die elektronische Steuerung 36 betätigt, um das Entlüftungsventil 19 zu betätigen und warme Druckluft in die Umhüllung 24 eindringen zu lassen.

Das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch bzw. Druckluft strömt aus der Kammer 26 mit einer durch den Sensor 56 geregelten Minimaltemperatur zu der T-Verbindung 18 und wird dort entlang der Zweigleitung 62 zum ersten Steuerventil 64 oder entlang der Zweigleitung 66 zum zweiten Steuerventil 68 aufgeteilt. Die Steuerventile 64 und 68 sprechen auf ein elektrisches Signal von der elektronischen Steuerung 36 an, um die Strömungsbahn für das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch entweder zum ersten Behälter 14 oder zum zweiten Behälter 16 auszuwählen.

Das Steuerventil 64 ist mit einem Gehäuse 72 versehen, in dem eine Steuerkammer 74 angeordnet ist. Eine erste Öffnung 76 verbindet die ■ Steuerkammer 74 mit der zur T-Verbindung 18 führenden Zweigleitung 62, während eine zweite Öffnung 78 die Steuerkammer 74 mit der Leitung verbindet, die zum ersten Behälter 14 führt. Eine Wand 82 trennt die Steuerkammer 74 von einer atmosphärischen Kammer 84. Diese atmosphärische

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Kammer 84 ist über eine Leitung 86 mit der Umgebung verbunden und kann spiralförmig um einen Abschnitt der Versorgungsleitung 12 gewunden sein, um das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Luft, die durch die Versorgungsleitung 12 strömt oder bloß mit dem Inneren der Umhüllung 24 in Verbindung steht, mittels Wärmeleitung thermisch reagieren zu lassen.

Ein in der Spule 92 des Solenoides 94 angeordneter Kolben 8B ist mit einer Stange 90 versehen, die sich durch die Führung oder Lagerwand in die Steuerkammer 74 erstreckt. Ein an der Stange 90 befestigter erster Teller 98 ist in der Nähe der ersten Öffnung 76 angeordnet, während ein an der Stange 90 befestigter zweiter Teller 100 zu einer Öffnung 102 benachbart angeordnet ist, die die Steuerkammer 74 mit der atmosphärischen Kammer 84 verbindet. Eine Feder 104 wirkt auf den Kolben 88 ein und preßt den ersten Teller 98 gegen einen Sitz, um auf diese Weise eine Strömungsmittelverbindung zwischen der Zweigleitung 62 und der Steuerkammer 74 zu verhindern, wenn die Spule aberregt ist. Die Aberregung der Spule 92 wird durch ein elektrisches Signal gesteuert, das von der elektronischen Steuerung 36 über die Leitung 106 zugeführt wird.

In ähnlicher Weise besitzt das Steuerventil 68 ein Gehäuse 108, in dem eine Steuerkammer 110 angeordnet ist. Die Steuerkammer 110 weist eine erste Öffnung 112 auf, die an die Zweigleitung 66 angeschlossen ist, und eine zweite Öffnung 114 zum Verbinden der Steuerkammer

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mit der Leitung 116, die zum zweiten Behälter 16 führt. Die Steuerkammer 110 ist über eine Wand 120 von einer atmosphärischen Kammer abgetrennt. Eine Leitung 122, die die atmosphärische Kammer 118 mit der Umgebung verbindet, kann ebenfalls um einen Abschnitt der Versorgungsleitung 12 spiralförmig gewunden sein, um auf diese Weise das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Druckluft, die in der Versorgungsleitung 12 strömt, über Wärmeleitung thermisch reagieren zu lassen.

In der Spule 126 eines Solenoides 128 ist ein Kolben 124 angeordnet, der eine Stange 130 aufweist, die sich durch eine Führung oder Lagerwand 132 in die Steuerkammer 110 erstreckt. Ein an der Stange 130 befestigter erster Teller 134 ist zu der ersten Öffnung 112 benachbart angeordnet, während ein an der Stange befestigter zweiter Teller zur Öffnung 138 benachbart angeordnet ist, die die Steuerkammer 110 mit der atmosphärischen Kammer 118 verbindet. Eine Feder 140 wirkt auf den Kolben 124 ein und drückt den ersten Teller 134 gegen einen Sitz, um auf diese Weise eine Verbindung zwischen der Zweigleitung 66 und der Steuerkammer 110 zu verhindern, wenn die Spule 126 aberregt ist. Die Aberregung der Spule 126 wird durch ein elektrisches Signal gesteuert, das über die Leitung 142 von der elektronischen Steuerung 36 zugeführt wird.

Der erste und der zweite Behälter 14,16 sind identisch ausgebildet, so daß daher nur der erste Behälter 14 in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben wird.

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Dieser erste Behälter 14 besitzt ein zylindrisches Gehäuse 144 mit einer ersten und zweiten Endkappe 146,148, die über ein Befestigungselement 150 zur Ausbildung eines abgedichteten Behälters 14 an das Gehäuse angeschlossen sind. Eine Scheibe oder Platte 152 wird durch eine Schulter 147 im Abstand von der Endkappe 146 gehalten, so daß eine Kammer 164 ausgebildet wird. In der Platte ist eine Vielzahl von Öffnungen 160 und 162 ausgebildet, die einen im wesentlichen freien Durchgang durch die Kammer 164 gestatten. Die erste Scheibe oder Platte 152 und die Endplatte 146 wirken mit dem Gehäuse 144 zur Ausbildung der Strömungskammer 164 in der Nähe des Endes 146 zusammen. Eire Buchse oder ein rohrförmiges Element 166 weist ein erstes Ende auf, das auf einer Rippe 168 an der zweiten Endkappe 148 angeordnet ist, sowie ein zweites Ende 172 mit einer darauf befindlichen Dichtung 174, die sich mit der Scheibe 152 in Eingriff befindet, so daß in dem Behälter 14 Kammern 176 und 178 gebildet werden.

Eine zweite Scheibe oder Platte 180, die das rohrförmige Element umgibt, wirkt mit dem zylindrischen Gehäuse 144, der ersten Scheibe und dem rohrförmigen Element 166 zusammen, um die Kammer 176 zu umgrenzen. Eine zwischen der Endkappe 148 und der zweiten Scheibe 180 angeordnete Feder 182 drückt die zweite Scheibe 180 in Richtung auf die erste Scheibe 152, so daß auf diese Weise eine festgelegte Menge an Adsorptionsmaterial, das sich in der Kammer 176 befindet, sowohl während des Adsorptions- als auch des Desorptionsvorganges während eines Operationszyklus im wesentlichen auf der gleichen Dichte gehalten

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wird. Die zweite Scheibe 180 ist mit einer Vielzahl von Öffnungen versehen, so daß zwischen der Verteilungskammer 186 und der Kammer eine Vielzahl von Strömungsbahnen gebildet wird. Eine Eintrittsöffnung 188 verbindet die Endkappe 148 mit der Leitung 80, die von dem Steuerventil 64 kommt.

Eine auf dem Bolzen 156 des Befestigungselementes 150 ausgerichtete dritte Scheibe 190 ist im rohrförmigen Element 166 angeordnet. Eine zwischen der Schulter 168 an der Endkappe 148 und der dritten Scheibe angeordnete Feder 192 drückt die dritte Scheibe 190 in Richtung auf die erste Scheibe 152, so daß auf diese Weise die Größe der Kammer begrenzt wird. Die Feder 192 beaufschlagt das in der Kammer 178 befindliche Adsorptionsmaterial mit einer konstanten Kraft, um die Dichte des Adsorptionsmaterials in der Kammer 176 passend einzustellen. Die dritte Scheibe 190 weist eine Vielzahl von Öffnungen 194 auf, so daß zwischen der Kammer 178 und der Strömungskammsr 196, die benachbart zum Durchlaß 198 der Öffnung 200 in der Endkappe 148 angeordnet ist, eine im wesentlichen ungehemmte Strömungsverbindung existiert.

Zusätzlich dazu ist die zweite Endkappe 148 mit einer ringförmigen Vertiefung oder Nut 202 versehen. In diese Vertiefung oder Nut 202 erstreckt sich der Bolzen 156, der durch die Öffnung 206 in der zweiten Endkappe 148 vorsteht.Eine am Bolzen 156 befestigte Mutter 204 ist in der Vertiefung oder Nut 202 angeordnet und dadurch vor Beschädigungen geschützt. Wenn die Mutter 204 und der Bolzen 156 bis zu einem vorgegebenen Drehmoment angezogen werden, setzen sich die Dichtungen 174,206,208 und 210, so daß ein abgedichteter Behälter ausgebildet wird. 909831/0640

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Die Öffnung 200 am Behälter 14 ist über die Produktleitung 212 mit dem Speicherbehälter 20 verbunden. Ein Rückschlagventil 214 in der Leitung 212 verhindert den Rückfluß von Strömungsmittel aus dem Speicherbehälter 20 in den Behälter 14. Die Produktleitung 212 ist jedoch über eine Zwischenleitung 220 mit der Produktleitung 216 verbunden, die die Öffnung 218 des Behälters 16 mit dem Speicherbehälter 20 verbindet. Eine Drossel 222 in der Zwischenleitung 220 begrenzt die Menge des Strömungsmittelproduktes, das durch die Zwischenleitung 220 fließt. In ähnlicher Weise ist ein Rückschlagventil 224 in der Produktleitung 216 vorgesehen, um den Rückfluß des Strömungsmittelproduktes aus dem Speicherbehälter 20 in den Behälter 16 zu verhindern.

Das vorstehend beschriebene Separatarsystem funktioniert in der folgenden Weise:

Bevor ein mit dem in Fig. 1 gezeigten Strömungsmittelseparatorsystem 10 ausgestattetes Flugzeug von der Rollbahn abhebt, wird der elektrische Schalter 226 eingeschaltet, so daß die elektronische Steuerung 36 aus der Stromquelle 22B mit elektrischer Energie versorgt wird. Daraufhin schickt die elektronische Steuerung 36 gleichzeitig elektrische Signale an das Steuerventil 230 und eines der Steuerventile 64 oder 68.

Dieses elektrische Signal öffnet das Steuerventil 230 für die Zuführung von unter Druck stehendem Strömungsmittel, so daß dieses in die

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Versorgungsleitung 12 einströmen kann. Solange wie die Temperatur des Strömungsmittels abstromseitig von dem Heizelement 28, durch den Fühler 58 gemessen, oberhalb von 27 C oder einer anderen vorgegebenen Temperatur liegt, verbleibt die elektrische Spule 3D im Heizelement im abgeschalteten Zustand. Wenn ,jedoch die Temperatur des unter Druck stehenden Strömungsmittels abstromseitig vom Heizelement 28 den Wert von 27 C oder einen anderen vorgegebenen Temperaturwert unterschreitet, wird der Spule 30 von der Steuerung 36 elektrischer Strom zugeführt, um das Strömungsmittelgemisch in der Kammer 26 zu erhitzen. Wenn die Temperatur innerhalb der Umhüllung 24 den Wert von 27 C oder einen anderen vorgegebenen Temperaturwert unterschreitet, tritt das Ende des Bimetallstreifens mit dem Pol 44 in Eingriff und bildet eine Brücke zwischen den Polen 50 und 44, so daß ein elektrischer Strom über die Leitung 39 zur Erde 34 fließen kann. Danach überträgt die elektronische Steuerung 36 ein elektrisches Signal zum Entlüftungsventil 19, so daß erhitzte, unter Druck stehende Luft in die Umhüllung 24 einströmen kann, um die darin befindliche Temperatur zu erhöhen. Wenn die Temperatur des in die Kammer 26 über die Versorgungsleitung 12 eingeführten unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches über 27 G liegt, bleibt der Temperaturfühler 56 außer Betrieb. Wenn jedoch diese Temperatur den Wert von 27 C unterschreitet, wird ein Temperatursignal an die elektronische Steuerung 36 abgegeben, und die Widerstandsspule 30 wird mit elektrischer Energie versorgt, um die der Kammer 26 zugeführte Druckluft zu erhitzen. Auf diese Weise wird über den Temperaturfühler 56 und den Thermostat 40 das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch

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oder die Druckluft, das bzw. die sich in der Versorgungsleitung 12 befindet, und die Temperatur innerhalb der Umhüllung 24 auf etwa 27 C oder einem anderen geeigneten Temperaturwert gehalten.

Wie man Fig. 1 entnehmen kann, strömt das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Luft durch die T-Verbindung 18 zum Steuerventil 68. Die Spule 126 im Solenoid 128 wird über ein durch die Leitung 142 von der elektronischen Steuerung 36 zugeführtes elektrisches Signal erregt. Wenn sich die Spule 126 im erregten Zustand befindet, versucht sie,den Kolben 124 gegen die Feder 140 in der Mitte der Spule zu halten. Durch die Bewegung des Kalbens 124 wird der Teller 134 von der Öffnung 112 weg und der Teller 136 gegen den Sitz 138 bewegt und damit die atmosphärische Kammer 118 gegenüber der Steuerkammer 110 abgedichtet. Das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Luft strömt durch das Steuerventil 68 und wird über die Leitung 116 der Öffnung 189 im Behälter 16 zugeführt.

Wie bereits in der ausführlichen Beschreibung des Behälters 14 ausgeführt wurde, tritt das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Luft in eine Verteilerkammer 186 ein und wird zur Scheibe oder Platte 180 gleichmäßig verteilt, um mit dem Adsorptionsmaterial in der Kammer 176 in Verbindung zu treten. Das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch strömt durch die Öffnungen 184 und tritt mit den einzelnen Partikeln des Adsarptionsmaterials in Eingriff, wobei mindestens ein Bestandteil (stickstoff) desselben durch Adsorption

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zurückgehalten wird. Wenn das Strömungsmittelgemisch durch die Kammer 176 strömt, wird mehr und mehr von dem Element (stickstoff) aus dem Strömungsmittelgemisch (Luft) entfernt. Beim Passieren in die Zwischenströmungskammer 164 befindet sich jedoch noch ein geringer Prozentsatz des Elementes in dem entstandenen Strömungsmittelgemisch. Um diesen restlichen Prozentsatz zu entfernen, ist es erforderlich, eine lange Strömungsbahn vorzusehen, entlang der die Möglichkeit eines Kontaktes zwischen dem Element und den Partikeln des Adsorptionsmaterials vergrößert ist. Folglich strömt das Zwischengemisch aus der Zwischenverteilerkammer 164 durch Öffnungen 162 in die Kammer 178, in der der restliche Anteil des Elementes entfernt wird, bevor das entstandene Strömungsmittelprodukt (mit Sauerstoff angereichertes atmungsfähiges Strömungsmittel) in die Verteilerkammer 196 eindringt, um über die Leitung 216 dem Speicherbehälter 20 zugeführt zu werden. Der Druck des von der Kammer 196 austretenden Strömungsmittelproduktes ist größer als der von der Feder 232 im Rückschlagventil 224 ausgeübte Druck, so daß die Kugel 234 vom Sitz 236 abgehoben wird, bevor das Strömungsmittel in den Speicherbehälter 20 gelangt. Das Strömungsmittelprodukt (mit Sauerstoff angereichertes atmungsfähiges Strömungsmittel) strömt durch eine Druckreguliereinrichtung 238 in der Leitung 22, bevor es einem Empfänger zugeführt wird.

Wenn das Strömungsmittelprodukt in der Leitung 216 vom Behälter 16 wegströmt, wird ein Reinigungsanteil durch die Zwischenleitung 220

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abgezogen, der dia Drossel 222 passiert. Dieser Reinigungsanteil des Strömungsmittelproduktes dringt in die Öffnung 200 im Behälter 14 ein und wird über die Strömungskammer 196 zur Scheibe oder Platte 190 gleichmäflig verteilt.

Während dieses Arbeitsvorganges des Operationszyklus befindet sich das Solenoid 94 nicht in Tätigkeit, und die Feder 104 taewegt den Kolben 90, so daß der Teller 9& gegen den Ventilsitz gedrückt und die Leitung 62 gesperrt wird, während eine Verbindung zwischen der Steuerkammer 74 durch die atmosphärische Kammer 84 zur Atmosphäre hin hergestellt wird_r um die Kammern 176 und 178 zu entlüften. Wenn der Reinigungsanteil des Strömungsmittelproduktes die Drossel 222 passiert, tritt eine Expansion ein. Das expandierte Reinigungsströmungsmittel dringt in die Kammer 17B ein und wird im wesentlichen mit jedem Partikel des Adsorptionsmaterials in Kontakt gebracht, um eine vollständige Desorption des Elementes aus der Kammer 17B zu sichern» Das desorbierte Element und das Reinigungsströmungsmittel, die die Zwischenkammer 164 durchdringen, werden durch Öffnungen 160 gleichmäßig zur Kammer 176 hin verteilt, wobei nach dem Eintritt in die Kammer 176 eine weitere Expansion auftritt. Danach wird dieser weiter expandierte Reinigungsmittelanteil des Strömungsmittelproduktes in Kontakt mit nahezu jedem Partikel des Adsorptionsmaterial in der Kammer 176 gebracht. Wenn der Reinigungsmittelanteil des Strömungsmittelproduktes die Kammer 186 erreicht, ist im wesentlichen der gesamte Anteil des Elementes vom Adsorptionsmaterial in der Kammer 176 desorbiert worden.

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Der Reinigungsmittelanteil des Strömungsmittelproduktes und das darin enthaltene Element strömen durch die Öffnung 188 und werden über die Leitung 86 an die Umgebung verteilt, nachdem sie das Steuerventil 64 passiert haben. Wenn dar Reinigungsmittelanteil des Strömungsmittelproduktes und das Element durch die Leitung 86 strömen, findet eine thermische Reaktion mit der Versorgungsleitung 12 im Wärmeaustauschabschnitt 240 statt, um das darin strömende unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch zu konditionieren und die von dem Heizelement 28 abzugebende Wärmemenge zu reduzieren.

Nach Austritt aus der Leitung 86 werden der Reinigungsanteil des Strömungsmittelproduktes und das darin enthaltene Element durch die Umhüllung 24 so geleitet, daß sie um die Separatoraustauschelemente strömen, bevor sie durch die Öffnungen 242 an die Umgebung abgegeben werden. Auf diese Weise werden die Bestandteile im Separatorsystem während eines Operationszyklus nahezu auf der gleichen Temperatur gehalten ohne Beeinflussung durch die Umgebungstemperatur.

Nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer wird die Spule 126 des Solenoides 128 im Steuerventil 68 durch die elektronische Steuerung aberregt, und die Feder 140 preßt den Teller 134 gegen den Sitz 109 der Öffnung 112, um die Verbindung zwischen der Steuerkammer 110 und der Zweigleitung 66 zu unterbrechen. Danach versorgt die elektronische Steuerung 36 die Spule 92 des Solenoides 94 in der Steuerkammer 64 über die Leitung 106 mit elektrischer Energie. Die der Spule 92 zugeführte elektrische Energie erzeugt ein magnetisches Feld, das den

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Kolben ΘΘ gegen die Feder 104 bewegt und den Teller 100 gegen den Sitz 102 preßt, um eine Verbindung zwischen der Steuerkammer 74 und der Zweigleitung 62 herzustellen. Danach strömt das temperaturgeregelte unter Druck stehende Strömungsmittel durch das Steuerventil 64 zum Behälter 14, wo das Strömungsmittelprodukt (mit Sauerstoff angereichertes atmungsfähiges Strömungsmittel) erzeugt und dem Speicherbehälter 20 zugeführt wird, während ein Teil desselben über die Leitung 220 abgezweigt wird, um die Partikel im Behälter 16 von dem Element zu reinigen.

Um die Wirksamkeit der isolierten Umhüllung 24 abschätzen zu können, wurdB ein Separatorsystem 10 ohne eine Umhüllung 24 unter den nachfolgenden Bedingungen betrieben:

Das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch oder die Luft wurde nacheinander den in den Behältern 14 und 16 enthaltenen Materialbetten durch die Steuerventile 64 und 68 bei 27°C und 2,8 bar zugeführt. Die Umgebungstemperatur wurde während der Erzeugung eines. Strömungsmittelproduktes mit einer durch die Kurve 244 in Fig. 4 wiedergegebenen Sauerstoffkonzentration bei den verschiedenen Strömungsgeschwindigkeiten auf 27°C gehalten. Danach wurde das Separatorsystem 10 bei 24°C und 2,8 bar mit unter Druck stehender Luft oder einem Strömungsmittelgemisch beschickt, während die Umgebungstemperatur während einer zweiten Auswertung auf 10 C und während einer dritten Auswertung auf -1°C gehalten wurde, so daß die Kurven 246 und 248 in Fig. 4 entstanden.

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ORiGfIMAL INSPECTED

Um die Ergebnisse dieser ersten Auswertung zu bestätigen, wurde eine zweite Reihe von Untersuchungen bei den gleichen Temperaturen durchgeführt, wobei der Druck des Strömungsmittelgemisches auf 1,75 bar abgesenkt wurde. Der Betrieb des Separatorsystems 10 bei einer Temperator des unter Druck stehenden Strömungsmxttelgemisches und der Umgebung von 27 C ist durch die Kurve 250 in Fig. 4 wiedergegeben. Als danach die Einlaßtemperatur des unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches auf 24 G und die Umgebungstemperatur auf 10 C und -1⁰C abgesenkt wurde, ergaben sich die in Fig. 4 dargestellten Kurven. 252 und 254.

Diese Untersuchungen zeigen deutlich, daß die Temperatur des unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches und die Temperatur der Betten aus dem Adsorptionsmaterial auf etwa 27 C gehalten werden muß, um die über das Molekularsieb-Separatorsystem 10 durchgeführte Trennung des Sauerstoffs von der Luft zu optimieren»

Danach wurden mit dem in Fig. 1 dargestellten Separatorsystem 10 weitere Untersuchungen durchgeführt, wobei die Umhüllung 24 aus isolierendem Material die Behälter abdeckte und sich das Heizelement 28 und das Entlüftungsventil 19 in Tätigkeit befanden. Das den in den Behältern 14 und 16 enthaltenen Materialbetten zugeführte StrÖ-mungsmittelgemisch und die umgebende Atmosphäre wurden auf einer Temperatur von etwa 27 C und auf einem Druck von 2,8 bar gehalten.

Die Erzeugung des mit Sauerstoff angereicherten Strömungsmittelproduktes ist durch die Kurve 256 in Fig» 5 wiedergegeben.

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Danach wurde die Temperatur der Umgebung auf einen Wert von etwa -55 C abgesenkt. Bei dieser Temperatur befinden sich der Thermostat oder Temperaturregler 40 und der Temperaturfühler 56 in Funktion. Ein gewisser Anteil des auf 27 C vorerhitzten Strömungsmittelgemisches wurde durch das Solenoidventil 19 zur Umgebung abgegeben, um den Bereich innerhalb der Umhüllung auf etwa 27°C zu halten. Die Erzeugung des mit Sauerstoff angereicherten atmungsfähigen Strömungsmittels ist durch Kurve 258 in Fig. 5 wiedergegeben.

Danach wurden der Temperaturfühler 56 und der Thermostat oder Temperaturregler 40 außer Betrieb gesetzt, und die Temperatur der Umgebung wurde auf -18°C gehalten. Die Erzeugung des mit Sauerstoff angereicherten Strömungsmittelproduktes ist durch Kurve 260 in Fig. 5 wiedergeben.

Aus diesen Untersuchungen geht somit hervor, daß ein Molekularsieb-Separator mit hohem Wirkungsgrad geschaffen wurde, indem ein Behälter eingesetzt wurde, bei dem im wesentlichen jeder Partikel des Adsorptionsmaterials über ein Adsorptionsbett mit variablem Bereich mit dem Strömungsmittelgemisch in Kontakt gebracht und die Temperatur des Systems auf etwa 27°C gehalten wird.

Nach Auswertung der Betriebsergebnisse von Molekularsieb-Separataren, bei denen zwischen den Eintritts- und Austrittsöffnungen eines Behälters eine Bereichsänderung des Adsorptionsmaterialbettes auftritt, wie zum Beispiel die abgestufte Änderung des in Fig. 2 dargestellten Bereiches,

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folgerte man, daß die optimale Bettform einen Querschnitt aufweisen sollte, der vom Einlaß zum Auslaß hin abnimmt, wie bei dem in Fig. 3 gezeigten Behälter 270. Der Behälter 270 besitzt eine konische Form, wobei eine erste Strömungskammer 272 zwischen der Endkappe 274 und dem Filter oder der Scheibe 276 angeordnet ist. Der Filter oder die Scheibe 276 erlaubt eine gleichmäßige Verteilung des Strömungsmittelgsmisches aus der Leitung 80 auf das in der Kammer 280 fixierte Adsorptionsmaterialbett. Eine zweite Scheibe oder ein Filter 282 ist zwischen der Endkappe 284 und der Kammer 280 angeordnet, um einen zweiten Strömungsweg durch die Kammer 281 vorzusehen. Für einige Anwendungsfälle kann eine Feder 286 angeordnet werden, um eine konstante Kraft auf die Scheibe 282 auszuüben und somit während des Reinigungszustandes in dem Bett des Adsorptionsmaterials sine im wesentlichen gleichmäßige Dichte aufrechtzuerhalten. Die Abtrennung des Elementes von dem Strömungsmittelgemisch geht somit gleichmäßig vonstatten, da der konische Behälter 270 so ausgebildet ist, daß irgendein Absinken der Strömungsgeschwindigkeit des Strömungsmittelgemisches, das aus der Adsorption des Elementes durch das Material verursacht wird, kompensiert wird.

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Claims

290^1G1

THE BENDIX CORPORATION

Executive Offices

Bendix Center

Southfield, Michigan 48076, USA

M-4834 18. Januar 1979

Patentansprüche

1. Strämungsmittelseparator mit einem Steuerelement, das den Durchfluß eines unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches in einer ersten Richtung durch Partikel in einem Bett aus Adsorptionsmaterial ermöglicht, wobei ein Element in dem Strö— mungsmittelgemisch durch die Partikel adsorbiert wird, um während einer ersten Arbeitsweise in einem Operationszyklus ein Strömungsmittelprodukt zu erzeugen, und das den Durchfluß eines Reinigungsstromungsmittels in einer zweiten Richtung durch das Bett ermöglicht, um das Element von den Partikeln während einer zweiten Arbeitsweise des Operationszyklus zu desorbieren, wobei das Bett aus dem Adsorptionsmaterial in einem Behälter fixiert ist, der ein Gehäuse mit darin angeordneten ersten und zweiten Strömungskammern umfaßt, die jeweils mit einer Eintritts- und einer Austrittsöffnung verbunden sind, sowie Halteeinrichtungen zum Fixieren der Partikel zwischen den Strömungskammern, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen

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einen ersten größeren Abschnitt zur ersten Strömungskammer benachbart und einen zweiten kleineren Abschnitt zur zweiten Strömungskammer benachbart aufweisen, wobei die erste Strömungskammer das Strömungsmittelgemisch während der ersten Arbeitsweise zum ersten großen Abschnitt verteilt und wobei die zweite Strömungskammer das Reinigungsströmungsmittel wahrend der zweiten Arbeitsweise zum zweiten kleinen Abschnitt hin verteilt.

2. Strömungsmittelssparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen einen kegelstumpfförmigen Abschnitt des Gehäuses (270) umfassen, so daß die Querschnittsfläche des Adsorptionsmaterialbettes linear mit der Entfernung von dem ersten großen Abschnitt (276) zum zweiten kleinen Abschnitt (282) abnimmt, um auf diese Weise Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit, die aus der Adsorption des Elementes in dem Strömungsmittel-gemisch durch die Partikel resultieren, auszugleichen.

3. Strömungsmittelseparator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen des weiteren elastische Elemente umfassen, die in der ersten und/oder zweiten Strömungskammer angeordnet sind und auf die Partikel des Adsorptionsmaterials einwirken, um die Dichts des Bettes trotz der DruckSnderungen zwischen der ersten und zweiten Strömungskammer aufrechtzuerhalten.

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4. Strömungsmittelssparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen einen zylindrischen Abschnitt des Gehäuses (144) umfassen, eine erste perforierte Platte oder Scheibe (152), die dem Gehäuseabschnitt an einem Ende desselben zugeordnet ist und mit einer ersten Endkappe (146) des Gehäuses eine Zwischenströmungskammer (164) bildet, ein zylindrisches Element (I66), das innerhalb des zylindrischen Gehäuseabschnittes angeordnet ist und sich mit der ersten Platte in Eingriff befindet, um eine erste Trennkammer (176) von einer zweiten Trennkammer (178) abzutrennen, wobei die erste und zweite Trennkammer über die Zwischenströmungskammer miteinander verbunden sind und jeweils eine festgelegte Menge des Adsorptionsmaterials fixieren, eine zweite perforierte Platte (I8O), die das zylindrische Element umgibt, um die Partikel des Adsorptionsmaterial in der ersten Trennkammer zu fixieren, eine dritte perforierte Platte (19O), die in dem zylindrischen Element angeordnet ist, um die Partikel des Adsorptionsmaterials in der zweiten Trennkammer zu fixieren, wobei das zylindrische Element und die zweite und dritte Platte zusammen mit einer zweiten Endkappe (148) des Gehäuses erste und zweite Strömungskammern (186,196) bilden, die jeweils der ersten und zweiten Trennkammer benachbart sind.

5. Strömungsmittelseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtungen des weiteren elastische Elemente (182,192) umfassen, die in den ersten und zweiten Strömungskammern (186,196) angeordnet sind und auf die in der ersten und zweiten Trennkammer

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(176,178) enthaltenen Partikel des Adsorptionsmaterials einwirken, um die Dichte des Bettes trotz der Druckänderungen zwischen der ersten und zweiten Strömungskammer aufrechtzuerhalten.

6. Strömungsmittelseparator mit mindestens zwei Behältern, von denen jeder ein Bett von Adsorptionspartikeln enthält, nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer Versorgungsleitung zum Anschließen einer Quelle eines unter Druck stehenden Strömungsmittelgemisches entweder an einen ersten oder zweiten Behälter und einer an die Versorgungsleitung angeschlossenen Ventileinrichtung, die die Verbindung der Quelle des Strömungsmittelgemisches mit einem der ersten und zweiten Behälter steuert, wobei ein Element in dem Strömungsmittelgemisch in den Partikeln adsorbiert wird, um ein Strömungsmittelprodukt zu erzeugen, während ein Reinigungsströmungsmittel das Element von den Partikeln in dem anderen der ersten und zweiten Behälter entfernt und an die Umgebung abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß des weiteren eine Heizvorrichtung (28) vorgesehen ist, die der Versorgungsleitung (12) zugeordnet ist, um das unter Druck stehende Strömungsmittelgemisch innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereiches zu halten.

7. Strömungsmittelseparator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren Fühlereinrichtungen (56) umfaßt, die auf den vorgegebenen Temperaturbereich ansprechen und den Betrieb der Heizeinrichtung (28) regeln.

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θ. Strömungsmittelssparator nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren Abgasleitungen (86,122) umfaßt, die mit der Ventileinrichtung (64,68) verbunden sind und einen Abschnitt der Versorgungsleitung (12) umgeben, um das Strömungsmittelgemisch zu erwärmen, bevor es der Heizeinrichtung (28) ausgesetzt wird.

9. Strömungsmittelseparator nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren eine Umhüllungseinrichtung (24) umfaßt, um mindestens die Versorgungsleitung, die Ventileinrichtung und den ersten und zweiten Behälter gegenüber der Umgebung zu isolieren, so daß von dem anderen der ersten und zweiten Behälter beim Reinigen des Elementes übertragene thermische Energie zum Aufrechterhalten der vorgegebenen Temperatur in dem Strömungsmittelgemisch herangezogen werden kann.

10. Strömungsmittelseparator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß er des weiteren Entlüftungsventileinrxchtungen (19) aufweist, die an die Versorgungsleitung (12) angeschlossen sind, sowie elektronische Steuereinrichtungen (36), die auf die Fühlereinrichtung (40) ansprechen und die Entlüftungsventileinrichtungen mit einem Betriebssignal versorgen, so daß ein Teil des erhitzten Strömungsmittelgemisches in die Umhüllungseinrichtung strömen und den ersten und zweiten Behälter erwärmen kann.

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