DE2907218C2

DE2907218C2 - Gerät zum Mischen zweier Strömungsmedien

Info

Publication number: DE2907218C2
Application number: DE2907218A
Authority: DE
Inventors: Johan Eric Hayden Lidingö Westberg
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-02-23
Filing date: 1979-02-23
Publication date: 1983-05-05
Also published as: SE7802089L; US4254789A; DE2907218A1

Description

darstellung;

Fig,5? dasselbe.Gerat in einem Teilquerschnitt nach der Linie ΠΊΙ der F i g-11

Pas dargestellte Gerät ist zum Mischen von Sauerstoff und Lachgas (N2O) vorgesehen, obgleich es grundsätzlich auch zum Mischen anderer Gase oder Flüssigkeiten verwendbar ist, Eines der beiden Gase, gemäß dem Ausfühningsbeispjel Sauerstoff, kann durch eine Zuführungsleitung 10 einem ersten Regler 11 und das andere Ga?, gemäß dem Ausfühnjngsbeispiel Lachgas, durch eine Zuführungsleitung 12 einem zweiten Regler 13 zugeführt werden. Jeder der beiden Regler 11 und 13 weist an der Einmündungsstelle der zugeordneten Zuführungsleitung 10 bzw. 12 ein Ventil 16 bzw. 17 auf, das von einer Membrane 14 bzw. 15 her steuerbar ist Die Ventilkörper der beiden Ventile 16 und 17 sind durch je eine einerseits am Gehäuse des zugeordneten Reglers 11 bzw. 13 und anderseits an der zugeordneten Membrane 14 bzw. 15 abgestützte Feder 18 bzw. 19 in ihre Schließstellung vorgespannt, wobei die im Regler 11 befindliche Feder 18 stärker als die im Regler 13 befindliche Feder IS ist Die Ventile 16 und 17 können durch einen auf die zugeordneten Membranen 14 und 15 auf deren der Feder 18 bzw. 19 gegenüberliegenden Seite einwirkenden Druck eines Kontrollgases, das sich gemäß dem Ausführungsbeispiel jeweils in einer Membrankammer 20 bzw. 21 befindet, geöffnet werden. Das Kontrollgas ist gemäß F i g. 1 von der Zuführungsleitung 10 abgezweigt und zunächst einem Kontrollregler 22 zugeführt, durch den der in den Membrankammern 20 und 21 herrschende Druck bei allen Regelzuständen konstant gehalten wird.

Der Kontrollregler 22 weist ein von einer Membrane her steuerbares Einlaßventil 24 auf, wobei eine Feder 25 die Membrane 23 im Sinne einer Öffnung des Einlaßventils 24 entgegen der Kraft einer schwachen Schließfeder vorbelastet Bei geöffnetem Einlaßventil 24 strömt der Sauerstoff in die auf der der Feder 25 gegenüberliegenden Seite der Membrane 23 befindliche Membrankammer 26, wodurch das Einlaßventil 24 nach ίο Erreichen eine., bestimmten Kontrolldruckes geschlossen wird. Auf diese Weise wird der in der Membrankammer 23 herrschende Gasdruck auf einen konstanten Wert geregelt, der jedoch durch eine Veränderung der Vorspannung der Feder 25 von einer aus dem Kontrollregler 22 herausragenden Einstellschraube 68 her in der gewünschten Weise eingesteht werden kann.

Die Membrankammer 26 steht über eine Leitung 27 mit der Membrankammer 20 des ersten Reglers 11 in Verbindung, so daß der in der Membrankammer 20 herrschende Regeldruck dem anderseits der Membrane 14 herrschenden Gasdruck und der dort wirksamen Kraft der Feder 18 entgegenwirkt, womit auch der auf der der Membrankammer 20 abgelegenen Seite der Membrane 14 herrschende Gasdruck für den ganzen Regelbereich konstant gehalten wird.

Die Membrankammer 20 steht ihrerseits über eine Leitung 28, in der sich eine Drosselstelle 69 befindet, mit der Membrankammer 21 des zweiten Reglers 13 in Verbindung, wobei in der Leitung 28 zwischen der &° Drosselstelle 69 und dem Regler 13 außerdem noch ein Ablaßventil 29 angeordnet ist, durch welches Sauerstoff über einen Auslaßstutzen 30 an die freie Atmosphäre abgegeben werden kann. Solange das Ablaßventil 29 geschlossen ist, herrscht in beiden Membrankammern 20 und 21 derselbe Regeldruck. Da die Feder 19 jedoch schwächer als die Feder 18 ist, ergibt sich gemäß F i g. 1 unterhalb der Membrane Π des Reglers 13 ein höherer Arbeitsdruck al? unter der Membrane 14 des Reglers 11, Wird, das Ablaßventil 29 jedoch mehr oder weniger weit geöffnet, dann sinkt der Regeldruck in der Membran* kammer 21 und damit auch der Arbeitsdruck im Regler 13 unterhalb der Membrane 15 entsprechend ab_r Je nach der Weite der Öffnung des Ablaßventils 29 kann also der Arbeitsdruck im Regler 13 von einem höchsten, erheblich höher als der Arbeitsdruck im Regler 11 liegenden Arbeitsdruck bis zum Wert Null absinken.

Wie aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich ist, ist die Membrane 15 vorsorglich gedoppelt, damit die beiderseits derselben befindlichen unterschiedlichen beiden Gaskomponenten zuverlässig voneinander getrennt bleiben-Die beiden eintrittsseitig der Regler 11 und 13 dargestellten Rückschlagventile dienen dem gleichen Zweck,, ein Oberströmen der einen Gaskomponente in die Zuführungsleitung der anderen Gaskomponente auszuschließen.

Die beiden Gasströme gelangen von den Reglern 11 und 13 aus über je eine Leitung 31 bzw. 32 zu einem Prozentwert-Meßgerät 33, das zwei a· 'al aufeinanderfolgende und nach ihrer mittleren Verbindungsstelle hin konisch erweiterte Meßrohre 34 und 35 aufweist An ihrer Verbindungsstelle sind die beiden Meßrohre 34 und 35 jedoch durch eine Zwischenwand 36 voneinander getrennt die eine sie zugleich axial durchsetzende langgestreckte Kanüle 37 trägt Die Kanüle 37 ist ihrerseits von einem steifen und durch sie hin- und herverschiebbaren Draht 38 durchsetzt An seinen beiden Enden trägt der Draht 38 je einen kreisscheibenförmigen Meßkörper 39 bzw. 40, wobei beide Meßkörper durch den Draht 38 in einem stets gleichbleibenden Abstand gehalten werden.

Aus den inneren Bereichen der beiden Meßrohre 34 und 35 führt je eine Leitung 41 bzw. 42 zu einer in einer Kammer von einer Membrane 44 durchsetzten Ausgleichsvorrichtung 43, wobei die Leitung 41 in den einerseits und die Leitung 42 in den anderseits der Membrane 44 befindlichen Teil der Kammer ansmün det Die Membrane 44 dient über eine von ihr ausgehende Schieberstange 45 zur Steuerung des Ablaßventils 29 in der Wiise, daß in den beiden Meßrohren 34 und 35 stets ein jeweils gleich großer Druck herrscht Wenn der Druck etwa in einem MeBrohr, z. B. 34, über dwn Druck im anderen Meßrohr 35 ansteigt, dann bewirkt der dadurch in der Ausgleichsvorrichtung 43 auftretende Differenzdruck eine entsprechende Bewegung der Membrane 44 mit der Folge einer entsprechenden Betätigung des Ablaßventils 29, im vorgenannten Falle im Sinne einer Verringerung des Ablaßquerschnittes, womit der Regeldruck in der Membrankammer 21 und damit auch der Druck des den Regler 13 durchströmenden Lachgases so weit ansteigt bis in den beiden Meßrohrcrv 34 und 35 wieder ein gleicher Druck herrscht Da beide Meßkörper 39 und 40 durch den Draht 38 in einem stets gleichbleibendem Abstand voneinander gehalten werden, stellen sie sich in den Meßrohren 34 und 35 auch stets von selbst so ein, daß das an ihnen vorbeiströmende Gas an jedem Meßkörper 39 bzw. 40 df it gleichen Druckabfall erfährt Lediglich unter Berücksichtigung etwaiger unterschiedlicher Viskositäten der Gase stellen sich die beiden Meßkörper 39 und 40 stets von selbst so ein, daß der zwischen ihnen und der benachbarten Rohrwand verbleibende Spalt in seinem Querschnitt ganz unabhängig von den absoluten Gasdurchsätzen dein gegenseitigen Verhältnis der beiden Gasdurchsätze entspricht. Infolgedessen können die beiden Meßrohre

14 und 35 in Prozentwerten des Durchsatzes des einen Gases zum Gesamtdurchsatz des Gasgemisches durch das Gerät geeicht werden.

Aus dem inneren Bereich jedes Meßrohres 34 bzw. 35 führt eine kurze Leitung 46 bzw. 47 großer lichter Weite zu einer Mischvorrichtung 48 mit zwei Einlaßkammern

49 und 50 (vgl. F i g. 2), in welche je eine der beiden Leitungen 46 und 47 ausmündet. Im übrigen herrscht auch in den beiden Einlaßkammern 49 und 50 ein jeweils gleicher Druck wie in den beiden Meßrohren 34 und 35, in denen der Druck in der vorstehend beschriebenen Weise durch die Ausgleichsvorrichtung 43 stets gleich groß gehalten wird. Die beiden Einlaßkammern 49 und

50 stehen über je einen aus F i g. 2 ersichtlichen, über je einen in seiner Kreisbogenlänge in nachstehend noch beschriebener Weise einstellbaren und quer durchströmten Spalt 51 bzw. 52 sowie einen in Durchströmungsrichtung anschließenden, jedoch radial nach außen durchströmten ringförmig geschlossenen Spalt 54 mit einer für beide Gase gemeinsamen Mischkammer 53 in Verbindung, aus der das Gasgemisch durch eine Leitung 55 abgeführt wird, in der sich ein zur Regelung der Durchsatzmenge dienendes Regelventil 55a befinden kann.

Zur Änderung der Umfangslänge der beiden Spalte

51 und 52 kann gemäß Fig.2 ein die beiden Einlaßkammern 49 und 50 voneinander trennender Sektorkörper 56 um einen axial zu den entlang einem gemeinsamen Kreisbogen verlaufenden Spalten 51 und

52 befindlichen feststehenden (nicht drehbaren) Zapfen 57 geschwenkt werden, wozu der Sektorkörper 56 gemäß F i g. I an seinem oberen Ende axial zum Zapfen 57 aus einem Gehäuse der Mischvorrichtung 48 hinausrag' und dort einen Betätigungshebel 58 trägt. Durch eine entsprechende Drehung des Betätigungshebels 58 kann das Verhältnis der Spaltlängen der beiden Spalte 51 und 52 zur Summe der beiden Spaltlängen — und damit auch der Ausströmungsquerschnitt aus der jeweiligen Einlaßkammer 51 bzw. 52 — zwischen Null und 100% verändert werden.

Der Durchströmungsquerschnitt der beiden Spalte 51 und 52 ist so bemessen, daß sich bei ihrer Durchströmung in einem maximalen Durchsatz ein geeigneter Druckabfall ergibt, was aber zur Folge hat, daß bei kleinen Durchsätzen ein zu kleiner Druckabfall entsteht und das Mischungsverhältnis nur mit einer zu geringen Genauigkeit eingehalten werden könnte. Auch im Hinblick auf die genaue Einhaltung des Druckes an der Ausgleichsvorrichtung 43 würde diese Genauigkeit nicht ausreichen.

Zur Vermeidung dieses Mangels ist das Gerät so konstruiert, daß an den Stellen der Einströmung der Gasanteile aus den Spalten 51 und 52 in die Mischkammer 53 unabhängig vom veränderten Gasdurchsatz stets ein etwa gleichbleibender Druckabfall eingehalten werden kann. Dies ist dadurch erreicht daß die axiale Breite des an die beiden Spalte 51 und 52 anschließenden ringförmig geschlossenen Spaltes 54 mit zunehmender Vergrößerung des Gesamt-Gasdurchsatzes ebenfalls vergrößert wird. Aus diesem Grunde ist ein den Zapfen 57 konzentrisch umgebender und gemäß F i g. 1 mit seiner oberen ringförmigen Stirnfläche den Spalt 54 einerseits begrenzender Zylinder 59, der an seinem unteren Ende eine mit ihm fest verbundene Mischkammer 60 trägt, in der nachstehend beschriebenen Weise axial zum Zapfen 57 verschiebbar. In der Mischkammer 60 befindet sich eine quer zum Zapfen 57 verlaufende und mit diesem axial verbundene kreisför

mige Membrane 61, wobei der unterhalb der Membrane 61 befindliche Raum der Mernbrankammer 60 durch eine axiale Bohrung 62 des Zapfens 57 hindurch mit der einen, gemäß dem Ausführungsbeispiel der Einlaßkammer 50 in Verbindung steht, während der über der Membrane 61 befindliche Raum der Membrankammer 60 mit dem übrigen Raum der Mischkammer 53 in Verbindung steht.

Wie aus den Fig. 1 und 2 weiterhin hervorgeht, ragt der Sektorkörper 56 mit einem unteren Halsteil 63 in einen zwischen dem Zapfen 57 und dem Zylinder 59 befindlichen Ringspalt hinein. In gleicher Weise kann auch ein weiterer, jedoch feststehend angeordneter Sektorkörper 64 (F i g. 2) einen unteren, ebenfalls in den vorgenannten Ringspalt hineinragenden Halsteil aufweisen. Da die beiden vorgenannten Halsteile in Umfangsrichtung des von den Sektorkörpern 56 und 64 eingeschlossenen Zapfens 57 nur einen Teil des zwischen dem Zapfen 57 und dem Zylinder 59 befindlichen Ringraumes ausfüllen, befindet sich in dem nach unten anschließenden Teil dieses Ringraumes noch eine am Zapfen 57 dicht festsitzende Hülse 65, entlang der der Zylinder 59 längsverschiebbar, jedoch zugleich abgedichtet ist, so daß kein Gas aus den Spalten 51 und 52 in den oberhalb der Membrane 61 befindlichen Raum der Membrankammer 60 gelangen kann.

Ste'gt die Menge des aus der Mischkammer 53 durch die Lei'ung 55 entnommenen Gasgemisches, dann sinkt der Druck in der Mischkammer 53 und zugleich in dem mit der Mischkammer 53 in Verbindung stehenden, oberhalb der Membrane 61 befindliche Raum der Membrankammer 60, wodurch nunmehr die ganze Membrankammer 60 samt dem Zylinder 59 infolge des unter der Membrane 61 wirksamen konstanten Druckes aus der Einlaßkammer 50 entgegen der Kraft einer nur schwachen Feder 66 entlang der Hülse 65 nach unten verschoben wird. Hierdurch wird aber die Breite des ringförmigen Spaltes 54 im Sinne einer Verringerung des dortigen Druckabfalles und einer Vergrößerung des dortigen Durchsatzes vergrößert, so daß der Druckabfall in der Mischkammer 53 sogleich ausgeglichen wird und in dieser Kammer stets unabhängig vom jeweiligen Durchsatz ein praktisch konstanter Druck herrscht. Man kann aber auch eine Feder 66 mit einer verhältnismäßig großen Federkonstanten verwenden, in welchem Falle der Druckabfall entlang den Spalten 51, 52 und 54 dazu ausgenutzt werden kann, mit einem oberhalb und unterhalb dieser Spalte angeschlossenen Strömungsmesser den Gesamtdurchsatz der beiden Strömungsmedien zu messen. Im übrigen braucht der Druckabfall entlang den Spalten 51, 52 i<nd 54 keineswegs so große Änderungen zu erfahren, daß sich die Art von deren Durchströmung, sei siejaminar oder turbulent, dabei ändert, weil eine solche Änderung der Durchströmungsart die Genauigkeit der Funktion des Gerätes beeinträchtigen würde.

Mit dem beschriebenen Gerät kann man ein gewünschtes Mischungsverhältnis und damit einen gewünschten Prozentwert des einen Strömungsmediums im Verhältnis zum erzeugten Gasgemisch erhalten, indem man den schwenkbaren Sektorkörper 56 in eine solche Lage schwenkt, daß jeweils der eine Spalt 51 oder 52 innerhalb der aus F i g. 2 ersichtlichen Ebene in entsprechendem Maße langer und der andere kürzer wird. Dadurch ändert sich zwar auch der Durchströmungswiderstand an der Stelle der Spalte 51 und 52, aber die beiden Regier 11 und 13 halten in Zusammenwirkung mit der Ausgleichsvorrichtung 43

doch in den beiden Einlaßkammern 49 und 50 der Mischvorrichtung 48 stets gemeinsam gleiche Drücke aufrecht. Infolgedessen entspricht jede Einstellung des Sektorkörpers 56 einem bestimmten Durchsatz-Prozentwert einer der beiden Strömungsmedien, womit das jeweilige Mischungsverhältnis beispielsweise an einer unterhalb des Betätigungshebels 58 auf dem Gehäuse der Mischvorrichtung 48 angebrachten (nicht dargestellten) Skala gegenüber der jeweiligen Hebelstellung unmittelbar abgelesen werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Gerät zum Mischen zweier Strömungsmedien, wie Gase oder Flüssigkeiten, deren Druck dmrn je einen in den Zufübrungsleitungeii befindlichen Regler auf einen Arbeitsdruck reduziert ist und die γόη den Reglern aus durch je Medium eine Drosselstelle in eine Mischkammer einer Mischvorrichtung gelangen, wobei die Regler im Sinne einer Gleichhaltung der vor den Drosselstellen vorhandenen Drücke der beiden Medien steuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselsteilen aus zwei jeweils einen Teil einer gemeinsamen, entlang einem Umfahgsteü eines Zylinderman- tels verlaufenden Ausnehmung einheitlicher radialer Breite bildenden Spalten (51 und 52) bestehen und das Längenverhältnis der Bogenlängen der beiden Spaltquerschnitte mittete eines in der Ausnehmung zwischen dsn beiden Spalten (51 und 52) befindlichen und um die Achse (Zapfen 57) des Zylindermantels drehbaren Sektorkörpers (56,63) einstellbar ist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Breite eines an die beiden in einer gemeinsamen Ebene verlaufenden Spalte (51 und 52)

in Strömungsrichtung anschließenden gemeinsamen, radial nach außen durchströmten ringförmig geschlossenen Spaltes (54) durch eine Vorrichtung (Membrankammer 60) in Abhängigkeit des Mediumdurchsatzes einstellbar ist

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur. Einstellen der Breite des ringförmig geschlossenen Spaltes (54) im Sinne einer Regelung der Breite im S" *ne einer Vergrößerung des Druckabfalles in linearer Abhängigkeit vom .gesamten Mediumdurchsatz ausgelegt ist

4. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zum Einstellen der Breite des ringförmig geschlossenen Spaltes (54) eine « Membrankammer (60) aufweist und der Druck über einer in derselben befindlichen Membrane (61) vom Gesamtdurchsatz durch die Spalte (51, 52, 54) abhängig ist und die Membrane (61) und eine Gehäusewand (Zylinder 59) der Membrankammer *i (60) mit der einen oder anderen axialen Begrenzungswand des ringförmig geschlossenen Spaltes (54) derart verbunden sind, daß eine Verminderung des Druckes Über der Membrane (61) eine Vergrößerung der axialen Breite des Spaltes (54) 3> bewirkt

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (61) parallel zur Ebene des ringförmig geschlossenen Spaltes (54) verläuft und in ihrer Mitte am Gehäuse der Mischvorrichtung (48) festgelegt und die Membrankammer (60) axial zum Spalt (54) verschiebbar sowie durch eine Feder (66) nach dem Spalt (54) hin vorgespannt ist, und dadurch, daß der auf der dem Spalt (54) zugekehrten Seite der Membrane (61) befindliche Raum der β" Membrankammef (60) mit einer Mischkammer (S3) der Mischvorrichtung (48) und der auf der anderen Seite der Membrane (61) befindliche Raum der Membrankammer (60) mit der einen Einlaßkammer (50) der Mischvorrichtung (48) in Verbindung steht. &' Die Erfindung bezieht sich auf ein der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechendes Gerät zum Mischen

zweier Strömungsmedien, '-.

Ein derartiges Gerät ist z, B, aus der DE-AS19 32 M bekannt. Als Dfosselstellen werden dabei übliche, jeweils zwischen einem konischen Nadelventil und einer entsprechenden Kegelausnehmung gebildete kegelmantelförmigß Spalträume verwendet, deren Spaltbreite durch eine axiale Verstellung der Nadelventil verändert werden kann.

Bei der medizinischen Anwendung von Gasgemischen kann es aber erforderlich sein, Sauerstoff und Luft oder Sauerstoff und Luft oder Sauerstoff und Lachgas (N₂O) zii mischen, wobei es anzustreben ist, daß die zu mischenden Gasanteile bei einem Oberdruck von etwa 0,2 bis 0,3 MPa möglichst genau eingehalten werden und der Anteil einer der beiden Gaskomponenten am Gasgemisch am Gerät unmittelbar in Prozentwerten abgelesen werden kann.

Der vorgenannte hohe und genau eingehaltene Druck des im Mischgerät erhaltenen Gasgemisches ist sehr vorteilhaft weil das Gasgemisch auf diese Weise zum Betreiben anderer Geräte, wie z. B. Luftbefeuchtungsanlagen, verwendet werden kann und ein unmittelbar am Gerät vorgesehener Strömungsmesser den Durchsatz genau anzeigt ohne daß Druckschwankungen ausgeglichen werden müssen. Bei medizinischen Anwendungen müssen auch hohe Anforderungen an den Anwendungsbereich des Gerätes gestellt werden, weil an ein und demselben Gerät beispielsweise Durchsätze zwischen 1 l/min und 1Ϊ& l/min sowie Anteile der einen Gaskomponente am Gasgemisch zwischen 1 und 99% möglich sein müssen. Bei dem bekannten Gerät muß aber wegen des extremen Anwendungsbereiches zumindest bei großen Abweichungen der beiden Spaltgrößen voneinander damit gerechnet werden, daß sich der Gesamtdurchsatz zunehmend ändert

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das der Gattung des Patentanspruchs 1 entsprechende Gerät so zu vervollkommnen, daß es mit Ger für medizinische Anwendungen erforderlichen Genauigkeit in den vorgenannten weiten Anwendungsbereichen eingesetzt werden kann und daß dabei gewährleistet ist, daß der Gesamtdurchsatz des Strömungsmediums auch bei stark voneinander abweichenden Größen der beiden Spalte stets gleich bleibt

Die gestellte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Palentanspruches 1 wiedergegebene Liihre gelöst

Ein so gestaltetes Mischgerät beruht auf einem System zusammenwirkender Komponenten, die an jedem der für die Durchsatzmenge der zugeordneten Gaskomponente maßgeblichen Spalt des Gerätes unabhängig vom Mischungsverhältnis stets einen gleichbleibenden Druckabfall herbeiführen. An beiden Spalten ist der Druckabfall außerdem einstellbar und es wird bei allen unterschiedlichen Durchsätzen eine gleichbleibende, entweder laminare oder turbulente Strömung eingehalten, womit insgesamt erreicht ist, daß das Gerät tatsächlich in dem vorgenannten weiten Anwendungsbereich mit stets genauer Anzeige des Prozentanteils der einen Gaskomponente am Gasgemisch und zugleich auch mit einer genauen Durchsatzanzeige anwendbar ist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 das Gerät mit allen seinen wesentlichen Bestandteilen in einer schematisch gehaltenen Schnitt-