EP2623863B1 - Brenngas-Luft-Mischvorrichtung - Google Patents

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EP2623863B1
EP2623863B1 EP20130153084 EP13153084A EP2623863B1 EP 2623863 B1 EP2623863 B1 EP 2623863B1 EP 20130153084 EP20130153084 EP 20130153084 EP 13153084 A EP13153084 A EP 13153084A EP 2623863 B1 EP2623863 B1 EP 2623863B1
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EP
European Patent Office
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air
throttle portion
air duct
mixing device
cross
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EP2623863A2 (de
EP2623863A3 (de
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Jochen Wriske
Matthias Wodtke
Nicole Schmidt
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Vaillant GmbH
Original Assignee
Vaillant GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/62—Mixing devices; Mixing tubes
    • F23D14/64—Mixing devices; Mixing tubes with injectors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D14/00—Burners for combustion of a gas, e.g. of a gas stored under pressure as a liquid
    • F23D14/46—Details, e.g. noise reduction means
    • F23D14/60—Devices for simultaneous control of gas and combustion air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2203/00—Gaseous fuel burners
    • F23D2203/007—Mixing tubes, air supply regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23D—BURNERS
    • F23D2900/00—Special features of, or arrangements for burners using fluid fuels or solid fuels suspended in a carrier gas
    • F23D2900/14—Special features of gas burners
    • F23D2900/14481—Burner nozzles incorporating flow adjusting means

Definitions

  • the invention relates to a fuel gas-air mixing device for a heater.
  • Generic mixing devices are based on a mixing nozzle, usually a venturi nozzle, in which air is conveyed through the nozzle by means of a blower.
  • a mixing nozzle usually a venturi nozzle
  • fuel gas is supplied orthogonally.
  • a throttle in the gas path the amount of fuel gas required for clean combustion is adjusted in relation to the amount of air.
  • the venturi ensures that over a certain range of air mass flow, the fuel gas to air ratio remains constant within close tolerances.
  • the patent application DE 196 35 974 A1 describes a fuel gas-air mixing device for gas heaters, in which the opening cross section is adapted to the combustion chamber by a gravity-loaded pendulum flap depending on the volume flow.
  • the patent EP 1 183 483 B1 describes a mixing device for fuel gas and combustion air with two parallel air nozzles in the form of Venturi nozzles.
  • One or alternatively both air nozzles can be switched off by means of shut-off devices.
  • the shut-off devices are designed as flaps, wherein the flaps are held by springs against the flow direction. The spring rate thus determines the Absperr characterizing.
  • the patent DE 41 37 573 C1 discloses a mixing device with a streamlined displacement body within a venturi.
  • the position of the displacement body within the Venturi nozzle in the air flow direction by means of spindle is adjustable.
  • the gas supply can be throttled.
  • the patent DE 103 24 706 B3 describes a mixing device in which a cone-shaped displacement body by a stell engine in an air nozzle is retracted.
  • the cone servo motor operates in response to a sensor signal that detects changes in gas quality, air pressure, and / or combustion air temperature.
  • the mixing devices known from the prior art have the disadvantage that the relationship determined by the geometry between air volume and pressure loss in the narrow cross-section are changed only by leaps and bounds, but not continuously can. Even in the case of a steady opening of the shut-off device in one of the air nozzles, the pressure signal which is decisive for the gas injection remains exclusively dependent on the existing, unchangeable nozzle geometry. Furthermore, the introduction of gravity or spring-loaded shut-off devices in the flow path causes control tolerances, which is due on the one hand to unfavorable flow conditions and on the other hand to the sensitivity of the pressure loss to component tolerances.
  • the aim is to generate a sufficiently large pressure signal with a venturi pneumatic air / gas composite in partial load operation in order to ensure accurate control of the gas fitting.
  • the flow path of the air supply is designed so that it is designed without interference and without edges or sheets, where turbulence.
  • a continuous change of the cross section depending on the air mass flow is provided.
  • the direction of the displacement is parallel to the direction of air flow, so that this shift can be effected simply by air pressure differences before and after the mixing device.
  • the mixing device is designed so that the flowing air and thus the acting air pressure of the composite shifts the air duct and / or the throttle means against an elastic element in the air flow direction.
  • the elastic element defines a force-distance relationship.
  • the design of the air channel, the throttle means and the elastic element are adapted so that increases continuously with increasing air mass flow, the cross-sectional area formed between the throttle means and the air duct. This ensures that in a wide range for the air mass flow, the minimum flow velocity required for the reliable functioning of the mixing device is present and thus there is a sufficiently high negative pressure for a function of the mixing device.
  • the displaceable throttle means or the displaceable air duct is coupled with a separate fuel gas valve so that it is opened simultaneously with the air duct opening displacement of the throttle means or air duct continuously and in proportion to the change in cross section of the air duct. This ensures that at each operating point of the mixing device, the air / fuel gas ratio corresponds to a predetermined value.
  • the aerodynamic design is ensured by an advantageous length / diameter ratio.
  • the term diameter should not be limited to circular cross-sections, but rather be applicable to any cross-sectional shape.
  • the throttle means on continuous cross-sectional transitions. For an undisturbed flow along the throttle means is possible.
  • the elastic element is a spring.
  • the air channel is stationary and the throttle means slidably executed.
  • the throttle means is connected to a spring-loaded lever which is so long that the throttle means along an approximately linear locus is movable parallel to the air flow direction.
  • the throttle means is stationary and the air duct slidably executed.
  • the air duct is displaceably guided linearly against a spring.
  • FIG. 1 shows a name of a mixing device according to the invention.
  • blower air is conveyed through the venturi.
  • the Venturi nozzle is formed from the air duct 2 and the throttle means 3 contained therein. Seen from the left, the free cross-section for the air flow decreases continuously to a cross-sectional constriction 4, after which it widens again.
  • a feed 5 is provided for fuel gas.
  • the higher flow velocity within the cross-sectional constriction forms a negative pressure, so that through the feed 5 fuel gas is conveyed into the airway and mixed with the air.
  • the speed of the blower not shown here, the amount of the gas-air mixture can be changed.
  • the mixing ratio between fuel gas and air remains constant in a certain range. If the speed of the fan and thus the mass flow of the air is reduced even further, it is no longer possible to ensure that the mixing ratio remains constant. For this reason, the Venturi nozzle 1 is designed so that the air channel 2 and the throttle means 3 can shift due to the pressure conditions that are set by the air flow, the way that at high flow velocities, the free cross-sectional area between the air duct 2 and throttle means. 3 increased or reduced with low flow rates.
  • the feed 5 is connected to a valve 6, with which the mass flow of the supplied fuel gas is variable.
  • the valve 6 is connected to the air passage 2 so that the valve 6 is opened when the air passage 2 is shifted to the right.
  • the throttle means 3 has the shape of an ellipsoid of revolution.
  • the throttle means 3 is on a long Lever mounted so that it is guided along a circular path with a very large radius, which is approximately a straight line. With increasing air velocity, the throttle means is pressed against the spring 7 to the right.
  • the lever is connected to a valve 6, through which the fuel gas supply can be metered by the feed 5. With increasing air speed, the valve 6 is opened more and more, so that the fuel gas supply is adjusted to the amount of air.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für ein Heizgerät. Gattungsgemäße Mischvorrichtungen basieren auf einer Mischdüse, üblicherweise einer Venturidüse, bei der mittels eines Gebläses Luft durch die Düse gefördert wird. Im Bereich des engen Querschnitts der Venturidüse wird orthogonal Brenngas zugeführt. Über eine Drossel im Gasweg wird die für eine saubere Verbrennung benötigte Brenngasmenge im Verhältnis zur Luftmenge eingestellt. Die Venturidüse gewährleistet, dass über einen bestimmten Bereich des Luftmassenstroms das Brenngas-Luft-Verhältnis in engen Toleranzen konstant bleibt.
  • Dies trifft jedoch unterhalb eines Grenzwerts, bei dem die Strömungsgeschwindigkeit zu gering wird, nicht mehr zu. Für ein Heizungsgerät ist es jedoch vorteilhaft, wenn dieses über einen breiten Modulationsbereich, also einem großen Verhältnis zwischen maximaler und minimaler Leistung bei Nenn- bzw. bei Teillast verfügt. Diese Systeme sind jedoch dahingehend begrenzt, dass der sich dabei über die Venturidüse einstellende Druckverlust von Teilzu Nennlast quadratisch verhält und dadurch das Gesamtsystem in der Nennlast durch die maximal mögliche Druckerhöhung des verwendeten Gebläses begrenzt ist.
  • Aus diesem Grund sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, die auch im Teillastbereich mit geringen Leistungen ein ausreichend eng toleriertes Brenngas-Luft-Verhältnis aufweisen.
  • Die Patentanmeldung DE 196 35 974 A1 beschreibt eine Brenngas-Luft-Mischvorrichtung für Gasheizgeräte, bei dem der Öffnungsquerschnitt zur Brennkammer durch eine schwerkraftbelastete Pendelklappe je nach Volumenstrom angepasst wird.
  • Das Patent EP 1 183 483 B1 beschreibt eine Mischvorrichtung für Brenngas und Verbrennungsluft mit zwei parallelen Luftdüsen in Form von Venturidüsen. Eine oder alternativ beide Luftdüsen sind durch Absperreinrichtungen abschaltbar. Die Absperreinrichtungen sind als Klappen ausgebildet, wobei die Klappen durch Federn gegen die Strömungsrichtung gehalten werden. Die Federrate bestimmt somit die Absperrcharakteristik.
  • Aus der Patentanmeldung WO 2012/007823 ist eine Mischvorrichtungen bekannt, bei der ebenfalls eine Klappe im Luftweg den Strömungsquerschnitt bei Teillast verringern. Eine weitere durch den Luftdruck betätigte Klappe verschließt den Brenngasweg.
  • Die Patentschrift DE 41 37 573 C1 offenbart eine Mischvorrichtung mit einem strömungsgünstigen Verdrängungskörper innerhalb einer Venturidüse. Um die Mischvorrichtung an unterschiedliche Gasqualitäten einstellen zu können, ist die Position des Verdrängungskörpers innerhalb der Venturidüse in Luft-Strömungsrichtung mittels Spindel verstellbar. Ebenfalls ist die Gaszufuhr drosselbar.
  • Die Patentschrift DE 103 24 706 B3 beschreibt eine Mischvorrichtung, bei der ein Kegel förmiger Verdrängungskörper durch einen stell Motor in eine Luftdüse einfahrbar ist. Der Stellmotor für den Kegel arbeitet in Abhängigkeit von einem Signal eines Sensors, der Änderungen der Gasqualität, des Luftdrucks und/oder der Verbrennungslufttemperatur erfasst.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Mischvorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass der durch die Geometrie bestimmte Zusammenhang zwischen Luftvolumen und Druckverlust im engen Querschnitt nur sprunghaft, aber nicht kontinuierlich verändert werden kann. Auch im Fall eines stetigen Öffnens der Absperreinrichtung in einer der Luftdüsen bleibt das für die Gaseindüsung maßgebliche Drucksignal ausschließlich von der vorliegenden, unveränderlichen Düsengeometrie abhängig. Weiterhin bewirkt das Einbringen schwerkraft- oder federbelasteter Absperreinrichtungen im Strömungsweg Regeltoleranzen, die einerseits auf ungünstige Strömungsverhältnisse und andererseits auf die Empfindlichkeit des Druckverlusts gegenüber Bauteiltoleranzen zurückzuführen ist.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Mischvorrichtung bereitzustellen, deren Mischungsverhältnisse zwischen Brenngas und Luft bei geringer Teillast gegenüber dem Stand der Technik noch enger toleriert ist. Ziel ist es, mit einem im Venturiprinzip betriebenen pneumatischen Gas-Luft-Verbund im Teillastbetrieb ein ausreichend großes Drucksignal zu erzeugen, um eine genaue Regelung der Gasarmatur zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass einerseits der Strömungsweg der Luftzufuhr so gestaltet wird, dass dieser störungsfrei und ohne Kanten oder Bleche gestaltet ist, an denen Verwirbelungen entstehen. Andererseits ist eine kontinuierliche Veränderung des Querschnitts in Abhängigkeit vom Luftmassenstrom vorgesehen. Dies erfolgt einerseits durch eine strömungsgünstige Gestaltung des Drosselmittels, andererseits durch die Möglichkeit, dass sich Drosselmittel und Luftkanal kontinuierlich zueinander verschieben. Dabei erfolgt die Richtung der Verschiebung parallel zur Luftströmungsrichtung, so dass diese Verschiebung einfach durch Luftdruckdifferenzen vor und hinter der Mischvorrichtung bewirkt werden kann. Die Mischvorrichtung ist so ausgebildet, dass die strömende Luft und damit der wirkende Luftdruck des Verbunds den Luftkanal und/oder das Drosselmittel entgegen einem elastischen Element in Luftströmungsrichtung verschiebt. Durch das elastische Element wird ein Kraft-Weg-Zusammenhang definiert. Die Gestaltung des Luftkanals, des Drosselmittels und des elastischen Elements werden dabei so angepasst, dass sich mit zunehmendem Luftmassenstrom die Querschnittsfläche, die zwischen Drosselmittel und Luftkanal gebildet wird, kontinuierlich vergrößert. Damit ist sichergestellt, dass in einem weiten Bereich für den Luftmassenstrom die für die zuverlässige Funktion der Mischvorrichtung erforderliche minimale Strömungsgeschwindigkeit vorliegt und somit ein für eine Funktion der Mischvorrichtung ausreichend hoher Unterdruck vorliegt.
  • Zwar ist aus der DE 198 06 315 C1 bekannt, in einer Brenngas-Luft-Mischvorrichtung einen durch die Luftströmung axial verschiebbaren Verdrängungskörper vorzusehen. Diese Ausführung verspricht eine sehr leistungsfähige Düse, jedoch gibt es keine Hinweise darauf, dass sich diese Düse besonders eignet exakte Mischungsverhältnisse zwischen Brenngas und Luft bei geringer Teillast sicherzustellen.
  • Daher ist erfindungsgemäß gegenüber dem bekannten Stand der Technik das verschiebbare Drosselmittel oder der verschiebbare Luftkanal so mit einem separaten Ventil für Brenngas gekoppelt, dass dieses gleichzeitig mit der den Luftkanal öffnenden Verschiebung des Drosselmittels oder Luftkanals kontinuierlich und proportional zur Querschnittsveränderung des Luftkanals geöffnet wird. Damit ist sichergestellt, dass in jedem Betriebspunkt der Mischvorrichtung das Luft/Brenngas-Verhältnis einem vorgegebenen Wert entspricht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die strömungsgünstige Gestaltung durch ein vorteilhaftes Längen/Durchmesser-Verhältnis sichergestellt. Dabei soll der Begriff Durchmesser nicht auf kreisrunde Querschnitte beschränkt sein, sondern vielmehr für jede Querschnittsform anwendbar sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsvariante weist das Drosselmittel kontinuierliche Querschnittsübergänge auf. Damit ist eine ungestörte Strömung entlang des Drosselmittels möglich.
  • Bevorzugt ist das elastische Element eine Feder.
  • In einer Variante der Erfindung ist der Luftkanal ortsfest und das Drosselmittel verschiebbar ausgeführt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Variante der Erfindung ist das Drosselmittel mit einem federbelasteten Hebel verbunden, der so lang ist, dass das Drosselmittel entlang einer näherungsweise geradlinigen Ortskurve parallel zur Luftströmungsrichtung bewegbar ist.
  • In einer alternativen Variante der Erfindung hingegen ist das Drosselmittel ortsfest und der Luftkanal verschiebbar ausgeführt. Bevorzugt ist der Luftkanal entgegen einer Feder verschiebbar linear geführt.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert.
  • Es stellen dar:
    • Figur 1:
    eine Schnittzeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.
    Figur 2:
    eine Schnittzeichnung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung.
  • Figur 1 zeigt eine Bezeichnung einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung. Von einem rechtsseitig angeordneten, hier nicht dargestellten Gebläse wird Luft durch die Venturidüse gefördert. Die Venturidüse wird gebildet aus dem Luftkanal 2 und dem darin enthaltenen Drosselmittel 3. Von links gesehen verringert sich der freie Querschnitt für die Luftströmung kontinuierlich bis zu einer Querschnittsverengung 4, um sich danach wieder zu erweitern. Im Bereich der Querschnittsverengung 4 ist eine Zuführung 5 für Brenngas vorgesehen. Aufgrund der höheren Strömungsgeschwindigkeit innerhalb der Querschnittsverengung bildet sich ein Unterdruck, so dass durch die Zuführung 5 Brenngas in den Luftweg gefördert wird und sich mit der Luft vermischt. Mit Hilfe der Drehzahl des hier nicht dargestellten Gebläses kann die Menge des Gas-Luft-Gemisches verändert werden. Dabei bleibt das Mischungsverhältnis zwischen Brenngas und Luft in einem bestimmten Bereich konstant. Wird die Drehzahl des Gebläses und damit der Massenstrom der Luft noch weiter verringert, ist nicht mehr sichergestellt, dass das Mischungsverhältnis konstant bleibt. Aus diesem Grund ist die Venturidüse 1 so ausgeführt, dass der Luftkanal 2 und das Drosselmittel 3 sich aufgrund der Druckverhältnisse, die sich durch die Luftströmung einstellen, der Weise gegeneinander verschieben können, dass sich mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten die freie Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 vergrößert bzw. mit niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten verringert. Dies kann entweder über den gesamten Modulationsbereich des Gebläses kontinuierlich erfolgen, nur im unteren Teillastbereich kontinuierlich oder aber bei einem bestimmten Betriebspunkt binär in der Weise, dass bei über- oder unterschreiten dieses Betriebspunkt entweder eine große oder eine kleine Querschnittsfläche zwischen Luftkanal 2 und Drosselmittel 3 frei bleiben. Ebenfalls kann eine reibungsbedingte Hysterese vorgesehen sein, die ein Flattern verhindert.
  • Durch die hohe Luftgeschwindigkeit wird der Luftkanal 2 entgegen der Feder 7 nach rechts geschoben. Dazu ist der Luftkanal 2 links mittels einer Führung 8, die durch Speichen mit dem Luftkanal 2 verbunden ist, auf dem feststehenden Drosselmittel 3 geführt. Die Zuführung 5 ist mit einem Ventil 6 verbunden, mit der der Massenstrom des zugeführten Brenngases veränderbar ist. Das Ventil 6 ist so mit dem Luftkanal 2 verbunden, dass das Ventil 6 geöffnet wird, wenn der Luftkanal 2 nach rechts verschoben wird. Dadurch wird die Brenngasmenge an den sich verändernden Querschnitt der Venturidüse angepasst.
  • In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform der Mischvorrichtung gezeigt. Das Drosselmittel 3 weist die Form eines Rotationsellipsoids auf. Das Drosselmittel 3 ist an einem langen Hebel so befestigt, dass es entlang einer Kreisbahn mit sehr großem Radius, der näherungsweise eine Gerade darstellt, geführt wird. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Drosselmittel entgegen der Feder 7 nach rechts gedrückt. Der Hebel ist mit einem Ventil 6 verbunden, durch das die Brenngaszufuhr durch die Zuführung 5 dosierbar ist. Mit zunehmender Luftgeschwindigkeit wird das Ventil 6 immer weiter geöffnet, so dass die Brenngaszufuhr an die Luftmenge angepasst wird.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Mischdüse
    2
    Luftkanal
    3
    Drosselmittel
    4
    Querschnittsverengung
    5
    Zuführung
    6
    Ventil
    7
    elastisches Element
    8
    Führung

Claims (9)

  1. Mischvorrichtung zum Mischen von Brenngas und Luft in einem definierten Mischungsverhältnis, umfassend eine Mischdüse (1), welche einen Luftkanal (2) beinhaltet, durch die Luft leitbar ist, umfassend eine Zuführung (5) für Brenngas, die in die Mischdüse (1) mündet, und umfassend ein Drosselmittel (3), wobei das Drosselmittel (3) strömungsgünstig geformt ist und so im Luftkanal (2) angeordnet ist, dass der zwischen Luftkanal (2) und Drosselmittel (3) verbleibende Querschnitt eine im wesentlichen kontinuierliche Querschnittsverengung (4) bildet, in der die Zuführung (5) mündet, und dass das Drosselmittel (3) und der Luftkanal (2) so relativ zueinander in Luftströmungsrichtung verschiebbar sind, dass sich die Querschnittsfläche im Bereich der Querschnittsverengung (4) mit zunehmendem Luftmassenstrom kontinuierlich reversibel erweitert, wobei
    das verschiebbare Drosselmittel (3) oder der verschiebbare Luftkanal (2) so mit einem Ventil (6) für Brenngas gekoppelt ist, dass dieses kontinuierlich geöffnet wird, wenn sich das verschiebbare Drosselmittel (3) oder der verschiebbare Luftkanal (2) in eine Richtung bewegt, die eine Vergrößerung der Querschnittsfläche im Bereich der Querschnittsverengung (4) bewirkt dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (2) und das Drosselmittel (3) so ausgebildet sind, dass die strömende Luft eine Kraft auf den Luftkanal (2) und/oder das Drosselmittel (3) ausübt und dass diese Kraft so gegen ein elastisches Element (7) wirkt, dass sich das Drosselmittel (3) und der Luftkanal (2) relativ zueinander in Strömungsrichtung verschieben.
  2. Mischvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Drosselmittel (3) in Luftströmungsrichtung gesehen ein Längen/Durchmesser-Verhältnis von größer 0,5, bevorzugt größer 1 aufweist.
  3. Mischvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Drosselmittel (3) in Luftströmungsrichtung gesehen im wesentlichen kontinuierliche Querschnittsübergänge aufweist.
  4. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Drosselmittel in Luftströmungsrichtung gesehen eine im wesentlichen elliptische Form aufweist.
  5. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das elastische Element (7) eine Feder ist.
  6. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Luftkanal (2) fest und das Drosselmittel (3) verschiebbar ausgeführt ist.
  7. Mischvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Drosselmittel (3) mit einem federbelasteten Hebel verbunden ist.
  8. Mischvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Drosselmittel (3) fest und der Luftkanal (2) verschiebbar ausgeführt ist.
  9. Mischvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Luftkanal (2) entgegen einer Feder verschiebbar linear geführt ist.
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