WO2018201177A1 - Steurung eines verdichters und eines drosselorgans zur lieferung eines konstanten massenstroms - Google Patents

Steurung eines verdichters und eines drosselorgans zur lieferung eines konstanten massenstroms Download PDF

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Alen KARABEGOVIC
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Technische Universitaet Wien
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    • A61M1/00—Suction or pumping devices for medical purposes; Devices for carrying-off, for treatment of, or for carrying-over, body-liquids; Drainage systems
    • A61M1/14—Dialysis systems; Artificial kidneys; Blood oxygenators ; Reciprocating systems for treatment of body fluids, e.g. single needle systems for hemofiltration or pheresis
    • A61M1/16—Dialysis systems; Artificial kidneys; Blood oxygenators ; Reciprocating systems for treatment of body fluids, e.g. single needle systems for hemofiltration or pheresis with membranes
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    • F04B49/02—Stopping, starting, unloading or idling control
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/05—Pressure after the pump outlet

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling the
  • Mass flow in a closed gas cycle comprising a mass flow controller, a compressor and at least one pneumatic consumer, wherein the mass flow controller regulates the mass flow to a predetermined desired mass flow and wherein the compressor to maintain a differential pressure between the inlet and outlet of the mass flow controller
  • Mass flow of a gas comprising a
  • Mass flow controller and a compressor, wherein the
  • Mass flow controller is set to regulate the mass flow to a predetermined target mass flow and wherein the compressor of a compressor control to maintain a differential pressure between the inlet and outlet of
  • Mass flow controller is controllable.
  • the pneumatic consumer (s) may be, for example, a conduit, a valve, a diaphragm, a motor or a turbine. Purpose of the inventive method and
  • Mass flow controller and the compressor may preferably be connected in series with the consumer.
  • a “compressor” in the present case generally a pressure-building element
  • a fan may be a blower or a compressor (in the narrower sense).
  • the compressor may basically be a pulsating compressor or a continuous compressor.
  • a mass flow controller is any arrangement that includes a sensor, a controller and a valve, and is configured to control the mass flow (i.e., mass of gas per unit of time) transported through the valve.
  • the mass flow controller may include any sensor and any valve, which are suitable for solving this problem; e.g. a proportional valve or a solenoid valve.
  • a proportional valve or a solenoid valve e.g. a proportional valve or a solenoid valve.
  • the invention not essential that the mass flow controller and the compressor controlled by separate (decentralized) controls.
  • the invention therefore also relates to such arrangements in which the mass flow and the differential pressure are controlled or controlled as a multi-size system by a single (central) control. Furthermore, the mass flow controller and the compressor controlled by separate (decentralized) controls.
  • Mass flow controller and the compressor housed in structurally separate units and be connected by a gas line, or in a unit (for example, with a
  • the invention relates to a compact gas circulation and corresponding control principle, the interaction of which supplies a necessary pressure difference or mass flow through one or more connected pneumatic units. Compared to other existing gas systems in similar medical
  • the developed gas circulation can form a continuous and simultaneously closed gas flow. This results in significantly lower gas consumption and significant savings when expensive inert gas, such as e.g. Helium, is used.
  • expensive inert gas such as e.g. Helium
  • Gas circulation with a continuous mass flow are loud and require comparatively much energy in relation to the mass flow to be maintained. They are therefore hardly suitable for mobile use.
  • Activation of the compressor reduces the energy consumption and the noise of the compressor.
  • Compressor control is set up, the compressor too
  • the upper limit corresponding to a higher differential pressure than the lower limit.
  • pneumatic elements are determined depending on the desired mass flow (i.e., the instantaneous value of the mass flow controller reference variable). Accordingly, it is advantageous if the compressor control for determining the lower limit and / or the upper limit of a static characteristic of the connected in operation with the mass flow controller and the compressor
  • the static characteristic is the
  • the characteristic depends on the type of compressor and the set power of the compressor.
  • a reciprocating compressor has one between two
  • Pressure levels oscillating characteristic, the height and the course of the pressure levels depends on the input power.
  • the lower limit can be greater than or equal to a minimum
  • Compressor control to determine a lower limit
  • the minimum differential pressure can be determined in particular from the static characteristic. This is a differential pressure that just compensates for the pressure loss within the gas circuit at the setpoint mass flow.
  • the compressor is activated at the latest when the actual differential pressure reaches a minimum differential pressure required to achieve the desired mass flow rate
  • Determining the lower limit is set by a predetermined constant reserve pressure above the minimum differential pressure.
  • the reserve pressure provides a buffer in the event of a change in command (i.e., a suddenly higher target mass flow), and acts to break in the command
  • the reserve pressure may e.g. 300 mbar.
  • pneumatic elements one more dependent on the mass flow
  • the compressor controller for determining a mass flow dependent reserve pressure from a dynamic characteristic of the connected in operation with the mass flow controller and the compressor pneumatic elements and to determine the
  • the specified pressure difference corresponds to the reserve pressure required to complete the
  • the dynamic characteristic is made up of the dynamic element characteristics of the individual pneumatic elements. In the case of one
  • the dynamic element characteristics can be added to obtain the dynamic characteristic.
  • the dynamic element characteristics can be determined empirically, as will be explained in more detail below with reference to embodiments.
  • the dynamic characteristic is particularly due to the dynamic behavior of the mass flow controller and the
  • the minimum reserve pressure can be determined, which for
  • the upper limit may preferably depend on the lower limit, in particular in a (in a special case) constant distance
  • the compressor controller may preferably be used to determine the Upper limit depending on the lower limit, in particular in a (in special cases) constant distance above the lower limit, be set up.
  • an upper limit which is dependent on the desired mass flow is defined and it is not necessary for the entire working range of the desired mass flow to be more valid
  • the upper limit can generally be lower than a constant upper limit. This will reduce the energy consumption and volume of the
  • the distance between lower limit and upper limit may be dependent on the desired mass flow, e.g. be determined by evaluation of the dynamic characteristic.
  • the distance between the upper limit and the lower limit may be set in accordance with the target mass flow so that the intervals of activity of the compressor are substantially constant over a wider mass flow range, which can improve the perception of a mobile compressor (ie it becomes less strong and less perceived disturbing).
  • the gas carried in the gas loop is helium.
  • the present gas system may preferably contain helium.
  • Helium has the advantage of low viscosity and high heat capacity. It is therefore particularly suitable for applications in which the smallest possible cross-section is to be used (for example intracorporeal applications).
  • the smallest possible cross-section is to be used (for example intracorporeal applications).
  • the inlet of the compressor is connected to a pressure vessel (gas source), wherein a valve of the pressure vessel is controlled to maintain a constant absolute pressure at the inlet of the compressor.
  • Working range are the characteristics of the compressor, ie the relationship between mass flow and pressure difference, not monotonous. Furthermore, it is favorable if the gas system with a
  • Vacuum tank is connected for evacuation of the gas system.
  • the connection can be operated by a solenoid valve
  • Compressor can be achieved. That it is possible to quickly create a negative pressure in the gas system, so that the risk of leakage of gas is reduced even in the case of leaks.
  • Device is particularly useful in medical applications where a portion of the gas system is intracorporeal, e.g. in blood vessels, installed, beneficial.
  • the gas system may include a cooling device and / or a heating device connected to the compressor and the
  • Mass flow controller are connected / is, in particular in series with the other elements of the gas circuit are connected.
  • the present method and gas system is particularly suitable for use with a pneumatically driven intracorporeal blood pump and gas supply
  • Fig. 1 shows schematically a representation of a simple
  • FIG. 2 schematically shows a representation of a more comprehensive gas system according to the invention
  • Fig. 4 shows schematically a temporal pressure behavior on
  • Fig. 5 shows schematically an ensemble of static element characteristics a compressor at different predetermined
  • Fig. 6 shows schematically a static characteristic of a
  • FIG. 7 shows schematically a static characteristic of a membrane as a consumer
  • FIG. 8 shows schematically a static characteristic of a turbine as a consumer
  • Fig. 10 shows schematically the course of an upper limit
  • Fig. 1 shows schematically a gas system 1 for supplying a pneumatic consumer 2 with a continuous
  • Mass flow of a gas e.g. Helium.
  • the consumer 2 may e.g. a membrane for a mass transfer with a
  • the gas system 1 comprises a
  • Mass flow controller 3 and a compressor 4 which together form an actuator system.
  • the actuator system thus comprises a pressure-building and a flow-regulating element, which are connected in a series connection to each other.
  • the gas lines 5 of the gas system are shown schematically as a pneumatic element.
  • the mass flow controller 3 and the compressor 4 are connected in series with the gas lines 5 and the consumer 2 and together form a gas circuit 6.
  • the gas system 1 further comprises a pressure vessel 7, which is connected via a valve 8 to the inlet of the compressor 4.
  • the valve 8 is controlled to maintain a constant absolute pressure at the inlet 9 of the compressor 4.
  • an evacuated pressure vessel 45 may be arranged for evacuation of the gas system 1 (cf.
  • the control principle may therefore have a function that starts an evacuation procedure of the existing gas after the detection of an unusual circumstance (eg rapidly decreasing pressure) within the gas cycle 6.
  • an unusual circumstance eg rapidly decreasing pressure
  • the connected consumer 2 is disconnected (see more precisely in Fig. 2), wherein at the same time
  • the mass flow controller 3 is set up to control the mass flow to a predetermined desired mass flow.
  • Compressor 4 is from a compressor control 10 for
  • the differential pressure is determined from the measurement results of correspondingly arranged pressure sensors 11, 12 (see FIG.
  • the compressor controller 10 is adapted to activate the compressor 4 when the differential pressure falls below a lower limit 13, and to deactivate when the differential pressure a
  • Upper limit 14 reaches or exceeds, the upper limit 14 corresponds to a higher differential pressure than the lower limit 13 (see Fig. 10). Stability and accuracy of the active control is by knowing the static and dynamic
  • the desired mass flow defines the desired mass flow through the consumer 2.
  • FIG. 2 schematically shows a more comprehensive gas system 15.
  • Compressors 4 are a cleaning device 16, a
  • the cleaning device 16 comprises a gas analyzer 19, an outlet valve 20 and a gas supply 21 with a pressure vessel 22 and a valve 23.
  • the outlet valve 20 is switched so that the gas circuit 6 before the inlet 9 of the compressor 4 is opened.
  • Gas analyzer 19 is in the section upstream of
  • Exhaust valve 20 is arranged and analyzed from the
  • Pressure vessel 22 connected so that pure gas from the
  • Pressure vessel 22 is conveyed into the gas system.
  • the pressure at the inlet 9 of the compressor 4 is monitored by a pressure sensor 24 and regulated to a predetermined value (e.g., 1 bar).
  • a predetermined value e.g. 1 bar.
  • the gas analyzer 19 can be used to regularly check the quality of the flowing gas. If the measured quality is a predefined value
  • the stabilizing device 17 comprises a pressure vessel 25, which serves as a buffer for the pressure at the inlet 26 of the
  • Mass flow controller 3 acts. Depending on the work area of the
  • Stabilization device 17 are separated from the gas circuit 6 or included in the gas circuit 6.
  • the heat exchange device 18 is downstream of the
  • Mass flow controller 3 and arranged in front of the consumer 2 and the associated gas line 5.
  • Heat exchange device 18 includes a Tauscherfluid Vietnamese Basham 27 with a pump 28 and a heat exchanger 29, which is set up an exchange of heat between the gas in the gas circuit 6 and a Tauscherfluid in Tauscherfluid Vietnamese Basham 27.
  • the exchange fluid may be heated or cooled (e.g., electrically) with a heating or cooling element 30.
  • Gas temperature, the mass flow of the exchange fluid and / or the temperature of the exchange fluid can be controlled.
  • the gas evacuation device 42 becomes a consumer in series 2 downstream of the consumer 2 and includes a pneumatic switch 43, a valve 44 and a
  • evacuated container 45 In appropriate circumstances, for example, when detecting a leak in the gas circuit, the further flow of gas to the compressor on the pneumatic switch 43 is interrupted, the valve 44 is opened and a sufficient
  • the control of the mass flow in the closed gas circuit 6 is effected by controlling the mass flow through the
  • Mass flow controller 3 (in a conventional manner) and by controlling the compressor 4 to maintain a
  • Mass flow controller 3 Specifically, the compressor 4 is activated in the inventive method when the
  • Differential pressure falls below a lower limit, and deactivates when the differential pressure reaches an upper limit or
  • This static characteristic curve can be determined on the basis of the series connection (see FIG. 1 or 2) from the sum of individual static element characteristic curves.
  • FIG. 3 shows an exemplary static element characteristic 32 of a mass flow controller 3.
  • the pressure difference between inlet 26 and outlet 31 of the mass flow controller 3 is plotted as a function of the mass flow through the mass flow controller 3.
  • the element characteristic 32 is empirically on
  • Mass flow controller 3 determined with fully open passage. From the element characteristic 32 it is thus possible to read which pressure difference across the mass flow controller 3 must at least be produced at a desired mass flow. At a higher pressure difference of the
  • Mass flow controller 3 reduce the mass flow by controlling the integrated valve.
  • FIG. 4 shows an exemplary temporal behavior 33 of a compressor 4 for a given input power.
  • Waveform 33 describes the relationship between a pressure difference between inlet 9 and outlet 34 of compressor 4 over time. This relationship naturally depends on the input power of the compressor 4 and the current mass flow rate controlled by the mass flow controller 3.
  • the element characteristic 33 is a
  • Piston compressor shown In this compressor type, the element characteristic 33 is not monotone, but varies periodically between two limit values 35, 36 of the pressure difference.
  • Limits 35, 36 represent an enveloping function of the
  • Fig. 5 shows the limits 35, 36 at various conditions
  • Fig. 6 shows a static element characteristic 38 of a gas line 5.
  • the gas line 5 comprises connecting pipes and couplings.
  • the static element characteristics of these elements are in
  • Fig. 7 shows the static element characteristic 39 of a membrane without moving parts.
  • the membrane may e.g. with the
  • Fig. 8 shows schematically a static element characteristic of a turbine as a consumer 2.
  • the context determined between pressure difference and mass flow through the operating point of the turbine. That is, the relationship depends on which load the turbine has to absorb or what work it must perform. Accordingly, for empirical determination of the static element characteristic, the behavior at various loads within a given operating range of the turbine is investigated. From these investigations results one
  • three-dimensional surface 40 which indicates the relationship between mass flow, pressure difference and load.
  • the maximum of the pressure difference at a given mass flow is determined by varying the load.
  • Mass flow controller 3rd. the compressor 4 can at a sudden increase in the desired mass flow and a
  • the dynamic characteristic 41 indicates which additional
  • Fig. 10 shows the course of an upper limit 14 and a
  • Lower limit 13 of the differential pressure as a function of the target mass flow corresponds to
  • the constant distance is e.g. 300 mbar.
  • FIG. 11 illustrates the operating range of the gas system 15 for the control of the compressor 4.
  • the diagram combines the progression of the upper limit 14 and the lower limit 13 of FIG. 10 added with individual element characteristics of FIGS. 3, 4, 6 and 7 or 8, FIG. and the limit 37 of the stable working range from FIG. 5.
  • the diagram in FIG. 11 be read, whether the
  • Compressor 4 is to be activated or deactivated and whether the pressure vessel 25 of the stabilizer 17 is part of the gas circuit 15 or not: If the current operating point (from measured differential pressure and target mass flow) is above the upper limit 14, the
  • Compressor 4 deactivated; if the current operating point
  • the compressor 4 is activated; if the current operating point is between lower limit 13 and upper limit 14, the state of compressor 4 (active / inactive) is not changed. If the operating point is to the left of the boundary 37 of the stable working area, the
  • Pressure vessel 25 switched on; otherwise it will be from
  • the compressor 4 then generates an overpressure in the pressure vessel 25, so that the pressure difference at
  • Mass flow controller 3 is significantly larger (eg 2000 mbar) than the consumer 2 and the associated gas line. 5 (eg 50 mbar). Once a desired pressure is reached, the compressor 4 can be deactivated. Of the
  • Mass flow controller 3 can then regulate the mass flow through the consumer 2 temporarily independent of the mass flow through the compressor 4. If no mass flow through the compressor 4 is possible when the compressor 4 is deactivated, the pressure upstream of the compressor 4 (i.e. ultimately also in the consumer and before the mass flow controller 3) increases during this time. When this pressure approaches the pressure before the mass flow controller 3 or in the pressure vessel 25, the compressor 4 is reactivated and the mass flow controller 3 will be
  • Mass flow controller 3, in particular between compressor 4 and pressure vessel 25, are prevented in the gas system 15.
  • an additional pressure reservoir may be provided and connected at the location at the outlet valve 20.
  • an overpressure upstream of the compressor 4 can be stored and controlled.
  • Cylinder and, for example, a connected
  • Accumulator tank is optional and no need.
  • impure gas from the consumer 2 may be at least partially discharged at periodic intervals at the outlet valve 20.
  • impure gas from the gas cylinder 22 by introducing fresh gas from the gas cylinder 22, a new desired value of the pressure at the inlet 9 of the compressor 4 can be achieved.

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Abstract

Gassystem (15) zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers (2) mit einem kontinuierlichen Massenstrom eines Gases und Verfahren zur Steuerung des Massenstroms in einem geschlossenen Gaskreislauf (6) umfassend einen Massendurchflussregler (3), einen Verdichter (4) und mindestens einen pneumatischen Verbraucher (2), wobei der Massendurchflussregler (3) den Massenstrom auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter (4) zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des Massendurchflussreglers (3) gesteuert wird, und wobei der Verdichter (4) aktiviert wird, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze (13) sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze (14) erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze (14) einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze (13).

Description

STEURUNG EINES VERDICHTERS UND EINES DROSSELORGANS ZUR LIEFERUNG EINES
KONSTANTEN MASSENSTROMS
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des
Massenstroms in einem geschlossenen Gaskreislauf umfassend einen Massendurchflussregler, einen Verdichter und mindestens einen pneumatischen Verbraucher, wobei der Massendurchflussregler den Massenstrom auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers
gesteuert wird, sowie ein Gassystem zur Versorgung eines
pneumatischen Verbrauchers mit einem kontinuierlichen
Massenstrom eines Gases, das Gassystem umfassend einen
Massendurchflussregler und einen Verdichter, wobei der
Massendurchflussregler zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerichtet ist und wobei der Verdichter von einer Verdichtersteuerung zur Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des
Massendurchflussreglers steuerbar ist.
Der oder die pneumatischen Verbraucher können beispielsweise eine Leitung, ein Ventil, eine Membran, ein Motor oder eine Turbine sein. Zweck der erfindungsgemäßen Verfahren und
Gassysteme ist es, einen im Wesentlichen kontinuierlichen
Massenstrom durch den Verbraucher zu erzielen. Der
Massendurchflussregler und der Verdichter können vorzugsweise mit dem Verbraucher in Serie geschaltet sein. Als „Verdichter" wird vorliegend allgemein ein druckaufbauendes Element
bezeichnet; es kann sich daher bei dem Verdichter (im hier verwendeten, weiteren Sinn) um einen Ventilator ein Gebläse oder einen Verdichter (im engeren Sinn) handeln. Insbesondere kann der Verdichter grundsätzlich ein pulsierender Verdichter oder ein kontinuierlicher Verdichter sein. Als Massendurchflussregler wird jede Anordnung verstanden, die einen Sensor, eine Steuerung und ein Ventil umfasst, und zur Regelung des durch das Ventil transportierten Massenstroms (d.h. Gasmasse pro Zeiteinheit) eingerichtet ist. Dabei kann der Massendurchflussregler einen beliebigen Sensor und ein beliebiges Ventil umfassen, welche zur Lösung dieser Aufgabe geeignet sind; z.B. ein Proportionalventil oder ein Magnetventil. Weiters ist es für die vorliegende
Erfindung nicht wesentlich, dass der Massendurchflussregler und der Verdichter durch separate (dezentrale) Steuerungen gesteuert bzw. geregelt werden. Die Erfindung betrifft daher auch solche Anordnungen, bei denen der Massenstrom und der Differenzdruck als Mehrgrößensystem durch eine einzelne (zentrale) Steuerung geregelt bzw. gesteuert werden. Weiters können der
Massendurchflussregler und der Verdichter in baulich getrennten Einheiten untergebracht und entsprechend durch eine Gasleitung verbunden sein, oder in einer Einheit (z.B. mit einem
gemeinsamen Gehäuse) baulich integriert und intern verbunden sein .
Die Erfindung betrifft insbesondere einen kompakten Gaskreislauf und dementsprechendes Regelprinzip, deren Zusammenwirken eine nötige Druckdifferenz bzw. Massenstrom durch eine oder mehrere angeschlossenen pneumatischen Einheiten liefert. Im Vergleich zu anderen bestehenden Gassystemen im ähnlichen medizinischen
Anwendungsbereich, die einen kontinuierlichen aber offenen
Gasstrom oder pulsierenden geschlossenen Gasstrom erstellen, kann der entwickelte Gaskreislauf einen kontinuierlichen und gleichzeitig geschlossenen Gasstrom bilden. Dies folgt zu einem wesentlich geringeren Gasverbrauch und deutlichen Einsparungen, wenn ein teures inertes Gas, wie z.B. Helium, verwendet wird.
Aus der CN 104555955 A ist ein geschlossener Gaskreislauf mit einem Massendurchflussregler, einem Verdichter und mehreren Verbrauchern bekannt. Der Kreislauf dient der konvektiven
Kühlung einer optischen Faser bei der Herstellung mittels
Helium.
Bekannte Gassysteme zur Verwendung in einem geschlossenen
Gaskreislauf mit einem kontinuierlichen Massenstrom sind laut und benötigen vergleichsweise viel Energie im Verhältnis zu dem aufrecht zu erhaltenden Massenstrom. Sie eignen sich daher kaum zur mobilen Verwendung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung und ein Gassystem vorzuschlagen, welches sich besser als
bekannte Systeme zur mobilen Verwendung eignet.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass der Verdichter aktiviert wird, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. D.h. der Verdichter bleibt so lange deaktiviert, bis der Differenzdruck von der Obergrenze bis zur Untergrenze gesunken ist. Aufgrund der nur temporären
Aktivierung des Verdichters wird der Energieverbrauch und die Lärmentwicklung des Verdichters reduziert.
Dementsprechend wird die obige Aufgabe bei einem Gassystem der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die
Verdichtersteuerung eingerichtet ist, den Verdichter zu
aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine
Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Untergrenze und/oder die Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen
pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom (d.h. dem Momentanwert der Führungsgröße des Massendurchflussregler ) ermittelt werden. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Verdichtersteuerung zur Ermittlung der Untergrenze und/oder der Obergrenze aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen
pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom
eingerichtet ist. Die statische Kennlinie gibt dabei den
Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz an den betreffenden Elementen im statischen Grenzfall an. Sie setzt sich im Fall einer Reihenschaltung aus der Summe der einzelnen statischen Elementkennlinien zusammen. Diese Elementkennlinien können vorab gemessen werden und es kann die statische Kennlinie z.B. in einem Kennlinienspeicher gespeichert werden, sodass sie im Betrieb am Soll-Massenstrom ausgewertet werden kann. Die Ermittlung der jeweiligen Elementkennlinie erfolgt abhängig von der Art des pneumatischen Elements. Zur Berücksichtigung des Massendurchflussreglers kann die Kennlinie bei der maximalen Öffnung des Massendurchflussreglers verwendet werden, d.h. der maximal erzielbare Massendurchfluss abhängig von der
Druckdifferenz. Beim Verdichter hängt die Kennlinie von der Art des Verdichters und der eingestellten Leistung des Verdichters ab. Z.B. hat ein Kolbenverdichter eine zwischen zwei
Druckniveaus oszillierende Kennlinie, wobei die Höhe und der Verlauf der Druckniveaus von der Eingangsleistung abhängt.
Weitere Einzelheiten werden anhand der Ausführungsbeispiele weiter unten erläutert.
Die Untergrenze kann größer oder gleich einem minimalen
Differenzdruck sein, welcher zur Erreichung des Soll- Massenstroms erforderlich ist. Dementsprechend kann die
Verdichtersteuerung zur Ermittlung einer Untergrenze
eingerichtet sein, welche größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur Erreichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist. Der minimale Differenzdruck kann insbesondere aus der statischen Kennlinie ermittelt werden. Dabei handelt es sich um enen Differenzdruck, der den Druckverlust innerhalb des Gaskreislaufs bei dem Soll-Massenstrom gerade kompensiert. Der Verdichter wird spätestens dann aktiviert, wenn der aktuelle Differenzdruck einen minimalen Differenzdruck erreicht, welcher erforderlich ist, um den gewünschten Massendurchfluss zu
erreichen .
In diesem Zusammenhang ist es günstig, wenn die Untergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des
minimalen Differenzdrucks ermittelt wird. In entsprechender Weise ist es günstig, wenn die Verdichtersteuerung zur
Ermittlung der Untergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks eingerichtet ist. Der Reservedruck gewährleistet einen Puffer für den Fall einer Änderung der Führungsgröße (d.h. bei einem plötzlich höheren Soll-Massenstrom) , und wirkt einem Einbruch des
Massenstroms entgegen. Dieser Puffer ist besonders dann
vorteilhaft, wenn der Massendurchflussregler den
Massendurchfluss rascher erhöht als der Verdichter die dafür nötige Druckdifferenz herstellen kann. Der Reservedruck kann z.B. 300 mbar sein.
Weiters hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem
Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen
pneumatischen Elemente ein vom Massenstrom abhängiger
Reservedruck ermittelt wird und die Untergrenze um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz ermittelt wird. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung zur Ermittlung eines vom Massenstrom abhängigen Reservedrucks aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente und zur Ermittlung der
Untergrenze um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz eingerichtet sein. Die dynamische Kennlinie wird für eine rechnerische bzw. empirische Bestimmung einer Druckdifferenz bei einem
vorgegebenen Massenstrom genutzt. Die angegebene Druckdifferenz entspricht dem Reservedruck, der erforderlich ist, um den
Massenstrom um einen vorgegebenen Wert zu ändern. Die dynamische Kennlinie setzt sich aus den dynamischen Elementkennlinien der einzelnen pneumatischen Elemente zusammen. Im Fall einer
Serienschaltung können die dynamischen Elementkennlinien addiert werden, um die dynamische Kennlinie zu erhalten. Die dynamischen Elementkennlinien können empirisch ermittelt werden, wie weiter unten anhand von Ausführungsbeispielen noch genauer erläutert wird. Die dynamische Kennlinie wird insbesondere durch das dynamische Verhalten des Massendurchflussreglers und des
Verdichters definiert. Durch Auswertung der dynamischen
Kennlinie bei einem vorgegebenen Soll-Massenstrom kann der minimale Reservedruck ermittelt werden, welcher zur
Aufrechterhaltung des Massenstroms bei Änderungen des Soll- Massenstroms innerhalb der der dynamischen Kennlinie zugrunde liegenden Grenzen erforderlich ist. D.h. die Einhaltung des so ermittelten Reservedrucks oberhalb des minimalen Differenzdrucks gewährleistet, dass Änderungen des Soll-Massenstroms (innerhalb dieser Grenzen) ohne Einbrüche des Massenstroms (d.h. des Ist- Massenstroms) ausgeführt werden können.
Die Obergrenze kann vorzugsweise abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand
oberhalb der Untergrenze, ermittelt werden. Dementsprechend kann die Verdichtersteuerung vorzugsweise zur Ermittlung der Obergrenze abhängig von der Untergrenze, insbesondere in einem (im Sonderfall) konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze, eingerichtet sein. Dadurch wird eine vom Soll-Massenstrom abhängige Obergrenze definiert und es muss nicht ein für den gesamten Arbeitsbereich des Soll-Massenstroms gültiger
konstanter Wert verwendet wird. D.h. die Obergrenze kann im Allgemeinen niedriger sein als bei einer konstanten Obergrenze. Dadurch wird der Energieverbrauch und die Lautstärke des
Verdichters weiter gesenkt. Im einfachsten Fall wird die
Obergrenze in einem konstanten Abstand (entsprechend einer
Druckdifferenz) oberhalb der Untergrenze ermittelt. Alternativ kann der Abstand zwischen Untergrenze und Obergrenze abhängig vom Soll-Massenstrom, z.B. durch Auswertung der dynamischen Kennlinie, ermittelt werden. Dadurch kann der Abstand zwischen Obergrenze und Untergrenze abhängig vom Soll-Massenstrom so festgelegt werden, dass die Aktivitätsintervalle des Verdichters über einen breiteren Massenstrom-Bereich hinweg im Wesentlichen gleichbleiben, was die Wahrnehmung eines mobilen Verdichters verbessern kann (d.h. er wird weniger stark und als weniger störend wahrgenommen) .
In einem bevorzugten Anwendungsfall ist das in dem Gaskreislauf beförderte Gas Helium. Dementsprechend kann das vorliegende Gassystem vorzugsweise Helium enthalten. Helium hat den Vorteil einer geringen Viskosität und einer hohen Wärmekapazität. Es eignet sich daher besonders für Anwendungen, bei denen ein möglichst geringer Leitungsquerschnitt verwendet werden soll (z.B. intrakorporale Anwendungen) . Alternativ kann das
verwendete Gas Luft, C02, 02 oder eine inerte Mischung
verschiedener Gase sein.
Außerdem ist es günstig, wenn der Einlass des Verdichters mit einem Druckbehälter (Gasquelle) verbunden ist, wobei ein Ventil des Druckbehälters zur Aufrechterhaltung eines konstanten absoluten Drucks am Einlass des Verdichters gesteuert wird.
Dadurch kann bewirkt werden, dass der Verdichter in einem stabilen Arbeitsbereich bleibt. Außerhalb des stabilen
Arbeitsbereichs sind die Kennlinien des Verdichters, d.h. der Zusammenhang zwischen Massenstrom und Druckdifferenz, nicht monoton . Weiters ist es günstig, wenn das Gassystem mit einem
Unterdruckbehälter zur Evakuierung des Gassystems verbunden ist. Die Verbindung kann im Betrieb durch ein Magnetventil
geschlossen sein. Dadurch kann im Fehlerfall eine rasche
Evakuierung des Gassystems ohne aktive Elemente (z.B.
Verdichter) erzielt werden. D.h. es kann rasch ein Unterdruck im Gassystem erzeugt werden, sodass die Gefahr eines Austritts von Gas auch im Fall von Lecks reduziert wird. Eine solche
Einrichtung ist insbesondere bei medizinischen Anwendungen, wenn ein Teil das Gassystems intrakorporal , z.B. in Blutgefäßen, installiert ist, vorteilhaft.
Darüber hinaus ist es - ebenfalls vor allem im Hinblick auf medizinische Anwendungen - vorteilhaft, wenn das Gas vor der Zuführung zu dem Verbraucher zur Regelung der Temperatur des Verbrauchers erwärmt oder gekühlt wird. Dementsprechend kann das Gassystem eine Kühlvorrichtung und/oder eine Heizvorrichtung umfassen, welche mit dem Verdichter und dem
Massendurchflussregler verbunden sind/ist, insbesondere in Serie mit den übrigen Elementen des Gaskreislaufs geschaltet sind.
Das vorliegende Verfahren und das vorliegende Gassystem eignet sich besonders zur Anwendung mit einer pneumatisch angetriebenen intrakorporalen Blutpumpe und zur Gasversorgung einer
intrakorporalen Membran.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen noch weiter erläutert. Dabei zeigen im Einzelnen:
Fig. 1 schematisch eine Darstellung eines einfachen
erfindungsgemäßen Gassystems;
Fig. 2 schematisch eine Darstellung eines umfassenderen erfindungsgemäßen Gassystems;
Fig. 3 schematisch eine statische Elementkennlinie eines Massendurchflussregiers ;
Fig. 4 schematisch ein zeitliches Druckverhalten am
Verdichterausgang beim konstanten Massenstrom und bei einer vorgegebenen Eingangsleistung des Verdichters;
Fig. 5 schematisch ein Ensemble statischer Elementkennlinien eines Verdichters bei verschiedenen vorgegebenen
Eingangsleistungen des Verdichters;
Fig. 6 schematisch eine statische Kennlinie einer
Gasleitung;
Fig. 7 schematisch eine statische Kennlinie einer Membran als Verbraucher;
Fig. 8 schematisch eine statische Kennlinie einer Turbine als Verbraucher;
Fig. 9 schematisch eine dynamische Kennlinie eines
Gassystems ;
Fig. 10 schematisch den Verlauf einer Obergrenze und
Untergrenze bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem
erfindungsgemäßen Gassystem; und
Fig. 11 schematisch einen Arbeitsbereich des Verdichters nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei dem
erfindungsgemäßen Gassystem;
Fig. 1 zeigt schematisch ein Gassystem 1 zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers 2 mit einem kontinuierlichen
Massenstrom eines Gases, z.B. Helium. Der Verbraucher 2 kann z.B. eine Membran für einen Stoffaustausch mit einem
benachbarten Fluid sein. Das Gassystem 1 umfasst einen
Massendurchflussregler 3 und einen Verdichter 4, welche zusammen ein Aktuator-System bilden. Das Aktuator-System umfasst demnach ein druckaufbauendes sowie ein durchflussregulierendes Element, die in einer Reihenschaltung zu einander verbunden sind. Die Gasleitungen 5 des Gassystems sind schematisch als pneumatisches Element eingezeichnet. Der Massendurchflussregler 3 und der Verdichter 4 sind mit den Gasleitungen 5 und dem Verbraucher 2 in Reihe geschaltet und bilden zusammen einen Gaskreislauf 6. Das Gassystem 1 umfasst weiters einen Druckbehälter 7, welcher über ein Ventil 8 mit dem Einlass des Verdichters 4 verbunden ist. Das Ventil 8 wird zur Aufrechterhaltung eines konstanten absoluten Drucks am Einlass 9 des Verdichters 4 gesteuert.
Zusätzlich kann ein evakuierter Druckbehälter 45 zur Evakuierung des Gassystems 1 eingerichtet sein (vgl. auch
Gasevakuierungseinrichtung 42 in Fig. 2) : Aufgrund eines
ständigen Überdrucks im Gassystem 1 sowie im angeschlossenen Verbraucher 2 (Miniaturturbine, Membran, etc.) besteht eine Gefahr der Schlauchruptur oder Ausfall an irgendeinem pneumatischen Element. Das Regelprinzip kann daher eine Funktion haben, die nach der Erkennung eines ungewöhnlichen Umstandes (z.B. rasch sinkender Druck) innerhalb des Gaskreislaufs 6 eine Evakuierungsprozedur des bestehenden Gases startet. Mithilfe eines Ventil-Systems 44 wird der angeschlossene Verbraucher 2 getrennt (vgl. genauer in Fig. 2), wobei gleichzeitig ein
Unterdruck im Gassystem 1 durch Sammeln des Gases im evakuierten Druckbehälter 45 entwickelt wird. Damit wird die Leckrichtung umgekehrt und der weitere Eintritt des Gases in die Umgebung, bzw. Blutkreislauf eines Patienten unterbunden.
Der Massendurchflussregler 3 ist zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom eingerichtet. Der
Verdichter 4 wird von einer Verdichtersteuerung 10 zur
Aufrechterhaltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des Massendurchflussreglers 3 gesteuert (vgl. Fig. 2) . Der Differenzdruck wird aus den Messergebnissen entsprechend angeordneter Drucksensoren 11, 12 (vgl. Fig. 2) ermittelt. Dabei ist die Verdichtersteuerung 10 eingerichtet, den Verdichter 4 zu aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze 13 fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine
Obergrenze 14 erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze 14 einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze 13 (vgl. Fig. 10) . Stabilität und Genauigkeit der aktiven Steuerung ist durch die Kenntnis der statischen und dynamischen
Charakteristiken (Kennlinien) aller pneumatischen Elemente im geschlossenen Gaskreislauf 6 gesichert. Dementsprechend ist die Verdichtersteuerung 10 zur Ermittlung der Untergrenze 13
und/oder der Obergrenze 14 aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler 3 und dem Verdichter 4 verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll- Massenstrom eingerichtet. Der Soll-Massenstrom definiert dabei den gewünschten Massenstrom durch den Verbraucher 2.
Fig. 2 zeigt schematisch ein umfassenderes Gassystem 15.
Zusätzlich zu einem Massendurchflussregler 3 und einem
Verdichter 4 sind eine Reinigungseinrichtung 16, eine
Stabilisierungseinrichtung 17, eine Gasevakuierungseinrichtung 42 und eine Wärmetauscheinrichtung 18 im Gaskreislauf 6 des Gassystems 15 vorgesehen. Die Reinigungseinrichtung 16 umfasst einen Gasanalysator 19, ein Auslassventil 20 und eine Gaszufuhr 21 mit einem Druckbehälter 22 und einem Ventil 23. Zur Reinigung des Gassystems 15, z.B. zur Entfernung unerwünschter Gasanteile, wird das Auslassventil 20 so umgestellt, dass der Gaskreislauf 6 vor dem Einlass 9 des Verdichters 4 geöffnet ist. Der
Gasanalysator 19 ist im Abschnitt stromaufwärts des
Auslassventils 20 angeordnet und analysiert das aus dem
Gassystem 15 austretende Gas auf Verunreinigungen. Während der Reinigung ist der Einlass des Verdichters 4 mit dem
Druckbehälter 22 verbunden, sodass reines Gas aus dem
Druckbehälter 22 in das Gassystem gefördert wird. Der Druck am Einlass 9 des Verdichters 4 wird mit einem Drucksensor 24 überwacht und auf einen vorgegebenen Wert (z.B. 1 bar) geregelt. Zur Auslösung der Reinigung kann mithilfe des Gasanalysators 19 die Qualität des strömenden Gases regelmäßig überprüft werden. Falls die gemessene Qualität einen vordefinierten Wert
unterschreitet wird die Reinigung, eine so genannte „Gas
Purging"-Methode wie oben beschrieben, gestartet.
Die Stabilisierungseinrichtung 17 umfasst einen Druckbehälter 25, welcher als Puffer für den Druck am Einlass 26 des
Massenstromreglers 3 fungiert. Je nach Arbeitsbereich des
Verdichters 4 kann der Druckbehälter 25 der
Stabilisierungseinrichtung 17 vom Gaskreislauf 6 getrennt werden oder in dem Gaskreislauf 6 aufgenommen werden.
Die Wärmetauscheinrichtung 18 ist stromabwärts des
Massendurchflussreglers 3 und vor dem Verbraucher 2 bzw. der damit verbundenen Gasleitung 5 angeordnet. Die
Wärmetauscheinrichtung 18 umfasst einen Tauscherfluidkreislauf 27 mit einer Pumpe 28 und einem Wärmetauscher 29, welcher einen Austausch von Wärme zwischen dem Gas im Gaskreislauf 6 und einem Tauscherfluid im Tauscherfluidkreislauf 27 eingerichtet ist. Das Tauscherfluid kann mit einem Heiz- oder Kühlelement 30 erwärmt oder gekühlt werden (z.B. elektrisch) . Zur Steuerung der
Gastemperatur kann der Massenstrom des Tauscherfluids und/oder die Temperatur des Tauscherfluids geregelt werden.
Die Gasevakuierungseinrichtung 42 wird in Serie zum Verbraucher 2 stromabwärts des Verbrauchers 2 angeschlossen und umfasst einen pneumatischen Schalter 43, ein Ventil 44 und einen
evakuierten Behälter 45. Bei passenden Umständen, zum Beispiel bei Erkennung einer Leckage im Gaskreislauf, wird die weitere Strömung des Gases zum Verdichter am pneumatischen Schalter 43 unterbrochen, das Ventil 44 geöffnet und ein ausreichendes
Gasvolumen (d.h. im Wesentlichen der Großteil des im
Gaskreislauf enthaltenen Gasvolumens) in der Flasche 45
gesammelt .
Die Steuerung des Massenstroms in dem geschlossenen Gaskreislauf 6 erfolgt durch Regelung des Massenstroms durch den
Massendurchflussregler 3 (in an sich bekannter Weise) und durch Steuerung des Verdichter 4 zur Aufrechterhaltung eines
Differenzdrucks zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des
Massendurchflussreglers 3. Im Einzelnen wird der Verdichter 4 bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aktiviert, wenn der
Differenzdruck unter eine Untergrenze sinkt, und deaktiviert, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze erreicht oder
übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. Die Untergrenze und die
Obergrenze können aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler und dem Verdichter verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom
ermittelt werden. Diese statische Kennlinie kann aufgrund der Reihenschaltung (vgl. Fig. 1 oder 2) aus der Summe einzelner statischer Elementkennlinien ermittelt werden.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte statische Elementkennlinie 32 eines Massendurchflussreglers 3. Die Druckdifferenz zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 ist als Funktion des Massenstroms durch den Massendurchflussreglers 3 aufgetragen. Die Elementkennlinie 32 wird empirisch am
Massendurchflussregler 3 bei vollständig geöffnetem Durchlass ermittelt. Aus der Elementkennlinie 32 ist somit ablesbar, welche Druckdifferenz über den Massendurchflussregler 3 bei einem gewünschten Massenstrom mindestens hergestellt werden muss. Bei einer höheren Druckdifferenz kann der
Massendurchflussregler 3 den Massenstrom durch Steuerung des integrierten Ventils reduzieren. Fig. 4 zeigt eine beispielhaftes zeitliches Verhalten 33 eines Verdichters 4 bei einer vorgegebenen Eingangsleistung. Der
Signalverlauf 33 beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Druckdifferenz zwischen Einlass 9 und Auslass 34 des Verdichters 4 im Laufe der Zeit. Dieser Zusammenhang hängt naturgemäß von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und dem aktuellen vom Massendurchflussregler 3 geregelten Massendurchfluss ab. Im dargestellten Beispiel ist die Elementkennlinie 33 eines
Kolbenverdichters gezeigt. Bei diesem Verdichtertyp ist die Elementkennlinie 33 nicht monoton, sondern schwankt periodisch zwischen zwei Grenzwerten 35, 36 der Druckdifferenz. Die
Grenzwerte 35, 36 stellen eine einhüllende Funktion des
oszillierenden Signalverlaufes 33 dar. Sie sind abhängig von der Eingangsleistung des Verdichters 4 und müssen daher für jede Eingangsleistung separat explizit ermittelt werden.
Fig. 5 zeigt die Grenzwerte 35, 36 bei verschiedenen
Eingangsleistungen und Drehzahlen des Verdichters 4. Bei
geringen Massenströmen wird auch der Verlauf der Grenzwerte 35, 36 nicht monoton. Oberhalb dieser Grenze 37 spricht man von einem stabilen Arbeitsbereich des Verdichters 4. Die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs ist in Fig. 5 durch eine
gestrichelte Linie eingezeichnet. Bei Massenströmen unterhalb dieser Grenze 37 kann das Verhalten des Verdichters 4 durch einen Stabilisierungseinrichtung 17 wie oben beschrieben
stabilisiert werden, welche große Druckschwankungen ausgleicht.
Fig. 6 zeigt eine statische Elementkennlinie 38 einer Gasleitung 5. Die Gasleitung 5 umfasst Verbindungsrohre und Kupplungen. Die statischen Elementkennlinien dieser Elemente sind im
Wesentlichen durch deren Querschnitt bestimmt und weitgehend unabhängig von äußeren Einflussfaktoren.
Fig. 7 zeigt die statische Elementkennlinie 39 einer Membran ohne bewegliche Teile. Die Membran kann z.B. mit dem
erfindungsgemäßen Gassystem 1 versorgt werden. Der Verlauf dieser Elementkennlinie 39 ist im Wesentlichen linear.
Fig. 8 zeigt schematisch eine statische Elementkennlinie einer Turbine als Verbraucher 2. In diesem Fall wird der Zusammenhang zwischen Druckdifferenz und Massenstrom durch den Arbeitspunkt der Turbine mitbestimmt. D.h. der Zusammenhang hängt davon ab, welche Last die Turbine aufnehmen muss bzw. welche Arbeit sie verrichten muss. Dementsprechend wird zur empirischen Ermittlung der statischen Elementkennlinie das Verhalten bei verschiedenen Lasten innerhalb eines vorgegebenen Arbeitsbereichs der Turbine untersucht. Aus diesen Untersuchungen ergibt sich eine
dreidimensionale Fläche 40, welche den Zusammenhang zwischen Massenstrom, Druckdifferenz und Last angibt. Um die gesuchte statische Elementkennlinie zu erhalten, wird das Maximum der Druckdifferenz bei vorgegebenem Massenstrom unter Variation der Last ermittelt.
Fig. 9 zeigt schematisch eine dynamische Kennlinie 41 eines Gassystems 15. Um die dynamische Kennlinie 41 zu erhalten, wird empirisch das dynamische Verhalten des Gassystems 15 (bzw. aller Elemente) bei plötzlichen Variationen des Massenstroms, der Druckdifferenz und der Last ermittelt. Im Einzelnen wird
untersucht, welche Druckdifferenz erforderlich ist, um Einbrüche der jeweils anderen Parameter bei plötzlichen Änderungen zu vermeiden. Z.B. wird ermittelt, welche Druckdifferenz
erforderlich ist, um bei einer plötzlichen Änderung des
Massenstroms einen Einbruch der Druckdifferenz zu vermeiden. Ein Einbruch liegt dann vor, wenn es zu einer plötzlichen
vorübergehenden Änderung des Arbeitspunkts der aktiven Elemente (z.B. Verdichter, Turbine) kommt. Motivation und Grundlage für diese Untersuchungen und Messungen ist die Erkenntnis, dass der Verdichter 4 des Gassystems 15 auf plötzliche Änderungen
wesentlich langsamer reagieren kann als der
Massendurchflussregler 3. D.h. der Verdichter 4 kann bei einem plötzlichen Anstieg des Soll-Massenstroms und einer
entsprechenden Reaktion des Massendurchflussreglers 3 den zur Aufrechterhaltung des Massenstroms nötigen Druck nicht rasch genug herstellen. Das führt unweigerlich zu einem Einbruch des Massenstroms .
Die dynamische Kennlinie 41 gibt an, welcher zusätzliche
Differenzdruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks
erforderlich ist, um einen solchen Einbruch zu vermeiden.
Dadurch kann ein unnötig hoher Differenzdruck vermieden werden, welcher die Gefahr von Beschädigungen des Gassystems erhöhen würde .
Fig. 10 zeigt den Verlauf einer Obergrenze 14 und einer
Untergrenze 13 des Differenzdrucks als Funktion des Soll- Massenstroms. Der Verlauf der Untergrenze 13 entspricht im
Wesentlichen der Summe des minimalen Differenzdrucks und der dynamischen Kennlinie 41 gemäß Fig. 9. Die Obergrenze 14
verläuft in einem konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze 13. Der konstante Abstand ist z.B. 300 mbar.
Fig. 11 illustriert den Arbeitsbereich des Gassystems 15 für die Steuerung des Verdichters 4. Das Diagramm kombiniert den Verlauf der Obergrenze 14 und der Untergrenze 13 aus Fig. 10 addiert mit einzelnen Elementkennlinien aus Fig. 3, 4, 6 und 7 bzw. 8, und die Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs aus Fig. 5. Abhängig von einem vorgegebenen Soll-Massenstrom, mit dem der Verbraucher versorgt werden soll, und von einem gemessenen Differenzdruck zwischen Einlass 26 und Auslass 31 des Massendurchflussreglers 3 kann an dem Diagramm in Fig. 11 abgelesen werden, ob der
Verdichter 4 aktiviert werden soll oder deaktiviert werden soll und ob der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 Teil des Gaskreislaufs 15 ist oder nicht: Wenn der aktuelle Arbeitspunkt (aus gemessenem Differenzdruck und Soll- Massenstrom) oberhalb der Obergrenze 14 liegt, wird der
Verdichter 4 deaktiviert; wenn der aktuelle Arbeitspunkt
unterhalb der Untergrenze 13 liegt, wird der Verdichter 4 aktiviert; wenn der aktuelle Arbeitspunkt zwischen Untergrenze 13 und Obergrenze 14 liegt, wird der Zustand des Verdichters 4 (aktiv/inaktiv) nicht geändert. Wenn der Arbeitspunkt links der Grenze 37 des stabilen Arbeitsbereichs liegt, wird der
Druckbehälter 25 zugeschaltet; andernfalls wird er vom
Gaskreislauf 15 getrennt.
Wenn der Verdichter 4 ein kontinuierlicher Verdichter ist, kann der Druckbehälter 25 der Stabilisierungseinrichtung 17 als
Puffer arbeiten. Der Verdichter 4 erzeugt dann einen Überdruck im Druckbehälter 25, sodass die Druckdifferenz am
Massendurchflussregler 3 deutlich größer ist (z.B. 2000 mbar) als am Verbraucher 2 und der damit verbundenen Gasleitung 5 (z.B. 50 mbar) . Sobald ein gewünschter Überdruck erreicht ist, kann der Verdichter 4 deaktiviert werden. Der
Massendurchflussregler 3 kann dann den Massenstrom durch den Verbraucher 2 vorübergehend unabhängig vom Massenstrom durch den Verdichter 4 regeln. Wenn bei deaktiviertem Verdichter 4 kein Massenstrom durch den Verdichter 4 möglich ist, steigt der Druck vor dem Verdichter 4 (d.h. letztlich auch im Verbraucher und vor dem Massendurchflussregler 3) während dieser Zeit an. Wenn dieser Druck sich dem Druck vor dem Massendurchflussregler 3 bzw. im Druckbehälter 25 annähert, wird der Verdichter 4 wieder aktiviert und der Massendurchflussregler 3 wird sich
währenddessen an die wieder steigende Druckdifferenz anpassen.
Falls der Verdichter 4 - abhängig vom Verdichtertyp - in solchen Konstellationen und wenn er deaktiviert ist, einen
Massendurchfluss gegen die eigentliche Strömungsrichtung, d.h. zurück zum Verbraucher 2, zulassen würde, kann ein Entweichen des im Druckbehälter 25 erzeugten Überdrucks durch ein
Rückschlagventil mit zugelassener Fließrichtung vom Verdichter 4 zum Massenstromregler 3 zwischen Verdichter 4 und
Massenstromregler 3, insbesondere zwischen Verdichter 4 und Druckbehälter 25, im Gassystem 15 verhindert werden.
Weiters kann zur Druckregelung des Drucks vor dem Verdichter 4 bei einer Variante des Gassystems 15 gemäß Fig. 2 an der Stelle beim Auslassventil 20 ein zusätzlicher Druckspeicherbehälter vorgesehen und angeschlossen sein. Dadurch kann ein Überdruck vor dem Verdichter 4 gespeichert und kontrolliert werden.
Insbesondere kann das Speichervolumen des zusätzlichen
Druckspeicherbehälters mithilfe eines elektromechanischen
Zylinders und beispielsweise eines daran angeschlossenen
pneumatischen Zylinders geändert werden. Der zusätzliche
Druckspeicherbehälter ist optional und keine Notwendigkeit.
Alternativ und mit einem ähnlichen Effekt für das Gassystem 15 kann das vom Verbraucher 2 kommende, unreine Gas in periodischen Intervallen am Auslassventil 20 zumindest teilweise ausgelassen werden. Gleichzeitig kann durch Einlass von frischem Gas aus der Gasflasche 22 ein neuer Sollwert des Drucks am Einlass 9 des Verdichters 4 erreicht werden.

Claims

Ansprüche :
1. Verfahren zur Steuerung des Massenstroms in einem
geschlossenen Gaskreislauf (6) umfassend einen
Massendurchflussregler (3), einen Verdichter (4) und mindestens einen pneumatischen Verbraucher (2),
wobei der Massendurchflussregler (3) den Massenstrom auf einen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und
wobei der Verdichter (4) zur Aufrechterhaltung eines
Differenzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des
Massendurchflussreglers (3) gesteuert wird,
dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) aktiviert wird, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze (13) sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze (14) erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze (14) einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze (13) .
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergrenze (13) und/oder die Obergrenze (14) aus einer
statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem
Massendurchflussregler (3) und dem Verdichter (4) verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll-Massenstrom
ermittelt werden bzw. wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergrenze (13) größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur Erreichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Untergrenze (13) um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks ermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus einer dynamischen Kennlinie (41) der im Betrieb mit dem
Massendurchflussregler (3) und dem Verdichter (4) verbundenen pneumatischen Elemente ein vom Massenstrom abhängiger
Reservedruck ermittelt wird und die Untergrenze (13) um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Obergrenze (14) abhängig von der
Untergrenze (13), insbesondere in einem konstanten Abstand oberhalb der Untergrenze (13), ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das in dem Gaskreislauf (6) beförderte Gas Helium ist.
8. Gassystem (15) zur Versorgung eines pneumatischen
Verbrauchers (2) mit einem kontinuierlichen Massenstrom eines Gases, das Gassystem (15) umfassend einen Massendurchflussregler (3) und einen Verdichter (4), wobei der Massendurchflussregler
(3) zur Regelung des Massenstroms auf einen vorgegebenen Soll- Massenstrom eingerichtet ist und wobei der Verdichter (4) von einer Verdichtersteuerung (10) zur Aufrechterhaltung eines
Differenzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des
Massendurchflussreglers (3) steuerbar ist, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung (10) eingerichtet ist, den Verdichter (4) zu aktivieren, wenn der Differenzdruck unter eine Untergrenze (13) fällt, und zu deaktivieren, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze (14) erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze (14) einem höheren Differenzdruck
entspricht als die Untergrenze (13) .
9. Gassystem (15) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung (10) zur Ermittlung der Untergrenze (13) und/oder der Obergrenze (14) aus einer statischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler (3) und dem Verdichter
(4) verbundenen pneumatischen Elemente abhängig von dem Soll- Massenstrom eingerichtet ist.
10. Gassystem (15) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung (10) zur Ermittlung einer Untergrenze (13) eingerichtet ist, welche größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur
Erreichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist.
11. Gassystem (15) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung (10) zur Ermittlung der Untergrenze (13) um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb der minimalen Druckdifferenz eingerichtet ist.
12. Gassystem (15) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung zur Ermittlung eines vom
Massenstrom abhängigen Reservedruck aus einer dynamischen
Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler (3) und dem Verdichter (4) verbundenen pneumatischen Elemente und zur Ermittlung der Untergrenze (13) um einen vom Soll-Massenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen
Druckdifferenz eingerichtet ist.
13. Gassystem (15) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtersteuerung (10) zur Ermittlung der Obergrenze (14) abhängig von der Untergrenze (13),
insbesondere in einem konstanten Abstand oberhalb der
Untergrenze (13), eingerichtet ist.
14. Gassystem (15) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gassystem (15) Helium enthält.
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