AT519895A1 - Gassystem - Google Patents

Abstract

Gassystem (15) zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers (2) mit einem kontinuierlichen Massenstrom eines Gases und Ver- fahren zur Steuerung des Massenstroms in einem geschlossenen Gaskreislauf (6) umfassend einen Massendurchflussregler (3), ei- nen Verdichter (4) und mindestens einen pneumatischen Verbrau- cher (2), wobei der Massendurchflussregler (3) den Massenstrom auf ei- nen vorgegebenen Soll-Massenstrom regelt und wobei der Verdichter (4) zur Aufrechterhaltung eines Diffe- renzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des Massen- durchflussreglers (3) gesteuert wird, und wobei der Verdichter (4) aktiviert wird, wenn der Differenz- druck unter eine Untergrenze (13) sinkt, und deaktiviert wird, wenn der Differenzdruck eine Obergrenze (14) erreicht oder über- steigt, wobei die Obergrenze (14) einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze (13).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Massen stroms in einem geschlossenen Gaskreislauf umfassend einen Mas sendurchflussregler, 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 eingerich tet 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 Venti lator ein Gebläse oder einen Verdichter (im engeren Sinn) han deln. 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 eine 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 in tern 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 Gas kreislauf 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 Akti vierung 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 Diffe renzdruck 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 Er reichung des Soll-Massenstroms erforderlich ist. Der minimale

Differenzdruck kann insbesondere aus der statischen Kennlinie ermittelt werden. Dabei handelt es sich um jenen Differenzdruck, der den Druckverlust innerhalb des Gaskreislaufs bei dem SollMassenstrom 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 minima len Differenzdrucks ermittelt wird. In entsprechender Weise ist es günstig, wenn die Verdichtersteuerung zur Ermittlung der Un tergrenze um einen vorgegebenen konstanten Reservedruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks eingerichtet ist. Der Reservedruck gewährleistet einen Puffer für den Fall einer Änderungen der Führungsgröße (d.h. bei einem plötzlich höheren Soll

Massenstrom), und wirkt einem Einbruch des Massenstroms entge gen. 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 mini malen 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 Elementen 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 SollMassenstroms 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 ober halb 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 gleich bleiben, was die Wahrnehmung eines mobi len 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 Vorteile 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, CO2, O2 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 abso luten Drucks am Einlass des Verdichters gesteuert wird. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Verdichter in einem stabilen Ar beitsbereich 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 Zu führung zu dem Verbraucher zur Regelung der Temperatur des Ver brauchers 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 Ele menten 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 er läutert. 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 Massendurchflussreglers;

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 erfindungsge mäßen Gassystem;

Fig. 1 zeigt schematisch ein Gassystem 1 zur Versorgung eines pneumatischen Verbrauchers 2 mit einem kontinuierlichen Massen strom 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 ein 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 Ver dichter 4 wird von einer Verdichtersteuerung 10 zur Aufrechter haltung eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass des

Massendurchflussreglers 3 gesteuert (vgl. Fig. 2). Der Diffe renzdruck wird aus den Messergebnissen entsprechend angeordneter Drucksensoren 11, 12 (vgl. Fig. 2) ermittelt. Dabei ist die Verdichtersteuerung 10 eingerichtet, den Verdichter 4 zu aktivie ren, 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 Pur- ging“-Methode wie oben beschrieben, gestartet.

Die Stabilisierungseinrichtung 17 umfasst einen Druckbehälter 25, welcher als Puffer für den Druck am Einlass 26 des Massen stromreglers 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 Massendurch flussreglers 3 und vor dem Verbraucher 2 bzw. der damit verbun denen 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 Tauscher fluidkreislauf 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 ei nen 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 Unter grenze sinkt, und deaktiviert, wenn der Differenzdruck eine

Obergrenze erreicht oder übersteigt, wobei die Obergrenze einem höheren Differenzdruck entspricht als die Untergrenze. Die Un tergrenze 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 Massen durchflussregler 3 bei vollständig geöffnetem Durchlass ermit telt. Aus der Elementkennlinie 32 ist somit ablesbar, welche

Druckdifferenz über den Massendurchflussregler 3 bei eine ge wünschten Massenstrom mindestens hergestellt werden muss. Bei einer höheren Druckdifferenz kann der Massendurchflussregler 3 den Massenstrom durch Steuerung des integrierten Ventils redu zieren.

Fig. 4 zeigt eine beispielhaftes zeitliches Verhalten 33 eines

Verdichters 4 bei einer vorgegebenen Eingangsleistung. Der Sig nalverlauf 33 beschreibt den Zusammenhang zwischen einer Druck differenz 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 Eingangs leistungen und Drehzahlen des Verdichters 4. Bei geringen Mas senströmen 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 Wesentli chen 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 Element kennlinie 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 mit bestimmt. 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 statische 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 unter sucht, welche Druckdifferenz erforderlich ist, um Einbrüche der jeweils anderen Parameter bei plötzlichen Änderungen zu vermei den. 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, Turbi ne) 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 Diffe renzdruck oberhalb des minimalen Differenzdrucks erforderlich ist, um einen solchen Einbruch zu vermeiden. Dadurch kann ein unnötig hoher Differenzdruck vermieden werden, welcher die Ge fahr von Beschädigungen des Gassystems erhöhen würde.

Fig. 10 zeigt den Verlauf einer Obergrenze 14 und einer Unter grenze 13 des Differenzdrucks als Funktion des Soll

Massenstroms. Der Verlauf der Untergrenze 13 entspricht im We sentlichen 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 kon stante 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 Ver dichter 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 Ar beitspunkt 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.

Claims (15)

Ansprüche:

1. Verfahren zur Steuerung des Massenstroms in einem geschlos senen 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 stati schen 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 Massen durchflussregler (3) und dem Verdichter (4) verbundenen pneuma tischen Elemente ein vom Massenstrom abhängiger Reservedruck ermittelt wird und die Untergrenze (13) um einen vom SollMassenstrom abhängigen Wert des Reservedrucks oberhalb der minimalen Druckdifferenz ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Obergrenze (14) abhängig von der Untergrenze (13), insbesondere in einem konstanten Abstand oberhalb der Un tergrenze (13), ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, dass das in dem Gaskreislauf (6) beförderte Gas Helium ist.

8. Gassystem (15) zur Versorgung eines pneumatischen Verbrau chers (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 Dif ferenzdrucks zwischen Einlass (26) und Auslass (31) des Massen durchflussreglers (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 Ober grenze (14) einem höheren Differenzdruck entspricht als die Un tergrenze (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 gekennzeich net, dass die Verdichtersteuerung (10) zur Ermittlung einer Un tergrenze (13) eingerichtet ist, welche größer oder gleich einem minimalen Differenzdruck ist, welcher zur Erreichung des SollMassenstroms 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 Massen strom abhängigen Reservedruck aus einer dynamischen Kennlinie der im Betrieb mit dem Massendurchflussregler (3) und dem Ver dichter (4) verbundenen pneumatischen Elemente und zur Ermitt lung 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.